XPS重建的浓度深度剖面

利用XPS从表面最上方10 nm处获得定性化学数据层状薄膜材料的化学。亚博网站下载我们演示了如何使用角度分辨的XPS更表面敏感的方法来探测材料的最顶部1-3纳米。表面污染的清除被证明会影响后续的处理最大熵法重建深度剖面，使用气体簇离子源(GCIS)进行温和的溅射清洗，改善了层结构的描述。

介绍

在许多工业中，薄膜技术的应用具有重要的商业价值，通常用于影响散装材料的物理和化学性质。在IMEC的合作下，我们使用栅氧化结构模型系统演示了分层薄膜和超薄薄膜涂层的多技术研究。亚博网站下载

多种技术的结合使我们能够理解材料的组成，以及化学和化学计量的细微差异如何影响基质特性，从而提高其应用的特异性。

角分辨X射线光电子能谱（ARXPS）常用来分析薄膜。然而，从这些数据中确定元素的深度分布来构建重建的深度剖面是困难的。所建立的最大熵模型(Maximum Entropy modeling, MEM)方法可以通过提高测量薄膜中元素和化学状态深度分布的置信度来解决这一问题。

在这里，我们详细介绍了一种标准方法的发展，以描述真实的薄膜材料，污染对计算MEM模型拟合的影响也可以通过使用气体团簇离子源(GCIS)去除偶然碳覆盖层并重新获取ARXPS数据来研究。

实验

使用配备有团簇离子源的先进轴谱仪，对层状薄膜材料进行了分析。为了减少光电子损失和随后的电荷积聚，使用了同轴电荷中和器。对于每个元素，在0到1350 eV的相当大的能量范围内获得了测量光谱，而在较小的亚博网站下载能量范围内获得了高分辨率的光谱。

对于层状薄膜材料，数据分析是复杂的，因为在技亚博网站下载术的采样深度内有来自多个层的信号。ARXPS研究了光电子峰值强度随掠角的变化，MEM提供了数据评估的方法，是一种利用简单的统计模型进行定量分析的建立方法。在K. Macak最近的工作之后，为了方便使用，它被整合到ESCApe软件中¹，这允许添加重要参数来完善MEM模型的拟合，如化学计量、密度和层数/厚度。

这些参数对层状薄膜材料很重要，因为它们可以让人们适应不同成分和密度的元素的不同化学状态，而不是假设整亚博网站下载个层状的规律性。在具有重复、相同层的样品中，或者当有具有不同化学状态的相同元素层时，如Si衬底和SiO₂在这些实例中看到的层，这是至关重要的。

利用GCIS的簇大小和加速电压组亚博网站下载合，可对多种材料进行溅射清理或深度成型，而不会对表面造成任何化学损伤。为了去除表面污染，GCIS与5 keV Ar一起使用₂₀₀₀⁺，为温和的溅射清洗提供低蚀刻速率。

结果与讨论

理想的参考样品

由IMEC提供的理想的薄膜参考样品主要用于创建和改进标准的分析工作流程。由T. Conard等人制备并表征²该样品具有良好的层状结构，由硅衬底上1nm氧化硅上的2nm氧化铪组成。测得的光谱与预期一致，但由于不定碳污染，显示出C 1s峰值。

图1所示。理想参考样品的ARXPS Si 2p光谱(已接收)。

为了确定元素和化学状态浓度随深度的变化，进行了ARXPS实验。图1显示了理想参考样品的ARXPS Si 2p光谱，其中SiO₂如预期的那样，峰值随着掠射角的增加而增加。与该薄膜样品所期望的层厚度一致，由MEM拟合得到的模型提供了计算得到的重新构造的浓度深度剖面。

图2。MEM模型适合于理想的参考样品(收到)。

不定碳的污染使模型拟合分析变得复杂。对消除碳污染至关重要不造成损害，样品用5kev氩气清洗₂₀₀₀⁺大型低能量团簇。与单原子离子相比，簇离子没有造成化学损伤，如图3所示，对比了0.5 keV单原子和5 keV Ar氩气清洗前(蓝色)和后(红色)的Hf 4f光谱₂₀₀₀⁺集群模式。

由于清洗前后的Hf - 4f光谱看起来相同，5 keV Ar₂₀₀₀⁺集群模式不会对基片造成损害。相比之下，0.5 keV Ar⁺单原子模式，很明显破坏衬底，因为即使在使用低能量单原子模式时，Hf 4f光谱也会发生巨大的变化。

图3。用0.5 keV Ar清洗前（蓝色）和清洗后（红色）Hf 4f光谱的比较⁺单原子和5 keV Ar₂₀₀₀⁺集群模式。

通过测量光谱确认碳污染的消除，然后重复ARXPS实验。如图4所示，由此产生的MEM模型拟合显示了碳覆盖层的去除，计算了重建深度剖面使层厚与薄膜材料的投影厚度一致。

图4。MEM模型适用于GCIS团簇清洗后的理想参考样品。

一个更复杂的参考样本

由于理想参考样品分析和表征工作流程的成功，它被应用于带有补充氧化硅层的稍微复杂的参考样品。由T.Conard等人编制。，²清晰的层状薄膜结构由1 nm sio2组成₂/2nm氟化氢₂/ 1 nm SiO₂/硅衬底。由此获得的调查光谱与预期一致，但由于碳污染，再次显示出C 1s峰值。

为了确定元素和化学状态浓度作为深度的函数，进行了ARXPS实验，图5显示了这个更复杂、理想的参考样品的ARXPS Si 2p光谱。正如所料，这里是SiO₂峰值随着掠角的增大而增大，Si元素峰值随着信息深度的减小而减小。

图5。更复杂的理想参考样品的ARXPS Si 2p光谱(已收到)。

如图6所示，MEM软件拟合的后续模型提供了一个计算重建的浓度深度剖面，该剖面恰当地模拟了两个相同的SiO₂层。由于在初始掠射角较小的情况下，仅具有该较深层的光谱信息，因此两个SiO中较深层的拟合精度较低₂层。

从较深的SiO获得更多信号₂在ARXPS实验的更多掠射角和改进MEM模型拟合过程中，使用GCIS轻轻去除1nm厚的碳覆盖层是非常有益的。

图6。MEM模型适用于更复杂的概念参考样品(已收到)。

与之前类似，使用低能大团簇5 keV Ar，使用GCIS去除不定碳覆盖层₂₀₀₀⁺碳污染的模式和去除由调查光谱确定；再次重复ARXPS实验。

由此得到的MEM模型拟合(如图7所示)揭示了碳覆盖层的去除，从而计算出重建的深度剖面，从而得出与该薄膜材料预期厚度一致的层厚。总体而言，特别是在更深层次的SiO₂界面，增强了MEM模型的拟合性。

图7。MEM模型适用于GCIS集群清洗后更复杂的理想参考样品。

这种标准的分析工作流程有望成功地描述两个含有层状薄膜的样品。因此，它可以作为一种分析现实生活中薄膜材料的方法。亚博网站下载

结论

为了表征用作栅极氧化物模型结构的理想参考薄膜材料，亚博网站下载XPS被利用了。常规单色alkαX射线的采样深度通常为10nm，使用ARXPS可以将其减小到1–3nm。MEM用于根据合成的角度分辨数据确定重建的深度剖面。这被发现与这些薄膜材料的互补技术确定的层厚度一致。亚博网站下载

该分析工作流程的成功使其发展成为一个标准协议，用于分析现实生活中的材料，并确保测量薄膜中元素和化学状态深度分布的信心。研究发现，通过使用GCIS进行温和清洁来去除污染，可以极大地改善由此产生的MEM模型拟合，尤其是对于信息仅亚博网站下载限于初始较小掠射角的深层。

参考文献和进一步阅读

1. 王志强，王志强，王志强。表面处理技术的研究进展[j]。
2. T.Conard等人，《真空科学与技术杂志》，A，2012，30，031亚博老虎机网登录509。

这些信息来源于Kratos分析有限公司提供的资料。亚博网站下载

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