Angle Resolved XPS

Význam tématu

Analýza ultra-tenkých povrchových vrstev do hloubky několika nanometrů je klíčová pro moderní materiálové inženýrství a mikroelektroniku. Použití úhlově rozlišené rentgenové fotoelektronové spektroskopie (ARXPS) umožňuje bezdestruktivně sledovat chemické složení i tloušťku vrstev. Díky vysoké povrchové specifičnosti lze detekovat sub-surface chemické stavy a kontaminaci, které by jinak byly při běžném sondování odstraněny sputterováním.

Cíle a přehled studie / článku

Note popisuje:

• Matematické základy ARXPS založené na Beer-Lambertově zákoně.
• Modely pro výpočet tloušťky jednovrstvých i vícevrstvých systémů.
• Vliv elastického rozptylu a úhlové asymetrie na měření.
• Metody tvorby relativních hloubkových profilů a rekonstrukce prostorového rozložení složek.

Použitá instrumentace

Pro experimenty ARXPS byly využity přístroje Thermo Scientific Theta Probe a Theta 300 s úhlem sběru fotografických elektronů až 60° bez nutnosti naklápění vzorku. Pro srovnání byly zmíněny i konvenční XPS systémy, jako ESCALAB 250. Pro zpracování dat sloužil software Avantage se zabudovanými databázemi útlumových délek a nástroji pro výpočet vícevrstvých modelů.

Hlavní výsledky a diskuse

• Formulace obecného vztahu I/I0 = exp(–d/λ cos θ) pro intenzitu fotoelektronového signálu.
• Určení poměru R∞ pro systémy SiO2/Si, výpočet a experimentální ověření tloušťky oxidových vrstev s přesností na jednotky nanometrů.
• Srovnání dat ARXPS s elipsometrií pro tenké vrstvy SiO2 na Si ukázalo lineární závislost s interceptem daným kontaminační vrstvou AMC.
• Ukázka analýzy tenké oxidační vrstvy GaAs pomocí konvenčního a paralelního ARXPS, prokázána vyšší citlivost na povrch i substrát v závislosti na sběrném úhlu.
• Vývoj vícevrstvového kalkulátoru pro ARXPS umožnil simultánní kvantitativní určení až tří vrstev (např. Al2O3 na SiO2 na Si).
• Metoda maximální entropie a genetické algoritmy přinesly možnost nelineární rekonstrukce hloubkových profilů bez nadměrného přizpůsobení šumu.

Přínosy a praktické využití metody

ARXPS představuje neinvazivní přístup k analýze tenkých vrstev a rozhraní, zachovává chemické stavy materiálů a umožňuje přesné stanovení tloušťky, složení i kontaminace. Díky paralelní akvizici úhlově rozlišených dat lze analyzovat i velké vzorky nebo celé polovodičové plátky bez otočení.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření databází IMFP a útlumových délek pro nové materiály.
• Integrace vícevrstvových a spektroskopických modelů pro složité heterostruktury.
• Využití nízkoenergetického iontového povrchového sputterování kombinovaného s ARXPS pro sub-nanometrovou hloubkovou rozlišitelnost.
• Automatizace rekonstrukce hloubkových profilů pomocí pokročilých optimalizačních algoritmů a umělé inteligence.

Závěr

Úhlově rozlišená XPS poskytuje jedinečný pohled do sub-povrchových vrstev s neporušenou chemickou informací. Kombinace přesných matematických modelů, výkonného softwaru a speciálních detektorů otevírá nové možnosti pro analýzu ultratenkých filmů a rozhraní v průmyslové i výzkumné praxi.

Reference

• P. Seah, W.A. Dench: Surface and Interface Analysis 1 (1979) 2.
• M.P. Seah et al.: Surface and Interface Analysis 36 (2004) 1269.
• Data útlumových délek podle NIST Standard Reference Database 82.
• M.P. Seah, S.J. Spencer: Surface and Interface Analysis 33 (2003) 515.
• S. Tanuma, C.J. Powell, D.R. Penn: Surface and Interface Analysis 21 (1994) 165.
• R.F. Reilman, A. Msezane, S.T. Mason: J. Electron Spectroscopy 8 (1976) 389.
• A. Jablonski: Surface and Interface Analysis 14 (1989) 659.
• M.P. Seah, I. Gilmore: Surface and Interface Analysis 31 (2001) 835.
• A. Jablonski: Surface and Interface Analysis 23 (1995) 29.
• A.K. Livesey, G.C. Smith: J. Electron Spectroscopy Rel. Phenomena 67 (1994) 439.
• R.L. Opila, J. Eng Jr.: Progress in Surface Science 69 (2002) 125.