Auger Electron Spectroscopy (AES)

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1 Auger Electron Spectroscopy (AES)
원리와 분석

2 AES 활용 표면(수Å)에 대한 조성 분석 박막의 깊이 방향 원소분석(depth profiling)
미소부위 조성분석(point analysis) 이차원적인 원소분포도 측정(image mapping) line scanning

3 대표적인 분석 방법 표면분석 AES : Auger electron Spectroscopy
장비 입사광 측정신호 분석깊이 최소분석면적 원리 취득정보 XPS 특성 X-선 광전자 10~100Å 100㎛ 광전자의 측정으로 에너지 준위 결정 화학결합상태, 원소분석 UPS 자외선 수십Å 광전자의 측정으로 에너지 준위결정 진동주파수, 화학결합상태 AES 전자 Auger전자 20~60Å 20nm Auger 전자의 측정에 의한 원소분석 표면원소분석 SIMS 이온 2차이온 50~300Å 1㎛ 2차이온에 의한 질량분석 표면층의 고감도 원소분석 ISS 산란이온 1nm 1mm 일정각도로 산란된 이온의 측정 표면 원소분석 SEM 2차전자, X-선 100Å 10Å 가속전자에 대한 2차전자나 X-선 표면의 형상, 원소조성 TEM 투과전자 50Å 투과전자의 세기에 따른 명암 영상 격자구조, 결함의 관찰 STEM 투과전자, X-선 3Å 투과전자의 방출 X-선의 영향 미소영역의 화학조성 RBS He, H입자 20~200Å 후방산란된 이온의 세기 측정 정성, 정량분석 LEED 산란전자 수원자층 수백㎛ 표면 2차원 격자에 의한 산란 표면구조, 흡착원자 배열 EPMA X-선 특성 X-선에 의한 원소분포 원소 정량 SAM Auger 전자 0.1㎛ 방출된 Auger전자로 영상 구성 화학성분 분포 측정 AES : Auger electron Spectroscopy SAM : Scanning Auger Microscopy RBS : Rutherford Backscattering Spectroscopy XPS : X-ray Photoelectron Spectroscopy (ESCA) STEM : Scanning Transmission Electron Microscopy SEM : Scanning Electron Microscopy 표면분석 금속 ( ~ 20Å), 유기물, 고분자물질 ( ~ 100Å)의 표면과 계면의 구성원소 및 화학적 결합상태, 에너지 준위 등을 알아내는 기술

4 AES 와 XPS 비교 장점 단점 XPS에 비해 깊이 방향의 분해능이 좋다. Charge up 의 영향이 크다
최소 분석 영역이 수 nm 로 미세한 영역의 분석이 가능하다. 스펙트럼을 짧은 시간에 얻을 수 있어 시료표면에 있는 원소의 농도를 빨리 알아내는데 편리하다. 스캐닝 머신을 이용하면 이차원적인 분포 사항을 알 수 있다. 단점 Charge up 의 영향이 크다 신호 대 잡음비가 좋지 않다. E-beam 조사에 의한 시료 손상이 상대적으로 크다 XPS에 비해 화학적 상태 분석에는 많이 사용하지 않는다. 1. 미세한 영역의 분석 가능 2. 빠른 분석 가능 1. Charge up 현상 2. 신호 대 잡음비가 좋지 않다

5 미세한 분석이 가능한 AES Auger 전자 방출을 일으키는 에너지원 : X-선, E-beam
안되기 때문 Auger 전자 스펙트럼을 얻기 위해 거의 모든 경우 E-beam 이 사용된다.

6 Auger 전자란 Auger 과정의 초기 상태 : x선이나 E-beam 또는 다른 형태의 에너지 원에 의해 형성된 핵심부 구멍이 생성 에너지원 X-선, E-beam

7 Auger전자의 운동에너지 E(KL1L3)= E(K)-E(L1)-E(L3)
E-beam의 에너지와는 무관하며 원자 내의 각 껍질의 에너지에만 의존 Auger 전자를 하나 방출하는 과정에 참여하는 궤도 함수 K, L1 ,L3 Auger 과정 -> KL1L3 전이 Auger 전자 -> KL1L3 –Auger 전자

8 Kinematics energy KE of each Auger electron :
Core hole ionization of K electron BE in O =532eV(EA) BE of L1 electron in O =24eV(EB) BE of L3 electron in O =7eV(EC) Auger electron KE(KLL)in O= =501eV

9 전자 총 (Electron gun) 상업적으로 많이 쓰이는 전자총
< E-beam 에너지 : 3 ~ 5 keV , 방출 전류:200uA, 크기: 0.1 mm2> 작은 점 전자총(small spot electron gun) < E-beam 에너지: 10 keV, 크기:0.1 um2> 필드 방출 소스 또는 고광도 열방출기와 자기집속을 이용하면 E-beam 의 크기가 수만 pm 까지 작아져 진정한 미세 분석이 가능하다.

10 Auger 스펙트럼 E-beam 시료 표면에 충돌 :운동에너지가 낮은 이차 전자들이 넓은 에너지 구간에 분포되어 다량으로 방출

11 화학적 상태 분석에는 많이 사용되지 않는 AES
원자의 화학적 환경이 달라짐 -> 궤도함수의 에너지가 달라짐 Auger 과정에는 세 개의 궤도함수가 참여하므로 매우 복잡하다. E-beam의 높은 에너지 때문에 신호 대 잡음비가 좋지 않다.

12 Auger 파라미터 시료가 전기를 띄는 현상이 발생 -> 봉우리의 위치가 바뀌기 때문에 정확한 에너지의 측정이 어려워진다. 광전자 봉우리와 Auger 봉우리의 차이를 파라미터로 사용한다. -> Auger 파라미터 alpha로 나타낸다.

13 분석 Line scan Image mapping

14 원소의 정성 및 정량분석 XA: A의 atomic%, P: Peck to peck, S:sensitivity factor

15 Depth profile AES spectrum Noise 혹은 다른 원소로 부터의 peak중첩을 고려 해야함
Spectrum 해석(S/W) Depth profile data 획득 Chemical shifts in AES profiles 분석가능하지만 일반적으로 ESCA사용 (Auger process중 3개의 전자준위에 의한 간섭때문)

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18 참고 자료 AES (Auger Electron Spectroscopy)
수백 Å 크기의 Electron beam을 재료의 표면에 입사  방출되는 Auger electron의 에너지를 측정하여 재료표면을 구성하고 있는 원소의 종류 및 양을 분석해내는 표면분석 장비이다.

19 참고 자료 Auger analysis Data acquisition 중 샘플 표면에 불순물의 흡착을 방지하기 위해 10-8torr 이하의 UHV chamber 내에서 이루어짐. Electron gun : Primary electron beam Electron energy analyzer and detector : measurement and collection of emitted electrons. Sample manipulator : to locate the area of interest at the analyzer focal point. Ion gun : cleaning of the sample and for depth profiling

20 Physical Electronics Model 25-130 CMA
참고 자료 Physical Electronics Model CMA