4.1-表面與界面

1、Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,概念與定義 表面科學(xué)與表面分析技術(shù) 表面分析技術(shù)的特點

2、 表面分析方法簡介 表面分析譜儀 電子能量分析器（電子能譜儀） 檢測器,表面與界面,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電

3、子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,一、表面科學(xué)與表面分析技術(shù)表面科學(xué)是研究表面和界面的微觀、宏觀過程的科學(xué)；表面科學(xué)涉及物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)等，是許多學(xué)科的邊緣學(xué)科；表面分析技術(shù)是表面科學(xué)的實驗基礎(chǔ)，是表面科學(xué)的一個重要分支；表面科學(xué)對表面過程的研究是借助于表面分析技術(shù)才得以實現(xiàn)的；電子科學(xué)與技術(shù)與表面科學(xué)與表面分析技術(shù)密切關(guān)聯(lián)：大規(guī)模集成電路、電子材料與器件、集成光學(xué)、薄膜，等。,Schl. of Optoel

4、ectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,1、表面和表面特征 表面科學(xué)研究的對象通常是固體表面，是固體靠近氣

5、體的一個或幾個原子層，厚度為幾埃至幾十埃。 表面科學(xué)也研究固-固界面，將界面問題轉(zhuǎn)換為表面問題研究。2、表面與體內(nèi)的差異 （1）組分差異 偏析、吸附 （2）結(jié)構(gòu)差異 重構(gòu)、馳豫、臺階表面 （3）表面原子的電子結(jié)構(gòu)差異,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”

6、教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,二、表面分析技術(shù)的特點 希望從實驗中獲取的信息：表面成分：元素種類、元素含量、平面和深度分布表面元素化學(xué)狀態(tài)：元素的價態(tài)、化學(xué)鍵類型、電荷分布狀態(tài)、表面

7、化學(xué)反應(yīng)歷程表面物理結(jié)構(gòu)：排列方式、晶體缺陷、表面原子的蠕動、遷移和平衡時的表面形貌、吸附原子的位置分布1、檢測信息的表面性 表面分析與薄膜分析、體分析不同！圖10-5-2 此處 表面是指固體與氣體（或真空）接觸的一個至幾個原子層。,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室

8、 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,2、表面信息的高靈敏性 檢測信息深度越淺越好3、分析范圍的微區(qū)性 除深度外，橫向檢測區(qū)域也可小到微米或亞微米級4、檢測信息的三維性 采用離子刻蝕，實現(xiàn)逐層濺射、逐層分析，可進行成分隨深度

9、變化的分析,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,三、表面分析方法簡介

10、 利用微觀粒子與表面相互作用獲取表面信息 ! 入射粒子：電子、離子、光子、中性粒子、電場、磁場、熱、聲波。 被檢測粒子種類：電子、離子、光子、聲波 被檢測粒子信息：能量、動量、質(zhì)荷比等的分布； 束流強度或波的頻率、方向、強

11、度、偏振態(tài)。 圖10-6-2 100多種表面分析方法！,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集

12、成器件”國家重點實驗室.,,1、以電子為探針的表面分析技術(shù) 餓歇電子譜（AES）：Auger Electron Spectroscopy 表面微區(qū)成分分析 出現(xiàn)電勢譜（APS）：Appearance-Potential Spectroscopy

13、 成分檢測，靈敏度比 AES 差，但裝置 簡單、價廉、線譜簡單 電離損失譜（ILS）： Ionization Loss Spectroscopy 成分檢測，與電子顯微鏡配合使用,Schl. of Optoelectronic Info

14、rm. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,高分辨低能電子損失譜（HRLEELS）： High Resolution Low Energy E

15、lectron Loss Spectroscopy 金屬表面特殊區(qū)域方位的原子、分子振動，成分分析 反射高能電子衍射（RHEED）： Reflection High Electron Diffraction 10 ~ 30 kV 高能電子束作用 表層晶體結(jié)構(gòu)，分子束外延的晶體生長 低能電子衍射（LEED）：

16、 Low Energy Electron Diffraction 10 ~ 200 eV 低能電子束作用 外層結(jié)構(gòu)和缺陷；表面吸附氣體和外來原子,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State K

17、ey Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,2、以光束為探針的表面分析技術(shù) 對表面的破壞最?。恢行粤Ｗ?、小的荷電問題 X 射線光電子譜（XPS）： X-ray Photoelectron Spectroscopy 表面元素和元素的化學(xué)

18、態(tài) 紫外光電子譜（UPS）： Ultra-violet Photoelectron Spectroscopy 電子價態(tài)結(jié)構(gòu)、吸附現(xiàn)象 擴展 X 射線吸收精細結(jié)構(gòu)（EXAFS）： Extended X-ray Absorption Fine Structure X 射線吸收邊高能端的震蕩

19、圖譜、局部結(jié)構(gòu)和短程有序 信息；非晶和微晶材料的結(jié)構(gòu)分析,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器

20、件”國家重點實驗室.,,3、以離子束為探針的表面分析技術(shù) 離子與電子探針的主要區(qū)別： 入射離子與原子、離子能產(chǎn)生明顯的能量和動量交換；質(zhì)量相當；可導(dǎo)致明顯的濺射。 二次離子質(zhì)譜（SIMS）： Secondary Ion Mass Spectroscopy 所有元素及其同位素的化學(xué)信息 離子散射譜（ISS）：Ion Scattering

21、 Spectroscopy 最外層原子的成分信息和結(jié)構(gòu)信息 濺射中性粒子質(zhì)譜（SNMS）： Sputtered Neutrals Mass Spectroscopy 元素檢驗靈敏度高于SIMS；濺射出的中性粒子后電 離再檢測，操作復(fù)雜、空間分辨困難,Schl. of Optoelectronic Inform.

22、 “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,離子中和譜（INS）： Ion Neutralization Spectroscopy

23、 低能離子；表面有價電子 盧瑟福背散射（RBS）： Rutherford Backscattering 不同元素的深度分布，可達 1 um， 深度分辨率20 nm；使用MeV能量離子轟擊，分析反 射束的離子能量。,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室

24、 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,4、以場為探針的表面分析技術(shù) 直流電場或緩慢變化的交流電場，不用電磁輻射；精度高。 場致發(fā)射顯微鏡（FEM）：Field Emission Microscopy 場離子顯微鏡（FIM）：Field

25、Ion Microscopy FEM 和 FIM 用于研究針尖狀試樣的原子排列、晶體缺 陷、晶粒邊界、相變、原子在表面的擴散。 可觀察外來原子在單晶表面的隨機移動；能獲得具有原子 分辨的圖像。 但是：試樣成尖狀，承受很大的電場力；局限性大 表10-1-2（實用）：AES，XPS，SIMS,Schl. of Optoelectronic In

26、form. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,四、表面分析譜儀1、概 述1）表面分析儀必備條件（ ？）試樣表面清潔超高真空環(huán)境能提供檢測需要的信息

27、高的能量（質(zhì)量）分辨率和高的傳輸率、高靈敏度能可靠檢測微弱信號（信噪比很低）,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國

28、家重點實驗室.,,2）儀器結(jié)構(gòu)超高真空系統(tǒng)一次探針系統(tǒng)（源）分析器信號探測器在線計算機圖11-1-2,,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID

29、 “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,2、真空系統(tǒng)1）真空條件 減少與氣體分子的碰撞 對試樣表面的敏感 10-5 ~ 10-6 Pa2）超高真空的獲得 ① 真空材料 200℃烘烤幾小時，然后冷至室溫。 合成橡膠、塑料、高分子聚合物、黃銅等不適宜！ 不銹鋼、銅、

30、金等；硼玻璃或石英作窗口材料。,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,② 真空泵

31、 擴散泵、離子泵、渦輪分子泵、鈦升華泵的某種組合！ 擴散泵：工作油的選擇。價廉、工作穩(wěn)定、抽速大、對 氣體無選擇 離子泵：不用流體、功耗小、不用冷阱、直接與系統(tǒng)連 接、啟動快； 抽惰性氣體快，但He，H2及水蒸 氣不能長期抽

32、 渦輪分子泵：可抽任何氣體、分子量小抽氣效率低 鈦升華泵：簡單、便宜；大氣、H2和碳氫化合物效率高 可靠抽氣系統(tǒng)： 擴散泵 + 鈦升華泵 渦輪分子泵 + 鈦升華泵,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室

33、 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,3、清潔表面的制備1）超高真空折斷試樣（解理）法 真空折斷臺；液氮溫度折斷金屬2）清洗、加熱、真空排氣法3）離子濺射法 成分

34、應(yīng)不變；加熱時，對薄膜樣理想4）機械刮擦 適用于軟金屬5）蒸發(fā)沉積法 表11-1-2,,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID

35、 “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,4、入射源1）X射線源 ① 雙陽極X射線源 圖11-2-2 在XPS分析中，Mg 和 Al 的Kα線；銅基體上沉積Mg，Al ② X射線單色器 利用晶面間距（d）一定的晶體對X射線發(fā)生衍射，從衍 射波中選擇特定的X射線波長。圖11-3-2

36、 ③ 同步輻射源 連續(xù)光源；高強度；成本巨大,,,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件

37、”國家重點實驗室.,,2）電子源 ① 熱發(fā)射電子源 即我們已知的電子槍：燈絲加熱，真空中傳播 W：亮度低 104 A/cm2.Sr LaB6：亮度高 106 A/cm2.Sr 束斑：50 nm ② 場發(fā)射電子源 利用電子隧道效應(yīng)，在尖端（針狀）材料

38、（也常用 W）表面和引出電極之間加一高電場（幾千伏），發(fā)射 電子。 亮度高：已超過 107 A/cm2.Sr 束斑：20 nm,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 Sta

39、te Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,3）離子源 表面分析中，離子源主要用于試樣表面的清潔，AES 和 XPS 的離子剝蝕以及 SIMS 分析。 ① 氣體放電型和等離子體型 圖11-6-2 氣體

40、放電：束流能量 500 eV-10 keV 束直徑 5 nm 等離子： 束流能量 幾百 eV 到 15 keV 亮度高： 100 – 2000 A/cm2.Sr ② 液態(tài)金屬離子源 圖11-7-2,,,Schl. of Optoe

41、lectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,5、電子能量分析器（電子能譜儀） 1）基本參數(shù) 能量分辨率（ Ene

42、rgy Resolution ） 絕對分辨率：單色電子束通過分析器后能量分布曲線的半 高寬，或峰底寬 相對分辨率：絕對分辨率與峰位動能的比值，與峰位有關(guān) 分辨本領(lǐng)： 相對分辨率的倒數(shù) 電子減速的方式： 固定減速比 CRR（Constant Retard Ra

43、tion） 固定通過能 CAE（Constant Analyser ( pass ) Energy）,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID

44、 “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,傳輸率、亮度與靈敏度 傳輸率：被收集到的電子數(shù)與發(fā)射的能量為E0的電子數(shù) 之比，T 表示 亮度： 對于非點源而言 L = T x A，A為源的面積 靈敏度：譜峰的強度，通常用每秒的脈沖數(shù)表示 2）同心半球形分析器（CHA） Concentric Hemispheric

45、al Analyser 圖11-8-2 ?V= K E0 連續(xù)或分步改變內(nèi)外球面之間的電位差，可使不同動能 的電子依次沿中心軌道通過，以 X 軸記電子能量，Y軸 記電子記數(shù)率，即可獲得電子能譜圖。,,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室

46、 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,3）筒鏡分析器（CMA） Cylindrical Mirror Analyser 圖11-9-2 適用于 AES

47、 E0 / eV = K / ln( r2 / r1 ) 可通過外筒電壓V的變化，選擇通過分析器的 電子能量，并進行檢測。,,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室

48、 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,6、檢測器 1）單通道電子倍增器 管式：材料為高鉛玻璃或鈦酸鋇系陶瓷 平行板式：基片（玻璃）+ 半導(dǎo)體（Si）+ 二次電子發(fā)

49、射層（如 Al2O3 ） 106 ~ 108 增益2）多通道探測器 由多個單通道電子倍增器平行地組合起來，或由位敏檢 測器鋪開在分析器的整個輸出狹縫處。 圖11-11-2,,主要部分: 分子束外延 光電子譜 掃描隧道顯微鏡,MBE, XPS, STM System, Tulane UniversityProf. Diebold,多 功 能 系 統(tǒng),Schl. of

50、 Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器件”國家重點實驗室.,,衛(wèi)星分布式真空系統(tǒng)，模塊化設(shè)計帶來非常好的擴展性。系統(tǒng)落成于瑞士洛桑，除了激光

51、 MBE 外，還包括表面分析設(shè)備如 RHEED。,PHOIBOS 半球型靜電分析器,Schl. of Optoelectronic Inform. “光電探測與傳感集成技術(shù)”教育部國防重點實驗室 State Key Lab. of ETFID “電子薄膜與集成器