择优溅射对深度剖析谱和深度分辨率的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)汕头大学理学院物理系 作者:刘毅

  择优溅射是深度剖析实验中导致所测量元素的成分分布偏离实际的一个重要因素。

  本文首先在广泛应用于溅射深度剖析定量分析的MRI 模型基础上,引入了一个描述择优溅射效应的参数,推导出了这个参数对所测量的深度剖面引起改变的一个解析式,并定量地模拟了择优溅射效应在深度剖析中对深度剖面形状和深度分辨率的影响。

  最后,应用拓展的MRI 模型,定量分析了Ar+ 和N2+ 溅射Ni/Cr 多层膜所得到的AES 深度剖析数据,比较了相应的择优溅射比率和深度分辨率。

  溅射深度剖析技术作为一种将离子溅射与表面元素成分表征相结合的复合技术,广泛应用于薄膜材料的成分分布表征以及深度剖析技术的自身研究。按对材料表层的元素成分测量的不同,溅射深度剖析分为两类,一类是分析溅射出来的元素成分,如二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectroscopy; SIMS) 、辉光放电光发射谱(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry; GDOES) 等;另一类是分析溅射后材料表面的元素成分,如俄歇电子能谱(Auger Electron Spectroscopy; AES)[5]、X- 射线光电子能谱(X- ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)等。由于溅射同信号测量过程导致了测量所得到的元素成分分布偏离原始(真实)情况,溅射深度剖析定量分析应运而生,其目的是恢复原始的成分分布情况,表征其中的失真因素。S. Hofmann教授所提出的MRI(Mixing- Roughness- Information)模型已广泛地应用于不同深度剖析技术的定量分析中。在MRI 模型中,溅射深度同溅射时间成线性关系;而对于某些情况(因溅射材料和溅射离子而异),择优溅射将严重破坏上述的线性关系。本文将描述择优溅射效应纳入到MRI 模型中,模拟计算择优溅射效应的影响,并应用于Ni/Cr 多层膜的AES 深度剖析定量分析中。

  本文从理论上推导了择优溅射效应连同原子混合效应下,溅射深度剖面失真的解析表达,模拟计算了择优溅射效应下,单层膜和多层膜相应的剖面失真情况。择优溅射效应可能显著导致溅射深度同溅射时间的非线性关系;另一方面导致不同于原子混合效应的拖尾失真特征,因溅射速率比率的不同可能优化或劣化深度分辨率。在此基础上,将以溅射速率比率r 为表征参量的择优溅射效应引入到MRI 模型中,将拓展后的MRI模型应用于深度分辨率的确定和采用不同离子(Ar+ 和N2+)溅射所获得的Ni/Cr 多层膜的AES 深度剖析谱的定量分析中。在Ni/Cr 溅射深度剖析实例中,MRI 拓展模型很好地拟合了相应的深度谱,并进一步确定了深度分辨率随溅射深度的变化情况,以及相应的溅射速率比率r(Cr/Ni)=0.9(Ar+ 溅射)和0.4(N2+ 溅射)。

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