离子刻蚀深度剖析

电子逃逸深度是有限的 掠射角方向的电子来自于近表面 以一系列的角度采集数据 计算膜厚可达5-10nm 非结构破坏技术 Theta Probe不必倾斜(tilting)样品即可达成
10 nm
膜厚度测量 - ARXPS
AR-XPS – 检测相对于表面不同角度的电子来自于样品中不 同深度。
电子来自于A和B 电子仅来自于A Apparent depth 表观分析深度 of analysis
8.1、角分辨深度剖析(d ~ )
对膜厚 10 nm的超薄膜， 采用非结构破坏性深度剖析。 通过改变发射角（检测角） 来实现。



改变h以改变有效的i。 若可能，尽量用EB相差大的 峰不同的i。 改变接收角，以改变i cos。
角分辨XPS

ARXPS


一些普通材料对3 kV 氩离子的刻蚀速率表
元素 Aluminium, Al Cobalt, Co 溅射速率@ 1 µA/mm-2 0.28 nms-1 0.21
Copper, Cu
Indium, In Iron, Fe Lead, Pb
0.18
0.478 0.21 0.57
Magnesium, Mg
角分辨XPS (ARXPS) 用于小于XPS 分析深 度的分析
可用数学方法计算出 各层的成分、厚度和 分布。
A B
Apparent depth 表观分析深度 of analysis
膜厚测量

假设在衬底B表面有一厚度为dA的薄覆盖层A。 d I I exp 来自B的信号强度为 E cos 来自覆盖层A的信号强度为 I I 1 exp d E cos 因此 d
I I0 ln 1 A B 0 IB IA
I I0 d A A cos ln 1 A B 0 IB II

对 1 cos 作图，其直线斜率等于 d
A
SiO2/Si
=3.4nm
适用于SiO2覆盖厚度为0.2nm~10nm.
O1s
Si2p
100 90
80
70
60
Leabharlann Baidu
50
40
30
20
10
0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Atomic percent (%)
Depth
分析深度随电子动能的变化

非破坏性获得深度信息的另一种方法是检验相同原子的不 同能级的电子。非弹性平均自由程随电子动能而变化，通 过选择XPS中容易发生且能量分离大的一对电子跃迁，可 以获得一定程度的深度选择性。
【例】XPS depth profile of SiO2 on Si
离子刻蚀深度剖析：用于深达1mm的分析
Tungsten Titanium Alloy (W/Ti) 300 nm Silicon (Si) Titanium Silicide (TiSi) Silicon (Si)
（1）离子刻蚀速率
刻蚀速率也依赖于样品组成，如硅(Si)比钽(Ta)刻蚀更 快.
离子刻蚀速率
氩离子刻蚀速率可由文献报道的溅射产额 数据近似计算得出。 刻蚀速率 S = (I.Y.M) / (100 r ) [nm/sec] 其中：I = 离子电流密度［µA.mm-2］； Y = 溅射产额； M = 溅射材料的原子质量； r = 基体材料密度 [g.cm-3]

深度分布信息分析
常用测定样品内部（体相）分布信息的方法： 角分辨深度剖析 电子逃逸深度是有限的 掠射角方向的电子来自于近表面 以一系列的角度采集数据 计算膜厚可达5-10nm 非结构破坏技术

离子溅射深度剖析 （d< 1mm) 离子束在样品表面扫描 样品表面物质被逐渐刻蚀掉 在刻蚀周期间采集XPS谱 建立起样品成分随深度变化的剖析图 结构破坏技术

比如Ge 3d谱(动能1450eV，λ≈2.8nm)和Ge 2p3/2谱(动 能260eV，λ≈0.8nm)
8.2、离子溅射深度剖析（d>>）


电子能谱（XPS和AES）是一种表面灵 敏的技术，若和离子溅射蚀刻技术结 合起来便可得到元素的深度分布。 由离子束溅射形成了一个直径大于初 级束斑的陷口(Crater)，在溅射过程 中陷口不断加深， XPS则不断地将陷 口底部的元素组份测量出来，从而得 到一个元素组成按深度分布。
[例] ARXPS – 硅氧氮化物
Atomic percent (%) 60 Surface 40 20 0 80 70 60 50 Angle (°) 40 O1s 30 C1s
Bulk
C1s
N1s
C1s N1s N1sO O1s Si2pO Si2p
Si2p N1sO Si2pO N1s Relative Depth
Molybdenum, Mo Nickel, Ni Platinum, Pt
第8章、深度剖析方法
1.
2.
3. 4.
角分辨深度剖析 离子溅射深度剖析 磨角深度剖析 面分布状态信息
深度剖析方法

电子能谱（XPS和AES）的测量不仅可以给 出从所含元素简单的定性指认到复杂化学 态分析，以及元素组成的定量分析，还可 以给出非均相样品中每个元素相的分布状 态信息。 对非均相覆盖层，需要进行深度分布分析 来了解元素随深度分布的情况。
B 0 B A A B
A
0 A
A
A
A
A 1 exp E IA I A A cos IB I dA exp A EB cos 0 B 0 A

可用来确定覆盖层的厚度dA。如果A(EA)A(EB)，即如 果两峰的结合能位置相近，这一方程就转化为 以
当离子束 (如Ar+)轰击样品表面时，将从表面除去 一些原子。
离子刻蚀速率依赖于:
•
•
所用气体的类型 - 重离子(如Ar+)比轻离子刻蚀更快
离子的能量 - 5 kV 离子(fast)比 1 kV 离子 (slow)刻蚀 更快
•
•
离子数 (或电流) - 1 mA电流的离子将是0.1 mA电流的 离子刻蚀速率的 10x