离子溅射深度剖析
【做计算 找华算】【干货】XPS基本原理、仪器结构和使用方法、实验技术、实验实例
表面分析神器丨XPS基本原理、仪器结构和使用方法、实验技术、实验实例X-射线光电子谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称为XPS），经常又被称为化学分析用电子谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称为ESCA），是一种最主要的表面分析工具。
XPS作为当代谱学领域中最活跃的分支之一，它除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。
XPS可以分析导体、半导体甚至绝缘体表面的价态，这也是XPS的一大特色，是区别于其它表面分析方法的主要特点。
此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。
基本原理XPS方法的理论基础是爱因斯坦光电定律。
用一束具有一定能量的X射线照射固体样品，入射光子与样品相互作用，光子被吸收而将其能量转移给原子的某一壳层上被束缚的电子，此时电子把所得能量的一部分用来克服结合能和功函数，余下的能量作为它的动能而发射出来，成为光电子，这个过程就是光电效应。
该过程可用公式表示：hγ=E k+E b+E r（1）hγ：X光子的能量（h为普朗克常数，γ为光的频率）；E k：光电子的能量；E b：电子的结合能；E r：原子的反冲能量。
其中E r很小，可以忽略。
对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能E b，由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ，剩余的能量成为自由电子的动能Ek。
公式（1）还可表示为：E k= hγ- E b-ΦE b= hγ- E k-Φ仪器材料的功函数Φ是一个定值（谱仪的功函数），约为4eV，入射光子能量已知，这样，如果测出电子的动能Ek，便可得到固体样品电子的结合能。
原子能级中电子的结合能(Binding Energy，简称为B.E.)。
二硫化钼离子溅射-概述说明以及解释
二硫化钼离子溅射-概述说明以及解释1.引言1.1 概述二硫化钼离子溅射是一种常用的表面改性技术，通过其特殊性质和原理，可以实现对材料表面的精细加工和改良。
本文将介绍二硫化钼的基本特性以及离子溅射技术的原理和应用，探讨二硫化钼离子溅射在材料科学和工程领域的重要作用。
通过本文的阐述，读者将对二硫化钼离子溅射技术有一个全面的了解，为进一步研究和应用提供参考依据。
1.2 文章结构文章结构部分主要介绍了本文的组织架构和内容安排。
首先对整篇文章的大纲进行了介绍，包括引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，对文章的概述、结构和目的进行了简要说明。
接着在正文部分，将详细介绍二硫化钼特性、离子溅射技术以及二硫化钼离子溅射应用的相关知识。
最后在结论部分，将总结二硫化钼离子溅射的优势，并展望未来的发展方向，最后以结束语进行总结。
整体文章结构清晰明了，各部分内容之间衔接紧密，逻辑清晰，让读者能够更好地理解和吸收文章的内容。
1.3 目的本文旨在探讨二硫化钼离子溅射技术在表面处理和薄膜制备中的应用。
通过详细介绍二硫化钼材料的特性和离子溅射技术的原理，分析二硫化钼离子溅射在材料科学领域的重要性和应用前景。
同时，通过总结二硫化钼离子溅射的优势和展望未来发展方向，为相关研究提供参考和启示，促进该领域的进一步发展和应用。
希望本文能够对读者对于二硫化钼离子溅射技术有所了解，从而加深对这一领域的认识，并为相关研究和应用提供一定的指导和帮助。
2.正文2.1 二硫化钼特性二硫化钼是一种重要的半导体材料，具有许多优异的特性，使其在各种领域得到广泛应用。
首先，二硫化钼具有优良的电学性能，其导电性较好，可以作为导电膜或电极材料使用。
此外，二硫化钼的光学性能也很突出，具有较高的吸光系数和较高的光电转换效率，适合用于太阳能电池等光电器件。
另外，二硫化钼还表现出优异的力学性能，具有较高的硬度和较好的弹性模量，可以用于制备高性能的薄膜材料。
除此之外，二硫化钼还具有优良的化学稳定性和热稳定性，表面不易被氧化或腐蚀，适合用于各种高温环境下的应用。
离子镀溅射用银靶材
离子镀溅射用银靶材摘要：1.离子镀溅射用银靶材的概述2.离子镀溅射的原理和应用领域3.银靶材的特点和优势4.银靶材在离子镀溅射中的应用案例5.我国在离子镀溅射用银靶材领域的发展现状和前景正文：一、离子镀溅射用银靶材的概述离子镀溅射是一种重要的表面处理技术，广泛应用于微电子、光电子和功能薄膜等领域。
银靶材作为离子镀溅射的关键材料之一，承担着沉积金属膜的重任。
本文将对离子镀溅射用银靶材进行详细介绍，包括其原理、特点、应用以及我国在这一领域的发展现状和前景。
二、离子镀溅射的原理和应用领域离子镀溅射是一种通过离子束轰击靶材表面，使靶材材料溅射出来并沉积在基板上的过程。
这种技术具有沉积速度快、膜层均匀、成分可控等优点，因此在微电子、光电子、功能薄膜等领域得到广泛应用。
三、银靶材的特点和优势银靶材作为离子镀溅射材料，具有以下特点和优势：1.良好的导电性：银具有较高的电导率和热导率，可以提高镀膜的导电性和热传导性能。
2.良好的反射性能：银的高反射性能使其在光学领域具有广泛的应用，如反射镜、光学薄膜等。
3.良好的抗氧化性能：银在空气中的氧化速度较慢，因此银靶材在离子镀溅射过程中具有较高的稳定性。
4.良好的硬度和耐磨性：银靶材具有较高的硬度，可以提高镀膜的耐磨性能。
四、银靶材在离子镀溅射中的应用案例银靶材在离子镀溅射中广泛应用，以下是一些具体的应用案例：1.电子器件：银靶材可以用于电子器件的导电膜、焊接材料等。
2.光电子器件：银靶材可以用于光学器件的反射镜、光学薄膜等。
3.功能薄膜：银靶材可以用于制备防腐、耐磨、抗氧化等功能薄膜。
五、我国在离子镀溅射用银靶材领域的发展现状和前景我国在离子镀溅射用银靶材领域取得了显著的成果。
在靶材制备技术、溅射设备以及应用领域等方面均取得了一定的突破。
然而，与国际先进水平相比，我国在该领域仍存在一定的差距。
离子束溅射讲解学习
1.离子束溅射的基本原理
产生离子束的独立装置被称为离子枪，它提供 一定的束流强度、一定能量的Ar离子流。离子束以 一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子， 后者沉积到衬底表面即形成薄膜。在靶材不导电的 情况下，需要在离子枪外或是在靶材的表面附近， 用直接对离子束提供电子的方法，中和离子束所携
2.4 溅射产额与入射离子能量的关系
这个图给出的是Ni的溅射产额与 入射离子能量之间的关系。由图 可以清楚地看出的规律是：从一 定阈值开始有溅射，随着入射离 子能量的增加，溅射产额增加。 然后又逐渐下降。这是因为：随 着入射离子能量的增加，位移原 子的数目及能量都跟着增加，但 另一方面，当入射离子能量增加 时，它射入晶格更深处，而深处 的位移原子并不能从表面上逸出， 因而溅射产额降低，这两个因数 决定了溅射与入射离子能量的关 系。
2.5 溅射产额与衬底温度的关系
这个图给出了35KeV的Co+轰 击Si靶，在Si基底上的相对溅 射产额与衬底温度的关系图， 从图可知，随着衬底温度的升 高，相对溅射产额逐渐降低。 导致溅射产额下降的主要原因 是，当温度升高时，有一部分 离子穿入到膜的内部，从而把 能量消耗在材料内部。另一方 面，由于温度的升高，晶格原 子的布郎运动加剧，阻止了离 子进一步遂穿到膜内部，从而 有助于产额的提高。但由于设 备不能够提供足够高的温度， 所以图中没有最低点和逐渐上 升的部分。
溅射产额
溅射产额指的是一个初级离子平均从表面上溅射 的粒子数。也就是指平均每入射一个粒子从靶表 面溅射出来的原子数，即
溅射出来的原子数 Y 每入射一个粒子
影响溅射产额的因素
❖ 靶材料的表面结构、原子序数 ❖ 入射离子的角度、能量 ❖ 衬底温度
2.1 溅射产额与靶表面的关系
离子源溅射原理
离子源（Ion Beam Sources）的分类及原理等离子体是指被激发的气体达到一定电离度（＞10-4），气体处于导电状态，这种状态的电离气体是由大量接近于自由运动的带电离子所组成的体系，在整体上是准中性的。
粒子运动与电磁场（外电场和粒子间的自洽场）是不可分割的，这种互相作用的电磁力是长程力，从而使等离子体显示出集体行为的特点，即电离气体中每一带电离子的运动都会影响到其周围带电离子，同时也受到其他带电粒子的约束。
由于电离气体整体行为表现为电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，这种气体状态为等离子体态简称等离子体。
有由于它独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故又称之为物质的第四态。
离子源是离子束溅射(IBS)和离子束加工(IBF)设备的关键部件。
R&R公司的宽离子束源目前主要有Kaufman离子源、微波ECR离子源和RF离子源。
其工作原理是利用气体放电产生等离子体，等离子体由电子、离子和中性粒子所组成，并被引出成束，成为离子源。
R&R离子源有两个栅极（或者三个栅极），分别为屏栅和加速栅，两极之间加一电压，电压的正极接屏栅，负端接引出极，因此，在等离子体边界和引出电极之间就形成一个加速离子的电场，当离子从等离子体发射面发射出来以后，被电场加速，通过小孔，形成离子束，再经过中和器中和后直接轰击基板或靶。
中和器的目的是为了避免电荷在基板上聚集而产生对后续离子的排斥作用。
Kaufman离子源kaufman离子源是应用较早的离子源，属于栅格式离子源。
首先从热阴极发射出来的电子经过阴极鞘层被加速而获得相应于等离子与阴极电位差的能量，它与进入电离室的气体原子相碰撞，气体原子被碰撞电离，形成离子及二次电子，电子及离子形成放电室等离子体。
该放电等离子体在发散磁场作用下引向栅网离子光学作用区。
由于离子光学的作用，离子被拔出，并形成离子。
每个小孔形成的离子束经过发散混合及中和形成带能量、中性的宽离子束。
现代材料分析方法第八章_表面分析技术
• 目前，测量几KeV以下光电子动能的主要手段是 利用静电场。
• 其中同心半球型能量分析器（(CHA）同时装有入 射电磁透镜和孔径选择板，可以进行超高能量分 解光电子测定，高分解能角度分解测定。
24
Monochromator 25
半球型光电子能量分析器
只有能量在选定的很窄范围内的电子可能循着一定的轨道 达到出口孔，改变电势，可以扫描光电子的能量范围。
41
化合态识别
➢ 在XPS的应用中，化合态的识别是最主要的用 途之一。识别化合态的主要方法就是测量X射 线光电子谱的峰位位移。
➢ 对于半导体、绝缘体，在测量化学位移前应首 先决定荷电效应对峰位位移的影响。
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化合态识别-光电子峰
➢ 由于元素所处的化学环境不同，它们的内层电子 的轨道结合能也不同，即存在所谓的化学位移。
• 随着科技发展，XPS在不断完善。目前，已开 发出的小面积X射线光电子能谱，大大提高了 XPS的空间分辨能力。
5
1. 光电效应
二、XPS原理
在光的照射下，
LIII
电子从金属表面逸
LII
出的现象，称为光
LI
电效应。
h
K
Photoelektron (1s) 2p3/2 2p1/2 2s
1s
6
2、光电子的能量
• 根据Einstein的能量关系式有： h = EB + EK
其中 —— 光子的频率，h ——入射光子能量
EB ——内层电子的轨道结合能或电离能； EK ——被入射光子所激发出的光电子的动能。
7
实际的X射线光电子能谱仪中的能量关系为
h EB EK s A
其中ФS——谱仪的功函数，光电子逸出表面所
二次离子质谱中离子溅射
• 主要内容： 主要内容：
离子溅射的基本原理 溅射产额的影响因素
离子与表面的相互作用
1 背散射。 背散射。 注入效应。 2 注入效应。 离子激发特征软X射线和俄歇电子及二次电子。 3 离子激发特征软X射线和俄歇电子及二次电子。 离子诱发的表面吸附分子的脱附（ISD）。 4 离子诱发的表面吸附分子的脱附（ISD）。 原子或离子在表面外界高场强作用下的扩散、 5 原子或离子在表面外界高场强作用下的扩散、蒸 发及电离。 发及电离。 6 离子轰击的局部加热效应及可能的表面化合反应 可改变表面的结构与成份。 可改变表面的结构与成份。 因入射离子的碰撞而将表层原子移去，即溅射。 7 因入射离子的碰撞而将表层原子移去，即溅射。
离子入射角度
0-60°，溅射产额与入射角θ ° 溅射产额与入射角 （离子入射方向与靶面法线间 夹角） 服从1/cosθ 规律的增 夹角） 服从 加； 60-80°，溅射率最大； ° 溅射率最大； 产额迅速下降； ＞80°时，产额迅速下降； ° =90°，产额为零。 ° 产额为零。 倾斜入射有利于提高溅射产额
Cu 的溅射产额与入射能量的关系
溅射原子能量分布随入射离子能量的变化
溅射原子有很宽的能量分布范围，平均能量约为10eV 10eV； a. 溅射原子有很宽的能量分布范围，平均能量约为10eV； 随入射能量的增加，溅射Cu离子的能量范围在增大， Cu离子的能量范围在增大 b. 随入射能量的增加，溅射Cu离子的能量范围在增大， 数量也在增加，平均能量有上升的趋势。 数量也在增加，平均能量有上升的趋势。
不同的晶格 取向， 取向，溅射 产额不同
靶材的种类
• 溅射产额呈现明显的周期性，随着元素外层d电子数的 溅射产额呈现明显的周期性，随着元素外层d 增加而提高。Cu，Ag，Au等溅射率最高 Ti，Zr，Nb， 等溅射率最高， 增加而提高。Cu，Ag，Au等溅射率最高，Ti，Zr，Nb， Mo，Hf，Ta， 等溅射率最小。 Mo，Hf，Ta，W等溅射率最小。
第五章 离子溅射镀膜法.
溅射区域）；
F-G: 弧光放电过渡区；击穿或短路放电；
辉 光 放 电 示 意 图
阿斯顿暗区：慢电子区域； 阴极辉光：激发态气体发光； 克鲁克斯暗区：气体原子电离区，电子离子浓度高(电压降 主要在前面的三个区域：阴极位降区)； 负辉光：电离；电子－离子复合；正离子浓度高； 法拉第暗区：慢电子区域，压降低，电子不易加速；
(1)影响溅射率的因素—靶材料
溅射率与靶材料种类的关系可用靶 材料元素在周期表中的位置来说明。在 相同条件下，用同一种离子对不同元素 的靶材料轰击，得到不相同的溅射率， 并且还发现溅射率呈周期性变化，其一 般规律是：溅射率随靶材元素原子序数 增加而增大（同一周期）。
溅射率与靶材元素原子序数的关系曲线
(5) 溅射原子的能量比热蒸发原子能量高许多倍；
(6) 没有发现电子轰击产生溅射。
第三节 溅射参数
溅射参数：溅射阈值，溅射产额(溅射率)，
沉积速率，溅射原子的能量
1. 溅射阈值：将靶材原子溅射出来所需的入 射离子最小能量值。与入射离子的质量关系不大， 但与靶材有关，溅射阈值随靶材序数增加而减小， 20~40eV。
实际的溅射率计算
w 6.022 1023 w m S 9.6352 104 1 mIt It 1.6 1019
式中：W为t时间内靶材的质量损失(g)，m为靶材
的原子量，I离子电流(A)
影响溅射率的因素
溅射率是描述溅射特性的一个最重 要物理参量。 它表示正离子轰击靶阴极时，平均 每个正离子能从阴极上打出的原子数。 又称溅射产额或溅射系数，常用S表示。 溅射率与入射离子的种类、能量、 入射角度及靶材的类型、晶格结构、表 面状态、升华热大小等因素有关，单晶 靶材还与表面取向有关。
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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
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
电子逃逸深度是有限的 掠射角方向的电子来自于近构破坏技术 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
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
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
Molybdenum, Mo Nickel, Ni Platinum, Pt
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
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】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
[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
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
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。
O1s
Si2p
100 90
80
70
60
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。
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]
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.