Учебно-методическое пособие по выполнению расчетно-графической работы по теме: электронная оже-спектроскопия

Д. В. Фомин, В. Л. Дубов 

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ 
ПОСОБИЕ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНО-
ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ: 

 ЭЛЕКТРОННАЯ  
ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ 

Москва
Берлин 

2019 

Издание второе, стереотипное

УДК 531(075) 
ББК 22.3я73 
        Ф76 

Рецензенты: 
С. В. Барышников, профессор кафедры физики и методики  
обучения физике БГПУ, д-р физ.-мат. наук, профессор 
Е. В. Стукова, зав. кафедрой физики АмГУ, в.н.с. НОЦ АмГУ, 
д-р физ.-мат. наук, доцент 

Фомин, Д. В. 
Ф76     Учебно-методическое пособие по выполнению расчетно- 

графической работы по теме: электронная оже-спектроскопия /  
Д. В. Фомин, В. Л. Дубов. – Изд. 2-е, стер. – Москва ; Берлин : 
Директ-Медиа, 2019. – 40 с. 
ISBN 978-5-4499-0154-5 

Учебно-методическое пособие по выполнению расчетно-графической 
работы по теме  электронная оже-спектроскопия  подготовлено для бакалавров 
и магистров инженерно-физических направлений подготовки высшего 
профессионального образования изучающих дисциплины «Экспериментальные 
методы физики твердого тела»  и «Теоретические и экспериментальные 
методы физики твердого тела».  
В данном учебно-методическом пособии рассматриваются физические 
основы метода электронной оже-спектроскопии  и его применение для определения 

элементного 
состава 
поверхности 
полупроводниковых 
низкоразмерных структур. Учебно-методическое пособие содержит указания 
по получению и анализу оже-спектров с помощью анализатора типа двух-
пролетное  цилиндрическое зеркало. Пособие также будет интересно 
аспирантам и молодым ученым естественнонаучного блока при проведении 
научно-исследовательской работы, а также студентам при выполнении НИРС. 
Данное пособие подготовлено в рамках работ по гранту АмГУ. 

УДК 531(075) 
ББК 22.3я73

ISBN 978-5-4499-0154-5 
© Фомин Д. В., Дубов В. Л., текст, 2019 
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2019 

1. Метод электронной оже-спектроскопии

1.1. Физические основы 

Метод электронной оже-спектроскопии (ЭОС) – один из наиболее 
распространенных методов изучения поверхности. Атом, имеющий 
вакансию на внутреннем уровне, может перейти в невозбужденное состояние 

либо 
с 
испусканием 
рентгеновского 
кванта, 
либо 
безрадиационным путем – с испусканием электрона. Такой безрадиа-
ционный переход впервые обнаружил в 1925 г. французский ученый 
Пьер Оже, в честь которого процесс и получил свое название. Термин 
«оже-процесс» связывается с любым возбуждением электрона, при котором 
возбуждающий электрон передает свою энергию вторичному 
электрону, так называемому оже-электрону. Конечное состояние атома 
при оже-процессе – атом с двумя вакансиями. Если одна из вакансий в 
конечном состоянии находится на том же уровне (подуровень может 
быть другой), что и вакансия, созданная первичным электронным пучком, 
безрадиационный переход носит название Костера-Кронига. 
Метод оже-спектроскопии основан на изучении распределения 
оже-электронов по энергиям. Поскольку большая часть электронных 
уровней носит дискретный характер, метод дает информацию об энергетическом 
расположении уровней, а, следовательно, о химическом 
составе вещества. Измерение величины тока испускаемых оже-
электронов позволяет в принципе производить не только качественные, 
но и количественные исследования, что делает метод электронной 
оже-спектроскопии пригодным для анализа элементного состава. Низкоэнергетические 
оже-электроны сильно поглощаются уже в одном 
монослое вещества и могут испускаться только из нескольких поверхностных 
слоев. Таким образом, метод оже-спектроскопии является 
методом анализа элементного состава тонкой приповерхностной области 
толщиной 0,5–2,0 нм. Это свойство, а также быстрота получения 
информации, высокая чувствительность, возможность получения сведений 
обо всех элементах на поверхности при z > 2, о состоянии и 
количестве 
этих 
элементов 
делают 
метод 
электронной 
оже-
спектроскопии весьма эффективным средством исследования. Поскольку 

оже-спектроскопия – 
двухэлектронная 
спектроскопия, 
полученные с ее помощью результаты значительно труднее интерпретировать, 

чем 
данные 
по 
одноэлектронной 
фотоэлектронной 
спектроскопии. Однако возможность исследования изменений в локальных 

плотностях 
состояний 
для 
атомов, 
вступающих 
на 
поверхности в химическую связь, компенсирует эти недостатки метода, 
который становится особенно эффективным, когда используется в совокупности 

с 
другими 
методами 
исследования 
поверхности: 
сканирующей туннельной микроскопией (СТМ), фотоэлектронной 
спектроскопией (ФЭС), дифракцией медленных электронов (ДМЭ), 

3 

методом характеристических потерь энергии электронами (ХПЭЭ), 
электронной спектроскопией и др. 
Со времени открытия эффекта Оже прошло много лет, однако состояние 
вакуумной техники, необходимой для получения спектров, 
низкая чувствительность метода не позволяли использовать оже-
спектроскопию в полной мере до 1968 г., когда Харрис предложил метод 
дифференцирования кривых энергетического распределения N(E). 
После этого электронная оже-спектроскопия стала развиваться весьма 
интенсивно, и уже в 70-х годах прошлого века были опубликованы 
многие работы, связанные с разными аспектами этого метода. 
На рисунке 1 показан фрагмент электронной структуры атома, в состав 
которого входят три электронных уровня, частично или 
полностью занятые электронами (на рисунке 1 они обозначены как К, 
L1, L2,3). Если атом обстреливается ускоренными электронами, энергия 
которых выше потенциала ионизации уровня, то существует вероятность 
ионизации этого уровня, в результате чего на нем образуется 
вакансия (обозначена светлым кружком). Такое состояние энергетически 
невыгодно для атома, поэтому через некоторое время вакансия 
заполняется за счет перехода электрона с вышележащего уровня, 
например, L1. При этом выделяется энергия, равная разности энергий 
связи электрона на уровнях К и L1. В дальнейшем процесс может идти 
двумя путями: либо будет испущен рентгеновский фотон, либо эта 
энергия безызлучательным способом будет передана другому электрону, 
находящемуся, например, на уровне L2,3. Если этой энергии будет 
достаточно, то произойдет ионизация уровня L2,3, в результате чего будет 
испущен электрон. Реализация второй возможности – это 
собственно оже-процесс, а эмитируемый электрон – оже-электрон. 

 
Рис. 1. Процесс ионизация атомов внешним излучением  
в результате, которого может: а – испущен рентгеновский фотон;  
б – образован оже-электрон. 

4 

Электрон, представленный на рисунке 1, испускается в вакуум с 
энергией: 
 
                                                                                   ,      (1)                 
 
где слагаемое U учитывает, что в конечном состоянии атом оказывается 
дважды ионизованным в результате образования вакансий на уровнях 
L1 и L2. Он учитывает увеличение энергии связи L2 – электрона, когда 
удален L1 -электрон и L1 – электрона при наличии вакансии на уровне 
L2. Точное вычисление слагаемого U(L1,L2) затруднено, однако часто 
используют эмпирическое соотношение, достаточно хорошо согласующееся 
с экспериментальными результатами. 
 Приближенное значение энергии EABC оже-перехода ABC в атоме с 
атомным номером Z было получено эмпирически Чангом и Дженкин-
сом: 
 
                                                                                                       , (2) 
 
где Ei(Z) – энергия связи i-уровней в элементе с атомным номером Z,  
Ei(Z+1) – энергия связи тех же уровней, но для следующего элемента 
периодической таблицы.  
Более приемлемым с физической точки зрения выражением для 
энергии оже-перехода является: 
 
                                                                                       ,     (3) 
 
где F (BC: x) – энергия взаимодействия между дырками B и C в конечном 
атомном состоянии и Rx – энергия релаксации. Она возникает 
вследствие дополнительного экранирования атомного остова, если на 
нем находится дырка и обусловлена притяжением или релаксацией 

внешних электронных уровней к этому остову. Член R

внутр
x
есть энергия 
внутриатомной релаксации (в изолированном атоме). В области 

ионизированного атома появляется дополнительный член R

внеш
x
, он 
называется энергией вне атомной релаксации. Значения, полученные 
по формуле (2) являются более точными. Значения пиков для диффе-
ренциального и интегрального преобразования не совпадают и 
поэтому, когда говорят об энергии пика оже-перехода, то подразумева-
ется дифференциальный спектр.  

1.2. Регистрация оже-электронов 

В области энергий, в которой находятся оже-электроны, существует 
большое количество неупругорассеянных первичных электронов,  

)
,
(
2
1
2
1
L
L
U
E
E
E
E
L
L
K
A
−
−
−
=

)]
1
(
)
(
[5.0
)]
1
(
[5.0
)
(
)
(
+
+
−
+
−
=
Z
E
Z
E
Z
E
Z
E
Z
E
C
C
B
A
ABC

внеш
x
внутр
x
C
B
A
ABC
R
R
x
BC
E
E
E
E
+
+
−
−
=
)
:
(

5 

которые образуют сплошной спектр, являющийся фоном, на котором 
приходится выделять оже-электроны. Ток неупругорассеянных элек-
тронов на несколько порядков превышает ток оже-электронов, поэтому 
возникает обычная труднорешаемая задача выделения полезного сиг-
нала на уровне большого фона.  
 

 
 
Рис. 2. Участок энергетического спектра вторичных 
электронов: а – до дифференцирования, N(Е),  
б – после дифференцирования . 
 
 
Эта задача впервые была решена в 1962 году Л.А. Харрисом, после 
чего и начался период бурного развития оже-электронной спектроско-
пии. Харрис предложил продифференцировать спектр N(Е), то есть 
превратить его в dN/dE в результате чего фон практически исчезает, а 
на месте слабого оже-сигнала колоколообразной формы появляется 
интенсивный двухполярный пик с амплитудой А (см. рис. 2, б), кото-
рый 
легко 
может 
быть 
зарегистрирован. 
При 
этом 
дифференцирование осуществляется электрическими методами непо-
средственно в процессе записи спектра. 

)
(E
dE
dN

6 

1.3. Глубина выхода оже-электронов 

Главным преимуществом ЭОС по сравнению с многими другими 
методами является очень малая глубина анализа, что делает эту методи-
ку пригодной для исследования поверхности. В свою очередь, глубина 
анализа определяется длиной свободного пробега электронов в твер-
дом теле в смысле неупругих взаимодействий. Понятно, почему это так. 
Если зародившийся в твердом теле оже-электрон при движении к по-
верхности испытает хоть одно неупругое взаимодействие (например, 
совершит ионизацию атома), то он потеряет часть энергии и не будет 
зарегистрирован в интересующем нас месте энергетического спектра 
вторичных электронов, который формируется при бомбардировке 
твердого тела ускоренными электронами. То есть оже-электроны, рожденные 
на глубине большей, чем длина свободного пробега, не будут 
нести информацию о нахождении атомов данного сорта. Длина свободного 
пробега в сильной степени зависит от скорости движения, а 
следовательно, и от энергии электронов. Обычно исследуются оже-
электроны с энергиями от нескольких десятков электрон-вольт до нескольких 
килоэлектрон-вольт. Во всех материалах длина свободного 
пробега (а следовательно, и глубина анализа) таких электронов не превышает 
2–3 нм, то есть величины, сопоставимой с периодом 
кристаллической решетки твердого тела. При этом львиная доля информации 
поступает с глубины 0,5–1,0 нм, что и делает ЭОС 
уникальным методом исследования поверхности. 

1.4. Оже-анализ 

Испускаемые оже-электроны имеют хорошо определенную кинетическую 
энергию, которая прямо связана с положением уровней в 
атоме, поэтому по энергетическому положению оже-пика можно идентифицировать 
этот атом. Энергии оже-переходов известны для всех 
атомов (кроме водорода и гелия) сведены в таблицы или представлены 
графически как на рисунке 3.  
Изменение химического окружения атома меняет энергии связи 
электронов, вызывая химические сдвиги, и приводит к перераспределению 
электронной плотности состояний в валентной зоне. 

7 

 
Рис. 3. Основные энергии оже-электронов для разных элементов, используемые 
для качественного анализа. Указаны три основных  
серии: KLL, LMM и MNN. Черными точками показано положение 
наиболее интенсивных пиков, серым – области в которых  
наблюдаются менее интенсивные пики. 
 
Другие возможные применения ЭОС включают определение распределений 
данного элемента на поверхности и вглубь образца. Дня 
получения распределения по поверхности снимается интенсивность 
оже-пика данного элемента как функция положения электронного пучка, 
который сканирует поверхность. Использование потока электронов 
в качестве первичного пучка имеет то преимущество, что он может 
быть сфокусирован, позволяя получать пространственное разрешение 

8 

до 10 нм. Состав образца как функция глубины может быть определен, 
если сочетать ЭОС с ионным травлением образца. Интенсивность 
определенного пика снимается как функция времени распыления, по-
сле чего по интенсивностям пиков вычисляют состав, а время 
распыления пересчитывается в глубину. 
Хотя ЭОС принято считать неразрушающим методом, однако сле-
дует 
иметь 
в 
виду, 
что 
в 
некоторых 
случаях 
электронно-
стимулированные процессы, такие как электронно-стимулированная 
десорбция или нагрев мишени, могут приводить к нежелательным по-
бочным эффектам. 
Количественный анализ. Электронная оже-спектроскопия позволяет 
проводить количественный химический анализ, то есть определять из 
измеренных интенсивностей оже-пиков концентрацию атомов данного 
сорта, присутствующих на поверхности. Для проведения количествен-
ного анализа методом ЭОС необходимо установить связь между током 
оже-электронов данного элемента и концентрацией этого элемента в 
поверхностной области. Ток оже-электронов, возникающих в резуль-
тате оже-перехода WXY в элементе α можно записать в виде: 
 
                                                                                                         ,  (4)  
 
 
где Ω – возбуждаемый объем, E – энергия оже-электронов (распреде-
ление энергий оже-электронов Гауссово или Лоренцево), Ep и Ip(E,Z) – 
энергия и плотность возбуждающего потока первичных электронов, 
Ew – энергия внутреннего уровня W, σα(E, Ew) – сечение ионизации 
внутреннего уровня W, Nα(Z) – атомная концентрация элемента α на 
глубине Z от поверхности, λ –глубина выхода оже-электронов,  
exp(-Z/λ) – вероятность выхода оже-электрона, γα(WXY) – вероятность 
оже-перехода WXY. Для простоты пред-полагается двумерная одно-
родность элементного состава в слоях, параллельных поверхности. 
Для дальнейшего уточнения можно предположить трехмерную од-
нородность 
химического 
состава 
в 
области, 
где 
значительна 
вероятность выхода. Кроме того, имеет смысл разделить плотность 
возбуждающего потока на две компоненты: Ip (E, Z)= Ip + IB(E, Z), где 
Ip – первичный возбуждающий поток, IB(E, Z)– возбуждающий поток, 
вызванный рассеянными первичными электронами. Тогда можно напи-
сать: 
 
                                                                                                ,      (5) 
 
где RB – коэффициент обратного рассеяния, а Т – характеризует про-
пускание анализатора (светосилу). Чтобы проводить количественный 
анализ на основе формулы (5), необходимо знать с требуемой  

dEdZ
d
Z
WXY
Z
N
E
E
Z
E
I
WXY
I
a
a
w
a
p

E

E
a

p

w
Ω



−
= ∫ ∫∫
Ω

∞

λ
γ
σ
exp
)
(
)
(
)
,
(
)
,
(
)
(

0

)
1(
)
,
(
)
(
)
(
b
w
a
a
a
p
a
R
E
E
WXY
TN
I
WXY
I
+
=
λ
σ
γ

9