Методы электронной спектроскопии

Федеральное агентство связи 

 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Сибирский государственный университет 

телекоммуникаций и информатики» 

(СибГУТИ) 

 
 
 
 
 
 
 

Н. И. Филимонова  

А. А. Величко 

Н. Е. Фадеева  

 
 
 
 

МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ 

 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 

 

 
 
 

Новосибирск 

2016 

 
 
 
 
 
 

УДК    [543.4:621.38](075.8) 
 

 
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ 

 

Рецензенты:  

к.ф-м.н., руководитель группы электронной микроскопии  

ИФП СО РАН А. К. Гутаковский 

к.т.н, доцент, зав. кафедрой наносистем и оптотехники  

СГУГ Д. В. Чесноков 

 
 

Филимонова Н. И., Величко А. А., Фадеева Н. Е. Методы электронной 

спектроскопии : Учебное пособие / Сибирский государственный университет 
телекоммуникаций и информатики. – Новосибирск, 2016. – 68 с. 

 

 

Учебное пособие «Методы электронной спектроскопии» содержит 

подробное описание физических основ и экспериментальных методов 
определения физических и структурных свойств материалов методами 
электронной спектроскопии. Рассматриваются вопросы применения данных 
методов в современной науке, технике и технологии. 

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 

11.03.04 
«Электроника 
и 
наноэлектроника», 
профиль 
«Интегральная 

электроника и наноэлектроника» для дисциплины «Методы диагностики и 
анализа микро и наноструктур» 

 
 

Кафедра технической электроники 
 
 
В авторской редакции 
 
 
 
 
 
 
 

© Филимонова Н. И., Величко А. А., Фадеева Н. Е., 2016 
 Сибирский государственный университет  
телекоммуникаций и информатики, 2016 

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В предлагаемом учебном пособии описаны методы электронной 

спектроскопии, применяемые для исследования поверхностных и объемных 
свойств твердых тел. Эти аналитические методы широко используются при 
создании 
новых 
полупроводниковых 
и 
диэлектрических 
материалов, 

наноструктур, новых типов приборов. Особенно актуально применение методов 
электронной 
спектроскопии 
при 
отработке 
технологии 
получения 

полупроводниковых гетероструктур и наноструктурированных материалов. 

Предлагаемое пособие будет полезным для направления подготовки 

210100 (11.04.03) «Электроника и наноэлектроника», в которых значительные 
части отдельных изучаемых дисциплин базируются  на  одних и тех же методах 
исследования.  

В связи со сказанным, мы попытались с единых позиций осветить 

основные методы исследования, применяемые в области материаловедения и 
показать особенности использования этих методов для анализа свойств 
различных микро- и наноразмерных объектов. 

В данном пособии описаны спектральные методы для определения 

зонных и структурных параметров объемных полупроводниковых материалов и 
их поверхностных свойств. 

Целью пособия также является ознакомление студентов с основными 

физическими принципами работы измерительных приборов и систем, 
акцентирование внимания на достоверность и точность измерения параметров 
материалов. 

Важно отметить, что при формировании структуры и содержания 

методического пособия были приняты во внимание программы учебных курсов 
в рамках ГОС 3 и ГОС 3+. 
 

  
 

 

 
 

1. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ 

1.1. Введение 

Для исследования твердых тел используется множество различных 

методов, позволяющих получать исчерпывающую информацию о химическом 
составе, кристаллической структуре, распределении примесей и многих других 
свойствах, представляющих как чисто научный, так и практический интерес. В 
настоящее время особое значение придается методам анализа поверхности. 
Когда говорят о поверхности твердого тела, то чаще всего имеется в виду 
граница раздела между газообразной и твердой фазами. Столь пристальное 
внимание к поверхности связано с ее уникальными свойствами, которые, с 
одной стороны, в сильной степени влияют на характеристики самого твердого 
тела, а с другой - могут быть использованы для создания приборов и устройств 
нового поколения. В подавляющем большинстве методов анализа поверхности 
используются различного рода явления, происходящие при воздействии на нее 
корпускулярных  частиц и электромагнитных излучений.  

Если такого рода воздействия приводят, например, к испусканию 

электронов, а информацию о свойствах поверхности получают при анализе 
электронных спектров, то говорят о методах электронной спектроскопии. В 
отличие от других частиц электроны не изменяют состава остаточной 
атмосферы сверхвысоковакуумных камер, в которых проводятся исследования, 
легко регистрируются и поддаются счету. Последнее обстоятельство позволяет 
достаточно просто проводить количественный анализ поверхности, то есть 
получать, например, данные о концентрациях атомов различных элементов. 
 

Электроны

Электроны
Ионы

Ионы

Фотоны

Фотоны

 

Рис. 1.1. Схема принципов работы спектральных методов, основанных на 

электронном, ионном и фотонном облучении. 

 

К спектральным методам обычно относят методы исследования 

поверхности твердых тел, основанные на анализе энергетических спектров 
отраженных излучений, возникающих при облучении изучаемого материала 
электронами, ионами и фотонами (рис.1.1). Пучок частиц либо упруго 
рассеивается, либо вызывает электронный переход в атоме.  

Энергия вылетающей частицы позволяет идентифицировать атом, а 

интенсивность частиц дает информацию о количестве таких атомов, что 

позволяет провести, например, анализ элементного состава образца. Анализ 
энергии электронов, испускаемых с поверхности образца, дает информацию об 
энергетических уровнях электронов приповерхностной области исследуемого 
объекта. Эти уровни можно разделить на две группы: остовные уровни атомов 
(или уровни внутренних оболочек) и валентные уровни. 

 Остовные уровни атомов или глубокие уровни 
Эти уровни соответствуют электронным состояниям единичного атома и, 

в значительной степени, являются характерными для данного атома. Полагают, 
что энергетическое положение этих уровней слабо зависит от того, находится 
ли атом в объеме твердого тела, на поверхности ли, или свободен. 

Энергия связи, соответствующая глубоким уровням превышает 10-20 эВ. 

Методы электронной спектроскопии, основанные на обнаружении остовных 
уровней  атомов, позволяют определить химическую природу поверхностных 
атомов и получить информацию об их локальном химическом окружении. 

 К основным методам спектроскопии глубоких уровней относятся: 
- Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС/XPS); 
- Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС/AES). 
Валентные уровни 
Это энергетические уровни электронов, характеризующиеся меньшими 

энергиями связи, соответствуют валентной зоне твердого тела и связывающим 
орбиталям адсорбированных поверхностью молекул. Данные состояния слабо 
локализованы и потенциально очень чувствительны к локальному химическому 
окружению поверхностных атомов.  

Наиболее широко используемым методом исследования данных уровней 

является ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС/ UPS). 

Методов исследования поверхности в настоящее время известно 

несколько десятков. Однако не все из этих методов имеют преимущественное 
или особенное применение в области исследования наноматериалов. В связи с 
этим ниже будет рассмотрен ряд методов, которые с одной стороны по своим 
возможностям представляют интерес именно для изучения наноматериалов, а с 
другой - являются наиболее иллюстративными и достаточно широко 
используемыми. 
 
 

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОННОЙ 

СПЕКТРОСКОПИИ 

2.1. Энергетический спектр электронов 

Методы электронной спектроскопии основаны на регистрации и анализе 

распределения 
энергий 
электронов, 
которые 
испускаются 
исследуемой 

поверхностью или рассеиваются на ней (рис.2.1).  

 

Область возбуждения
< 1 – 3 мкм

Поверхность образца

Упруго-рассеянные электроны

Вторичные электроны

Первичный электронный пучок

Оже-электроны

4-50 Å

> Атомный номер № 3 

Характеристическое рентгеновское излучение 

> Атомный номер № 4 

 

 

Рис. 2.1. Схема взаимодействия электронного пучка с веществом 

 

К методам электронной спектроскопии можно отнести следующие 

методы: 

1. Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС/AES); 
2. Спектроскопия характеристических потерь энергии (СХПЭ/EELS); 
3. Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС): 

3.1. Рентгеновская ФЭС (XPS);  
3.2. Ультрафиолетовая ФЭС (UPS). 

Все методы используют анализаторы энергии одинакового типа, так как 

поверхностная чувствительность методов основана на измерении энергии 
вторичных электронов. Типичные значения энергии вторичных электронов 
лежат в диапазоне 5-2000 эВ. Электроны с такой низкой энергией сильно 
рассеиваются 
твердым 
телом 
вследствие 
неупругого 
рассеяния, 
что 

обеспечивает высокую селективную поверхностную чувствительность данных 
методов, делая их особенно привлекательными для исследования микро- и 
наноструктур. 

Для анализа пригодны лишь те электроны, вышедшие из твердого тела, 

которые не потеряли энергию на своем пути в результате многократных 
хаотических неупругих столкновений. Такие электроны принято называть 
характеристическими.  Основной характеристикой электронов, определяющей 

их взаимодействие с веществом и характер получаемой информации о 
веществе, 
является 
их 
кинетическая 
энергия. 
Если 
на 
поверхность 

исследуемого образца падает моноэнергетический (монохроматический) 
электронный пучок (что соответствует таким методам как ЭОС и СХПЭ) с 
энергией EP, то распределение эмитируемых электронов по энергии имеет вид, 
схематично представленный на рис.2.2.  

В общем случае можно выделить три группы электронов при 

взаимодействии с образцом:  

- упруго рассеянные электроны;  
- неупруго рассеянные электроны; 
- вторичные электроны.  
Таким образом на кривой энергораспределения эмитируемых электронов 

(рис.2.2) можно выделить три области. 

 

50
100
Ер
Е, эВ

N (E)
Вторичные электроны 

низких энергий

I

Оже-пики

II
Пики потерь

Пик упругого 

рассеяния

III

 

 

Рис. 2.2. Схема энергетического спектра электронов, возбуждаемых падающим 

моноэнергетическим электронным пучком 

 

Область 
I 
соответствует 
истинно 
вторичным 
электронам 
и 

характеризуется интенсивным размытым пиком, лежащим при очень низких 
энергиях (обычно менее 50 эВ даже при энергии первичного пучка электронов 
более 1 кэВ). Полуширина пика составляет порядка 10 эВ [1], а хвост 
простирается вплоть до EP энергии падающих (первичных) электронов. 
Предполагается, что вторичные электроны появляются в результате каскадных 
процессов потери энергии первичными высокоэнергетическими электронами. 

На фоне непрерывного распределения вторичных электронов от 0 до EP 

эВ могут появляться небольшие пики, обусловленные эмиссией электронов 
вследствие 
релаксации 
некоторых 
типов 
возбужденных 
состояний, 

инициируемых в приповерхностной области образца падающими первичными 
электронами. Среди данных процессов преобладают пики при строго 
определенных для каждого химического элемента значениях энергии, 
связанные с эмиссией Оже-электронов. 

Область II соответствует неупруго рассеянным первичным электронам, 

которые 
потеряли 
дискретные 
значения 
своей 
энергии 
в 
процессе 

многократных соударений и, следовательно, распределены в широком 
энергетическом интервале. Основными причинами потерь энергии при 
рассеянии являются потери на ионизацию атомных остовов вещества в 
приповерхностной 
области, 
одночастичные 
электронные 
возбуждения, 

включающие валентные электроны и потери на плазмонах (вследствие 
возбуждения как поверхностных, так и объемных плазмонов). 

Межзонные переходы приводят к потерям энергии порядка нескольких 

электронвольт, потери на плазмонах составляют порядка 10-30 эВ, а 
ионизационные потери - от нескольких десятков до 1000 эВ и более [2]. 

Область III соответствует упруго рассеянным первичным электронам, 

падающим на образец с энергией EP, и содержит узкий пик, ширина которого 
связана с распределением по энергии электронов первичного пучка, который 
только в первом приближении можно считать моноэнергетическим. 

Регистрация упругого рассеяния электронов (без изменения энергии) при 

прохождении через вещество лежит в основе дифракционных методов анализа 
атомно-кристаллической структуры и методов просвечивающей электронной 
микроскопии, включая дифракционную электронную микроскопию. 

Метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронами 

(СХПЭЭ) основан на регистрации неупруго рассеянных первичных электронов, 
которые в результате рассеяния потеряли какие-то дискретные значения 
энергии ΔЕР.  

Чтобы отличить пики, обусловленные характеристическими потерями 

энергии электронами (ХПЭ) от других пиков (например, Оже- пиков) 
используют 
Ер в качестве эталонной энергии. Пики, обусловленные 

характеристическими 
потерями 
энергии 
первичными 
электронами, 

расположены слева от пика ЕР упругих потерь на определенном расстоянии 
ΔЕр. При изменении энергии первичного пучка электронов ЕР на величину ΔЕР 
эти пики сдвигаются также на ΔЕР в ту же сторону. 

В то время,  как Оже-пики и пики, обусловленные собственно 

вторичными электронами, не изменяют своего положения при изменении Ер, а 
изменяют только форму. 

В 
электронной 
спектроскопии 
любого 
типа, 
основанной 
на 

детектировании электронов, эмитируемых из приповерхностной области, в 
результате облучения не только пучком электронов, но и любым иным 
способом (как в ФЭС, в том числе ультрафиолетовой и рентгеновской), в 
энергетическом спектре электронов должны проявляться те же основные 
составляющие, что показаны на рис.2.1. 

В методе ФЭС вторичные электроны генерируются при облучении 

поверхности фотонами.  

В методах ЭОС и СХПЭЭ поверхность бомбардируется электронами.  
В зависимости от природы первичного возбуждающего пучка может 

меняться отношение сигнал/шум, что также ведет в целом к изменению 
функции распределения электронов по энергиям [2]. Например, в случае 
использования в качестве первичного пучка потока фотонов, а не электронов 
50% эмиссии электронов направлено из кристалла, не испытав упругого 
рассеяния с изменением направления на обратное. Следовательно, для таких 
электронов (Оже-электронов), эмитируемых с дискретной энергией отношение 
сигнал/шум будет выше, чем в методах, использующих в качестве первичного 
пучка поток электронов [2]. 

 

2.2. Глубина выхода электронов 

Для количественной оценки взаимодействия между падающей частицей и 

атомом вводится понятие сечение рассеяния σ. Для заданного процесса сечение 
рассеяния σ одним атомом определяется через вероятность: 

Р= (число актов взаимодействия)/(число падающих частиц) 
Если образец содержит NS [см-2] атомов на единицу площади поверхности 

и расположен перпендикулярно пучку частиц интенсивностью I, то число актов 
взаимодействия в единицу времени составляет I·σ·NS·d, где d – толщина 
поверхностного слоя, а NS – поверхностная концентрация атомов. 

Первичный 
пучок 
(электроны 
или 
фотоны) 
является 

высокоэнергетическим и проникает в образец далеко за пределы области 
выхода вторичных электронов с их характеристическими энергиями.  

Измеряя интенсивность выходящего пучка частиц и, зная сечение 

рассеяния для каждого сорта атомов и эффективность детектора, можно найти 
число рассеивающих атомов и, в конечном счете, установить состав образца 
(мишени). Анализ материалов может дать информацию о концентрации, 
составе, структуре и распределении элементов по глубине. 

Для количественного анализа поверхности необходимо знать глубину 

выхода электронов, т.е. то расстояние, которое электроны, обладая энергией ЕС, 
проходят без потерь энергии. 

Вторичные электроны возникают в том случае, когда исходный электрон 

(фотон) возбуждает электрон в атоме образца, теряя при этом большую часть 
своей энергии. Такой электрон двигается к поверхности образца, испытывая 
упругие и неупругие взаимодействия, достигает поверхности и покидает 
поверхность образца. 

Образование вторичных электронов происходит во всей области 

взаимодействия первичного пучка частиц с образцом, но покидают 
поверхность 
образца 
только 
электроны, 
возникшие 
в 
тонком 

приповерхностном слое.  

Эти 
электроны, 
потерявшие 
энергию 
в 
результате 
неупругих 

столкновений от точки ионизации до поверхности образца, дают вклад в фон 

сигнала, который тянется на несколько сотен электронвольт вниз от главного 
пика. 

Представим 
поверхность 
образца 
как 
источник 
электронов 
с 

определенной энергией ЕС. Любое неупругое взаимодействие в области 
поверхности выводит эти электроны из группы частиц с энергией ЕС  (рис.2.3). 

Пусть в 1 см3 пленки поверхности содержится N рассеивающих центров, а 

сечение неупругого столкновения равно σ. Если I есть падающий поток 
электронов в приповерхностной пленке, то начальную группу покидают  I 
электронов на каждый рассеивающий центр. Тогда убыль электронов dI в слое 
толщиной dx равна: 

INdx
dI



 
(2.1)

 

1

{
2

Ec

Ec - δE

 

Рис. 2.3. Схема выхода электронов из твердого тела: 1 – падающий первичный 

поток частиц (электронов или фотонов); 2- глубина выхода электронов [3] 

 

По определению средняя длина свободного пробега (которая в данном 

случае и есть глубина выхода электронов)   связана с сечением рассеяния 
соотношением 


N

/
1
. Следовательно,  

)
/
exp(
0

x
I
I


 
(2.2)

где I0 – начальный выходящий поток электронов в приповерхностном 

слое с определенной энергией ЕС.  

 
Как следует из формулы (2.2) число электронов, которые могут выйти на 

поверхность, экспоненциально убывает с толщиной этого приповерхностного 
слоя. Выход электронов с заданной энергией ЕС из твердого тела, 
возбуждаемого первичным потоком равномерно по глубине, задается 
интегралом [3]: 




0
)
(
I
dx
x
I
 
(2.3)

Для ионизационного механизма потерь энергии: