Techniklexikon

Auger-Elektronenspektroskopie

AES, Methode zur chemischen Analyse von Festkörperoberflächen und dünnen Schichten durch Untersuchung der kinetischen Energie von Auger-Elektronen. Der Auger-Effekt wird dabei ausgenutzt, um die Höhe atomarer Energieniveaus zu vermessen oder aus dem gemessenen Energiespektrum der Auger-Elektronen die Zusammensetzung von Proben zu ermitteln.

In einem typischen Auger-Elektronenspektrometer, wie es schematisch in der Abb. dargestellt ist, wird eine Probe mit hochenergetischen Elektronen (1-10 keV) beschossen. Die Probe kann ein atomares oder molekulares Gas oder ein Festkörper sein. Durch Stossprozesse mit Atomen der Probe werden Elektronen aus inneren Schalen des Atoms herausgeschlagen. Die so entstandenen Lücken werden durch Elektronen höherer Schalen aufgefüllt, wobei charakteristische Röntgenstrahlung oder Auger-Elektronen emittiert werden. Die Emission von Auger-Elektronen aus einer festen Probe beschränkt sich dabei aber auf eine äussere Schicht von etwa 0,5-3 nm, aus tieferen Bereichen kommende Auger-Elektronen können die Probe nicht mehr verlassen.

Die hochenergetischen Projektil-Elektronen werden von einer Elektronenquelle erzeugt und mit einer Elektronenlinse auf die Probe fokussiert. Als Elektronenquellen kommen dabei thermische Elektronenquellen und Feldemissionsquellen in Frage. Die in der Probe erzeugten Auger-Elektronen, deren Energie typischerweise zwischen 10 und 4000 eV liegt, werden in einem Elektronen-Energieanalysator analysiert und mit einem Detektor nachgewiesen. Die gebräuchlichsten Energieanalysatoren sind der Zylinderspiegelanalysator und der Kugelsektoranalysator. Für die Detektion der Elektronen werden meist Channeltrons oder Mikrokanalplatten eingesetzt. Für Festkörperuntersuchungen wird meist noch eine zusätzliche Ionenquelle verwendet, um die Probenoberfläche durch Beschuss mit hochenergetischen Ionen zu reinigen. Ausserdem können mit solchen Ionenquellen Krater bzw. Löcher in der Probe erzeugt werden, in denen man dann wieder durch Auger-Elektronenspektroskopie Tiefenprofile der Probe aufnehmen kann. Die gebräuchlichsten Ionenquellen sind thermische Ionenquellen und Entladungsquellen. Die gesamte Anordnung wird in einer Ultrahochvakuum-Apparatur betrieben, um Streuung der Auger-Elektronen an Restgasatomen und Verunreinigungen der Probe zu vermeiden. Der Betriebsdruck liegt typischerweise bei ca. 10 ^{- 8} Pa.

Aufgrund der geringen mittleren inelastischen freien Weglänge (IMFP) der Auger-Elektronen ist die AES sehr oberflächenempfindlich und gehört zusammen mit der LEED zu den wichtigsten Untersuchungsmethoden der Oberflächenphysik. Die Auger-Elektronenspektroskopie findet seit ca. 1960 auch Anwendung in der Atom-, Molekül- und Festkörperphysik, seit effiziente Nachweismethoden für Auger-Elektronen sowie hochauflösende Elektronenspektrometer zur Verfügung stehen.

In der Atomphysik wird die Methode angewendet, um die Energieniveaus innerer Schalen mit einer Energieauflösung bis ca. 2 × 10^-4 sowie deren Verschiebungen durch chemische Bindung usw. zu vermessen. Die Verwendung schwerer Ionen als Projektile ermöglicht auch die Untersuchung kinematischer Effekte bei der Ionisation, da auch Impuls auf das Targetatom übertragen wird, was die Emission der Auger-Elektronen beeinflusst. Ebenso können durch Ionen-Atom-Stösse Lücken in den inneren Schalen des Projektil-Ions erzeugt werden, die wiederum durch Emission von Auger-Elektronen oder durch Elektronenübergänge mit Emission von Röntgen-Photonen aufgefüllt werden.

In der Oberflächen- und Festkörperphysik werden je nach Anwendungsfall verschiedene experimentelle Methoden eingesetzt:

1) Auger-Punktspektrum: Hierbei wird der Elektronenstrahl an einer Stelle der Probe festgehalten und der zeitliche Verlauf des Spektrums an diesem Punkt aufgenommen.

2) Auger-Linienspektrum: Hierbei wird der Elektronenstrahl in einer Dimension bewegt, um z.B. den Querschnitt einer Probe zu untersuchen.

3) Raster-Auger-Elektronenspektrum (Scanning Auger Microprobe, SAM) Dies ist die gebräuchlichste Form der Auger-Spektren, wobei durch Rastern des Elektronenstrahls ein zweidimensionales Bild der Probe erzeugt wird. Durch Verwendung stark fokussierter Elektronenstrahlen konnte eine räumliche Auflösung von unter 200 nm erreicht werden.

4) Tiefenprofilanalyse: Unter Verwendung zusätzlicher Ionenstrahlen ist es auch möglich, eine tiefenabhängige Elementaranalyse durchzuführen. Beispielsweise in der Mikroelektronik wird die Methode wegen ihrer hohen lateralen Auflösung häufig zur Analyse integrierter Schaltkreise eingesetzt. Aufgrund ihrer Elementselektivität eignet sich die Methode auch sehr gut zur Untersuchung von Diffusionsprozessen in Halbleitern und Metallen. Eine weitere wichtige Anwendung ist die Prüfung der Reinheit von Festkörperoberflächen. [SW, URE]

Auger-Elektronenspektroskopie 1: Schema des experimentellen Aufbaus.

Auger-Elektronenspektroskopie 2: Übersicht über die Energien der wichtigsten Auger-Linien.