mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2017-4-239-255mateltech-214Research ArticleСТАТЬИARTICLESИспользование Оже-электронной спектроскопии и спектроскопии характерных потерь энергии электронов для комплексного анализа двумерных покрытий и процесса их ростаThe use of AES and EELS for complex analysis of two-dimensional coatings and their growth processПлюснинН. И.PlyusninN. I.

ул. Радио, д. 5, Владивосток, 690041

Плюснин Николай Инокентьевич — доктор физ.-мат. наук, доцент, главный научный сотрудник

5 Radio Str., Vladivostok 690041

Nikolay I. Plyusnin: Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher, Department of Physics of Nanostructures

plusnin@iacp.dvo.ruИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАНРоссияInstitute of Automation and Control Processes of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation201714112017204239255Copyright © Плюснин Н.И., 20192019Плюснин Н.И.Plyusnin N.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/214

Выявлены дополнительные возможности для комплексного анализа двумерных покрытий (толщиной <1 нм или <10 ML), выращенных физическим осаждением в паровой фазе на подложке монокристаллического кремния. Рост покрытий проводили при двух режимах осаждения: низкотемпературном (при пониженной температуре пучка); и обычном (при повышенной температуре пучка). Покрытия, в том числе в виде чистого металла и силицидной смеси, и их границу раздела с подложкой анализировали методами Оже-электронной спектроскопии (ЭОС) и спектроскопии характерных потерь энергии электронов (СХПЭ). Для обеспечения обоих режимов осаждения, была разработана технология осаждения из ленточного источника. Традиционное использование ЭОС ограничено определением состава элементов, энергетической электронной структуры и толщины покрытия. А применение СХПЭ — определением типа фаз (по плотности валентных электронов) и стадий их образования. Одновременное использование обоих методов и выбор равной (и минимальной) глубины зондирования, ~2,5 нм (за счет установки энергии первичных электронов 300 эВ) обеспечили новые возможности для исследования субнанометровых и двумерных покрытий. В частности, стало возможным сопоставление состава покрытий и их плотности. Выбранная глубина зондирования позволила охватить также их границу раздела. При этом одинаковая глубина зондирования дала возможность использовать толщину покрытия, полученную из данных ЭОС, для анализа данных СХПЭ. Рассмотрены зависимости: а) энергии плазмонного сателлита Оже-пика в зависимости от толщины покрытия для анализа изменений электронной плотности в приграничном слое кремния; б) затухания Оже-сигнала, генерируемого маркерными атомами на границе раздела между покрытием и подложкой, для локализации мест адсорбции осажденных атомов; в) интенсивности и энергии пиков потерь в спектрах СХПЭ от энергии первичных электронов для профилирования состава покрытий по глубине. Использование двух функций затухания по глубине для двух глубин зондирования сделало возможным количественный Оже-анализ неоднородных по толщине покрытий. Все это позволило более полно охарактеризовать как сами двумерные покрытия, так и приграничный слой подложки, а также процессы их образования. В частности, впервые идентифицирован смачивающий нанофазный слой металла на кремниевой подложке, исследован процесс его образования и показано, как его состав зависит от режимов парофазного физического осаждения.

Additional possibilities for complex analysis of two-dimensional coatings (thickness <1 nm or <10 ML) grown by physical vapor deposition (PVD) on a single-crystal silicon substrate under two deposition regimes are revealed: 1) low-temperature (at low beam temperature) and 2) high-temperature (at an elevated temperature of the beam), respectively. Coatings, including in the form of pure metal and a silicide mixture, and their interface with the substrate were analyzed by Auger electron spectroscopy (AES) and characteristic electron energy loss spectroscopy (EELS). To ensure both deposition regimes, a technology of the deposition from the ribboned source was developed. The traditional use of AES is limited to determining the composition of the elements, the energy electronic structure, and the thickness of the coating. And EELS — the types of phases (the density of valence electrons) and the stages of their formation. The simultaneous use of both methods and the choice of equal (and minimal) probing depths, ~ 2.5 nm (primary electron energy 300 eV), provided new possibilities for studying subnanometric two-dimensional coatings, in particular, — for comparison of the composition of coatings and their density. The chosen probing depth made it possible to characterize also interface between coating and substrate. At the same time, the same probing depth made it possible to use the thickness of the coating obtained from the AES data to analyze the data of the EELS. In addition, other possibilities are considered. This is the use of dependencies: a) the energy of the plasmon satellite of Auger peak, depending on the thickness of the coating, for analyzing changes in the electron density in the near-interface layer of silicon; B) attenuation of the Auger signal generated by marker atoms at the interface between the coating and the substrate to localize the places of adsorption of deposited atoms; and c) the intensity and energy of the loss peaks in the EELS in dependence on the primary-electron energy for profiling the composition of coatings over the depth. The use of two attenuation functions for two depths of probing provided a quantitative Auger analysis of binary coatings. All this made it possible to characterize more fully both the two-dimensional coatings themselves and the interface layer of the substrate, as well as the processes of their formation. And, in particular, this made it possible to identify for the first time the wetting nanophase layer of metal on a silicon substrate, to investigate the process of its formation and to show how its composition depends on the modes of vapor-phase physical deposition.

Оже-электронная спектроскопияспектроскопия характерных потерь энергии электроновдвумерные покрытиясмачивающий нанофазный слойколичественный Оже-анализлокализация мест адсорбцииметаллсилицидкремнийPVDAESEELStwo-dimensional coatingswetting nanophase layersub-nanometer thicknessquantitative Auger analysisplasmon satellite of Auger peaklocalization of places of adsorptionEELS depth profilingmetalsilicidesiliconReferencesFiori G., Bonaccorso F., Iannaccone G., Palacios T., Neumaier D., Seabaugh A., Banerjee S. K., Colombo L. Electronics based on two-dimensional materials // Nature Nanotechnology. 2014. V. 9. P. 768—779. DOI:10.1038/nnano.2014.207Fiori G., Bonaccorso F., Iannaccone G., Palacios T., Neumaier D., Seabaugh A., Banerjee S. K., Colombo L. Electronics based on two-dimensional materials. Nature Nanotechnology, 2014, vol. 9, pp. 768—779. DOI:10.1038/nnano.2014.207Gruznev D. V., Zotov A. V., Saranin A. A. One-atom-layer compounds on silicon and germanium // Jpn. J. Appl. Phys. 2017. V. 56, N 8S1. P. 08LA01. DOI: 10.7567/JJAP.56.08LA01Gruznev D. V., Zotov A. V., Saranin A. A. One-atom-layer compounds on silicon and germanium. Jpn. J. Appl. Phys., 2017, vol. 56, no. 8S1, pp. 08LA01. DOI: 10.7567/JJAP.56.08LA01Плюснин Н. И. Металлические нанопленки на монокристаллическом кремнии: рост, свойства и применения // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2015. Т. 18, № 2. С. 81—94. DOI: 10.17073/1609-3577-2015-2-81-94Plyusnin N. I. Metallic nanofilms on single crystal silicon: growth, properties and applications. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering, 2015, vol. 18, no. 2, pp. 81—94. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-3577-2015-2-81-94Plusnin N. I. Atomic-scale AES-EELS analysis of structure-phase state and growth mechanism of layered nanostructures // Advances in Materials Physics and Chemistry. 2016. V. 6, N. 7. P. 195—210. DOI: 10.4236/ampc.2016.67020Plusnin N. I. Atomic-scale AES-EELS analysis of structure-phase state and growth mechanism of layered nanostructures. Advances in Materials Physics and Chemistry, 2016, vol. 6, no. 7, pp. 195—210. DOI: 10.4236/ampc.2016.67020Methods and phenomena: their applications in science and technology. V. 1: Methods of surface analysis / Ed. by A. W. Czanderna. Amsterdam; Oxford; New York; Tokyo: Elsevier, 1975. 480 p. DOI: 10.1016/B978-0-444-41344-4.50004-5Methods and phenomena: their applications in science and technology. Vol. 1: Methods of surface analysis. Ed. by A. W. Czanderna. Amsterdam; Oxford; New York; Tokyo: Elsevier, 1975. 480 p. DOI: 10.1016/B978-0-444-41344-4.50004-5Lüth H. Solid surfaces, interfaces and thin films. V. 4. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2001. 589 p. DOI: 10.1007/978-3-662-04352-3Lüth H. Solid surfaces, interfaces and thin films. Vol. 4. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2001. 589 p. DOI: 10.1007/978-3-662-04352-3Topics in current physics. V. 4: Electron spectroscopy for surface analysis / Ed. by H. Ibach. Berlin; New York: Springer-Verlag, 1977. 255 p.Topics in current physics. Vol. 4: Electron spectroscopy for surface analysis. Ed. by H. Ibach. Berlin; New York: Springer-Verlag, 1977. 255 p.Brillson L. J. The structure and properties of metal-semiconductor interfaces // Surface Sci. Rep. 1982. V. 2, N 2. P. 123—326. DOI: 10.1016/0167-5729(82)90001-2Brillson L. J. The structure and properties of metal-semiconductor interfaces. Surface Science Reports, 1982, vol. 2, no. 2, pp. 123—326. DOI: 10.1016/0167-5729(82)90001-2Palmberg P. W. Quantitative Auger electron spectroscopy using elemental sensitivity factors // J. Vacuum Science & Technology. 1976. V. 13, N 1. P. 214—218. DOI: 10.1116/1.568853Palmberg P. W. Quantitative Auger electron spectroscopy using elemental sensitivity factors. J. Vacuum Science & Technology, 1976, vol. 13, no. 1, pp. 214—218. DOI: 10.1116/1.568853Practical surface analysis. Auger and x-ray photoelectron spectroscopy / Ed. by D. Briggs, M. P. Seah. Chichester; New York: John Wiley & Sons Ltd., 1983. 548 p.Practical surface analysis. Auger and x-ray photoelectron spectroscopy. Ed. by D. Briggs, M. P. Seah. Chichester; New York: John Wiley & Sons Ltd., 1983. 548 p.Honig R. E. Surface and thin film analysis of semiconductor materials // Thin Solid Films. 1976. V. 31, Iss. 1–2. P. 89—122. DOI: 10.1016/0040-6090(76)90356-4Honig R. E., Surface and thin film analysis of semiconductor materials. Thin Solid Films, 1976, vol. 31, no. 1–2, pp. 89—122. DOI: 10.1016/0040-6090(76)90356-4Briggs D., Grant J. T. Surface analysis by Auger and x-ray photoelectron spectroscopy. Chichester: IM Publications and Surface Spectra Limited, 2003. 840 p.Briggs D., Grant J. T. Surface analysis by Auger and x-ray photoelectron spectroscopy. Chichester (UK): IM Publications and Surface Spectra Limited, 2003. 840 p.Transmission electron energy loss spectrometry in materials science and the EELS Atlas / Ed. by C. C. Ahn. Weinheim: Wiley-VCH, 2004. 457 p. DOI: 10.1002/3527605495Transmission electron energy loss spectrometry in materials science and the EELS Atlas. Ed. by C. C. Ahn. Weinheim: Wiley-VCH, 2004. 457 p. DOI: 10.1002/3527605495Howe J. M., Oleshko V. P. Application of valence electron energy-loss spectroscopy and plasmon energy mapping for determining material properties at the nanoscale // J. Electron Microscopy. 2004. V. 53, N 4. P. 339—351. DOI: 10.1093/jmicro/dfh044Howe J. M., Oleshko V. P. Application of valence electron energy-loss spectroscopy and plasmon energy mapping for determining material properties at the nanoscale. J. Electron Microscopy, 2004, vol. 53, no. 4, pp. 339—351. DOI: 10.1093/jmicro/dfh044Menyhard M., Konkol A., Gergely G., Barna A. Development in Auger depth profiling technique // J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 1994. V. 68, Iss. C. P. 653—657. DOI: 10.1016/0368-2048(94)80028-6Menyhard M., Konkol A., Gergely G., Barna A. Development in Auger depth profiling technique. J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 1994, vol. 68, no. C, pp. 653—657. DOI: 10.1016/0368-2048(94)80028-6Паршин А. С., Александрова Г. А., Долбак А. Е., Пчеляков О. П., Ольшанецкий Б. З., Овчинников С. Г., Кущенков С. А. Спектроскопия характеристических потерь энергии отраженных электронов в тонких пленках системы FexSi1-x // Письма в журнал технической физики. 2008. Т. 34, Вып. 9. С. 41—48.Parshin A. S., Alexandrova G. A., Dolbak A. E., Pchelyakov O. P., Ol’shanetskiĭ B. Z., Ovchinnikov S. G., Kushchenkov S. A. Reflection electron-energy-loss spectroscopy of FexSi1-x thin films. Technical Phys. Lett., 2008, vol. 34, no. 5, pp. 381—383. DOI: 10.1134/S1063785008050064Lifshits V. G., Saranin A. A., Zotov A. V. Surface phases on silicon: preparation, structures, and properties. Chichester (UK): Wiley, 1994. 462 p.Lifshits V. G., Saranin A. A., Zotov A. V. Surface phases on silicon: preparation, structures, and properties. Chichester (UK): Wiley, 1994. 462 pWiesendanger R. Scanning probe microscopy and spectroscopy: methods and applications. Cambridge: Cambridge University Press, 1994. 637 p.Wiesendanger R. Scanning probe microscopy and spectroscopy: methods and applications. Cambridge University Press, 1994. 637 p.Linsmeier Ch. Auger electron spectroscopy // Vacuum. 1994. V. 45, N 6–7. P. 673—690. DOI: 10.1016/0042-207X(94)90108-2Linsmeier Ch. Auger electron spectroscopy. Vacuum, 1994, vol. 45, no. 6–7, pp. 673—690. DOI: 10.1016/0042-207X(94)90108-2Moretti G. X-Ray photoelectron and auger electron spectroscopy // Handbook of Heterogeneous Catalysis. Pt 3. Characterization of Solid Catalysts. 3.2. Chemical Properties. 3.2.3. Valence States. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2008. P. 1029—1039. DOI: 10.1002/9783527610044.hetcat0052Moretti G. X-Ray photoelectron and auger electron spectroscopy. Handbook of Heterogeneous Catalysis. Part 3. Characterization of Solid Catalysts. 3.2. Chemical Properties. 3.2.3. Valence States. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2008, pp. 1029—1039. DOI: 10.1002/9783527610044.hetcat0052Egerton R. F. Electron energy-loss spectroscopy in the electron microscope. New York; Dordrecht; Heidelberg; London: Springer Science & Business Media, 2011. 491 p.Egerton R. F. Electron energy-loss spectroscopy in the electron microscope. New York; Dordrecht; Heidelberg; London: Springer Science & Business Media, 2011. 491 p.Лифшиц В. Г., Луняков Ю. В. Спектры ХПЭЭ поверхностных фаз на кремнии. Владивосток: Дальнаука, 2004. 314 c.Lifshits V. G., Lunyakov Yu. V. EELS spectra of surface phases on silicon. Vladivostok: Dal’nauka, 2004. 314 p. (In Russ.)Plusnin N. I. Application of AES and EELS for surface/interface characterization // J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2004. V. 137–140. P. 161—164. DOI: 10.1016/j.elspec.2004.02.091Plusnin N. I. Application of AES and EELS for surface/interface characterization. J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 2004, vols. 137–140, pp. 161—164. DOI: 10.1016/j.elspec.2004.02.091Plusnin N. I., Milenin A. P., Iliyashenko B. M., Lifshits V. G. Elevated rate growth of nanolayers of Cr and CrSi2 on Si(111) // Phys. Low-Dim. Struct. 2002. V. 9–10. P. 129—146.Plusnin N. I., Milenin A. P., Iliyashenko B. M., Lifshits V. G. Elevated rate growth of nanolayers of Cr and CrSi2 on Si(111). Physics of Low-Dimensional Structures, 2002, nos. 9–10, pp. 129—146.Plusnin N. I., Galkin N. G., Lifshits V. G., Lobachev S. A. Formation of interfaces and templates in the Si(111)-Cr system // Surf. Rev. Lett. 1995. V. 2, Iss. 4. P. 439—449. DOI: 10.1142/S0218625X9500039XPlusnin N. I., Galkin N. G., Lifshits V. G., Lobachev S. A. Formation of interfaces and templates in the Si(111)-Cr system. Surface Review and Letters. 1995, vol. 2, no. 4, pp. 439—449. DOI: 10.1142/S0218625X9500039XPlusnin N. I., Il’yashenko V. M., Kitan S. A., Krylov S. V. Formation of Co ultrathin films on Si(111): growth mechanisms, electronic structure and transport // Appl. Surf. Sci. 2007. V. 253, Iss. 17. P. 7225—7229. DOI: 10.1016/j.apsusc.2007.03.001Plusnin N. I., Il’yashenko V. M., Kitan S. A., Krylov S. V. Formation of Co ultrathin films on Si (111): Growth mechanisms, electronic structure and transport. Applied Surface Science, 2007, vol. 253, no. 17, pp. 7225—7229. DOI: 10.1016/j.apsusc.2007.03.001Плюснин Н. И., Ильященко В. М., Китань С. А., Тарима Н. А., Структурно-фазовые превращения на начальных стадиях конденсации меди на Si(001) // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2011. № 8. C. 29—40.Plyusnin N. I., Il’yashchenko V. M., Kitan’ S. A., Tarima N. A. Structural and phase transformations during initial stages of copper condensation on Si(001). J. Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2011, vol. 5, no. 4, pp. 734—745. DOI: 10.1134/S1027451011060140Плюснин Н. И., Ильященко В. М., Усачев П. А., Павлов В. В. Рост на подложке Si(100)2×1, структурные и магнитные свойства структур на основе нанослоев Fe, Co и Cu // Журн. техн. физики. 2015. Т. 85, Вып. 10. С. 87—93.Plyusnin N. I., Il’yashchenko V. M., Usachev P. A., Pavlov V. V. Growth, structural and magnetic properties of Fe, Co and Cu nanolayers on the Si substrate. Technical Phys., 2015, vol. 60, no. 10, pp. 1501—1507. DOI: 10.1134/S1063784215100266Wallart X., Zeng H. S., Nys J. P., Delmai G. Electron spectroscopy study of the Fe/Si (111) interface formation and reactivity upon annealing // Appl. Surf. Sci. 1992. V. 56–58, Pt 1. P. 427—433. DOI: 10.1016/0169-4332(92)90265-YWallart X., Zeng H. S., Nys J. P., Delmai G. Electron spectroscopy study of the Fe/Si (111) interface formation and reactivity upon annealing. Applied Surface Science, 1992, vol. 56–58, pt. 1, pp. 427—433. DOI: 10.1016/0169-4332(92)90265-YColavita E., De Crescenzi M., Papagno L., Scarmozzino R., Caputi L. S., RoseiR., Tosatti E. Single-particle and collective excitations in ferromagnetic iron from electron-energy-loss spectroscopy // Phys. Rev. B. 1982. V. 25. P. 2490—2502. DOI: 10.1103/PhysRevB.25.2490Colavita E., De Crescenzi M., Papagno L., Scarmozzino R., Caputi L. S., RoseiR., Tosatti E. Single-particle and collective excitations in ferromagnetic iron from electron-energy-loss spectroscopy. Physical Review B. 1982, vol. 25, pp. 2490—2502. DOI: 10.1103/PhysRevB.25.2490

The authors declare that there are no conflicts of interest present.