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Sandbox Physics

E60 · 电子激发与表面谱学

俄歇谱：溅射之后还剩什么

溅射去掉一纳米，剩下的膜就薄了一纳米吗？ 溅射一边移除材料，一边可能把表面混合并改变化学态。俄歇计数按逃逸深度给剩余材料加权，因此按锐界面膜推得的厚度可能不同于实际保留量。应把计数历史与单独标明的材料存量对照。

追踪薄膜经历的每一次溅射。把实际保留的材料与俄歇计数谱推得的厚度对照，看看混合和化学态变化怎样打破锐界面薄膜的想象。

交互模型俄歇谱：溅射之后还剩什么
计数推断的锐界面等效厚度—\text{—}
独立的实际保留量—\text{—}
已完成移除深度—\text{—}
计数推断的改变态氧信号—\text{—}
更多测量与实验目标
相对独立输入的氧信号误差—\text{—}
约化泊松偏差—\text{—}
所选记录总计数—\text{—}
所选已完成步骤—\text{—}
所选氧净计数—\text{—}
所选铜净计数—\text{—}
计数推断膜厚—\text{—}
独立未损伤剩余厚度—\text{—}
分辨像素的平均误差—\text{—}
所选较弱峰信噪比—\text{—}
分辨像素比例—\text{—}
百分之九十五法向逃逸深度—\text{—}
累积入射剂量—\text{—}
指定响应变化比例—\text{—}
实验目标—\text{—}

物理教程

俄歇谱：溅射之后还剩什么

背景去掉一层材料时，离子也在轰击留下来的表面。这里在均匀测试点上完成十二次一秒离子步骤，每一步之后独立记录俄歇谱。混合会把含氧材料带到原来的界面之下；化学转化则可以只改变谱响应，不移走材料。保留的静态元素图模式另行探索面内分布和电子束造成的响应变化。

为什么值得理解沿存储历史比较三件事：已经移除的深度、实际留下的材料量，以及由计数谱推得的锐界面等效厚度。谱拟合目标检查分量能否识别、与独立前向信号是否一致，不声称恢复未知深度分布。静态元素图保留原来的像素覆盖、膜厚误差和电子损伤目标。

先抓重点

核心问题
溅射去掉一纳米，剩下的膜就薄了一纳米吗？
一句话直觉
逃逸深度让不同深处的材料对谱贡献不同。锐界面膜一旦变成混合分布，描述衰减的等效厚度就不一定等于实际保留量。

核心数学模型

保留材料的守恒账目

Mk=∫0∞(cn+cc) dzMk+Mremoved,k=M0\begin{aligned}M_k&=\int_0^\infty(c_n+c_c)\,dz\\M_k+M_{\rm removed,k}&=M_0\end{aligned}

原态转成改变态不删除含氧材料；只有去层改变总存量。

深度加权的谱实际测到什么

ℓn=λcos⁡θqj=∫0∞cj(z)e−z/ℓnℓn dzqCu=1−qn−qc\begin{aligned}\ell_n&=\lambda\cos\theta\\q_j&=\int_0^\infty c_j(z)\frac{e^{-z/\ell_n}}{\ell_n}\,dz\\q_{Cu}&=1-q_n-q_c\end{aligned}

两种氧材料与互补的铜使用指定的相同灵敏度、相同逃逸长度。

表观锐界面膜厚

q^O=A^n+A^cA^n+A^c+A^Cut^sharp=−ℓnln⁡(1−q^O)\begin{aligned}\widehat q_O&=\frac{\widehat A_n+\widehat A_c}{\widehat A_n+\widehat A_c+\widehat A_{Cu}}\\\widehat t_{\rm sharp}&=-\ell_n\ln(1-\widehat q_O)\end{aligned}

峰面积只由计数谱与标定线形拟合。这是锐界面等效厚度；反演拿不到实际深度分布。

静态元素图：膜厚决定两种信号的比重

ℓn=λcos⁡θqO=1−e−t/ℓnqCu=e−t/ℓn\begin{aligned}\ell_n&=\lambda\cos\theta\\q_O&=1-e^{-t/\ell_n}\\q_{Cu}&=e^{-t/\ell_n}\end{aligned}

这里假定两种元素逃逸长度和灵敏度相同，而且剂量还没改变响应。

静态元素图：从记录窗口推算膜厚

Si=∑j∈Wi(Nj−B^j)q^O=SOSO+SCut^=−ℓnln⁡(1−q^O)\begin{aligned}S_i&=\sum_{j\in W_i}(N_j-\widehat B_j)\\\widehat q_O&=\frac{S_O}{S_O+S_{Cu}}\\\widehat t&=-\ell_n\ln(1-\widehat q_O)\end{aligned}

侧带计数用来估计线性背景。信号太弱或已经饱和的像素算作未分辨；模型假定两种元素灵敏度相同。

静态元素图：入射电子数与累积剂量

Ninc=IτeD=nENincp2s=e−aD/Dc\begin{aligned}N_{inc}&=\frac{I\tau}{e}\\D&=\frac{n_E N_{inc}}{p^2}\\s&=e^{-aD/D_c}\end{aligned}

停留时间按每个能量位置设定。每个像素的剂量包含全部 140 个位置；存留规律是设定的模型。

常见难点

去层深度相同，剩余材料也可能不同

容易误解初始膜厚减去移除深度，就知道样品还剩多少。

正确理解这种相减只适用于无混合的锐界面膜。历史记录实际深度分布、化学转化和移出材料；谱再按逃逸深度对剩余分布加权。

参考曲线不是数据

容易误解理想输入就是从计数推断出的结果。

正确理解金色图是已知输入，只用来独立检验；青色结果只用存储的计数算出。

曝光再长也消不掉所有误差

容易误解计数够多，答案就一定对。

正确理解计数多了，计数噪声会变小；但连续背景、标定、有限仪器宽度和设定损伤带来的误差都还在。

动手实验

  1. 01

    先看去层，再看留下什么

    比较“发生混合的表面”与“未改变的锐界面层”，用存储步骤控制查看同一段采集历史。

    你会看到： 灰线只按理想去层计算；金线按实际移出的材料计算剩余量。
  2. 02

    把化学态变化与材料消失分开

    选择“材料还在，化学态已变”，观察两种氧标记及铜窗口。

    你会看到： 改变态氧的信号增加，并不意味着同样多的含氧材料被移走。
  3. 03

    检验锐界面假定

    对照青色计数等效厚度与金色实际保留量，再查看单独标明的已知深度分布。

    你会看到： 线形拟合得好，不会让混合的深度分布自动变成锐界面膜。
  4. 04

    关掉离子扰动

    先选“溅射之前”，再把混合和化学转化都设为零后提高移除速率，并与低计数预设比较。

    你会看到： 零去层不会改变材料；计数不足就应报告不能分辨，不能硬给一个像模像样的厚度。
  5. 05

    预测一张假的元素图

    在“静态元素图与电子损伤”模式中：比较不扣背景和“分辨薄膜”预设。看两段原始谱和净产额图。

    你会看到： 某种元素信号很弱的地方，连续背景照样贡献计数。
  6. 06

    处理同一组数据

    在“静态元素图与电子损伤”模式中：换一个像素，改导数平滑。打开或关闭侧带扣除，采集保持不变。

    你会看到： 平滑只改导数，存储谱和膜厚估计都不变。
  7. 07

    检验表面灵敏度

    在“静态元素图与电子损伤”模式中：加大收集角，再移除一纳米。把推算膜厚和独立的已知剩余膜对照。

    你会看到： 掠射收集会压低埋在下面的铜信号；溅射则改变留下来的是哪一层表面。
  8. 08

    信号够用，样品少变

    在“静态元素图与电子损伤”模式中：回到法向收集，收窄分析器响应，扣掉背景，停留时间只加到够用为止。然后核对目标。

    你会看到： 曝光更长，信噪比可能更高，结果却可能离未损伤参考更远。
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