表面瑕疵检测

1) 理想、清洁半导体表面：理想表面产生表面能级(表面态)的原因是塔姆(Tamm)首先提出的,他认为晶体的周期性势场在表面处发生中断引起了附加能级.因此,这种表面能级称为塔姆表面能级或塔姆能级(Tamm Level).塔姆曾计算了半无限克龙尼克–潘纳模型情形,证明在一定条件下每个表面原子在禁带中对应一个表面能级.上述结论可推广到三维情形,可以证明,在三维晶体中,仍是每个表面原子对应禁带中一个表面能级,这些表面能级组成表面能带.因单位面积上的原子数约为,故单位面积上的表面态数也具有相同的数量级.表面态的概念还可以从化学键的方面来说明.以硅晶体为例,因晶格在表面处突然终止,在表面的最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子,即有一个未饱和的键.这个键称为悬挂键,与之对应的电子能态就是表面态.因每平方厘米表面约有个原子,故相应的悬挂键数也应为约个.表面态的存在是肖克莱等首先从实验上发现的.以后有人在超真空对洁净硅表面进行测量,证实表面态密度与上述理论结果相符。

2) 实际表面：在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态这种表面态的特点是其数值(表面态密度)与表面经过的处理方法及所处的环境有关。

自20世纪60年代中期金属型超高真空系统和高效率微弱信号电子检测系统的发展，导致70年代初现代表面分析仪器商品化以来，至今已产生了约50种表面分析技术。表面分析技术发展的动力来自两个方面，一方面是由于表面分析对了解表面性能至关重要，而表面性能又日益成为现代材料的至关重要的指标。另一方面，也来自科学家和工程师对探索未知的追求。从实用表面分析的角度看，在众多的表面分析技术中，有四种技术在过去的十几年内由世界上几家公司不断改进，巳发展为成熟的分析工具。它们是俄歇电子谱（AES），X射线光电子谱（XPS），二次离子质谱（SIMS）和离子散射谱（ISS），它们已应用渗透到材料研究的许多领域。

表面分析系统包括x射线光电子能谱（XPS）仪和紫外光电子能谱（UPS）仪，利用表面分析系统，可从原子层面上分析阴极材料的净化效果，分析激活前后阴极表面原子的构成和排列，进而可较深入地研究阴极的激活机制和NEA特性的形成机制。下面简单介绍激活评估实验系统中的表面分析子系统：

x射线光电子能潜（XPS）仪采用的是Perkin Elmer公司生产的PHl5300 ESCA系统。

其主要性能指标如下：

（1）峰值灵敏度可达10⁵计数/称（半高宽为0.8 eV），峰值灵敏度>10⁶计数/称（半高宽为1.0 eV）；

（2）表面分析审的极限真空度<1.5×10^-8Pa；

（3）变角XPS分析时掠射角的变化范围为5°～90°；

（4）X射线源的功率是可调的。

实验系统中的XPS仪采用了双阳极x射线源，其结构如图所示，主要由灯丝1、灯丝2、阳极1、阳极2和过滤窗几组成。两个阳极靶采用不同的材料制成，其中一个足Mg靶，另一个是Al靶，这样使该XPS仪具有两种激发源，阳极靶的这种结构对鉴别俄歇峰是有利的。过滤窗口是由铝箔制成的，铝箔滤窗可以有效防止来自X射线源的辐射，阻止来自阴极灯丝的电子混入能量分析

器中，对样品溅射时可以使阳极表面免受污染。

该XPS系统采用的半球型能量分析器是静电偏转式的，分析器外部采用可屏蔽杂散磁场十扰的合金材料，能够精确地对电子的能量分布进行测定，能量分析器词过控制电压产生电场，具有一定能量的被测电子进入分析器入口后，就会在电场的作用下发生偏转，然后在出口处聚集，最后通过内部的检测器进行收集、放大和处理。

该XPS系统采用无油系统的泵配置，使其性能更加可靠。在主真空室上设计了两个盲口，一个用于表面分析室通过带波纹管的管道与激活系统真空室的连接，连接处设计有一个闸板阀，只在样品传送时才开启，这样就将两个超高真空系统的互相影响降到最低。另一个盲口用于扩展紫外光电子能谱（UPS）仪。

紫外光电子能谱（UPS）仪采用的是PH106一180型UPS系统。该系统工作时真空度约为1.3X10-6Pa，分辨率可达几十毫电子伏。紫外光电子能谱仪使用的是紫外范围的光子，紫外光比x射线能量低，是用来激发样品最外层即价壳层电子的，所以紫外光电子能谱仪多用来研究样品的能带结构和表面态情况。该表面分析系统中的能量分析器与表面分析室为UPS和XPS共同使用，UPS系统的紫外光源为He气体放电时产生的HeⅠ（21.22 eV）和HeⅡ（40.81eV）共振线。