GB／T 41064-2021 标准规范下载简介

GB／T 41064-2021 表面化学分析 深度剖析 用单层和多层薄膜测定X射线光电子能谱、俄歇电子能谱和二次离子质谱中深度剖析溅射速率的方法.pdf

ICS 71.040.40 CCS G 04

GB/T41064—2021/ISO17109:20

表面化学分析深度剖析用单层和

国家市场监督管理总局 发布 国家标准化管理委员会

钢套箱围堰安全施工方案GB/T41064—2021/ISO17109.2015

引言 范围 规范性引用文件 术语和定义 单层和多层薄膜参考物质的要求 溅射速率的确定 附录A（资料性）国际比对实验报告 附录B（资料性） 通过溅射产额列表值估算其他材料的溅射速率 参考文献

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本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起章规则》的规定 起草。 本文件等同采用ISO17109：2015《表面化学分析深度剖析用单层和多层薄膜测定X射线光电 子能谱、俄歇电子能谱和二次离子质谱中深度剖析溅射速率的方法》。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由全国微束分析标准化技术委员会（SAC/TC38)提出并归口。 本文件起草单位：清华大学、中国石油大学（北京）。 本文件主要起草人：姚文清、段建霞、杨立平、王雅君、李展平、徐同广、王岩华，

本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起章规则》的规 草。 本文件等同采用ISO17109：2015《表面化学分析深度剖析用单层和多层薄膜测定X射线光 能谱、俄歇电子能谱和二次离子质谱中深度析溅射速率的方法》。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由全国微束分析标准化技术委员会（SAC/TC38）提出并归口。 本文件起草单位：清华大学、中国石油大学（北京）。 本文件主要起草人：姚文清、段建霞、杨立平、王雅君、李展平、徐同广、王岩华，

表面化学分析的溅射速率通常是由轮廓仪测得的溅射深度与溅射时间的比率，然而这种方法只能 测得多层薄膜的平均溅射速率，无法测量由不同溅射速率材料构成多层薄膜的溅射速率。并且溅射速 率也受到各种材料制备参数的影响，因此很难对其进行制表推算和用于溅射深度校准。为了提高准确 度，在每个实验室的特定实验条件下，对溅射速率进行测定是很重要的。溅射速率应使用比溅射离子范 围更厚的单层来确定，这样表面瞬态效应可以忽略不计。或者使用多层薄膜，可以排除表面瞬态现象的 影响，并且使界面瞬变最小化。本文件利用俄歇电子能谱（AES)、X射线光电子能谱（XPS)和二次离子 质谱（SIMS)对单层和多层薄膜进行深度剖析，通过测定溅射速率实现溅射深度的校准。测定的溅射速 率可用于预测各种其他材料的溅射速率，以便在常规样品中通过溅射产额和体积密度的表值估算深度 尺度或溅射时间，

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表面化学分析深度剖析用单层和 多层薄膜测定X射线光电子能谱、俄歇 电子能谱和二次离子质谱中深度剖析 溅射速率的方法

本文件规定了一种通过测定溅射速率校准材料溅射深度的方法，即在一定溅射条件下测定一种具 有单层或多层膜参考物质的溅射速率，用作相同材料膜层的深度校准。当使用俄歇电子能谱（AES)、 X射线光电子能谱（XPS)和二次离子质谱（SIMS)进行深度分析时，这种方法对于厚度在20nm200nm 之间的膜层具有5%～10%的准确度。溅射速率是由参考物质相关界面间的膜层厚度和溅射时间决 定。使用已知的溅射速率并结合溅射时间，可以得到被测样品的膜层厚度。测得的离子溅射速率可用 于预测各种其他材料的离子溅射速率，从而可以通过溅射产额和原子密度的表值估算出这些材料的深 度尺度和溅射时间

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于 本文件。 ISO14606表面化学分析溅射深度剖析用层状膜系为参考物质的优化方法（Surfacechemical analysis—Sputter depthprofiling—Optimization using layered systems as reference materials) 注：GB/T20175一2006表面化学分析溅射深度剖析用层状膜系为参考物质的优化方法（ISO14606:2000 IDT)

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于 本文件。 ISO14606表面化学分析溅射深度剖析用层状膜系为参考物质的优化方法（Surfacechemical analysis—Sputter depthprofiling—Optimization using layered systems as reference materials) 注：GB/T20175一2006表面化学分析溅射深度剖析用层状膜系为参考物质的优化方法（ISO14606：2000 IDT)

下列术语和定义适用于本文件。 3.1 上平台upperplateau 强度超过该层特征信号最大强度的95%并覆盖超过该层厚度一半的区域。 3.2 下平台lowerplateau 强度低于该层特征信号最小强度

4单层和多层薄膜参考物质的要求

注：在离子溅射过程中，样品的旋转可以减少表面粗糙度，无其是对于多晶薄膜，从而使界面更加清晰，对溅射速 率的估算也更准确 4.2薄膜表面和界面应是平整并且互相平行，以避免深度剖析中的失真。通常使用原子力显微术测量 表面粗糙度，使用透射电子显微术（TEM)测量厚度变化。表面粗糙度和每层厚度偏差应小于离子溅射 总射程和该方法测得的深度信息值。 4.3多层薄膜中每层膜的厚度和单层薄膜的厚度应通过高分辨横截面透射电子显微术、掠人射X射线 反射术、中能离子散射术或其他合适的方法来确定，以便估算测试的准确度。 4.4多层薄膜中A/B层对的数量应大于2，因为考虑到表层和底层的过渡效应，第一层A和最后一层 B的结构不能用于分析。 4.5对于单层薄膜，为了尽量减少可能的污染或表面氧化问题，建议采用稳定的、干净的或易于清洁的 Au/Si,SiO,/Si,TazOs/Ta等材料

ISO14606进行优化。 的AES、XPS和SIMS深 虽度比、浓度或与每一深度 动引起的不确定性降 度剖析，并通过某种元 的中间点处来确定界面 SO14606进一步完善 值进行求和，然后除以 而求得。平均强度可由 中的最小值； 直进行求和； 直； 度值得到Iiower。 I 50% =（I upper—Ilower)/2 PS和SIMS深度分析 [达到上平台水平的50 可能被界面区域中基 而定义的上平台低于膜

5.2深度分析应在仪器稳定到将机械波动引起的不确定性降到最低后进行。检查数据后进行峰位识 别和标注，并忽略掉任何噪声。 5.3对一个单层或多层参考薄膜进行深度剖析，并通过某种元素下降到最低点的平台位置和在该层出 现的平台位置下所对应的信号强度之间的中间点处来确定界面位置，本文件中确定界面位置的方法将 一直被应用，直到关于确定界面位置的ISO14606进一步完善。上平台区域的平均强度为Iuper，它可 以通过将最大强度95%以上的所有强度值进行求和，然后除以求和值的数量而得到。 低平台的Ilower可以通过同样的方法而求得。平均强度可由下述计算获得： a）去掉低平台区域中所有强度值中的最小值； b）计算出最大强度值的5%； ） 对小于上述所求值的所有强度值进行求和； d 除以求和值的总数量得到平均值； e 上述求得的平均值加上最小强度值得到Ilower。 50%信号强度将由下式计算获得： I 50%=(I upper I ower) /2 图A.2图A.4分别是通过AES、XPS和SIMS深度分析来确定上平台和下平台的例子。对于单 层薄膜，起始溅射时间是指某元素强度值达到上平台水平的50%时所对应的时间。 对于SIMS中的深度剖析，界面位置可能被界面区域中基体效应变化而影响。如果由于大量的界 面扭曲，以高于最大强度95%的强度值而定义的上平台低于膜层厚度的一半，那么本文件将不适用于 溅射速率的确定。 注1：ISO/TR15969中提到了平台值的50%[]。 注2：确定多层和单层薄膜溅射速率的流程图在下文将给出。 5.4在一种A/B/A/B多层薄膜中的A层溅射速率zA和B层溅射速率zB分别由A层和B层厚 度dRdR以及A层和B层溅射时间t、tR确定。溅射速率单位为nm/s

I 50% =(I uper I ewer )/2

层薄膜，起始溅射时间是指某元素强度值达到上平台水平的50%时所对应的时间。 对于SIMS中的深度剖析，界面位置可能被界面区域中基体效应变化而影响。如果由于大量的界 面扭曲，以高于最大强度95%的强度值而定义的上平台低于膜层厚度的一半，那么本文件将不适用于 溅射速率的确定。 注1：ISO/TR15969中提到了平台值的50%[]。 注2：确定多层和单层薄膜溅射速率的流程图在下文将给出。 5.4在一种A/B/A/B多层薄膜中的A层溅射速率zA和B层溅射速率zB分别由A层和B层厚 度dRdR以及A层和B层溅射时间tR、tR确定。溅射速率单位为nm/s。

ZA=(dR/tR) 2R =(dR / tR)

....................

..................

A层的溅射时间t由从B/A到A/B界面的时间间隔来确定，B层的溅射时间由从A/B到B/A 界面的时间间隔来确定。为了减小不确定度，要做三次深度剖析。如果标准偏差不合适，深度剖析参数

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应根据ISO14606来进行优化从而减小不确定度。 A层和B层的平均溅射速率A和B由从所有层的各自溅射速率zA和zB的值来确定，除了最表层A 层和邻近衬底的最底层B层。 对于单层薄膜，A层的溅射速率zA由公式（1)确定，它的溅射时间由A层表面到A层与衬底界 面处的时间间隔来确定。A层的平均溅射速率之^由连续三次对单层薄膜进行深度剖析的平均值确定。 注1：这里给出了测定多层和单层薄膜溅射速率的流程图。 注2：优于5%的标准偏差是行之有效的，

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公式（3)和公式（4)适用于未知厚度的多层薄膜中除最表层A层和邻近衬底的最底层B层以外的 所有膜层。 对于单层薄膜，测得的溅射深度或厚度可以用公式（3）来校准。 5.8A层厚度d的不确定度△（d）是用通过三次连续深度剖析得到的A层平均溅射时间的标准偏差 （）来估算的，其标准偏差α（z）的计算见公式（5）。

为了估算具有最小不确定度的A层厚度，多层薄膜中A层的溅射速率宜用薄膜参考物质准确测 定，溅射时间也宜准确测定。 注：5.4中得到的单层薄膜样品中A层的平均溅射速率或者多层薄膜样品中A层和B层的平均溅射速率可以用来 预测其他大多数材料的溅射速率， B中列出的溅射产额和体积密度值。

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本国际比对实验报告基于“用多层 MS中深度部析溅射速率的方法”

用多层薄膜测定XPS、AES和SIMS中深度剖析溅射速率。多层膜的每层膜厚度由TEM测 见ISO/TR15969[2]，界面位置为信号下降到平台值50%来确定

用两类样品： 参考物质（RM)：5X（Si/Ge)/Si(100)，证书给出厚度； 实验样品：5X（Si/Ge)/Si(100），厚度未知。 多层膜通过离子束溅射沉积生成。用1keV的氩离子束对Si和Ge靶材进行溅射，在室温条件下沉 积在15.2cm(6in）Si片Si(100)上。晶格参数为(100)的Si基底上样品厚度通过TEM确定，如图A.1。

用两类样品： 参考物质（RM)：5X（Si/Ge)/Si(100)，证书给出厚度； 实验样品：5X（Si/Ge)/Si(100），厚度未知。 多层膜通过离子束溅射沉积生成。用1keV的氩离子束对Si和Ge靶材进行溅射，在室温条件下沉 积在15.2cm(6in)Si片Si(100)上。晶格参数为（100)的Si基底上样品厚度通过TEM确定，如图A.1。

图A.1Si/Ge多层膜样品的TEM图

实验测量要求： 根据ISO14606优化溅射深度剖析参数。 b）参考物质和实验样品宜在仪器稳定后的同一天测量，以尽量减少不确定度。 对Si、Ge多层膜参考物质进行深度析，分别估算各层的溅射速率和Si、Ge的平均溅射速率 界面位置是由元素的信号强度到达其上平台值50%的那一点决定。 根据ISO14606估算每个界面的深度分辨率并报告。在本文件中，深度分辨率（△z）是由平均 溅射速率乘以时间间隔△t确定，时间间隔△t是指对于多层膜系统各个相邻层中相对于

实验测量要求： a）根据ISO14606优化溅射深度剖析参数。 b）参考物质和实验样品宜在仪器稳定后的同一天测量，以尽量减少不确定度。 ）对Si、Ge多层膜参考物质进行深度剖析，分别估算各层的溅射速率和Si、Ge的平均溅射返 界面位置是由元素的信号强度到达其上平台值50%的那一点决定。 d） 根据ISO14606估算每个界面的深度分辨率并报告。在本文件中，深度分辨率（△z）是由 溅射速率乘以时间间隔△t确定，时间间隔△t是指对于多层膜系统各个相邻层中相

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100%信号强度从16%变化到84%（或84%~16%）

A.6国际比对实验结果总结

a）溅射深度谱 AES、XPS和SIMS的溅射深度谱分别见图A.2～图A.4。对于AES和XPS深度剖析，上平台和 下平台的界面位置可以根据元素信号强度下降到上平台值50%来确定。然而，对于SIMS溅射深度部 析，如图A.4界面位置明显受到严重基体效应影响而导致不能清楚确定平台的强度。在这种情况下，增 加确定溅射速率的不确定度，这时平台强度的平均值可以使用，所有参加国际比对的测试条件见表A.1。

图A.2Si基底上Si/Ge多层膜的典型AES深度剖析

制备的非晶Si、Ge多层膜的基体效应。用1keV的氩离子进行溅射，人射角与表面法线呈42°，分析S LVV和GeLVV的俄歇峰峰高。为了说明如何确定Si的上平台，图中标明最大强度和最大强度的 95%定义为上平台区域。上平台区域的平均强度可以通过每次溅射时间间隔的上平台强度来计算，或 者可以通过目测最大强度和最大强度的95%来确定。用类似的方法，可以确定下平台平均强度

3Si基底上Si/Ge多层膜的典型XPS深度剖析

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用2keV的氩离子进行溅射，人射角与表面法线呈45°，用Si2p(95eV～115eV)峰区域和Ge 1212eV~1232eV)峰进行分析

某蔬菜产品仓储配送项目小市政工程施工组织设计图A.4Si基底上Si/Ge多层膜的典型SIMS深度剖析

2.0keV的Cs+离子作为一次离子源，人射角与表面法线呈45°，（"Si十133Cs）十离子和（"4Ge十133Cs）十离 子作为二次离子，用四极杆质量分析器进行分析，未归一化。在此SIMS深度剖析中，由于界面处存在 严重的基体效应，第二个Si峰的上平台无法确定。本文件上平台的厚度远小于一半层厚。而对于第二 个Ge峰，本文件上平台是可以确定的。 b）Si层与Ge层的溅射速率 Si层的溅射速率绘制在图A.5中。溅射速率范围从1.2nm/s~0.02nm/s

图A.5各个Si层的溅射速率

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注：数字是指表A.1中的参与者。

图A.5各个Si层的溅射速率（续）

在图A.5中可以看到，对于大多数深度剖析，5个Si层的溅射速率没有显著变化。如果忽略两个 氧一次离子（实验室19和26)的结果，它们的平均相对标准偏差为5%。它表明许多实验室的设备可以 提供一致的深度剖析速率，这使本文件具有意义。 Ge的溅射速率如图A.5，和Si是一致的，平均相对标准偏差为5%。对于俄歇溅射深度剖析，由于 表面瞬态作用，Si的溅射速率从第一层就低了4%，同样，由于最后Ge层与Si衬底之间的界面瞬态效 应，最后一层Ge的溅射速率低了6%。由于衬底Si是晶体并具有自然氧化层，因此最后的Ge层和Si 衬底之间的界面不同于其他的Ge/Si界面。XPS和SIMS溅射深度剖析显示出相似的结果。 c）Si和Ge的深度分辨 图A6给出了Si表层估算的深度分辨，它显示了从2nm11nm深度分辨的宽范围。通过这次RRT 中AES、XPS和SIMS进行深度溅射剖析，估算深度分辨的分布规律没有显示出任何明显的差异。

GB 150.3-2011标准下载图A.6每层Si表层的深度分辨

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