Влияние наноразмерных горизонтальных неоднородностей на послойный анализ поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

Предмет исследования. Количественный послойный анализ поверхностных слоев тонких пленок проводят с помощью метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии по расчетной модели, которая предполагает, что поверхностные слои образца однородны и плоскопараллельны. Однако практически любая поверхность ультратонкой пленки неровная. Исследование такой поверхности по модели плоскопараллельных слоев может привести к некорректным результатам. В настоящей работе для анализа ультратонкой пленки предложено использовать модель неоднородного стохастического наноструктурированного поверхностного слоя.

Метод. Поверхностные стохастические наноструктурированные неоднородности описаны функцией нормального распределения Гаусса и определяются тремя параметрами: дисперсия (разброс толщин по слою), средняя и максимальная толщины поверхностного слоя. Впервые определен вид рентгеновского фотоэлектронного спектра неоднородной стохастической наноструктурированной поверхности с помощью функций рождения и прохождения фотоэлектронов через поверхностный слой. Разработанная модель основана на следующих предположениях: фотоэлектроны рождаются в веществе и движутся прямо-вперед (приближение Straight Line Approximation) по нормали к поверхности, плотность их потока ослабевает в слое по закону Бугера–Ламберта; фотоэлектроны с различными энергиями теряют энергию по-разному; потери энергии фотоэлектронов в объеме и на поверхности слоя различны. Основные результаты. Выполнено моделирование рентгеновских фотоэлектронных спектров окисленной металлической пленки по следующим моделям: однородные плоскопараллельные слои, островковый и неоднородный стохастический наноструктурированные поверхностные слои. Определены границы применимости моделей однородных плоскопараллельных слоев и простого периодически островкового наноструктурированного поверхностного слоя для анализа неоднородной стохастической наноструктурированной поверхности. При некоторых параметрах неоднородного стохастического поверхностного слоя модель однородных плоскопараллельных слоев показывает удовлетворительные результаты послойного анализа. Показано, что модель простого периодически наноструктурированного островкового слоя дает неадекватные результаты при анализе неоднородной стохастической поверхности.

Практическая значимость. Проведенные в работе исследования показали, что для более точного послойного анализа неоднородной ультратонкой пленки необходимо учитывать неоднородность реальной поверхности, в противном случае полученные результаты будут не соответствовать фактическим.

1. Tougaard S. Improved XPS analysis by visual inspection of the survey spectrum // Surface and Interface Analysis. 2018. V. 50. N 6. P. 657–666. https://doi.org/10.1002/sia.6456

2. Lubenchenko A.V., Batrakov A.A., Pavolotsky A.B., Lubenchenko O.I., Ivanov D.A. XPS study of multilayer multicomponent films // Applied Surface Science. 2018. V. 427. P. 711–721. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.07.256

3. Lukiantsev D.S., Lubenchenko A.V., Ivanov D.A., Lubenchenko O.I., Pavolotsky A.B., Iachuk V.A., Pavlov O.N. The Formation of nanosuboxide layers in the oxide of niobium in low-power ion beam of argon // Proc. of the 3rd International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). 2021. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/REEPE51337.2021.9388002

4. Lubenchenko A.V., Batrakov A.A., Shurkaeva I.V., Pavolotsky A.B., Krause S., Ivanov D.A., Lubenchenko O.I. XPS study of niobium and niobium-nitride nanofilms // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2018. V. 12. N 4. P. 692–700. https://doi.org/10.1134/S1027451018040134

5. Лубенченко А.В., Иванов Д.А., Лубенченко О.И., Паволоцкий А.Б., Лукьянцев Д.С., Ячук В.А., Павлов О.Н. Формирование неоднородных оксидных и субоксидных слоев на ультратонкой металлической пленке при многократном окислении и ионном распылении // Журнал технической физики. 2022. Т. 92. № 8. С. 1172–1178. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.08.52779.68-22

6. Martín-Concepción A.I., Yubero F., Espinós J.P., Tougaard S. Surface roughness and island formation effects in ARXPS quantification // Surface and Interface Analysis. 2004. V. 36. N 8. P. 788–792. https://doi.org/10.1002/sia.1765

7. Varsányi G., Rée K., Mink G., Mohai M. Consideration of two dimensional surface roughnesses in quantitative XPS analysis // Periodica Polytechnica Chemical Engineering. 1987. V. 31. N 1-2. P. 3–17.

8. Fadley C.S., Baird R.J., Siekhaus W., Novakov T., Bergström S.Å.L. Surface analysis and angular distributions in X-ray photoelectron spectroscopy // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 1974. V. 4. N 2. P. 93–137. https://doi.org/10.1016/0368-2048(74)90001-2

9. Zemek J. Electron spectroscopy of corrugated solid surfaces // Analytical Sciences. 2010. V. 26. N 2. P. 177–186. https://doi.org/10.2116/analsci.26.177

10. Kataev E., Wechsler D., Williams F.J., Köbl J., Tsud N., Franchi S., Steinrück H.-P., Lytken O. Probing the roughness of porphyrin thin films with X-ray photoelectron spectroscopy // ChemPhysChem. 2020. V. 21. N 20. P. 2293–2300. https://doi.org/10.1002/cphc.202000568

11. Mohai M. XPS MultiQuant: multimodel XPS quantification software // Surface and Interface Analysis. 2004. V. 36. N 8. P. 828–832. https://doi.org/10.1002/sia.1775

12. Mohai M. Calculation of layer thickness on rough surfaces by polyhedral model // Surface and Interface Analysis. 2008. V. 40. N 3–4. P. 710–713. https://doi.org/10.1002/sia.2751

13. Olejnik K., Zemek J., Werner W.S.M. Angular-resolved photoelectron spectroscopy of corrugated surfaces // Surface Science. 2005. V. 595. N 1–3. P. 212–222. https://doi.org/10.1016/j.susc.2005.08.014

14. Leprince-Wang Y., Yu-Zhang K. Study of the growth morphology of TiO2 thin films by AFM and TEM // Surface and Coatings Technology. 2001. V. 140. N 2. P. 155–160. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01029-5

15. Wu O.K.T., Peterson G.G., LaRocca W.J., Butler E.M. ESCA signal intensity dependence on surface area (roughness) // Applications of Surface Science. 1982. V. 11-12. P. 118–130. https://doi.org/10.1016/0378-5963(82)90058-7

16. Lubenchenko A.V., Ivanov D.A., Lubenchenko O.I., Ivanova I.V. Formation of inelastic scattered background photoelectrons, X-rayphotoelectron spectroscopy from multilayer inhomogeneous surface // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1370. N 1. P. 012049. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1370/1/012049

17. Lubenchenko A.V., Ivanov D.A., Lubenchenko O.I., Yachuk V.A., Pavlov O.N., Lashkov I.A., Lukyantsev D.S. Non-destructive chemical and phase layer profiling of multicomponent multilayer thin ultrathin films // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1370. N 1. P. 012048. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1370/1/012048