Оже спектроскопия (Оже-электронная спектроскопия) - метод диагностики элементного состава веществ, основанный на эффекте Оже

Исследуемое вещество подвергают действию излучения с высокой энергией квантов, либо электронного пучка с высокой энергией электронов. Для существенной вероятности эффекта Оже энергия квантов излучения или электронов пучка должна превышать 1 кэВ. Атом ионизуется, причем из-за высокой энергии ионизирующих частиц атом теряет не слабо связанный электрон с внешней оболочки, а один из электронов внутренней оболочки. Образовавшаяся вакансия E₁ через короткое время заменяется электроном с одного из вышестоящих энергетических уровней E₂, а разность энергии между уровнями может быть передана другому электрону с энергией связи E_с<(E₂-E₁), и тот уйдет из атома - произойдет ионизация.

Спектр Оже-электронов - дискретный, поскольку кинетическая энергия E_k вышедшего из атома электрона равна:

E_k=E₂-E₁-E_c

Уровни энергии атома - дискретные. Каждому атому соответствует свой набор дискретных значений E_k энергий Оже-электронов,  и по присутствию таких линий в Оже-спектре некоторого вещества можно сделать вывод о том, что в составе вещества есть атомы данного сорта.

Для регистрации энергетического спектра электронов применяют дисперсионные электростатические энергоанализаторы (с цилиндрическими или полусферическими электродами), которые обеспечивают высокое энергетическое разрешение E/E ~ 0,05%. Для детектирования электронов служат электронные умножители (в частности, каналтроны), имеющие высокую эффективность счета низкоэнергетических электронов при малом уровне фона. Оже-спектрометры дают возможность получать распределение электронов по энергии (то есть, собственно спектр) N(E) от энергии E, а также производную dN(E)/dE в завсимости от E.

По спектрам оже-электронов можно проводить качественный и количественный элементный анализ пробы. Для этого пользуются зависимостью dN(E)/dE в от E, которая обеспечивают более высокую чувствительность и точность анализа, чем зависимость N(E) от E (Рис. 1).

Кроме того, форма оже-пиков в спектре чувствительна к химическому состоянию атомов, что наиболее четко проявляется в случае переходов с участием электронов валентной зоны (Рис. 2).

Концентрацию элемента в пробе можно оценить по интенсивности его пика в оже-спектре. Для этого обычно применяют метод внешнего стандарта (эталона) или безэталонный метод. В первом случае интенсивность J_i пика i-го элемента в оже-спектре пробы сравнивают с интенсивностью J_эт,i соответствующего пика в оже-спектре стандартного образца или с интенсивностью J_эт,Ag пика оже-спектра чистого серебра. Концентрацию C_i i-гo элемента рассчитывают по формулам: C_i=J_i / J_эт,i  или C_i=J_i/(a_i-Ag J_эт,Ag) , где a_i-Ag - фактор элементной чувствительности. В безэталонном методе расчет ведут по формуле:

Здесь I_j-интенсивность пика j-го элемента в оже-спектре пробы. Суммирование ведется по всем j, не равным i. Погрешность анализа рассмотренными методами составляет 10-15%.

Традиционные области применения ОЭС - изучение процессов адсорбции и десорбции на поверхностях твердых тел, коррозии, явлений, происходящих при поверхностном гетерогенном катализе, контроль за чистотой поверхности в различных технологических процессах.

С появлением сканирующих оже-спектрометров ОЭС широо используется и в микроэлектронике, в том числе для выявления причин отказа различных элементов микросхем.

Оже-электронная спектроскопия дает нам информацию об элементном составе участка поверхности тела, размеры которого в первом приближении определяются размерами самого электронного зонда (пучка облучающих электронов). Перемещая электронный зонд по поверхности, можно получить данные о распределении элементов на ней в разных точках. В оже-спектрометрах первого поколения диаметр электронного пучка составлял десятые (в лучшем случае сотые) доли миллиметра. Поэтому и пространственное разрешение было того же порядка.

В настоящее время выпускаются так называемые сканирующие оже-спектрометры, в которых два прибора объединены вместе. Основой такого комплекса является сканирующий (растровый) электронный микроскоп (РЭМ), в котором электронный пучок очень малого диаметра (несколько нанометров) передвигается в двух перпендикулярных направлениях, засвечивая определенный участок поверхности (точно так же, как в обычной телевизионной трубке). Величина возникающего при этом тока вторичных электронов зависит от различных свойств поверхности. Таким образом, в каждый момент времени вторичные электроны несут информацию с участка, определяемого размерами электронного пучка. Визуализация картины осуществляется с помощью электронно-лучевой трубки (подобной телевизионной), в которой синхронно с электронным зондом движется свой электронный пучок. Если сигнал, пропорциональный току вторичных электронов, подать на модулирующий электрод электронной пушки трубки, то на экране мы увидим изображение поверхности в так называемом режиме вторичных электронов. Такой прибор позволяет получить картину, отражающую эмиссионные свойства. При этом сказать что-либо об элементном составе оказывается непростой задачей.

Если наряду с коллектором, служащим для сбора вторичных электронов, установить энергоанализатор, то получится прибор, на котором можно получать изображение поверхности не только во вторичных электронах, но и в оже-электронах. Для этого энергоанализатор необходимо настроить на энергию интересующих нас оже-электронов, а на экране мы увидим распределение соответствующего элемента на поверхности. Если мы хотим получить информацию о распределении всех примесей, надо поочередно настраиваться на другие энергии оже-электронов. На рис. 7 приведено упрощенное схематическое изображение такого комбайна.

Существенным отличием сканирующего оже-спектрометра от обычного РЭМа является конструкция вакуумной системы, позволяющая достигать давлений р < 10^-8 Па (в обычных РЭМах р ~ 10^-3 –10^-4 Па). Такой сверхвысокий вакуум необходим по той причине, что глубина выхода оже-электронов составляет (0,5–1) нм и любые загрязнения, в том числе и адсорбированные из остаточной атмосферы аналитической камеры частицы, приводят к сильному искажению результатов.

В промышленности для анализа веществ методом Оже-спектроскопии используется специальный прибор - оже-спектрометр. Он включает в себя источник ионизирующего излучения, камеру для размещения исследуемых образцов, энергоанализатор и детектор электронов. В качестве ионизирующего излучения используют электронные пучки с энергией от 3 до 10 кэВ, а в приборах с пространственным разрешением менее 0,1 мкм - с энергией выше 10 кэВ. Для измерения кинетической энергии электронов применяют дисперсионные электростатические энергоанализаторы. Для детектирования электронов служат электронные умножители.