JP2008020386A - Method and apparatus for analyzing chemical state by auger electron spectroscopy - Google Patents

Method and apparatus for analyzing chemical state by auger electron spectroscopy Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for analyzing samples in which different chemical states are mixed through the use of AES. <P>SOLUTION: FeO (II) and Fe<SB>2</SB>O<SB>3</SB>(III) are used as standard samples, and Fe<SB>3</SB>O<SB>4</SB>is used as a sample to be tested. The standard samples of FeO and Fe<SB>2</SB>O<SB>3</SB>are used to perform waveform separation operations on spectra from Fe<SB>3</SB>O<SB>4</SB>by fitting operations by the least square method. A convolution curve is a spectrum synthesized by multiplying each standard sample of FeO and Fe<SB>2</SB>O<SB>3</SB>with a coefficient employed when the best fitting results are derived. On the basis of the coefficients of FeO and Fe<SB>2</SB>O<SB>3</SB>at this time, it is possible to determine an abundance radio between divalent and trivalent iron atoms in Fe<SB>3</SB>O<SB>4</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、オージェ電子分光装置(AES)を用いて試料の極表面の微小領域分析を行う技術に関わり、特にAESを用いて化学状態分析を行う技術に関する。   The present invention relates to a technique for analyzing a very small area on the extreme surface of a sample using an Auger electron spectrometer (AES), and more particularly to a technique for analyzing a chemical state using AES.

例えば、鉄(以下「Fe」と元素記号で記すことが有る)は、建築物の構造材や自動車の車体をはじめとして広く使われている金属材料であるが、環境によって錆を生じやすいという欠点も持っている。そのため、鉄を含む試料表面に生じる鉄の酸化物や水酸化物等(錆の成分)の化学状態分析は重要である。   For example, iron (hereinafter sometimes referred to as the element symbol “Fe”) is a metal material that is widely used for structural materials of buildings and automobile bodies, but it is prone to rust depending on the environment. Also have. Therefore, it is important to analyze the chemical state of iron oxides and hydroxides (rust components) generated on the surface of the sample containing iron.

試料表面の腐食原因調査や材料開発に使われる代表的な分析装置として、電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)、X線光電子分光装置(XPS)、AESがある。これらの装置を化学状態分析の視点から比較すると、以下の特徴がある。   Typical analyzers used for investigating the cause of corrosion on the sample surface and developing materials include an electron probe microanalyzer (EPMA), an X-ray photoelectron spectrometer (XPS), and AES. When these apparatuses are compared from the viewpoint of chemical state analysis, they have the following characteristics.

EPMAは試料に電子線を照射して発生する特性X線を検出して分析を行う装置である。試料中に入射した電子が拡散する領域で発生する特性X線を分析に用いるため、最小分析領域(空間分解能)は水平方向、深さ方向ともに、0.数μmから数μm程度である。鉄等の遷移金属の元素分析には通常Kα線を利用するが、化学状態分析を行う場合は、Lα、Lβ線の特性X線の波形変化やピークシフトを利用する。L系列の特性X線の発生効率はそれほどよくないが、化学状態分析には適している(例えば、特許文献1の特開昭63−205550号公報を参照)。   EPMA is an apparatus that detects and analyzes characteristic X-rays generated by irradiating a sample with an electron beam. Since the characteristic X-rays generated in the region where the electrons incident on the sample diffuse are used for the analysis, the minimum analysis region (spatial resolution) is 0. 0 in both the horizontal and depth directions. It is about several μm to several μm. For elemental analysis of transition metals such as iron, Kα rays are usually used. However, when chemical state analysis is performed, characteristic X-ray waveform changes and peak shifts of Lα and Lβ rays are used. Although the generation efficiency of L-series characteristic X-rays is not so good, it is suitable for chemical state analysis (see, for example, JP-A-63-205550 of Patent Document 1).

XPSは軟X線を試料表面に照射し、発生する光電子の運動エネルギーを測定することにより、電子軌道のエネルギー準位を直接知ることができる。そのため、一般的にはEPMA、XPS、AESの中で化学状態を分析するのに最も適した分析装置である。しかし、XPSの分析領域は、深さ方向こそ数nm程度と極表面であるが、水平方向に関しては通常数100μmから数mmであり、マイクロXPSと呼ばれる装置でも数10μm程度の拡がりを持っている。   XPS can directly know the energy level of the electron orbit by irradiating the sample surface with soft X-rays and measuring the kinetic energy of the generated photoelectrons. Therefore, it is generally the most suitable analyzer for analyzing the chemical state among EPMA, XPS, and AES. However, the analysis area of XPS is about several nanometers in the depth direction, but it is usually several hundred μm to several mm in the horizontal direction, and an apparatus called micro XPS has a spread of several tens of μm. .

AESは、EPMAと同様に細く絞った電子線を試料に照射するが、発生するオージェ電子を分析に用いるため、深さ方向はXPSと同様に数nm、水平方向はサブミクロン領域という極めて微小な領域の分析が可能である。この理由は、EPMAにおける特性X線とは異なり、試料に入射した電子線の入射位置の極近傍で発生したオージェ電子のみが分析に寄与できるためである。特性X線とオージェ電子は、原子の内殻の電子軌道に生じた空孔を埋めるために、より外殻の軌道電子が遷移するときに生じる余剰エネルギーが元になって発生するという点で共通性を有する。実際、より外殻の軌道電子の遷移確率は、特性X線の発生確率(蛍光収率)とオージェ電子の発生確率を加えたものに等しい。そのため、オージェ電子を用いた化学状態分析においても、特性X線の場合と同様に、より外殻の軌道電子が関与するオージェ電子ほど、一般的に化学状態に依存して波形やピークシフトが大きく変化する。AESを用いた化学状態分析の例として、例えば特許文献2の特開平7−294464号公報には、オージェ電子スペクトルにおいて、二つのピークの強度比が化学状態によって変化することに着目して分析を行う技術が開示されている。   AES irradiates a sample with a finely focused electron beam, similar to EPMA, but because the generated Auger electrons are used for analysis, the depth direction is several nanometers as in XPS, and the horizontal direction is a submicron region. Domain analysis is possible. This is because, unlike characteristic X-rays in EPMA, only Auger electrons generated in the vicinity of the incident position of the electron beam incident on the sample can contribute to the analysis. Characteristic X-rays and Auger electrons are common in that they are generated based on the surplus energy generated when the outer shell orbital electrons transition to fill the vacancies generated in the electron inner orbitals of the atoms. Have sex. In fact, the transition probability of the outer shell orbital electrons is equal to the addition probability of the characteristic X-rays (fluorescence yield) and the probability of the Auger electrons. Therefore, in the chemical state analysis using Auger electrons, as in the case of characteristic X-rays, the Auger electrons that involve more outer orbital electrons generally have larger waveforms and peak shifts depending on the chemical state. Change. As an example of chemical state analysis using AES, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-294464 of Patent Document 2 focuses on the fact that the intensity ratio of two peaks varies depending on the chemical state in the Auger electron spectrum. Techniques to do are disclosed.

また、例えばチタン(以下「Ti」と元素記号で記すことが有る)系の材料は硬く、Feよりも軽量であるために、超硬バイトからメガネのフレームにまで多種・多様に用いられている。その中でも、TiCN(「C」は炭素、「N」は窒素の元素記号)化合物は超硬バイトなどに用いられる代表的化合物である。TiCN化合物は決まった組成比を持つのではなく、Ti,C,Nの組成比は連続的な値を持つことができる。その材料特性を調べるためには、定量分析が非常に重要であるが、特性X線を用いる分析装置ではNとTiのピークが重なるため、特にNの定量が非常に困難である。定量精度が高いEPMAでもN−Kα線とTi−Ll線が重なるため、Ti−Kα線の強度から、重なっていると考えられるTi−Ll線の強度を推定して差し引くことでNの定量を行っている(例えば特許文献3の特開平1−115045号公報を参照)。   In addition, for example, titanium (hereinafter sometimes referred to as “Ti” and element symbols) materials are hard and lighter than Fe, so they are used in a wide variety of applications from carbide tools to glasses frames. . Among them, TiCN (“C” is carbon and “N” is an element symbol of nitrogen) is a typical compound used for cemented carbide tools and the like. The TiCN compound does not have a fixed composition ratio, but the composition ratio of Ti, C, and N can have a continuous value. Quantitative analysis is very important for investigating the material characteristics. However, in an analyzer using characteristic X-rays, N and Ti peaks overlap, so it is particularly difficult to quantify N. N-Kα line and Ti-Ll line overlap even in EPMA with high quantification accuracy. Therefore, N intensity can be determined by estimating and subtracting the intensity of Ti-Ll line considered to be overlapping from the intensity of Ti-Kα line. (See, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-115045 of Patent Document 3).

特開昭63−205550号公報JP-A 63-205550 特開平7−294464号公報JP 7-294464 A 特開平1−115045号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1-115045 A. G. Sault: Appl. Surf. Sci 74, p249(1994)A. G. Sault: Appl. Surf. Sci 74, p249 (1994)

試料表面の化学状態分析を行う場合、EPMAを用いると、いくら電子線を細く絞っても特性X線の拡散領域が広いため、サブミクロン以下の空間分解能を得ることは困難である。   When analyzing the chemical state of the sample surface, using EPMA makes it difficult to obtain a spatial resolution of submicron or less because the diffusion region of characteristic X-rays is wide no matter how narrow the electron beam is.

XPSを用いる場合、水平方向の空間分解能は数10μm程度が限界であるので、それよりも広い領域で化学状態が均一な試料の場合でしか意味の有る分析ができない。また、特に鉄酸化物については、FeOとFe(「O」は酸素の元素記号)からの光電子スペクトルのピーク波形は、殆ど区別がつかないため鉄の化学状態分析には事実上使えないという問題も有る。 When XPS is used, the spatial resolution in the horizontal direction is limited to about several tens of μm. Therefore, meaningful analysis can be performed only in the case of a sample having a uniform chemical state in a wider area. In particular, for iron oxides, the peak waveform of the photoelectron spectrum from FeO and Fe 2 O 3 (“O” is the element symbol of oxygen) is almost indistinguishable, so it can be used practically for chemical state analysis of iron. There is also a problem of not.

AESを用いる場合は、EPMAやXPSと比較して最も空間分解能の高い化学状態分析が期待できる。しかし、例えば鉄の化学状態分析を行う場合、Fe−MVVピーク(オージェ電子エネルギーが50eV付近)のピーク形状を使って分析しようとしても、他の共存元素も同じエネルギー位置付近にピークを持つためピーク同士がオーバーラップし易く、他の元素が混在するときは使用できない。また、化学状態の変化によるオージェスペクトルの変化は一般に数eV程度と小さいので、どのオージェスペクトルを用いれば分析対象元素の化学状態分析が可能かを判断することは容易ではない。   When AES is used, chemical state analysis with the highest spatial resolution can be expected as compared with EPMA and XPS. However, for example, when analyzing the chemical state of iron, even if trying to analyze using the peak shape of the Fe-MVV peak (Auger electron energy is around 50 eV), other coexisting elements have peaks near the same energy position. They tend to overlap each other and cannot be used when other elements are mixed. In addition, since the change of the Auger spectrum due to the change of the chemical state is generally as small as several eV, it is not easy to determine which Auger spectrum can be used to analyze the chemical state of the element to be analyzed.

また、AESでTiCN化合物を分析する場合、特性X線を使用する場合と同様に、Ti−LMMオージェスペクトルとN−KLLオージェスペクトルがオーバーラップするという問題がある。AESで一般的に行われている相対感度因子を用いる定量方法ではその精度が低いため、EPMAで行われているようなTiのオーバーラップ分を差し引く方法を採ることでこの問題を解決することも難しい。   Further, when a TiCN compound is analyzed by AES, there is a problem that the Ti-LMM Auger spectrum and the N-KLL Auger spectrum overlap as in the case of using characteristic X-rays. Since the accuracy of the quantification method using the relative sensitivity factor generally used in AES is low, this problem can be solved by adopting a method of subtracting the Ti overlap as in EPMA. difficult.

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、AESを用いて異なる化学状態の混在する試料を分析する方法を提供することである。また、本発明の他の目的は、AESを用いて異なる化学状態にある鉄の存在比率を求めて鉄の酸化状態を正しく分析できる方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、AESを用いて異なる化学状態にあるチタンの存在比率を求めてチタンと炭素と窒素の化合物の組成分析を行う方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method for analyzing a sample having different chemical states using AES. Another object of the present invention is to provide a method capable of correctly analyzing the oxidation state of iron by determining the abundance ratio of iron in different chemical states using AES. Another object of the present invention is to provide a method for determining the abundance ratio of titanium in different chemical states using AES and analyzing the composition of a compound of titanium, carbon and nitrogen.

上記の問題を解決するために、本発明は、
細く絞った電子線を試料表面に照射して試料の極表面分析を行うオージェ電子分光装置による化学状態分析法であって、
化学状態が異なる分析対象元素を含む複数の標準試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得するステップと、
被験試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得するステップと、
前記標準試料からのスペクトルに各々の係数を乗じたものの加算スペクトルと前記被験試料からのスペクトルとの残差が最小を与えるときの前記係数を求める波形分離計算を行うステップとを備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention provides:
A chemical state analysis method using an Auger electron spectrometer that performs ultra-surface analysis of a sample by irradiating the sample surface with a finely focused electron beam,
Obtaining an Auger spectrum of the analysis element from a plurality of standard samples containing the analysis element having different chemical states;
Obtaining an Auger spectrum of the analysis target element from a test sample;
Performing waveform separation calculation for obtaining the coefficient when the residual between the spectrum obtained from the standard sample multiplied by each coefficient and the spectrum from the test sample gives the minimum. And

また本発明は、前記被験試料が前記分析対象元素として鉄を含むとき、Fe、FeO、Fe、Feのうちの少なくとも2種類の標準試料からのFe-LMMオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのFe-LMMオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記被験試料に含まれる鉄の化学状態毎の存在比率を求めることを特徴とする。 The present invention also uses an Fe-LMM Auger spectrum from at least two standard samples of Fe, FeO, Fe 2 O 3 , and Fe 3 O 4 when the test sample contains iron as the element to be analyzed. The waveform separation calculation is performed on the Fe-LMM Auger spectrum from the test sample, and the abundance ratio for each chemical state of iron contained in the test sample is obtained based on the obtained coefficient. To do.

また本発明は、前記被験試料がチタンと窒素を同時に含み、チタン又は窒素が前記分析対象元素であるとき、チタン又は窒素の何れか又は両方を含む化合物の複数の標準試料から得られたTi−LMMオージェスペクトル、N−KLLオージェスペクトル、又はTi−LMMとN−KLLとが重畳したオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのTi−LMMとN−KLLとが重畳したオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記被験試料に含まれるチタン又は窒素の何れか又は両方を含む化合物の化学状態毎の存在比率を求めることを特徴とする。   In the present invention, when the test sample contains titanium and nitrogen simultaneously, and titanium or nitrogen is the element to be analyzed, Ti— obtained from a plurality of standard samples of a compound containing either or both of titanium and nitrogen. Using an LMM Auger spectrum, an N-KLL Auger spectrum, or an Auger spectrum in which Ti-LMM and N-KLL are superimposed, the Auger spectrum in which Ti-LMM and N-KLL from the test sample are superimposed Waveform separation calculation is performed, and the abundance ratio for each chemical state of a compound containing either or both of titanium and nitrogen contained in the test sample is obtained based on the obtained coefficient.

また本発明は、前記被験試料が前記分析対象元素としてチタンを含み、炭素と窒素と酸素のうちの少なくともひとつの元素とチタンとの化合物であるとき、金属チタンと炭化チタンと窒化チタンと酸化チタンのうちの少なくとも2種類の標準試料からのTi−LMMオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのTi−LMMオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記被験試料に含まれるチタンの化学状態毎の存在比率を求めることを特徴とする請求項3に記載の化学状態分析法。   In the present invention, when the test sample contains titanium as the element to be analyzed and is a compound of at least one element of carbon, nitrogen, and oxygen and titanium, titanium metal, titanium carbide, titanium nitride, and titanium oxide. Using the Ti-LMM Auger spectrum from at least two kinds of standard samples, the waveform separation calculation is performed on the Ti-LMM Auger spectrum from the test sample, and the test is performed based on the obtained coefficient. The chemical state analysis method according to claim 3, wherein an abundance ratio for each chemical state of titanium contained in the sample is obtained.

また本発明は、前記被験試料の前記分析対象元素が窒素であり、チタンを含む化合物からなる下地と、前記下地上に形成されたチタン以外の元素の窒素化合物からなる薄膜とからなり、前記薄膜の厚さがオージェ電子分光の実効分析深さより薄いとき、
前記チタン以外の元素の窒素化合物のみからなる試料からのN−KLLオージェスペクトル及び金属チタンと炭化チタンと窒化チタンと酸化チタンのうちの少なくとも2種類の標準試料からのTi−LMMオージェスペクトル、又はN−KLLとTi−LMMが重畳したオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのN−KLLとTi−LMMの重畳したオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記下地と前記薄膜に含まれる窒素の存在比率を求めることを特徴とする。
Further, the present invention is a method in which the analysis target element of the test sample is nitrogen, and includes a base made of a compound containing titanium, and a thin film made of a nitrogen compound of an element other than titanium formed on the base. Is less than the effective analysis depth of Auger electron spectroscopy,
N-KLL Auger spectrum from a sample consisting only of a nitrogen compound of an element other than titanium and Ti-LMM Auger spectrum from at least two kinds of standard samples of metal titanium, titanium carbide, titanium nitride and titanium oxide, or N Using the Auger spectrum in which -KLL and Ti-LMM are superimposed, the waveform separation calculation is performed on the Auger spectrum in which N-KLL and Ti-LMM are superimposed from the test sample, and based on the obtained coefficient An abundance ratio of nitrogen contained in the base and the thin film is obtained.

また本発明は、前記波形分離計算を行うために、前記標準試料からのスペクトル及び被験試料からのスペクトルのバックグランドを除去するバックグランド除去手段を備え、前記バックグランド除去方法は、前記標準試料からのスペクトル及び被験試料からのスペクトルとして微分スペクトルを用いることを特徴とする。   The present invention further comprises background removal means for removing a spectrum background from the standard sample and a spectrum from the test sample in order to perform the waveform separation calculation, and the background removal method includes: The differential spectrum is used as the spectrum of the above and the spectrum from the test sample.

また本発明は、前記オージェ電子分光装置に備えられた電子エネルギーアナライザにより前記標準スペクトル及び被験試料からのスペクトルを測定するとき、
試料から発生したオージェ電子のエネルギーと前記電子エネルギーアナライザに入射する時のエネルギーに対する減速比を一定にして前記試料から発生したオージェ電子のエネルギーを測定する方法におけるエネルギー分解能が0.35%以上の電子エネルギーアナライザを用いることを特徴とする。
In the present invention, when measuring the standard spectrum and the spectrum from the test sample by the electron energy analyzer provided in the Auger electron spectrometer,
Electrons having an energy resolution of 0.35% or more in the method of measuring the energy of Auger electrons generated from the sample with a constant reduction ratio with respect to the energy of Auger electrons generated from the sample and the energy when incident on the electron energy analyzer. An energy analyzer is used.

また本発明は、細く絞った電子線を試料表面に照射して試料の極表面分析を行うオージェ電子分光装置であって、
化学状態が異なる分析対象元素を含む少なくとも2種類の標準試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得する手段と、
被験試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得する手段と、
前記標準試料からのスペクトルに各々の係数を乗じたものの加算スペクトルと前記被験試料からのスペクトルとの残差が最小を与えるときの前記係数を求める波形分離計算手段とを備えたことを特徴とする。
Further, the present invention is an Auger electron spectrometer for performing an extreme surface analysis of a sample by irradiating a finely focused electron beam onto the sample surface,
Means for obtaining an Auger spectrum of the analysis element from at least two kinds of standard samples containing the analysis element having different chemical states;
Means for obtaining an Auger spectrum of the analysis target element from a test sample;
Waveform separation calculation means for obtaining the coefficient when a residual between a spectrum obtained from the standard sample multiplied by each coefficient and a spectrum from the test sample gives a minimum is provided. .

本発明によれば、細く絞った電子線を試料表面に照射して試料の極表面分析を行うオージェ電子分光装置による化学状態分析法であって、
化学状態が異なる分析対象元素を含む複数の標準試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得するステップと、
被験試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得するステップと、
前記標準試料からのスペクトルに各々の係数を乗じたものの加算スペクトルと前記被験試料からのスペクトルとの残差が最小を与えるときの前記係数を求める波形分離計算を行うステップとを備えたので、
分析対象元素の化学状態が混在していても、その化学状態毎の割合を知ることができる。
According to the present invention, there is provided a chemical state analysis method by an Auger electron spectroscopic device for performing an extreme surface analysis of a sample by irradiating the sample surface with a finely focused electron beam,
Obtaining an Auger spectrum of the analysis element from a plurality of standard samples containing the analysis element having different chemical states;
Obtaining an Auger spectrum of the analysis target element from a test sample;
Performing a waveform separation calculation to obtain the coefficient when the residual between the spectrum obtained from the standard sample multiplied by each coefficient and the spectrum from the test sample gives the minimum,
Even if the chemical states of the elements to be analyzed are mixed, the ratio for each chemical state can be known.

また本発明によれば、前記被験試料が前記分析対象元素として鉄を含むとき、Fe、FeO、Fe、Feのうちの少なくとも2種類の標準試料からのFe-LMMオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのFe-LMMオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記被験試料に含まれる鉄の化学状態毎の存在比率を求めるようにしたので、
鉄の化学状態が混在していても、その化学状態毎の割合を知ることができる。
According to the invention, when the test sample contains iron as the element to be analyzed, an Fe-LMM Auger spectrum from at least two kinds of standard samples of Fe, FeO, Fe 2 O 3 , and Fe 3 O 4 is used. The waveform separation calculation is performed on the Fe-LMM Auger spectrum from the test sample, and the abundance ratio for each chemical state of iron contained in the test sample is obtained based on the obtained coefficient. So
Even if the chemical state of iron is mixed, the ratio for each chemical state can be known.

また本発明によれば、前記被験試料がチタンと窒素を同時に含み、チタン又は窒素が前記分析対象元素であるとき、チタン又は窒素の何れか又は両方を含む化合物の複数の標準試料から得られたTi−LMMオージェスペクトル、N−KLLオージェスペクトル、又はTi−LMMとN−KLLとが重畳したオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのTi−LMMとN−KLLとが重畳したオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記被験試料に含まれるチタン又は窒素の何れか又は両方を含む化合物の化学状態毎の存在比率を求めるようにしたので、
前記被験試料がチタンと窒素を同時に含むためチタンと窒素のオージェスペクトルが重なるという問題解決して、チタン化合物と窒素化合物の化学状態へと波形分離が可能となり、化学状態毎の存在比率を求めることができる。さらに求められた化学状態毎の存在比率から、前記被験試料に含まれる元素毎の定量値を知ることができる。
Further, according to the present invention, when the test sample contains titanium and nitrogen at the same time, and titanium or nitrogen is the element to be analyzed, it was obtained from a plurality of standard samples of a compound containing either or both of titanium and nitrogen. Using a Ti-LMM Auger spectrum, N-KLL Auger spectrum, or an Auger spectrum in which Ti-LMM and N-KLL are superimposed, an Auger spectrum in which Ti-LMM and N-KLL from the test sample are superimposed The waveform separation calculation was performed, and the abundance ratio for each chemical state of the compound containing either or both of titanium and nitrogen contained in the test sample was determined based on the obtained coefficient.
To solve the problem that the Auger spectrum of titanium and nitrogen overlap because the test sample contains titanium and nitrogen simultaneously, waveform separation into the chemical state of the titanium compound and nitrogen compound is possible, and the abundance ratio for each chemical state is obtained. Can do. Furthermore, the quantitative value for each element contained in the test sample can be known from the obtained existence ratio for each chemical state.

また本発明によれば、前記被験試料が前記分析対象元素としてチタンを含み、炭素と窒素と酸素のうちの少なくともひとつの元素とチタンとの化合物であるとき、金属チタンと炭化チタンと窒化チタンと酸化チタンのうちの少なくとも2種類の標準試料からのTi−LMMオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのTi−LMMオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記被験試料に含まれるチタンの化学状態毎の存在比率を求めるようにしたので、
チタンの化学状態が混在していても、異なる化学状態にあるチタン毎の割合を知ることができる。
According to the invention, when the test sample contains titanium as the element to be analyzed and is a compound of at least one element of carbon, nitrogen, and oxygen and titanium, metal titanium, titanium carbide, and titanium nitride; Using the Ti-LMM Auger spectrum from at least two standard samples of titanium oxide, the waveform separation calculation is performed on the Ti-LMM Auger spectrum from the test sample, and based on the obtained coefficient Since the existence ratio for each chemical state of titanium contained in the test sample was determined,
Even if the chemical states of titanium are mixed, the ratio of each titanium in different chemical states can be known.

また本発明によれば、前記被験試料の前記分析対象元素が窒素であり、チタンを含む化合物からなる下地と、前記下地上に形成されたチタン以外の元素の窒素化合物からなる薄膜とからなり、前記薄膜の厚さがオージェ電子分光の実効分析深さより薄いとき、
前記チタン以外の元素の窒素化合物のみからなる試料からのN−KLLオージェスペクトル及び金属チタンと炭化チタンと窒化チタンと酸化チタンのうちの少なくとも2種類の標準試料からのTi−LMMオージェスペクトル、又はN−KLLとTi−LMMが重畳したオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのN−KLLとTi−LMMの重畳したオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記下地と前記薄膜に含まれる窒素の存在比率を求めるようにしたので、
従来は極表面のみの分析が行えるオージェ電子分光分析によっても困難とされてきた、チタンと窒素を含む下地上に形成された1〜2nm程度の極薄い窒化物層のみの分析を行うことができる。
According to the present invention, the element to be analyzed of the test sample is nitrogen, and comprises a base made of a compound containing titanium, and a thin film made of a nitrogen compound of an element other than titanium formed on the base, When the thickness of the thin film is thinner than the effective analysis depth of Auger electron spectroscopy,
N-KLL Auger spectrum from a sample consisting only of a nitrogen compound of an element other than titanium and Ti-LMM Auger spectrum from at least two kinds of standard samples of metal titanium, titanium carbide, titanium nitride and titanium oxide, or N Using the Auger spectrum in which -KLL and Ti-LMM are superimposed, the waveform separation calculation is performed on the Auger spectrum in which N-KLL and Ti-LMM are superimposed from the test sample, and based on the obtained coefficient Since the ratio of nitrogen contained in the base and the thin film was determined,
Conventionally, analysis of only an extremely thin nitride layer of about 1 to 2 nm formed on an underlayer containing titanium and nitrogen, which has been difficult even by Auger electron spectroscopy that can analyze only the extreme surface, is possible. .

また本発明によれば、前記波形分離を行うために、前記標準試料からのスペクトル及び被験試料からのスペクトルのバックグランドを除去するバックグランド除去手段を備え、前記バックグランド除去方法は、前記標準試料からのスペクトル及び被験試料からのスペクトルとして微分スペクトルを用いるようにしたので、
試料毎に異なるバックグランドを一定の方法で除去した後のスペクトルを用いて前記波形分離計算を行うことができる。
In addition, according to the present invention, in order to perform the waveform separation, a background removal unit that removes a spectrum background from the standard sample and a spectrum from the test sample is provided, and the background removal method includes the standard sample. Since the differential spectrum was used as the spectrum from and the spectrum from the test sample,
The waveform separation calculation can be performed using a spectrum after removing a different background for each sample by a certain method.

また本発明によれば、前記オージェ電子分光装置に備えられた電子エネルギーアナライザにより前記標準スペクトル及び被験試料からのスペクトルを測定するとき、試料から発生したオージェ電子のエネルギーと前記電子エネルギーアナライザに入射する時のエネルギーに対する減速比を一定にして前記試料から発生したオージェ電子のエネルギーを測定する方法におけるエネルギー分解能が0.35%以上の電子エネルギーアナライザを用いるようにしたので、
Fe-LMMオージェスペクトルを用いた鉄の化学状態分析と、Ti−LMMオージェスペクトルを用いたチタンの化学状態分析を正しく行うことができる。
According to the present invention, when the standard spectrum and the spectrum from the test sample are measured by the electron energy analyzer provided in the Auger electron spectrometer, the energy of Auger electrons generated from the sample and the electron energy analyzer are incident on the electron energy analyzer. Since the energy resolution in the method of measuring the energy of Auger electrons generated from the sample with a constant reduction ratio with respect to the time energy is 0.35% or more,
The chemical state analysis of iron using the Fe-LMM Auger spectrum and the chemical state analysis of titanium using the Ti-LMM Auger spectrum can be performed correctly.

また本発明によれば、細く絞った電子線を試料表面に照射して試料の極表面分析を行うオージェ電子分光装置であって、
化学状態が異なる分析対象元素を含む少なくとも2種類の標準試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得する手段と、
被験試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得する手段と、
前記標準試料からのスペクトルに各々の係数を乗じたものの加算スペクトルと前記被験試料からのスペクトルとの残差が最小を与えるときの前記係数を求める波形分離計算手段とを備えたので、
分析対象元素の化学状態が混在していても、その化学状態毎の割合を分析より求めることのできるオージェ電子分光装置を提供することができる。
Further, according to the present invention, there is provided an Auger electron spectroscopic apparatus for performing an extreme surface analysis of a sample by irradiating the sample surface with a finely focused electron beam,
Means for obtaining an Auger spectrum of the analysis element from at least two kinds of standard samples containing the analysis element having different chemical states;
Means for obtaining an Auger spectrum of the analysis target element from a test sample;
Since the waveform separation calculation means for obtaining the coefficient when the residual between the addition spectrum of the spectrum from the standard sample multiplied by each coefficient and the spectrum from the test sample gives the minimum,
Even if the chemical states of the elements to be analyzed are mixed, an Auger electron spectrometer capable of obtaining the ratio for each chemical state by analysis can be provided.

以下図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。但し、この例示によって本発明の技術範囲が制限されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited by this illustration.

なお、以下の説明に使用するオージェピークは全て微分スペクトルである。この理由は、オージェ電子ピークは大きなバックグランドの上にのっているため波形分離計算を行う場合に、バックグランドの影響を受けないようにするためである。波形分離計算に用いるスペクトルのバックグランドの除去方法としては、スペクトルを微分することで低周波成分を除去する方法、理論的にバックグランドカーブを求めて差し引く方法、分析者がスプラインカーブを引いて差し引く方法等がある。理論的方法は特定の試料にのみ適用可能であり、スプライン方法は分析者の判断に依存するという問題があるので、本発明ではスペクトルを微分する方法を用いている。しかし、条件によっては他の方法も使用可能であり、必ずしも微分スペクトルの方法が必須というわけではない。   Note that all Auger peaks used in the following description are differential spectra. This is because the Auger electron peak is on a large background so that it is not affected by the background when performing waveform separation calculation. The spectrum background removal method used for waveform separation calculation includes the method of removing low frequency components by differentiating the spectrum, the method of theoretically obtaining and subtracting the background curve, and the analyst drawing and subtracting the spline curve. There are methods. Since the theoretical method can be applied only to a specific sample and the spline method depends on the judgment of the analyst, the present invention uses a method of differentiating the spectrum. However, other methods can be used depending on conditions, and the method of differential spectrum is not necessarily essential.

ここで、以下に説明する分析に用いる波形分離計算の方法について説明する。但し、波形分離計算に用いる標準試料及び被験試料からのオージェスペクトルは全て同一条件で測定されたデータ(若しくは同一条件に規格化されたデータ)とする。計算手法自体はスペクトルの最小二乗法フィッティングを行っており、以下の行列式を解くことを目的としている。   Here, a waveform separation calculation method used for the analysis described below will be described. However, the Auger spectra from the standard sample and test sample used for waveform separation calculation are all data measured under the same conditions (or data normalized to the same conditions). The calculation method itself performs the least-squares fitting of the spectrum, and aims to solve the following determinant.

Figure 2008020386
…(1)
波形分離に用いるスペクトルのエネルギー幅をn点で分割する。式(1)の左辺が被験試料からのスペクトルのy成分(オージェ電子強度)であり、右辺はそれに相当する標準試料スペクトル(S1〜Sm)のy成分の集合行列である。ここで示すa1,a2,…,aが各標準スペクトルの係数であり、bが定数ベクトルである。この左辺から右辺を引いたものが残差Σであり、式(2)に示すように、この残差が最小になる係数aと定数bを計算する。
Figure 2008020386
... (1)
The energy width of the spectrum used for waveform separation is divided at n points. The left side of equation (1) is the y component (Auger electron intensity) of the spectrum from the test sample, and the right side is the set matrix of the y components of the standard sample spectrum (S1 to Sm) corresponding thereto. A 1, a 2 indicated here, ... is a m is the coefficient of each standard spectrum, b is a constant vector. Subtracting the right side from the left side is a residual Σ, and a coefficient a and a constant b that minimize this residual are calculated as shown in Equation (2).

Figure 2008020386
…(2)
残差Σは、必ず正の値となることが明らかなので、この式をa1,a2,…,aで偏微分し、その偏微分した値が0となる点が最小の残差である。よって、次式を満たすように方程式の解を求めれば、各標準試料からのスペクトルの係数aと定数bが求まる。
Figure 2008020386
... (2)
Since it is clear that the residual Σ 2 is always a positive value, this equation is partially differentiated by a 1 , a 2 ,..., A m and the point where the partial differentiated value becomes 0 is the smallest residual. It is. Therefore, if the solution of the equation is obtained so as to satisfy the following equation, the coefficient a and the constant b of the spectrum from each standard sample can be obtained.

Figure 2008020386
…(3)
これらの偏微分方程式を解いて、a1,a2,…,aの各標準スペクトルの係数と定数bを求めることができる。ただし、条件としてa1,a2,…,aはすべて正の数であるという条件を付加して解を求める。以上のようにして、最小二乗法によるピーク分離を行う。
このようにして求められた各標準スペクトルの係数a1,a2,…,aは、被験試料における化学状態毎の存在比率に相当する。なお、実際に波形分離計算を行う際は、ピークシフト等を考慮して非負拘束条件付の最小二乗法を用いることが望ましい。
Figure 2008020386
... (3)
Solve these PDEs, a 1, a 2, ... , it is possible to find coefficients and constant b of each standard spectrum of a m. However, as a condition, a solution is obtained by adding a condition that a 1 , a 2 ,..., Am are all positive numbers. As described above, peak separation is performed by the method of least squares.
Coefficient a 1 of each standard spectrum determined in this way, a 2, ..., a m corresponds to the existence ratio of each chemical state in a test sample. When actually performing the waveform separation calculation, it is desirable to use a least square method with a non-negative constraint condition in consideration of a peak shift or the like.

(実施の形態1)
はじめに、Fe−LMMオージェスペクトルを使って、鉄の酸化状態を評価する方法について検討した結果を説明する。図1と図2は、FeO,Fe,Feの標準試料について、それぞれエネルギー分解能が0.5%と0.1%の電子エネルギーアナライザにより測定したFe−LMMオージェスペクトルを示している。ここで、上記エネルギー分解能の定義は、電子エネルギーアナライザへの入射スリットを通過する電子のパスエネルギーをE、検出される電子のエネルギー幅をΔEとしたときのΔE/Eである。なお、パスエネルギーEは、試料から発生したオージェ電子のエネルギーEoとパスエネルギーEに対する減速比Eo/Eを一定にしてオージェ電子のエネルギーを測定するモード(CRR:Constant Retarding Ratio)によって決められる値である。
(Embodiment 1)
First, the result of examining the method for evaluating the oxidation state of iron using the Fe-LMM Auger spectrum will be described. FIG. 1 and FIG. 2 show Fe-LMM Auger spectra measured with an electron energy analyzer with energy resolutions of 0.5% and 0.1% for standard samples of FeO, Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 , respectively. ing. Here, the definition of the energy resolution is ΔE / E where E is the path energy of electrons passing through the entrance slit to the electron energy analyzer, and ΔE is the energy width of the detected electrons. The path energy E is a value determined by a mode (CRR: Constant Retarding Ratio) in which the energy of the Auger electrons generated from the sample and the reduction ratio Eo / E with respect to the path energy E are kept constant. is there.

図1は、エネルギー分解能ΔE/E=0.5%で測定されたFe-LMMスペクトルである。大きな3つのオージェピークを含むFe−LMMスペクトルの形状は殆ど変化せず、鉄の酸化状態を判別することは不可能である。非特許文献1の論文の中でSaultは、Fe−LMMのオージェスペクトルによって鉄の酸化状態を判別することは困難であると述べているが、Saultの使用したAESの電子エネルギーアナライザの分解能はΔE/E=0.6%であった。一方、図2は、より高エネルギー分解能ΔE/E=0.1%で測定したFe-LMMスペクトルである。全体としてピークがシャープになっているが、L2,32,32,3とL2,32,34,5のピークが同じ強度で重なっているにも関わらず、L2,34,54,5のピーク強度はFeO,Fe,Fe毎に異なっていることが分かる。これは、明らかに鉄の酸化状態の違いによる変化であり、実用的にもFe−LMMスペクトルのみから鉄の化学状態が評価できる可能性を示している。 FIG. 1 is an Fe-LMM spectrum measured with an energy resolution ΔE / E = 0.5%. The shape of the Fe-LMM spectrum including three large Auger peaks hardly changes, and it is impossible to determine the oxidation state of iron. In the paper of Non-Patent Document 1, Saul states that it is difficult to determine the oxidation state of iron by the Auger spectrum of Fe-LMM, but the resolution of the AES electronic energy analyzer used by Saul is ΔE. /E=0.6%. On the other hand, FIG. 2 is a Fe-LMM spectrum measured with higher energy resolution ΔE / E = 0.1%. The peak as a whole is sharp, peaks of L 2,3 M 2,3 M 2,3 and L 2,3 M 2,3 M 4,5 Despite overlap in the same intensity, It can be seen that the peak intensities of L 2,3 M 4,5 M 4,5 are different for each of FeO, Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 . This is clearly a change due to the difference in the oxidation state of iron, and shows the possibility that the chemical state of iron can be evaluated from the Fe-LMM spectrum only in practice.

そこで、図2のFe−LMMスペクトルが本当に鉄の2価と3価の化学状態を示しているかを検証するため、FeO(2価)とFe(3価)からのスペクトルを標準スペクトルとして、Feからのスペクトルに対して最小二乗法のフィッティング計算による波形分離計算を行った。 Therefore, in order to verify whether the Fe-LMM spectrum of FIG. 2 really shows the divalent and trivalent chemical states of iron, spectra from FeO (divalent) and Fe 2 O 3 (trivalent) are used as standard spectra. As a result, the waveform separation calculation was performed on the spectrum from Fe 3 O 4 by the least square fitting method.

図3に波形分離結果を示す。図3において、convolution曲線は、最もよいフィッティング結果を与えるときの、FeOとFeの標準スペクトルから合成されたスペクトルである。Feはこのconvolution曲線と殆ど重なっていることが分かる。Feを波形分離して得られたFeOとFeのスペクトルの係数と、その係数に基づいて換算したFe2+、Fe3+及びO2−の原子濃度を表1に示す。 FIG. 3 shows the waveform separation results. In FIG. 3, the convolution curve is a spectrum synthesized from the standard spectra of FeO and Fe 2 O 3 when giving the best fitting result. It can be seen that Fe 3 O 4 almost overlaps with this convolution curve. Table 1 shows the spectrum coefficients of FeO and Fe 2 O 3 obtained by waveform separation of Fe 3 O 4 and the atomic concentrations of Fe 2+ , Fe 3+, and O 2− converted based on the coefficients.

Figure 2008020386
オージェピークの強度は、原理的にそのオージェ電子が放出される元素の原子濃度に依存することから、表1中の係数は、Feを構成するFe原子のうちFe2+の状態にある原子とFe3+の状態にある原子個数のそれぞれ標準試料FeOとFeに対する個数比を示すことになる。但し、係数から各々の原子濃度に換算するときは、標準試料中のその元素の原子濃度を各係数に乗じる必要が有る。例えば、Fe2+の原子濃度は、
FeOの係数×FeO中のFe原子濃度=0.2774×0.5
Fe3+の原子濃度は、
Feの係数×Fe中のFe原子濃度=0.7226×0.4
として、波形分離計算により求めた係数からFeを構成するFe原子の化学状態の存在比率を求めることができる。
表1における換算された原子濃度をみると、Fe2+とFe3+の原子濃度がFeの理論値に近い値が得られており、FeOとFeのスペクトルを2価と3価の標準スペクトルとして、Feの化学状態を分離できることが分かった。
Figure 2008020386
Since the intensity of the Auger peak depends in principle on the atomic concentration of the element from which Auger electrons are emitted, the coefficients in Table 1 are in the Fe 2+ state among the Fe atoms constituting Fe 3 O 4. The ratio of the number of atoms and the number of atoms in the state of Fe 3+ to the standard samples FeO and Fe 2 O 3 respectively will be shown. However, when converting from a coefficient to each atomic concentration, it is necessary to multiply each coefficient by the atomic concentration of the element in the standard sample. For example, the atomic concentration of Fe 2+ is
Coefficient of FeO × Fe atom concentration in FeO = 0.774 × 0.5
The atomic concentration of Fe 3+ is
Fe atomic concentration in the coefficient × Fe 2 O 3 of Fe 2 O 3 = 0.7226 × 0.4
As described above, the abundance ratio of the chemical state of Fe atoms constituting Fe 3 O 4 can be obtained from the coefficient obtained by waveform separation calculation.
Looking at the converted atomic concentrations in Table 1, the atomic concentrations of Fe 2+ and Fe 3+ are close to the theoretical values of Fe 3 O 4 , and the spectra of FeO and Fe 2 O 3 are divalent and 3 As a standard spectrum of valence, it was found that the chemical state of Fe 3 O 4 can be separated.

(実施の形態2)
次に、Ti−LMMオージェスペクトルによる化学状態分析を用いて、炭窒化チタン(以下、TiCNと記す)化合物におけるTiCとTiNの割合を求める方法について説明する。この方法は、Ti原子の結合相手がCとNに依存してTi−LMMオージェスペクトルが変化することを利用して、TiCとTiNの存在比率を見積もる方法である。このとき、TiNにおいてオーバーラップしているTiとNのスペクトルを恰も一つのスペクトルであるように扱うことで、TiとNのスペクトルがオーバーラップして定量が行えないという問題を解決している。
(Embodiment 2)
Next, a method for obtaining the ratio of TiC and TiN in a titanium carbonitride (hereinafter referred to as TiCN) compound using chemical state analysis by Ti-LMM Auger spectrum will be described. This method is a method of estimating the abundance ratio of TiC and TiN by utilizing the fact that the Ti-LMM Auger spectrum changes depending on the bond partner of Ti atoms depending on C and N. At this time, the Ti and N spectra overlapping in TiN are handled as if they are one spectrum, thereby solving the problem that the Ti and N spectra overlap and cannot be quantified.

図4は、化学状態の異なるTiの標準試料で測定したTi−LMMスペクトルである。使用した電子エネルギーアナライザのエネルギー分解能は0.05%である。このようにTiの化合物は高エネルギー分解能(ΔE/E=0.1%以下)で測定すると、図4のように完全に異なった形状で測定される。そこで、これらを標準スペクトルとして、未知濃度のTiCN化合物で得られたオージェスペクトルに波形分離計算を適用すれば、それぞれTiCとTiNの化学状態の存在比が求まり、その結果からCとNの濃度を求めることができる。   FIG. 4 is a Ti-LMM spectrum measured with standard samples of Ti having different chemical states. The energy resolution of the used electronic energy analyzer is 0.05%. Thus, when the Ti compound is measured with high energy resolution (ΔE / E = 0.1% or less), it is measured in completely different shapes as shown in FIG. Therefore, using these as standard spectra and applying waveform separation calculations to Auger spectra obtained with unknown concentrations of TiCN compounds, the abundance ratios of the chemical states of TiC and TiN can be obtained, respectively, and the concentrations of C and N can be determined from the results. You can ask.

図5は、定量精度を評価するための試料として、CとNの濃度比をそれぞれC:N=3:7、5:5、7:3で作製した濃度既知のTiCN化合物で測定したオージェスペクトルである。図5のスペクトルに対してTi、TiC、TiN、TiOの4つの標準スペクトルを使ってTi−LMMのみを波形分離計算した結果を表2に示す。Tiの換算した原子濃度は、波形分離計算結果により得られたTiCとTiNの各係数に、各化合物中のTiの原子濃度(TiC、TiNとも0.5)を乗じて加えた値である。 FIG. 5 shows an Auger spectrum measured with TiCN compounds having known concentrations prepared as C: N concentration ratios of C: N = 3: 7, 5: 5, and 7: 3, respectively, as samples for evaluating quantitative accuracy. It is. Table 2 shows the result of waveform separation calculation of only Ti-LMM using four standard spectra of Ti, TiC, TiN, and TiO 2 with respect to the spectrum of FIG. The converted atomic concentration of Ti is a value obtained by multiplying each coefficient of TiC and TiN obtained by the waveform separation calculation result by multiplying the atomic concentration of Ti in each compound (both TiC and TiN is 0.5).

Figure 2008020386
表2において波形分離計算結果の係数から換算した各元素の原子濃度を見ると、理論値と非常によい一致が得られている。AESの従来の定量法における相対感度因子を用いて原子濃度を求める方法では、他の元素のオージェピークがオーバーラップすると、正しい濃度を求めることが非常に困難であった。その理由は、ある元素が他の元素と結合してピーク形状が変化すると、純物質のピーク形状から求めた相対感度因子の値そのものの誤差が大きくなるからである。しかし、今回のように同じ条件で測定した標準スペクトルをもとに、高エネルギー分解能のオージェスペクトルを使って化合物毎(即ち化学状態毎)の存在比率を求めると、非常に精度の良い定量結果が得られることがわかった。
Figure 2008020386
Looking at the atomic concentration of each element converted from the coefficient of the waveform separation calculation result in Table 2, a very good agreement with the theoretical value is obtained. In the method of obtaining the atomic concentration using the relative sensitivity factor in the conventional quantitative method of AES, it is very difficult to obtain the correct concentration when the Auger peaks of other elements overlap. The reason is that when a certain element is combined with another element to change the peak shape, an error in the value of the relative sensitivity factor obtained from the peak shape of the pure substance increases. However, based on the standard spectrum measured under the same conditions as this time, using the high energy resolution Auger spectrum to determine the abundance ratio for each compound (that is, for each chemical state), a very accurate quantitative result is obtained. It turns out that it is obtained.

(実施の形態3)
次に、図11に示すような、チタンと窒素を含む下地上に形成された1〜2nm程度の極薄い窒化物層の分析方法について説明する。試料に入射した電子線により試料内部でもオージェ電子は発生するが、オージェ電子の試料内での平均自由行程は短いので、一般に分析に寄与するオージェ電子の発生する深さ(本発明においては、「オージェ電子分光の実効分析深さ」と称す)は、図11に示されるように5nm程度である。従って、もし下地上に厚さが1〜2nm程度の薄膜が形成されていても、その薄膜のみを分析することは、オージェ電子分光分析を用いても極めて困難である。特に、分析対象元素が窒素の場合、図11に示すようにチタンと窒素を含む下地が存在する場合は、下地上にチタンを含まない窒化物層が存在するか否かさえも知ることができない。実施の形態3の発明は、このような試料において効果を発揮することができる。
(Embodiment 3)
Next, a method for analyzing an extremely thin nitride layer of about 1 to 2 nm formed on a base containing titanium and nitrogen as shown in FIG. 11 will be described. Auger electrons are generated inside the sample by the electron beam incident on the sample. However, since the mean free path of the Auger electrons in the sample is short, generally the depth of generation of Auger electrons that contribute to the analysis (in the present invention, “ The effective analysis depth of Auger electron spectroscopy ”is about 5 nm as shown in FIG. Therefore, even if a thin film having a thickness of about 1 to 2 nm is formed on the base, it is extremely difficult to analyze only the thin film using Auger electron spectroscopy. In particular, when the analysis target element is nitrogen, as shown in FIG. 11, it is impossible to know whether or not there is a nitride layer not containing titanium on the underlayer containing titanium and nitrogen as shown in FIG. . The invention of Embodiment 3 can exert an effect on such a sample.

図12に示したオージェスペクトルは、TiCN合金上に厚さ1〜2nmのSi(窒化シリコン)の薄膜が形成された試料表面上で、のエネルギー分解能0.05%を持つ電子エネルギーアナライザで測定されたオージェスペクトルである。このスペクトルに見られる375〜390eV付近のピークは、SiとTiNのN−KLLとTi−LMMのオージェピークが重畳したものである。一般的に用いられているAESの電子エネルギーアナライザが持つエネルギー分解能0.5%程度では、エネルギー分解能が低いためにTiの化学状態分析が行えない。そのため、チタンと窒素を含む下地上に形成された1〜2nm程度の極薄い窒化物層の定量分析は困難であるとされてきた。しかし、エネルギー分解能0.05%の電子エネルギーアナライザでN−KLLとTi−LMMを含むエネルギー領域のオージェスペクトルを測定すれば、最小二乗法を用いた波形分離処理により、化学状態分析が可能である。 The Auger spectrum shown in FIG. 12 is an electronic energy analyzer having an energy resolution of 0.05% on a sample surface in which a thin film of Si 3 N 4 (silicon nitride) having a thickness of 1 to 2 nm is formed on a TiCN alloy. It is an Auger spectrum measured by. The peak near 375 to 390 eV seen in this spectrum is a superposition of the Auger peaks of Si 3 N 4 , TiN N-KLL and Ti-LMM. At an energy resolution of about 0.5% of an AES electronic energy analyzer that is generally used, the chemical state analysis of Ti cannot be performed because the energy resolution is low. Therefore, it has been considered difficult to quantitatively analyze an extremely thin nitride layer of about 1 to 2 nm formed on a base containing titanium and nitrogen. However, if an Auger spectrum in the energy region including N-KLL and Ti-LMM is measured with an electronic energy analyzer with an energy resolution of 0.05%, chemical state analysis is possible by waveform separation processing using the least square method. .

図13に、エネルギー分解能0.05%で測定した、波形分離に用いるSi,Ti,TiN,TiCの各標準試料からの標準スペクトルを示す。図14に、TiCN合金上に形成されたSi薄膜試料の下地と薄膜からのオージェスペクトルを波形分離計算した結果を示す。さらに表5には、波形分離結果から得られた各標準スペクトルの係数と、係数から換算した原子濃度を示す。 FIG. 13 shows a standard spectrum from each standard sample of Si 3 N 4 , Ti, TiN, and TiC used for waveform separation, measured at an energy resolution of 0.05%. FIG. 14 shows the result of the waveform separation calculation of the Auger spectrum from the base and thin film of the Si 3 N 4 thin film sample formed on the TiCN alloy. Further, Table 5 shows the coefficient of each standard spectrum obtained from the waveform separation result and the atomic concentration converted from the coefficient.

Figure 2008020386
表5の結果から、TiCN合金上に形成された極薄いSiから発生したオージェ電子によるN−KLLスペクトルのみを分離できていることがわかる。即ち、エネルギー分解能の高い電子エネルギーアナライザを用いれば、従来はAESでも分析が困難とされてきたTiCN合金上の極表面に存在する窒化物層の分析が可能であることを示している。さらに、Si−KLLオージェスペクトル等を用いてシリコンのみの組成値を求めれば、表5に示される窒素の原子濃度N(−Si)とから、シリコン窒化物層の定量分析が可能である。
Figure 2008020386
From the results in Table 5, it can be seen that only the N-KLL spectrum due to Auger electrons generated from ultrathin Si 3 N 4 formed on the TiCN alloy can be separated. That is, if an electron energy analyzer with high energy resolution is used, it is possible to analyze the nitride layer existing on the extreme surface on the TiCN alloy, which has conventionally been difficult to analyze even with AES. Further, if the composition value of only silicon is obtained using Si-KLL Auger spectrum or the like, the silicon nitride layer can be quantitatively analyzed from the atomic concentration N (-Si) of nitrogen shown in Table 5.

以上説明した鉄試料とチタン系試料の分析内容を発明者が検討した結果、Fe−LMMオージェスペクトル若しくはTi−LMMとN-KLLオージェスペクトルを用いて信頼ある化学状態を行うためには、エネルギー分解能ΔE/Eが0.35%以上の電子エネルギーアナライザを使用する必要のあることが分かった。   As a result of the inventors examining the analysis contents of the iron sample and the titanium-based sample described above, in order to perform a reliable chemical state using the Fe-LMM Auger spectrum or Ti-LMM and N-KLL Auger spectrum, the energy resolution It has been found that it is necessary to use an electronic energy analyzer having ΔE / E of 0.35% or more.

次に、実試料に対して本発明を実施した例について説明する。
(実施例1)
はじめに、Fe−LMMスペクトルによる波形分離法を用いて、身の回りにある鉄錆の分析を行った例を示す。図6に示した二次電子像は、どちらも鉄試料を大気中に長期間さらして、自然に酸化していたものである。図6(a)は肉眼的に黒色をした、所謂黒錆試料である。図6(b)は赤錆試料であるが、肉眼で見ても場所によって赤色した所や黒色した所が混在している。赤色して均一だと思われた領域を二次電子像で観察すると、図6(b)に示すように領域Aと領域Bの二種類の領域が存在することがわかった。
Next, the example which implemented this invention with respect to the real sample is demonstrated.
(Example 1)
First, an example in which iron rust around us is analyzed using a waveform separation method based on an Fe-LMM spectrum is shown. The secondary electron images shown in FIG. 6 are both naturally oxidized by exposing an iron sample to the atmosphere for a long period of time. FIG. 6A is a so-called black rust sample which is visually black. FIG. 6 (b) is a red rust sample, but even when viewed with the naked eye, a reddish place and a blackish place are mixed depending on the place. When the region that appeared to be red and uniform was observed with a secondary electron image, it was found that there were two types of regions, region A and region B, as shown in FIG.

まず、表面にどのような元素が検出されるのかを調べるために、黒錆と赤錆の領域Aと領域Bにおいて、エネルギー分解能0.5%でオージェスペクトルを測定した。その結果を図7に示す。微量のC、S、Clが検出されたが、主成分はFeとOで構成されていることがわかった。しかし、エネルギー分解能0.5%ではスペクトルの変化からFeの酸化状態を区別できない。そのため全ての試料において高エネルギー分解能0.1%で再度測定し、波形分離計算を行った。図8は、赤錆の領域Aで波形分離を行った結果の例である。
図8に示す結果をみると、図3の時のようにFeとFeOとFeのスペクトルの和で示されるconvolution曲線と完全に重なってはいない。これは他の分析点でも同じで、完全に重なることはなかった。この理由は、水酸化物等の別の化学状態にあるFeが存在する可能性を示しているためと思われる。しかしここでは、FeとFeOとFeのスペクトルのみを使って、ピーク分離計算と評価を行った。
First, in order to investigate what elements are detected on the surface, Auger spectra were measured at an energy resolution of 0.5% in regions A and B of black rust and red rust. The result is shown in FIG. Although trace amounts of C, S, and Cl were detected, it was found that the main components were composed of Fe and O. However, with an energy resolution of 0.5%, the oxidation state of Fe cannot be distinguished from changes in the spectrum. Therefore, all samples were measured again with a high energy resolution of 0.1%, and waveform separation calculations were performed. FIG. 8 shows an example of the result of waveform separation in the red rust region A.
The result shown in FIG. 8 does not completely overlap with the convolution curve shown by the sum of the spectra of Fe, FeO, and Fe 2 O 3 as in FIG. This was the same at the other analysis points and did not overlap completely. This reason seems to be because Fe in a different chemical state such as hydroxide exists. However, here, only the spectra of Fe, FeO, and Fe 2 O 3 were used for peak separation calculation and evaluation.

表3に、波形分離計算により得られた各試料における標準スペクトルの係数と換算した原子濃度を示す。   Table 3 shows the atomic concentration converted to the coefficient of the standard spectrum in each sample obtained by the waveform separation calculation.

Figure 2008020386
表3の結果を見ると、黒錆と赤錆とでは、赤錆の方がFeの原子濃度が小さく、よく酸化が進行していると思われる。また、黒錆からは赤錆の成分と考えられているFeの成分は検出されず、赤錆からはFeOとFeの両方の成分が検出された。図6(a)の二次電子像で確認された赤錆の領域Aと領域Bとの差は、Fe2+とFe3+の存在比率が異なっていることがわかった。
Figure 2008020386
From the results shown in Table 3, it is considered that the red rust has a lower atomic concentration of Fe and the oxidation proceeds well between black rust and red rust. Further, from the black rust components of Fe 2 O 3 which is considered a component of red rust is not detected, both components of FeO and Fe 2 O 3 was detected from the red rust. The difference between the red rust region A and the region B confirmed in the secondary electron image of FIG. 6A was found to be different in the abundance ratio of Fe 2+ and Fe 3+ .

(実施例2)
次に、TiCN化合物の中の偏析について分析を行った結果を説明する。既に実施の形態の中で述べたように、Ti−LMMオージェスペクトルによる波形分離を用いたTiCの分析結果は、分析の平均値をとればTiCの理論値とよい一致が得られている。ところが、図9の二次電子像から、TiCは2種類の異なる結晶粒が存在していることが分かった。図9の二次電子像から、TiCは表面がスムースな結晶粒と少し凹凸のある結晶粒の2種類がほぼ同率で存在していることがわかる。それぞれの結晶粒を代表する分析点P1とP2において測定したオージェスペクトルを図10に示す。図10からは、P1とP2とではTi−LMMスペクトルが若干異なっていることが分かる。P1とP2で測定したスペクトルに対して波形分離計算を行い、得られた標準スペクトルの係数と換算した原子濃度を表4に示す。
(Example 2)
Next, the result of analyzing the segregation in the TiCN compound will be described. As already described in the embodiment, the analysis result of TiC 3 N 7 using waveform separation by Ti-LMM Auger spectrum is in good agreement with the theoretical value of TiC 3 N 7 if the average value of the analysis is taken. Has been obtained. However, it was found from the secondary electron image in FIG. 9 that two different types of crystal grains exist in TiC 3 N 7 . From the secondary electron image of FIG. 9, it can be seen that two types of TiC 3 N 7 are present at almost the same rate: crystal grains having a smooth surface and crystal grains having slight irregularities. FIG. 10 shows Auger spectra measured at the analysis points P1 and P2 representing the respective crystal grains. FIG. 10 shows that the Ti-LMM spectrum is slightly different between P1 and P2. Table 4 shows the atomic concentrations converted into the coefficients of the standard spectrum obtained by performing waveform separation calculation on the spectra measured at P1 and P2.

Figure 2008020386
表4から分かるように、分析点P1とP2では、それぞれTiCとTiNの係数が異なり、それに従って換算された原子濃度も異なっていた。つまりこの試料は、TiCとTiNの存在比率が異なる2種類の結晶粒が混在した試料であることが明らかにされた。
Figure 2008020386
As can be seen from Table 4, at the analysis points P1 and P2, the coefficients of TiC and TiN were different, and the atomic concentrations converted accordingly were also different. That is, it was revealed that this sample was a sample in which two types of crystal grains having different ratios of TiC and TiN were mixed.

以上のように、鉄試料とチタン系試料を例にとり、AESのオージェスペクトルを波形分離して異なる化学状態が混在している試料の化学状態の存在比率を求める方法と実際の試料への応用例について説明した。実際の試料では、図9に示される試料よりもっと複雑で微小な結晶粒が混在している場合が多い。このような場合には、本発明のAESによる波形分離計算を用いた化学状態分析がより大きな効果を奏することは明らかである。   As described above, taking an iron sample and a titanium-based sample as an example, a method for obtaining the chemical state abundance ratio of a sample in which different chemical states are mixed by waveform separation of the AES Auger spectrum and an example of application to an actual sample Explained. In actual samples, there are many cases where more complicated and fine crystal grains are mixed than the sample shown in FIG. In such a case, it is clear that the chemical state analysis using the waveform separation calculation by AES of the present invention has a greater effect.


エネルギー分解能が0.5%の電子エネルギーアナライザにより測定したFe−LMMオージェスペクトルFe-LMM Auger spectrum measured with an electronic energy analyzer with an energy resolution of 0.5% エネルギー分解能が0.1%の電子エネルギーアナライザにより測定したFe−LMMオージェスペクトルFe-LMM Auger spectrum measured with an electron energy analyzer with an energy resolution of 0.1% FeOとFeを標準試料として、Feからのオージェスペクトルを波形分離した結果。The result of waveform separation of the Auger spectrum from Fe 3 O 4 using FeO and Fe 2 O 3 as standard samples. エネルギー分解能が0.05%の電子エネルギーアナライザにより測定した各Ti標準試料からのTi−LMMスペクトル。Ti-LMM spectrum from each Ti standard sample measured by an electronic energy analyzer with an energy resolution of 0.05%. エネルギー分解能が0.05%の電子エネルギーアナライザにより測定した濃度既知のTiCN化合物からのオージェスペクトル。Auger spectrum from TiCN compound of known concentration measured by an electronic energy analyzer with an energy resolution of 0.05%. 鉄の黒錆と赤錆の二次電子像。Secondary electron image of iron black rust and red rust. エネルギー分解能が0.5%の電子エネルギーアナライザにより測定した鉄の黒錆と赤錆からのオージェスペクトル。Auger spectrum from iron black rust and red rust measured by an electronic energy analyzer with an energy resolution of 0.5%. FeとFeOとFeを標準試料として、鉄の黒錆と赤錆からのオージェスペクトルを波形分離した結果。The result of waveform separation of Auger spectra from black rust and red rust of iron using Fe, FeO and Fe 2 O 3 as standard samples. TiCの表面の二次電子像。Secondary electron image of the surface of TiC 3 N 7 . TiC2種類の異なる結晶粒で測定したオージェスペクトル。Auger spectra measured on two different grains of TiC 3 N 7 . チタンと窒素を含む下地上に形成された1〜2nm程度の極薄い窒化物層からなる試料の模式図。The schematic diagram of the sample which consists of a very thin nitride layer about 1-2 nm formed on the foundation | substrate containing titanium and nitrogen. TiCN合金上に厚さ1〜2nmのSiの薄膜が形成された試料表面上で測定されたオージェスペクトル。Auger spectrum measured on the surface of a sample in which a thin film of Si 3 N 4 having a thickness of 1 to 2 nm is formed on a TiCN alloy. 波形分離計算に用いるSi,Ti,TiN,TiCの各標準試料からの標準スペクトル。Standard spectra from Si 3 N 4 , Ti, TiN and TiC standard samples used for waveform separation calculation. TiCN合金上に形成されたSi薄膜試料の下地と薄膜からのオージェスペクトルを波形分離した結果。The result of waveform separation of the base and the Auger spectrum from the thin film of the Si 3 N 4 thin film sample formed on the TiCN alloy.

符号の説明Explanation of symbols

(同一または類似の動作を行うものには共通の符号を付す。)
P1、P2 分析点
(Those that perform the same or similar operations are denoted by a common reference.)
P1 and P2 analysis points

Claims (8)

細く絞った電子線を試料表面に照射して試料の極表面分析を行うオージェ電子分光装置による化学状態分析法であって、
化学状態が異なる分析対象元素を含む複数の標準試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得するステップと、
被験試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得するステップと、
前記標準試料からのスペクトルに各々の係数を乗じたものの加算スペクトルと前記被験試料からのスペクトルとの残差が最小を与えるときの前記係数を求める波形分離計算を行うステップとを備えたことを特徴とする化学状態分析法。
A chemical state analysis method using an Auger electron spectrometer that performs ultra-surface analysis of a sample by irradiating the sample surface with a finely focused electron beam,
Obtaining an Auger spectrum of the analysis element from a plurality of standard samples containing the analysis element having different chemical states;
Obtaining an Auger spectrum of the analysis target element from a test sample;
Performing waveform separation calculation for obtaining the coefficient when the residual between the spectrum obtained from the standard sample multiplied by each coefficient and the spectrum from the test sample gives the minimum. Chemical state analysis method.
前記被験試料が前記分析対象元素として鉄を含むとき、Fe、FeO、Fe、Feのうちの少なくとも2種類の標準試料からのFe-LMMオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのFe-LMMオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記被験試料に含まれる鉄の化学状態毎の存在比率を求めることを特徴とする請求項1に記載の化学状態分析法。 When the test sample contains iron as the element to be analyzed, the test sample is obtained using Fe-LMM Auger spectra from at least two kinds of standard samples of Fe, FeO, Fe 2 O 3 , and Fe 3 O 4. 2. The abundance ratio for each chemical state of iron contained in the test sample is obtained based on the obtained coefficient by performing the waveform separation calculation on the Fe-LMM Auger spectrum from The chemical state analysis method described. 前記被験試料がチタンと窒素を同時に含み、チタン又は窒素が前記分析対象元素であるとき、チタン又は窒素の何れか又は両方を含む化合物の複数の標準試料から得られたTi−LMMオージェスペクトル、N−KLLオージェスペクトル、又はTi−LMMとN−KLLとが重畳したオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのTi−LMMとN−KLLとが重畳したオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記被験試料に含まれるチタン又は窒素の何れか又は両方を含む化合物の化学状態毎の存在比率を求めることを特徴とする請求項1に記載の化学状態分析法。 Ti-LMM Auger spectra obtained from a plurality of standard samples of a compound containing either or both of titanium and nitrogen when the test sample contains titanium and nitrogen simultaneously, and titanium or nitrogen is the element to be analyzed, N Using the -KLL Auger spectrum or the Auger spectrum in which Ti-LMM and N-KLL are superimposed, the waveform separation calculation is performed on the Auger spectrum in which Ti-LMM and N-KLL are superimposed from the test sample. The chemical state analysis method according to claim 1, wherein an abundance ratio for each chemical state of a compound containing either or both of titanium and nitrogen contained in the test sample is obtained based on the obtained coefficient. . 前記被験試料が前記分析対象元素としてチタンを含み、炭素と窒素と酸素のうちの少なくともひとつの元素とチタンとの化合物であるとき、金属チタンと炭化チタンと窒化チタンと酸化チタンのうちの少なくとも2種類の標準試料からのTi−LMMオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのTi−LMMオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記被験試料に含まれるチタンの化学状態毎の存在比率を求めることを特徴とする請求項3に記載の化学状態分析法。 When the test sample contains titanium as the element to be analyzed and is a compound of at least one element of carbon, nitrogen, and oxygen and titanium, at least two of metal titanium, titanium carbide, titanium nitride, and titanium oxide Using the Ti-LMM Auger spectrum from various types of standard samples, the waveform separation calculation is performed on the Ti-LMM Auger spectrum from the test sample, and the titanium contained in the test sample based on the obtained coefficient The chemical state analysis method according to claim 3, wherein an abundance ratio for each chemical state is obtained. 前記被験試料の前記分析対象元素が窒素であり、チタンを含む化合物からなる下地と、前記下地上に形成されたチタン以外の元素の窒素化合物からなる薄膜とからなり、前記薄膜の厚さがオージェ電子分光の実効分析深さより薄いとき、
前記チタン以外の元素の窒素化合物のみからなる試料からのN−KLLオージェスペクトル及び金属チタンと炭化チタンと窒化チタンと酸化チタンのうちの少なくとも2種類の標準試料からのTi−LMMオージェスペクトル、又はN−KLLとTi−LMMが重畳したオージェスペクトルを用いて、前記被験試料からのN−KLLとTi−LMMの重畳したオージェスペクトルに対して前記波形分離計算を行い、求められた前記係数に基づいて前記下地と前記薄膜に含まれる窒素の存在比率を求めることを特徴とする請求項3に記載の化学状態分析法。
The analysis target element of the test sample is nitrogen, and comprises a base made of a compound containing titanium and a thin film made of a nitrogen compound of an element other than titanium formed on the base, and the thickness of the thin film is Auger When thinner than the effective analysis depth of electron spectroscopy,
N-KLL Auger spectrum from a sample consisting only of a nitrogen compound of an element other than titanium and Ti-LMM Auger spectrum from at least two kinds of standard samples of metal titanium, titanium carbide, titanium nitride and titanium oxide, or N Using the Auger spectrum in which -KLL and Ti-LMM are superimposed, the waveform separation calculation is performed on the Auger spectrum in which N-KLL and Ti-LMM are superimposed from the test sample, and based on the obtained coefficient The chemical state analysis method according to claim 3, wherein an abundance ratio of nitrogen contained in the base and the thin film is obtained.
前記波形分離計算を行うために、前記標準試料からのスペクトル及び被験試料からのスペクトルのバックグランドを除去するバックグランド除去手段を備え、前記バックグランド除去方法は、前記標準試料からのスペクトル及び被験試料からのスペクトルとして微分スペクトルを用いることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の化学状態分析法。 In order to perform the waveform separation calculation, a background removing unit that removes a spectrum background from the standard sample and a spectrum from the test sample is provided, and the background removal method includes the spectrum from the standard sample and the test sample. The chemical state analysis method according to claim 1, wherein a differential spectrum is used as the spectrum from. 前記オージェ電子分光装置に備えられた電子エネルギーアナライザにより前記標準スペクトル及び被験試料からのスペクトルを測定するとき、
試料から発生したオージェ電子のエネルギーと前記電子エネルギーアナライザに入射する時のエネルギーに対する減速比を一定にして前記試料から発生したオージェ電子のエネルギーを測定する方法におけるエネルギー分解能が0.35%以上の電子エネルギーアナライザを用いることを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の化学状態分析法。
When measuring the standard spectrum and the spectrum from the test sample with an electronic energy analyzer provided in the Auger electron spectrometer,
Electrons having an energy resolution of 0.35% or more in the method of measuring the energy of Auger electrons generated from the sample with a constant reduction ratio with respect to the energy of Auger electrons generated from the sample and the energy when incident on the electron energy analyzer. The chemical state analysis method according to claim 1, wherein an energy analyzer is used.
細く絞った電子線を試料表面に照射して試料の極表面分析を行うオージェ電子分光装置であって、
化学状態が異なる分析対象元素を含む少なくとも2種類の標準試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得する手段と、
被験試料からの前記分析対象元素のオージェスペクトルを取得する手段と、
前記標準試料からのスペクトルに各々の係数を乗じたものの加算スペクトルと前記被験試料からのスペクトルとの残差が最小を与えるときの前記係数を求める波形分離計算手段とを備えたことを特徴とするオージェ電子分光装置。
An Auger electron spectrometer that performs ultra-surface analysis of a sample by irradiating the sample surface with a finely focused electron beam,
Means for obtaining an Auger spectrum of the analysis element from at least two kinds of standard samples containing the analysis element having different chemical states;
Means for obtaining an Auger spectrum of the analysis target element from a test sample;
Waveform separation calculation means for obtaining the coefficient when a residual between a spectrum obtained from the standard sample multiplied by each coefficient and a spectrum from the test sample gives a minimum is provided. Auger electron spectrometer.
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