Page 42 - 理化检验-物理分册2025年第三期

侯 瑶，等： X射线光电子能谱测试参数对CaF 2 氧元素含量测试结果的影响

2.4 离子束刻蚀对表面损伤的模拟分析
XPS刻蚀深度剖析中的刻蚀效应必然会对测试
试样浅表层造成一定程度的刻蚀损伤，使材料表面
产生晶格错位、空位和移位等缺陷。利用SRIM软
件模拟分析氩离子束轰击CaF 2 、Al 2 O 3 的刻蚀损伤情
况，得到材料氩离子射程、表面空位数量随离子束能
量的变化关系。
不同能量氩离子刻蚀CaF 2 、Al 2 O 3 的离子投影射
程如图9，10所示。由图9，10可知：Ar离子投影射
程随离子能量的增大而增加。由于Ar离子不与其

他原子形成化学键，因此在射程后端会沉积大量Ar
离子。 图 11 不同能量氩离子刻蚀 CaF 2 时产生的空位分布曲线
2.5
0.5 keV
1 keV
2.0 2 keV
3 keV
1.5
空位数
1.0

0.5

0 2 4 6 8 10
投影射程/nm
图 12 不同能量氩离子刻蚀 Al 2 O 3 时产生的空位分布曲线
图 9 不同能量氩离子刻蚀 CaF 2 的离子投影射程
2.15，说明随着 氩离子束能量的增大，CaF 2 、Al 2 O 3
2.5
0.5 keV 表面产生的空位缺陷增多，产生最大空位数的地方
1 keV 为垂直于表面1 nm范围内。氩离子能量为3 keV时，
氩离子密度/(×10 21 cm -3 ) 1.5 算获得的空位数不是导致其表面快速吸附的主要原
2.0
2 keV
3 keV
CaF 2 表面的O元素可以较好地被刻蚀清除，说明计
因。一般来说，非极性分子的吸附能力较弱，而极性
1.0
分子的吸附能力更强。因此，在选择离子束能量和
束流时，应综合考虑材料的极性特征、表面结合能和
0.5
择优溅射效应，使测试结果接近实际情况。
0 2 4 6 8 10
投影射程/nm 3 结论
图 10 不同能量氩离子刻蚀 Al 2 O 3 的离子投影射程 （1）深度剖析测试CaF 2 试样过程中，真空腔中
不同能量Ar离子刻蚀CaF 2 、Al 2 O 3 时产生的空 的残余气体吸附到试样表面，形成羟基和吸附O 2 ，
位分布曲线如图11，12所示。Ar离子注入到CaF 2 、 导致测量结果中氧元素含量偏高。
Al 2 O 3 材料内部时，会把原晶格位置的原子挤到材料 （2）氧元素含量与吸附时间有关，吸附时间越
表面。因此，在射程前部分会产生大量空位，并且随 短、刻蚀后停顿时间越短、氧元素的精细谱扫描顺序
着氩离子能量的增大，空位数变多。 越靠前，测试结果失真越小。
通过SRIM软件模拟可知，氩离子以0.5 keV和 （3）对于CaF 2 试样，离子束能量越大，刻蚀掉的
3 keV入射时，CaF 2 表面最高离子空位值分别为0.95 吸附层越多，刻蚀后停顿时间越短，测试结果失真越
和 1.54，Al 2 O 3 表面最高离子空位值分别为 1.24 和 小；刻蚀后停顿时间为0 s、氧元素扫描顺序为1、离

30