卢瑟福背散射又称卢瑟福背散射分析或卢瑟福背散射谱学（Rutherford Backscattering Spectrometry，RBS），有时候被称为高能离子散射谱学（High-Energy Ion Scattering，HEIS），是一种离子束分析技术。是一种用于成分薄膜分析的离子散射技术，主要用于成分薄膜分析。卢瑟福背散射光谱法RBS的独特之处在于它允许在不使用参考标准的情况下进行定量，并且经常用于校准其他分析方法。在卢瑟福背散射光谱法RBS分析期间，高能（MeV）He2+离子（即α粒子）被引导到样品上，反向散射的能量分布和产率He被2+测量给定角度的离子。由于每个元素的背散射横截面是已知的，因此可以从小于1μm厚的薄膜获得的RBS光谱中获得定量的成分深度分布。它通常是对半导体、光学镀膜和其他控制薄膜成分至关重要的应用进行薄膜定量成分分析的首选方法。

除元素组成外，卢瑟福背散射光谱法RBS还可用于获取有关单晶样品晶体质量的信息。这种称为“沟道”的技术可以探测晶体中的损伤程度或确定晶格中取代或间隙物质的数量。

康派斯在使用卢瑟福背散射光谱法分析薄膜方面拥有世界一流的经验，包括颗粒龙和串联仪器。康派斯在分析所有类型的薄膜（氧化物，氮化物，硅化物，高K和低K电介质，金属薄膜，化合物半导体和掺杂剂）方面的经验可实现快速的周转时间，准确的数据和高质量的人对人服务。

RBS理想用途

• 薄膜成分/厚度
• 确定面浓度（原子/厘米2)
• 确定薄膜密度（当厚度已知时）

RBS优势

• 定量，无需参考标准
• 顶部1μm的深度剖面~
• 确定薄膜厚度
• 可以分析绝缘和导电样品
• 可以测量H，以及除He，Li，Be之外的所有其他元素（在HFS模式下）
• 可分析最大300mm的全晶圆
• 低Z元件灵敏度（在NRA模式下）
• 无损成分分析

 

RBS局限性

• 有用信息仅限于顶部 ~1 μm 样品
• B、C、N、O 的检测限通常较差（3-5 at-%）
• 可能无法分离质量相似的较重元素（例如，来自锌的铜或来自Ta的W）
• 最小分析区域直径 2mm~
• 样品必须与真空兼容

RBS技术规格

• 检测到的信号： 反向散射氦原子
• 检测到的元素：B-U
• 检测限：0.001-10 at%
• 深度分辨率：100-200 Å
• 成像/映射：不
• 横向分辨率/探头尺寸：≥ 2 mm

RBS技术比较

卢瑟福背散射光谱法RBS与用于薄膜分析的其他技术非常互补，例如俄歇电子能谱（AES）和X射线光电子能谱（XPS）。卢瑟福背散射光谱法RBS对重元素的检测限低于这些技术，但对轻元素的检测限较高。俄歇提供了更好的空间分辨率，但在分析绝缘样品时可能会出现问题。除了元素定量外，XPS还可以提供化学状态测定。俄歇和XPS都只对材料的上部10nm进行采样，并使用离子束溅射从样品中去除材料以获得深度剖面。

这种溅射过程可以修改被分析的材料，导致定量结果不太准确。卢瑟福背散射光谱法RBS不会溅射样品，因此通常能够提供更准确的定量结果。

卢瑟福背散射光谱法RBS还可用于非破坏性地确定薄膜厚度，因此可以代替扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）横截面。然而，为了从卢瑟福背散射光谱法RBS数据中得出薄膜厚度，必须假设薄膜的密度，这会导致额外的误差源。相反，如果从另一种技术（如TEM或SEM）知道物理薄膜厚度，则可以使用RBS数据计算薄膜密度。RBS是对X射线反射率（XRR）分析的补充，XRR分析也可以确定薄膜密度和薄膜厚度，但不能确定薄膜成分。

RBS典型数据

图 1 显示了来自 WSi 的叠加卢瑟福背散射光谱法RBS光谱x具有三种不同Si/W比的薄膜。高能量（高通道数）处的峰值对应于薄膜中W的散射，而较低能量处的阶跃对应于Si的散射。通过测量W和Si信号的强度（产率）并校正W和Si的散射截面，Si / W的精确比率可以在1-2%以内确定。W峰的宽度与WSi的厚度成正比x层。使用W和Si中He的停止功率的已知值，可以计算WSi的厚度x层。

RBS原则

在卢瑟福背散射光谱法RBS测量期间，高能（MeV）He2+离子（即α粒子）被引导到样品上，背散射He的能量分布和产量2+记录给定角度的离子。背散射粒子的能量既取决于它们散射的原子质量（运动学因子），也取决于碰撞发生的深度（能量损失因子）。背散射离子的数量与给定元素的浓度成正比。由于所有元素（反向散射横截面）发生反向散射事件的可能性都是已知的，因此可以从RBS光谱中得出厚度小于1μm的薄膜的定量深度剖面。

在氢的情况下，不会发生反向散射，而是通过将样品以与 He 成掠角放置2+离子束H原子可以向前散射出样品并收集。这允许通过使用薄箔过滤前向散射的He原子来量化薄膜中的H量，同时仅传输前向散射的H原子。这种对H的单独分析称为HFS（氢前向散射）。

RBS常见应用

卢瑟福背散射光谱法RBS能够在不使用标准品的情况下提供高度准确的薄膜成分，使其成为半导体和其他薄膜成分分析的理想选择。

应用包括：

• 半导体薄膜成分深度分析：
  • 金属硅化物：WSi、硅铁、钴硅、钛等
  • 氮化物：TiN、TaN、TaAlN
  • 电介质：碳氧化硅2罪
  • 高 K 电介质：HfO2， 氢化氢硅
  • 低 K 电介质：SiOCH
• 化合物半导体层组成：
  • 硅锗、铝砷化镓、铍砷等
• 光学镀膜成分深度剖析：
  • 二氧化钛2， SiO2， 氢氧化氢2
• 薄膜SiO中的氢2、SiN、SiOCH、DLC 等。
• 离子注入剂量测定法（高 Z 元素）：
  • 锆，锑，剂量
• 单晶样品的损伤曲线：
  • 离子注入、抛光、退火

RBS相关资源

• 网络研讨会：卢瑟福背散射光谱法(RBS)
• 应用资料：卢瑟福背散射光谱法(RBS)理论

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