Simulation of Energy Resolution of Time of Flight System for Measuring Positron-annihilation induced Auger Electrons

Since the presence of the chemical impurities and defect at surfaces and interfaces greatly influence the properties of various semiconductor devices, an unambiguous chemical characterization of the metal and semiconductor surfaces become more important in the view of the miniaturization of the devices toward nano scale. Among the various conventional surface characterization tools, Electron-induced Auger Electron Spectroscopy (EAES), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Secondary Electron Ion Mass Spectroscopy (SIMS) are being used for the identification of the surface chemical impurities. Recently, a novel surface characterizaion technique, Positron-annihilation induced Auger Electron Spectroscopy (PAES) is introduced to provide a unique method for the analysis of the elemental composition of the top-most atomic layer. In PAES, monoenergetic positron of a few eV are implanted to the surface under study and these positrons become thermalized near the surface. A fraction of the thermalized positron trapped at the surface state annihilate with the neighboring core-level electrons, creating core-hole excitations, which initiate the Auger process with the emission of Auger electrons almost simultaneously with the emission of annihilating gamma-rays. The energy of electrons is generally determined by employing ExB energy selector, which shows a poor resolution of $6{\sim}10eV$. In this paper, time-of-flight system is employed to measure the electrons energy with an enhanced energy resolution. The experimental result is compared with simulation results in the case of both linear (with retarding tube) and reflected TOF systems.

양전자 소멸 Auger 전자 에너지 측정을 위한 Time of Flight의 분해도 향상에 관한 이론적 연구

저에너지(수 eV) 양전자 빔을 이용하여 도체나 반도체의 표면/계면의 물리화학적 특성 분석에 독특한 유용성이 보고 되고 있다. 기존의 표면 분석법에 비해 표면의 선택도가 향상되어 반도체 소자의 박막 두께가 얇아지는 최신기술에 적합한 분석법으로 주목을 받고 있다. 물질표면에 조사된 저에너지 양전자는 표면 근처의 image potential에 포획이 되어 표면에 있는 전자들과 쌍소멸하며 Auger 전자를 방출한다. 표면으로부터 방출된 Auger 전자의 에너지를 측정함으로 원자의 화학적 구별이 가능하므로 검출기의 에너지 분해도가 중요하다. 기존의 ExB 형태의 에너지 측정기는 분해도가 $6{\sim}10\;eV$ 정도이고 특정한 에너지 영역만을 일정시간 스캔하여 스펙트럼을 측정하므로 측정시간이 길어진다는 단점이 있다. 반면에 Time-Of-Flight(TOF) 시스템은 방출되는 전자들의 에너지를 동시에 검출하므로 측정시간이 단축되어 측정 효율이 향상된다. 에너지 분해도를 높이기 위해서는 측정하고자 하는 전자의 진행거리를 길게 할수록 좋으나, 공간적 제약을 고려한 reflected TOF 시스템과 retarding tube을 이용한 linear TOF 시스템의 에너지 분해도를 이론적으로 시뮬레이션하였다.