РФЭС - основной метод неразрушающего анализа поверхности
Одним из основных направлений современных технологий является использование специфических свойств материалов и применение этих свойств как в существующих, так и в новых проектах с целью их усовершенствования. Поэтому в последние десятки лет очень большое внимание уделяется изучению поверхности материалов.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия РФЭС (XPS – англ. X-ray photoelectron spectroscopy) является широко используемым методом химического анализа поверхности. В промышленной лаборатории данный метод может применяться для широкого спектра задач, начиная от идентификации загрязнения на поверхности и заканчивая характеристикой материалов в качестве контроля процесса или в качестве метода определения характеристик новых материалов в исследовательской среде. Для более подробного анализа может потребоваться визуализация образца или профили по глубине, а также использование численных методов, таких как аппроксимация кривой, послойное моделирование или подбор линейных наименьших квадратов для более точного описания материала.
Принцип метода РФЭС
РФЭС основан на измерении энергии фотоэлектронов, выбитых с различных энергетических уровней атомов при облучении вещества рентгеновским излучением. Под действием кванта света из вещества выбиваются электроны, энергия кванта hν в соответствии с законом сохранения энергии тратится на энергию ионизации Eсв и передачу этому электрону кинетической энергии (Eкин =mu2/2) (рис. 1).
где hv - энергия возбуждающего фотона; Eсв. - энергия связи электрона; Eкин. – фиксируемая в эксперименте кинетическая энергия вылетевшего электрона; φ - работа выхода спектрометра. Поскольку величины hv и φ известны, а Eкин. определяется экспериментально, уравнение (1) позволяет легко рассчитать Eсв.
Рисунок 1 –Общая схема метода
В случае для металла уровень Ферми находится в верхней точке заполненной валентной зоны и отделен от уровня вакуума потенциалом работы выхода φ. Если поглощение фотона происходит на внутреннем уровне, энергия связи электрона составляет величину Eсв. Вылетевший электрон регистрируется с кинетической энергией Eкин = hv - Eсв - φ. Таким образом, спектр вылетевших электронов в шкале кинетических энергий копирует энергетическое распределение электронов в твердом теле. Каждый химический элемент имеет свои определенные значения Eсв для внутренних электронных уровней, поэтому спектр вылетевших электронов отражает элементный состав вещества (кроме водорода и гелия).
Типичный анализ по методу РФЭС
Типичный анализ РФЭС (например, на рентгеновском спектрометре VersaProbe III от PHI) начинается с получения изображения, которое быстро генерируется с использованием растрового рентгеновского луча диаметром менее 10 мкм. Благодаря полученным изображениям можно определить области, представляющие интерес для спектрального анализа. Дальнейшие исследования могут включать в себя: получение спектров с высоким энергетическим разрешением для анализа химического состояния, картографических изображений химического состояния или анализ образца по глубине.
Рисунок 2 – Изображение структуры устройства, полученное при сканировании рентгеновским пучком (слева); спектры трех выбранных точек на изображении (справа)
Рисунок 3 – Элементный состав выбранной области (слева); спектры, полученные из областей на элементной карте кремния (справа)
Рисунок 4 – Карта химического состава в выбранной области устройства
Особенности метода РФЭС
В зависимости от типа возбуждающего hν-излучения методы фотоэлектронной спектроскопии делятся на ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию УФЭС (UPS – англ. Ultraviolet photoelectron spectroscopy) и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (РФЭС). Данные методы объединяют общие физические принципы работы и аппаратурное оформление в части вакуумной системы и оборудования для регистрации. Отличие заключается в источниках возбуждающего излучения и, как следствие, экспериментальных возможностях методов.
В методе рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) в качестве источника излучения выступает рентгеновская трубка с одним с анодом, в отличие от УФЭС, диапазон рабочих энергий более широкий: от нуля (уровня Ферми) до 1250 и более эВ, то есть охватывает практически все электронные уровни химических элементов. Это позволяет: проводить качественный анализ, определять состав поверхности, устанавливать валентность элементов и изучать электронную структуру валентных состояний около уровня Ферми. Однако, энергетическое разрешение РФЭС намного уступает энергетическому разрешению УФЭС, а интенсивность записанных спектров валентных состояний у РФЭС значительно ниже.
Проектирование сложных электронных систем, в том числе фотоэлектрических требует знания основных свойств зонной структуры каждого компонента для достижения эффективного переноса заряда. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия, представленная в многофункциональной системе PHI VersaProbe III, позволяет решать подобные задачи. Комбинация ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии и низкоэнергетической обратной фотоэмиссионной спектроскопии (LEIPS) обеспечивает полную характеристику валентной зоны и зоны проводимости, а также других полезных параметров, таких как ширина запрещенной зоны, энергия ионизации, работа выхода и др.
Рисунок 5 – Профилирование по глубине многослойной пленки органического светодиода (слева); УФЭС спектры валентной зоны фталоцианина меди (CuPc). Смещение образца (сплошная кривая) позволяет рассчитать энергию ионизации или рабочую функцию (справа)
Рентгеновские фотоэлектронные спектрометры для РФЭС
В настоящее время нет единого универсального метода, который позволил бы решать все задачи, связанные с поверхностью. Принято полагать, что для полного понимания проблемы поверхности следует использовать набор взаимно дополняющих методов.
В целом, можно предположить, что будут строиться высоковакуумные комплексы, сочетающие в себе методы осаждения твердотельных материалов и исследование новых материалов спектральными, дифракционными и другими методами микроскопии.
PHI VersaProbe III сочетает в себе несколько методов, чтобы получить комплексную информацию о структуре, составе и химическом состоянии поверхности. Автоматизация и высокая производительность системы позволяют проводить анализ образцов в условиях, отвечающих современным требованиям.
Рисунок 6 – Источники, используемые в PHI VersaProbe III
Рисунок 7 – Рабочее место PHI VersaProbe III
Заключение
-
РФЭС (XPS) - это установившийся аналитический метод для описания химического состава поверхностей и тонких пленок. Многие технологии в различных отраслях промышленности, от медицинских приборов до микроэлектроники, зависят от знания состава, чистоты поверхности, или информации о химических характеристиках.
-
РФЭС (XPS) - это метод, который дает количественную информацию о химическом состоянии поверхности. Применение дополнительных методов химического анализа поверхности может обеспечить ясность для присвоения химического состояния или для состава сложной смеси материалов, которая может выходить за пределы пространственного разрешения РФЭС.
При подготовке статьи были использованы следующие материалы:
- J. Ross “Microelectronics Failure Analysis Desc Reference. Sixth Edition” USA: «ASM International», 2011. – 660 стр.;
- М.В. Кузнецов «Современные методы исследования поверхности твердых тел: фотоэлектронная спектроскопия и дифракция, СТМ-микроскопия», Екатеринбург, Институт химии твердого тела УрО РАН, 2010 г.;
- Мазалов Л.Н. Рентгеноэлектронная спектроскопия и ее применение в химии. // Соросовский, образовательный журнал, 2000, №4;
- Шалаева Е.В., Кузнецов М.В. Рентгеновская фотоэлектронная дифракция. Возможности структурного анализа поверхности (обзор). Журнал структурной химии, 2003, Т.44, №3.
Если Вам необходима консультация в рамках РФЭС анализа, заинтересовал рентгеновский фотоэлектронный спектрометр PHI VersaProbe III или необходимо подобрать рентгеновский фотоэлектронный спектрометр конкретно под Ваши задачи, присылайте Ваши заявки на эл.почту: info@sernia.ru или позвоните: +7 (495) 204 13 17.
