XPS深度剖析介紹

今天給大家重點(diǎn)介紹一下XPS深度剖析。

單原子深度剖析利用離子束刻蝕表面層或者表面污染層，從而獲取亞表層信息。 XPS 分析與一系列離子槍循環(huán)刻蝕結(jié)合，得到定量信息和厚度信息。 將物質(zhì)從樣品上剝離之前，記錄下樣品表面的能譜或一組能譜。 離子束在樣品表面一個(gè)正方形或矩形區(qū)域內(nèi)作光柵式掃描，刻蝕表面。 經(jīng)過(guò)一次刻蝕循環(huán)后，遮擋住離子束，記錄下一組能譜。 如此重復(fù)刻蝕、能譜采集，直到剖析到所需深度。

如果樣品為絕緣體，應(yīng)允許在離子刻蝕循環(huán)和數(shù)據(jù)采集之間留有一個(gè)平衡時(shí)間段。 這樣可以使樣品表面電勢(shì)在回到的穩(wěn)定狀態(tài)后，再收集數(shù)據(jù)。

在深度剖析測(cè)量中，傳輸透鏡接受面積和限定源的單色器束斑會(huì)聚在離子束掃描區(qū)域的中心，確保分析區(qū)域位于刻蝕弧坑底部平坦處。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以下列方式顯示：

• 顯示各分譜

• 在蒙太奇重疊圖中顯示給定區(qū)域內(nèi)所有譜，從而揭示峰強(qiáng)和峰位變化趨勢(shì)

• 以時(shí)間或深度為橫坐標(biāo)、以信號(hào)強(qiáng)度或原子濃度為縱坐標(biāo)繪出剖析圖，可在同一樣品中比較不同元素的變化趨勢(shì)

XPS 深度剖析實(shí)驗(yàn)流程總覽。

濺射產(chǎn)額

在深度剖析時(shí)，濺射產(chǎn)額決定了物質(zhì)從樣品上剝離的速率。

濺射差額 ＝ 剝離的原子束/入射離子數(shù)

濺射率與下列因素有關(guān)：材料、離子能量、入射角度以及入射離子的質(zhì)量和性質(zhì)。

材料：濺射產(chǎn)額依賴于樣品中的元素及其價(jià)態(tài)。 雖然難以預(yù)測(cè)材料的濺射產(chǎn)額，但可以查找到一些計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果。 一般地，這些模擬計(jì)算能很好地預(yù)測(cè)元素的濺射產(chǎn)額，但對(duì)于化合物，數(shù)值不太可靠。 有可能的話，最好在通常實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定濺射率。

離子能量：對(duì)于每一種惰性氣體離子，當(dāng)繪出硅的濺射產(chǎn)額隨這些離子的能量變化曲線時(shí)，可發(fā)現(xiàn)濺射產(chǎn)額隨離子能量變化靈敏。

入射角：濺射產(chǎn)額隨角度的變化依賴于被濺射的材料。 考慮到刻蝕速率隨角度的變化，導(dǎo)致掃描區(qū)域內(nèi)刻蝕率發(fā)生變化。

入射離子性質(zhì)：如果離子束不是惰性氣體離子，離子束和樣品表面間會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 通常，在 SIMS 中，用氧離子或銫離子作為濺射離子源，樣品表面發(fā)生化學(xué)變化，濺射速率發(fā)生變化。 例如，如果氧離子離子束垂直入射到硅表面，表面由硅變?yōu)槎趸?，濺射產(chǎn)額變?yōu)槎趸璧臑R射產(chǎn)額，而不是硅的濺射產(chǎn)額。

XPS深度分辨

對(duì)樣品進(jìn)行深度剖析時(shí)，其次需要考慮的重要因素是深度分辨。 以下列舉了一些影響深度分辨的重要因素。 在確定分辨率中，每一因素的相對(duì)重要性取決于被分析樣品和實(shí)驗(yàn)條件。 這些因素可以分為物理因素（濺射過(guò)程的結(jié)果）、儀器因素（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果）和樣品特征。

物理因素

離子能量：離子能量增加，深度分辨會(huì)變差，這是由于離子束與樣品內(nèi)原子混合而導(dǎo)致。 隨著離子能量的增加，離子在樣品內(nèi)的深度加深，在更深處導(dǎo)致離子混合。

入射角：隨著離子入射角（與垂直方向的夾角）增加，深度分辨改善。 導(dǎo)致這一結(jié)果主要是因?yàn)殡S著角度增加，樣品中離子的深度分布減少，導(dǎo)致發(fā)生離子混合的深度減小。

初級(jí)離子種類：在給定能量下，撞擊表面的離子越大，樣品中離子的深度分布越小，從而改善深度分辨。

儀器因素

XPS刻蝕坑質(zhì)量：分析區(qū)域中刻蝕坑底部必須盡可能平坦。 否則，收集的是一定深度范圍內(nèi)的信息，深度分辨變差。 一般地，在每一方向上刻蝕坑尺寸應(yīng)為離子束斑直徑的 5 至 10 倍，才能在刻蝕坑內(nèi)得到可接受的、尺寸合適的平坦區(qū)。

離子束雜質(zhì)：選擇高純供氣系統(tǒng)，最大限度地減少離子束中的化學(xué)雜質(zhì)。 離子束中還存在其它雜質(zhì)也必須考慮（例如：中性粒子和多電荷離子）。 中性粒子是由高能離子與熱中性粒子交換電荷而產(chǎn)生的。 離子束中的中性粒子導(dǎo)致的問(wèn)題是它們不受靜電透鏡和掃描偏轉(zhuǎn)板的控制。 這些中子可以未經(jīng)定義的方式濺射樣品，而破壞刻蝕坑的質(zhì)量。 如果離子束中有雙電荷離子，那么雙電荷離子撞擊樣品表面的能量將是單電荷離子的兩倍，相應(yīng)離子在樣品內(nèi)分布深度較深。

信息深度：在分析過(guò)程中，收集信息的深度會(huì)影響深度分辨。 通常，電子能譜分析中，電子動(dòng)能越低，平均逃避深度越小。 因此，如果深度剖析中要選擇一個(gè)監(jiān)測(cè)峰，應(yīng)該選擇動(dòng)能最低的峰。

再沉積：從刻蝕坑壁上剝離的物質(zhì)，沉積在刻蝕坑內(nèi)的分析區(qū)域內(nèi)，即為再沉積。 刻蝕坑越小，這種效應(yīng)就越顯得突出。

樣品特征

原始表面粗糙度：樣品的粗糙表面可能會(huì)影響整體的深度分辨，因?yàn)榇植诙葧?huì)在整個(gè)深度剖析中一直被保留下來(lái)。

誘導(dǎo)粗糙度：離子濺射過(guò)程會(huì)導(dǎo)致形貌起伏或粗糙度的出現(xiàn)，從而降低深度分辨。 通過(guò)在深度剖析循環(huán)的離子濺射期間旋轉(zhuǎn)樣品（方位旋轉(zhuǎn)），這種效應(yīng)可在很大程度上得到解決。 擇優(yōu)濺射： 在多組分樣品中，不同的元素濺射產(chǎn)額不同。 擇優(yōu)濺射不受方位旋轉(zhuǎn)的控制，將導(dǎo)致樣品粗糙化。

荷電：離子或電子束可能會(huì)受絕緣樣品表面上產(chǎn)生電荷的影響而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。 這種效應(yīng)可以使得刻蝕坑變形或刻蝕坑內(nèi)分析位置改變。 薄氧化層上的荷電會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)的遷移穿過(guò)氧化層。

優(yōu)化XPS深度剖析

研究人員必須確定一組側(cè)重于分析速度或深度分辨率的條件。 設(shè)定深度剖析參數(shù)時(shí)需考慮以下因素：

• 離子束能量：能量高（High 檔）速度快；能量低（Low 檔）深度分辨高

• 入射角（相對(duì)于樣品法向方向）：大角度適用于光滑樣品，小角度適用于粗糙樣品

• 離子質(zhì)量：質(zhì)量大深度分辨高 — Xe 質(zhì)量雖大但 Xe 氣昂貴，一般不采用

• 方位旋轉(zhuǎn)：提高深度分辨，但刻蝕速率降低

• 濺射區(qū)域：濺射區(qū)域小速度快，濺射區(qū)域大分辨高

• 離子槍的供氣純度高可改善測(cè)量結(jié)果

• 與刻蝕坑相比分析面積小在刻蝕坑內(nèi)便于對(duì)中

• 高真空可最大限度地減小反應(yīng)物在表面的吸附，這一點(diǎn)在深度剖析氧、碳等時(shí)尤為重要

• 低動(dòng)能信號(hào)常常給出的分辨最佳

• 理想樣品應(yīng)該是平滑、拋光良好的表面

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