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應(yīng)用分享 | 薄膜深度分析之角分辨XPS

更新時(shí)間:2024-07-02點(diǎn)擊次數(shù):1577

XPS作為一種表面靈敏的分析技術(shù),可以探測(cè)樣品表面10 nm以內(nèi)的信息,而在材料分析中深度分析是獲取不同深度下組分和化學(xué)態(tài)信息的重要方法。在XPS深度分析中,有3個(gè)采樣深度值得關(guān)注:(1)0-10 nm,這是基于常規(guī)Al Kα X射線XPS的探測(cè)深度,對(duì)于超薄膜層結(jié)構(gòu)的深度分析可以通過(guò)變角度XPS實(shí)現(xiàn);(2)0-30 nm,這是基于硬X射線XPS (HAXPES)的探測(cè)深度,可以通過(guò)切換X射線能量進(jìn)行無(wú)損深度分析;(3)0-1000 nm,需要采用離子束剝離的破壞性深度剖析。氬離子刻蝕是常用的樣品減薄技術(shù),但是對(duì)于一些氧化物薄膜,氬離子刻蝕存在著擇優(yōu)濺射的問(wèn)題,會(huì)導(dǎo)致部分的金屬氧化物被還原,生成中間價(jià)態(tài)的金屬離子或金屬單質(zhì)。而在微電子行業(yè)中,越來(lái)越多的具有膜層結(jié)構(gòu)信息的超薄膜樣品需要被分析,有損的氬離子刻蝕方法可能并不是很適用,因此,變角度XPS作為一種無(wú)損的檢測(cè)方法是非常適用的。

角度分辨X射線光電子能譜(Angle resolved XPS,ARXPS)是通過(guò)改變光電子起飛角,能量分析器檢測(cè)到樣品表面不同深度區(qū)域激發(fā)出來(lái)的光電子,進(jìn)而得到樣品化學(xué)信息的深度分布。從圖1中可以看出信號(hào)采集的深度與光電子的起飛角度有關(guān),通過(guò)傾斜樣品改變光電子的起飛角度,就可以采集不同深度的成分信息。當(dāng)光電子的起飛角越小時(shí),能量分析器采集的信號(hào)越來(lái)自于樣品表面。

圖1.黑色箭頭指向分析器,箭頭與樣品平面之間的夾角為起飛角θ,d 表示 ARXPS 測(cè)試的探測(cè)深度

ARXPS常用于對(duì)具有不同膜層結(jié)構(gòu)的超薄膜樣品進(jìn)行分析,通常測(cè)試的膜層厚度要小于7.5 nm。如圖2中(a)和(b)所示,當(dāng)樣品的膜層厚度大于7.5 nm時(shí)或樣品表面組分分布比較均勻時(shí),此時(shí)的樣品并不適合ARXPS測(cè)試,主要是由于樣品表面組分分布比較均勻,不同原子(紅色原子和藍(lán)色原子表示)激發(fā)的光電子總信號(hào)強(qiáng)度的比值是不隨起飛角的改變而改變。但是對(duì)于具有不同膜層結(jié)構(gòu)的超薄膜樣品,如圖2(d)和(e)所示,表面紅色原子的信號(hào)強(qiáng)度隨著起飛角的減小而增加,紅色原子與藍(lán)色原子的信號(hào)強(qiáng)度的比值隨起飛角的減小而呈指數(shù)增長(zhǎng)。

圖2.樣品表面的組分分布影響XPS信號(hào)強(qiáng)度與起飛角的關(guān)系

等離子體處理可以對(duì)聚合物表面進(jìn)行改性,是提高材料表面性能的重要改性工藝。以聚苯乙烯為例,經(jīng)過(guò)等離子體處理后,樣品表面的化學(xué)態(tài)發(fā)生了明顯的改變。采用XPS測(cè)試C 1s譜圖對(duì)表面化學(xué)態(tài)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3(a)所示:當(dāng)光電子起飛角為90°時(shí),擬合結(jié)果表明C主要以CHx、C-O/C-N、C=O、N-C=O形式存在,其相對(duì)原子百分含量分別為86.1%、9.5%、1.8%、2.6%。為了提高表面靈敏度,將光電子的起飛角減小到10°,測(cè)試結(jié)果如圖3(b)所示,CHx、C-O/C-N、C=O、N-C=O的相對(duì)原子百分比分別為46.5%、27.2%、11.8%、14.5%,掠出射模式下C-O/C-N、C=O、N-C=O比例的明顯增加表明改性組分主要分布在表面。可見(jiàn)ARXPS減小光電子的起飛角可以明顯提高XPS表面靈敏度。

圖3.等離子體改性后聚苯乙烯樣品的ARXPS測(cè)試結(jié)果對(duì)比

Si晶圓襯底上生長(zhǎng)著一層SiO2氧化層薄膜,通過(guò)傾斜樣品臺(tái)改變光電子起飛角的大小,可以得到薄膜表面到幾納米層厚的成分變化情況。如圖4中(a)所示,當(dāng)光電子起飛角為10°時(shí),Si 2p譜圖主峰位于高結(jié)合端,是來(lái)自于氧化物層SiO2;隨著起飛角的增大,Si 2p譜圖中位于低結(jié)合端的譜峰越來(lái)越明顯,也就是襯底Si單質(zhì)信號(hào)越來(lái)越明顯。圖4(b)展示了ARXPS深度曲線,可以看到ARXPS表征了膜層深度分析,樣品表面SiO2占比較高,而樣品內(nèi)部單質(zhì)Si的占比較高。

圖4.樣品表面Si 2p不同的化學(xué)態(tài)隨起飛角的變化

ARXPS主要用于超薄膜樣品的深度分析。由于ARXPS測(cè)試中,需要傾斜樣品改變光電子起飛角,因此樣品的尺寸無(wú)法太大,同時(shí)也需要標(biāo)準(zhǔn)樣品建立數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算膜層的結(jié)構(gòu)。但是與常規(guī)的氬離子刻蝕方法相比,ARXPS對(duì)超薄膜樣品提供一種非破壞性的深度分析方法。后面章節(jié)中會(huì)有詳細(xì)說(shuō)明如何利用ARXPS計(jì)算薄膜厚度,請(qǐng)持續(xù)關(guān)注更新。

參考資料:

1.https://www.phi。。com/news-and-articles/angle-resolve-part-1-spotlight.html

2. John F. Watts,  John Wolstenholme .An Introduction to Surface Analysis by XPS and AES. Wiley, Rexdale, 2003.

3.John C. Vickerman and Ian S. Gilmore. Surface Analysis : The Principal Techniques.2009.

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