X射线光电子能谱仪（XPS）深度剖析技术详解

X射线光电子能谱仪（XPS）深度剖析技术详解

X射线光电子能谱仪（XPS）的深度剖析方法主要包括无损测试和有损测试。其中，无损测试是通过XPS变角分析（Angle Dependent XPS）分析10nm以内的膜层，有损测试则是采用离子源溅射的方式对纳米到微米级的膜层进行深度剖析。以下为XPS变角分析和XPS离子源深度剖析的详细介绍。

XPS变角分析

XPS变角分析的最大优点是测试过程为非破坏性的，得到样品的化学态结果更真实。XPS变角分析信号采集的深度（d）与光电子的起飞角（take off angle，θ）有关，起飞角越小，收集到的信号越靠近表面；起飞角越大，收集到的信号就越深；较大起飞角采集的信号涵盖了较小起飞角所采集的信号，信号叠加则导致变角分析需要标准样品建立数学模型来推测膜层结构。

需要说明的是，光电子的起飞角度是通过旋转样品台来调整，因此XPS变角分析起飞角最大为90°，此时采集的信号主要来自深度范围3λ（λ，非弹性散射平均自由程），对于更深的检测需求无能为力。

图1 XPS变角分析原理（左）及测试案例（右）（图片来源于网络）

XPS离子源深度剖析

通常说的深度剖析狭义上就是指XPS离子源深度剖析。XPS离子源深度剖析是在离子源刻蚀得到一个全新的表面后，通过XPS扫描获得新表面的成分信息，利用离子溅射和X射线扫描分析的周期性循环交替，实现从表面到深度的成分分析。一般来说，刻蚀面的直径至少是采谱面直径的3倍以上，才能保证深度剖析测得的数据准确可靠。离子源深度溅射和剥蚀的方式对样品具有破坏性，但是可以控制每层的刻蚀深度，这一优势极大地扩展了XPS的应用范围。因此，该方法也非常适合用于钝化层深度掺杂、扩散等纳米级和亚微米级的膜层结构或成分梯度变化的分析。

与XPS变角分析不同，离子源深度剖析时要根据样品的材料和分析需求来选择合适的溅射离子源（离子枪）和溅射条件，常用的溅射离子源主要有三种：氩（Ar）单原子离子源、C60团簇离子源、氩气团簇离子源（GCIB）。Ar单原子离子源的能量都集中在一个原子离子上，可以比作步枪，单位面积上的威力比较大，轰击样品表面的原子比较深，溅射剥离样品的速率比较快，缺点是容易破坏分子结构和化学态，尤其是有机材料。GCIB则是上千个原子离子团聚在一起，每个原子离子分配的能量比较小，溅射样品时类似于散弹枪，主要破坏分子浅表面，并且主要破坏分子间作用力，对化学键破坏比较小，适合对样品表面清洁以及对有机材的深度剖析，缺点是对无机材料的溅射速率很慢。

在离子源的选择上，通常Ar单原子离子源适合金属和无机半导体的膜层分析；C60团簇离子源适用于硅酸盐、玻璃样品、复合材料和有机材料的深度剖析；GCIB适合有机材料的深度剖析，比如太阳能光伏材料OLED材料、电池材料的表面SEI膜层结构等。