簡介

在過去傳統工業上,很少有討論材料表面特性的機會,但是隨著工業產品漸漸趨於輕薄短小,表面積比例逐漸增大,材料表面及界面間的特性也愈顯重要,它們直接、間接地成為影響產品好壞的因素,甚至是重要關鍵。例如,電子元件材料或薄膜材料,若能夠瞭解其表面及介面的微細結構、化學成分與化學態,對於產品的開發或產品故障分析均有非常大的幫助。因此,ESCA的發展逐漸受到大家的重視,此篇報告即是對ESCA的原理及應用作一個簡單的報導。

ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), 化學分析電子儀,又稱為X光光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy) 化學分析電子儀是一種對試片表面特性很靈敏的工具,其原理發現得很早,但自1960年代末期才普遍用於表面分析工作,其對於表面分析是一項極大的利器。

 

原理

當原子受到X光照射,若X光能量大於內層Z軌域電子束縛能,Ez,則Z電子可被游離成為自由電子,此即是光電子,由於是以X光激發光電子,所以此光電效應稱之為X光光電子能譜,因能量守恆原理,故光電子動能可由下式表示:

                                           Ek=hv-Ez

                                           Ek:光電子動能

                                           hPlanck常數

                                          vX光頻率

又因光電子發射自固態表面,故考慮電子脫離固體表面位能束縛的功函數w

                                          Ek=hv-Ez-w

由於各元素有不同的特定電子束縛能,Em因元素種類的變化而不同,故檢測光電子的動能可以鑑定試片的元素種類。

       

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化學位移

化合物中的原子因價電子參與鍵結而有電子交互傳輸的現象,所以原子不呈電中性,因電性強的元素會因此具負電荷,相反地,陰電性弱的元素會具正電荷,內層電子會受到此靜電力場影響,能階因而產生了變化,正電荷將導致元素光電子動能的減少,換言之,分析者所量測到的光電子束縛能會較原子態的電阻束縛能為高,反之,具負電荷的元素所量測到的光電子束縛能會往低能處遷移。

       因為每一化合物各個元素周圍的化學環境均有很大的不同,所以我們可由此特性來辨別其ESCA圖譜。舉例來說,通常一元素接有強陰電性原子,會改變此元素的束縛能,接有較多陰電性原子或較強陰電性原子者,含有較高的束縛能,接有較少的陰電性原子或較弱陰電性原子,含有較低的束縛能。一般以一個通則,來推判化合物因化學態或氧化態的改變所造成電子束縛能的變化方向,當價電子被游離或氧化態增加時,電子束縛能會朝高位能移動,相反地,價電子增加或氧化態減少時,電子束縛能會減小。

        舉例說明,如下圖,此為CF3COOCH2CH3分子。由圖我們可以看出,由於F的電負度大於O和H,所以知其拉電子之強弱程度為F>O>H,故接有三個F的碳有較高的化學位移(chemical shift),接有O的碳次之,接H的碳之化學位移最低。由此例可知我們可由ESCA圖譜判定不同氧化態,即不同化學環境的碳,如此可作為分析表面狀態的依據。另以一標準ESCA圖譜作為參考。

       

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儀器構造及功能

 

由圖的平面示意圖作說明,左邊由電子束或X-ray等激發源,去撞擊表面原子而激發出光電子,由右邊的電子能量分析儀分析其特性的動能,即可知到表面原子是何種元素。

 

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優點

1. ESCA是一種對試片表面非常靈敏的分析儀器。

2. 可分析厚度50A以內的元素。

3. 由於ESCA的光電子發生過程只牽涉到一個電子,因此週期表上的所有元素均可產生光電子,故其可測量所有的元素。

4. 由於ESCA光電子的產生機構簡單,其能譜訊號峰簡單易辨,當原子的化學環境產生了變化,例如氧化態,其光電子訊號峰的改變不會很複雜。

5. ESCA可分析被測物的表面元素,若有充分數據也可分析化合物的化學態及其價數,也可分析導體與非導體材料。

 

注意事項

1. 須保持試片表面的原狀和清潔。若試片處理不當,例如手指接觸到試片表面,ESCA會檢測出汗漬或油漬的氯、鈉、碳等外來的污染元素,如此會影響分析結果。

2. 系統壓力要保持在10-9torr的超高真空系統下。如此低壓可減少試片污染、減少雜訊、增加訊號靈敏度。

 

應用例子

1. ESCA可分析材料表面的化學態,如金屬氧化過程ESCA偏析

2. 可利用ESCA所測得的數據,而進一步算出晶片表面被氧化的差異。