Wichtige Fragen zu XPS-Analyse (ESCA)

Die mittlere freien Weglänge der freigesetzten Elektronen beträgt ca. 1 bis 3 nm. Sie begrenzt die Analysetiefe der Methode auf die obersten atomaren Lagen bis maximal ca. 10 Nanometer. 

Somit ist eine präzise quantitative Erfassung der chemischen Oberflächenzusammensetzung und darüber hinaus auch der Oxidationsstufen und spezifischer Bindungszustände (Chemical Shifts) in diesem Bereich möglich. 

Hierdurch können selbst ultradünne Schichten und Oberflächenmodifikationen bis in den submonolagenen Bereich nachgewiesen werden, z.B. zum Nachweis einer monomolekularen Passivierungschicht von Silber mit schwefelhaltigen organischen Verbindungen (Thiolen).

Wir identifizieren alle vorhandenen Elemente ab einer Konzentration von ca. 0,1 Atomprozent (At-%). (Außer H und He) Durch die Integration der Peakflächen unter Berücksichtigung elementspezifischer Empfindlichkeitsfaktoren bestimmen wir die exakte stöchiometrische Zusammensetzung der Oberfläche.

Die Stärke der XPS-Analyseliegt darin, über die exakte Bindungsenergie von Rumpfelektronen den chemischen Zustand, die Umgebung und den Oxidationszustand eines Atoms zu bestimmen. Durch die Feinvermessung von Element-Peaks lassen sich so präzise Informationen über die jeweiligen Bindungszustände gewinnen.

Beispiele:

• Liegt Silizium als reines Element (Si) oder als Siliziumdioxid (SiO₂) vor?
• Wie ist der Oxidationszustand von z.B. Chrom?
• Bei Aluminium lässt sich bereits im Übersichtsspektrum metallisches Aluminium von Aluminiumoxid unterscheiden.
• Welche funktionellen Gruppen (z. B. Carboxyl- oder Aminogruppen) befinden sich auf einer modifizierten Polymeroberfläche? Auch organische funktionelle Gruppen (wie C-C, C-O, C=O oder O-C=O) lassen sich im Kohlenstoff-Signal (C 1s) sauber voneinander trennen und quantifizieren.

• Schichten bis ca. 10 nm: Aus dem Verhältnis der Konzentration der Elemente. Bei  Schichtdicken bis ca. 10 nm kann aus dem Verhältnis der Elemente zum Untergrung bzw. des Anteils des Oxids zum Metall die Schichtdicke bestimmt werden. z.B. kann die Passivschicht (Al₂O₃) auf Aluminium bei Schichtdicken unter 7 nm direkt aus dem Übersichtsspektrum berechnet werden. Bei Edelstahl werden zur Schichtdickenbestimmung die genauen Bindungenergien mittels Detailspektren gemessen.
• Sputter-Tiefenprofile: Schichtdicken > ca. 10 nm können mittels XPS-Sputtertiefenprofilierung bestimmt werden, bei der ein Tiefenprofil durch sukzessives Argonionen-Sputtern mit XPS-Analyse zwischen den Einzelschritten erstellt werden kann.

Die XPS-Analyse eignet sich für nahezu alle vakuumstabilen Feststoffe:

• Metalle & Oxide: Reine Metalle, technische Legierungen und metallische Oxidschichten.

• Halbleiter: Wafermaterialien, mikroelektronische Bauteile

• Gläser und technische Keramiken

• Kunststoffe & Verbundstoffe: Polymere, Verbundwerkstoffe, funktionale Folien und beschichtete Membranen, auch zur Analyse zu Veränderungen z.B: nach Plasmabehandlung.

• Rückstände: Rückstände von Gleitmitteln und Ölen, Verunreinigung.

Die Präparation von Pulverproben ist möglich.

Die maximale Höhe der Probe beträgt bei uns ca. 7 mm.

Ja, hierfür stehen zwei Methoden zur Verfügung:

• Imaging: lokale Verteilung eines Elements, z.B. auch um kleine Probenbereiche, wie z.B. Bondpads oder Fehlstellen, zielsicher einzustellen um sie zu analysieren. Sehr schnelle Messung.
• Mapping: Schichtdicken > 10 nm können mittels XPS-Sputtertiefenprofilierung bestimmt werden, bei der ein Tiefenprofil durch sukzessives Argonionen-Sputtern mit XPS-Analyse zwischen den Einzelschritten erstellt werden kann.

Der Spotbereich liegt typischer Weise zwischen 300 µm x 700 µm und 55 µm x 55 µm, kann aber noch verkleinert werden. Um sicherzustellen, dass exakt an der richtigen Stelle gemessen wird, kann der zu untersuchende Bereich mittels Imaging (Elementverteilungsbild eines Elements) genau lokalisiert werden. (z.B. für Analysen auf Bondpads)

Die Methode basiert auf dem photoelektrischen Effekt. Im XPS-Spektrometer wird die Probe im Ultrahochvakuum (UHV) mit weicher Röntgenstrahlung (monoenergetische Aluminium-Kα-Strahlung) bestrahlt.

1. Anregung: Die Röntgenquanten dringen in die Oberfläche ein und wechselwirken mit den Elektronen der inneren Schalen der Oberflächenatome.

2. Emission: Wenn die Energie des Röntgenquants groß genug ist, wird ein Elektron – ein sogenanntes Photoelektron – aus dem Atom herausgeschlagen.

3. Messung: Das freigesetzte Elektron verlässt die Probe und wird von einem Detektor (Halbkugelanalysator) erfasst. Der Detektor misst die kinetische Energie des Elektrons.

Da die Energie der primären Röntgenstrahlung bekannt ist, lässt sich durch eine einfache Subtraktion die Bindungsenergie des Elektrons berechnen. Diese Bindungsenergie ist wie ein atomarer Fingerabdruck: Jedes Element des Periodensystems besitzt eine charakteristische Konfiguration von Bindungsenergien.