Die XPS Analyse ist eine oberflächenempfindliche Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und Bindungszustände von Festkörpern. Sie basiert auf der Anregung von Photoelektronen durch Röntgenstrahlen und der Messung ihrer Energie. Die XPS Analyse hat viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Materialwissenschaften, Nanotechnologie, Biomedizin und Halbleiterindustrie.
Die Vorteile von Synchrotronstrahlung für XPS Messungen
Die XPS Analyse basiert auf der Anregung von Photoelektronen durch Röntgenstrahlen und der Messung ihrer Energie. Die Energie der Photoelektronen ist abhängig von der Photonenenergie und dem Element, aus dem die Elektronen ausgestoßen werden. Die Photonenenergie bestimmt auch die Tiefe, aus der die Photoelektronen stammen. Je höher die Photonenenergie, desto tiefer ist die Informationstiefe.
Die meisten Standard-XPS-Analysen verwenden Röntgenröhren als Röntgenquelle, die eine feste Photonenenergie haben. Diese liegt meist zwischen 0 eV und 1500 eV, was einer Informationstiefe von etwa 0 bis 100 Å entspricht. Das bedeutet, dass nur die oberflächennahen Schichten analysiert werden können.
Eine Alternative zu Röntgenröhren ist Synchrotronstrahlung, die aus beschleunigten Elektronen entsteht. Synchrotronstrahlung hat den Vorteil, dass sie eine variable und hohe Photonenenergie hat. Sie kann bis zu mehreren keV erreichen, was einer Informationstiefe von mehreren hundert Å entspricht. Das bedeutet, dass auch tiefere Schichten analysiert werden können.
Synchrotronstrahlung hat noch weitere Vorteile für XPS Messungen. Sie hat eine hohe Intensität und Brillanz, was zu einer besseren Signalqualität führt. Sie hat ebenso eine hohe Polarisation und Monochromatizität, was zu einer besseren Auflösung und Spektreninterpretation führt.
Synchrotronstrahlung ist jedoch nicht ohne Nachteile. Sie erfordert einen sehr hohen technischen und finanziellen Aufwand, da sie nur an speziellen Großforschungsanlagen verfügbar ist. Dazu kommt eine sorgfältige Probenpräparation und -handhabung, da sie empfindlich auf Verunreinigungen reagiert.
Die Einflussfaktoren auf die Informationstiefe bei XPS Analysen
Die Informationstiefe bei XPS Analysen ist die Tiefe, aus der die Photoelektronen stammen, die durch Röntgenstrahlen angeregt werden. Die Informationstiefe hängt von mehreren Faktoren ab, wie z.B. der Photonenenergie, dem Einfallswinkel, dem Material und der Oberflächenbeschaffenheit.
Die Photonenenergie ist einer der wichtigsten Faktoren für die Informationstiefe. Je höher die Photonenenergie, desto tiefer ist die Informationstiefe. Das liegt daran, dass höherenergetische Photoelektronen eine geringere Wechselwirkung mit dem Material haben und somit weniger gestreut oder absorbiert werden. Die Photonenenergie kann durch die Wahl der Röntgenquelle oder durch den Einsatz von Synchrotronstrahlung variiert werden.
Der Einfallswinkel ist ein weiterer Faktor für die Informationstiefe. Je kleiner der Einfallswinkel, desto geringer ist die Informationstiefe. Das liegt daran, dass kleinwinklige Photoelektronen eine kürzere Weglänge im Material haben und somit weniger gestreut oder absorbiert werden. Der Einfallswinkel kann durch die Ausrichtung der Probe oder des Detektors eingestellt werden.
Das Material und die Oberflächenbeschaffenheit sind weitere Faktoren für die Informationstiefe. Je höher die Dichte und die Ordnung des Materials sind, desto geringer ist die Informationstiefe. Das liegt daran, dass dichtere und geordnetere Materialien eine stärkere Wechselwirkung mit den Photoelektronen haben und somit mehr Streuung oder Absorption verursachen. Die Material- und Oberflächenbeschaffenheit können durch verschiedene Probenpräparations- und Behandlungsmethoden beeinflusst werden.
Die Anwendung von XPS Analyse in der Halbleiterindustrie
Die XPS-Analyse ist sehr oberflächenempfindlich (ca. 1-10 Nanometer Informationstiefe) und kann alle Elemente außer Wasserstoff und Helium nachweisen. Sie wird daher häufig in der Halbleiterindustrie eingesetzt, um Oberflächenverunreinigungen, Reinigungsprozesse, Passivierungsschichten oder Plasmabehandlungen zu analysieren. Die XPS-Analyse kann auch den Aufbau von Oberflächen und Beschichtungen untersuchen.
Einige Vorteile der XPS-Analyse für die Halbleiterindustrie sind:
- Sie ist zerstörungsfrei und benötigt keine spezielle Probenvorbereitung.
- Sie kann mit Standard-Röntgenröhren durchgeführt werden, die einen geringeren technischen und finanziellen Aufwand als Synchrotronstrahlung bedeuten.
- Sie kann die Elemente und ihre Bindungs- bzw. Oxidationszustände auf der Oberfläche quantitativ bestimmen.
- Sie kann den Aufbau von Oberflächen und Beschichtungen analysieren, z.B. die Dicke oder die Zusammensetzung von Schichten.