XPS / ESCA

La spectroscopie de photoélectrons X (X-Ray Photoelectron Spectroscopy -XPS- ou encore Electron Spectroscopy for Chemical Analysis -ESCA-) permet de déterminer la composition chimique de la surface d’un matériau sur une profondeur variant de 3 nm à 10 nm. Tous les éléments sont détectables, exceptés l’hydrogène et l’hélium. Les informations obtenues sont : la composition chimique élémentaire (avec un seuil de détection de l’ordre de 0.3 % atomique) et la nature des formes chimiques des éléments présents sur la profondeur analysée. Cette analyse, non destructive, se déroule sous ultra-vide.
   

Applications

 

Cette technique permet l'étude précise de la composition élémentaire et de l'environnement chimique des éléments présents sur les surfaces et les interfaces de matériaux. Trois modes de fonctionnement sont possibles : spectres, images, profils.
Pour les spectres, il est possible de faire varier la profondeur d'analyse entre 3 nm (analyse en angulaire) et 10 nm. L'imagerie peut se faire avec une résolution latérale de quelques micromètres. Les profils quant à eux peuvent être réalisés jusqu'à 1 µm de profondeur, en alternant des séquences d'analyse et d'abrasion.  

  • Analyse de tout matériau compatible avec l’ultravide : isolants, organiques, polymères, poudres, métaux, verres, échantillons biologiques,…
  • Détermination de la composition élémentaire (tous éléments sauf H et He)
  • Analyse quantitative + stœchiométrie (limites de détection : de l’ordre de 0.3 % atomique)
  • Détermination et proportions des fonctions chimiques, degrés d’oxydation
  • Mesure non destructive d’épaisseur de couches minces inférieure à 10 nm par analyse angulaire
  • Profils de distribution en profondeur par analyse angulaire et érosion ionique
  • Imagerie chimique (résolution ‹ 3 µm)
  • Taille d’analyse : 0.5 x 4 mm2 ou 300 x 700 µm2 (en mode µ-spot : 27 x 27 µm2)

Principe de fonctionnement

 

L’échantillon est irradié avec des photons X d’énergie hν provoquant l’ionisation de ses atomes par effet photoélectrique. Lors de l’interaction des photons avec l’atome, une partie de leur énergie sert à rompre la liaison, c’est l’énergie de liaison (EB) ; le reste est transféré à l’électron sous forme d’énergie cinétique (EC). Propulsés dans la matière, ils parcourent une distance, fonction de cette énergie cinétique et du matériau (libre parcours inélastique moyen). Si leur énergie cinétique est suffisante, ils sont extraits du matériau et passent dans le vide. L’analyse de l’énergie cinétique des photoélectrons émis permet de déterminer leur énergie de liaison (EB = hν– EC), caractéristique des atomes émetteurs et de la nature des formes chimiques grâce au déplacement chimique. L’analyse XPS permet donc d’identifier les éléments présents en surface, leurs liaisons chimiques mais aussi leurs concentrations et donc, la stœchiométrie et la composition chimique de surface de l’échantillon.

 

Spectres
Les spectres XPS représentent l’intensité (nombre de photoélectrons) en fonction de leur énergie de liaison. L’identification des éléments présents en surface du matériau est effectuée à partir des pics photoélectriques qui apparaissent sur le spectre de survol.

 spectre_xps

Spectre du pic C1s du carbone du PET
 

Analyse angulaire
La profondeur d’analyse est fonction du libre parcours inélastique moyen des photoélectrons dans le matériau. Lorsque le détecteur d’électrons est à la normale de l’échantillon, la profondeur d’analyse est d’environ 10 nm. En faisant varier l’angle entre le détecteur et la normale à la surface de 0° à 75°, la profondeur d’analyse varie de 10 nm à 3 nm. Ce mode d’analyse permet donc de réaliser des profils non destructifs sur une profondeur de 10 nm à partir de la surface de l’échantillon.
 

Les profils de concentration
Pour obtenir des profils de concentration (dans le cas de dépôts de multi-couches minces par exemple), l’échantillon est bombardé par un faisceau d’ions (Argon) induisant une abrasion à partir de la surface de l’échantillon. L’alternance de cycles d’analyse et d’abrasion permet de reconstituer des profils de concentrations des éléments à travers le multi-couches. Afin de déterminer avec précision la vitesse de décapage, il est nécessaire d’effectuer une calibration à l’aide d’étalons ou de mesurer la profondeur du cratère d’abrasion par des méthodes optiques (interférométrie) ou mécaniques (Talystep).

profil_xps
 

Imagerie
Des images chimiques (2D) peuvent également être réalisées avec une résolution latérale inférieure à 5 µm. On peut ainsi étudier l’homogénéité d’un traitement de surface ou la nature chimique de défauts localisés.

  • Exemple d’une contamination fluorée en surface d’un ‘pad’ d’aluminium Al

 

Aluminium (Al 2p)

Aluminium (Al 2p)


Silicium (Si 2p)

Silicium (Si 2p)


Fluor (F 1s)

Fluor (F 1s)


Superposition des images Si, Al et F

Superposition des images Si, Al et F


Superposition des images Si et Al

Superposition des images Si et Al

 

XPS / ESCA
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