X RAYS PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY

XPS/ESCA

Prof. Dr. FURIO DAMIANI Prof. Dr. PETER JÜRGEN TATSCH

Aluno: Roberto Ribeiro Neli

Campinas, Maio de 2000

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ÍNDICE:

I – GENERALIDADES:

1 - Introdução

2 - Evolução do XPS

3 - Aplicações Típicas

4 - Principio Físico de Funcionamento do ESCA

5 - Emissão de Elétrons

6 – Profundidade de Escape de Elétrons

7 - Principais Características de um XPS

II - INSTRUMENTAÇÃO:

1 - Considerações Experimentais

2 - Preparação da Amostra

3 - Introduzindo a Amostra

4 - Amostras Sujas: Como Limpar as Amostras para Extrair Dados

Úteis

5 - Condições de Vácuo

6 - O Bombeamento

7 - Canhão de Íons

8 - Fonte de Excitação

9 - Analisador

10 - Detetor

11 - Processamento de Dados

III – ANÁLISE:

1 - Quais informações podemos obter dos níveis internos num

espectro XPS

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2 - Quais são as vantagens de se usar o XPS para análise de superfície

3 - Aquisição de Dados

4 - Interpretação dos Espectros

5 - Análise de Dados

6 - Erro de Analise

7 - Quantificação em XPS

8 - Exigências para as Amostras

9 - Informações Suplementares

IV - COMPARAÇÕES COM OUTROS MÉTODOS:

1 - Como a substância química troca informações com o XPS

comparado com outras técnicas de análise de superfície

2 - Outras diferenças importantes entre analises com AES e XPS

V - ALGUMAS APLICACÕES NA MICROELETRÔNICA:

1. Aplicação em Siliceto/Metal

2. ADXPS de Nitreto de Silício

VI - SITUAÇÃO ATUAL DO XPS

1 - O Sistema SAGE 300

VII - BIBL IOGRAFIA

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I – GENERALIDADES:

1 - Introdução:

Corrosão, falha de adesão e corte elétrico são algumas das causas mais

comuns de falhas em dispositivos microeletrônicos e em muitos casos, estas

falhas ocorrem porque a superfície dos dispositivos são expostos a condições

impróprias.

Uma das técnicas usadas para estudar e medir a composição química da

estrutura das camadas superficiais é o ESCA ( electron spectroscopy for chemical

analysis ), também chamado de XPS ( x-ray photoelectron spectroscopy ). A figura

I.1, mostra os fenômenos físicos e as propriedades relacionadas com a

profundidade na qual eles ocorrem.

Figura I.1

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Os dispositivos eletrônicos tornam-se cada vez menores, e com isso, o

tamanho da região a ser analisada também diminui. Desta forma, os problemas

para identificação tornam-se proporcionalmente maiores com a diminuição dos

dispositivos.

O ESCA é usado principalmente nos seguintes campos de aplicação:

corrosão, catalise, materiais, semicondutores, polímeros e fundamentalmente

investigação.

O processo fotoelétrico é um processo de interação direta do fóton com o

átomo. Este é referido como UPS quando luzes ultravioleta incidem na amostra, e

XPS quando são usados raios-x, por esse motivo, em análise de materiais, a

escala de energia do fóton que interessa corresponde a região ultravioleta do raio-

x. A figura I.2 mostra um gráfico de energia, comprimento de onda do espectro de

ondas eletromagnéticas.

FIGURA I.2 - Gráfico de energia, comprimento de onda do espectro de ondas

eletromagnéticas

Na prática se estende de 10 eV, próximo a energia ligante ( 13,6 eV ) do

elétron num átomo de hidrogênio, até energias em torno de 0,1 MeV. Nessas

energias, fótons podem penetrar no sólido e interagir com os elétrons no interior

da superfície. Fótons de baixa energia são utilizados para estabelecer o espectro

visível, associado a elétrons fracamente ligados mais externos. Esses elétrons

mais externos estão envolvidos na ligação química e não estão associados com

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nenhum átomo especifico e consequentemente não são úteis para identificação do

elemento.

A espectroscopia do fóton - induzido vem tendo o maior avanço devido ao

advento dos elétrons síncronos, aos quais produzem uma intensa fonte de fótons

monocromáticos sobre uma ampla faixa de energia. Alguns laboratórios produzem

raios-x na região de 1 - 15KeV.

7

2 - Evolução do XPS:

O XPS / ESCA só começou a ser usado a partir dos anos 50, apesar dos

estudos sobre fotoemissão terem sido iniciados no início do século. Esta técnica

só passou a ser utilizada com o aperfeiçoamento dos sistemas de bombeamento

de UHV ( vácuo ultra alto ), sendo que pesquisadores dirigidos por Siegbahn,

fizeram as primeiras medidas de energia de elétrons liberados por irradiação de

raio-x. Este grupo mostrou, numa série de publicações, que o XPS podia ser

usado para identificar não apenas elementos químicos, mas também, compostos

químicos . Mais tarde, foi descoberto que os fotoelétrons de energia mais baixa

emergiam das camadas mais superficiais dos materiais sólidos.

Com essas descobertas, começaram a aparecer os sistemas comerciais de

XPS no final dos anos 60 e início dos anos 70, com a função de medir as

propriedades dos sólidos. Exemplos de medidas precisas de picos de fotoelétrons

demostraram a habilidade e inabilidade para caracterizar filmes finos. Uma

abordagem sobre o estado-da-arte em instrumentação proporcionará uma noção

correta da energia de UHV e da manipulação das amostras.

3 - Aplicações Típicas:

∙ Análise de contaminação de filmes finos

∙ Medida de composição elementar de materiais isolantes (por exemplo polímeros,

vidros)

∙ Identificação do estado químico de elementos (por exemplo metal ou óxido)

∙ Estimação quantitativa de camadas finas de isolante

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4 - Principio Físico de Funcionamento do ESCA:

A analise de superfície de um material é realizada pelo XPS/ESCA através

da analise de energia de elétrons emitidos de uma amostra atingida por raios-x

monoenegéticos. Raios-x Mg Kα ( 1253,6 eV ) ou Al Kα ( 1486,6 eV ) são os

comumente utilizados. Estes fótons tem uma força de penetração no sólido,

limitada na ordem de 1 a 10 micrômetros. Eles interagem com os átomos na

região da superfície, pelo efeito fotoelétrico, causando a emissão de elétrons.

Esta emissão de elétrons tem a energia cinética dada pela fórmula:

KE = hν - EB - φsp , onde:

KE = energia cinética

h = constante de Planck

ν = freqüência

hν = energia do fóton

EB = energia de ligação

φsp = função de trabalho do espectrômetro

Na figura abaixo, podemos ver um gráfico mostrando esse efeito:

Figura I.3

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A energia de ligação pode ser considerada como a energia de ionização do

átomo. O ESCA reproduz diretamente a estrutura a nível eletrônico, desde as

camadas mais internas até a superfície atômica. Todos os elementos, desde o

Lítio até o mais pesado, podem ser analisados, mesmo que os elementos sejam

só uma parte de um composto químico.

As energias cinéticas do fotoelétron e do elétron Auger são características

de cada elemento; assim a distribuição de energia dos elétrons emitidos revela

todos os elementos presentes na superfície com exceção de H. Na figura I.4 pode-

se observar a intensidade em função da energia cinética dos elétrons como

resultado de uma incidência de raios-x:

- o "background" sobre o lado de baixa energia é mais alto,

- há pequenos picos presentes.

Figura I.4 – Gráfico de Intensidade (vertical ) X Energia (horizontal)

Estes últimos são fotoelétrons que perderam energia durante o caminho à

superfície. Posto que o caminho livre médio desde sua origem até uma colisão

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inelástica é extremamente curto, os elétrons que escapam sem perda de energia

devem ter-se originado em uma camada muito fina de no máximo 3 Å, chamada

profundidade de escape, ver figura I.5. A profundidade de escape em função da

energia é mostrado na figura I.6. Quando um elétron de valência é removido da

ligação química, os elétrons que permanecem são atraídos mais firmemente pelo

núcleo. Isto leva a um incremento da Eb das camadas mais internas. As medidas

desta "variação química" permitem a determinação do estado de tal átomo.

Figura I.5 – Profundidade de escape X Energia Figura I.6 – Profundidade

Para uma determinação quantitativa da composição, se integra a área de

pico depois de subtrair o "background", ver figura I.7. Essas áreas são divididas

por fatores de sensibilidade elementar relativa os quais têm que ser obtidos de

compostos conhecidos estequiométricamente, ver figura I.8. Para uma amostra

que é homogênea dentro do volume analisado se obtém precisões de 5 a 20%.

11

Figura I.7

Figura I.8

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5 - Emissão de Elétrons:

Fotoelétrons são emitidos no processo fotoelétrico e elétrons Auger são

emitidos devido ao relaxamento dos íons energéticos que sobram após a

fotoemissão. Ver figura I.9.

Esta emissão do elétron Auger, ocorre aproximadamente 10 - 14 segundos

após o evento fotoelétrico. A emissão de um fóton de raio-x fluorescente é um

processo insignificante na escala de energia, ocorrendo pelo menos de 1% em

cada vez.

No processo Auger, um elétron cai dentro da vaga orbital interna, e um

segundo elétron é emitido, carregando o excesso de energia. O elétron Auger

possui energia cinética igual a diferença entre a energia do íon inicial e a dupla

carga do íon final, e é independente do modo de ionização inicial. É certo que as

energias dos elétrons emitidos não podem exceder a energia dos fótons

ionizastes.

Figura I.9 – Principio da Fotoemissão

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6 – Profundidade de Escape de Elétrons:

A faixa de energia cinética aproveitável dos fotoelétrons excitados por

radiações características de anôdos de raio-x de magnésio e alumínio está entre

cerca de 100 - 1400 eV (da mesma forma que a faixa de energia cinética mais útil

de elétrons Auger está entre 50-2500 eV). Estas energias de elétrons são

geralmente consideradas consistentes com a alta secção reta de espalhamento

nos sólidos (Figura I.10). Assim, elétrons nesta faixa de energia devem se originar

próximo da superfície. A figura I.10 apresenta alguns resultados da profundidade

de escape médio de elétrons (Auger ou fotoelétrons) em função da energia

cinética [3]. Na faixa de energia de interesse o alcance da profundidade de escape

e de uma a dez monocamadas.

Devemos notar, entretanto, que o espalhamento de elétrons é dependente

da densidade de elétrons do material sólido, bem como da energia cinética. 0

termo "Análise de Superfície" fará referência neste texto as primeiras camadas

atômicas de um material ou a monocamadas em interfaces (Figura I.11).

Figura I.10 - Medidas Experimentais da Profundidade de escape de elétrons

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Figura I.11 – Regime de análise de superfície, filme fino e análise de

volume

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7 - Principais Características de um XPS:

Disponibilidade comercial Muito grande

Análise de dados Biblioteca de dados grande e avançada

Facilidade de Uso Fácil e muito rápido

Danos de excitação Mínimas

Informação Química, Elementar

Análise detalhada Com alguns limites

Vantagem principal Análise espacial

Desvantagem principal Baixa Resolução Espacial

Popularidade Grande

Quantificação Melhor que +/- 10%

Reproducibilidade Alta (erro de 1%)

Profundidade de amostragem 3 - 10 nm.

Resolução Espacial Normalmente 1 - 5 mm, Melhor 5 micro m.

Sensibilidade 0.3 - 0.5%, Pequenas Frações de monocamadas

Preparação da Amostra Fácil

Carregamento da Superfície Em materiais não condutores, Sim.

Estado da Arte Avançado, Estabelecido

Exigências de Vácuo UHV

Gama de Elementos Todos, menos H e He

Destrutivo? Não, mas alguns danos ocorrem em materiais

sensíveis ao raio-x

Análise elementar Sim, Semi-quantitativa sem padronizações; e

Quantitativa com padronizações

Informação da Estrutura Química Sim

Profundidade Analisada 5 - 50 Angstroms.

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Profundidade de Perfil Sim, acima de 50 Angstroms. Maiores

profundidades requerem sputter do perfil

Resolução de profundidade Algumas dezenas de Angstroms; dependendo de

condições

Resolução lateral 5 mm – 75 micro m;

Exigências das Amostras

Materiais compatíveis ao vácuo;

Amostras planas ;

Tamanho aceitado depende de instrumento de

particular usado.

Usos principaisDeterminação da composição do estado químico

elementar no máximo em 30 Angstroms.

Custo $ 200.000 – 1.000.000; dependendo das

capacidades

Tamanho 10' X 12'

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II - INSTRUMENTAÇÃO

Instrumentos de XPS consistem em uma fonte de raio-x, um analisador de

energia para o fotoelétrons, e um detetor de elétron. A análise para identificação

de fotoelétrons requerer que a amostra seja colocada em uma câmara de alto

vácuo. Considerando que a energia de fotoelétron depende de energia do raio-x, a

fonte de excitação deve ser monocromática. A energia do fotoelétron é analisada

por um analisador eletrostático, e o fotoelétrons são identificados por um tubo

multiplicador de elétron ou um detetor multicanal.

Figura II.1 – Elementos básicos de um XPS

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1 - Considerações Experimentais:

Os processos básicos de interesse em espectropia de fotoelétrons são a

absorção de um quantum de energia hν e a ejeção de um elétron, o fotoelétron,

cuja energia cinética, referente a uma energia zero está relacionada à energia de

ligação de um elétron no átomo alvo.

Neste processo, um fóton incidente transfere sua energia total para o

elétron ligado e a identificação do elemento é determinada pela medida da energia

dos elétrons que escapam da amostra sem perda de energia.

Como indicado na figura II.2, a espectropia de fotoelétrons requer uma fonte

de radiação monocromática e um espectrômetro de elétron. Como é comum para

toda espectroscopia de elétron onde a profundidade de escape é 10-20 Å, são

requeridos cuidados na preparação da amostra e do sistema de vácuo puro.

Figura II.2

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2 - Preparação da Amostra:

A maior parte da preparação que ocorre antes da inserção no

espectrômetro é destinada a preparar uma amostra em um manipulador, deste

modo, a superfície a ser estudada é apresentada para análise com mínima

contaminação.

Métodos de moldagem da amostra variam de amostra para amostra e de

um laboratório para outro, e estão freqüentemente sujeitos ao fator humano. O

lugar onde as amostras vão ser analisadas estão normalmente na temperatura

ambiente, isto é, não requerem qualquer tipo de exigências de aquecimento ou

esfriamento.

Espectrômetros modernos fornecem um porta amostra padrão cujo tipo

varia com o fabricante, mas todos tem duas coisas em comum.

Primeiramente, eles tem aspectos tais como: canais ou ranhuras que os

permitem ser transferidos do sistema manipulador de inserção e posteriormente,

existe uma área plana na qual a amostra é realmente colocada.

A diferença aparece na maneira pela qual as amostras formadas

inadequadamente podem ser fixadas nesta área, de modo que os materiais

usados para fixar não interfiram na análise da superfície da amostra. Amostras

planas são sempre mais fáceis, se o lado contrário não é de interesse, elas podem

ficar imobilizadas no porta amostra com uma gota de metanol o qual seca

rapidamente e as segura firmemente mesmo após secagem.

A montagem de amostras formadas irregularmente é uma função da

geometria da amostra individual. Em alguns casos, a amostra pode ser presa de

forma suficientemente firme contra o porta amostra com uma tira simples de algum

metal maleável tal como níquel, o qual pode ser moldado para a forma da

amostra. O final da tira pode também ser ponto de fixação no porta amostra ou

fixado sobre os parafusos.

Em outros casos, pode ser necessário envolver a amostra em folha de

metal, freqüentemente de platina, deixando a superfície de interesse exposta.

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Podem surgir alguns problemas com pós. Se eles não podem ser, ou não

devem ser prensados ou compactados, eles podem ser colocados soltos, em um

encaixe qualquer fixado a um carregador ou parte de um carregador modificado,

mas existem alguns riscos. Se a despressurização inicial da pressão atmosférica

se realiza muito rapidamente, distribuirá muito pó ao redor do sistema de vácuo. É

mais provável que o pó caia quando o carregador for movido ou transferido de

uma parte do espectrômetro para outra. Em algumas configurações do

espectrômetro, a superfície analisada deve ser inclinada a um ângulo de pelo

menos 30°, a qual novamente deve conduzir à distribuição do pó dentro do

sistema. Um meio recomendado de " fixar " um pó para análise é distribuir um

pouco do pó sobre um pedaço de folha de índio, obtendo uma cobertura

aproximadamente uniforme e então pressionar cuidadosamente para baixo a

camada do pó com um pedaço de metal limpo, duro, tal como molibdênio ou

tungstênio. Então a quantidade suficiente do pó se torna embutida na superfície do

índio para dar uma superfície contínua para análise, e o excesso do pó pode ser

retirado. Este método tem a vantagem adicional que a proximidade do índio reduz

efeitos de carregamento de superfície, a qual pode ser rigoroso na análise de pó

soltos.

Na situação mais complicada onde a amostra tem que ser aquecida ou

esfriada, antes ou durante a análise, geralmente a montagem da amostra

necessita de maior precisão. Os programas experimentais envolvendo tais

análises serão de período mais longo do que aquelas, nas quais, as amostras são

transferidas aos carregadores. As amostras são portanto, montadas

individualmente e diretamente no manipulador em vez de ser transferido para ele.

O aquecimento é fornecido indiretamente a um filamento quente, isolado

sobre o substrato que está apoiando a amostra e o esfriamento por passagem de

nitrogênio líquido para dentro de um tanque, a qual o substrato é conectado por

uma fita de cobre.

Em geral é conveniente usar uma sonda ou ligação destinada a um ou

outro, desde que a sonda duplamente proposta tenha limitações inerentes nas

temperaturas que ela pode atuar. Como a temperatura atual alcançada por uma

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amostra durante cada aquecimento ou resfriamento depende muito da extensão

de contato térmico entre a amostra e o substrato, é sempre conveniente (se puder

ser feito sem danificar a amostra), colocar um termopar diretamente a ele, melhor

do que contar com um termopar colocado no substrato. Alternativamente, uma

amostra simulada pode ser usada no princípio, de modo que uma calibração da

temperatura do substrato pode ser obtida em termos da temperatura atual da

amostra.

Um dos aspectos críticos do método de aquecimento da amostra, isto é, por

condução de um substrato aquecido, é que as impurezas presentes no substrato

podem tornar-se móveis à altas temperaturas e contaminar a amostra. É

necessário portanto, quando a etapa de aquecimento é usada primeiro, deixar por

períodos prolongados em temperaturas pré-fixadas em qualquer amostra presente

e cuidar da limpeza da superfície do substrato. Se qualquer espécie contaminante

aparecer e persistir, deve ser removida por bombardeamento de íons. Os ciclos de

aquecimento e bombardeamento de íons dever ser continuo até que a

contaminação não reapareça no aquecimento. Em outras palavras, durante a

operação inicial, o substrato deve ser tratado como se fosse uma amostra e limpo

do mesmo modo. No trabalho experimental básico envolvendo muitos materiais

puros, freqüentemente na forma de cristais singulares, o método de aquecimento

da amostra não é considerado como adequado. Não deveria haver possibilidade

de contaminação de qualquer material e a amostra deve ser aquecida

uniformemente. De acordo com a forma, espessura e natureza da amostra, o

aquecimento pode ser realizado pela passagem de corrente através da amostra,

por condução de suportes aquecidos, por radiação de um filamento quente

adjacente ou por bombardeamento de elétrons de um filamento quente.

Geralmente, os materiais suportadores devem também ser o mesmo e da mesma

pureza como aquela da amostra ou de um metal refratário tal como tungstênio ou

molibdênio que pode ser purificado a uma temperatura alta antes de ser usada

como um suporte.

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3 - Introduzindo a Amostra:

A máquina de ESCA é uma câmara cilíndrica de aproximadamente dois pés

em diâmetro, com paredes de aço sólidas. Em cima da câmara está um canhão de

raios-x e um canhão de íons, ambos alinhado de forma a atingir a internamente a

amostra. Existe também um dispositivo que contém uma câmara de introdução da

amostra, conectado a uma manivela longa, usado para pegar a amostra. Atrás da

máquina está um grande detetor de elétron. A máquina é fixa em uma

escrivaninha sobre a qual está conectado o computador do ESCA e vários painéis

que controlam os canhões de raio-x e de íons.

A câmara do ESCA é projetada para se constantemente em baixas

pressões, assim um sistema extremamente complexo de engrenagem foi

projetado para introduzir amostras na câmara sem que a condição de vácuo seja

perdida. A câmara de introdução é um pequeno compartimento fixado a uma longa

manivela. Na primeira fase de introdução da amostra, a câmara de introdução está

isolada da câmara principal e bombeada com nitrogênio. Enquanto a câmara é

aberta, o fluxo de nitrogênio impede que outros gases entrem na câmara.

Considerando que nitrogênio é fácil de se bombear para fora, o vapor de

água é uma substância que tende a aderir a paredes da câmara o que torna difícil

o seu bombeamento para fora da mesma.

Após colocar a amostra na câmara e lacrar a abertura, o próximo passo é

bombear todo o ar para fora da câmara. Isto é feito por meio de uma bomba

mecânica e leva no máximo alguns minutos. Então, quando uma pressão muito

baixa é atingida, o passo final é abrir a câmara até a câmara principal e posicionar

a amostra.

Aqui a amostra é empurrada para dentro da câmara principal e fixada sobre

um dispositivo que a prende. Esto dispositivo é controlado por dial exteriores que

podem mudar a sua posição e seu ângulo. Considerando-se que o canhão de

raios-x é alinhado na posição correta, a amostra deve ser organizada a uma altura

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e ângulo específicos a fim de ser um bom alvo para os raios-x incidentes. O

canhão de raios-x um feixe largo, assim é bastante fácil de atingir sua amostra no

ponto certo, mas os raios também tendem a atingir a base, sendo que os efeitos

destes raios que atingem a base podem ser ignorados, desde que a base seja

banhada a ouro. Ao analisar os dados, a descoberta de ouro pode ser ignorada.

4 - Amostras Sujas: Como Limpar as Amostras para Extrair Dados Úteis:

Podemos permitir amostras sujas em nossos instrumento? Claro que, no

mundo ideal, isso não é permitido. Porém, o mundo está longe do ideal, assim nós

temos que analisar amostras, mesmo que estejam sujas. Levando em conta que

devemos identificar quais são os elementos que estão contaminando a amostra,

varias técnicas foram produzidas para realizar a remoção das mesmas, entre elas

temos: solventes, substâncias químicas, protoplasmas, laser, CO2, etc. Devemos

então escolher o melhor método para cada caso, lembrando da importância de

estar atento aos efeitos que podem ser causados nas estruturas químicas da

nossa amostra, causado pelo método escolhido.

Uma técnica a ser utilizada para essa limpeza, poderia ser o uso de fluxos

de gás para remover contaminação de partículas da superfície. Soprando a

amostra com a boca era um maneira certa para introduzir contaminação adicional

sobre a superfície de amostra e certos tipos de spray eram bem capazes de

introduzir camadas de carbono sobre a amostra. Uma solução para isso é usar N2

seco.

O uso de solventes mostrou vários tipos de efeitos nas superfícies das

amostra. A contaminação introduzida , ou a oxidação da superfície mostrou ser

dependente do tipo particular de solvente orgânico usado e do grau selecionado.

Acetona é um dos piores solventes orgânicos, deixando muitos resíduos para trás.

Se a utilização da acetona é imprescindível, então deve-se realizar uma limpeza

adicional com metanol. Preocupações ambientais também estão agora fazendo

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limitações na escolha dos solventes. Voltando a levar em conta o mundo ideal,

nós deveríamos estudar a fundo o melhor tipo de solvente mais apropriado para

realizar a remoção de alguma contaminação particular e ter efeitos mínimos nos

resultados obtidos. Isto, entretanto, normalmente é impedido por falta de tempo e

dinheiro.

Foi mostrado um laser de baixa potência, capaz efetuar uma remoção

seletiva de camadas orgânicas de metais e materiais polímeros, contudo era

necessário muito tempo e esforço para calibrar este sistema.

Podemos concluir que devemos lembrar que todo os métodos de limpeza

têm um efeito na amostra, e é muito importante entender os possíveis efeitos de

qualquer limpeza nos resultados.

5 - Condições de Vácuo:

O fato de XPS ser uma técnica sensível a superfície, implica que as

medidas devem ser feitas em um ambiente inerte que não altere a superfície

química. Tipicamente este ambiente e obtido em sistemas de UHV que são

capazes de atingir l0-10 Torr depois de um baking no sistema (onde o sistema

mantêm-se aquecido a cerca de l00 graus Celsius durante aproximadamente l0

horas). Câmaras com sistema de bombeamento iônico e com sistemas para

introdução de amostras alcançam pressões menores de 10-10 Torr minutos depois

da introdução da amostra. Também é necessário remover gases inertes (e.g.

Argônio) depois de se fazer uma corrosão iônica (sputtering) ou manter a pressão

em torno de aproximadamente l0-l0 Torr com o uso de canhões de íons (a ser

discutido) providos com bombeamento de vácuo diferencial. As condições ideais

se obtêm usando-se as chamadas bombas secas: iônica, de sublimação,

turbomoleculares, criogénicas e de sorpção. Os problemas relacionados com

contaminação ficam mais claros, notando-se que, se cada átomo de gás residual

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que se choca com a superfície da amostra for absorvido, uma monocamada (3 a 5

Å) é criada em um intervalo de tempo da ordem de 1 segundo 141.

6 - O Bombeamento:

Introduzindo uma amostra na máquina, quando feito corretamente, ainda

permite uma quantia pequena de contaminantes na câmara principal. Esta área

está sendo constantemente bombeada até a mais baixa pressão possível.

Enquanto a câmara de introdução utiliza uma bomba mecânica, a câmara

principal utiliza em uma bomba de íons.

O objetivo principal bombeando da máquina é retirar moléculas de gás que

estejam vagando na câmara.

A bomba de íons atira elétrons na câmara e carrega estas partículas. Então,

um campo elétrico é aplicado, e arranca as partículas ionizadas da câmara. Gases

estão constantemente vazando de um lugar para. Moléculas livres são fáceis de

serem retiradas, mas vapor de água, graxa, e outros contaminantes podem aderir

nas paredes e na amostra, e são inflexíveis para a bomba. Porém, se a amostra

está limpa e a introdução foi executada corretamente, a bomba de íons deverá

baixar a pressão para até 10-10 torr em questão de minutos. Esta pressão é

absolutamente necessária para executar experiências precisas.

Quando ESCA também torna-se contaminado, a bomba já não pode levar a

câmara até pressões aceitáveis. Neste caso, um a máquina deve ser aquecida por

fora. Este aquecimento é um processo longo e frustrante no qual a câmara é

aquecida e as substâncias contaminantes evaporam e são bombeadas para fora

da máquina.

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7 - Canhão de Íons:

É sempre desejável a possibilidade de limpeza da amostra no ambiente de

análise sob vácuo. Uma importante ferramenta para isso é o canhão de íons para

corrosão iônica. O canhão acelera íons de gás nobre como o Ar que incide sobre a

amostra provocando erosão na mesma. Este processo, denominado sputtering,

permite também o estudo de perfis e interfaces.

8 - Fonte de Excitação:

Uma fonte básica de raios-x consiste num filamento aquecido (catôdo)

emissor de elétrons. Estes elétrons são acelerados para um anôdo sólido,

usualmente resfriado a água. Pelo bombardeamento de elétrons, criam-se lacunas

nos níveis mais internos dos átomos do anôdo. Esses buracos são preenchidos

por transições radiativas de níveis mais altos para os mais baixos com emissão de

raios-x. Em geral são emitidas várias linhas do espectro de raios-x pelo material e

a largura destas linhas também variam. Os materiais mais usados como anôdo

são Al e Mg. Nesses elementos, transições eletrônicas do tipo 2p3/2 ==> 1s e

2pl/2 ==> 1s resultam nas linhas Kαl - Kα2, cujas energias e larguras são

respectivamente:

MgKal,2: 1253,6 eV; 0,7 eV

AlKal,2: 1486,6 eV; 0,8 eV

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Figura II.3 - Fonte de raios-x

Algumas fontes de raios-x disponíveis comercialmente são do tipo que

possuem dois filamentos [5] para o bombardeamento de elétrons duas superfícies

de anôdos, uma de magnésio e outra de alumínio, bem como de outras

combinações de anôdos para trabalho em faixas e larguras de energia específicas

(Y, Zn, Nb, Mo, Ti, Cr, Ni, Cu, Si, etc.). O uso de monocromadores de raios-x

permite estreitamento das larguras das linhas, melhora o sinal/backgroud,

eliminando linhas satélites que confundem a interpretação dos espectros.

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9 - Analisador:

O analisador é, essencialmente, um "filtro" de energia. A amostra excitada

por raios-x, pode emitir elétrons de qualquer orbital cuja energia é menor que hv.

Torna-se então necessário selecionar esses elétrons em energia. Isto é feito

através do analisador. Devido a baixa energia cinética dos elétrons a serem

analisados, e porque campos magnéticos são difíceis de produzir em UHV, os

analisadores são principalmente do tipo eletrostático. Os dois mais importantes

são o analisador de espelhos cilíndricos (CMA) e o analisador de capacitor

esférico (SCA). Ambos são dispersivos, o que quer dizer que a ação de um campo

eletrostático defletor dispersa os elétrons em energia, de tal modo que sob um

dado campo são medidos aqueles com energia dentro numa pequena faixa.

Devido a sua alta transmissão e moderada resolução em energia bem como sua

geometria coaxial, o CMA tem sido atualmente a primeira escolha para AES

(Espectroscopia por Elétrons Auger), enquanto o SCA é sempre preferido para

XPS, devido, particularmente com a adição de lentes, ele pode manter adequada

luminosidade e alta resolução em energia. As figuras II.4 e II.5 mostram os

diagramas eletrônicos dos analisadores CMA e SCA.

Figura II.4 – Esquema eletrônico do CMA (Analisador de Espelhos Cilíndricos)

29

Figura II.5 – Esquema eletrônico do SCA (Analisador de Capacitor Esférico)

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10 - Detetor:

Os elétrons que atravessam o analisador podem estar focados em uma

única fenda ou em várias, após cada fenda haverá um elemento detetor (ex:

channeltron) e depois deste multiplicadores, amplificadores e discriminadores [6].

O detetor pode ser de grande área útil e ter vários canais de processo de sinais

(Multichannel Detector) que permitem taxa maior de contagem (pode detectar

simultaneamente uma faixa de energia de l0 ev ou mais) e sensibilidade elevada,

reduzindo tempo de análise (menos de l0 segundos).

A multiplicidade de canais permite manter alta resolução, o que melhora o

sinal/ruído.

11 - Processamento de Dados:

Uma das grandes importâncias da pesquisas com XPS é a determinação de

ligações químicas das superfícies através de medidas precisas das energias de

pico dos fotoelétrons.

Numa visão prática, podemos considerar que as camadas eletrônicas mais

externas, dividem-se entre os átomos ligados quimicamente. Para compensar

estas mudanças na distribuição da carga atômica durante a ligação, os elétron das

camadas mais internas, sofrem pequenas mudanças de energia (shift). Assim,

podemos relacionar a energia de ligação de estados químicos específicos com a

determinação precisa do pico fotoelétrico de um composto conhecido.

Atualmente os sistemas incorporam computadores principalmente para

remodelamento das curvas. Em sistemas de medidas digitais é conveniente incluir

rotinas tais como aplainamento, diferenciação, deconvolução, e ajuste. Algumas

destas sub-rotinas tipo ajuste e deconvolução, podem dar significantes

contribuições a medidas de picos precisas. Por exemplo, a figura II.6 é uma curva

ajustada por computador para o espectro do carbono 1s de terafilato de

polietileno. Esta rotina matemática resolve completamente três picos associados

com três diferentes estados ligados do carbono.

31

Figura II.6 – Curva ajustada do espectro de carbono 1s

A figura II.7 mostra a distribuição dos diversos instrumentos num

espectrômetro padrão. Além do processamento dos dados, o computador controla

os instrumentos.

Figura II.7 :1 – fonte de raio-x ;2 – analisador e detetor;3 – eletro-multiplicadora;4 – canhão de íons;5 – estágio de amostras;6 – impressora;7 – eletrônica de controle;8 – sistema de UHV.

32

III - ANÁLISE

1 - Quais informações podemos obter dos níveis internos num espectro XPS:

As informações que podem ser obtidas do nível interno num espectro de XPS são:

∙ A energia que liga os elétrons internos;

∙ Os níveis de energia para os elétrons de valência;

∙ A distribuição de elétrons desemparelhados, e estados de spin;

. Identificação de características estruturais;

∙ Estudos dependentes do angulo dos níveis de ligação de um sinal devido a faltas

de homogeneidade na superfície e subsuperfície de uma amostra.

2 - Quais são as vantagens de se usar o XPS para análise de superfície:

As vantagens de se usar uma XPS para análise de superfície, são:

∙ O comportamento sobre toda superfície pode ser estudado pela microanálise;

∙ As camadas da superfície podem ser perfiladas com respeito a profundidade;

∙ Perfis próximos a superfície podem ser obtidos com a ajuda da variação do

angulo de partida;

∙ O uso analítico de ESCA para maiores profundidades pode ser feito com a ajuda

de corrosão de íons;

∙ Quando uma molécula for absorvida em uma superfície, está molécula pode

estar em vários ambientes com substâncias químicas diferentes. A natureza e

população destes locais de absorção diferentes, variarão com parâmetros como

pressão, carregamento e temperatura da amostra. Estas variações podem ser

estudadas com o auxilio do ESCA;

∙ Coleta de dados rápida e instrumentação relativamente simples

∙ Disponibilidade de uma gama extensa de espectros de referência para materiais

diferentes

33

∙ Tratamento teórico bem desenvolvido

∙ Sensível a todos os elementos (menos H e He)

∙ Fotoemissão angular não destrutivo

∙ Permite identificar diferentes mudanças químicas de estados de oxidação formal

3 - Aquisição de Dados:

O computador do ESCA roda vários programas para adquirir dados. A

primeira varredura da amostra irá detectar elétrons com uma energia de ligação

entre 0 e 1000 eV. Estes gráficos mostram um fundo mais ou menos constante

com picos fortes onde foram detectados os fotoelétrons e os elétrons Auger da

amostra. Comparando as posições de pico com quadros do manual do ESCA, os

picos podem ser identificados como vindo de elementos particulares e elétrons de

orbitais particulares. Este espectro é uma boa avaliação da superfície e mostrará

todos os elementos que estão dentro da amostra, da base, e qualquer

contaminante que esteja em grande quantidade na superfície da amostra.

Depois da primeira varredura, a amostra pode ser atingida com um canhão

de íons. Este canhão ioniza átomos de argônio e os arremessa na amostra. Este

feixe de íons é forte o bastante para retirar uma camada grossa da superfície da

amostra para fora, eliminando muito da contaminação e expondo uma superfície

nova. Depois de atingir durante quinze minutos a amostra, picos de contaminantes

desaparecem ou diminuem, e os pico desejados ficam mais fortes.

A outra varredura é chamada de aquisição de multiplex. Este capta uma

gama pequena de energias, normalmente 20 ou 40 eV, e adquire um espectro de

varredura mais detalhado dos picos selecionados.

34

4 - Interpretação dos Espectros:

Um dos fatores chave no desenvolvimento de XPS e Auger como técnica

analítica tem sido o progresso feito na quantificação das medidas [7]. Isto talvez

não seja surpreendente uma vez que a superfície ou interface e a entidade

química mais complexa do sólido. Na quantificação de XPS e Auger, parâmetros

tais como secção reta de excitação, dependência da profundidade de escape com

a energia, função de transmissão do analisador e inomogeneidade química e

física, devem ser levados em conta. A Figura III.1 e um esquema de três

diferentes misturas de elementos A e B que produzem um espectro de elétrons tal

que os picos eletrônicos associados com A e B são de igual intensidade. No caso

descrito, as três condições que poderiam produzir o espectro de elétrons

apresentado, são: (1) a distribuição homogênea de A e B; (2) uma camada fina de

A sobre um substrato de B e (3) microestruturas de A dispersas em uma matriz de

B. Para simplificar, apenas a condição (1) será considerada na discussão

seguinte.

Figura III.1 – Representação esquemático dos três tipos de misturas sólidas

35

5 - Análise de Dados:

O primeiro objetivo em uma experiência com ESCA é determinar a

composição do amostra. Isto pode ser feito pela simples identificação dos maiores

picos apresentados na varredura. Porém, pode-se também achar a concentração

de cada elemento na superfície. Para fazer isto, a varredura multiplex pode ser

importada de um programa de computador chamado Origin. Com este programa,

é possível integrar cada pico e achar a área. Pela soma das áreas dos picos de

cada elemento e comparando os números, as concentrações relativas podem ser

encontradas.

Agora, este número não é necessariamente " número de concentração de

átomos. Esses números podem refletir a reação ao corte transversal de cada

átomo, a sensibilidade para raios-x, e as concentrações na superfície cristalina.

Figura III.2 – Tela do computador após uma medição

36

6 - Erro de Analise:

A seguir estão descritos alguns fatores que podem causar erros nos

cálculos.

A molécula de tantalato de potássio contém três átomos de oxigênio.

Infelizmente, ESCA também é capas de detectar gás de oxigênio, como

também o oxigênio em vapor de água e gás carbônico que comumente

contaminam superfícies.

O ESCA não pode relatar a diferença entre os diferentes tipos de oxigênio,

assim o único modo para realizar uma detecção precisa de oxigênio é ter certeza

de que a superfície esta limpa o suficiente e que a câmara principal bombeou

satisfatoriamente para minimizar que outros tipos de oxigênio sejam detectados.

7 - Quantificação em XPS:

A expressão que relaciona o pico da corrente de fotoelétron (Ip) ao número

de átomos por unidade de volume (n) e:

Ip = k n ν λ L

onde k é uma constante, v é a secção reta de fotoelétron, A é a profundidade de

escape dos elétrons e L é a luminosidade do analisador. Scofield [1] calculou

valores para a secção reta de fotoelétrons e estes cálculos podem ser aplicados

diretamente para a maioria dos analisadores de energia eletrostáticos com óptica

de grade de retardo, a luminosidade é L α Eke-1. A partir dos cálculos de Penn e

medidas experimentais como as representadas na figura III.3, a dependência da

energia de profundidade de escape do elétron pode ser aproximada por 0.75 λ α

EKE.

37

Figura III.3 – Dependência da profundidade de escape de elétrons em

função da energia

A secção reta de fotoelétrons calculada por Scofield poderia ser comparada

como um teste a valores experimentais usando a expressão:

(vl / v2) + (Ipl / Ip2) X (El / E2)0,25

onde 1 e 2 são respectivamente amostra e referência.

Tal comparação é feita na TABELA I.

Definindo um fator de sensibilidade de elementos Sx com a expressão

Sx = k νx Ex0,25

a concentração atômica ou fração Cx torna-se

Cx = (Ix/Sx)/[Somi (Ii/Si)]

onde i é o somatório de todos os elementos.

38

TABELA I

Comparação de Secções Retas Teóricas e Experimentais.

ν1/ν2

(Scofield)

ν1/ν2

(medidas)

Magnésio 2p/1s (anôdo de Al) 0,030 0,033

Cobre 3p/2p3/2 (anôdo de Mg) 0,144 0,146

Zinco 3d/2p3/2 (anôdo de Mg) 0,050 0,054

Germânio 3d/3p3/2 (anôdo de Al) 0,066 0,071

Gálio 3d/2p3/2 (anôdo de Al) 0,051 0,060

Arsênico 3d/2p3/2 (anôdo de Al) 0,067 0,068

Um exemplo da determinação da concentração atômica usando esta

formulação é dado na TABELA II. Valores de fatores de sensibilidade atômica são

dados na TABELA III e estão publicados no "Handbook of X-Ray Photoelectron

Spectroscopy".

TABELA II

Concentrações Atômicas de Polímeros

Volume Altura do Pico Área do Pico

Silicone

Carbono 79.1 75.5 75.8

Silício 10.5 13.2 12.8

Oxigênio 10.4 11.3 11.3

Teflon

Carbono 33.3 36.3 32.3

Fluoreto 66.7 63.7 67.7

39

TABELA III

40

8 - Exigências para as Amostras:

Tamanho da amostra - não pode exceder 1 " (25 mm) em qualquer direção

lateral. Altura não deve exceder ½ " (12 mm).

Compatibilidade da amostra - deve ser compatível com ambiente de alto vácuo

(1x10-10 Torr).

Todas as amostras são bombeadas antes de introdução na câmara de alto

vácuo, na câmara de travamento da amostra. O tempo de introdução das

amostras na câmara de alto vácuo é de 3 min.

9 - Informações Suplementares:

Tempo típico da análise - ½ h. Perfis de profundidade podem levar mais

tempo, dependendo da profundidade total que é analisada.

Reproducibilidade - 10% de erro relativo (erro estimado em análises

repetidas), 20% de erro absoluto (erro entre análise e reconhecimento padrão).

Área mínima de análise - 200 mm.

Resolução angular das medidas está na faixa entre 10º a 80º.

Figura III.3 – Dependência Angular

41

IV - COMPARAÇÕES COM OUTROS MÉTODOS

1 - Como a substância química troca informações com o XPS comparado

com outras técnicas de análise de superfície:

O efeito de troca química é a outra característica que faz do XPS uma

técnica aparte com relação a outras técnicas de caracterização de superfície

conhecidas. Uma diminuição na densidade de elétrons na região de valência ao

redor de um átomo de uma molécula, produz um aumento na energia de ligação

dos elétrons internos. Assim, a mudança na energia de ligação pode ser

interpretada prontamente em termos de conceitos químicos bem definidos.

Freqüentemente, a aplicação rudimentar da intuição química, normalmente é

suficiente para a interpretação de mudanças químicas em XPS. Mudanças

químicas são mais difíceis interpretar em AES.

2 - Outras diferenças importantes entre analises com AES e XPS:

As diferenças mais importantes são explicadas abaixo:

∙ AES tem uma profundidade de fuga menor, desde que os elétrons Auger

tenham energias mais baixas.

∙ Identificação Elementar Rápida: AES tem uma alta taxa de contagem,

consequentemente a técnica é mais rápida. Claro que, a velocidade de

identificação também depende da projeção do elétron analisado, do corte

transversal de ionização e do fluxo do feixe primário.

∙ O analisador de elétron no AES tem a resolução sacrificada para

sensibilidade alta. Em XPS, o analisador de elétron (normalmente um

analisador hemisférico) tem o sinal sacrificado para alta resolução. O

42

analisador em XPS usa uma técnica de pré-retardamento, e

consequentemente a transmissão é somente 0.1%, considerando

que nenhum pré-retardamento é usado no analisador do AES,

consequentemente dando um rendimento de cerca de 5%. Como tal,

a resolução inerente dos espectros não é alta o bastante para

justificar qualquer tentativa de melhorar a resolução em AES.

∙ O fluxo do feixe primário é alto em AES, comparado com o XPS.

Cálculos mostram que o fluxo de fóton típicos XPS Al Kα é da ordem

de 10e-8 Å. Considerando um canhão de elétrons em AES é acima

de 10 micro Å. Novamente, o feixe de elétrons tem a vantagem de

poder ser focalizado, considerando que o feixe de raio-x, enquanto

sendo um fluxo eletromagnético, é difuso, e não pode ser focalizado.

∙ Um das características importantes de XPS (ESCA), não utilizada por todas as

outras técnicas é a sua habilidade para executar medidas de análise de superfície

a níveis de vácuo relativamente moderados. Quando uma excitação por feixe de

elétron é usada, como no AES, o UHV deve ser usado para prevenir formação de

depósitos carbonados na amostra. Porém, a natureza relativamente suave do

feixe de raios-x permite a observação de superfícies durante varias horas a níveis

de vácuo moderados. Como a grande maioria de trabalhos de análise de

superfície não fazem uma limpeza automática da superfície, o UHV é uma

exigência para XPS.

43

V - ALGUMAS APLICACÕES NA MICROELETRÔNICA

1. Aplicação em Siliceto/Metal [7]:

Duas amostras de siliceto de tântalo com propriedades elétricas diferentes

são analisadas. A Figura V.1 mostra o perfil de profundidade química da amostra

"boa" do siliceto sobre Si02. Foram relacionados para serem examinados além do

oxigênio e do tântalo, os estados de ligação do silício (óxido e siliceto).

Figura V.1 – Perfil de Profundidade

O perfil de profundidade indica que o filme de siliceto é de

aproximadamente 164 nm de espessura, e é coberto por uma camada muito fina

de Si02. A presença de uma fina camada superficial de Si02 não era esperada, e

é provavelmente devido a oxidação da superfície no processo. O perfil é composto

de janelas individuais para cada um dos elementos acompanhados. Examinando a

posição dos picos de energia de ligação para os elementos em função da

profundidade de sputtering podem ser obtidas informações condizentes com as

mudanças no ambiente químico dos elementos em função da profundidade de

sputtering. A figura V.2 mostra o espectro de tântalo 4f para a superfície externa e

para o filme de siliceto de tântalo no volume da amostra. O espectro de superfície

mostra a presença de tântalo tanto como Ta205 como siliceto de tântalo. Depois

44

de um curto período de corrosão iônica, o óxido é completamente removido,

revelando uma composição de siliceto de tântalo. A figura V.3 mostra o espectro

de silício 2p tomado da superfície mais externa e no filme de siliceto de tântalo do

volume da amostra. A superfície externa é primeiramente dióxido de silício com

uma pequena quantidade de siliceto de tântalo. Depois silício da corrosão até o

volume, o espectro de tântalo e indicam siliceto de tântalo (muito mais do que

tântalo e silício como elementos). A amostra "ruim" mostrou uma estrutura de

siliceto de apenas 32,5 nm de espessura. A mesma estrutura fina de dióxido de

silício está presente sobre a superfície do filme de siliceto de tântalo. As

diferenças no desempenho elétrico que caracterizou as duas metalizações de

siliceto de tântalo são principalmente devido as diferenças na espessura do filme,

e não tanto devido as diferenças químicas do siliceto ou dióxido de silício residual.

Figura V.2 – Espectro de tântalo 4f

Figura V.3 – Espectro de silício 2p

45

2. ADXPS de Nitreto de Silício [8]:

ADXPS (angular-dependent XPS) permite perfil de profundidade química

não destrutivo em estrutura finas de óxido sobre superfícies de nitreto de silício.

A figura V.4 apresenta dados de ADXPS de nitreto de silício exposto ao ar.

A região do silício 2p mostra a presença de óxido de silício em 103,6 eV e nitreto

de silício a 101, 8eV. A relação entre óxido e nitreto muda no espectro XPS

enquanto o ângulo entre o plano de superfície da amostra e o eixo do analisador

varia de 5° a 90°. O óxido predomina em ângulos rasos de tomada de dados,

indicando que a camada de óxido forma-se sobre o topo do nitreto de silício.

Através destas medidas, estima-se a espessura do óxido como sendo de

aproximadamente 1 nanometro.

Figura V.4 – Espectro de silício 2p a partir de nitreto de silício contaminado

com uma superfície de óxido em função do ângulo de tomada dos fotoelétrons

46

VI - SITUAÇÃO ATUAL DO XPS

A tabela IV dá em formato de matriz, uma visão dos métodos de análises de

composição referentes ao fenômeno físico envolvido. Destacam-se os métodos

que possuem equipamentos comerciais disponíveis no mercado [5]. A tabela

seguinte (tabela V) compara diversas técnicas no que diz respeito a quantificação

e faixa de trabalho. Os custos não estão incluídos pois seu principal montante não

depende diretamente da óptica do equipamento, porém de acessórios para

manipulação de amostras, análises computacionais, cobertura de laboratórios e

pagamentos de seguros sociais [5]. Em geral a facilidade de preparação de

amostras é um bom entendimento das medidas e o mais importante. Deste modo

o preço de um sistema XPS pode custar entre 300 mil dólares a 600 mil, ou a 900

mil combinando-se técnicas. Até o presente momento, o Brasil possui três

sistemas para XPS, o primeiro deles no Instituto de Física da UNICAMP (prof.a.

Sandra de Castro), funciona ainda com computador que armazena os dados em

fita perfurada, o segundo (aproximadamente 5 anos) na CENPES-Petrobrás, e o

terceiro mais recente é formado por equipamentos VSW montado pelo grupo de

pesquisadores da UNICAMP (Prof. Richard Landers), do Departamento de Física

Aplicada, podemos comparar este número com Auger: um na COPPE/UFRJ (Prof.

Wolfgan Losch) e outro no IPT, ambos com aproximadamente l0 anos. Quanto a

SIMS já existiu um sistema "doméstico" na COPPE. Estes sistemas atendem ao

setor metalúrgico, a microeletrônica e à catalises, a indústria e as universidades.

47

TABELA IV

TABELA V

48

Observando-se a Figura VI.1 temos uma idéia dos setores que no Brasil

estão fora das pesquisas (pelo menos nesta área). A Figura VI.2 mostra os países

que operam com análise de superfícies. Estima-se 1% abaixo do equador.

Figura VI.1 – Intensidade das aplicações de analise de superfície no setores

industriais da Grã Bretanha

49

Figura VI.2 - Países que operam instrumentos de análise de superfície

50

1 - O Sistema SAGE 300:

Sistema de inspeção modular ESCA de 12".

O SAGE 300 é um novo sistema de ESCA, compacto desenvolvido a partir

de conceitos básicos do SAGE 100. O SAGE 300 é um sistema ESCA para

análise qualitativa e quantitativa, completamente automatizada, para wafers de até

12". Sua aplicação é dedicada a controle de qualidade.

Características gerais:

∙ Análise rotineira qualitativa e quantitativa, completamente automatizada de

wafers de até 12"

∙ Medidas completamente automatizadas e aquisição de dados e tratamento de

dados feito com base no VACOS (Vacuum and Acquisition Core System)

controlado pelo SpecsCtrl e usando o programa de aquisição de dados SpecsLab.

∙ Capacidade de medida garantida com o wafer em todas as posições.

∙ Alta eficiência de inspeção devido aos ciclos de carregamentos rápidos da wafer

e a rápida aquisição de dados

∙ Interface gráfica fácil de usar.

∙ Controle remoto completo e capacidade de trabalho via internet.

As características de aplicação são:

∙ Controle da superfície do wafer entre os diferentes passos do processo, por

exemplo depois do pré-tratamento.

∙ Analise profunda de concentrações químicas.

∙ Determinação da densidades da camada depois de vários tratamentos.

∙ Controle de qualidade geral em linhas de produção de microeletrônica.

Outras aplicações:

∙ Problemas de adesão em superfícies

∙ Controle da estrutura de superfície metálica, plástica ou de vidro

51

As principais aplicações deste XPS/ESCA são:

Controle de qualidade, produto criando, estudos ambientais e tarefas

rotineiras no campo de análise de superfície, flexibilidade.

Operação computadorizada completa de:

∙ Controle de vácuo

∙ Manipulação de amostras

∙ Aquisição de dados

∙ Dados processados por rotinas de predefinidas

Dados técnicos:

Método Excitação Linha Sinal (cps) Nota

XPS

dE=const.Mg 300 W Ag 3d 5/2 200.000

FWHM

1.00 eV

Vista Superior

52

Visão Lateral

53

VII - BIBL IOGRAFIA:

[1] L. E. Davis, Modern Surface Analysis – Metallurgical Applications...,

ATMS - AIME Short Course, Las Vegas, Nevada, February 23-24, 1980.

.lm0

[2] Peter E. Sobot, A Comparison Of Techniques For Compositional And

Chemical Analysis Of Surfaces, The PHI Interface, Volume 11, Number 2,

Winter 1989.

[3] Gabar A. Somorjai, Chemistry in Two Dimensions - Surfaces, Conett

University Press.

[4] S, C, de Castra, R, Landers, J. D, Rogers, J. S. Sundaram, Análise de

Superfícies e Interfaces, IFGW - UNICAMP, (apostila).

[5] D. Briggs, M. P. Seah, Practical Surface Analysis by Auger and X-Ray

Photoelectron Spectoscropy, Edited by D.Briggs and M. P. Seah.

[6] A, W, Czanderna (Ed), Methods of surface Analysis, Etsevier, New York

(1975).

[7] C. D. Wagner,et. al, Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy,

Perkin-Elmer Corp., Physical Electronics Division, 1980.

[8] Kenneth D. Bomben, Wittiam F. Stickte, Surface – Analysis

Characterization of Thin Films, Microeletronic Manufacturing and Testing,

March, 1987.

[9] J. S. Hammond, W, F. Sickte, Smatt-area ESCA Assesses Chip Failures,

Research & Development, September 1985.

54

[10] Auger Technical Instruction Workshop, Apostila de aula, Perkin-Elmer

Physical Electronics Division, October 1990.

[11]XPS Technical Instruction Workshop, Apostila de aula, Perkin-Elmer

Physical Electronics Division, October 1990.

[12] SIMS Technical Instruction Workshop, Apostila de aula, Perkin-Elmer

Physical Electronics Division, October 1990.

[13] PHI Access DATA SYSTEM, catalogo, Perkin-Elmer Physical

Electronics Division.

[14] Piccolo, Introdução ao ESCA, IE 325/UNICAMP, 1991.

[15] http://www.ukesca.org/news/Newsletter26/Dirty_Samples.html

[16] http://www.scimedia.com/chem-ed/spec/material/xps.htm

[17] http://www.specs.de/

[18] http://www.eng.uc.edu/~vs/xps.html

[19] http://www.mee-inc.com/esca.html

[20] http://www.cem.msu.edu/~garrett/XPS.html

[21] http://garnet.acns.fsu.edu/~pwg9204/esca.htm