表面形貌及成分分析.docx

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表面形貌及成分分析

有关材料及零部件的检测和失效分析欢迎来电。

表面形貌及成分分析

通过分析样品的表面/或近表面来表征材料。

基于您所需要的资料,我们可以为您的项目选择最佳的分析技术。

我们的绝大部分的技术使用固体样品，有时会用少的液体样品来获取固体表面的化学信息。

在许多情况下材料表征和表面分析是很好的选择，绝大大部分属于两类:

1）已知自己拥有什么样的材料，但是想要更多关于具体性能的信息，比如界面锐度、剖面分布、形态、晶体结构、厚度、应力以及质量。

2）您有对之不是完全了解的材料，想找出有关它的成份、沾污、残留物、界面层、杂质等。

光学显微镜（OM）检查

技术原理：

光学显微镜的成像原理，是利用可见光照射在试片表面造成局部散射或反射来形成不同的对比，然而因为可见光的波长高达4000-7000埃，在分辨率（或谓鉴别率、解像能，指两点能被分辨的最近距离）的考虑上，自然是最差的。

在一般的操作下，由于肉眼的鉴别率仅有0.2mm，当光学显微镜的最佳分辨率只有0.2um时，理论上的最高放大倍率只有1000X，放大倍率有限，但视野却反而是各种成像系统中最大的，这说明了光学显微镜的观察事实上仍能提供许多初步的结构数据。

显微镜

应用范围主要优点

光学显微镜的放大倍率及分辨率，虽无法满足许多材料表面观察之需求，但仍广泛应用于下列之各项应用，例如：

1）PCB表面质量及可焊性测试检查

2）PCBA、电子元器件金相切片观察、染色实验检查

2）IC开封后观察

3）金属材料金相分析、晶粒度检查、孔隙率检查、非金属夹杂物检查、断口观察

4）涂/镀层厚度测量

激光共聚焦显微镜（CLSM）

激光扫描显微镜，可通过彩色处理系统获得与电子扫描显微镜相媲美的图像，实现非接触式3D测量。

并且不用花费大量的人力和时间就可轻松快捷的操作。

也不需要对物体预先进行蒸金、切断、拆卸等预处理。

作为测量机器最重要的是起决定性功能的分辨率，它决定“能准确测量到何种程度”。

激光共聚焦显微镜以1nm分辨率的良好口啤，能进行远远优于传统的高精度测量。

激光共聚焦显微镜原理图

激光共聚焦显微镜原理图

应用范围

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轮廓测量-高度测量，宽度测量，横截面测量，形状角度测量，R值测量

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粗糙度测量-线条粗糙度测量，表面粗糙度测量

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3D测量-体积测量，表面积测量，面积：

表面积之比*测量

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自动宽度测量-自动宽度测量，自动高度测量

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比较测量-对两个物体进行比较，可测量出差异。

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2D+3D测量-在2D和3D图像上，可设定测量部分。

高度、宽度和横截面测量线条粗糙度测量体积测量

高度、宽度和横截面测量

线条粗糙度测量

体积测量

自动宽度测量轮廓比较测量2D+3D测量

自动宽度测量

轮廓比较测量

2D+3D测量

X射线荧光分析（XRF）

X射线荧光分析（XRF）

X射线荧光分析（XRF）是一种用于量化固态和液态样品的元素组成的非破坏性的技术。

X射线被用于激发样品上的原子，使之放射出带有存在的每种元素能量特征的X射线。

然后测量这些X射线的能量及强度。

XRF能够探测浓度范围从PPM到100%的Na-U元素。

通过使用适当的参考标准,XRF可以准确的量化固态和液态样品的元素组成。

通过使用适当的参考标准,XRF可以准确的量化固态和液态样品的元素组成。

应用范围主要优点技术参数

XRF应用：

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定性、半定量元素分析

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测量达到几个微米的金属薄膜的厚度

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金属合金的鉴定

XRF应用优点：

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分析速度高。

测定用时与测定精密度有关，但一般都很短，2～5分钟就可以测完样品中的全部待测元素。

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非破坏性分析

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制样简单，固体、粉末、液体样品等都可以进行分析

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X射线荧光光谱跟样品的化学结合状态无关，而且跟固体、粉末、液体及晶质、非晶质等物质的状态也基本上没有关系。

XRF应用局限性：

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不能探测比Na轻的元素

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难于作绝对分析，故定量分析需要标样

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无剖面成像能力

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容易受相互元素干扰和叠加峰影响

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能分析试样深度为10μm至30μm

表面形貌及成分分析

   通过分析样品的表面/或近表面来表征材料。

基于您所需要的资料,我们可以为您的项目选择最佳的分析技术。

我们的绝大部分的技术使用固体样品，有时会用少的液体样品来获取固体表面的化学信息。

在许多情况下材料表征和表面分析是很好的选择，绝大大部分属于两类:

1）已知自己拥有什么样的材料，但是想要更多关于具体性能的信息，比如界面锐度、剖面分布、形态、晶体结构、厚度、应力以及质量。

2）您有对之不是完全了解的材料，想找出有关它的成份、沾污、残留物、界面层、杂质等。

光学显微镜（OM）检查

技术原理：

光学显微镜的成像原理，是利用可见光照射在试片表面造成局部散射或反射来形成不同的对比，然而因为可见光的波长高达4000-7000埃，在分辨率（或谓鉴别率、解像能，指两点能被分辨的最近距离）的考虑上，自然是最差的。

在一般的操作下，由于肉眼的鉴别率仅有0.2mm，当光学显微镜的最佳分辨率只有0.2um时，理论上的最高放大倍率只有1000X，放大倍率有限，但视野却反而是各种成像系统中最大的，这说明了光学显微镜的观察事实上仍能提供许多初步的结构数据。

∙应用范围

光学显微镜的放大倍率及分辨率，虽无法满足许多材料表面观察之需求，但仍广泛应用于下列之各项应用，例如：

1）PCB表面质量及可焊性测试检查

2）PCBA、电子元器件金相切片观察、染色实验检查

2）IC开封后观察

3）金属材料金相分析、晶粒度检查、孔隙率检查、非金属夹杂物检查、断口观察

4）涂/镀层厚度测量

∙主要优点

光学显微镜的成像原理，是利用可见光照射在试片表面造成局部散射或反射来形成不同的对比，然而因为可见光的波长高达4000-7000埃，在分辨率（或谓鉴别率、解像能，指两点能被分辨的最近距离）的考虑上，自然是最差的。

在一般的操作下，由于肉眼的鉴别率仅有0.2mm，当光学显微镜的最佳分辨率只有0.2

扫描电子显微镜/X射线能谱仪（SEM/EDS）

    扫描电子显微镜/X射线能谱仪（SEM/EDS）是依据电子与物质的相互作用。

当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。

原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。

SEM/EDS正是根据上述不同信息产生的机理，对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息，对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。

电子束激发样品表面示意图

 应用范围

主要特点：

1．样品制备简单，测试周期短；

2．景深大，有很强的立体感，适于观察像断口那样的粗糙表面；

3．可进行材料表面组织的定性、半定量分析；

4．既保证高电压下的高分辨率，也可提供低电压下高质量的图像； 

 主要优点

技术参数：

分辨率：

高压模式：

3nm，低压模式：

4nm

俄歇电子能谱（AES,Auger）

  俄歇电子能谱（AES、Auger）是一种利用高能电子束为激发源的表面分析技术.AES分析区域受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子。

   AES电子束可以扫描一块或大或小的表面.它也可以直接聚焦在小块表面形貌上（半导体产业经常要求这样）。

聚焦电子束斑到10nm或更小的直径使得AES成为小表面形貌元素分析的非常有用的工具。

此外，它能够在可调整的表面区域内栅蔽电子束从而控制分析区域的尺寸。

当用来与溅射离子源的结合时,AES能胜任大、小面积的深度剖面。

当与聚焦离子束（FIB）一起使用时,它对于截面分析是很有用的。

AES点扫描成分分析图谱

AES深度溅射氧化铝厚度测量

AES线扫描成分分析图谱

AES面扫描成分分析图谱

AES分析表面异物

应用范围：

  缺陷分析 

 颗粒分析 

  表面分析 

 小面积深度剖面 

 工艺控制 

 薄膜成分分析

AES优点：

 小面积分析（30纳米） 

 良好的表面灵敏度 

 良好的深度分辨率

X射线光电子能谱/电子光谱化学分析仪（XPS/ESCA）

 X射线光电子能谱（XPS）,也称为电子光谱化学分析仪（ESCA），用来测量定量原子组成和化学成分。

它是取样范围从表面到深度大约50-70Å的分析技术。

或者,XPS也可用通过量化材料本体级分子进行特征化薄膜溅射深度剖面。

XPS是一种元素分析技术,提供独特的被检测元素的化学状态信息，如，测量硫元素中硫酸盐和硫化物的形式。

这个过程是用单色X射线照射样品而产生散射光电子,这些光电子释放的能量是取样范围内元素的特征。

   利用这项技术在不同领域的多种应用中帮助客户研发以及发展工艺:

• 测量表面成分及化学状态信息

• 描述清洁过程 

• 分析粉末和碎片的主成分 

• 有机材料、无机材料、污点、残留物的表面分析，识别污染源 

• 识别和量化表面变化前后聚合物的功能性检测 

• 测量硬盘上的润滑剂厚度 

• 为材料本体水平元素获取薄膜（导电的和非导电的）深度剖面

• 薄膜氧化物厚度测量（SiO2,Al2O3等.）或估算两个样品氧化层厚度的不同

• 检测极限通常在~0.01%，最小的分析面积是~10µm

应用范围

 XPS/ESCA分析优点：

 表面化学状态识别 

 除H和He外，所有元素的识别 

 定量分析，包括样品间化学状态的不同 

 适用于多种材料，包括绝缘样品（纸，塑料、玻璃） 

 材料本体水平浓度的深度 

 氧化物厚度测量

   这些对产品化学成份的见解可以使您的产品、工艺更快地改进，减少周转时间并节省成本。

应用图谱：

XPS分析图谱

XPS深度剖面分析图谱

主要优点

 工作原理：

二次离子质谱（SIMS）

   二次离子质谱分析技术（SIMS）是用来检测低浓度掺杂剂和杂质的分析技术。

它可以提供范围在数埃至数十微米内的元素深度分布。

SIMS是通过一束初级离子来溅射样品表面。

二次离子在溅射过程中形成并被质谱仪提取分析.这些二次离子的浓度范围可以高达被分析物本体水平或低于ppm痕量级以下。

   SIMS可帮助客户解决产品研发、质量控制、失效分析、故障排除和工艺监测中的问题。

二次离子激发示意图

应用范围

 SIMS应用：

 掺杂剂与杂质的深度剖析 

 薄膜的成份及杂质测定（金属、电介质、锗化硅、III-V族、II-V族） 

 超薄薄膜、浅植入的超高深度辨析率剖析 

 硅材料整体分析，包含B,C,O,以及N 

 工艺工具（离子植入）的高精度分析

主要优点

SIMS应用优点：

 优异的掺杂剂和杂质检测灵敏度。

可以检测到ppm或更低的浓度 

 深度剖析具有良好的检测限制和深度辨析率 

 小面积分析（10µm或更大） 

 检测包含H在内的元素及同位素

技术参数

应用局限性：

 破坏性分析 

 无化学键联信息 

 只能分析元素 

 样品必须是固态以及真空兼容 

 要分析的元素必需是已知的

飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）

飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）

   TOF-SIMS（TimeofFlightSecondaryIonMassSpectrometry）采用一次的脉冲离子源激发固体表面的原子和分子基团脱附或离化。

所产生的二次离子被加速到在质谱仪中，并按照从样品到检测器的飞行时间而分离。

细聚焦的离子束在样品表面扫描形成成分图。

深度分布用离子束将材料表面一层层除去的同时分析该层的质谱图而构建。

典型图谱：

表面痕量元素分析

∙应用范围

 主要用途：

 定性、定量分析，痕量杂质分析 

 并行性分析原子和分子基团,有机物和无机物分析

 检测和分辨所有的元素和同位素

 识别高分子量有机分子

 深度剖面分析

 检测限达到十亿分之一（ppb）

 二维和三维表征

X射线荧光分析（XRF）

X射线荧光分析（XRF）

   X射线荧光分析（XRF）是一种用于量化固态和液态样品的元素组成的非破坏性的技术。

X射线被用于激发样品上的原子，使之放射出带有存在的每种元素能量特征的X射线。

然后测量这些X射线的能量及强度。

XRF能够探测浓度范围从PPM到100%的Na-U元素。

通过使用适当的参考标准,XRF可以准确的量化固态和液态样品的元素组成。

通过使用适当的参考标准,XRF可以准确的量化固态和液态样品的元素组成。

应用范围

 XRF应用：

 定性、半定量元素分析 

 测量达到几个微米的金属薄膜的厚度

 金属合金的鉴定

 XRF应用优点：

 分析速度高。

测定用时与测定精密度有关，但一般都很短，2～5分钟就可以测完样品中的全部待测元素。

 非破坏性分析

 制样简单，固体、粉末、液体样品等都可以进行分析

 X射线荧光光谱跟样品的化学结合状态无关，而且跟固体、粉末、液体及晶质、非晶质等物质的状态也基本上没有关系。

技术参数

 XRF应用局限性：

 不能探测比Na轻的元素 

 难于作绝对分析，故定量分析需要标样 

 无剖面成像能力

 容易受相互元素干扰和叠加峰影响

 能分析试样深度为10µm至30µm

 扫描探针显微镜/原子力显微镜（AFM）

 扫描探针显微镜，俗称原子力显微镜（AFM）,提供原子或接近原子分辨率的表面图形，是测定埃尺度表面粗糙样本的理想技术。

除显示表面图像,AFM还可以提供特征尺寸定量测量，例如步进高度测量；其他样本特性，如为确定载体和掺杂剂的分布和测量电容。

AFM测试原理图

应用范围

 AFM应用：

 三维表面结构图像，包含表面粗糙度、微粒尺寸、步进高度、倾斜度 

 加工前后晶圆上（二氧化硅、砷化镓、锗化硅等）评估 

 测定接触镜片、导管、支架和其他生物医药表面的加工效果（如等离子处理） 

 测定表面粗糙度对粘合和其他工艺的影响 

 测定有图案晶圆的沟壁形状/洁净度 

 测定形态/结构是否为表面几何形状的来源 

主要优点

 AFM应用优点：

 量化表面粗糙程度 

 高空间辨析率 

 导体和绝缘体样品的成像

技术参数

 AFM应用局限性：

 扫描范围限制：

横坐标100微米，Z轴5微米 

 样品的潜在问题是太粗糙、样品形状古怪 

 针头可能引起的误差

激光共聚焦显微镜（CLSM）

  激光扫描显微镜，可通过彩色处理系统获得与电子扫描显微镜相媲美的图像，实现非接触式3D测量。

并且不用花费大量的人力和时间就可轻松快捷的操作。

也不需要对物体预先进行蒸金、切断、拆卸等预处理。

   作为测量机器最重要的是起决定性功能的分辨率，它决定“能准确测量到何种程度”。

激光共聚焦显微镜以1nm分辨率的良好口啤，能进行远远优于传统的高精度测量。

激光共聚焦显微镜原理图

∙应用范围

 轮廓测量-高度测量，宽度测量，横截面测量，形状角度测量，R值测量

 粗糙度测量-线条粗糙度测量，表面粗糙度测量

 3D测量-体积测量，表面积测量，面积：

表面积之比*测量

 自动宽度测量-自动宽度测量，自动高度测量

 比较测量-对两个物体进行比较，可测量出差异。

 2D+3D测量-在2D和3D图像上，可设定测量部分。

高度、宽度和横截面测量

线条粗糙度测量

体积测量

自动宽度测量

轮廓比较测量

2D+3D测量

塑料表面白色物质原因分析

目的：

客户要求对表面有液体及表面有白色粉末区域取样后,对该物质进成分分析，初步判断其的主要来源

测试结果：

本案例使用显微红外进行成分分析，从红外谱图上分析，液体的主成分可能是磷酸类物质，白色粉末的主成分为磷酸盐。

主要原因是磷在空气中易吸水形成磷酸，而磷酸是一种更易吸水的物质，形成液滴在样品表面。

磷酸在空气中与粉尘杂质等混合，干燥后容易形成白色的磷酸盐。

测试图片：

表面残留液体的样品

表面残留白色粉末的样品

表面液体FTIR图谱-磷酸类物质

表面白色粉末FTIR图谱-磷酸盐

金属端子表面变色原因分析

目的：

金属端子在仓库中存放一段时间后，发现边缘部位颜色发黑，委托方希望知道此发黑部位成分及形成原因。

测试结果：

通过使用SEM/EDS对变色和正常部位进行形貌和成分分析，发现变色部位表面粗超度明显大于正常部位，成分测试结果表面变色部位含有大量的硫元素（S）,硫元素与样品表面的银元素反应，生成化合物-AgS，AgS的颜色为黑色。

初步怀疑存放金属端子的环境中有较高浓度的含硫物质，而银是极易与硫发生反应的物质。

测试图片：

测试样品端口形貌

正常部位成分分析

变色部位成分分析

气相色谱-质谱分析法（GC/MS）

   GC/MS识别挥发性和半挥发性的化合物并用温控气相色谱仪把它们分为独立的成分。

在此过程中,一个样品被注入色谱仪（或者它可能来自另一个采样器件）并经过层析柱，当它以不同的速率通过时把混合物分为独立成份,结果是对组成成分的定量分析以及各成分的质谱分析。

因为化合物的形式千变万化,他们往往不能由某一特定的方法分析。

  动态顶空分析（HSA）,主要用来分析母体上的挥发性化合物，它们不能被直接注入气相色谱仪，包括聚合物、电子元件、晶圆、医疗器械、周围环境下的样品都不适合直接注入。

在动态顶空分析中，样品放入一个封闭容器中在指定时间下加热到指定的温度。

然后用GC/MS分析除过气的化合物。

  高温分解非挥发性有机化合物，如木材、纸张或聚合物。

使用这项技术，样品被快速加热到750ºC或者更高，以便把它分解成更小更具挥发性的碎片。

高温分解被频繁用于检测添加剂的材料，如增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂、紫外线稳定剂或者是应用于布料样品的胶料处理。

  固体探测是一种挥发性技术,把非挥发性样品放置在质谱仪离子源附近的真空环境下，随着分子在加热期间的挥发，它们不断地进入质谱仪的离子源被电离，类似于GC/MS的技术水准。

这种技术的缺点是没有分离步骤。

应用范围

 GC/MS的主要用途：

 识别并量化混合物中的挥发性有机化合物 

 除气研究 

 残留溶剂测试 

 液体或气体注入 

 鉴定塑料萃取物 

 鉴定半导体晶圆上的污染物（热脱附）

主要优点

 GC/MS应用优点：

 通过分离复杂混合物识别有机成分.

 定量分析 .

 有机污染物痕量级测定（液体，低于mid-ppb水平，固体，低毫微克水平（动态顶空分析）.

技术参数

 GC/MS应用局限性：

 样品必须是挥发性或是可以进行衍生 .

 如果样品无挥发性的（比如在顶部空间，高温分解或直接探测的情况下）那么分析材料必须是挥发性的.

电感耦合等离子体发射光谱仪/质谱仪（ICP-OES/MS）

   电感耦合等离子体发射光谱仪因为试样是以液体的形式被分析所以也被称作“湿”试样法。

   在等离子发射光谱仪中（OES）,试样溶液被引入到电感耦合氩等离子体（ICP）的中心，那里的温度大约为8000°C。

在如此高的温度下，所有的元素都会热激发并发射特征波长的光。

光谱仪收集这些光并传递给能够将这些光转化为成分波长光谱的衍射光栅。

在光谱仪中，依据波长被收集的衍射光谱被放大以便于对其强度测量，进而转化为相比于校正标准的元素成分。

   在等离子质谱仪中（MS），电感耦合氩等离子体（ICP）再次被用于所分析元素的激发源。

然而相比于发射光谱仪（OES）,ICP-MS中的等离子体被用于产生被引入质谱分析器中的离子，这些离子随后依据其质核比被分离并收集，那么就能识别和测量未知试样的组分。

ICP-MS为大范围元素分析提供了非常高的灵敏度。

应用范围

 ICP-OES/MS的应用：

 可对大量、少量或者微量组分的体相定量测量分析 

 可用于宽范围材料的大量和少量组分的高准确性的确定 

 用于质量和过程控制

主要优点

 ICP-OES/MS应用的优点：

 在同一试样中能够同时确定很多元素（理论上可达70种） 

 有用的工作范围可以超过几个数量级 

 设备适宜于自动控制，因此可提高准确度、精度和生产量 

 ICPOES和MS技术的结合使用对于确定高准确度和精度的从主要组分到很好的探测极限（典型的低于十亿分之一）的超大范围元素非

技术参数

ICP-OES/MS应用的局限性：

 发射光谱复杂，并且如果被分析元素的波长和其他元素的非常接近可能会有内部元素干涉 

 质谱分析中在确定某些元素时共有的基体元素和其他的分子核素会产生干涉，其中一些双电荷或分子离子会有量化的困难 

 为了溶解要分析的元素，被分析的试样必须能在分析前被溶解

高效液相色谱法（HPLC）

   高效液相色谱法（highperformanceliquidchromatography，又称高效液相层析，简称HPLC）作为一种重要的分析方法，广泛的应用于化学和生化分析中，常用于医药品、化学、环保、生命科学、与食品工业的研究上。

高效液相层析仪根据各种各样的化工互作用力来分离混合物。

这种互作用力通常是分析物及分析管柱之间的一种非共价性质。

使用高效液相色谱时，液体待检测物在不同的时间被注入色谱柱，通过压力在固定相中移动，由于被测物种不同物质与固定相的相互作用不同，不同的物质顺序离开色谱柱，通过检测器得到不同的峰信号，每个峰顶都代表一个另外化合物的种类，最后通过分析比对这些信号来判断待侧物所含有的物质。

应用范围

 HPLC的应用：

 可将液体混合物中的成分分离、成分定性及定量分析

 适于分析高沸点不易挥发、分子量大、不同极性的有机化合物。

例如：

可检测分析食品中的三聚氰胺的含量

主要优点

HPLC应用的特点：

  高效液相色谱法有“三高一广一快”的特点：

  高压——压力可达150~300Kg/cm2。

色谱柱每米降压为75Kg/cm2以上。

  高速——流速为0.1~10.0ml/min。

  高效&

技术参数

 HPLC应用的局限性：

 “柱外效应”：

在从进样到检测器之间，除了柱子以外的任何死空间（进样器、柱接头、连接管和检测池等）中，如果流动相的流型有变化，被分离物质的任何扩散和滞留都会显著地导致色谱峰的加宽，柱效率降低。

  高效液相色谱检测器的灵敏度不及气相色谱。

IC离子色谱法

   离子色谱（以下简称IC）是高效液相色谱（简称HPLC）的一种，是分析离子的一种液相色谱方法。

狭义地讲，是基于离子性化合物与固定相表面离子性功能基团之间的电荷相互作用实现离子性物质分离和分析的色谱方法；广义地讲，是基于被测物的可离解性（离子性）进行分离的液相色谱方法。

离子色谱法已经广泛地用于环境、食品、材料、工业、生物和医药等许多领域。

IC离子色谱法的应用：