Application Note K-Alpha：ポリマーの化学状態マッピングサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社 XPS 営業部編集発行：マーケティング部 AN31093 日本語版 Key Words y K-Alpha y 表面分析 y 化学状態 y マッピング y ステージスキャンはじめに完全自動XPS装置K-AlphaにはモノクロX線源とマルチチャンネル検出器が標準で搭載されておりますが、両者の特徴を上手く利用することで理想的な化学状態マッピングが実施できます。使用するX線のスポット径を変えることでマッピング画像の空間分解能を変更することができ、また、マルチチャンネル検出器を利用した“スナップショット･モード”（非スキャン･モード）により、マッピング時の各ピクセル毎のスペクトル取得が非常に短時間に実施できます。さらに、新開発の帯電中和銃により絶縁物での化学状態マッピングも簡単に実施できるようになっております。図2 全ピクセルのC1sスペクトルを総和したスペクトルにおけるピーク分離試料の作製画像の構築（マップの作成）アクリル膜をコーティングしたシリコン基板上に銅グリッドを密着させ、フロロカーボン(モノマー)･プラズマップを作成する方法の一つに、単純にある特定の結合エネルギーにおけるピーク強度で表示するというものがあります。図3はこの方法で作成したマップで、10の異なる結合エマ中に暴露しました。これによりグリッドと同じ模様のフロロカーボン･ポリマー膜を作製し、図1に示す領域でK-Alphaを用いた分析を実施しました。図1 試料作製の手順、および使用したグリッドと K-Alphaによる分析領域測定方法 X線源には30μm径にフォーカスしたモノクロX線を使ネルギーにおけるピーク強度マップです。図3 それぞれの結合エネルギーにおけるピーク強度マップ図4中の（a）および（b）はそれぞれ結合エネルギー284.7eV のハイドロカーボンおよび291eVのフロロカーボンのピーク強度マップで、この2つを重ね合わせたものが（c）です。用し、ステージスキャン式のマッピング方法によりステージを10μmずつ移動させながら、計67ｘ94個のすべてのピクセルにおいて、スナップショット･モードによりC1sとF1sのスペクトルを測定しています。ピーク分離図2はこのマッピングで測定したすべてのピクセルの C1sスペクトルを足し合わせたものです。ピーク分離の結果から、エステルとフロロカーボンの両方が見えていることがわかると思います。図4 （a）284.7eVのハイドロカーボンのマップ、（b）291eVのフロロカーボンのマップ、（c）2つのマップの重ね書きさらに、たとえばまず図2のようなピーク分離を実施しておき、マッピングで測定したすべてのピクセルの一つひとつに対して、これと同じ成分ピークを使ったピーク分離を行うということも可能です。こうすることで、ピーク分離したそれぞれの成分のピーク面積強度や原子濃度のマップを作成することも可能になります。一例として図5に示したのがハイドロカーボンとフロロカーボンそれぞれの原子濃度マップです。このときのピーク分離には"非線形最小二乗フィッティング法"を用いており、図7 非常に短時間で大量のピーク分離を実施しています。フロロカーボンの膜厚マップステージスキャン式マッピングの利点 K-Alphaではマッピングはステージスキャン式で行いますが、この方法には数々の利点があります。・空間分解能が使用するX線のスポット径にのみ図5 （a）各ピクセルのスペクトルをピーク分離した結果得られたハイドロカーボンの原子濃度マップ、（b）同じくフロロカーボンの原子濃度マップスペクトルの再構築各ピクセルそれぞれにスペクトルが存在するということを利用すると、マップの任意の領域の平均スペクトルを取り出すということも可能になり、つまりは微小領域測定と同じ結果が事後的に得られるということになります。図6はそのようなデータ解析の例で、それぞれマップの異なる領域から再構築したスペクトルです。フロロカーボン膜が付いているはずの領域では基板のピークも同時に観察されていますが、フロロカーボン膜が付いていないはずの領域では基板のピークのみが観察されています。依存するため、画像の周辺部でのボケやニジミが発生しない。・各ピクセルごとに完全なスペクトルが存在するので、化学状態ごとの濃度マップや膜厚マップが簡単に作成できる。・マッピングの方法が原理的にレンズ系の設定とは無関係なため、最大感度の得られる設定のまま効率よくマッピングできる。・マッピング時のデータ測定が常にレンズの視野中心で行われるため、マッピングの全領域で感度変化等のない完全な同一条件下での測定となる。・X線ビームは固定したままなので、マッピングの全領域でX線のエネルギーや輝度が変化しない。・最大で60mmｘ60mmまでの広域マッピングが AN31093 日本語版サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社スペクトロスコピー営業本部 XPS 営業部横浜本社 TEL.045-453-9201 FAX.045-453-9235 E-mail [email protected] 実施できる。まとめ K-Alphaではあらゆる意味で非常に精度の高いマッピン図6 マップ上の指定した領域から再構築したC1sスペクトル膜厚マップ上記のようにフロロカーボンの膜が付いている領域では、基板のピークも検出されています。これは、フロロカーボン膜が数ナノメートル程度の厚さであることを示しています。そこで、装置付属のAvantageデータシシステムの一機能である"膜厚計算プログラム"を利用して膜厚マップを作成したのが図7です。計算の際、2つのポリマーの密度はそれぞれのバルク状態での密度と等しいと仮定しています。グが実施できます。スナップショット･モードでの同時スペクトル測定により、データポイント数の多い高精細なスペクトルが一瞬にして取得できるため、定量分析や化学状態分析が短時間で実施できます。また付属のAvantageデータシステムにより存在する化学状態を明確にし、その2次元分布を知ることもできます。さらに、薄膜の場合には非破壊で膜厚マップを作成することも可能です。謝辞 www.thermofisher.co.jp (日本) www.thermo.com (グローバル) 本実験を行うに際し、サンプルを提供して頂いたPlasso Technology Ltd., のKristina Parry氏およびJason Whittle氏に感謝致します。 ©2007 Thermo Fisher Scientific Inc. All rights reserved. All trademarks are the property of Thermo Fisher Scientific Inc. and its subsidiaries. Specification, terms and pricing are subject to change. Not all products are available in all countries. Please consult your local sales representative for details.