因為EDS的能量解析度只有130 電子伏特(eV),所以能峰重疊在EDS能譜中經常發生,如何判斷重疊的能峰真正歸屬是本文的主題之一。另一種典型偽訊號稱為迷走X光(Spurious X-Rays),源自入射電子束被散射後,激發其他試片區域或試片承載具而產生的X光訊號。
如圖二(a)所示,當SEM的試片表面是凹凸不平時,有一些X光會來自非電子束直接照射的區域,這些被散射電子擊中的地區如果組成和主分析區無異,則沒有甚麼問題。但如果組成和主分析區不同,則會產生令人困惑的元素能峰。因為試片粗糙表面引起的迷走X光的情況相當複雜,所以在SEM/EDS分析中,除了破斷面分析外,都會將試片研磨拋光,形成平滑的表面,從根本上去除產生迷走X光的可能性。
圖二:EDS分析產生迷走X光的示意圖。(a)粗糙表面的SEM試片;(b)TEM試片和物鏡室。(圖片來源:宜特科技)
本文將只討論TEM/EDS分析中的迷走X光。在TEM中產生的迷走X光如圖二(b)所示,從圖二(b)中可以看出,主要的迷走X光就是來自承載試片的銅環和物鏡。由物鏡產生的迷走X光,另稱為系統X光(System X-rays)[3],因為物鏡是TEM系統本身的組件。透過在EDS偵測器前方增設準直器(Collimator)後,以高角度進入EDS偵測器的系統X光,在新型的TEM/EDS系統中已經被排除至可忽略的程度,接下來要討論的主題是以銅環產生的迷走X光為主。因為銅環是最廣為用於承載TEM試片,所以在許多TEM/EDS能譜中,都可以看到銅的能峰,如圖三中的EDS能譜所示;如果承載試片的銅環改成鎳環,迷走X光就變成鎳 X光。
圖三:正規化的EDS能譜圖。(a)矽;(b)二氧化矽;(c) 二氧化矽+氮化鈦;(d)銀;(e) 二氧化矽+氮化鈦;(f)鎢。Cu Kα能峰的高度隨被分析材料的平均原子序增大而提高。
(圖片來源:宜特科技)
圖三顯示6個正規化(Normalization)的EDS能譜,仔細觀察這些EDS能譜,發現這些能譜中的銅X光訊號有二大特點:
(一) 只有Cu Kα 能峰(8.040 KeV),沒有Cu Lα 能峰(0.930 KeV)
(二) Cu Kα的能峰強度(Peak Intensity)大致上隨分析材料的平均原子序增大而增強。收集一系列用銅環承載的試片的TEM/EDS能譜並加以分析後後,得到如圖四的曲線趨勢圖。
圖四的橫軸是原子序,縱軸是Cu Kα的能峰強度和該EDS能譜中主元素能峰強度的比值,例如:Si Kα 或Ta Mα。圖四中的資料清楚顯示在沒有銅元素的試片中,Cu Kα仍然可見,其能峰強度確實會隨被分析材料的原子序增大而增加,只是二者的關係並非是簡單的線性關係。Cu Lα X光不是沒有產生,只是沒有足夠的能量溢出銅環。在TEM試片中純銅區域產生的EDS能譜如圖五(a)所示, Cu Lα能峰比Cu Kα能峰高;類似地,從一純鎳的區域獲得的TEM/EDS能譜如圖五(b)所示, Ni Kα能峰和Ni Lα能峰的高度相仿。(正規化:將能譜中所有的訊號除以最大的訊號,使最大訊號強度等於1。)
圖四:銅訊號強度和主元素訊號強度比值隨原子序變化的趨勢圖。(圖片來源:宜特科技)
圖五:正規化的EDS能譜圖。(a)銅;(b)鎳。(圖片來源:宜特科技)
綜合圖三 ~圖五的資料得出的規則性,我們可以用來判斷圖六中,各層薄膜的EDS能譜中的銅訊號是迷走X光,而不是濺鍍靶材受到銅元素汙染。材料分析工程師應要負責提供客戶準確的材料分析訊息,透過正確解讀材料分析資料,研發部門和製程部門能夠節省改善製程所需的時間和資源。
圖六:多層薄膜材料的STEM/EDS分析。對應各層薄膜的EDS能譜都只有Cu Kα的能峰,沒有Cu Lα的能峰;並且Cu Kα的高度隨薄膜材料的平均原子序增大而提高。(圖片來源:宜特科技)