Page 38 - 理化检验-物理分册2025年第三期
P. 38
侯 瑶，等： X射线光电子能谱测试参数对CaF 2 氧元素含量测试结果的影响
高纯CaF 2 晶体在紫外（UV）到红外（IR）的宽 检测极限0.1%。
波长范围内无吸收带，但若晶体中含有杂质，则会形 1.2 测试表征
成光学吸收中心，影响晶体折射率的均匀性，同时在 所用XPS仪器配备单色化X射线源和半球形能
紫外、可见光和红外波段中存在选择吸收带 ，激光 量分析器，最佳能量分辨率可至0.5 eV。配有真空
[5]
损伤阈值降低。氧元素被认为是CaF 2 晶体中的主要 系统的本底真空度可达1×10 −6 Pa，试样表面在真
杂质元素，可导致DUV区域的透过率和抗激光辐照 空中对残余气体进行吸附。使用XPS中的低能氩
[6]
性能降低 。因此，准确表征材料成分对其应用具 离子束刻蚀CaF 2 ，刻蚀气体氩气纯度很高，离子入
有重要的参考价值。 射角为58°， 刻蚀区域尺寸为4 mm×2 mm（长度×
X射线光电子能谱 （XPS）可以对材料进行化 宽度）。设定X射线光斑直径为 400 μm，通能为
[7]
学成分分析 ，通常使用XPS中的Ar离子枪刻蚀去 50 eV，步长为0.1 eV，每步停留时间为100 ms。使
除材料表面的污染层，通过刻蚀深度剖析获得试样 用设备自带软件Thermo Avantage进行峰值拟合和
元素成分的深度分布 [8-9] 。氩离子束刻蚀材料时，一 定量分析。为了验证XPS测试参数对试验结果的影
些材料的表面化学键发生断裂，从而产生缺陷，导 响，通过改变氩离子束能量、刻蚀后停顿时间、氧元
致材料的表面活性增强，并极易吸附测试环境中的 素的精细谱扫描排序等方式，设计了试验方案，分析
残余气体或与之发生反应，使试样表面被污染，造 XPS测试参数对试验结果的影响。
成测试结果失真 [10-11] 。针对XPS测试氧元素含量 2 试验结果与讨论
失真的问题，笔者围绕离子束能量、刻蚀后停顿时
不同刻蚀时间CaF 2 的XPS能谱图如图2所示，
间、精细谱扫描顺序等相关参数，开展XPS测试参
氩离子束能量为1 keV、刻蚀后停顿时间为30 s、氧
数对CaF 2 表面氧元素含量测试结果影响的研究，探
元素的精细谱扫描顺序为Ca 2p、F 1s、O 1s，可以
索刻蚀参数与测试结果的相关性，同时使用 Al 2 O 3
看到极强的O 1s谱峰。氩离子刻蚀后，CaF 2 表面含
进一步验证测试参数对氧元素含量测试结果的影
碳污染物被去除，由于F元素具有强的电负性，F 1s
响，为准确表征材料表面成分提供重要测试参数设
谱峰位置基本没有变化，因此CaF 2 的XPS能谱以
置依据。
F 1s（685.1 eV）进行校准 [11] 。图2显示刻蚀50 s后，
1 试验过程 Ca 2p和F 1s谱峰强度略有增强，如图2（a）和2（b）
1.1 试样制备 所示，O 1s谱峰略有减弱，如图2（c）所示，这是由
选用上海硅酸盐研究所的优质CaF 2 试样，对试 于在刻蚀过程中，CaF 2 表面吸附的污染物随氩离子
样进行双面抛光。使用真空紫外光谱仪测试CaF 2 的 束刻蚀而去除。O 1s谱峰的高结合能端(531.8 eV)
紫外透过率，真空度为10 −3 Pa时，CaF 2 的透过率与 为 OH 峰，表面刻蚀后 O 1s 谱峰的低结合能端
波长的关系如图1所示。由文献[6]可知，晶体中氧 （528.8 eV）出现新的特征峰，为吸附的O 2 。CaF 2 表
元素浓度与197 nm处的吸收系数呈线性关系；测试 面元素质量分数与刻蚀时间的关系如图3所示，表
光谱在187~207 nm处有吸收，表明CaF 2 晶体中存 面污染物的去除使O元素质量分数从4.4%减少至
3.0%，但与紫外光谱测试结果存在较大差异。为了
在氧杂质，且氧元素质量分数小于0.01%，低于XPS
准确表征试样的组成成分，需进一步探索测试参数
100
对试验结果的影响。
80 由以上测试结果可知，CaF 2 中的O元素来源有
187 207 以下几种情况：高纯氩气中混入氧气，氧气随氩离子
60
透过率/% 40 束进入材料内部；测试过程中试样表面吸附残余气
体中的羟基或O 2 。
2.1 氩离子束纯度对测试结果的影响
20
为了验证O元素含量偏高的原因是否为氩离子
束，使用纯银试样进行刻蚀试验。设置与图2相同的
0
120 140 160 180 200 220
波长/nm 测试条件：氩离子束能量为1 keV，刻蚀后停顿时间
图 1 CaF 2 的透过率与波长的关系 为30 s，精细谱扫描顺序为 C 1s、Ag 3d、O 1s。纯银
26
