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浅析表面分析与XPS的技术与市场

导读: 由于最近几十年超高真空、高分辨和高灵敏电子测量技术的快速发展,表面分析技术也有了长足进步。目前,全球已经开发了数十种常用的表面分析技术,如X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)、二次离子质谱(SIMS)、辉光放电光谱(GDS)、扫描探针显微镜(SPM)等。

  OFweek光学网讯:表面科学是上世纪60年代后期发展起来的一门学科,目前已经成为国际上最为活跃的学科之一。材料表面的成分、结构、化学状态等与内部有明显的不同,而表面特性对材料的物理、化学等性能影响很大。随着材料科学、化学化工、半导体及薄膜、能源、微电子、信息产业及环境领域等高新技术的迅猛发展,对于表面分析技术的需求日益增多。

  由于最近几十年超高真空、高分辨和高灵敏电子测量技术的快速发展,表面分析技术也有了长足进步。目前,全球已经开发了数十种常用的表面分析技术,如X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)、二次离子质谱(SIMS)、辉光放电光谱(GDS)、扫描探针显微镜(SPM)等。

  X射线光电子能谱仪(XPS)与俄歇电子能谱(AES)是重要的表面分析技术手段。XPS在分析材料的表面及界面微观电子结构上早已体现出了强大的作用,它可用于材料表面的元素定性分析、半定量分析、化学状态分析、微区分析以及深度剖析(<200nm)等。俄歇电子能谱(AES)主要检测由表面激发出来的俄歇电子来获取表面信息,它不仅能定性和定量地分析物质表界面的元素组成,而且可以分析某一元素沿着深度方向的含量变化。辉光放电光谱技术是基于惰性气体在低气压下放电轰击样品表面,溅射出的表面原子因激发而发光的原理而发展起来的光谱分析技术。与其他表面分析技术如俄歇电子能谱(AES)、二次离子质谱(SIMS)相比,具有分析速度快,分析成本低等优势。

  TOF-SIMS(飞行时间二次离子质谱)采用一次离子轰击固体材料表面,产生二次离子,并根据二次离子的质荷比探测材料的成分和结构。TOF-SIMS是一种非常灵敏的表面分析技术,可以精确确定样品表面元素的构成:通过对分子离子峰和官能团碎片的分析可以方便的确定表面化合物和有机样品的结构,配合样品表面的扫描和剥离,可以得到样品表面甚至三维的成分图。相对于XPS、AES等表面分析方法,TOF-SIMS可以分析包括氢在内的所有元素,可以分析包括有机大分子在内的化合物,具有更高的分辨率。

  目前表面分析仪器的主要供应商Thermo Fisher、Shimadzu、Phi、Joel、VG Sceinta、PreVac、SPECS、Omicron等。

  表面分析技术与市场

  表面分析技术已经在生产企业中得到了广泛的应用,如进行半导体失效分析等。国内表面分析技术起步于80年代,广泛应用于基础科研、先进材料研制、高精尖技术、装备制造等领域;目前全国的表面分析仪器有300台左右,其中,北京地区拥有大型表面分析仪器设备20多台,从事专业表面分析相关工作的人员有50多人,大量分布于各大高校、科研院所;国内学者主要是利用XPS、AES等表面分析技术研究材料表面与界面的物理化学反应机理,研究热点主要集中在催化材料、碳纳米管石墨烯等新型材料、聚合物太阳能电池等新型器件等。

  Markets and Markets的最新市场调查报告预计,到2020年,表面分析市场将达到约39.897亿美元;2015年到2020年期间,该市场将以6.2%的复合年增长率增长。然而,仪器成本高等因素将限制表面分析市场的增长。

  该报告称,半导体行业是表面分析技术最大的终端用户所在领域,该技术显著改善各种应用,如测量薄膜的厚度、密度和组成,掺杂剂量和剖面形状等。在解决半导体行业所面临的一些主要挑战时,表面分析技术扮演着至关重要的角色,包括识别和定位跟踪半导体中痕量级别的杂质,认证新的生产工具和量化散装掺杂物等。此外,在过去的几年里,由于利用表面分析技术进行缺陷识别、微量金属污染检测、薄膜或样品的深度分析、失效分析的需求不断上升,使得表面分析技术在能源、医疗保健、聚合物、薄膜、冶金、食品和饮料、纸张和纺织品等行业的应用也增加了。

  2014年,北美地区是表面分析最大的区域市场,约占全球市场的37.0%;其次是欧洲、亚太。北美和欧洲的高市场份额主要归因于公共和私人来源对纳米技术研究的高投入、医疗设备公司增加研究支出,以及在这一地区存在的一些大公司,这些因素使得相关用户更多的应用了表面分析解决方案。亚太地区则是表面分析市场未来增长的推动力,因为该地区的低成本资源、强大客户基础、越来越多的制药研发支出、越来越多的大公司在这个地区建立研发和生产设施等因素,使得亚太地区存在着巨大的投资机会。市场的增长可能会集中在印度、中国、韩国、日本。

  截至2013年,国际上已经安装了约280套TOF-SIMS,每年约20-25台的增长量。相比之下,中国的TOF-SIMS研究刚刚起步,仅有约10套系统。世界上TOF-SIMS的用户群半导体工厂和科研院所用户各占半壁江山。

  X射线光电子能谱仪(XPS)技术与市场

  Grand View Research公司研究称,到2022年,全球XPS(X射线光电子能谱)市场预计将达到7.124亿美元。XPS在医疗、半导体、航空航天、汽车和电子产品等行业的应用日益增长,以及所有这些行业中研发需求的不断增长,有望推动XPS市场增长。此外,联用技术的日益普以及其他技术的进步,如硬X射线光电子能谱(HAXPES),也将促使XPS市场的增长。

  药品安全和医学研究领域对XPS技术的需求日益增长,预计将给该市场带来增长机会。美国FDA的“安全使用倡议”和加拿大卫生部推动的“药品安全信息调查”有可能为XPS制造商提供增长的机会。在2014年北美占40.0%以上的份额,亚太地区被确定为市场增长最快的地区。在中国和印度等新兴经济体地区,存在着巨大的未满足需求、政府推出合适的计划以提高认识水平、改善商业环境等是该地区市场具有高吸引力的主要原因。在预测期间,XPS市场的竞争有望保持中等水平,仪器公司之间也将出现收购、合并等以强化产品组合和区域市场份额。

  据业内资深人士介绍,关于X射线光电子能谱,目前的市场主要分两块,一个是标准化、常规的XPS,如Thermo Fisher、Shimadzu(kratos)、Phi、Joel等。目前,该市场每年的销售额大约在1亿美元左右。全球来说,估计Thermo Fisher大约60%、Shimadzu大约25%、Phi大约10%,还有其他公司的5%。还有另外一块细分市场,配有角分辨光电子能谱(ARXPS)等的XPS市场;ARXPS技术改变收集电子的发射角度,可探测到不同深度的电子;仪器公司包括VG Sceinta、PreVac、SPECS、Omicron等,这块不大,应该在2000万美元以内。所以,目前,XPS整体的市场应该在1.2亿美元左右,年增长率应该在10%以内。所以到2022年整体市场应该在2.35亿美元左右。

  关于硬X射线光电子能谱(HAXPES),由于其技术仍然不是很成熟,且由于其本身的信噪比等固有缺陷,在找到新的解决方案之前,用于科研仍然需要时间。但可以考虑在同步辐射等方面的研究需求,虽然也不会太大。整体市场可能每年50~100套,但这个源需要和比较特殊的分析器联用,所以应该属于VG Scienta、SPECS、PreVac等公司的领域。市场的容量每年大约会在1000万~2000万美元。对整体市场需求量不会有太大影响。

  从国内情况看,2014年表面化学分析领域的XPS应该在20多台;物理类表面分析领域的XPS,10多台。去年全球经济不景气,国内购买表面分析仪器(含化学和物理)不会低于25%的全球销售量。

  XPS技术发展至今已有几十年的历史,近年来XPS技术并没有很大的突破。据了解,单台XPS仪器价格一般在百万美元,仪器价格较高;XPS仪器技术复杂,XPS对于操作人员、售后服务人员水平要求较高;XPS技术的用户群,尤其是在中国,目前更多地集中在科研领域,应用市场的用户并不算多,XPS的销售量不太大。以上几种因素可能对XPS快速普及产生影响,需要加以关注。

  不过, XPS正从“阳春白雪”向“下里巴人”过渡,如同40年前的电镜。这里并不是贬低XPS技术,因为只有成为“下里巴人”,才能有广泛的市场。(1)全球经济很好的复苏;(2)大量旧仪器更新;(3)新型仪器的出现;(4)找到工业测试的结合点;(5)货币贬值。如果以上这些因素全部开动, XPS市场才有可能快速发展。

责任编辑:Pual
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