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1.引言

現(xiàn)代飛行時間二次離子質(zhì)譜儀（TOF-SIMS）源于上個世紀(jì)七十年代。它的特點(diǎn)之一是高靈敏度。對幾乎所有的元素其最低可測量濃度都可以達(dá)到ppm（百萬分之一）數(shù)量級，有些可以達(dá)到ppb（十億分之一）量級。特點(diǎn)之二是高縱向分辨率。最新一代TOF-SIMS其分辨率可以達(dá)到二至三個原子層。同時隨著技術(shù)的改善，分析區(qū)域越來越小。上述特點(diǎn)使TOF-SIMS在材料的成份、摻雜和雜質(zhì)沾污等方面的分析中擁有不可替代的地位。

 

2.原理

1. 利用聚焦的一次離子束在樣品上進(jìn)行穩(wěn)定的轟擊，一次離子可能受到樣品表面的背散射（概率很小），也可能穿透固體樣品表面的一些原子層深入到一定深度，在穿透過程中發(fā)生一系列彈性和非彈性碰撞。一次離子將其部分能量傳遞給晶格原子，這些原子中有一部分向表面運(yùn)動，并把能量傳遞給表面離子使之發(fā)射，這種過程成為粒子濺射。在一次離子束轟擊樣品時，還有可能發(fā)生另外一些物理和化學(xué)過程：一次離子進(jìn)入晶格，引起晶格畸變；在具有吸附層覆蓋的表面上引起化學(xué)反應(yīng)等。濺射粒子大部分為中性原子和分子，小部分為帶正、負(fù)電荷的原子、分子和分子碎片；

2. 電離的二次粒子（濺射的原子、分子和原子團(tuán)等）按質(zhì)荷比實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜分離；

3. 收集經(jīng)過質(zhì)譜分離的二次離子，可以得知樣品表面和本體的元素組成和分布。在分析過程中，質(zhì)量分析器不但可以提供對于每一時刻的新鮮表面的多元素分析數(shù)據(jù)。而且還可以提供表面某一元素分布的二次離子圖像。

4. TOF-SIMS的獨(dú)特之處在于其離子飛行時間只依賴于他們的質(zhì)量。由于其一次脈沖就可得到一個全譜，離子利用率最高，能最好地實(shí)現(xiàn)對樣品幾乎無損的靜態(tài)分析，而其更重要的特點(diǎn)是只要降低脈沖的重復(fù)頻率就可擴(kuò)展質(zhì)量范圍，從原理上不受限制。

 

 

3.輸出參數(shù)
1. 可對H-U元素進(jìn)行定性分析（定量需標(biāo)樣），檢測極限可達(dá)ppm或更低的濃度。
2. 良好的深度分辨率（0.1-1nm），但濺射速率很慢（＜1μm/H）。
3. 極小小面積分析，最小區(qū)域可達(dá)直徑80nm。
4. 可分析有機(jī)物，能直接輸出有機(jī)物分子式。
5. 可對元素進(jìn)行面分布分析。

4.應(yīng)用案例
4.1 有機(jī)大分子分析：能直接分析出分子式。

 

 

4.2 痕量元素分析：有標(biāo)樣的樣品定量分析能達(dá)到ppm級別，有極高的檢出限。

 

 

5.小結(jié)
本文簡單介紹了飛行時間二次離子質(zhì)譜儀（TOF-SIMS）的基本原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。通過對產(chǎn)品的表面微區(qū)和超薄厚度的分析，能夠?yàn)槭Х治鎏峁┒喾矫娴男畔ⅰ＠?，摻雜與分布是否滿足設(shè)計要求、工藝過程中是否在有源區(qū)引入了沾污等等。

 

本文來源：http://www.mttlab.com/2015/0506/147.html