二次離子質(zhì)譜儀SIMS分析技術(shù)簡介

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2023-05-1120:13二次離子質(zhì)譜自問世起，就備受關(guān)注，因其高分辨率、高精度、高靈敏等特征，廣泛應(yīng)用于地球化學(xué)、天體化學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)、生物等研究中。今天我們就一起看一看SIMS技術(shù)為何備受關(guān)注。

二次離子質(zhì)譜儀(Secondary-ionmassspectrometry，SIMS)也稱離子探針，是一種使用離子束轟擊的方式使樣品電離，進而分析樣品元素同位素組成和豐度的儀器，是一種高空間分辨率、高精度、高靈敏度的分析方法。檢出限一般為ppm-ppb級，空間分辨率可達亞微米級，深度分辨率可達納米級。被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、電子等領(lǐng)域。

1、SIMS分析技術(shù)

一定能量的離子打到固體表面會引起表面原子、分子或原子團的二次發(fā)射，即離子濺射。濺射的粒子一般以中性為主，其中有一部分帶有正、負(fù)電荷，這就是二次離子。利用質(zhì)量分析器接收分析二次離子就得到二次離子質(zhì)譜。圖1是二次離子質(zhì)譜工作原理圖。

圖1二次離子質(zhì)譜工作原理圖

離子探針實際上就是固體質(zhì)譜儀，它由兩部分組成：主離子源和二次離子質(zhì)譜分析儀。常見的主離子源有Ar＋、Xe＋、O-、O2+、Cs+、Ga+……從離子源引出的帶電離子如Cs+、或Ga+等被加速至keV～MeV能量，被聚焦后轟擊樣品表面。

高能離子進入樣品后，一部分入射離子被大角度反彈出射，即發(fā)生背散射，而另一部分則可以深入到多個原子層，與晶格原子發(fā)生彈性或非彈性碰撞。這一過程中，離子所帶能量部分或全部轉(zhuǎn)移至樣品原子，使其發(fā)生晶格移位、激發(fā)或引起化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過一系列的級聯(lián)碰撞，表面的原子或原子團就有可能吸收能量而從表面出射，這一過程稱為離子濺射。

濺射出的粒子大部分為電中性，只有小部分是帶電的離子、分子或團簇。攜帶了樣品表面成分信息的二次離子出射之后，被引出電場加速后進入分析系統(tǒng)并被探測器所記錄。經(jīng)過計算機分析，就可以得到關(guān)于表面信息的能譜。譜中的計數(shù)與樣品的各種成分原子濃度有關(guān)，通過與標(biāo)準(zhǔn)樣品的對比，就可以得到待測樣品中的原子濃度。圖2是一次電子轟擊樣品表面產(chǎn)生濺射粒子的示意圖。

圖2一次束轟擊樣品表面

發(fā)生離子濺射時，描述濺射現(xiàn)象的主要參數(shù)是濺射閾能和濺射產(chǎn)額。濺射閾能指的是開始出現(xiàn)濺射時，初級離子所需的能量。濺射產(chǎn)額決定接收到的二次離子的多少，它與入射離子能量、入射角度、原子序數(shù)均有一定的關(guān)系，并與靶材晶格取向有關(guān)。

2、SIMS儀器類型

根據(jù)微區(qū)分析能力和數(shù)據(jù)處理方式，可以將SIMS分為三種類型：

(1)非成像型離子探針。用于側(cè)向均勻分布樣品的縱向剖析或?qū)悠纷钔獗砻鎸舆M行特殊研究；

(2)掃描成像型離子探針。利用束斑直徑小于10Lm的一次離子束在樣品表面作電視形式的光柵掃描，實現(xiàn)成像和元素分析；

(3)直接成像型離子顯微鏡。以較寬(5～300Lm)的一次離子束為激發(fā)源，用一組離子光學(xué)透鏡獲得點對點的顯微功能。

根據(jù)一次束能量和分析縱向，二次離子質(zhì)譜可分為靜態(tài)二次離子質(zhì)譜(SSIMS)和動態(tài)二次離子質(zhì)譜(DSIMS)兩種。SSISM一般都采用流強較低的初級離子束，轟擊僅影響表面原子層，對樣品的損傷可忽略不計，被稱為是靜態(tài)二次離子質(zhì)譜。相反，DSISM則一般使用流強較大的初級離子束，將樣品原子逐層剝離，從而實現(xiàn)深層原子濃度的測量，因此也被稱為動態(tài)二次離子質(zhì)譜。

3、二次離子質(zhì)譜的主要應(yīng)用

根據(jù)工作模式的不同，二次離子質(zhì)譜要有3個方面的應(yīng)用，分別是表面質(zhì)譜、表面成像和深度剖析。

1）元素及同位素分析

2）表面質(zhì)譜

與其他常規(guī)分析手段相比，二次離子質(zhì)譜的顯著特點便是很高的靈敏度，例如，對半導(dǎo)體材料中硼、磷、砷等雜質(zhì)的分析靈敏度可達0.2～20×10－6。這種高靈敏度的雜質(zhì)分析，是現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝中質(zhì)量控制是不可或缺的。

3）表面成像

表面成像是利用二次離子束對樣品的待測區(qū)域進行逐點掃描，從而得到該區(qū)域內(nèi)特定原子或分子的分布圖像。此外，二次離子質(zhì)譜所獨具的高靈敏度和高空間分辨率也得到了越來越多的生命科學(xué)研究者的關(guān)注，將其用于生物樣品的分子成像。

4）深度剖析

深度剖析要求對樣品表面的原子實現(xiàn)快速逐層剝離，因此采用較強的束流。實際工作中會經(jīng)常采用雙束，即用束斑較大的強束流用于剝離并產(chǎn)生平底的凹坑，同時用束斑較小的弱束流用于對凹坑底部中心區(qū)域的質(zhì)譜分析。

在半導(dǎo)體制造工藝中，擴散的過程對器件的許多性能指標(biāo)具有決定性的影響，擴散層和雜質(zhì)的分布直接決定了器件諸如頻率、放大、耐壓等參數(shù)。而二次離子質(zhì)譜所具有的高靈敏度和空間分辨率就為μm尺度擴散區(qū)雜質(zhì)濃度測定分析提高了理想的工具。

4、SIMS的特點

SIMS的主要優(yōu)點：

(1)在超高真空下(<10-7Pa)進行測試，可以確保得到樣品表層的真實信息；

(2)原則上可以完成周期表中幾乎所有元素的低濃度半定量分析；

(3)可檢測同位素；

(4)可分析化合物；

(5)具有高的空間分辨率；

(6)可逐層剝離實現(xiàn)各成分的縱向剖析，連續(xù)研究實現(xiàn)信息縱向大約為一個原子層；

(7)檢測靈敏度高。

當(dāng)然，SIMS自身也存在一定的局限性，主要在于：

(1)分析絕緣樣品必須經(jīng)過特殊處理；

(2)樣品組成的不均勻性和樣品表面的光滑程度對分析結(jié)果影響很大；

(3)濺射出的樣品物質(zhì)在鄰近的機械零件和離子光學(xué)部件上的沉積會產(chǎn)生嚴(yán)重的記憶效應(yīng)。

5、結(jié)語

離子探針(SIMS)技術(shù)是一種高空間分辨率、高精度、高靈敏度的分析方法。它