飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)介绍.docx

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1、飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）介绍（作者：美信检测失效分析实验室）1.引言现代飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）源于上个世纪七十年代。它的特点之一是高灵敏度。对几乎所有的元素其最低可测量浓度都可以达到ppm（百万分之一）数量级，有些可以达到ppb（十亿分之一）量级。特点之二是高纵向分辨率。最新一代TOF-SIMS其分辨率可以达到二至三个原子层。同时随着技术的改善，分析区域越来越小。上述特点使TOF-SIMS在材料的成份、掺杂和杂质沾污等方面的分析中拥有不可替代的地位。2.原理1.利用聚焦的一次离子束在样品上进行稳定的轰击，一次离子可能受到样品表面的背散射（概率很小）

2、，也可能穿透固体样品表面的一些原子层深入到一定深度，在穿透过程中发生一系列弹性和非弹性碰撞。一次离子将其部分能量传递给晶格原子，这些原子中有一部分向表面运动，并把能量传递给表面离子使之发射，这种过程成为粒子溅射。在一次离子束轰击样品时，还有可能发生另外一些物理和化学过程：一次离子进入晶格，引起晶格畸变；在具有吸附层覆盖的表面上引起化学反应等。溅射粒子大部分为中性原子和分子，小部分为带正、负电荷的原子、分子和分子碎片；2.电离的二次粒子（溅射的原子、分子和原子团等）按质荷比实现质谱分离；3.收集经过质谱分离的二次离子，可以得知样品表面和本体的元素组成和分布。在分析过程中，质量分析器不但可

3、以提供对于每一时刻的新鲜表面的多元素分析数据。而且还可以提供表面某一元素分布的二次离子图像。4.TOF-SIMS的独特之处在于其离子飞行时间只依赖于他们的质量。由于其一次脉冲就可得到一个全谱，离子利用率最高，能最好地实现对样品几乎无损的静态分析，而其更重要的特点是只要降低脉冲的重复频率就可扩展质量范围，从原理上不受限制。3.输出参数1.可对H-U元素进行定性分析（定量需标样），检测极限可达ppm或更低的浓度。2.良好的深度分辨率（0.1-1nm），但溅射速率很慢（＜1μm/H）。3.极小小面积分析，最小区域可达直径80nm。4.可分析有机物，能直接输出有机物分子式。5.可对元素进行面分

4、布分析。4.应用案例4.1有机大分子分析：能直接分析出分子式。4.2痕量元素分析：有标样的样品定量分析能达到ppm级别，有极高的检出限。5.小结本文简单介绍了飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）的基本原理、结构和应用。通过对产品的表面微区和超薄厚度的分析，能够为失效分析提供多方面的信息。例如，掺杂与分布是否满足设计要求、工艺过程中是否在有源区引入了沾污等等。