飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）介绍

【摘要】飞行时间二次离子质谱仪（Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，TOF-SIMS）是一种非常灵敏的表面分析技术，通过用一次离子激发样品表面，打出极其微量的二次离子，根据二次离子因不同的质量而飞行到探测器的时间不同来测定离子质量，具有极高分辨率的测量技术。可以广泛应用于物理，化学，微电子，生物，制药，空间分析等工业和研究方面。TOF-SIMS可以提供表面，薄膜，界面以至于三维样品的元素，分子等结构信息。

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），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。

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