8_SIMS-1_CN

二次离子质谱（SecondaryIonMassSpectrometry）基本原理(SIMS)Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC技术数据表Comments:Detectsallelements/isotopes,depthprofilingtechnique,excellentdetectionlimits动态SIMS量化是破坏性是探测极限1012-1016at/cc横向分辨率/或束斑尺寸10µm化学键信息无深度分辨率1-20nmCopyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC3为什么要用SIMS?•SEM-EDX1%•Auger(AES)0.1%•XPS0.1%•SIMSppmtoppb常用表面分析技术探测极限：Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC4什么是SIMS?•聚焦离子束(一次离子束)•在样品上会聚一次离子束•产生二次离子•搜集和分离二次离子–要测试的离子(掺杂或杂质)–基体材料离子(基体)•将信号转换为浓度vs.深度信息•依据标样来定量Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLCSIMS:一次离子溅射和二次离子的收集一次离子束:氧(O2+)或者铯(Cs+)一次离子束用于SIMS分析，聚焦离子束的束斑尺寸约为2到20微米。通常一次离子束扫描区域是边长几百个微米的正方形。二次离子的检测:扫描区域中心部位产生的二次离子由EM、FC或离子像收集。检测区域一次离子束二次离子侧视图扫描区域俯视图Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC纵向分布的动态SIMSA±B±C±I±I±I±A±A±B±X±C±B±XAAACCCBBBX±Intensity时间Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC7SIMS纵向分布-原始数据1E+001E+011E+021E+031E+041E+051E+061E+070500100015002000SputteringTime(Seconds)SecondaryIonIntensity(counts/sec)TiSiCuOCopyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC8MagneticsectorQuadrupoleTimeOfFlightr=k/B(m/q)1/2M-MMM+MVo(t)=Vc+Vscostt-t~M-Mt~Mt+t~M+MionpulseDetection&Registrationm/q~Bm/q~V(f)m/q~t动态vs.静态SIMS(TOF)Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC9TOF/静态SIMS•对样品表面顶层原子层的分析和元素信息有很高的灵敏度(ppm)•可以Mapping化学键信息和元素成份•对质量没有限制，很高的质量分辨率及精准的质量数确定•表面区域可分析纵向深度分布SIMSvs.TOF-SIMSCopyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC10一次离子离子:元素信息离子:分子信息静态SIMS动态SIMS一次离子剂量1E12ions/cm21E12ions/cm2信息化学元素分析只能分析表面Depthprofile设备TOFMagnetic&Quad动态vs.静态SIMS(TOF)A=AIondamagesection,Desorptionarea,DBombardedsurface,ACopyright2011,EvansAnalyticalGroupLLCSIMS设备磁性场(Cameca)四级矩质量过滤(PHI)QuadrupoleMassAnalyzerElectronMultiplierDetector90°ElectrostaticAnalyzerSampleViewingMicroscopeElectronGunSampleManipulatorIonPumpIonSourceIonSourceElectrostaticAnalyzerMagneticAnalyzerEnergySlitProjectorLensElectronMultiplierFaradayCupCopyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC12QuadrupoleM+MMM-MMagneticSector不同的峰之间转换迅速•多个元素一起分析容易电荷补偿•可分析绝缘材料较低的一次束能量•更好的深度分辨率质量分辨率低•有分子干扰透射率低•检测限差质量分辨率高•能减少干扰一次束可以调到很小•可以分析很小的区域透过率高•检测限更好不同的峰转换慢•每个profile包含的元素少不容易得到低的一次束能量•深度分辨率不好SIMS质谱仪Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC13•两种类型的一次离子束:–O2+和Cs+一次离子束•三种分析模式–O2+离子束溅射，探测正的二次离子(O-SIMS).–Cs+离子束溅射，探测负的二次离子(Cs-SIMS).–Cs+离子束溅射，探测正的离子束簇(MCs+).一次离子束和分析模式的选择Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC14•O-SIMS:可提高正电性元素的离子产率(硼和金属元素）-氧提高了电子滞留的概率，从而提高了正离子产率。•Cs-SIMS:可提高负电性元素的离子产率(P,As,Sb气体元素）-铯增加了电子随颗粒（负离子）离开的可能性，从而提高了负离子产率。•MCs+:基体元素分析或贯穿不同基体材料的掺杂－MCs+离子产率变化对不同的材料(基体材料）不敏感。其也用于分析不能给出正离子产率也不能给出负离子产率的元素(Zn,Cd,Ar,Xeetc)。一次离子束和分析模式的选择Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLCHLiBeNaMgFrRaAc(Rf)(Ha)HeBCNOFNeAlSiPSClAr34567891013141516171890919293949596979899100101102103211121O2+源和Cs+源的元素检测范围适合O2+SIMS分析的元素(检测正离子)适合Cs+SIMS分析的元素(检测负离子)Cs+离子团373839404142434445464748495051525354RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNo(Lr)CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu5859606162636465666768697071KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr192021222324252627282930313233343536878889104105106555657727374757677787980818283848586CsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnIAIIAIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIAIBIIBIIIBIVBVBVIBVIIBVIII过渡金属SIMS的量化和探测极限Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLCSIMS量化–浓度浓度定量：每一点的浓度通过下式来计算:Ca=RSFxIaImCa=元素“a”的浓度Ia=元素“a”的离子强度RSF=相对灵敏度因子Im=基体元素“m”的离子强度相对灵敏度因子（RelativeSensitivityFactor(RSF)）通过测量同基体材料的标样获得。Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLCSIMS定量–深度深度校准：纵向分布的时间轴转化为深度：用表面形貌仪得到要分析的溅射坑的深度值由已知深度的标样分析来确定溅射速率样品溅射坑溅射深度1E+131E+141E+151E+161E+171E+181E+191E+200500100015002000Time(seconds)Concentration(at/cm3)P300keV4E13Pimplant0.247um200keV2E13P注入Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLCSIMS定量原始数据（技术vs时间）转换为处理后的数据（浓度vs深度）1E+131E+141E+151E+161E+171E+181E+191E+2000.511.5Depth(microns)Concentration(at/cm3)P200keV2E13Pimplant1E-011E+001E+011E+021E+031E+041E+051E+061E+070500100015002000Time(Sec)CountsPerSecondP200keV2E13Pimplant原始数据处理后数据Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLCSIMS定量1E+001E+011E+021E+031E+041E+051E+061E+070500100015002000SputteringTime(Seconds)SecondaryIonIntensity(counts/sec)TiSiCuO1E+151E+161E+171E+181E+191E+201E+211E+2202004006008001000Depth(angstroms)CONCENTRATION(atoms/cc)1E+001E+011E+021E+031E+041E+051E+061E+07CountsPerSecondOTi(rawioncounts)-Si(rawioncounts)-Cu(rawioncounts)-原始数据（技术vs时间）转换为处理后的数据（浓度vs深度）原始数据处理后的数据Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLC定量-准确度(绝对值)•SIMS浓度准确度由标样的准确度来控制。目前在业界仅有3个由美国国家标准局鉴定的标样（硅中的B,As,P），它们的准确度在1-3％之间。EAG用的离子注入参考材料其准确性在10-15%。•深度的准确性和触针式表面光度仪的测量有关，对校正样品的重复测量其精度好于1%。SPC的样品重复测量显示深度精度在1-3％。多层材料因为必须要知道每一层的溅射速率，从而精确地得到纵向结构图比较难。准确度:定义:“测量值与绝对值之间接近的程度。”Accuracydefinitionfrom:RandomHouseDictionaryoftheEnglishLanguageCopyright2011,EvansAnalyticalGroupLLCSIMS探测极限受离子计数率的限制受设备的透射或离子化效率的影响(B,Ti,Cr…)解决办法：较大的收集区域，较高的溅射率或较长的计数时间仪器本底限制真空残余气体（H,N,O…）或仪器中的杂质(Al,Cu...)解决办法：改良真空、长时间抽真空和较高的溅射率。分子干扰的限制无法解决的质量或丰度敏感度尾巴(硅中的56Fe,锗中的As)解决办法：用不同的同位素、能量过滤或有利的减少背景。有限的动态量程和记忆效应EM探测器有5.5到6个数量级的动态量程解决办法：预先溅射和单独分析Copyright2011,EvansAnalyticalGroupLLCSIMS探测极限离子计数率的限制小的器件和薄膜有较差的探测极限1E+151E+161E+171E+181E+191E+201E+2100.20.40.60.81DEPTH(microns)CONCENTRATION(atoms/cc)11BAsP35µmSIMSCrater仪器本底的限制薄层有较差的探测极限1E+161E+171E+181E+