二次離子質(zhì)譜

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上二次離子質(zhì)譜(SIMS)基本原理及其應用*摘 要：二次離子質(zhì)譜( Secondary-ion mass spectrometry，SIMS) 是一種固體原位微區(qū)分析技術(shù)，具有高分辨率、高精度、高靈敏等特征，廣泛應用于地球化學、天體化學、半導體工業(yè)、生物等研究中。本文主要闡明了SIMS 技術(shù)的原理、儀器類型，簡要介紹了其主要應用，分析了其特點。關(guān)鍵詞：二次離子質(zhì)譜；同位素分析；表面分析；深度剖析二次離子質(zhì)譜儀(Secondary-ion mass spectrometry，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

2、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。被廣泛應用于化學、物理學、生物學、材料科學、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1,2。圖12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

3、+從離子源引出的帶電離子如Cs+、或Ga+等被加速至keVMeV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)或引起化學反應。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

4、。譜中的計數(shù)與樣品的各種成分原子濃度有關(guān)，通過與標準樣品的對比，就可以得到待測樣品中的原子濃度。圖22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. SISM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

5、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(5300Lm)的一次離子束為激發(fā)源，用一組離子光學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1。3. 二次離子質(zhì)譜的主要應用根據(jù)工作模式的不同，二次離子質(zhì)譜要

6、有3個方面的應用，分別是表面質(zhì)譜、表面成像和深度剖析。3.1 元素及同位素分析Riciputi等3利用SIMS研究礦物中基體效應對輕質(zhì)元素氧、碳、硫同位素比測量的影響。通過對不同能量的二次離子和不同類型的一次束受基體效應影響的研究，建立了幾種經(jīng)驗模型來校正質(zhì)量歧視。宋玲根等4利用C&ETOF-SIMS對金屬器物中的鉛同位素比值進行測量鉛同位素比值的測量精度優(yōu)于1%。同時還能獲得化合物組成的信息，但對非金屬物質(zhì)不適用。3.2 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，對半導體材料中硼、磷、砷等雜質(zhì)的分析靈敏度可達0.220106。這種高靈敏度的雜質(zhì)分析，是現(xiàn)代

7、半導體工藝中質(zhì)量控制是不可或缺的。Farenzena L S等5人分別利用1.7MeV的N2+離子和252Cf的裂變碎片轟擊CO2-H2O的混合固體靶，結(jié)果在二次離子質(zhì)譜中發(fā)現(xiàn)了有機分子，它們的產(chǎn)生和形成對探索前生命分子的形成機制具有重要意義。3.3 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。Jones N和Palitsin V等6利用10MeV的O4+離子轟擊樣品后，利用質(zhì)荷比分別為73和180的二次離子繪制了樣品表面成分分布的圖像。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研究者的關(guān)注，將其用于生

8、物樣品的分子成像。YamadaH和IchikiK等7人用6MeV Cu4+轟擊動物細胞樣品，得到了細胞壁上的分布圖像。3.4 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。在半導體制造工藝中，擴散的過程對器件的許多性能指標具有決定性的影響，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m尺度擴散區(qū)雜質(zhì)濃度測定分析提高了理想的工具。Hubert Gnaser8用30keV的Ga+以不

9、同劑量注入InP樣品后用二次離子質(zhì)譜測量了Ga元素深度分布圖，深度分辨約為1nm，靈敏度達到了ppm量級。Bailey M J和Jones B N等9人用10MeV的O4+轟擊紙張的樣品，通過對樣品表面的元素深度分布測量，來確定到底是先有指紋后有字跡還是相反。傳統(tǒng)的指紋鑒定一般要使用化學試劑，二次離子質(zhì)譜技術(shù)的應用無疑為鑒定工作提供一種全新的、高靈敏度且無損的檢測方法。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

10、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部件上的沉積會產(chǎn)生嚴重的記憶效應。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。它作為目前最為先進的微區(qū)分析手段，已經(jīng)得到了令人矚目的發(fā)展。隨著SIMS技術(shù)的不斷發(fā)展，在化學、物理學、生物學、材料科學、電子、地球科學方面的應用越來越廣泛，對SIMS技術(shù)

11、的應用的探究也越來越多。相信其將在地球科學研究方面做出重大的貢獻。參考文獻：1 周強，李金英，梁漢東等.二次離子質(zhì)譜(SIMS)分析技術(shù)及應用進展.質(zhì)譜學報，2004，25：113-1202 王錚，曹永明，李越生等.二次離子質(zhì)譜分析.上海計量測試，2003，30：42-463 Lee R Riciputi, Bruce A Paterson, Robert L Ripperdan.Measurement of Light Stable Isotope Ratios by SIMS:Matrix Effects for Oxygen, Carbon, and Sulfur Isotopes in

12、 Minerals. International Journal of Mass Spectrometry,1998,178:811124 宋玲根,蔡磊,任云珠等.鉛同位素比值的飛行時間二次離子質(zhì)譜法測量.質(zhì)譜學報,1995,17(4):3944.5 Farenzena L S，Collado V M，Ponciano C R，et alSecondary ion emission from CO2-H2O ice irradiated by energetic heavy ions Part IMeasurement of the mass spectraInternational Jour

13、nal of Mass Spectrometry，2005，243:856 Jones N，Palitsin VSurface analysis with high energy time-of-flight secondary ion mass spectrometry measured in parallel with PIXE and RBSNuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2010，268:17147 Yamada H，Ichiki KMeV-energy probe SIMS imaging of Major components in animal cells etched using large gas Cluster ionsNuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2010，268:17368 Hubert GnaserFocused ion beam implantation of Ga in InP studied by SIMS and dynamic computer simulationsSurface