二次离子质谱基本规律和应用
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(2)溅射产额与入射离子能量的关系，当离子能量 超过阈值后，开始有溅射，溅射阈值主要决定于靶原 子的升华热，随着离子能量的增加，溅射产额逐渐增 至饱和值，随后又逐步下降；
(3)溅射产额与入射角θ的关系，当θ=60o～70o时
溅射产额最大；
(4)溅射产额与靶原子序数的关系，与升华能有关， 升华能愈小，靶原子间结合愈弱，则溅射产额愈高；
SIMS的原理示意图
二、离子与表面的相互作用
离子束与表面的相互作用，用单个离子与表面的作用来处 理，通常：
一次束流密度 < 10－6A/cm2 一个离子与表面相互作用总截面 < 10nm2 一个离子与表面相互作用引起各种过程弛豫时间< 10－12秒
发射出表面 留在固体内
一次离子
固体表层
背散射离子 溅射原子、分子和原子团
(中性、激发态或电离) 反弹溅射
离子注入
反弹注入
离子与固体表面相互作用引起的重粒子发射过程
荷能离子与表面的相互作用包括一系列基本过程。一次离 子与表面上的原子或原子团会发生弹性或非弹性碰撞，交 换能量和动量。
如果改变运动方向朝真空端飞回， 称一次离子的背散 射；表面上的粒子受到碰撞会产生振动、移位及激发，
当粒子获得离开表面方向的动量，且能量又可克服其 结合能量时，则会产生二次发射，这种现象称为溅射。
溅射出的二次粒子可以是原子、分子或原子团，其中 大部分是中性的，还有一些带正及负电荷的二次离子。 这些二次粒子都带有一定初始能。见图中的 II。
还有一部分一次离子和表面原子碰撞，在一次碰撞中 把大一部分能量传递给表面原子，使其以很高的能量 发射出去(这称反弹溅射)，一次离子则注入到表面内， 见图中的 Ⅲ。
此外离子还会与表面进行电荷交换，导致中和、电离 以及二次电子发射等，在各种激发与去激发以及中性 化过程中都可导致光发射，这种过程可以在体内较深 的区域、表面区以及体外发生。
离子与表面相互作用包含着一系列复杂的基本过 程，其中溅射产生的二次离子发射是SIMS的基础。
三、溅射的基本规律 (实验规律)
以至打入体内(称反弹注入)，见图中的 I。
一次离子还可穿入表面，在靶内会产生一系列联碰 撞，将其能量逐步转移给周围的晶格，最后注入到 一定的深度即离子注入。
靶内原子受到碰撞，一旦获得高于一定阈值的能量就 会发生体内移位，变成一次撞出原子，它们可再次与 周围原子碰撞，使撞出原子增加，其中必然有一部分 会扩展到表面。
(5)溅射产额与晶格取向有关即靶的晶格效应。 除上述规律外，实验研究还表明溅射产额与表面状 态关系很大。表面粗糙度、表面化学吸附、表面氧化以 及表面污染等都对它产生强烈影响。
3. 二次离子能量分布 最可几能量分布范围：1-10eV，与入射离子
能量无关； 原子、离子：峰宽，有长拖尾； 带电原子团：能量分布窄，最可几能量低，
静态SIMS要求把分析室的真空度提高到10-8 Pa或 更高，使空间的气体分子打到表面形成一个单层的时 间，增加到几小时甚至几天，这样在进行分析时表面 不会受到真空环境的干扰。
其次，一次离子的能量降到5keV以下，束流密度 降到10-9A/cm2量级，从而使表面在离子溅射下单分子 层的寿命从几分之一秒延长到几个小时。
通常，溅射产物90％为中性粒子。
3. 溅射速率：单位时间溅射的厚度，
其中 z：溅射速率 S: 溅射产额 Jp：一次束流密度 Ip：束流强度 M：靶原子原子量 ρ: 靶材料的密度 A：束斑面积
4. 特殊说明： Δ 溅射产额与样品表面关系甚大。 Δ 对于多组分的靶，由于溅射产额的不同会发生 择优溅射，使表面组分不同于体内。
由于静态SIMS需极大地降低一次束流密度，所以 为了保持高的灵敏度，必需采用较大直径的束斑，采 用脉冲计数方法测量离子流以及选用高传输率的质量 分析器。
二次离子质谱基本规律和 应用
二次离子质谱
(Secondary Ion Mass Spectrometry 简称 SIMS)
一、简介 二、离子与表面的相互作用 三、溅射的基本规律 四、二次离子发射的基本规律 五、二次离子质谱分析技术 六、二次离子分析方法 七、二次离子质谱的研究新方向 八、总结
一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ简介
二次离子质谱（SIMS）是一种重要的材料成分分析方 法，在微电子、光电子、材料科学、催化、薄膜和生物领域 有广泛应用。
二次离子质谱是利用质谱法分析初级离子入射 靶面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面信 息的一种方法。
SIMS的主要特点： 1. 具有很高的检测极限，对杂质检测限通常为ppm，甚
至达ppb量级； 2. 能分析化合物，得到其分子量及分子结构的信息； 3. 能检测包括氢在内的所有元素及同位素； 4. 获取样品表层信息； 5. 能进行微区成分的成象及深度剖面分析。
拖尾短。 利用上述性质，采用能量过滤器，可滤掉低能
原子团。
五、SIMS分析模式和基本关系式
l、SIMS分析模式
SIMS分析模式大致可分为动态和静态两大类。一 次离子束流密度是划分两种模式的主要标志。动态 SIMS是最早的SIMS分析模式。
离子显微镜和离子微探针都属于这一类。其 一 次 离 子 束 流 密 度 较 高 (>1X10-7A/cm2) ， 溅 射速率>5nm/min，这种模式常用于深度剖析、 成像和微区分析，主要应用于电子技术和材 料科学的研究。
1. 研究溅射的重要性： SIMS的分析对象是溅射产物－正、负二次离 子 溅射的多种用途： 在各种分析仪器中产生深度剖面 清洁表面 减薄样品 溅射镀膜 真空获得(溅射离子泵)
2. 溅射产额 (S)： 一个离子打到固体表面上平均溅射出的粒子数。 与下列因素有关： (1) 入射离子能量 (2) 一次离子入射角 (3) 入射离子原子序数 (4) 样品原子序数 (5) 靶材料的晶格取向
四、二次离子发射的基本规律
1. 发射离子的种类
（1）纯元素样品 Δ 一价正、负离子及其同位素； Δ 多荷离子：在质谱图上出现在一价离子质量数 的1/2、1/3处； Δ原子团。
（2）通氧后 原子团及化合物。
（3）有机物样品 分子离子、碎片离子。
(给出化合物分子量及分子结构信息)
2．二次离子产额
(1)溅射产额与入射离子原子序数的关系，随着入 射离子原子序数的增加，总的趋势是溅射产额增大；
(3)溅射产额与入射角θ的关系，当θ=60o～70o时
溅射产额最大；
(4)溅射产额与靶原子序数的关系，与升华能有关， 升华能愈小，靶原子间结合愈弱，则溅射产额愈高；
SIMS的原理示意图
二、离子与表面的相互作用
离子束与表面的相互作用，用单个离子与表面的作用来处 理，通常：
一次束流密度 < 10－6A/cm2 一个离子与表面相互作用总截面 < 10nm2 一个离子与表面相互作用引起各种过程弛豫时间< 10－12秒
发射出表面 留在固体内
一次离子
固体表层
背散射离子 溅射原子、分子和原子团
(中性、激发态或电离) 反弹溅射
离子注入
反弹注入
离子与固体表面相互作用引起的重粒子发射过程
荷能离子与表面的相互作用包括一系列基本过程。一次离 子与表面上的原子或原子团会发生弹性或非弹性碰撞，交 换能量和动量。
如果改变运动方向朝真空端飞回， 称一次离子的背散 射；表面上的粒子受到碰撞会产生振动、移位及激发，
当粒子获得离开表面方向的动量，且能量又可克服其 结合能量时，则会产生二次发射，这种现象称为溅射。
溅射出的二次粒子可以是原子、分子或原子团，其中 大部分是中性的，还有一些带正及负电荷的二次离子。 这些二次粒子都带有一定初始能。见图中的 II。
还有一部分一次离子和表面原子碰撞，在一次碰撞中 把大一部分能量传递给表面原子，使其以很高的能量 发射出去(这称反弹溅射)，一次离子则注入到表面内， 见图中的 Ⅲ。
此外离子还会与表面进行电荷交换，导致中和、电离 以及二次电子发射等，在各种激发与去激发以及中性 化过程中都可导致光发射，这种过程可以在体内较深 的区域、表面区以及体外发生。
离子与表面相互作用包含着一系列复杂的基本过 程，其中溅射产生的二次离子发射是SIMS的基础。
三、溅射的基本规律 (实验规律)
以至打入体内(称反弹注入)，见图中的 I。
一次离子还可穿入表面，在靶内会产生一系列联碰 撞，将其能量逐步转移给周围的晶格，最后注入到 一定的深度即离子注入。
靶内原子受到碰撞，一旦获得高于一定阈值的能量就 会发生体内移位，变成一次撞出原子，它们可再次与 周围原子碰撞，使撞出原子增加，其中必然有一部分 会扩展到表面。
(5)溅射产额与晶格取向有关即靶的晶格效应。 除上述规律外，实验研究还表明溅射产额与表面状 态关系很大。表面粗糙度、表面化学吸附、表面氧化以 及表面污染等都对它产生强烈影响。
3. 二次离子能量分布 最可几能量分布范围：1-10eV，与入射离子
能量无关； 原子、离子：峰宽，有长拖尾； 带电原子团：能量分布窄，最可几能量低，
静态SIMS要求把分析室的真空度提高到10-8 Pa或 更高，使空间的气体分子打到表面形成一个单层的时 间，增加到几小时甚至几天，这样在进行分析时表面 不会受到真空环境的干扰。
其次，一次离子的能量降到5keV以下，束流密度 降到10-9A/cm2量级，从而使表面在离子溅射下单分子 层的寿命从几分之一秒延长到几个小时。
通常，溅射产物90％为中性粒子。
3. 溅射速率：单位时间溅射的厚度，
其中 z：溅射速率 S: 溅射产额 Jp：一次束流密度 Ip：束流强度 M：靶原子原子量 ρ: 靶材料的密度 A：束斑面积
4. 特殊说明： Δ 溅射产额与样品表面关系甚大。 Δ 对于多组分的靶，由于溅射产额的不同会发生 择优溅射，使表面组分不同于体内。
由于静态SIMS需极大地降低一次束流密度，所以 为了保持高的灵敏度，必需采用较大直径的束斑，采 用脉冲计数方法测量离子流以及选用高传输率的质量 分析器。
二次离子质谱基本规律和 应用
二次离子质谱
(Secondary Ion Mass Spectrometry 简称 SIMS)
一、简介 二、离子与表面的相互作用 三、溅射的基本规律 四、二次离子发射的基本规律 五、二次离子质谱分析技术 六、二次离子分析方法 七、二次离子质谱的研究新方向 八、总结
一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ简介
二次离子质谱（SIMS）是一种重要的材料成分分析方 法，在微电子、光电子、材料科学、催化、薄膜和生物领域 有广泛应用。
二次离子质谱是利用质谱法分析初级离子入射 靶面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面信 息的一种方法。
SIMS的主要特点： 1. 具有很高的检测极限，对杂质检测限通常为ppm，甚
至达ppb量级； 2. 能分析化合物，得到其分子量及分子结构的信息； 3. 能检测包括氢在内的所有元素及同位素； 4. 获取样品表层信息； 5. 能进行微区成分的成象及深度剖面分析。
拖尾短。 利用上述性质，采用能量过滤器，可滤掉低能
原子团。
五、SIMS分析模式和基本关系式
l、SIMS分析模式
SIMS分析模式大致可分为动态和静态两大类。一 次离子束流密度是划分两种模式的主要标志。动态 SIMS是最早的SIMS分析模式。
离子显微镜和离子微探针都属于这一类。其 一 次 离 子 束 流 密 度 较 高 (>1X10-7A/cm2) ， 溅 射速率>5nm/min，这种模式常用于深度剖析、 成像和微区分析，主要应用于电子技术和材 料科学的研究。
1. 研究溅射的重要性： SIMS的分析对象是溅射产物－正、负二次离 子 溅射的多种用途： 在各种分析仪器中产生深度剖面 清洁表面 减薄样品 溅射镀膜 真空获得(溅射离子泵)
2. 溅射产额 (S)： 一个离子打到固体表面上平均溅射出的粒子数。 与下列因素有关： (1) 入射离子能量 (2) 一次离子入射角 (3) 入射离子原子序数 (4) 样品原子序数 (5) 靶材料的晶格取向
四、二次离子发射的基本规律
1. 发射离子的种类
（1）纯元素样品 Δ 一价正、负离子及其同位素； Δ 多荷离子：在质谱图上出现在一价离子质量数 的1/2、1/3处； Δ原子团。
（2）通氧后 原子团及化合物。
（3）有机物样品 分子离子、碎片离子。
(给出化合物分子量及分子结构信息)
2．二次离子产额
(1)溅射产额与入射离子原子序数的关系，随着入 射离子原子序数的增加，总的趋势是溅射产额增大；