第四章 材料现代分析测试方法4-离子探针和场离子显微镜

又如对半导体硅材料中微量硼的研究，如果已 知硅、硼的电离度值，就可利用谱强度值和电离度 值求出硅中硼的定量值。 此外，利用这个技术还可在金属材料中研究晶
界偏析，添加特殊元素以改善晶界性质以及有害杂
质元素的作用分析。
在半导体材料和膜材料中，进行界面杂质等分
析。
进行微量杂质测定时，为了提高检测灵敏度，
息，这对于研究材料表面的微区成分分布，特别
是大规模集成电路研制无疑有重要的意义。
5．纵向成分分析
利用一次离子束的刻蚀作用，在对样品不断 剥离情况下进行成分分析，从而得到各种成分的 纵向分布信息。
这种分析方法已成为半导体材料等中杂质浓
度分布的重要手段。如对离子注入元素作纵向分
布测量分析，可研究元素的注入量及注入元素浓
表
气体 He
几种典型的气体成像场强
Ei / MV.cm-1 450 气体 Ar Ei / MV.cm-1 230
Ne H2
370 230
Kr
190
常用的惰性气体氦和氖，Ei≈400MV/cm。当 r =10~300nm时，在尖端表面附近产生这样高的场强 所需要的样品电位U并不很高，仅为5~50kV。
子束代替电子束，以质谱仪代替X射线分析
器。
同电子探针相比，离子探针可以对更薄表面
层进行分析（<5nm）；可对包括氢在内的
轻元素进行分析，检测的灵敏度高；可探测
痕量元素；可作同位素分析。
其主要功能见下表。
表
信息来源
离子探针的主要分析功能
分析方法 质谱分析 分析功能 体内微量分析
表面微量分析
表面形貌 元素像、原子序数对比
可分析元素
定量精度 （Wc>10%） 真空度要求/Pa
Z≥4 全部（对He、Hg等 （Z≤11时灵敏度差） 灵敏度较差）
±1~5%
Z≥3
对样品的损伤
定点分析时间/s
1.33×10-3 1.33×10-6 1.33×10-8 对非导体损伤大， 损伤严重，属消耗性 损伤少 一般情况下无损伤 分析，但可进行剥层 100 0.05 1000
度的纵向分布。
6．三维分析
三维分析是利用特定二次离子像和一次离 子束的刻蚀作用进行，通过这种方法操作可观 察特定元素二次离子像随深度（时间）的变 化，从而实现对该元素三维分布进行分析。
这种分析方法已在电子材料元素分布分析
中得到应用。
第二节 原子探针-场离子显微分析
FIM (Field Ion Microscope)
三、应用
由于离子探针具有以上特点，因此该项分析方 法已用于金属材料、半导体材料、有机分子材料
（膜材料）、陶瓷材料、粉体材料、复合材料等
领域。
1．微量元素分析
已广泛应用于金属和半导体等材料中。
如对铜中氧的高精度分析，在除去残留氧气
及表面污染后，可对铜中20~2300 ppm的氧作高精 度的定量分析。
三、图像的解释
场离子显微镜图像中每一亮点，实际上是样品 尖端表面一个突出原子的像。 整个图像由大量环绕若干中心的圆形亮点环 所构成，其形成的机理可由下图得到解释。 设想某一立方晶体单晶样品细丝的长轴方向 为[011]，则以[011]为法线方向的原子平面，即 （011）晶面与半球形表面的交线为一系列同心圆 环，它们同时也就是表面台阶的边缘线。
由E. W. Muller在20世纪50年代开创了场离子 显微分析。 这是一种原子直接成像的方法，它能清晰地 显示样品表层的原子排列和缺陷，并在此基础上 进一步发展利用原子探针鉴定其中单个原子的元
素类别。
FIM 是最早达到原子分辨率，也就是最早能 看得到原子尺度的显微镜。
一、场离子显微镜的结构
场离子显微镜结构如下图所示，其主要结构 为一玻璃真空容器 ，平坦的底部内侧涂有 荧光 粉，用于显示图像。 被检测样品为阳极（一般为单晶细丝，顶端 曲率半径约为20~200nm的针尖），把样品置于高 真空的空间中，并固定在容器的轴线上，在空间 中放入成像气体(He、Ne、Ar等)中。 为了减小样品表面原子热振动，通常用液氮 或液氦降低样品温度，以提高像的分辨率。
先将容器抽到1.33×10-6 Pa的真空度，然后通 入压力约1.33×10-1 Pa的成像气体。
给样品正高压， 样品接+（10~40）kV 高压，而容器内壁通 过导电镀层接地，一 般用氧化锡，以保持 透明。 在样品加上足够 高的电压时，强电场 使样品附近的成像气 体原子发生极化和电 离，使附着在样品上 的成像气体解离成带 正电的阳离子。
2．极薄表面层分析
利用这一特性可对材料表面处理覆膜、氧化 膜、腐蚀面及表面污染进行分析。 如对18Cr钢在300℃下生成的覆膜中铬的分析 研究发现，在300℃下保温1小时后生成的覆膜在 最表面的铬含量低于内部含量。 利用离子探针分析表面污染物时，应注意表 面污染物离子与体内离子和气相离子的差别。实 现的方法是降低一次离子的能量和一次离子电流 密度，以使溅射系数下降和正确选择二次离子的 能量。
当成像气体进入容器后，受到自身动能的驱使 会有一部分达到阳极附近，在极高的电位梯度作用 下气体原子发生极化，即使中性原子的正、负电荷 中心分离而成为一个电偶极子。
极化原子被电场加速撞击样品表面，气体原子在
针尖表面作连续的非弹性跳动。
样品处于深冷，所以气体原子在表面经历若干次
弹跳的过程中也将被冷却而逐渐丧失其能量。
显然，在突出原子的高场区域内极化原子
最易发生电离，由这一区域径向地投射到观察屏
的“铅笔锥管”内，其中集中着大量射出的气体
离子，因此图像中出现的每一个亮点对应着样品 尖端表面的一个突出原子。
W的FIM像－[011]极
使极化气体电离所需要的成像场强E，主要取 决于样品材料，样品温度和成像气体外层电子的电 离激发能。
第四章
离子探针和场离子显微镜
离子探针（SIM）
第一节
至今，电子探针仍是微区分析最常用的主要
工具，定量分析精度较高。
但由于高能电子束对样品的穿透深度和横向
扩展，它难以满足薄层表面分析的要求。
同时，对Z<11的轻元素分析还较困难。
离子探针微区分析仪，简称离子探针。在功
能方面离子探针与电子探针类似，只是以离
图 场离子显微镜示意图
带正电的气体离子接着被电场加速射出，打到接 收器讯号被放大。 在荧光屏，上面 有一电子通道倍增 板 ，其 作 用是 将 微弱 成 像的 离 子束 转 化为 信号很强的电子束。 最后，以电子射 到 荧光 屏 幕 ， 我 们就 能 在屏 幕 上看 到 一颗 一颗的原子亮点！
图 场离子显微镜示意图
系统。 离子由于引出电极（1kV左右）加速，其能量 由下式给出：
eV mv 2
2
然后进入一个扇形电场，称为静电分析器。
在电场内，离子沿半径为r的圆形轨道运动，由
电场E产生的力等于离心力：
eE mv r
2
离子在电场中的运动轨道半径r为：
r mv eE
2
轨道半径与离子的动能成正比，与电荷成反
3. 测量微量轻工元素
电子探针测量轻元素的精度不高，而离子 探针是测量微量轻元素的有力工具。特别可分 析金属材料中的氢脆。
4．面分布成分分析
利用扫描的二次离子束可以得到经质量分离 的二次离子像，即得到各种成分面分布的真实图 像。
如果将计算机技术与这一技术相结合就可以
从二次离子像中获取很多化学成分与化学结合信
成象原理
尽管样品的尖端表面呈半球形，可是由于原
子的不可分性使得这一表面实质上是由许多原子
平面的台阶所组成，处于台阶边缘的原子总是突
出于平均的半球形表面而具有更小的曲率半径， 在其附近的场强亦更高。
针尖试样三层原子面
纯金属场离子像硬球模型
（001） {111}
{024}
当弹跳中的极化原子陷入突出原子上方某一
一次离子束扫描同步，就能观察样品表面的二次
离子像。
二次离子像的另一成像方式是将样品上产生 的二次离子引入由反电场法和均匀磁场相结合组 成的质谱仪中，仅取出特定离子，然后将其导入 投影透镜组，使样品表面元素成像（图）。
图 Fe+和CaO+的SIM面分布像
图 典型的离子探针质谱分析结果 18.5keV氧离子（O-）轰击硅半导体
（二）离子探针的结构
离子探针由二部分组成：
一次离子发射系统
二次离子分析系统
离子探针仪的结构如下图。
图 离子探针原理图
1. 一次离子发射系统
用于照射样品。
由离子枪、扇型磁铁、电磁透镜组等组成。
功能：形成由能量相近离子组成的束斑细小的
高能离子束。
常用几百电子伏特的电子束轰击气体分子，
使气体分子电离，产生一次离子。
比。所以扇形电场使电荷和动能相同质量未必相
同的离子作相同程度的偏转，再进入扇形磁场
（磁分析器），进行第二次聚焦。由磁通量B产 生的力等于向心力：
B ev mv R
2
eV
mv 2
2
离子在磁场中运动轨道半径R为：
R 2V m eB
2

1 e/m
质荷比相同的离子具有相同的运动半径。所
以经扇形磁场后，离子按m/e聚焦在一起。同m/e
应注意以下几点：
1）增加一次离子电流；
2）正确选择一次离子种类和样品室气氛（在
上例微量硼的测定中，一次离子如采用活性O2+离
子比Ar+离子有更高的灵敏度）；
3）将样品倾斜以增加二次离子的引出效率；
4）利用负离子分析法（通常用负离子法分析
比正离子法获得更高的灵敏度，如在分析碳、氧、
硫等轻元素时，其灵敏度高约10~100倍）。
的离子聚焦在C狭缝处的成像面上。