二次离子质谱(SIMS)
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
化学溅射：入射粒子使靶表面发生化学反应，从而切 断某些化学健使原子或原子团出射的化学过程。可延 续到更低的能量范围，在电子伏特量级仍有显著的溅 射效应。
离子溅射(电离及二次离子发射)
溅射产额(sputtering yield):平均每个入射的一次离 子所产生的溅射原子总数。
S=出射的粒子数/入射粒子总数
溅射时从表面射出的粒子可能是中性粒子或带有不 同电荷—正离子(+)、负离子(-)、或多重电离。对于 AxBy的化合物：
S = {(A+)+(B+)+(A-)+(B-)+(A2+)+(B2+) +(A2-)+(B2-) +(A2+)+(B2+)+…+(An±P)+(Bn±P)+(A2B+) +(A2B-) +…+(AnBm±P)+(A0)+(B0)+ (AB0) +…+(A20)+ (A20)+ (AnBm0)}/Ip
溅射产额与晶格取向的关系
在100~1000 eV下，用Hg+垂直入射Mo和Fe的溅射粒子的角分布
= 60o时W靶的溅射粒子的角分布
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，拖尾短
利用上述性质，采用能量过 滤器，可滤掉低能原子团。
SIMS主机示意图
质谱分析器（二次离子分析器）种类：
磁质谱 四极质谱 (Quadrupole Mass Spectrometer) 飞行时间质谱 (Time of Flight Mass Spectrometer)
磁质谱计
利用不同动量的离子在磁场中偏转半径不同，将不同质荷 比的离子分开。
清洁表面元素的正二次离子产额在10-5~10-2范围内。 表面覆氧后，离子产额增加2~3个量级。
SIMS —二次离子发射规律
基体效应
Al+的流通率随时间变化的曲线
合金中 Ni+ 的相对电离几率
发射二次离子的类型
正Fra Baidu bibliotek图
负谱图
硅的二次离子质谱图
离子溅射与二次离子质谱
在超高真空条件下，在清 洁的纯Si表面通入20 L的氧 气后得到的正、负离子谱， 并忽略了同位素及多荷离 子等成份。除了有硅、氧 各自的谱峰外，还有SimOn (m,n = 1, 2, 3……)原子团离 子发射。应当指出，用氧 离子作为入射离子或真空 中有氧的成分均可观察到 MemOn (Me为金属)
离子溅射
溅射：一定能量的离子束 轰击固体表面引起表面的 原子或分子射出。
入射粒子的能量必须 超过受轰击材料表面的阈 值。SIMS:10-20KeV。
溅射的粒子一般以中 性为主，其中有一部分带 有正、负电荷，这就是二 次离子。
离子溅射
物理溅射：入射粒子将动能转移给靶原子使之出射的 动力学过程。--多在中、高能量(keV--MeV)粒子轰击 条件下发生。
二次离子质谱（SIMS） Secondary Ion Mass Spectroscopy
一、概述
•二 次 离 子 质 谱 是 表 征 固 体材料表面组分和杂质的 离子束分析技术。
•利 用 质 谱 法 分 析 由 一 定 能量的一次离子轰击在样 品靶上溅射产生的正、负 二次离子。
工作原理： 一定能量的离子轰击固体表面引起表面原子、
分辨率高；笨重、扫描速度慢
四极质谱（QMS）
通过高频与直流电场使特定质荷比的离子以稳定轨迹穿过四 级场，质量较大或较小的离子由于轨迹不稳定而打到四级杆 上，从而达到质量分析的目的。
特点：结构简单、操作方便、扫速快；质量范围小、质量 歧视
飞行时间质谱 TOF
由于相同能量不同质荷比的离子飞行速度不同，用脉冲方式引出 离子并经过一段飞行，它们会分别在不同时间到达收集极，从而 得到质谱。
综上所述，SIMS能给出一价离子(是识别该 元素存在的主要标志)、多荷离子、原子团离子 （如Si2+ ，Si3+ ），化合物的分子离子以至重排 离子，亚稳离子及入射离子与样品表面相互作用
后生成的离子及环境作用(如吸附)产生的离子谱， 因而提供了十分丰富的表面信息。
二、二次离子质谱仪
二次离子质 谱仪至少包括主真 空室、样品架及送 样系统、离子枪、 二次离子分析器和 离子流计数及数据 处理系统等五部分。
分子或原子团的二次发射，即离子溅射。溅射的粒 子一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷， 这就是二次离子。利用质量分析器接收分析二次离 子就得到二次离子质谱。
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. 可以在超高真空条件下获取样品表层信息 5. 能进行微区成分的成象及深度剖面分析
1.2
Nb
0.0006
0.05
Mn
0.0006
0.3
Mo
0.00065
0.4
Ba
0.0002
0.03
Si
0.0084
0.58
Ta
0.00007
0.02
Ge
0.0044
0.02
W
0.00009
0.035
SIMS 二次离子发射规律
基体效应
由于其他成分的存在，同一元素的二次离子产 额会发生变化，这就是SIMS的“基体效应”。
离子溅射与二次离子质谱
描述溅射现象的主要参数是溅射阈能和溅射产额。 溅射阈能指的是开始出现溅射时，初级离子所需 的能量。 溅射产额决定接收到的二次离子的多少，它与入 射离子能量、入射角度、原子序数均有一定的关系， 并与靶原子的原子序数、晶格取向有关。
Cu 的溅射产额与入射能量的关系
是入射方向与
溅射粒子能量分布曲线
SIMS 基体效应
17种元素的二次离子产额
金属
清洁表面 覆氧表面
金属
清洁表面 覆氧表面
Mg
0.01
0.9
Fe
0.0015
0.35
Al
0.007
0.7
Ni
0.0006
0.045
Ti
0.0013
0.4
Cu
0.0003
0.007
V
0.001
0.3
Sr
0.0002
0.16
Cr
0.0012
样品法向的夹角。
当 = 60o~ 70o时，
溅射产额最大， 但对不同的材料， 增大情况不同。
相对溅射产额与离子入射角度的关系
溅射产额与入射离子原子序数的关系
图中是Ar+在400 eV 时对一些元素的溅射 产额，并给出了元素 的升华热倒数，说明 溅射产额与元素的升 华热具有一定的联系。
溅射产额与元素的升 华热倒数的对比
离子溅射(电离及二次离子发射)
溅射产额(sputtering yield):平均每个入射的一次离 子所产生的溅射原子总数。
S=出射的粒子数/入射粒子总数
溅射时从表面射出的粒子可能是中性粒子或带有不 同电荷—正离子(+)、负离子(-)、或多重电离。对于 AxBy的化合物：
S = {(A+)+(B+)+(A-)+(B-)+(A2+)+(B2+) +(A2-)+(B2-) +(A2+)+(B2+)+…+(An±P)+(Bn±P)+(A2B+) +(A2B-) +…+(AnBm±P)+(A0)+(B0)+ (AB0) +…+(A20)+ (A20)+ (AnBm0)}/Ip
溅射产额与晶格取向的关系
在100~1000 eV下，用Hg+垂直入射Mo和Fe的溅射粒子的角分布
= 60o时W靶的溅射粒子的角分布
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，拖尾短
利用上述性质，采用能量过 滤器，可滤掉低能原子团。
SIMS主机示意图
质谱分析器（二次离子分析器）种类：
磁质谱 四极质谱 (Quadrupole Mass Spectrometer) 飞行时间质谱 (Time of Flight Mass Spectrometer)
磁质谱计
利用不同动量的离子在磁场中偏转半径不同，将不同质荷 比的离子分开。
清洁表面元素的正二次离子产额在10-5~10-2范围内。 表面覆氧后，离子产额增加2~3个量级。
SIMS —二次离子发射规律
基体效应
Al+的流通率随时间变化的曲线
合金中 Ni+ 的相对电离几率
发射二次离子的类型
正Fra Baidu bibliotek图
负谱图
硅的二次离子质谱图
离子溅射与二次离子质谱
在超高真空条件下，在清 洁的纯Si表面通入20 L的氧 气后得到的正、负离子谱， 并忽略了同位素及多荷离 子等成份。除了有硅、氧 各自的谱峰外，还有SimOn (m,n = 1, 2, 3……)原子团离 子发射。应当指出，用氧 离子作为入射离子或真空 中有氧的成分均可观察到 MemOn (Me为金属)
离子溅射
溅射：一定能量的离子束 轰击固体表面引起表面的 原子或分子射出。
入射粒子的能量必须 超过受轰击材料表面的阈 值。SIMS:10-20KeV。
溅射的粒子一般以中 性为主，其中有一部分带 有正、负电荷，这就是二 次离子。
离子溅射
物理溅射：入射粒子将动能转移给靶原子使之出射的 动力学过程。--多在中、高能量(keV--MeV)粒子轰击 条件下发生。
二次离子质谱（SIMS） Secondary Ion Mass Spectroscopy
一、概述
•二 次 离 子 质 谱 是 表 征 固 体材料表面组分和杂质的 离子束分析技术。
•利 用 质 谱 法 分 析 由 一 定 能量的一次离子轰击在样 品靶上溅射产生的正、负 二次离子。
工作原理： 一定能量的离子轰击固体表面引起表面原子、
分辨率高；笨重、扫描速度慢
四极质谱（QMS）
通过高频与直流电场使特定质荷比的离子以稳定轨迹穿过四 级场，质量较大或较小的离子由于轨迹不稳定而打到四级杆 上，从而达到质量分析的目的。
特点：结构简单、操作方便、扫速快；质量范围小、质量 歧视
飞行时间质谱 TOF
由于相同能量不同质荷比的离子飞行速度不同，用脉冲方式引出 离子并经过一段飞行，它们会分别在不同时间到达收集极，从而 得到质谱。
综上所述，SIMS能给出一价离子(是识别该 元素存在的主要标志)、多荷离子、原子团离子 （如Si2+ ，Si3+ ），化合物的分子离子以至重排 离子，亚稳离子及入射离子与样品表面相互作用
后生成的离子及环境作用(如吸附)产生的离子谱， 因而提供了十分丰富的表面信息。
二、二次离子质谱仪
二次离子质 谱仪至少包括主真 空室、样品架及送 样系统、离子枪、 二次离子分析器和 离子流计数及数据 处理系统等五部分。
分子或原子团的二次发射，即离子溅射。溅射的粒 子一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷， 这就是二次离子。利用质量分析器接收分析二次离 子就得到二次离子质谱。
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. 可以在超高真空条件下获取样品表层信息 5. 能进行微区成分的成象及深度剖面分析
1.2
Nb
0.0006
0.05
Mn
0.0006
0.3
Mo
0.00065
0.4
Ba
0.0002
0.03
Si
0.0084
0.58
Ta
0.00007
0.02
Ge
0.0044
0.02
W
0.00009
0.035
SIMS 二次离子发射规律
基体效应
由于其他成分的存在，同一元素的二次离子产 额会发生变化，这就是SIMS的“基体效应”。
离子溅射与二次离子质谱
描述溅射现象的主要参数是溅射阈能和溅射产额。 溅射阈能指的是开始出现溅射时，初级离子所需 的能量。 溅射产额决定接收到的二次离子的多少，它与入 射离子能量、入射角度、原子序数均有一定的关系， 并与靶原子的原子序数、晶格取向有关。
Cu 的溅射产额与入射能量的关系
是入射方向与
溅射粒子能量分布曲线
SIMS 基体效应
17种元素的二次离子产额
金属
清洁表面 覆氧表面
金属
清洁表面 覆氧表面
Mg
0.01
0.9
Fe
0.0015
0.35
Al
0.007
0.7
Ni
0.0006
0.045
Ti
0.0013
0.4
Cu
0.0003
0.007
V
0.001
0.3
Sr
0.0002
0.16
Cr
0.0012
样品法向的夹角。
当 = 60o~ 70o时，
溅射产额最大， 但对不同的材料， 增大情况不同。
相对溅射产额与离子入射角度的关系
溅射产额与入射离子原子序数的关系
图中是Ar+在400 eV 时对一些元素的溅射 产额，并给出了元素 的升华热倒数，说明 溅射产额与元素的升 华热具有一定的联系。
溅射产额与元素的升 华热倒数的对比