飛行時間二次離子質譜儀（TOF-SIMS）介紹美信檢測失效分析實驗室
【摘要】飛行時間二次離子質譜儀（Time FlightSecondary Ion Mass Spectrometry， TOF-SIMS）是一種非常靈敏的表面分析技術，通過用一次離子激發樣品表面，打出極其微 量的二次離子，根據二次離子因不同的質量而飛行到探測器的時間不同來測定離子質量，具 有極高分辨率的測量技術。可以廣泛應用于物理，化學，微電子，生物，制藥，空間分析等 工業和研究方面。TOF-SIMS 可以提供表面，薄膜，界面以至于三維樣品的元素，分子等結 構信息。
1.引言 現代飛行時間二次離子質譜儀（TOF-SIMS）源于上個世紀七十年代。它的特點之一是 高靈敏度。對幾乎所有的元素其最低可測量濃度都可以達到ppm（百萬分之一）數量級，有 些可以達到ppb（十億分之一）量級。特點之二是高縱向分辨率。最新一代TOF-SIMS 辨率可以達到二至三個原子層。同時隨著技術的改善，分析區域越來越小。上述特點使TOF-SIMS 在材料的成份、摻雜和雜質沾污等方面的分析中擁有不可替代的地位。
2.原理 利用聚焦的一次離子束在樣品上進行穩定的轟擊，一次離子可能受到樣品表面的背散射（概率很小），也可能穿透固體樣品表面的一些原子層深入到一定深度，在穿透過程中發 生一系列彈性和非彈性碰撞。一次離子將其部分能量傳遞給晶格原子，這些原子中有一部分 向表面運動，并把能量傳遞給表面離子使之發射，這種過程成為粒子濺射。在一次離子束轟 擊樣品時，還有可能發生另外一些物理和化學過程：一次離子進入晶格，引起晶格畸變；在 具有吸附層覆蓋的表面上引起化學反應等。濺射粒子大部分為中性原子和分子，小部分為帶 正、負電荷的原子、分子和分子碎片； 收集經過質譜分離的二次離子，可以得知樣品表面和本體的元素組成和分布。在分析過程中，質量分析器不但可以提供對于每一時刻的新鮮表面的多元素分析數據。而且還可以 提供表面某一元素分布的二次離子圖像。 TOF-SIMS的獨特之處在于其離子飛行時間只依賴于他們的質量。由于其一次脈沖就 可得到一個全譜，離子利用率最高，能最好地實現對樣品幾乎無損的靜態分析，而其更重要 的特點是只要降低脈沖的重復頻率就可擴展質量范圍，從原理上不受限制。
3.輸出參數 可對H-U元素進行定性分析（定量需標樣），檢測極限可達ppm或更低的濃度。 可對元素進行面分布分析。
4.應用案例
4.1 有機大分子分析：能直接分析出分子式。
4.2 痕量元素分析：有標樣的樣品定量分析能達到ppm級別，有極高的檢出限。 5.小結 本文簡單介紹了飛行時間二次離子質譜儀（TOF-SIMS）的基本原理、結構和應用。通 過對產品的表面微區和超薄厚度的分析，能夠為失效分析提供多方面的信息。例如，摻雜與 分布是否滿足設計要求、工藝過程中是否在有源區引入了沾污等等。