二次離子質(zhì)譜儀測材料薄膜表面分析
二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）分析方法介紹
2015-02-04
美信檢測 失效分析實(shí)驗(yàn)室
1.簡介
二次離子質(zhì)譜儀（secondary ion mass spectroscopy，簡稱SIMS），是利用質(zhì)譜法分析初級(jí)離子入射靶面后，濺射產(chǎn)生的二次離子而獲取材料表面信息的一種方法。二次離子質(zhì)譜儀分析對(duì)象包括金屬及合金、半導(dǎo)體、絕緣體、有機(jī)物、生物膜等，應(yīng)用領(lǐng)域包括化學(xué)、物理學(xué)和生物科學(xué)等基礎(chǔ)研究，并已遍及到微電子學(xué)、材料科學(xué)、催化、薄膜等領(lǐng)域。
2.原理
樣品表面被高能聚焦的一次離子轟擊時(shí)，一次離子注入被分析樣品，把動(dòng)能傳遞給固體原子，通過層疊碰撞，引起中性粒子和帶正負(fù)電荷的二次離子發(fā)生濺射，根據(jù)濺射的二次離子的質(zhì)量信號(hào)，對(duì)被轟擊樣品的表面和內(nèi)部元素分布特征進(jìn)行分析。
在高能一次離子作用下，通過一系列雙體碰撞后，由樣品內(nèi)到達(dá)表面或接近表面的反彈晶格原子獲得了具有逃逸固體所需的能量和方向時(shí)，就會(huì)發(fā)生濺射現(xiàn)象。
3.樣品、輸出參數(shù)和應(yīng)用
樣品：
（1）晶態(tài)或非晶態(tài)固體，表面經(jīng)修飾的固體、或具有沉積薄膜或鍍層的基底，樣品表面*好是平坦而光滑的，粉末樣品必須將其壓入軟金屬箔(如銅)中或壓制成小塊
（2）樣品尺寸可變，*大尺寸1cm×1cm×1cm
輸出參數(shù)：
(1) 元素含量的面分布圖、深度分布曲線，其深度分辨率約為5～l0nm
(2) 表面全元素半定量分析，定性分析含量在ppm到ppb范圍內(nèi)的痕量元素
(3) 同位素豐度
應(yīng)用：
(1) 鑒別在金屬、玻璃、陶瓷、薄膜或粉末表面上的無機(jī)物層或有機(jī)物層
(2) 氧化物表層、腐蝕膜、瀝濾層和擴(kuò)散層沿深度的濃度分布
(3) 經(jīng)擴(kuò)散或離子注入到半導(dǎo)體材料中的微量摻雜劑(≤1000ppm)沿深度的濃度分布
(4) 在脆化金屬合金、氣相沉積薄膜、水合玻璃和礦物質(zhì)中的氫濃度和氫沿深度的分布
(5) 定量分析固體中的痕量元素
(6) 分析地質(zhì)樣品和含銀樣品中的同位素豐度
(7) 用同位素富集材料進(jìn)行示蹤研究(如研究擴(kuò)散和氧化)
(8) 礦物質(zhì)、多相陶瓷和金屬中的相分布
(9) 由晶界偏析、內(nèi)氧化或沉淀引起的第二相分布
4.案例分析
案例背景：樣品為客戶端送檢P92鋼氧化膜試樣，客戶端要求分析氧化膜的厚度及氧化產(chǎn)物分布情況。
測試結(jié)果譜圖：
結(jié)論：由檢測結(jié)果圖片可知，當(dāng)氧含量降到0時(shí)為氧化膜與基體的分界線，厚度為20μm，由Fe、O和Cr元素的變化，可清楚觀察到氧化產(chǎn)物的變化情況,從表面往心部產(chǎn)物分布：0-4μm Fe2O3→4-9 μ mFe3O4→9-15 μm（Fe.Cr）3O4→15-20μm合金化混合區(qū)。 |
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