材料的表面与界面分析－3SIMS-北京电子能谱中心.pptVIP

表面与界面分析次级离子质谱分析（SIMS) 朱永法 2003.12.23 提要 SIMS的发展历史 SIMS的基本原理 SIMS的仪器结构 SIMS的实验方法 SIMS的应用 SIMS的发展历史 J. J. Thomson（1910〕研究了金属板上“正射线”即正离子效应。他推断在所有方向上出射的次级粒子主要是中性粒子，但也有很少部分带正电荷。正射线及其在电、磁场作用下的偏转的早期研究导致了质谱仪的诞生。 1913年，J. J. Thomson首先将这一技术应用于研究元素的同位素。 1931年，Woodcock报导了第一个负离子谱，他分析的是钠和钙的氟化物，其结果大致达到单位质量分辨率。 RCA实验室的Herzog、Viehbock（1949〕、Honig及其合作者（1950〕先后开发了用于分析目的的次级离子质谱仪。 历史 用SIMS作真正的表面分析要追溯到1969年，Münster大学Benninghoven教授使用了一个很特殊的方法。他有意地使用覆盖面大的低离子束流，将其用于研究超高真空条件下的表面。早期四极质谱仪具有足够的灵敏度，使得在剥离第一单层（代表纯粹的表面〕的时间内就能很好地收取谱。因此，Benninghoven用静态次级离子质谱（SSIMS〕这个词将该方法同以前的工作区别开来(Benninghoven, 1969)。 Münster小组对金属衬底上有机分子的微吸附层的研究表明，有机质谱的分析本领可以移植到聚合物表面分析（Gardella Hercules, 1980〕。 SIMS的原理 利用离子束溅射等技术产生次级离子； 利用四极杆质谱或飞行时间质谱进行质量分析； 通过对离子的质荷比确定原子量，元素定性和定量分析； 检测灵敏度高，干扰小； 仪器结构 一个次级离子质谱仪(或SIMS谱仪）由以下几个部分组成： 真空室及其抽气系统； 样品引入及操纵系统； 初级离子(或原子）源； 质谱仪及其次级离子收集透镜； 次级离子检测系统； 个人计算机或工作站为基础的专用数据处理系统，用于谱仪的控制和所采集的数据处理。 此外，在分析聚合物等绝缘材料时，还有必要使用一个辅助的电子枪以消除荷电问题，因此电子枪是静态次级离子质谱仪的一个必要组成部分。 初级离子源 离子枪的类型除了受所使用的质谱仪的限制外(四极质谱仪要求连续的离子束，而飞行时间（ToF）质谱仪要求脉冲离子束），还取决于在较高或较低的空间分辨率下工作时对离子枪的不同要求。 最重要的离子源参数是其亮度、可拉出电流和离子能量离散。 用于SSIMS的离子源有三种：电子撞击源，表面电离源和液态金属场发射源。 电子撞击型离子源的原理 从加热灯丝(阴极）发射的电子被一个100～200伏的电压差加速到阳极，从而获得足够的能量，去电离与之相碰撞的气体原子； 由于大部分离子是在一个等电位区域形成，其能量离散约为5～10eV。 离子源一般使用惰性气体(因为反应性气体如O2，N2等会使灯丝很快失效），工作压力约10－7～5?10－4 mbar。 典型的离子能量一般在0.1～5keV之间，束斑尺寸在～50?m到几毫米之间。 表面电离源 可以提供Cs+离子束，用于飞行时间SIMS。 有很高的亮度 (可达500Acm-2sr-1），同时能量离散很低。 Cs源通过加热或汽相输送到加热的灯丝上，在W表面形成离子。然后通过加速使这些离子离开表面。 在离子产生过程中没有发生碰撞，离子束很纯。加热汽化方式的能量离散为0.2eV，不需要作质量过滤。和电子撞击型相比，这种高亮度保证了每个脉冲可以含有更多的离子。 这种离子源用于提供较大的束斑(100?m或更大些，用于SIMS收谱或用于共点成像），也可能聚焦到5?m以下获得足够的束流密度，用于中等分辨率的显微成像。离子源的典型拉出电压为8kV。 液态金属型离子源 液态金属(通常是Ga）从一个加热的容器中引入到一个直径约5?m的针尖。在针尖的前面，是一个加负偏压的拉出电极，可以在针尖产生一个场强为～108Vcm-1的电场。 作用在液态膜上的方向相反的静电力及表面张力，在伸出针尖外将产生一个曲率很高的尖头(Taylor锥）(～2?m）。场离子将从该尖头发射出来。 这种类型离子源的亮度特别高，可达～106Acm-2sr-1,但是能量离散也相对比较大，在高拉出电压(25～30KV）和尽可能低的离子流(～1?A）时，可以获得最佳的空间分辨率性能。可以得到斑点直径30nm，束流密度为1Acm-2的离子束。 四极质谱仪 四极杆质量过滤器由四根互相平行的导电杆所组成，如图4.2所示。 相对的两根杆连接在相同的电位上，拥有一个直流部分和一个射频部分，两对导电杆的电位符号相反； 进入这个装置且和导电杆平行的离子将经历一个横向的运动，因此，经历一个振荡的运动轨迹，导致大部