薄膜制备与表面分析05.ppt

Qing-Yu Zhang State Key Laboratory for Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams SIMS ?? 引言 二次离子质谱是利用质谱法分析初级离子入射靶面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面信息的一种方法。二次离子质谱可以分析包括氢在内的全部元素，并能给出同位素的信息，分析化合物组分和分子结构。二次离子质谱具有很高的灵敏度，可达到ppm甚至ppb的量级，还可以进行微区成分成像和深度剖面分析 。 SIMS ?? 引言 早在本世纪30年代，Arnot等人就研究了二次离子发射现象。1949年，Herzog和Viekbock首先把二次离子发射与质谱分析结合起来。六十年代，先后发展了离子探针和直接成像质量分析器。七十年代又提出和发展了静态二次离子质谱仪。这些二次离子质谱仪的性能不断改进，使之成为一种重要的、有特色的表面分析手段。 SIMS ??离子溅射与二次离子质谱 二次离子质谱 一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子、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 ??离子溅射与二次离子质谱 二次离子质谱 SIMS ??离子溅射与二次离子质谱 离子溅射 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。 SIMS ??离子溅射与二次离子质谱 离子溅射 SIMS ??离子溅射与二次离子质谱 离子溅射 ?是入射方向与样品法向的夹角。 当? = 60o~ 70o时，溅射产额最大，但对不同的材料，增大情况不同。 SIMS ??离子溅射与二次离子质谱 离子溅射 SIMS ??离子溅射与二次离子质谱 离子溅射 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。 SIMS ??离子溅射与二次离子质谱 离子溅射 SIMS ??离子溅射与二次离子质谱 离子溅射 SIMS ??离子溅射与二次离子质谱 离子溅射 SIMS ??离子溅射与二次离子质谱 离子溅射 SIMS ??二次离子质谱仪 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。 SIMS ??二次离子质谱仪 二次离子质谱仪-离子枪 离子枪一般分为热阴极电离型离子源、双等离子体离子源和液态金属场离子源。 热阴极电离型离子源电离率高，但发射区域大，聚束困难、能量分散和角度分散较大。 SIMS ??二次离子质谱仪 二次离子质谱仪-离子枪 双等离子体离子源亮度高，束斑可达1~2 ?m经过Wein过滤器可用于离子探针和成像分析。 液态金属场离子源可以得到束斑为0.2~0.5 ?m ，束流为0.5 nA的离子束，束斑最小可达到50 nA。 SIMS ??二次离子质谱仪 二次离子质谱仪-质谱分析器 二次离子分析系统早期采用磁质谱分析器，但仪器复杂、成本高。 表面分析的静态SIMS中，几乎都采用四极滤质器，它没有磁场、结构简单、操作方便、成本低。 飞行时间质谱计分析速度快、流通率高，可以测量高质量数的离子，而逐渐受到人们的重视。 SIMS ??二次离子质谱仪 SIMS类型-离子探针 离子探针即离子微探针质量分析器(Ion Microprobe Mass Analyzer—IMMA)，有时也称扫描离子显微镜(SIM)。它是通过离子束在样品表面上扫描而实现离子质谱成像的。初级离子束斑直径最小可达1-2?m，甚至更低。初级离子束的最大能量一般为20keV，初级束流密度为mA/cm2量级。 SIMS ??二次离子质谱仪 SIMS类型-离子探针 SIMS ??二次离子质谱仪 SIMS类型-直接成像质量分析器 直接成像质量分析器(Direct Imaging Mass Analyzer—DIMA)也就是成像质谱计(Imaging Mass Spectrometer—IMS)，有时也称为离子显微镜(IM)。它是利用较大的离子束径打到样品表面上，从被轰击区域发射的二次离子进行质量分离和能量过滤，在保证空间关系不变的情况下，在荧光屏上以一定的质量分辨本领分别得到各种成分离子在一定能量范围内的分布图像。 SIMS ??二次离子质谱仪 SIMS类型-直接成像质