Sekundärionen-Massenspektrometrie
Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) ist eine Methode der Oberflächenphysik/Oberflächenchemie und gehört wie Sekundär-Neutralteilchen-Massen-Spektrometrie (SNMS), Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) und niederenergetische Ionenstreuspektroskopie (LEIS) zu den Ionenstrahltechniken.
Funktionsweise
Die Probe wird mit Primärionen, welche atomare bzw. molekulare (O2+, Cs+, Ga+, Ar+) oder Clusterionen (SF5+, Au3+, Bi3+, Bi23+) sein können, mit einer Energie von 0,2–25 keV beschossen. Hierbei entstehen neutrale, positiv und negativ geladene Teilchen. Die neutralen Teilchen, welche über 90 % des emittierten Materials darstellen, gehen bei der SIMS für die Analyse verloren. Die Trennung der geladenen Teilchen erfolgt mit Massenanalysatoren (Massenfiltern). Am verbreitetsten sind der Quadrupol-Massenanalysator, der Flugzeitmassenanalysator und der Sektorfeldmassenanalysator. Die letzten beiden erreichen Massenauflösungen von
Aufbau
Ein SIMS-Gerät besteht aus einer Ionenkanone 1), einer Einheit, die die Ionen beschleunigt und auf die Probe fokussiert (und evtl. auch den Ionenstrahl pulst) 2), einer Hochvakuumkammer mit der Probe und einer Linse für die Sekundärionen 3), Probe 4), Energiefilter 5), Massenspektrometer 6) und einer Detektionseinheit: 7) Elektronenmultiplier bzw. 8) Channel plate mit Fluoreszenzschirm.
Einsatz
SIMS ist trotz des oben beschriebenen Materialverlusts eine sehr empfindliche Analysenmethode (Nachweisgrenze im ppm Bereich für alle Elemente), aber auch eine werkstoffzerstörende Methode, da während der Messung neben dem Abtrag von Material auch durch Einbringung von Primärionen in die Probe deren Zusammensetzung und die Morphologie verändert wird.
SIMS kann in verschiedenen Modi betrieben werden. Im Tiefenprofilmodus wird die Zusammensetzung der Probe, angefangen von der Probenoberfläche, in die Tiefe untersucht, wobei eine Tiefenauflösung von wenigen Nanometern bei einer beprobten Tiefe bis zu einigen Mikrometern erreicht wird. Im Abbildungsmodus liefert SIMS Informationen über die laterale Verteilung der chemischen Elemente oder Verbindungen auf der Probenoberfläche und funktioniert in Form eines Ionenmikroskops. Die laterale Auflösung im Abbildungsmodus ist geräteabhängig, bewegt sich aber in einem Bereich von 50 nm bis 1 µm. Durch Kombination dieser beiden Betriebsmoden können Verteilungen durch 3D-Bilder anschaulich dargestellt werden und erleichtern die Interpretation von Vorgängen an der Oberfläche und im Inneren der Probe bis zu einer Tiefe von einigen µm. Eines der Hauptanwendungsgebiete von SIMS liegt heute in der Analyse von Halbleitern und dünnen Schichten, sowie der Untersuchung organischer Kontaminationen auf Oberflächen.
Literatur
- Heinz Düsterhöft, Miklos Riedel, Bettina-Kirsten Düsterhöft: Einführung in die Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS). Teubner Studienbücher, 2001, ISBN 3519032392.