Sekundär-Ionen-Massen-Spektrometrie

Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) ist eine Methode der Oberflächenphysik/Oberflächenchemie und gehört wie Sekundär-Neutralteilchen-Massen-Spektrometrie (SNMS), Rutherford Backscattering (RBS) und Low Energy Ion Scattering (LEIS) zu den Ionenstrahltechniken.

Funktionsweise

Schema der dynamischen SIMS

Die Probe wird mit Primärionen, welches 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 m / Δm > 10.000. Damit können zum Beispiel Al⁺, BO⁺ und C₂H₃⁺-Ionen getrennt werden, obwohl alle drei die Nominalmasse 27 haben. Die Ionen gelangen nach Durchfliegen des Analysators zu einem Detektor oder einer Detektorgruppe. Die Signalintensität als Maß für die Teilchenmenge dient der Auswertung der Zusammensetzung. Die dabei in der Regel eingesetzten Mikrokanalplatten oder Elektronenvervielfacher sind in der Lage, einzelne Ionen zu detektieren.

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 werden.

SIMS kann in verschiedenen Betriebsmoden 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 50nm – 1µm. 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.

Siehe auch

• Massenspektrometrie
• NanoSIMS