二次离子质谱分析技术
二次离子质谱
二次离子质谱Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) 1 引言:离子探针分析仪，即离子探针（Ion Probe Analyzer，IPA），又称二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrum，SIMS），是利用电子光学方法把惰性气体等初级离子加速并聚焦成细小的高能离子束轰击样品表面，使之激发和溅射二次离子，经过加速和质谱分析，分析区域可降低到1-2μm直径和5nm的深度，正是适合表面成分分析的功能，它是表面分析的典型手段之一。
应用离子照射样品产生二次离子的基础研究工作最初是R.H.斯隆（1938）和R.F.K.赫佐格（1949）等人进行的。
1962 年R.卡斯塔因和G.斯洛赞在质谱法和离子显微技术基础上研制成了直接成像式离子质量分析器。
1967 年H.利布尔在电子探针概念的基础上，用离子束代替电子束，以质谱仪代替X 射线分光计研制成扫描式离子探针质量显微分析仪[1]。
二次离子质谱（SIMS）比其他表面微区分析方法更灵敏。
由于应用了中性原子、液态金属离子、多原子离子和激光一次束，后电离技术，离子反射型飞行时间质量分析器，离子延迟探测技术和计算机图像处理技术等，使得新型的IWHI 的一次束能量提高到MeV，束斑至亚μm，质量分辨率达到15000，横向和纵向分辨率小于0.5μm和5nm，探测限为ng/g，能给出二维和三维图像信息。
SIMS 已发展为一种重要的材料成分分析方法，在微电子、光电子、材料科学、催化、薄膜和生物领域有广泛应用[2]。
2 SIMS的基本原理[3]离子探针的原理是利用能量为1～20KeV的离子束照射在固体表面上，激发出正、负离子（溅射），利用质谱仪对这些离子进行分析，测量离子的质荷比和强度，从而确定固体表面所含元素的种类和数量。
2.1 溅射被加速的一次离子束照射到固体表面上，打出二次离子和中性粒子等，这个现象称作溅射。
溅射过程可以看成是单个入射离子和组成固体的原子之间独立的、一连串的碰撞所产生的。
现代分析测试技术-SIMS
俄歇电子能谱（AES）—大本讲义
AES分析方法原理 AES谱仪基本构成 AES谱仪实验技术 AES谱图分析技术 SIMS基本结构及技术特点 XPS/AES/SIMS方法比较
离子溅射与二次 离子质谱
离子溅射过程：一定能量的离子打到固体表面→ 引起表面原子、分子或原子团的二次发射—溅射 离子；溅射的粒子一般以中性为主，有＜1%的 带有正、负电荷—二次离子；
质量分析器
添加标题
检测器
添加标题
二次离子深度分析
添加标题
二次离子分布图像
添加标题
二次离子质谱系统 结构示意图
添加标题
二次离子质谱
二次离子质谱仪基本部件
• 初级离子枪：热阴极电离型离子源，双等离子体离子源，液态金属场离子源；离子束的纯度、电 流密度直接影响分析结果；
• 二次离子分析器：分析质荷比→磁偏式、四极式（静态SIMS ）、飞行时间式（流通率高，测量 高质量数离子）质度剖面分析 微区分析 软电离分析
动态SIMS—深度剖面分析
分析特点：不断剥离下进行SIMS分析—获得 各种成分的深度分布信息；
深度分辨率：实测的深度剖面分布与样品中真 实浓度分布的关系—入射离子与靶的相互作用、 二次离子的平均逸出深度、入射离子的原子混 合效应、入射离子的类型，入射角，晶格效应 都对深度分辨有一定影响。
可以在超高真空条件下得到表层信息；
可检测正、负离子；
可检测化合物，并能给出原子团、分 子性离子、碎片离子等多方面信息； 对很多元素和成分具有ppm甚至ppb 量级的高灵敏度；
可检测包括H在内的全部元素； 可检测同位素； 可进行面分析和深度剖面分析；
二次离子质谱 分析技术
表面元素定性分析 表面元素定量分析
二次离子质谱法(SIMS)
二次离子质谱法（SIMS）扎卡里·沃拉斯（Zachary Voras）1.分类二次离子质谱法（secondary ion mass spectrometry，SIMS）是一种灵敏的表面分析质谱技术，可对样品进行光谱分析、成像或深度剖面分析。
这是一种侵入式技术，不能进行原位检测。
2.说明SIMS是一种超高真空（ultra-high vacuum，UHV）表面分析技术，可以观察样品表面的原子和分子种类。
该技术用离子源发出一次离子束，聚焦并加速轰击样品，样品受碰撞脱落的二次离子直接进入质量分析仪（通常为飞行时间质量分析仪）（Vickerman，2009）。
这种碰撞级联会将一次离子的势能转化为脱落的二次离子碎片的动能。
质量碎片的大小则与脱落部位和初始碰撞位置的远近有关。
要获得最佳信号速率和质量分辨率，必须对一次离子和二次离子进行高水平控制，而一次离子源到分析仪之间的路程超过1 m，因此仪器应保持超高真空条件，才能将平均自由程碰撞控制在最低限度。
图1为SIMS表面分析概述。
在一次离子束入射能量和种类设置最优的情况下，可最大限度地提高单一碰撞事件的二次离子产额。
通过观察原子离子或分子离子都可以表征样品的表面材料，但使用下文所述的团簇离子源则可能减少残余对材料的损伤。
图1 SIMS表面分析概述为获得较高的质量分辨率，二次离子质谱仪通常采用飞行时间（time-of-flight，TOF）质量分析器，因为TOF可匹配脉冲式一次离子束。
TOF质量分析器的作用是让进入的离子先通过漂移管加速，再撞击探测装置（通常为微通道板）（Tang等，1988）。
为确保获得最佳质量分辨率，一次离子束的脉冲必须和质量分析仪的提取／加速阶段完全同步（Niehuis等，1987）。
要进一步提高质量分辨率，离子束的脉冲宽度就必须尽可能窄（＜1ns）（Eccles和Vickerman，1989）。
与其他质量分析器（如四极杆分析器和扇形磁场分析器）相比，TOF质量分析器有着最高的传输率和灵敏度，可满足静态SIMS分析对数据速率的要求（Vickerman，2009）。
二次离子质谱分析
SIMS 二次离子质谱仪
二次离子质谱仪主 要由五部分组成： 主真空室 样品架及送样系统 离子枪 二次离子分析器 离子流计数及数据 处理系统
SIMS 二次离子质谱仪
❖ 二次离子质谱仪-离子枪
SIMS 基本工作原理
样品表面被高能聚焦的一 次离子轰击时，一次离子 注入被分析样品，把动能 传递给固体原子，通过层 叠碰撞，引起中性粒子和 带正负电荷的二次离子发 生溅射，根据溅射的二次 离子信号，对被轰击样品 的表面和内部元素分布特 征进行分析。
SIMS工作原理示意图
SIMS 入射离子与样品的相互作用
SIMS 二次离子质谱仪
❖ 液态金属离子源
金属镓熔融（熔点： 29.8℃）后，依靠 表面张力覆盖在钨丝 的尖端，形成一个锥 体。液态镓在强静电 场的作用下发生场致 电离现象，形成离子 Ga+，然后被萃取电
极 引出并准直。
SIMS 二次离子质谱仪
❖ 二次离子质谱仪-质谱分析器
➢ 二次离子分析早期采用磁质谱仪，其质量分辨率和检 测灵敏度高，但仪器复杂、成本高。
❖ 动力学级联碰撞模型
在高能一次离子作用下， 通过一系列双体碰撞后， 由样品内到达表面或接近 表面的反弹晶格原子获得 了具有逃逸固体所需的能 量和方向时，就会发生溅 射现象。
SIMS
入射离子与样品的相互作用
❖ 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。
磁场分离 (m/z)
检测器记录
其中，z为电荷数，e为电子电荷，U为加速电压，m为 碎片质量，V为电子运动速度。
现代材料分析方法(8-SIMS)
Al+的流强随时间变化的曲线
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
Si的正二次离子质谱
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
聚苯乙烯的二次离子质谱
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
在超高真空条件下，在清 洁的纯Si表面通入20 L的氧 气后得到的正、负离子谱， 并忽略了同位素及多荷离 子等成份。除了有硅、氧 各自的谱峰外，还有SimOn (m,n = 1, 2, 3……)原子团离 子发射。应当指出，用氧 离子作为入射离子或真空 中有氧的成分均可观察到 MemOn (Me为金属)
SIMS 二次离子质谱仪
定性分析Biblioteka SIMS定性分析的目的是根据所获取的二次离子
质量谱图正确地进行元素鉴定。样品在受离子照射时，
一般除一价离子外，还产生多价离子，原子团离子，
一次离子与基体生成的分子离子。带氢的离子和烃离 子。这些离子有时与其它谱相互干涉而影响质谱的正 确鉴定。
SIMS 二次离子质谱仪
溅射产额与元素的升 华热倒数的对比
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
溅射产额与晶格取向的关系
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
在100~1000 eV下，用Hg+垂直入射Mo和Fe的溅射粒子的角分布
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
= 60o时W靶的溅射粒子的角分布
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
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。
相对溅射产额与离子入射角度的关系
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
溅射产额与入射离子原子序数的关系
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
飞行离子二次质谱
飞行离子二次质谱
飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）是通过用一次离子激发样品表面，打出极其微量的二次离子，根据二次离子因不同的质量而飞行到探测器的时间不同来测定离子质量的极高分辨率的测量技术。
TOF-SIMS作为最前沿实用的表面分析技术之一，可以通过离子束对样品表面进行轰击产生的二次离子，精确确定表面元素的构成；通过对分子离子峰和官能团碎片的分析，可以方便地确定表面化合物和有机样品的结构；配合样品表面扫描和剥离，可以得到样品表面甚至三维的成分图，是表征元素和化合物空间结构的有力工具。
目前，TOF-SIMS主要用于有机样品的表面分析，如生物药品的有机物分析、半导体材料的污染分析、储能材料分析及有机分子碎片鉴定等。
随着技术的不断发展，其在材料成分、掺杂和杂质污染等方面的分析中也逐渐拥有不可替代的地位。
二次离子质谱SIMSppt课件
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
硅的二次离子质谱－－负谱图
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
（5）与一次离子能量关系 与溅射规律基本相同
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
3. 二次离子能量分布 最可几能量分布范围：1-10eV 与入射离子能量无关 原子离子：峰宽，有长拖尾 带电原子团：能量分布窄，最可几能量低，
4. 特殊说明： Δ 溅射产额与样品表面关系甚大。 Δ 对于多组分的靶，由于溅射产额的不同会发生 择优溅射，使表面组分不同于体内。
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
四、二次离子发射的基本规律
SIMS的原理示意图
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
二、离子与表面的相互作用
离子束与表面的相互作用，用单个离子与表面 的作用来处理，通常：
一次束流密度 < 10－6A/cm2 一个离子与表面相互作用总截面 < 10nm2 一个离子与表面相互作用引起各种过程弛豫时间
< 10－12秒
二次离子质谱 质谱原理与技术 华南理工大学现代化学分析原理与技术 化学分离
第二节 二次离子质谱(SIMS)
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 。
一、离子溅射与二次离子质谱
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。
❖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。
离子源
①Electron Ionization (EI)源
++
:
: R2
+
: R3
++
: R4 :e
(M-R2)+
(M-R1)+
(M-R3)+
M+
Mass Spectrum
EI 源的特点： 1.电离效率高,灵敏度高； 2.应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； 3.稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； 4.结构简单，控温方便；
43
29 15
57
71 85 99 113 142
m/z
质谱分析特点
（1）应用范围广。测定样品可以是无机物，也可以是 有机物。应用上可做化合物的结构分析、测定原子量与 相对分子量、同位素分析、生产过程监测、环境监测、 热力学与反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以 是气体和液体，也可以是固体。
二次离子质谱仪的工作原理
二次离子质谱仪的工作原理
二次离子质谱仪是一种高精度、高分辨率的质谱仪，其主要原理是利用一个离子束轰击样品表面，将样品表面的原子或分子转化为二次离子，然后将这些二次离子收集并进行质量分析。
二次离子质谱仪的工作过程可以分为以下几个步骤：
1. 离子束轰击样品：在二次离子质谱仪中，通常使用惰性气体(如氩气)产生离子束。
离子束被导入到样品表面，通过碰撞作用将样品表面的原子或分子转化为二次离子。
2. 收集二次离子：二次离子被收集到一个称为“二次离子探测器”的装置中。
二次离子探测器通常是由一个或多个离子检测器组成，用于测量二次离子的质量和数量。
3. 质量分析：在二次离子探测器中，二次离子经过加速和分离，进入质量分析器。
质量分析器使用磁场或电场将二次离子按照其质量-电荷比分离，并将它们引导到不同的检测器中进行检测。
4. 数据处理：二次离子质谱仪的数据处理通常包括数据采集、数据分析和数据展示。
数据采集通常使用计算机控制，并将二次离子的质量-电荷比和数量记录下来。
数据分析通常使用统计学方法和化学分析技术，用于确定样品的组成和结构。
数据展示通常使用图形化界面，以便用户能够直观地理解结果。
二次离子质谱仪广泛应用于材料研究、地质学、生物学和环境科学等领域。
它具有高灵敏度、高分辨率和非常好的定量能力，可以检测到微量元素、分子和同位素等。
二次离子质谱仪(SIMS)分析技术及其在半导体产业中的应用
二次离子质谱仪（SIMS）分析技术及其在半导体产业中的应用作者：昌鹏来源：《科学导报·学术》2020年第28期摘要：二次离子质谱仪（SIMS）是一种成熟的应用广泛的表面分析技术，具有高灵敏度（ppm-ppb）和高分辨率。
本文介绍了SIMS基本原理和分类及其在半导体产业中材料分析、掺杂和杂质沾污等方面的应用。
关键词：SIMS;半导体;表面分析;材料分析1 前言SIMS作为一种成熟的表面分析技术已经发展了半个世纪，最初主要是用在半导体产业的工艺研发、模拟和失效分析等，在近二、三十年来得到迅速发展，并逐渐推广到应用于金属、多层膜、有机物等各个领域。
SIMS具有很高的微量元素检测灵敏度，达到ppm-ppb量级。
其检测范围广，可以完成所有元素的定性分析，并能检测同位素和化合物。
SIMS具有高的深度分辨率，通过逐层剥离实现各成分的纵向分析，深度分辨率最高能到一个原子层。
半导体材料通过微量掺杂改变导电性质和载流子类型，并且特征尺寸降到亚微米乃至纳米量级。
上述特点使SIMS在半导体生产中的材料分析、掺杂和杂质沾污等方面得到广泛应用。
2 SIMS基本原理SIMS是溅射和质谱仪的结合，可识别样品中的元素，因此是许多分析方案的首选测试手段。
作为半定量的手段，在SIMS质谱图中二次离子的峰值并不能直接反应样品中元素的浓度。
SIMS原理示意图如图1所示。
能量在250 eV到30 keV的离子束轰击样品表面即可产生溅射现象。
一次离子进入基体后会产生大量高强度但存在时间短促的碰撞级联，基体中的原子发生位置迁移。
接近表面的原子得到足够能量会离开样品表面，称为溅射原子。
溅射原子会以原子或分子团的形式离开表面并带上正电或负电，经过电场和磁场的筛选和偏转输入到质谱仪，由此SIMS可以得到样品表面的元素组成和分布。
图1 SIMS原理示意图3 SIMS仪器类型SIMS机台主要部分包括离子源、一次电镜、二次电镜、样品交换室、质谱仪、信号探测器等，整个腔体处于高真空状态之下。
二次离子质谱
叠，使识谱和定量分析产生一定的困难。
表面分析技术
25
SIMS 二次离子发射规律
发射离子的类型
在超高真空条件下，在清洁的纯Si表面通 入20 L的氧气后得到的正、负离子谱，并 忽略了同位素及多荷离子等成份。除了有 硅、氧各自的谱峰外，还有SimOn (m,n = 1, 2, 3……)原子团离子发射。应当指出 ，用氧离子作为入射离子或真空中有氧的 成分均可观察到MemOn (Me为金属)
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。
热阴极电离型离子源示意图 表面分析技术
12
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。
二次离子质谱(SIMS) Secondary Ion Mass Spectroscopy
表面分析技术
1
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
0.007 0.01 0.0025 0.005 0.012 0.06 0.017 -
0.01 0.02 0.0001 0.00025 0.004 0.0009 0.0007 0.007 0.0015 0.013 0.00038 0.00081
0.0025 0.02 0.008 0.002 0.018 0.03 0.007 0.001 0.0012 0.0085 0.06 0.015 0.006 0.0008 0.0014 0.058 0.045
二次离子质谱
二次离子质谱(SIMS)基本原理及其应用*********************************************摘要：二次离子质谱( Secondary-ion mass spectrometry，SIMS) 是一种固体原位微区分析技术，具有高分辨率、高精度、高灵敏等特征，广泛应用于地球化学、天体化学、半导体工业、生物等研究中。
本文主要阐明了SIMS 技术的原理、仪器类型，简要介绍了其主要应用，分析了其特点。
关键词：二次离子质谱；同位素分析；表面分析；深度剖析二次离子质谱仪(Secondary-ion mass spectrometry，SIMS)也称离子探针，是一种使用离子束轰击的方式使样品电离，进而分析样品元素同位素组成和丰度的仪器，是一种高空间分辨率、高精度、高灵敏度的分析方法。
检出限一般为ppm-ppb级，空间分辨率可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。
被广泛应用于化学、物理学、生物学、材料科学、电子等领域。
1.SIMS分析技术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[1,2]。
图1[2]是二次离子质谱工作原理图。
图1 二次离子质谱工作原理图离子探针实际上就是固体质谱仪，它由两部分组成：主离子源和二次离子质+、Cs+、Ga+……从离子源引出的谱分析仪。
常见的主离子源有Ar＋、Xe＋、O-、O2带电离子如Cs+、或Ga+等被加速至keV～MeV能量，被聚焦后轰击样品表面。
高能离子进入样品后，一部分入射离子被大角度反弹出射，即发生背散射，而另一部分则可以深入到多个原子层，与晶格原子发生弹性或非弹性碰撞。
这一过程中，离子所带能量部分或全部转移至样品原子，使其发生晶格移位、激发或引起化学反应。
经过一系列的级联碰撞，表面的原子或原子团就有可能吸收能量而从表面出射，这一过程称为离子溅射。
二次离子质谱分析
二次离子质谱分析二次离子质谱分析（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种重要的表面分析技术，广泛应用于材料科学、物理、生物和医学等领域。
本文将着重介绍SIMS的原理、仪器构造和应用，并对其未来发展进行展望。
SIMS是一种通过研究材料表面相互作用的二次离子，来了解该材料的元素组成、结构和表面性质的技术。
SIMS的基本原理是将高能的离子束轰击材料表面，使得表面原子发生溅射，形成二次离子。
这些二次离子通过质谱仪进行分析，从而得到材料表面的元素组成和含量信息。
SIMS 可提供对表面元素的定性和定量分析，还可以研究材料的表面性质，如晶体结构、电荷分布和元素的分布情况等。
SIMS的仪器构造主要包括离子源、样品台、质谱仪和探测器。
离子源一般采用离子枪或离子束源，能提供高能量的离子束进行轰击。
样品台用于固定和定位待测样品，并提供精确的样品位置控制。
质谱仪则用于对二次离子进行质量分析，一般采用磁扇形质谱仪或飞行时间质谱仪。
探测器用于接收并测量二次离子流，例如多极器或多道离子计。
SIMS广泛应用于材料科学中的薄膜、电子器件、金属合金、陶瓷等材料的研究。
它可以提供材料表面的成分分布、晶格结构和界面特性等信息，对材料的制备和性能有重要的指导作用。
在微电子领域，SIMS可用于杂质和缺陷的分析、离子注入的监测和控制等。
此外，SIMS还可应用于生物和医学领域，如细胞成分分析、药物代谢研究和生物材料表面改性等。
随着科学技术的不断发展，SIMS技术也在不断创新和进步。
目前的研究重点主要集中在以下几个方面。
首先，提高离子源的稳定性和能量分辨率，以获得更准确、可靠的数据。
其次，改善样品处理技术，提高分析的空间分辨率，使得可以对微小区域进行分析。
此外，发展新的离子探测器和质谱仪，以扩大SIMS的应用范围和提高分析能力。
最后，将SIMS与其他表面分析技术相结合，如原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM），以获得更全面的表面信息。
二次离子质谱分析
二次离子质谱分析二次离子质谱分析（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种表面分析技术，通过使用离子束轰击样品表面，然后分析从样品表面解离飞出的离子，从而获取样品表面成分和结构信息。
它因其高灵敏度、高空间分辨率和多元素分析能力而被广泛应用于材料科学、生物医学、半导体工业等领域。
二次离子质谱分析的基本原理是通过将刺激源（通常为离子束）引入样品，使样品表面发生化学和物理变化。
随后，离开样品表面的次级离子（Secondary Ion，SI）会被聚焦进入质谱仪，并分析这些次级离子的质量谱图。
通常SIMS可分为静态SIMS和动态SIMS两种模式，其中静态SIMS主要用于表面成分定性分析，动态SIMS则可用于表面成分定量分析。
静态SIMS利用氩离子束降低样品表面分辨率，以减小损伤。
此时，离子束进入样品表面后，分子内部化学键断裂并释放出次级离子。
这些次级离子根据质量谱仪质量通道的大小而被聚焦到不同位置，产生质量谱图。
通过分析质量谱图，可以确定离子的质荷比以及来自不同化合物的离子种类，从而确定样品的表面成分。
动态SIMS则更多地关注于离子中的质量谱，使用更高的峰值离子束密度和更短的离子脉冲宽度，提高分析灵敏度，适用于更细微的表面成分分析。
动态SIMS对表面质谱的分析较为广泛，对脂肪酸、生物分子和光取向材料等领域具有重要的应用。
二次离子质谱分析的应用非常广泛。
在材料科学领域，SIMS可以分析杂质元素的存在和定量、表面微区元素分析等。
在生物医学领域，SIMS可以用于生物分子的定性和定量分析，如蛋白质组学、代谢组学等。
在半导体工业中，SIMS则可用于芯片质量控制、材料研究等。
虽然SIMS具有高空间分辨率和高分析灵敏度等优点，但也存在一些局限性。
首先，由于离子束轰击会引起样品表面的膨胀和溅射现象，因此在分析过程中可能会发生破坏或变形。
其次，SIMS对非导电材料的分析存在困难，因为非导电材料表面通常需要特殊处理，例如金属涂层，以提供导电性。
二次离子质谱(SIMS)
二次离子质谱(SIMS)美信检测
二次离子质谱分析技术(SIMS)是用来检测低浓度掺杂剂和杂质的分析技术。
它可以提供范围在数埃至数十微米内的元素深度分布。
SIMS是通过一束初级离子来溅射样品表面。
二次离子在溅射过程中形成并被质谱仪提取分析. 这些二次离子的浓度范围可以高达被分析物本体水平或低于ppm 痕量级以下。
SIMS可帮助客户解决产品研发、质量控制、失效分析、故障排除和工艺监测中的问题。
SIMS应用：
掺杂剂与杂质的深度剖析
薄膜的成份及杂质测定（金属、电介质、锗化硅、III-V族、II-V族）
超薄薄膜、浅植入的超高深度辨析率剖析
硅材料整体分析，包含B, C, O,以及N
工艺工具（离子植入）的高精度分析
SIMS应用优点：
优异的掺杂剂和杂质检测灵敏度。
可以检测到ppm或更低的浓度
深度剖析具有良好的检测限制和深度辨析率
小面积分析（10 µm 或更大）
检测包含H在内的元素及同位素
应用局限性：
破坏性分析
无化学键联信息
只能分析元素
样品必须是固态以及真空兼容
要分析的元素必需是已知的
二次离子激发示意图
硅的二次离子质谱－－负谱图。
二次离子质谱分析课件
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
❖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 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 分析方法
❖深度剖面分析
B注入硅中的SIMS深度剖面分析
SIMS 分析方法
❖面分布分析
利 用 SIM 或 IMS 可 以 获 取材料表面面分布的信息， 随着计算机技术的广泛应用 及电子技术的不断发展， SIMS 的 空 间分 辨率 可达 亚 微米量级 。
SIMS像
SIMS 分析方法
二次离子质谱(SIMS)
综上所述，SIMS能给出一价离子(是识别该 元素存在的主要标志)、多荷离子、原子团离子 （如Si2+ ，Si3+ ），化合物的分子离子以至重排 离子，Biblioteka 稳离子及入射离子与样品表面相互作用
后生成的离子及环境作用(如吸附)产生的离子谱， 因而提供了十分丰富的表面信息。
二、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。
溅射产额与晶格取向的关系
在100~1000 eV下，用Hg+垂直入射Mo和Fe的溅射粒子的角分布
= 60o时W靶的溅射粒子的角分布
最可几能量分布范围：1-10eV 与入射离子能量无关
原子离子：峰宽，有长拖尾 带电原子团：能量分布窄，最 可几能量低，拖尾短
利用上述性质，采用能量过 滤器，可滤掉低能原子团。
溅射时从表面射出的粒子可能是中性粒子或带有不 同电荷—正离子(+)、负离子(-)、或多重电离。对于 AxBy的化合物：
S = {(A+)+(B+)+(A-)+(B-)+(A2+)+(B2+) +(A2-)+(B2-) +(A2+)+(B2+)+…+(An±P)+(Bn±P)+(A2B+) +(A2B-) +…+(AnBm±P)+(A0)+(B0)+ (AB0) +…+(A20)+ (A20)+ (AnBm0)}/Ip
分辨率高；笨重、扫描速度慢
四极质谱（QMS）
二次离子质谱
表面分析技术
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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、 分子或原子团等的二次发射，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。
表面分析技术
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SIMS 离子溅射与二次离子质谱
表面分析技术
双等离子体离子源示意图
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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，不同动量的离子 在磁场中偏转半径不同，不同质荷比的离子分开。质量分辨
本领可高达10000以上，质量范围也较宽。但仪器复杂、成 本高，扫描速度慢。
表面分析技术
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表面分析的静态SIMS中，几乎都采用四极滤质器 ，它通过高频与直流电场是特定质荷比的离子以稳 定轨迹穿过四极场，而质量较大或较小的离子由于
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 及数据处理示意图
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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。
表面分析技术
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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。
表面分析技术
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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
(仅供参考)二次离子质谱(SIMS)
一、概述
•二 次 离 子 质 谱 是 表 征 固 体材料表面组分和杂质的 离子束分析技术。
•利 用 质 谱 法 分 析 由 一 定 能量的一次离子轰击在样 品靶上溅射产生的正、负 二次离子。
工作原理： 一定能量的离子轰击固体表面引起表面原子、
离子探针
离子探针即离子微探针质量分析器，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12m，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。
离子显微镜
离子显微镜(IM)即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)，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。
（2）动态SIMS
痕量元素的体分析
为了提高分析灵敏度，采用很高的溅射率，即用大束流、 较高能量(数keV—20keV)的一次束，靠快速剥蚀不断地对新 鲜表面进行分析，测到的是体内的成分。
成分-深度剖析
选取二次离子质谱上的一个或几个峰，在较高的溅射速 率下，连续记录其强度随时间的变化，得到近表面层的成 分—深度剖图。
溅射粒子能量分布曲线
SIMS 基体效应
17种元素的二次离子产额
金属
清洁表面 覆氧表面
金属
清洁表面 覆氧表面
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离子电流采用电子倍增管；
数据采集和处理系统：控制分析工作的进行与数据处理； 主真空室：10-7 Pa—保持清洁表面； 辅助装置：电子中和枪—分析绝缘样品时，表面局部带电
会改变二次离子发射的→中和表面的荷电效应；
二次离子质谱—系统基本特性
可以在超高真空条件下得到表层信息； 可检测包括H在内的全部元素； 可检测正、负离子； 可检测同位素； 可检测化合物，并能给出原子团、分子性离子、碎片
二次离子质谱：利用质量分析器接收分析二次离
子质量—电荷比值（m/Z）获得二次离子质谱，判断 试样表面的元素组成和化学状态；
溅射产额：影响二次离子产额因素→与入射离子
能量、入射角度、原子序数均有一定关系，并与靶 原子的原子序数、晶格取向有关；
聚苯乙烯的二次离子质谱
离子源
1
质量分析器
3
4
2
检测器
二次离子质谱
离子等多方面信息；
可进行面分析和深度剖面分析； 对很多元素和成分具有ppm甚至ppb量级的高灵敏度；
5
二次离子深度分析
二次离子分布图像
二次离子质谱系统结构示意图
二次离子质谱仪基本部件
初级离子枪：热阴极电离型离子源，双等离子体离子源，
液态金属场离子源；离子束的纯度、电流密度直接影响分析 结果；
二次离子分析器：分析质荷比→磁偏式、四极式（静态
SIMS ）、飞行时间式（流通率高，测量高质量数离子）质 量分析器；分析能力取决于分析器的穿透率及质量解析能力；
二次俄离歇子质电谱子分能析谱技（术AES）—大本讲义
SIMS基本AE结S分构析及方技法术原特理点 XPS/AESA/ESSI谱MS仪方基法本比构较成
AES谱仪实验技术 AES谱图分析技术
离子溅射与二次离起表面原子、分子或原子团的二次发射—溅射离 子；溅射的粒子一般以中性为主，有＜1%的带有正、 负电荷—二次离子；