Was kann ein Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer?

Die Abkürzung TOF-SIMS besteht ist ein Akronym für die Kombination der Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) mit einem Flugzeit (TOF) -Massenanalysator.

Die zu untersuchende Probe wird mit einem primären Ionenstrahl mit einer kinetischen Energie von einigen keV beschossen. Die Ionen kollidieren mit der Oberfläche, geben dabei ihre Energie ab und erzeugen eine Stoßkaskade. Diese führt zum herauslösen einzelner Oberflächenatome und -moleküle, bzw. von Clustern und Fragmenten. Einige dieser Sekundärpartikel liegen als Ionen vor und können nach ihrer Masse getrennt analysiert werden.

Für die Massentrennung wird das Flugzeit- (Time-of-Flight) Prinzip verwendet. Partikel unterschiedlicher Masse erreichen bei gleicher Beschleunigungsspannung eine unterschiedliche Geschwindigkeit. Die beschleunigten Partikel legen im Analysator eine bestimmte Strecke zurück und erreichen den Detektor zu unterschiedlichen Zeiten, je leichter der Partikel desto schneller ist er. Da Zeiten mit sehr hoher Genauigkeit messbar sind, erreicht man mit dieser Methode eine sehr hohe spektrale Massenauflösung und man bekommt ein sehr genaues Abbild der Probenoberfläche und ihrer Zusammensetzung. Der Ablauf ist in dem Film in Abbildung 1 dargestellt.

Mit dieser Methoden erreicht man eine Ortsauflösung < 100 nm, mit einer Oberflächenempfindlichkeit auf die ersten 1-2 Lagen der Probe. Tiefenprofile mit einer Tiefengenauigkeit von < 1nm und einer Messgeschwindigkeit von bis zu 10µm/h sind erreichbar.

Mit der Integrierten fokussierten Ionenstrahl Quelle (FIB)  ist es möglich sauber Querschnittsflächen von hochporösen Oberflächen und Schichtstrukturen mit stark unterschiedlicher Ionen-Ätzrate zu erzeugen und diese Querschnitte dann zu untersuchen. Die Erzeugung eines solchen Krater ist in dem Film in Abbildung 2 gezeigt. Der Krater hat eine Größe von etwa 30µmx15µm bei einer Tiefe von ca. 20µm. Dauer etwa 6h.

Wir verwenden am ICAN das TOF.SIMS 5 von Ion-TOF.

Depth profiling

Abbildung 3 zeigt das Massenspektrum einer Europium dotierten Aluminiumoxidschicht auf Silizium auf linearer und logarithmischer Skala. Da bei dieser Technik Unterschiede in der Flugzeit gemessen werden kommt der Umrechnung dieser Zeit-Skala in eine Masse-Skala große Bedeutung zu. Dies führt dazu, dass oft die Auswertung der Daten erheblich mehr Zeit in Anspruch nimmt als ihre Erzeugung.
In der logarithmischen Auftragung wird die enorme Sensititvät der Technik deutlich. Es ist möglich Dotier-Konzentrationen bis in den ppm-Bereich zu vermessen.

Abbildung 4 zeigt den Intensitätsverlauf des Aluminium- und Europiumsignals in Abhängigkeit von der Sputterzeit. Zwischen der Aufnahme von 2 Massenspektrum wurde die Oberfläche mit schnellen Sauerstoffmolekülen beschossen um tieferliegende Atomlagen freizulegen. Auf diese Weise erzeugt man ein Tiefenprofil des Materials. In diesem Beispiel sieht man, dass die Europiumkonzentration in die Tiefe hin zunimmt, an der Grenzfläche zum Silizium ein Maximum besitzt und dann ins Silizium hin wieder abfällt.
Das der Übergang vom Al2O3 zum Silizium nicht beliebig scharf ist hat verschiedene Gründe. In diesem Fall war die große Rauheit der Al2O3 Oberfläche hierfür maßgeblich  verantwortlich. Die untersuchte Aluminiumoxdischicht war etwa 8 µm dick.

TOF-Sims ist keine Technik um direkt mit einer Messung totale Konzentration zu bestimmen. Der Grund dafür ist der, dass die Abtragsraten und Ioniesierungswahrscheinlichkeit eines bestimmten Elementes/Moleküls stark von der Matrix abhängt, in der es sich befindet.
Zum Beispiel würde eine bestimmte Dotiermenge an Bor in Slizium eine deutlich andere Signalintensität geben, als die gleiche Menge Bor in Diamant. Daher benötigt man idealerweise für jede Messung eine Referenzprobe, mit gleicher Matrix, bei der die Konzentration des Dotierstoffs bekannt ist.

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