TOF-SIMS飛行時間二次離子質譜的技術能力

飛行時間二次離子質譜 （TOF-SIMS） 是一種表面分析技術，它將脈沖一次離子束聚焦到樣品表面，在濺射過程中產生二次離子。分析這些二次離子可提供有關樣品表面的分子、無機和元素種類的信息。

例如，如果表面吸附了有機污染物（如油），TOF-SIMS將揭示這些信息，而其他技術則難以實現，特別是在污染物含量極低的情況下。由于TOF-SIMS是一種測量技術，因此通常可以檢測到元素周期表中的所有元素，包括H。

此外，這種分析可以提供質譜信息;樣品上XY維度的圖像信息;以及Z 方向的深度剖面信息到樣品中。
 

工作原理
飛行時間二次離子質譜法 （TOF-SIMS），又稱靜態 SIMS，是一種廣泛用于表征表面和表面污染物的技術。它與動態SIMS密切相關，動態SIMS使用恒定的初級離子束在幾分鐘內蝕刻樣品以形成濺射坑。相比之下，TOF-SIMS使用脈沖離子束，在分析時間尺度上不會顯著濺射、蝕刻或損壞樣品表面。這種無損傷使該技術成為分析表面存在元素（元素周期表中的大多數元素）和分子種類的理想技術，具有非常淺的采樣深度（1-2nm）。結合飛行時間質譜儀，該技術提供了出色的測量能力，靈敏度在百萬分之一 (ppm)范圍內。TOF-SIMS儀器中使用一次離子束（通常69Ga 或197Au）可以聚焦到亞微米尺寸，這意味著該技術可用于分析1μm至500μm范圍內的特征。無論導電樣品還是絕緣樣品都可以成功分析。

飛行時間二次離子質譜法（TOF-SIMS）的工作原理是將聚焦的一次離子脈沖光柵束光化到感興趣的區域，從而產生與樣品表面前幾層材料特性相關的二級離子。通過準確測量檢測到的離子質量，可以識別并確定樣品表面存在的化學物質。獲得的數據可以以質譜的形式或特定物質的離子圖像的形式呈現。如果結合離子濺射（使用相同的一次離子槍或額外的 Cs、O 或 Ar 團簇離子束），也可以獲得深度剖面圖。

表面靈敏度
TOF-SIMS的高表面靈敏度使其成為解決問題的良好起點，可以對樣品中存在的物質類型進行概述。然后可以使用其他技術來獲取其他信息。TOF-SIMS還可以檢測到比傳統表面分析技術（如XPS和Auger）低得多的物質水平。

TOF-SIMS的數據集可能非常復雜，并且可能比其他方法需要更多的解釋或數據處理。TOF-SIMS的成像能力可以提供微米級的缺陷和顆粒的元素和分子信息。TOF-SIMS也可用于深度剖析，并與動態SIMS互補。剖面分析的優勢在于其小面積的處理能力，以及無需選擇特定元素即可進行全面深度剖面分析的能力。簇離子束使有機材料的剖面分析成為可能，同時保持結構上的重要信息。

使用TOF-SIMS可以進行質量控制，故障分析，故障排除，過程監控和研發。例如，我們在調查晶圓表面污染問題時提供的信息可以幫助確定問題的具體來源，例如泵油或組件脫氣，或者可能表明晶圓加工步驟本身存在問題（例如蝕刻殘留）。

TOF-SIMS是SMART圖譜的一部分，是一種對表面非常敏感的技術，可提供全面的元素和分子分析，具有出色的檢測限

典型數據
 

氟碳膜顯示硅污染                                                                                                     清潔全氟碳膜，不含硅

            污染硅晶圓上鐵（Fe）的高質量分辨率光譜與清潔硅晶圓的比較                                   平板顯示器上殘留物的TOF-SIMS離子圖像（150微米視野）

TOF-SIMS的理想用途

• 其出色的表面靈敏度、分析有機材料和其他絕緣體的能力、極低的檢測限以及提供元素和分子信息的能力，使TOF-SIMS成為解決以下類型應用的理想技術：
• 有機和無機材料的表面分析
• 有機材料和元素材料的表面特性分析
• 表面物質的橫向分布圖繪制
• 元素或分子物質的污染識別（ppm范圍內）
• 晶圓上表面金屬的定量分析
• 粘附、焊墊、涂層等的失效分析
• 清潔過程評估 （QA/QC）
• 識別污漬、變色和霧霾
• 加工前后表面的對比以識別差異
• 在不同環境中加工或存儲的樣品之間的表面變化比較 表面元素和分子的成像
• 剝離、起泡、脫濕、污漬、霧等的失效和根本原因分析
• 調查深度剖析

TOF-SIMS的優勢

• 表面靈敏：前幾個單層
• ppm 范圍內的檢測限
• 調查分析
• 調查深度剖面圖
• 元素和分子信息
• 可分析絕緣體和導體
• 成像模式下可實現亞微米級的空間分辨率
• 某些應用中可獲得主要元素組成  

TOF-SIMS的局限性

• 定量需要大量的校準數據，難度較大
• 對表面敏感，因此樣品處理/包裝時要小心謹慎
• 樣品必須與真空兼容 數據集可能很復雜

技術比較
其他具有相似分析深度或應用的表面分析工具包括 X 射線光電子能譜 (XPS)、俄歇電子能譜(AES) 和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。XPS提供定量濃度和化學鍵信息，這些信息通常無法直接使用TOF-SIMS獲得。AES可以為元素種類提供更好的空間分辨率圖像，但靈敏度較差。FTIR可以提供互補的有機信息，具有更深的信息深度和訪問商業光譜庫的能力。這可能使FTIR成為識別宏觀材料量的更好選擇，因為極端表面信息可能并非首要關注點。
 

那諾中國提供的TOF-SIMS飛行時間二次離子質譜儀（型號：SurfaceSeer I）具有高空間分辨率成像能力，可用于絕緣、導電表面的成像分析與化學成分分析。SurfaceSeer I 是研究表面化學的理想選擇，適用于研發和工業質量控制應用，并且具有較高的性價比。

TOF-SIMS技術規格

• 信號檢測：元素離子和分子離子
• 檢測元素：完全覆蓋元素周期表，以及分子種類
• 檢測限：單分子層的幾分之一，107至1010at/cm2（金屬在半導體上），深度剖面中體積濃度低至 1 ppm
• 深度分辨率：1-3 個單層（靜態模式），低至 1 nm（深度剖析）
• 信息深度：低于 1 nm（靜態模式）， 10 μm（深度剖析）
• 成像/映射：是
• 橫向分辨率/探頭尺寸：低至 0.2 μm