Sekundärionen-Massenspektrometrie
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Sekundär-Ionen-Massen-Spektrometrie (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.
Die Probe wird mit Primärionen, welches einatomare (O+, Cs+, Ga+, Ar+) oder Clusterionen (SF5+, Au3+, Bi3+) sein können, mit einer Energie von 0,2 – 25 keV beschossen. Hierbei entstehen neutrale, positiv und negativ geladene Teilchen. Die neutralen Teilchen, die 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 Quadrupolmassenanalysator, der Flugzeitmassenanalysator (time of flight = TOF) und der magnetische Sektorfeldmassenanalysator. Die letzten beiden erreichen Massenauflösungen, die auch kleinste Massenunterschiede auflösen können. Zum Beispiel können Al-, BO- und C2H3-Ionen von diesen sicher getrennt werden, obwohl alle drei die Nominalmasse 27 haben. Auflösungswerte von einem Zehntausendstel der Ionenmasse werden heute erreicht oder teilweise sogar unterschritten. Die Ionen gelangen nach Durchfliegen des Analysators zu einem Detektor oder einer Detektorgruppe. Die Signalhöhe als Maß für die Teilchenmenge dient der Auswertung der Zusammensetzung.
Die 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.
Die 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 ein paar nm erreicht wird. Im Abbildungsmodus liefert die 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.
