Вторичная ионная масс-спектрометрия
Что такое масс-спектрометрия вторичных ионов?
Масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS) это процесс распыление Вторичные частицы удаляются с поверхности образца путем бомбардировки поверхности высокоэнергетическим пучком первичных ионов, что приводит к поглощению энергии атомами или группами атомов на поверхности, и эти заряженные частицы проходят через... масс-анализатор получить карту поверхности образца.
В обычных ВИМС-экспериментах пучки энергичных первичных ионов, таких как ионы Ga, Cs или Ar, фокусируются на поверхности твердого образца в ультравакуумных условиях. Пучок первичных ионов взаимодействует с образцом, а вторичные ионы распыляются и десорбируются с поверхности материала. Эти вторичные ионы затем извлекаются в масс-анализатор, который представляет масс-спектрометрическую карту с характеристиками анализируемой поверхности и выдает информацию об элементах, изотопах и молекулах с чувствительностью в диапазоне от ppm до ppb. В этой области чаще всего используются три основных типа приборов SIMS, каждый из которых использует свой масс-анализатор.
Применение масс-спектрометрии вторичных ионов
Поле ВИМС масс-спектрометрия быстро растет и имеет очень важные приложения в области элементного легирования в производстве полупроводников, измерения компонентов тонких пленок и других неорганических материалов, изотопных соотношений во Вселенной и микроэлементов в Земле.
Анализ тонкопленочных структур с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов является уникальным аналитическим инструментом, особенно для анализа материалов в различных тонких слоях и взаимодействия между двумя соседними слоями. Анализ характеристик, дефектов или загрязнений в субмикронном масштабе имеет решающее значение для многих промышленных приложений, таких как: обработка полупроводниковых устройств, обработка головок жестких дисков, специальные отражающие поверхности, композитные материалы и т. д. композитные материалы и т. д.
Кроме того, использование масс-спектрометрии вторичных частиц является мощным инструментом для изучения природы пограничных проблем в науке и технике, таких как визуализация одиночных клеток в науках о жизни, где можно получить информацию о поглощении, распределении и метаболизме лекарств в клетках. можно получить, а также изучить локализацию лекарств в тканях или клетках, что важно для улучшения адресности лекарств и рационального дизайна лекарств.
В заключение, масс-спектрометрия вторичных ионов имеет широкий спектр применений: металлы, полупроводники, микроэлектроника, аэрокосмическая, автомобильная, химическая, биомедицинская, одноэлементная, экологическая и другие области, особенно в традиционной полупроводниковой промышленности, интегральных схемах, солнечных фотоэлектрических элементах. и т. д. Очень важную роль в этом играет анализ.
Принцип работы вторичной ионной масс-спектрометрии
Масс-спектроскоп вторичных ионов представляет собой метод анализа поверхности, основанный на масс-спектрометрии. Принцип действия масс-спектрометрии вторичных ионов основан на явлении взаимодействия первичных ионов с поверхностью образца. Первичные ионы с энергией в несколько килоэлектронвольт бомбардируют поверхность образца, вызывая ряд физико-химических процессов в зоне облучения, включая рассеяние первичных ионов и распыление поверхностных атомов, атомных кластеров, положительных и отрицательных ионов и поверхностных химические реакции, в результате которых образуются вторичные ионы, которые анализируют с помощью масс-анализа для получения информации о масс-спектре поверхности образца, называемой масс-спектрометрией вторичных ионов.
Масс-спектрометрия может использоваться для получения молекулярной, элементной и изотопной информации о поверхности образца, для определения распределения химических элементов или соединений на поверхности и внутри образца, а также для отображения поверхностного или внутреннего химического состава биологических тканей и клеток. , а также для получения трехмерного изображения поверхности или внутреннего химического состава образца со сканированием поверхности образца и зачисткой (скорость напыления зачистки может достигать 10 мкм/час). картинки. Масс-спектрометрия вторичных ионов обладает высокой чувствительностью к уровням ppm и даже ppb, а также может использоваться для визуализации состава микрозон и профилирования по глубине.
Состав вторичной ионной масс-спектрометрии
Масса вторичного иона спектрометр в основном состоит из трех частей: системы эмиссии первичных ионов, масс-спектрометра, регистрации вторичных ионов и системы отображения. Первые два находятся в вакуумной камере с давлением <10-7 Па.
Система первичной эмиссии ионов
Система первичной эмиссии ионов включает генератор ионов (или ионные пушки) и линзу-линзу. Источник ионов представляет собой устройство, испускающее первичные ионы, обычно путем бомбардировки молекул газа (например, инертных газов гелия, неона, аргона и т. д.) пучком электронов в несколько сотен вольт, который ионизирует молекулы газа и производит первичные ионы. Под действием напряжения ионы испускаются изнутри ионной пушки, затем проходят через несколько электромагнитных линз, фокусируют ионный пучок и облучают поверхность образца, возбуждая вторичные ионы. Вторичные ионы вводятся в масс-спектрометр с помощью свинцового электрода с напряжением около 1 кВ. Источники первичных ионов ВИМС делятся на источники газовой эмиссии (O2+, O-, N2+, Ar+), источники поверхностной ионизации (Cs+ , Rb+) и жидкометаллические источники автоионной эмиссии (Ga+, In+).
Масс-спектрометр
Масс-спектрометр состоит из электрического поля в форме сектора и магнитного поля в форме сектора, где вторичные ионы сначала входят в электрическое поле в форме сектора, называемое электростатическим анализатором. В электрическом поле ионы движутся по круговой орбите радиуса r. Электрическое поле создает силу, эквивалентную центростремительной силе.
Радиус движущейся орбиты r равен mv2/eE, что пропорционально энергии иона. Так сектор электрического поля может сделать одну и ту же энергию ионов для одной и той же степени отклонения. Отклоняемые электрическим полем вторичные ионы затем попадают в секторное магнитное поле (магнитный анализатор) для второго фокуса. Сила Лоренца, создаваемая магнитным потоком, равна центростремительной силе.
Ионы с разным отношением массы к заряду фокусируются в разных точках отображающей поверхности. Если щель С фиксирована, а напряженность магнитного поля сектора изменяется, ионы разных масс попадают в детектор через щель С, а щель В называется энергетической щелью, а изменение ширины щели отбирает вторичные ионы различных энергий для входа в магнитное поле.
Система обнаружения ионов
Детектор ионов представляет собой трубку вторичного электронного умножителя с изогнутыми электродами. электроды Внутри масс-спектрометра между электродами подается напряжение 100-300 В для пошагового ускорения электронов. Вторичные ионы проходят через масс-спектрометр и сталкиваются непосредственно с первичным электродом электронно-умножительной трубки, вызывая эмиссию вторичных электронов. Вторичные электроны притягиваются и ускоряются электродом второй ступени, на который облучаются новые вторичные электроны, таким образом, их количество увеличивается пошагово, и, наконец, они попадают в систему регистрации и наблюдения.
Система регистрации и наблюдения вторичных ионов аналогична электронному зонду, который может отображать изображение вторичных ионов на электронно-лучевой трубке, давать поверхностное распределение элемента или рисовать масс-спектр вторичных ионов всех элементов на самописце.
Преимущества масс-спектрометрии вторичных ионов
1. Масс-спектрометр вторичных ионов способен анализировать все элементы, включая водород, и может контролировать изотопы (много разных).
2. Масс-спектрометры вторичных ионов могут получать информацию о самом поверхностном слое образца от 1-3 атомов в глубину, и могут быть обнаружены даже самые поверхностные атомы одного слоя.
3. SIMS может анализировать соединения и получать информацию об их молекулярной массе и молекулярной структуре.
4. Масс-спектрометр вторичных ионов обладает высокой чувствительностью ко многим компонентам, а некоторые примеси обнаруживаются до уровней ppm (10-6) и ppb (10-9), что является одним из наиболее чувствительных для поверхностного анализа (след B , О и др.).
5. Масс-спектрометрия ВИМС может использоваться для анализа состава микроплощадей и профилирования по глубине, а также может получать определенную информацию о решетке.
Типы масс-спектрометрии вторичных ионов
Времяпролетный масс-спектрометр вторичных ионов (ToF-SIMS)
In TOF-SIMSвторичные ионы выводятся в бесполевую дрейфовую трубку, а вторичные ионы по установленной траектории полета поступают к детектору ионов. Поскольку скорость данного иона обратно пропорциональна его массе, время его полета будет соответственно варьироваться, при этом более тяжелые ионы достигают детектора позже, чем более легкие. Этот тип масс-спектрометра может обнаруживать вторичные ионы всех заданных полярностей одновременно с превосходным разрешением по массе.
Кроме того, поскольку такие масс-спектрометры предназначены для использования импульсных ионных пучков, работающих в диапазоне очень низких токов (pA), они полезны для анализа поверхностей, изоляторов и мягких материалов, уязвимых для химического повреждения ионами.
Масс-спектрометр вторичных ионов с веерным полем
Фан-поле вторичное ионные масс-спектрометры обычно используют электростатические анализаторы и анализаторы веерного поля для анализа скорости и массы распыленных вторичных ионов. Веерообразное магнитное поле отклоняет луч так, что более легкие ионы отклоняются сильнее, чем более тяжелые, имеющие больший импульс. В результате ионы разной массы разделятся на разные пучки. Электростатические поля также применяются к вторичным лучам для устранения хроматических аберраций. Эти инструменты полезны для глубокого анализа из-за их более высоких рабочих токов и непрерывных лучей. Однако, когда эти инструменты используются для анализа поверхности и определения характеристик образцов, склонных к заряду и/или повреждению, они неэффективны.
Четырехполюсный масс-спектрометр вторичных ионов
A четырехступенчатый полюсный масс-спектрометр вторичных ионов Используется резонансное электрическое поле, в котором только ионы определенной массы могут стабильно проходить через осциллирующее поле. Подобно приборам с веерным полем, эти приборы работают при более высоких ионных токах и часто называются приборами «динамической масс-спектрометрии вторичных ионов». Например, для профилирования глубины распыления и/или для общего анализа твердых образцов.
Как поддерживать масс-спектрометрию вторичных ионов?
а. Когда мы используем масс-спектрометр вторичных ионов, особенно важно выработать привычки регулярного обслуживания, которые могут не только в полной мере использовать его ценность, но и продлить срок службы оборудования. Поэтому при обслуживании масс-спектрометра вторичных ионов необходимо обратить внимание на следующие моменты:
б. На ранней стадии органические растворители будут поступать в насос при обнаружении образцов в механическом насосе, поэтому необходимо регулярно открывать клапан газового удара и ударять газом в течение примерно 20 минут. Время газового удара не должно быть слишком большим, потому что слишком долгое приведет к слишком быстрому расходу масла насоса. В зависимости от количества обнаружения для регулировки частоты газа, как правило, рекомендуется один раз в неделю.
в. Полость источника ионов, отверстие конуса для отбора проб и крышку следует очищать обеспыленной бумагой и 50% раствором метанола в воде, как правило, один раз в неделю.
д. Насосное масло механического насоса необходимо регулярно заменять, обычно раз в шесть месяцев. Если масло в насосе выглядит грязным, его необходимо заменить заранее. При замене масла насоса необходимо слить все масло насоса, а затем заменить новым маслом насоса. Различные марки насосного масла нельзя смешивать. Большинство лабораторных масс-спектрометров во время длительных отпусков подвергаются интенсивному обслуживанию.
е. Общее техническое обслуживание в дополнение к замене масляного насоса, не требуется разгрузка в условиях вакуума, внутренняя очистка и техническое обслуживание масс-спектрометрии, как правило, меньше, рекомендуется выполнять инженеру по техническому обслуживанию, внутренние металлические детали можно полировать порошком оксида алюминия, другое компоненты будьте осторожны, чтобы не попасть в органические реагенты, особенно уплотнительное кольцо и так далее.
ф. Вышеупомянутый метод регулярного обслуживания вторичного ионного масс-спектрометра, регулярное обслуживание может снизить частоту выхода из строя прибора, чтобы продлить срок его службы.
Как заказать масс-спектрометрию вторичных ионов?
Если вы заинтересованы в нашем Вторичная ионная масс-спектрометрия или есть какие-либо вопросы, пожалуйста, напишите по электронной почте info@antiteck.com, мы ответим вам как можно скорее.