TOF-SIMSとは

TOF-SIMSとは

原理

飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS:Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)は、固体試料にイオンビーム(一次イオン)を照射し、表面から放出されるイオン(二次イオン)を、その飛行時間差(飛行時間は重さの平方根に比例)を利用して質量分離する手法です。TOF-SIMSでは、試料表面から1 nm以下の深さに存在する元素あるいは分子種に関する情報が、非常に高い検出感度で得られます。表面に照射する一次イオンの単位面積当たりの個数は、おおよそ1012 ions/cm2個以下(シリコン表面の原子数は1015atoms/cm2)の少量で、ほぼ非破壊な分析が可能です。

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励起源(一次イオン銃)

TOF-SIMSでは、サブミクロンのプローブ径を持ち、なおかつ、数100ピコ秒の短パルスが実現できる液体金属型イオン銃(LMIG : Liquid Metal Ion Gun)が一次イオン源として広く用いられています。LMIGでは、Ga、Au、Biの3種類のイオン源が選べます。Gaイオンビームは全て1量体であるのに対し、AuあるいはBiイオンビームには多量体イオンが多く含まれます。多量体イオンを用いると、高質量分子を効率良く分析することが可能です。Gaイオンは低質量領域(主に元素)の分析、Au、Biイオンは高質量領域(主に分子)の分析に適しています。

帯電補償機構(低エネルギー電子)

TOF-SIMSの測定対象は、導電物、絶縁物問わず、また、真空に導入できるものであれば、粉末状、繊維状など試料の形態も問いません。絶縁物を測定する場合には、一次イオンとパルス化した低エネルギー電子を同時に照射し、一次イオン照射による試料の帯電を防ぎます。

二次イオン検出系(TRIFT™型アナライザ)

img_sims0003.png固体表面から放出された二次イオンは数eVから数10 eV程度までのエネルギー分布と幅広い放出角を持っており質量が同じでも検出器への到達時間に差が生じてしまいます。TRIFT型アナライザでは、エネルギーの高いイオンは軌道の外側を周回することで、エネルギーの違いによる飛行時間差が補正されます。また広角で二次イオンを取り込むことが可能ですので、数100 µm程度の凹凸に対しても影の少ないイメージを得ることが可能です。 

スパッタイオン銃

TOF-SIMSの情報深さは1 nm以下であるため、より表面汚染層が厚い場合や、より深い領域を評価したい場合は、イオンスパッタリングを利用して表面エッチングを行います。スパッタと測定を交互に繰り返して得られたスペクトル情報から元素の組成もしくは分子構造について深さ方向プロファイルを得ることが可能となります。表面エッチングには、一次イオン銃とは別にスパッタイオン銃を用います。一般に金属・半導体など無機材料の深さ方向分析には酸素(O2)やセシウム(Cs)イオンが、有機材料に対しては、フラーレン(C60)やアルゴンガスクラスターイオン(Ar-GCIB)が用いられ、材料や目的によってスパッタイオン銃を使い分けます。

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