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Seite: Fachinfo / Grundlagen / SIMS

Sekundär- Ionen- Massen- Spektrometrie SIMS

 

Die Probenoberfläche wird mit energiereichen Ionen (geladene Atome mit einigen keV Energie) beschossen. Der Beschuß (im Fachjargon „Sputtering“ genannt) löst über eine relativ verwickelte Folge von Prozessen u.a. die Emission von Atomen und Molekülen von der Probenoberfläche aus. Mißt man Art und Anzahl der emittierten Teilchen, so gewinnt man damit (zumindest implizit) Informationen über die qualitative und quantitative Zusammensetzung der Probenoberfläche.

 

Ein (meist kleiner) Teil der emittierten Teilchen ist elektrisch (positiv oder negativ) geladen und dadurch (im Gegensatz zu den überwiegend neutral emittierten Teilchen) dem meßtechnischen Nachweis leicht zugänglich. Diese sog. Sekundär-Ionen kann man in einem Massenspektrometer nach ihren Massen separieren und dann elektronisch zählen. Die Auftragung der gemessenen Teilchenintensitäten über der Massenskala ergibt die sog. Spektren der positiven und negativen Sekundärionen, deren Auswertung Hinweise auf

 

  • Qualitativ: Art der Elemente (wobei grundsätzlich alle Elemente nachweisbar sind)
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  • Quantitativ: Konzentration der metallischen Elementanteile
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  • Partner in chemischen Verbindungen bei Mischkristallen
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  • Atomare Nachbarschaftsverhältnisse liefern

 

Die Nachweisempfindlichkeit für die einzelnen Atom- und Molekül- Ionen variiert über mehrere Größenordnungen. Generell ist sie für Ionen mit kleiner Massenzahl sehr hoch (ppm-Bereich) und nimmt mit wachsender Masse ab (bis %-Bereich). Ferner gibt es einen dem chemischen Verhalten parallelen Trend: Je chemisch aggressiver die Elemente, desto höher ist ihre SIMS- Nachweisempfindlichkeit: So weisen die Alkali-Ionen im positiven und die Halogen-Ionen im negativen Spektrum bei weitem die (relativ) höchsten Linien auf.

 

 Dies macht SIMS zu einem empfindlichen Instrument für die

 

  • Spurensuche nach korrosiven Verunreinigungen (bis in ppb-Bereich möglich) Alles in allem kann SIMS als das qualitativ      informationsreichste Verfahren angesehen werden. Da die emittierten Ionen fast ausschließlich aus der obersten Monolage der Probe stammen, beträgt die
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  • Informationstiefe etwa 0,5 Nanometer. Damit erreicht SIMS die höchste Tiefenauflösung. Durch länger andauernden Ionen-Beschuß, also andauernde Schichtabtragung der Probe werden nach und nach tiefere Schichten der Probe freigelegt und damit

 

  • durch Sputtering ganze Schichtsysteme bis etwa 1 Mikrometer Dicke der SIMS- Analyse zugänglich.

 

Die örtliche Auflösung hängt im wesentlichen vom Durchmesser des Primärionenstrahles ab und ist daher ein Geräte-spezifischer Parameter. Üblich sind Ionenquellen mit Strahldurchmessern von 100 Mirkometer; nur hochauflösende Geräte erreichen 1 Mikrometer.

 

SIMS eignet sich für Analysen an Oberflächen, sehr dünnen Schichten, Systemen aus dünnen Schichten, wenn die Anforderungen an die räumliche Auflösung nicht zu hoch sind. In vielen Fällen ist SIMS eine hilfreiche Ergänzung zu AES.

 

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