SIMS检测技术详解：方法、原理、参数、特点及应用范围

二次离子质谱仪(Secondary-ion mass spectrometry，SIMS)也称离子探针，是一种使用离子束轰击的方式使样品电离，进而分析样品元素同位素组成和丰度的仪器，是一种高空间分辨率、高精度、高灵敏度的分析方法。检出限一般为ppm-ppb级，空间分辨率可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。被广泛应用于化学、物理学、生物学、材料科学、电子等领域。康派斯就从二次离子质谱的基本原理、SIMS检测工作参数、SIMS检测定量分析、SIMS检测特点，SIMS检测应用范围、SIMS检测注意事项等几个方面进行分享。

SIMS检测工作参数

·纵向分辨率：2-10nm

·离子源：Cs离子及O

·离子束斑及能量：30um及以上

·质量比分辨率：>4000

·杂质检测限：ppm-ppb级别

SIMS检测定量分析

·Si基（P、B、C、H、O等）

·GaN基（Mg、Si、C、H、O等）

·SiC基部分元素定量分析

SIMS检测应用范围

1、掺杂和杂质深度分析

2、薄膜的组成和杂质的测量（金属、介电质、Si、III-V和II-VI材料）

3、浅注入和超薄膜的超高分辨率深度分析

4、块材分析，包括Si中的B, C, O和 N元素

5、芯片分析，芯片结构及杂质元素定性定量分析，包括LED芯片、功率器件、SiC、氧化镓等半导体芯片

SIMS仪器类型

根据微区分析能力和数据处理方式，可以将SIMS分为三种类型：

(1)非成像型离子探针。用于侧向均匀分布样品的纵向剖析或对样品最外表面层进行特殊研究；

(2)扫描成像型离子探针。利用束斑直径小于10Lm的一次离子束在样品表面作电视形式的光栅扫描，实现成像和元素分析；

(3)直接成像型离子显微镜。以较宽(5～300Lm)的一次离子束为激发源，用一组离子光学透镜获得点对点的显微功能。

根据一次束能量和分析纵向，二次离子质谱可分为静态二次离子质谱(SSIMS)和动态二次离子质谱(DSIMS)两种。SSISM一般都采用流强较低的初级离子束，轰击仅影响表面原子层，对样品的损伤可忽略不计，被称为是静态二次离子质谱。相反，DSISM则一般使用流强较大的初级离子束，将样品原子逐层剥离，从而实现深层原子浓度的测量，因此也被称为动态二次离子质谱。

SIMS检测的主要应用

根据工作模式的不同，SIMS(二次离子质谱)要有3个方面的应用，分别是表面质谱、表面成像和深度剖析。

（1）元素及同位素分析

（2）表面质谱

（3）表面成像

（4）深度剖析

SIMS检测特点

SIMS检测(二次离子质谱)的主要优点：

(1)在超高真空下(<10-7Pa)进行测试，可以确保得到样品表层的真实信息；

(2)原则上可以完成周期表中几乎所有元素的低浓度半定量分析；

(3)可检测同位素；

(4)可分析化合物；

(5)具有高的空间分辨率；

(6)可逐层剥离实现各成分的纵向剖析，连续研究实现信息纵向大约为一个原子层；

(7)检测灵敏度高。

SIMS检测(二次离子质谱)的主要缺点

(1)分析绝缘样品必须经过特殊处理；

(2)样品组成的不均匀性和样品表面的光滑程度对分析结果影响很大；

(3)溅射出的样品物质在邻近的机械零件和离子光学部件上的沉积会产生严重的记忆效应。

SIMS检测注意事项

1、Unit：指一个测试条件，根据样品复杂情况或者耗时情况而定

2、SIMS测试条件比较复杂，不同基体材料，测不同的元素都可能不一样，具体报价要看样品具体结构和测试要求。

3、SIMS最小束斑：几十个微米

4、多孔结构不建议测SIMS，孔会影响深度分辨率

5、常规的动态SIMS测试因为表面状态的影响，表面10-20 nm 内不准确，因此需要测试稳定后读取数值；

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