Tutoriel SIMS: Théorie

Ce tutoriel sur la théorie de SIMS comprend les utilisations de SIMS, avec des explications sur la pulvérisation par faisceau ionique et d’autres effets.

Aujourd'hui, SIMS est largement utilisé pour l'analyse des oligo-éléments dans les matériaux solides, en particulier les semi-conducteurs et les films minces.

La source d’ions SIMS est l’une des rares à produire des ions à partir d’échantillons solides sans vaporisation préalable. Le faisceau d'ions primaires du SIMS peut être focalisé sur un diamètre inférieur à 1 um. Contrôler l'endroit où le faisceau d'ions primaire frappe la surface de l'échantillon assure la microanalyse, la mesure de la distribution latérale des éléments à l'échelle microscopique. Lors de l'analyse SIMS, la surface de l'échantillon est lentement pulvérisée. L'analyse continue pendant la pulvérisation produit des informations en fonction de la profondeur, appelées profils de profondeur. Lorsque la vitesse de pulvérisation est extrêmement lente, toute l'analyse peut être effectuée en consommant moins d'un dixième d'une monocouche atomique. Ce mode de pulvérisation lente s'appelle SIMS statique contrairement à un SIMS dynamique utilisé pour les profils de profondeur. Une pulvérisation superficielle minimise les dommages causés aux substances organiques présentes à la surface de l'échantillon. Les modèles de fragmentation ionique résultants contiennent des informations utiles pour identifier les espèces moléculaires. Seules les SIMS dynamiques seront traitées dans cet ensemble d'instructions assisté par ordinateur d'analyse de surface, car seule la SIMS dynamique fournit des informations quantitatives.

Le bombardement d'une surface d'échantillon avec un faisceau d'ions primaires suivi d'une spectrométrie de masse des ions secondaires émis constitue la spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS).

La meilleure référence pour SIMS est la spectrométrie de masse à ions secondaires: concepts de base, aspects instrumentaux, applications et tendances, par A. Benninghoven, FG Rüdenauer et HW Werner, New York, 1987 (pages 1227).

Pulvérisation de faisceau ionique

Le faisceau d'ions primaires bombardant produit des particules monoatomiques et polyatomiques de matériau échantillon et des ions primaires resputtered, ainsi que des électrons et des photons. Les particules secondaires portent des charges négatives, positives et neutres et leurs énergies cinétiques vont de zéro à plusieurs centaines d'eV.

Théorie SIMS - pulvérisation par faisceau d'ions

Les espèces de faisceau primaires utiles dans le SIMS incluent Cs+, L'2+, O, Ar+et Ga+ aux énergies entre 1 et 30 keV. Les ions primaires sont implantés et mélangés avec les atomes de l'échantillon à des profondeurs allant de 1 à 10 nm.

Les taux de pulvérisation dans les expériences SIMS typiques varient entre 0.5 et 5 nm / s. Les vitesses de pulvérisation dépendent de l'intensité du faisceau primaire, du matériau de l'échantillon et de l'orientation des cristaux.

Le rendement de pulvérisation est le rapport entre le nombre d'atomes pulvérisés et le nombre d'ions primaires entrant en collision. Les rendements de pulvérisation standard de SIMS sont dans une plage allant de 5 à 15.

Effets de pulvérisation

Le modèle de cascade de collision a le meilleur succès pour expliquer quantitativement comment le faisceau primaire interagit avec les atomes de l'échantillon. Dans ce modèle, un ion primaire rapide transmet l'énergie aux atomes cibles dans une série de collisions binaires. Des atomes cibles énergétiques (appelés atomes de recul) entrent en collision avec plus d'atomes cibles. Les atomes cibles qui reculent à travers la surface de l'échantillon constituent un matériau pulvérisé. Les atomes de la monocouche externe de l'échantillon peuvent être entraînés à environ 10 nm, produisant ainsi un mélange de surface. Le terme knock-on s'applique également au mélange de surface.

SIMS Theory - Effets de pulvérisation

La pulvérisation provoque une rugosité de surface dans les cratères de pulvérisation. Les imperfections du réseau, déjà présentes ou introduites par mélange en surface, peuvent être des germes de rugosité qui prennent la forme de rubans, de sillons, de crêtes, de cônes et d'agglomérations de cônes. Les matériaux polycristallins forment des fonds de cratère rugueux en raison des vitesses de pulvérisation différentielles qui dépendent de l'orientation du cristal.

Distributions d'énergie ionique secondaire

Le processus de pulvérisation produit des ions secondaires avec une gamme d'énergies cinétiques (traductionnelles). Les distributions d'énergie sont nettement différentes pour les ions atomiques et moléculaires. Les ions moléculaires ont une distribution d'énergie de translation relativement étroite, car ils ont une énergie cinétique dans les modes interne de rotation et de rotation, tandis que les ions atomiques ont toute l'énergie cinétique dans des modes de traduction. La figure suivante montre les distributions d'énergie typiques des ions mono, di et triatomiques.

Théorie SIMS - Distributions d'énergie des ions secondaires
Rendements ioniques secondaires - Effets élémentaires

L'efficacité de l'ionisation SIMS est appelée rendement en ions, défini comme la fraction d'atomes pulvérisés qui s'ionisent. Les rendements en ions varient selon de nombreux ordres de grandeur pour les divers éléments. Les influences les plus évidentes sur le rendement en ions sont le potentiel d'ionisation pour les ions positifs et l'affinité pour les électrons pour les ions négatifs. Par exemple, la figure suivante montre le logarithme des rendements en ions positifs tracés en fonction du potentiel d'ionisation. Les rendements en ions sont relatifs au silicium dans une matrice de silicium avec pulvérisation d'oxygène.

Théorie SIMS - Ion secondaire donne des effets élémentaires

Les corrélations du potentiel d'ionisation avec les rendements en ions secondaires ne sont pas parfaites. Les variations dépendent à la fois de la matrice d'échantillon et de l'élément lui-même. Par exemple, la présence d'oxygène dans l'échantillon augmente les rendements en ions positifs pour la plupart des éléments, mais le fluor présente des rendements anormalement élevés en ions positifs dans presque tous les échantillons. Certains éléments, tels que l'hélium et le néon, ne correspondent pas à la tendance illustrée.

La figure suivante montre un traitement similaire pour les ions négatifs, où les logarithmes des rendements relatifs en ions sont tracés en fonction des affinités des électrons. Les rendements en ions sont relatifs au silicium pour les mesures dans une matrice en silicium avec pulvérisation cathodique par ions césium. Les quatre halogénures sont les éléments qui s'écartent le plus de la ligne de tendance.

Théorie SIMS - Ion secondaire donne des effets élémentaires
Rendements d'ions secondaires - Effets de faisceaux primaires

D'autres facteurs affectent l'efficacité de l'ionisation secondaire dans les mesures du SIMS. Le bombardement à l'oxygène augmente le rendement en ions positifs et le bombardement au césium augmente le rendement en ions négatifs. Les augmentations peuvent aller jusqu'à quatre ordres de grandeur.

L'amélioration de l'oxygène résulte des liaisons métal-oxygène dans une zone riche en oxygène. Lorsque ces liaisons se brisent dans le processus d'émission d'ions, l'oxygène devient chargé négativement car son affinité élevée pour les électrons favorise la capture d'électrons et son potentiel d'ionisation élevé inhibe les charges positives. Le métal est laissé avec la charge positive. La pulvérisation par faisceau d’oxygène augmente la concentration en oxygène dans la couche superficielle.

Le rendement accru en ions négatifs produit avec le bombardement au césium peut s’expliquer par des fonctions de travail réduites par l’implantation de césium sur la surface de l’échantillon. Plus d'électrons secondaires sont excités sur la barrière de potentiel de surface. La disponibilité accrue d'électrons entraîne une formation accrue d'ions négatifs.

La variabilité des rendements d'ionisation conduit à différentes conditions d'analyse pour différents éléments, comme indiqué dans le tableau périodique.

Théorie SIMS - L'ion secondaire produit des effets de faisceau primaires
Facteurs de sensibilité relatifs

L'analyse quantitative par SIMS utilise des facteurs de sensibilité relatifs définis selon l'équation suivante.

Théorie SIMS - Facteurs de sensibilité relative

L'élément majeur (ou matrice) est généralement choisi comme référence. En substituant M (matrice) à R (référence) et en réorganisant, on obtient l’équation suivante.

Théorie SIMS - Facteurs de sensibilité relative

En analyse d'éléments traces, on peut supposer que la concentration en éléments de la matrice reste constante. La concentration de la matrice peut être combinée avec le RSF élémentaire pour donner une constante plus pratique, RSF.

Théorie SIMS - Facteurs de sensibilité relative

Ce RSF est fonction de l'élément d'intérêt et de la matrice d'échantillon.

Théorie SIMS - Facteurs de sensibilité relative

Notez que RSF et CE ont les mêmes unités de concentration. C'est la forme la plus courante de l'équation de RSF.

Tables RSF

Les tableaux suivants de valeurs RSF (d'après RG Wilson, Int. J. Spectrométrie de masse. Ion Proc., 143, 43, 1995) montrent comment la sensibilité dépend de l'élément considéré. Faible RSF signifie haute sensibilité. Notez que des concentrations modestes d'éléments de haute sensibilité peuvent saturer les détecteurs d'ions à multiplicateurs d'électrons.

Les RSF suivants ont été mesurés pour le bombardement par des ions primaires d'oxygène, des ions secondaires positifs et une matrice de silicium.

SIMS Theory RSF TAble

Ces RSF ont été mesurés pour le bombardement par les ions primaires de césium, les ions secondaires négatifs et une matrice de silicium.

SIMS Theory - Table RSF
Sensibilité et limites de détection

Les limites de détection SIMS pour la plupart des oligo-éléments sont comprises entre 1e12 et 1e16 atomes / cc. En plus des efficacités d'ionisation (RSF), deux autres facteurs peuvent limiter la sensibilité. La sortie d'un multiplicateur d'électrons est appelée comptage d'obscurité ou courant d'obscurité si aucun ion secondaire ne le frappe. Ce courant d'obscurité provient d'ions et d'électrons parasites dans les systèmes à vide d'instruments et de rayons cosmiques. La sensibilité limitée au taux de comptage se produit lorsque la pulvérisation produit moins de signal d'ions secondaires que le courant d'obscurité du détecteur. Si l'instrument SIMS introduit l'élément analyte, alors le niveau introduit constitue une sensibilité de fond limitée. L'oxygène, présent sous forme de gaz résiduel dans les systèmes à vide, est un exemple d'élément dont la sensibilité de fond est limitée. Les atomes d'analyses pulvérisés à partir de pièces de spectromètre de masse sur l'échantillon par des ions secondaires constituent une autre source de fond. Les interférences de masse entraînent également une sensibilité de fond limitée.

Profiling Profiling

La surveillance du taux de comptage des ions secondaires d'éléments sélectionnés en fonction du temps permet d'obtenir des profils de profondeur. La figure suivante montre les données brutes pour une mesure du phosphore dans une matrice de silicium. L'échantillon a été préparé par implantation ionique de phosphore dans une tranche de silicium. L'analyse utilise Cs+ ions primaires et ions secondaires négatifs.

Théorie SIMS - Profiling Profiling

Pour convertir l'axe temporel en profondeur, l'analyste SIMS utilise un profilomètre pour mesurer la profondeur du cratère de pulvérisation. Un profilomètre est un instrument séparé qui détermine la profondeur en faisant glisser un stylet sur le cratère et en notant les déformations verticales. À la fin du profil de profondeur de phosphore ci-dessus, la profilométrie donne 0.74 um pour la profondeur du cratère. La profondeur totale du cratère divisée par le temps total de pulvérisation fournit le taux de pulvérisation moyen.

Les facteurs de sensibilité relatifs convertissent l'axe vertical du nombre d'ions en concentration. La valeur RSF appropriée pour l'implant phosphoreux ci-dessus est 1.07E23 en atomes par centimètre cube et le courant de matrice (IM) est le nombre d'ions de silicium 2.2E8 par seconde. La figure suivante montre le profil de profondeur du phosphore ci-dessus représenté sur les axes de profondeur et de concentration.

Théorie SIMS - Profiling Profiling
Résolution de profondeur

La résolution en profondeur dépend des cratères à fond plat. Les instruments modernes fournissent des courants de pulvérisation uniformes en balayant un faisceau primaire finement focalisé selon un motif de trame sur une zone carrée. Dans certains instruments, les ouvertures sélectionnent les ions secondaires du fond du cratère, mais pas les bords. Alternativement, le système de traitement de données ignore tous les ions secondaires produits lorsque le faisceau de pulvérisation primaire se trouve aux extrémités de son motif de trame.

Normes de mesure RSF

L'analyse SIMS quantitative nécessite des matériaux standard à partir desquels mesurer les valeurs RSF. Étant donné que les rendements en ions dépendent de l'élément à analyser, de l'espèce de pulvérisation et de la matrice de l'échantillon, des RSF séparés doivent être mesurés pour chacun. Les implants ioniques sont de bons standards. Il est possible d'implanter pratiquement n'importe quel élément dans n'importe quelle matrice. Les ions peuvent être passés à travers un analyseur de masse avant l'implantation pour assurer la pureté de l'implant. Les énergies ioniques typiques des implants vont de 50 à 300 keV. Des énergies plus élevées sont généralement utilisées pour les ions plus lourds, produisant des profondeurs d'implant typiques centrées autour de 0.2 um. Plus important encore, le courant ionique de l'implant peut être intégré pour déterminer la dose ionique totale. Cependant, il faut prendre soin d'exclure les courants d'électrons et d'ions secondaires de la mesure totale.

Les données brutes sur les implants phosphoreux présentées dans la section Profil de profondeur peuvent être utilisées pour calculer une valeur de RSF pour le phosphore dans le silicium. La zone ombrée est le signal total provenant de l’implant phosphoreux (ions phosphores 3.68e6).

Normes de théorie SIMS pour la mesure RSF

En divisant le signal total par le temps de mesure, on obtient Ii, le signal moyen des ions secondaires phosphores au cours de la mesure (2.69e4 / s). La dose d'implant (les ions 1e15 par centimètre carré dans cet exemple) et la profondeur du cratère (0.74 um) sont nécessaires pour calculer la concentration moyenne d'implant, CI (1.35e19 en atomes / cc).

Théorie SIMS pour la mesure RSF

L'inclusion du courant de matrice de silicium, IM, (2.18E8 / s) permet le calcul RSF en fonction de l'équation RSF réorganisée.

Théorie SIMS pour la mesure RSF

La valeur RSF calculée (1.09e23) est en parfait accord avec la valeur citée (1.07e23) dans la section Tables RSF.

Analyse en vrac

Pour les échantillons contenant un analyte dispersé de manière homogène, l'analyse en masse fournit de meilleures limites de détection que le profilage en profondeur, généralement de plus d'un ordre de grandeur. Des vitesses de pulvérisation plus rapides augmentent le signal des ions secondaires dans l'analyse en masse. La pulvérisation cathodique la plus rapide possible nécessite des faisceaux d'ions primaires intenses qui sacrifient la résolution en profondeur car ils ne peuvent pas être focalisés comme l'exigent les cratères à fond plat. Sinon, les analyses en masse sont similaires aux profils de profondeur. Les données d'intensité ionique sont affichées en fonction du temps. Ceci fournit un moyen de vérifier que l'échantillon est bien homogène. Dans un échantillon hétérogène typique, l'analyte est concentré en petites inclusions qui produisent des pics dans le flux de données.

Spectres de masse

Les spectres de masse échantillonnent les ions secondaires dans une plage de masse présélectionnée en surveillant en permanence le signal des ions tout en balayant une plage de rapports masse / charge (m / z). L'analyseur de masse peut être un secteur magnétique ou un quadripôle. Le spectre de masse détecte les ions atomiques et moléculaires. Les ions secondaires contenant plus d'un atome sont appelés ions moléculaires dans SIMS. Notez que le terme ion moléculaire trouve également une utilisation dans la spectrométrie de masse organique où il fait référence à l'ion parent avant toute fragmentation. L'analyseur de masse doit être balayé par petites étapes pour s'assurer que tous les rapports masse sur charge (m / z) sont échantillonnés. Dix étapes par unité de masse sont courantes. Avec une résolution de masse plus élevée, dix incréments de masse par largeur de pic définissent correctement la forme du pic. Un spectre de masse avec une plage de masse de 100 comporte au moins des canaux de données 1000 pour lesquels un temps d’analyse raisonnable est égal à 0.1 par canal. La figure suivante montre un spectre de masse comprimée pour une particule de cendre volante de charbon. Le spectre montre clairement Li, Be, B, C, O, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, Fe, Zr, Ba, Pb, Th, U. Les ions moléculaires notables comprennent TiO, FeO, BaO, ThO et UO à m / z 64, 72, 154, 248 et 254, respectivement. Les intensités ioniques reflètent les abondances isotopiques des éléments. Par exemple, les intensités isotopiques du silicium à m / z 28, 29 et 30 sont parallèles aux abondances naturelles relatives du silicium 92.2: 4.7: 3.1. Notez le pic pour le double charge Ca++ à m / z 20.

SIMS Theory - spectres de masse
Interférences de masse

Des interférences de masse se produisent chaque fois qu'un autre ion a la même masse nominale que l'analyte. Ces interférences sont appelées isobares. Lors de l'analyse du fer dans le silicium, par exemple, 28Si2+ interfère car il a la même masse (m / z 56) que 56Fe+. Les oxydes sont des interférences courantes car les liaisons métal-oxygène sont particulièrement stables. Ainsi, 40CaO+ peut également interférer avec 56Fe+ des mesures. Les hydrures de faible intensité de nombreux éléments apparaissent avec une unité de masse supérieure à celle des éléments eux-mêmes. Le silicium-30 hydrure (30SiH) en est un bon exemple.+) qui interfère avec l'analyse des traces de phosphore. Les ions primaires se combinent souvent avec des éléments de l'échantillon pour produire des interférences. Par exemple, 133Cs32S2- est isobare avec Au- (m / z 197) lors de la mesure de l'or dans la pyrite (FeS2).

Résolution de masse élevée

Bien que les paires analyte / interférence aient les mêmes masses nominales, leurs masses exactes diffèrent d'une fraction d'une unité de masse. La masse exacte moins les masses nominales s'appelle le défaut de masse. Les défauts de masse résultent de différences dans les énergies de liaison nucléaires qui maintiennent les protons et les neutrons ensemble dans le noyau. Les défauts de masse varient de + 0.0078 pour l'hydrogène à 0.1 pour les éléments situés au milieu du tableau périodique jusqu'à + 0.051 pour l'uranium.

La courbe des défauts de masse donne aux ions atomiques des masses plus élevées que les interférences moléculaires pour des masses relativement faibles et l'inverse pour des masses plus élevées.

SIMS Théorie Interférences de masse

Le spectre de masse suivant dans la région 32 m / z montre la séparation de 32S et de 16O2.

SIMS Théorie Interférences de masse

Les spectromètres de masse avec une résolution de masse suffisante peuvent séparer les ions atomiques des interférences ioniques moléculaires. La résolution de masse est généralement spécifiée en termes de m / delta m où m est la masse nominale des deux ions et delta m est leur différence. Par exemple, 56Fe et 28Si2 (m / z 55.9349 et 55.9539) requièrent m / delta m 5,600 pour la séparation, tandis que Au et 133Cs32SXNXX (m / z 2 et 196.9666) requièrent m / delta m 196.8496. Ces deux paires isobares illustrent la tendance des ions atomiques à avoir des masses inférieures aux interférences moléculaires aux masses relativement basses et inversement aux masses supérieures.

Chaque type d’analyseur de masse SIMS offre une gamme de résolutions de masse possibles. Par exemple, un instrument à secteur magnétique à double focalisation (bien réglé) peut avoir une résolution de masse dans la plage m / delta m 500 à 10,000. Une perte d'intensité d'ions secondaires accompagne le fonctionnement à l'extrémité supérieure de la plage de résolution en masse.

Isotopes mineurs

Les isotopes mineurs peuvent souvent résoudre les problèmes d'interférence. Cependant, les intensités mineures en isotopes secondaires sont plus faibles (par rapport aux isotopes), les limites de détection sont proportionnellement plus élevées (plus mauvaises) et les valeurs de RSF doivent être ajustées (plus haut). Par exemple, la mesure du fer avec l’isotope 54Fe évite l’interférence de 28Si2 avec 56Fe, mais l’intensité du signal 54Fe est inférieure à 56Fe du rapport isotope 54Fe / 56Fe (0.0645). Les ratios d'isotopes d'abondance naturelle ne peuvent pas toujours être utilisés pour ces ajustements car certains processus, tels que l'implantation ionique d'un isotope spécifique, modifient les ratios.

Interférences élémentaires

Dans quelques cas, un isotope d'un élément a la même masse nominale qu'un isotope d'un autre. Leur séparation nécessite une résolution de masse ultra élevée, qui dépasse les capacités de tout instrument SIMS commercial. Par exemple, 104Ru et 104Pd se gêneraient et exigeraient que m / delta m ~ 75,000 se sépare. Heureusement, des isotopes non interférents sont disponibles pour la plupart des interférences élémentaires.

Décalage de tension

La pulvérisation produit des ions secondaires avec une distribution des énergies. La technique de décalage de tension utilise l’analyseur d’énergie d’un spectromètre de masse pour sélectionner des ions secondaires dans la plage élevée des énergies de translation. Le décalage est simplement une réduction de la tension d'accélération. L'analyseur d'énergie dévie les ions d'énergie inférieure d'un angle plus grand. Une barrière physique (la mâchoire interne de la fente énergétique) intercepte les ions de basse énergie. Les ions qui ont commencé avec des énergies de translation plus élevées passent par l’analyseur de masse. Le décalage de tension discrimine ainsi contre les interférences moléculaires par rapport aux espèces atomiques. L'opérateur sélectionne le point de coupure d'énergie. Un décalage 30 V éliminerait essentiellement tous les ions di et triatomiques d’une distribution typique d’énergies. Il existe un compromis analytique pour cette réduction des interférences isobares. La plupart des ions monoatomiques sont également éliminés. Un décalage 30 V réduit généralement l’intensité des ions monoatomiques d’un facteur 10. L'analyste doit décider si cette réduction du signal de l'analyte est tolérable. La réduction de l'intensité du signal de l'analyte peut généralement être compensée en modifiant d'autres paramètres expérimentaux, un courant de faisceau primaire plus élevé ou des fentes de spectromètre plus larges, par exemple. La figure suivante montre l'analyse de l'arsenic dans le silicium, avec et sans décalage de tension. Un petit signal d'interférence de 28Si30SiOH tombe à m / z 75. Notez les limites de détection améliorées avec le décalage de volt 15.

SIMS Théorie Interférences de masse
Chargement de l'échantillon

Le faisceau d'ions primaires, les ions secondaires et les électrons secondaires du SIMS produisent un courant électrique net à la surface de l'échantillon. Si le matériau échantillon conduit, le courant traverse l'échantillon dans l'instrument. Cependant, les échantillons isolants subissent une accumulation de charge. Le chargement des échantillons diffuse le faisceau primaire et le détourne de la zone analytique, éliminant souvent totalement le signal des ions secondaires. Le chargement des échantillons modifie également la distribution d'énergie des ions secondaires, ce qui affecte leur transmission et leur détection par le spectromètre de masse. Lorsque l'échantillon est un diélectrique mince sur un substrat conducteur, un fort champ électrique se développe. Les ions mobiles tels que le sodium et le lithium migrent dans le champ électrique et les profils de profondeur ne reflètent plus les compositions originales des couches. Plusieurs techniques sont disponibles pour gérer le chargement des échantillons et elles sont souvent utilisées en combinaison.

Bombardement électronique

Les électrons compensent l'accumulation de charges positives résultant d'ions primaires positifs et / ou d'ions secondaires négatifs et d'électrons. Les faisceaux d'électrons à basse énergie fonctionnent mieux car les énergies plus élevées produisent plus d'un électron secondaire pour chaque électron entrant. Les faisceaux d'électrons à basse énergie sont plus facilement implémentés dans les instruments SIMS quadripolaires, faisant des quadripôles le système de choix pour les matériaux isolants. Contrairement aux quadripôles, les instruments à secteur magnétique maintiennent l'échantillon à un potentiel positif élevé pour la spectroscopie à ions positifs, ce qui rend difficile l'introduction d'un faisceau d'électrons de basse énergie. Les faisceaux d'électrons à haute énergie, bien que moins efficaces, sont largement utilisés.

Conducteurs adjacents

Des grilles conductrices placées sur l'échantillon réduisent les effets de la charge sur l'optique ionique et rapprochent une source d'électrons des zones de l'échantillon chargées positivement. Lorsqu'ils sont frappés par un ion primaire, les conducteurs émettent des électrons secondaires qui migrent vers la zone de charge. De même, les échantillons sont souvent recouverts de matériaux conducteurs tels que l’or ou le carbone. Avant de commencer l'analyse, le revêtement doit être pulvérisé, mais uniquement dans la zone d'analyse.

Faisceaux d'ions primaires négatifs

Le faisceau d'ions primaires négatifs le plus commun est O, disponible à partir des mêmes sources de duoplasmatron qui produisent plus communément de O2+. Les faisceaux O primaires trouvent une large utilisation pour l'isolation d'échantillons géologiques.

Décalage de tension automatique

Un décalage de tension continuellement variable peut être appliqué à la tension d'accélération pour les échantillons faiblement chargés. Les procédures de décalage de tension automatique (appelé autovolt) sont souvent intégrées au logiciel de contrôle des instruments. Après chaque cycle d'une analyse de profil de profondeur, le logiciel appelle une mesure de la distribution d'énergie et ajuste le décalage de tension en fonction des besoins pour maintenir le pic de la distribution constant.

Imagerie ionique

Les images ioniques montrent les intensités des ions secondaires en fonction de l'emplacement sur les surfaces des échantillons. Les dimensions de l’image varient de 500 um à moins de 10 um. Les images ioniques peuvent être acquises dans deux modes de fonctionnement, appelés microscopie ionique ou imagerie stigmatique, et imagerie par microbeam ion ou balayage tramé. La microscopie ionique nécessite une combinaison microscope ionique / spectromètre de masse capable de transmettre un faisceau d'ions sélectionné en masse de l'échantillon au détecteur sans perte d'informations de position latérale. Les détecteurs d'image indiquent la position des ions qui arrivent. Les images au microscope ionique sont généralement rondes car les détecteurs d'ions sont ronds. Les résolutions latérales de 1 um sont possibles. Un analyste SIMS sélectionne des images avec une résolution latérale plus élevée aux dépens de l’intensité du signal et une résolution de masse plus élevée aux dépens du diamètre du champ d’image.

Pour l’imagerie par microfaisceaux d’ions, un faisceau d’ions primaires finement focalisé balaie l’échantillon selon un motif tramé et le logiciel enregistre les intensités des ions secondaires en fonction de la position du faisceau. L'imagerie par faisceau microscopique utilise des multiplicateurs d'électrons standard et la forme de l'image suit la forme du motif de trame, généralement carré. La résolution latérale dépend du diamètre du micro-faisceau et s'étend jusqu'à 20 nm pour les pistolets à ions en métal liquide. Certains instruments produisent simultanément une résolution de masse élevée et une résolution latérale élevée. Cependant, l'analyste SIMS doit échanger une sensibilité élevée pour une résolution latérale élevée, car la focalisation du faisceau primaire sur des diamètres inférieurs réduit également l'intensité du faisceau.

Théorie SIMS Ion Imaging

Les exemples d'images (micro-faisceaux) montrent un grain de pyrite (FeS2) provenant d'un échantillon de minerai d'or avec de l'or situé dans les bords des grains de pyrite. L'image à droite est 34S et la gauche est 197Au. Les échelles numériques et les couleurs associées représentent différentes plages d'intensités des ions secondaires par pixel.

Des analyses tridimensionnelles sont possibles en acquérant des images en fonction du temps de pulvérisation (profils de profondeur d’image). Les taux de pulvérisation du microscope dépassent les taux de microbeam, souvent de plusieurs ordres de grandeur. Ainsi, l’imagerie au microscope produit des échelles de profondeur plus compatibles avec l’échelle des images latérales. L'imagerie par faisceau microscopique fournit généralement une meilleure combinaison des caractéristiques de l'image, sauf lorsqu'une pulvérisation plus rapide est requise pour l'analyse tridimensionnelle ou pour supprimer une superposition avant l'acquisition de l'image.

Mesures du rapport isotopique

Les mesures du rapport isotopique sont similaires aux profils de profondeur sur le plan opérationnel, sauf que les exigences de précision et de précision sont plus élevées. Étant donné que tous les isotopes d’un élément ont les mêmes propriétés chimiques, les rendements d’ionisation et de détection restent presque constants pour les différents isotopes. Les précisions de 0.1% sont des précisions usuelles et précises. L'analyse d'erreur indique que les précisions sont principalement limitées par les statistiques de comptage de Poisson. Pour atteindre ces précisions, les instruments SIMS doivent être soigneusement réglés et les interférences éliminées. Les pics spectraux de masse devraient avoir des sommets plats et des côtés raides, de sorte qu'une légère instabilité de l'aimant ne modifie pas l'intensité du signal ionique. La figure montre les sommets sommets plats nécessaires et la résolution en masse élevée utilisée pour éliminer les interférences O2 à m / z 32. Tous deux étaient nécessaires pour mesurer avec précision les rapports isotopiques 34S / 32S.

Théorie SIMS Mesures du rapport isotopique

Le rapport des intensités de signal isotopique doit être corrigé pour tenir compte de légères variations de l'efficacité de la détection pour différentes masses et de légères variations dépendant de l'intensité du signal. Ces corrections sont généralement supérieures à la gamme des rapports isotopiques attendus.

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