SIMSチュートリアル:計装

SIMSの歴史

試料表面への一次イオンビームの衝突とそれに続く放出された二次イオンの質量分析は、二次イオン質量分析(SIMS)を構成する。

SIMSプロセスの最初のインクリングは、初期の質量分析者が機器の建設資材からのイオンがイオン源によって生成されていることに気付いたときに起こりました。 その後の実験では、イオン源からイオンを抽出し、サンプル上で加速して、最初のSIMS一次イオンビームを生成しました。 最初のSIMS機器は、月の石を分析するために1960年代初頭にNASAの契約に基づいて建設されました。 予想よりもパフォーマンスが良かったとき、プロトタイプの正確なコピーが市場に導入されました。 材料特性評価のためのSIMSの使用は、その間の30年間で着実に成長しました。

SIMSは、周期表の全元素の微量レベルを測定します。 SIMSはまた、試料内のこれらの元素の横方向および深さ分布(微量分析)を提供する。 電子材料産業(半導体、光電デバイスなど)は、SIMSの最大のユーザーです。 地質学共同体はまた、横方向に分解された同位体および元素測定のためにSIMSを使用する。

SIMS一次イオン源

典型的なSIMS機器はデュオプラズマトロンまたは表面イオン化一次イオン源(またはその両方)のいずれかを使用する。

デュオプラズマトロンは実質的にいかなるガスでも動作することができるが、試料表面への酸素注入が陽性要素のイオン化効率を高めるので酸素が最も一般的である。 この酸素増強効果が発見される前は、アルゴンが一般的に使用されていました。 デュオプラズマトロン源内の酸素プラズマは、 とO2+そして、どちらでも抽出できます。

SIMS装置一次イオン源

セシウム表面イオン化源はCsを生成する+ Cs原子としてのイオンは多孔質タングステンプラグを通して蒸発する。

SIMS装置一次イオン源
一次イオンカラム

一次イオンはイオン源から抽出され、一次イオンカラムを通ってサンプルに送られます。 カラムには通常、指定された質量電荷比(m / z)のイオンのみを透過させる一次ビーム質量フィルタが含まれています。

このマスフィルターはビーム中の不純物種を除去します。 例えば、Cr、Fe、およびNiイオンは、デュオプラズマトロン内のステンレス鋼表面からスパッタする。 一次ビーム質量フィルタがないと、これらの金属汚染物質がサンプル表面に堆積し、ステンレス鋼元素の検出限界が上がります。

SIMS装置一次イオンカラム

上の図では、電磁的にアクティブなコンポーネントは青で示されています。 イオンビームの軌跡(赤で表示)は横方向に大きく誇張されています。

静電レンズおよびアパーチャは、一次イオンビームの強度および幅を制御する。 各開口部位置では通常、いくつかの開口部直径が利用可能である。 一次ビーム強度は、(磁石に最も近い)第1のアパーチャの背面にイオンビームを集束させることによって減少させることができる。 (サンプルでの)狭いビームは、(中央のレンズで)イオンビームを第2のアパーチャの裏側にデフォーカスし、次に最後のレンズを調整して、アパーチャの裏側からサンプルにクロスオーバーの像を転写することから生じる。 。

静電偏向器は、一次ビームをラスタパターンでサンプル上に向ける。 細く集束されかつラスター化された一次イオンビームは、一様な一次ビーム強度を試料上の領域に送達する。 これは平底スパッタークレーターにつながる。 深さプロファイルにおける最良の深さ分解能は、そのようなクレータの平らな底部から二次イオンがクレータエッジからの寄与なしにサンプリングされるときに得られる。 他の偏向器(図示せず)は開口部の近くに配置されている。 それらは、静電レンズの中央を通る一次ビームを調整するのを助けます。

二次イオンの抽出と移動

二次イオンは、生成時にサンプルから抽出されます。 大型の質量分析計部品が接地電位に保持されている場合、試料は加速電位である高電圧に保持されなければならない。 二次イオンは静電レンズの接地板に向かって加速する。 この最初のレンズは液浸レンズまたはイオン抽出レンズと呼ばれます。 2番目のレンズ(トランスファーレンズ)は、イオンビームを質量分析計の入射スリットまたは開口部に集束させます。 この2レンズ系はイオン顕微鏡を構成する。 二次イオンは、試料表面を見るために画像検出器に投射され得る。 異なるトランスファーレンズは異なる倍率を生み出す。

SIMS装置の二次イオン抽出と移動

上の図では、電磁的にアクティブなコンポーネントは青で示されています。 イオンビームの軌跡(赤で表示)は横方向に大きく誇張されています。

フィールドアパーチャは、イオンビーム像が焦点を結ぶ点にほぼ位置する。 入射口はコントラスト絞りとも呼ばれます。 より小さい口径はイオンを軸外エネルギー成分で遮断する。 これは像収差を減少させるが、残念ながらそれはまた二次イオン強度を減少させる。

二次イオン光学軸から外れて生じるイオンは、より低い質量分解能に寄与する。 これらの軸外イオンは、一次ビームラスタパターンが、軸がサンプルを遮る単一点ではなく領域をスパッタするために生じる。 動的エミッタンス偏向器は、二次イオンビームを軸上に戻すように調整する。 偏向器は一次ビームラスタ発生器と同期して動作して連続的な調整を行う。

イオンエネルギー分析装置

静電エネルギーアナライザは、高エネルギーイオンよりも低エネルギーイオンをより強く曲げます。 スパッタリングプロセスはある範囲のイオンエネルギーを生成する。 エネルギースリットは、高エネルギーイオン(緑色で表示)を遮断するように設定できます。

SIMS計装イオンエネルギーアナライザ

上の図では、電磁的にアクティブなコンポーネントは青で示されています。 イオンビームの軌跡(赤で表示)は横方向に大きく誇張されています。

電圧オフセットは、多原子よりも単原子イオンを増強するための戦略です。 単原子イオンはより高いエネルギー分布を有する。 加速電圧が低下(オフセット)しても、より多くの原子イオンは依然としてエネルギースリットを通過するのに十分なエネルギーを有する。 典型的なSIMS実験では、加速電圧はX NUMX kVであり、オフセットはX NUMX Vである。スリットの内側ジョーはほとんどの(低エネルギー)多原子イオンを遮断する。 単原子イオン強度と多原子イオン強度の両方が電圧オフセット測定において減少するが、多原子イオンは単原子よりも比較的大きい。

内側および外側セクター電極は反対の極性の電圧を有する。 その大きさはイオン加速電圧の約10%です。 イオン像は焦点を合わせ、電界開口の後ろの静電セクタの内側に虚像を生成する。 静電セクタの活性面は球形です。 このジオメトリは、最小限の歪みで画像を質量分析器に転送します。 分光計のレンズは、質量分析計の入力要件を満たすようにイオンビームの焦点(クロスオーバー)を調整します。

質量分析計

ダイナミックSIMS機器は、磁気セクタと四重極の2種類の質量分析器を使用する。 磁気セクター機器が最も一般的です。 イオンビームが磁場を通過すると、粒子は、運動方向と磁場方向の両方に対して直角の力で作用する。 次の式は、磁場(B)、イオン受容電圧(V)、質量電荷比(m / q)、および磁場内のイオン曲率半径(r)の間の関係を示しています。 原子単位では、m / qはm / zになります。ここでzはイオンの電荷数です。

SIMS計装質量分析計

磁気セクター質量分析計は青色で表示されています。 イオンビームの軌跡(赤で表示)は横方向に大きく誇張されています。

現代の質量分析計は、磁気セクタへのイオンビームの入射および出射に非垂直磁極面を使用する。 この構成におけるフリンジ電界は、イオンビームがセクタを通過するときに(スクリーンの内外に)垂直方向にイオンビームを圧縮する。 イオンが金属表面に衝突することが少なくなり、イオンビームは、非垂直磁極面を有する出口スリットでよりよく集束する。 入口および出口スリットは、類似のm / z値を有するイオン間の最も明確な分離(最高質量分解能)のためにイオンビーム交差点に配置することができる。 ビームの緑色の部分は、分光計を通過しない、より高いm / z値を持つイオンを表します。

SIMS計装質量分析計

磁気セクタと静電セクタの組み合わせは、二重集束装置を生み出す。 磁気分析器は、それ自体で、分散イオンエネルギーを有するイオンビームに色収差を導入する。 これらの収差は質量分解能を低下させる。 1つの静電セクタと1つの磁気セクタとの直列配置では、静電セクタのエネルギー分散は磁石のエネルギー分散を単に補償することができる。 このシステムは、それがより高い質量分解能を生み出すことを除いて、磁石の質量分散特性を有するであろう。 分光計レンズは、静電セクタから磁気セクタに必要な位置へのクロスオーバーを調整します。

SIMS計装質量分析計

四重極質量分析計は1953で発明されました。 SIMSを含む多くの種類の分析は四重極を使用します。 理想的には、ロッドは双曲線形状を有するが、この幾何学的形状は狭い間隔の円形ロッドで近似することができる。 典型的な四重極分光計では、ロッドの直径は1 cm、長さは20 cmです。 図では、イオンは比較的低いエネルギー(〜25 eV)で左から入ります。 SIMSイオンはXNUMX eVよりも広いエネルギー範囲を有することができるので、静電セクタは通常四重極に先行する。

SIMS計装質量分析計

ロッド上の交流および直流電圧は、四重極に入った後にイオンを振動させる。 与えられた電圧のセットに対して、単一の質量電荷比を持つイオンは安定した振動を受け、ロッドを通過します。 他のすべてのイオンは不安定な振動を持ち、ロッドに衝突します。 交流周波数および交流電圧と直流電圧との間の比率は一定のままである。 電圧を走査することは質量スペクトルを走査する。

二次イオン検出器

最も広く使用されているSIMS機器は4つもの検出器を有する。 これらには、イオン計数電子増倍管、ファラデーカップ、および2つのイオン画像検出器が含まれます。 次の図は、検出器の配置を示しています。 イオン計数電子増倍管は最も高感度の検出器です。 それらは強いイオンビームから保護されなければなりません。 ファラデーカップ検出器は、入ってくるイオン信号が高すぎると、ソレノイド上を移動して電子増倍管を覆います。 イオンビームが表面に衝突すると、電荷交換によって高エネルギー中性種が形成される。 これらの中性粒子はイオン信号にノイズを与えます。 静電セクタが電子増倍管の前にある場合、中性成分はイオン信号から除去することができます。 四重極質量分析計はまた、イオン信号に対する高エネルギー中性種の寄与を最小限にするために静電セクタまたは偏向器を使用する。 セクタが非活性化されると、イオンビームは静電セクタ内の小さな穴を通過する。 この経路は、二重マイクロチャネルプレートおよび抵抗陽極エンコーダ画像検出器につながる。 投影レンズは試料の像を像検出器上に集束させる。

SIMS計装二次イオン検出器

電磁的に活性な部品は青で表示されています。 イオンビームの軌跡(赤で表示)は横方向に大きく誇張されています。 特に、画像検出器はより小さく、静電分析器を通る経路はより狭い。 イオンはセクター内のはるかに小さな穴を通過します。

電子増倍管

電子増倍管はダイノードと呼ばれる一連の電極で構成され、各電極は抵抗ストリングに沿って接続されています。 抵抗ストリングの信号出力端は正の高電圧に接続されています。 弦のもう一方の端は、電子増倍管のケースとアースにつながっています。

SIMS計装二次イオン検出器

ダイノード電位は鎖に沿って等しいステップで異なる。 粒子(電子、イオン、高エネルギー中性粒子、または高エネルギー光子)が最初のダイノードに衝突すると、二次電子が発生します。 二次電子は次のダイノードへと加速され、そこで各電子はより多くの二次電子を生成する。 二次電子のカスケードが生じる。 ダイノード加速電位は電子利得を制御する。

SIMS計装二次イオン検出器

電子増倍管はまた、離散ダイノードではなく連続ダイノード材料から製造することもできる。 このガラス状材料は、ディスクリートダイノード電子増倍管の抵抗チェーンに匹敵する導電性を提供する鉛を含んでいます。

ほとんどのSIMS測定は、イオン到着ごとに検出可能なパルスを生成するのに十分に高い利得で動作する電子増倍管を使用する。 パルスカウントは最も高感度のイオン検出方法です。 検出器のノイズは迷走イオンや宇宙線から発生しますが、これらの信号は通常1秒あたり1カウント未満です。

陽イオンと陰イオンの両方を検出するために、電子増倍管の場合は接地電位にある。 抵抗チェーンの出力端は高い正電位で動作する必要があります。 これは、出力パルスが検出器電子機器に容量結合されることを必要とする。 検出器の電子機器は、イオンの到着後、2番目のイオンが検出されるまでに回復時間(デッドタイム)を必要とします。 検出器のデッドタイムにより、測定可能なイオン到着率は毎秒1e6カウントに制限されます。 従って、電子増倍管のダイナミックレンジは、毎秒XNUMX未満から約XNUMXeXNUMXイオンカウントまでに及ぶ。

パルス計数検出器は、各イオンが他のすべてのイオンとは無関係に到着することを要求するポアソン統計に従う。 測定は、イオンを一定期間カウントすることからなり、結果はカウント数nの形をとります。 測定値の標準偏差は、カウント数の平方根に等しくなります。 2番目の式は、信号に対する標準偏差を示しています。

ファラデーカップ

ファラデーカップは、荷電粒子ビーム(電子またはイオン)が衝突する間にそこから電流が測定される単なる電極です。 形状は、電流測定を変えるであろう二次電子の損失を最小にするのを助ける。 電子反発板を備えたディープカップは、二次電子損失を最小限に抑えます。

SIMS計装二次イオン検出器

イオン画像検出器

イオン画像検出器はマイクロチャネルプレート電子増倍管アレイに依存する。 これらのプレートは、小さなアレイの電子増倍管の大規模な配列から成ります。 SIMS機器は通常、直径全体に約XNUMX個のチャネルを有する円形アレイを使用する。 各チャンネルの直径は2000ミクロンです。 チャネルは10ミクロンの中心にあり、アレイ全体の直径は12 mmです。

SIMS計装二次イオン検出器

各チャンネルの寸法は10 x 400ミクロンです。 チャネルは、アレイ面に対して垂直から7度です。 単一チャンネルプレートの両端間の電圧は、XNUMXeXNUMXと同じくらい高い利得を生み出すことができる。

SIMS計装二次イオン検出器

SIMS用には、2つのマイクロチャネルプレートが組み合わさって容易にXNUMXeXNUMXの利得を生み出す。

SIMS計装二次イオン検出器

2種類の陽極が直接可視化またはコンピュータ互換のイオン位置データを提供します。 電子カスケードを可視化するための2つのマイクロチャンネルプレートとそれに続く燐光体スクリーンは二次イオンビームをモニターする簡単な方法を提供する。 SIMSアナリストは、この組み合わせをデュアルマイクロチャネルプレート(DMCP)と呼んでいます。 電子が燐光体アノードに加速されるにつれて、それらは電子1個当たり2個以上の光子を発生する。 したがって、アノードは

関連楽器

飛行時間型SIMS機器は一般的である。 しかしながら、スパッタリングのデューティサイクルは低い。 飛行時間計器は動的SIMSとは対照的に静的SIMSに適している。 動的SIMSのみが定量的情報をもたらすので、この表面分析チュートリアルでは動的SIMSのみが扱われる。

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