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Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA)
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Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS)

Methodenbeschreibung

Die SIMS ist eine oberflächensensitive Methode zur Tiefenprofil- und Mikrobereichsanalyse an Schichtsystemen und Bulkmaterialien von leitenden, halbleitenden und isolierenden Festkörperproben. Mittels eines Ionenstrahls wird Probenmaterial zerstäubt. Ein Teil des zerstäbten Materials besteht aus positiven oder negativen Ionen. Diese Sekundärionen werden in einem Massenspektrometer nach ihrem Masse- zu Ladungsverhältnis getrennt und ermöglichen so die Identifizierung aller vorliegenden chemischen Elemente.

Merkmale der SIMS

  • Laterale Elementverteilungen erhält man, wenn ein sehr fein fokussierter, gepulster Ionenstrahl zur Analyse verwendet wird. Die damit erzeugten Ionen werden mit dem Massenspektometer analysiert. Das laterale Auflösungsvermögen liegt im Bereich 0,1-3 µm.
  • Durch Verwendung einer zweiten Ionenquelle, deren Funktion nur darin besteht, in der Wartezeit Probenmaterial abzutragen, ergibt sich die Fähigkeit zu Tiefenprofilanalysen
    Diese ermöglichen die Bestimmung von in die Tiefe gehenden Konzentrationsgradienten, da durch den Abtrag von Probenmaterial der zeitliche Verlauf einer Messung einer Tiefenverteilung (Tiefenauflösungsvermögen einige nm) zugeordnet werden kann.
  • Isotopenhäufigkeitsanalysen sind mit hoher Präzision durchführbar.
  • Für die Bulk- und Spurenelementanalyse (z.B. an Halbleitermaterialien) wird SIMS wegen ihrer i.allg. niedrigen Nachweisgrenzen im ppb-Bereich eingesetzt.
  • Die Quantifizierung der Elementkonzentrationen erfolgt über Standards mit bekannter Konzentration der relevanten Elemente. Die Nachweisgrenzen reichen von ppm bis ppb, wobei gleichzeitig eine Tiefenzuordnung auf wenige nm genau möglich ist.
  • Als Proben eignen sich Festkörper und Pulver. Die Probengröße sollte maximal 1 x 2 cm2 betragen und die minimale Probengröße sollte 1 x 3 mm2 nicht unterschreiten, die maximale Probendicke ist 6 mm.

Apparative Ausstattung

  • Tof-SIMS der Firma ION-TOF, Flugzeit-Massenspektrometer (Massenauflösungsvermögen von max. 10 000 (M/ D M)),
    Bi-Primärionenquelle,
    Cs und EI (O2, Xe, Ar)-Sputterquelle, 250-2000eV
  • ToF-SIMS
  • SIMSLAB 410 der Firma Thermoquest, Quadrupol Massenspektrometer (Massenauflösungsvermögen von max. 300 (M/ D M)),
    Nachionisierung mittels Elektronenstrahl,
    Duoplasmatron und Ga-Primärionenquelle mit Feinfokussierung,
    Möglichkeit der SNMS und SIMS

Analysenbeispiele

Tiefenprofilanalysen, Elementverteilungsbilder,
quantitative Konzentrationsbestimmung von Spurenelementen bei Verfügbarkeit von matrixangepassten Standardreferenzmaterialien (z.B. Si oder GaAs),
Metallen, Legierungen, Halbleitern, Supraleitern, Isolatoren, Gläsern und Keramiken als Bulkmaterialien oder als Dünnschichtsysteme.

Ansprechpartner:

Herr Dr. U. Breuer Tel.: 02461-61 5364


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