Leistungsdaten der ToF-SIMS

Prinzip: Nachweis von Sekundärionen nach Zerstäubung durch Primärionenbeschuss
Nachweis: - aller stabilen Elemente und ihre Isotope
- von Molekülen (intakt < 10000 u; sowie deren Fragmente)
Nachweisgrenzen: - Elemente: ppm - teilweise: ppb-Bereich
- Moleküle: fmol/cm²
Informationstiefe: 1-3 Monolagen
Quantifizierung: ToF-SIMS liefert keine inhärent quantitativen Daten (vgl. auch Matrix-Effekt). Durch Analyse geeigneter Referenzen können allerdings absolute Konzentrationen ermittelt werden. Zudem kann die Zusammensetzung chemisch ähnlicher Proben verglichen werden (semi-quantitative Auswertung).
Betriebsarten:
   
Spektrometrie
  • Analyse der chemische Oberflächenzusammensetzung durch Beschuss mit einer sehr kleinen Zahl von Primärionen (statische SIMS).
  • hohe Massenauflösung für empfindliche Trennung von Sekundärionen gleicher Nominalmasse aber unterschiedlicher Summenformel.
  • Integration der Information über Analyseflächen bis zu einer Größe von 500 x 500 µm².
Imaging
  • Abbildung der chemischen Zusammensetzung auf Flächen zwischen 5 x 5 µm² ... 9 x 9 cm²
  • erreichbare Lateralauflösung ≈ 300 nm
Tiefen-
profilierung
  • durch Probenerosion: bis ca. 20 µm Tiefe
  • erreichbare Tiefenauflösung ≥ 1 nm
  • durch Abbildung von Probenquerschnitten (vgl. Imaging)
3D-Analyse
  • Kombination aus Tiefenprofilierung und Imaging
Bemerkungen:
  • Proben müssen vakuumkompatibel sein
  • flexible Methode zum Screening unbekannter Proben
  • geringe Informationstiefe kann bei starken Kontaminationen stören
  • verschiedene Primärionen (Aux+, Bix+, ...) verfügbar

 

Spektrometrie

In der Spektrometrie wird die chemische Zusammensetzung einer analytisch interessanten Oberfläche mittels eines hoch aufgelösten Massenspektrums erfasst. Ein solches Spektrum wird üblicherweise unter Verwendung möglichst weniger Primärionen erstellt, um sicherzustellen, dass der überwiegende Teil der nachgewiesenen Sekundärionen von der originalen Oberfläche stammt (=statische SIMS). Die hohe Massenauflösung ermöglicht zudem eine zuverlässige Erkennung und Identifizierung einzelner Sekundärionensignale. Ein kompletter Datensatz umfasst i.d.R. Spektren positiv und negativ geladener Sekundärionen.

Primärionen

Für die ToF-SIMS Analytik stehen verschiedene Projektile zur Verfügung, die unterschiedliche Vor- und Nachteile haben. Die Primärionen werden üblicherweise mit Energien zwischen 10 und 60 keV auf die Probenoberflächen geschossen.

  • Elektronenstoßquellen (Ar+, Xe+, O2+, SF5+ ,C60+, Arx+...): sehr robuster Quellentyp; einfacher Wechsel der Projektile durch Wechsel des verwendeten Gases; Fokus: typisch: 20 µm; Der Beschuß mit O2+ erhöht die Ausbeute positiv geladener Sekundärionen und wird daher in der Tiefenprofilierung eingesetzt. Der Einsatz von Ar Clusterprojektilen (z.B. Arx+) ermöglicht die Akquisition organischer Tiefenprofile, d.h. den Nachweis intakter Moleküle in organischen 3D-Strukturen.
  • Flüssigmetallquellen (Ga+, In+, Aux+, Bix+): hohe Ströme; gute Fokussierbarkeit; insbesondere die Bi-Quelle bietet hohe Clusterausbeuten und kombiniert die bereits für C60+ erwähnten Empfindlichkeitssteigerungen mit Lateralauflösungen im nm-Bereich.   
  • Thermische Ionisierung (Cs+): Der Beschuß mit Cs erhöht die Ausbeute negativ geladenen Sekundärionen. Cs wird daher als Projektil zur Erstellung von Tiefenprofilen in der negativen Polarität verwendet.

Erstellen massenaufgelöster Sekundärionenbilder

Beim Erstellen massenaufgelöster Sekundärionenbilder („Imaging“, chemische Karten) wird die Probenoberfläche i.d.R. mit einem stark fokussierten Primärionenstrahl abgetastet. Auf jedem der Rasterpunkte wird ein Massenspektrum aufgenommen. Die Intensitäten der Sekundärionensignale können hieraus automatisch ausgelesen und einem Farbwert zugeordnet werden. Somit ergibt sich eine massenseparierte, bildliche Darstellung der Lateralverteilung der jeweiligen Sekundärionenintensitäten.

Durch die Rasterung des Primärionenstrahls können Sekundärionenbilder bis zu einer Analysefläche von 500x500 µm² aufgenommen werden. Größere Flächen (>500x500 µm² ... 9x9 cm²) sind durch zusätzliche Bewegung der Probe mit Hilfe des Probenmanipulators zugänglich (Macroraster, “stage raster”). Die erreichbare Lateralauflösung ergibt sich in der Regel aus dem Fokusdurchmesser des anregenden Primärionenstrahls. Dieser kann bei hoher Massenauflösung auf etwa 2 µm und bei geringer Massenauflösung auf etwa 0,3 µm eingestellt werden. Idealerweise wir die Pixeldichte und der Durchmesser des Strahlfokus so gewählt, dass die chemische Zusammensetzung der kompletten Analysefläche erfasst wird.

Tiefenprofilierung

Zur Ermittlung der Elementverteilung als Funktion der Tiefe werden Tiefenprofile erstellt. Bei der ToF-SIMS Tiefenprofilierung im sogenannten “Dual-Beam-Mode” wird die Probenoberfläche mit einem Ionenstrahl (meist: O2+ oder Cs+) kontinuierlich zerstäubt, während ein zweiter Ionenstrahl zur Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung des so entstandenen Kraterbodens verwendet wird. Die zur Profilierung erforderliche massive Zerstäubung verursacht Schädigungen des Festkörpermaterials, so dass bei dieser Analyseart meist nur die Verteilung von Elementen als Funktion der Tiefe erfasst wird. Beschussinduzierte Rauhigkeiten können durch schnelles Rotieren ("fast sample rotation") der Proben während der Analyse reduziert werden. Moderne Analysegeräte bieten zudem die Möglichkeit, Proben mit Ar-Clusterionen zu zerstäuben. Hierdurch ist auch die Profilierung organischer Schichtsysteme (z.B. Polymerlaminate, OLEDs, OPV Module, ...) möglich.

Wie bei der Oberflächenanalyse können die durch Normierung bestimmten relativen Intensitäten Hinweise auf Konzentrationsänderungen von chemisch ähnlich zusammengesetzten Probensystemen liefern. Weite Verbreitung findet die ToF-SIMS Tiefenprofilierung bei der Analyse unbekannter Schichtsyteme.

Matrix-Effekt und Quantifizierung

Als Matrix-Effekt bezeichnet man die Tatsache, das die in einem SIMS-Spektrum nachgewiesenen Sekundärionenintensitäten von der chemischen Zusammensetzung des umgebenden Materials (Matrix) abhängig sind. Dies ist der Grund warum SIMS-Daten nicht inhärent quantitativ sind. Absolute Konzentrationen können jedoch mit sogenannten Empfindlichkeitsfaktoren ("relative sensitivity factor" (RSF)) berechnet werden, die zuvor anhand chemisch vergleichbarer, vorcharakterisierter Proben ermittelt wurden. Den Matrix-Effekt nutzt man in der Tiefenprofilierung aus, indem man in Abhängigkeit von der Sekundärionenpolarität die Oberfläche mit O2+ oder Cs+ beschießt um die Sekundärionenausbeute zu erhöhen.