先进材料表征
SIMS 二次离子质谱分析
超痕量表面元素/同位素深度剖析。
1测试概述
二次离子质谱（SIMS）用一次离子束溅射样品表面，收集溅射出的二次离子进行质谱分析，可检测 ppm-ppb 级痕量元素和同位素，配合深度剖析可获得元素从表面到体相的浓度分布，是半导体掺杂分析的关键手段。
2测试目的
- 痕量元素（ppm-ppb）检测。
- 元素深度分布剖析（掺杂、薄膜）。
- 同位素比值测定。
- 表面污染超痕量分析。
3适用标准
GB/T 20176-2006
表面化学分析 二次离子质谱 用语
ISO 18115-1:2019
Surface chemical analysis — Vocabulary
注：以上为行业常用参考标准，具体执行标准以受托实验室现行有效版本及 CNAS/CMA 认可范围为准。
4测试方法与流程
4.1 样品准备
- 样品表面平整、导电。
- 样品尺寸适合样品台。
- 样品干燥、无氧化层（必要时原位清洁）。
- 已知标样用于定量校准。
4.2 测试条件与参数
| 参数项 | 要求/范围 | 说明 |
|---|
| 一次离子束 | O₂⁺/Cs⁺/Ar⁺ | 按元素选择 |
| 束流 | nA–μA | 视模式 |
| 检测限 | ppb 级 | 超痕量 |
| 深度范围 | 几 nm–几十 μm | 深度剖析 |
| 质量分辨率 | M/ΔM ~300–10000 | 按干扰选择 |
4.3 测试步骤
- 样品装入分析室，抽真空。
- 选择一次离子束和检测条件。
- 预溅射清洁表面。
- 采集二次离子质谱。
- 深度剖析：溅射同时采集信号。
- 用标样校准，换算浓度-深度曲线。
5主要设备与仪器
- 二次离子质谱仪（TOF-SIMS / 动态 SIMS）。
- 一次离子枪（O₂⁺/Cs⁺/Ar⁺）。
- 标样。
6结果与判定
主要结果参数
- 痕量元素浓度（at/cm³）。
- 元素深度分布曲线。
- 同位素比值。
判定依据
SIMS 为超痕量半定量/定量分析，需用标样校准。将掺杂浓度、深度分布与器件规范比较，判断是否满足要求。
7注意事项
安全提示：SIMS 为超高真空设备，使用特种气体（O₂、Cs），严格按规程操作。
- SIMS 为破坏性分析，样品被溅射消耗。
- 基体效应显著，必须用同基体标样。
- 质量干扰需高分辨模式区分。
- TOF-SIMS 适合静态表面分析，动态 SIMS 适合深度剖析。