Cameca IMS 7f-Auto (Cameca / Ametek, Inc.)
Die Sekundärionen-Massenspektrometrie SIMS ist ein festkörperanalytisches Verfahren zur Messung von dreidimensionalen Elementverteilungen, vorrangig im Spuren- und Ultraspurenbereich. Durch Beschuss einer Probe mit Primärionen (O2+, O– oder Cs+) im Ultrahochvakuum werden Sekundärionen aus dieser ausgelöst (sogenanntes Sputtern), welche im elektrischen Feld beschleunigt und nach Massentrennung in einem Magnetfeld mittels hochempfindlicher Detektoren (Elektronenmultiplier oder rauscharmer Faradaybecher) gezählt werden. Die vertikale Information wird durch das Sputtern in die Tiefe und digitale Erfassung von Zählraten der Sekundärionen über die Zeitachse erreicht. Die Tiefenauflösung erreicht dabei Werte von < 2 nm/Dekade. Laterale Informationen werden durch Rasterung eines fein fokussierten Primärionenstrahls über die Probenoberfläche und positionsabhänge Signalverarbeitung erhalten. Elementverteilungen können dreidimensional im Mikrometermaßstab mit höchster Nachweisempfindlichkeit analysiert werden (bspw. Bor in Silizium ab E13 at/cm³). SIMS ist ein universelles Messverfahren mit dem prinzipiell alle Elemente des Periodensystems inklusive deren Isotope qualitativ detektiert werden können. Zur quantitativen Auswertung werden Vergleichsstandards verwendet. Die Nachweisgrenzen reichen bis in den Bereich < 1 ppb (1 auf 1.000.000.000, für Silizium bedeutet das eine Konzentration von < 5E+13 at/cm³) bei Probenvolumen im Bereich 10 µm³. SIMS ist somit insbesondere für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben in vielen Bereichen ein unerreichtes Analysetool! Typische Aufgabenstellungen für SIMS liegen bspw. in der
- Halbleiterforschung und –fertigung
und umfassen u.a. die Bestimmung von:- Elementverteilungen ein-, zwei- und dreidimensional
- Dotierprofilen, Eindringtiefen und Konzentrationen von Dotierungen
- Oberflächenverunreinigungen
- Schichtfolgen, auch in nichtleitenden Proben
- Diffusionslängen und -konstanten von Dotierungselementen für Simulationsaufgaben,
- Segregation innerhalb von Metallisierungsschichten,
- Zusammensetzung und Schichtdicken von Isolatorschichtfolgen
- Barriereschichten und deren Wirkung
- sowie Untersuchungen in Bezug auf:
- Haftung von Bondungen (z.B. Silizium-Silizium-Waferbondung, hydrophil/hydrophob)
- Haftung von Klebungen, galvanischen Schichtabscheidungen und Lötungen
- Fremdmusteranalyse
- Photovoltaik
- Fehleranalytik
- Prozessüberwachung
- Optik und Gläser
- Oberflächenvergütungen (z.B. Linsen)
- Reflexions- und Antireflexionsschichten
- Filterschichten (Bandpassfilter, UV-VIS-IR-Filter)
- Alterung von Oberflächen, Diffusion von Netzwerkwandlern und Auslaugungsprozesse in Gläsern
Darüber hinaus finden sich zahlreiche Spezialanwendungen der SIMS auf den Gebieten der Metallurgie, Metallverarbeitung (Korrosion, Oberflächenvergütung, Dekorations- und Schutzschichten, Haftvermittler, …), Geologie (Massenspektren, Herkunftsnachweis, extraterrestrisches Material, …) und der Life Science (Oberflächenvergütung, Restschichten, Zahnfluoridierung, …) oder Umweltschutz (z.B. Uran und deren Zerfallsprodukte)
Aufgenommene Tiefenprofile von Bor in Silizium über einen bestimmten Tiefenbereich
Schichtanalyse für ein optisches Bauelement: Überprüft wurden die Dicke sowie Abfolge und Anzahl von aufeinanderfolgenden SiO2/SiNx-Schichten. Obwohl es sich dabei um elektrisch isolierendes Material handelt, konnte der Schichtaufbau bis in eine Tiefe von 10 µm analysiert werden
Konzentrationsbestimmung von implantiertem N der Masse 14 in Diamant: Da sich Stickstoff nicht als reines N-Ion nachweisen lässt, müssen N-C-Cluster-Ionen analysiert werden. Jedoch interferieren hier verschiedene Isotope aufgrund gleicher nomineller Masse. So interferiert auf Masse 26 14N12C- (26.0031 amu) mit 13C2– (26.0067 amu), 13C12C1H- (26.0112 amu) und 12C21H2– (26.0140 amu). Um Stickstoff sinnvoll quantifizieren zu können, wird Massenhochauflösung eingesetzt, um die einzelnen Ionen nahezu gleicher Masse sauber trennen und quantifizieren zu können.
