Hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů

Podoba dnešního zařízení SIMS

Secondary ion mass spectrometry (SIMS) je technika sloužící k analýze složení povrchů pevných látek a tenkých vrstev pomocí vyprašování povrchu bombardujícím ionty a shromažďování (analyzování) vyražených sekundárních iontů. Sekundární ionty emitované z povrchu materiálu pomocí "vyprašovacího" procesu se používající se k analýze chemického složení materiálu, představují jen malý zlomek částic emitovaných ze vzorku. Tyto sekundární ionty se měří hmotnostním spektrometrem určující prvkové, isotopic, nebo molekulární složení povrchu. SIMS is the most sensitive surface analysis technique, being able to detect elements present in the parts per billion range. SIMS je jedna z nejcitlivějších analýz povrchů, která je schopna detekovat prvky, i když jsou přítomny řádově jen v nanometrových oblastech.

Historie a vývoj metody

V roce 1910 britský fyzik J.J. Thomson pozoroval emisi pozitivních iontů a neutrálních atomů z povrchu pevných látek vyvolanou bombardováním ionty. Vylepšená technologie vakuových pump ve čtyřicátých letech devatenáctého století umožnila vyrobit první experimantální prototyp SIMS. Konstruktéry byly Herzog a Viehböck v roce 1949 na univerzitě ve Vídni, Rakousko. V šedesátých byly vyvinuty dvě SIMS aparatury nezávisle na sobě. Jedna z nich byla americký projekt pod vedením Liebel a Herzog, který byl sponzorován NASA, pro analýzu měsíc skalách. Druhý francouzsky projekt byl zahájen na univerzitě v Orsay R. Castaingem jako doktorandská práce G. Slodzianiho. Obě varianty přístroje byly později vyráběny, americký firmou GCA Corporation a francouzský firmou Cameca. Cameca se nachází v Paříži a je stále zapojena do výroby SIMS nástrojů ([www.cameca.fr]). Tyto první přístroje byly založeny na hmotnostním spektrometru využívající magnetické pole a jako primární paprsek iontů byl použit Argon. V sedmdesátých letech K. Wittmack and C. Magee vyvinuli novou verzi SIMS vybavenou kvadrupólovými hmotnostními analyzátory. Přibližně ve stejnou dobu A. Benninghoven uvedl metodu statické SIMS, kde je hustota primárních iontů tak malá, že jen nepatrný zlomek (obvykle 1%) povrchu svrchní vrstvy je nezbytný pro úspěšnou povrchovou analýzu. Přístroje tohoto typu používají pulsně buzené primární zdroje iontů a 'time-of-flight' hmotnostní spektrometry. Poslední vývoj se zaměřuje na nové primární zdroje iontů jako je C 60 nebo shluk iontů zlata a bismutu.

Schéma přístroje a popis funkce

Typické schéma SIMS aparatury. Ionty s vysokou energií jsou jsou urychlovány iontový dělem (1 or 2) a zaměřovány na zkoumaný vzorek látky (3), který se ionizuje. Tím jsou odprášeny atomy nebo ionty z povrchu látky. Tyto sekundární ionty jsou sbírány na "iontových čočkách" (5) a dále filtrovány podle atomové hmotnosti (6), následně jsou vedeny na elektronovou násobičku (7) nebo na CCD obrazovku (8).

Klasické SIMS zařízení se skládá z 1) iontového děla vytvářející primární paprser iontů 2) iontouvé "sloupcové" dělo, zrychlující a směřující paprsk iontů na vzorek 3) komora o vysokém vakuu obsahující vzorek a sekundární čočky pro extraqkci iontů 4) hmotnostní analyzátor separující jednotlivé ionty podle jejich poměru hmotnosti k náboji 5) ionty detekující jednotka.

Požadavky na vakuum

SIMS vyžaduje vysoké vakuum s tlakem pod 10^-4 Pascalů (zhruba 10 ^-6 mbarů nebo Torrů). Toto je třeba zajistit, aby sekundární proud iontů nekolidoval (nereagoval) s plyny na pozadí (vzuchem) na jeho cestě k detektoru (tento požadavek tedy znamená volnou cestu) a také zabraňuje kontaminaci povrchu vzorku adsorpcí částic plynu v průběhu měření.

Zdroje primárních iontů

Existují tři základní typy iontových děl. V prvním z nich, ionty z plynných prvků jsou obvykle generovány plasmou (Duoplasmatrons) nebo elektronovou ionizací například vzácných plynů (Ar⁺, Xe⁺), kyslíku (O^-, O₂⁺). This type is easy to operate and generates roughly focused but high current ion beams. Tento typ paprsku je snadno ovladatelný a vytváří sice ne moc přesný, ale zato svazek iontů o vysoké energii. Druhým zdrojem ionizačního zdroje je jednoduše používaný k výrobě Cs⁺ primárních iontů. Atomy cesia se vypařují přes porézní wolframovou ucpávku a ionizují se během odpařování. Je použitelný jak pro jemné zaměření či v režimu vysokého proudu (závislosti na designu děla). Třetí, kapalné kovové iontové zdroje (liquid metal ion source (LMIG)), pracují s kovy nebo kovovými slitinami, které jsou kapalné při pokojové teplotě nebo lehce výší. Kapaliny kovů zahrnují wolframové hroty a emise iontů pod vlivem intenzivního elektrického pole. Zatímco zdroj z gallia je schopen pracovat s jednotlivými atomy gallia, nedávno vyvinuté zdroje pro zlato, indium a bismut umožňují použití slitiny, které sníží body tání dané látky. LMIG poskytuje pevně zaměřitelné ionty nosníkového paprsku (<50nm) s mírnou intenzitu a je navíc schopné generovat krátké impulsní svazky iontů. Je proto běžně používány ve statických SIMS zařízeních.

Volba druhů iontových zdrojů a iontového děla závisí na požadovaném proudu (pulsní nebo souvislý), na požadovaných rozměrech primárního iontového paprsku a na vzorku, který má být analyzován. Kyslík primárních iontů je často používán k vyšetření na elektropozitivní prvky kvůli zvýšení pravděpodobnosti vytváření pozitivních sekundárních iontů, zatímco celsium primárních iontů je často využíváno při testech elektronegativních prvků. Pro krátké impulsní svazky iontů ve statickém SIMS je pouze LMIG použitelné, ale často je v kombinaci s kyslíkovým nebo celsiovým dělem.