Die Probenoberfläche wird mit energiereichen
Ionen (geladene Atome mit einigen keV Energie) beschossen.
Der Beschuß (im Fachjargon „Sputtering“
genannt) löst über eine relativ verwickelte Folge
von Prozessen u.a. die Emission von Atomen und Molekülen
von der Probenoberfläche aus. Mißt man Art und
Anzahl der emittierten Teilchen, so gewinnt man damit (zumindest
implizit) Informationen über die qualitative und quantitative
Zusammensetzung der Probenoberfläche.
Ein (meist kleiner) Teil der emittierten
Teilchen ist elektrisch (positiv oder negativ) geladen und
dadurch (im Gegensatz zu den überwiegend neutral emittierten
Teilchen) dem meßtechnischen Nachweis leicht zugänglich.
Diese sog. Sekundär-Ionen kann man in einem Massenspektrometer
nach ihren Massen separieren und dann elektronisch zählen.
Die Auftragung der gemessenen Teilchenintensitäten über
der Massenskala ergibt die sog. Spektren der positiven und
negativen Sekundärionen, deren Auswertung Hinweise auf
• Qualitativ: Art der
Elemente (wobei grundsätzlich alle Elemente nachweisbar
sind)
• Quantitativ: Konzentration
der metallischen Elementanteile
• Partner in chemischen
Verbindungen bei Mischkristallen
• Atomare Nachbarschaftsverhältnisse
liefern.
Die Nachweisempfindlichkeit für die
einzelnen Atom- und Molekül- Ionen variiert über
mehrere Größenordnungen. Generell ist sie für
Ionen mit kleiner Massenzahl sehr hoch (ppm-Bereich) und nimmt
mit wachsender Masse ab (bis %-Bereich). Ferner gibt es einen
dem chemischen Verhalten parallelen Trend: Je chemisch aggressiver
die Elemente, desto höher ist ihre SIMS- Nachweisempfindlichkeit:
So weisen die Alkali-Ionen im positiven und die Halogen-Ionen
im negativen Spektrum bei weitem die (relativ) höchsten
Linien auf.
Dies macht SIMS zu einem empfindlichen Instrument für
die
• Spurensuche nach
korrosiven Verunreinigungen (bis in ppb-Bereich möglich)
Alles in allem kann SIMS als das qualitativ informationsreichste
Verfahren angesehen werden. Da die emittierten Ionen fast
ausschließlich aus der obersten Monolage
der Probe stammen, beträgt die
• Informationstiefe etwa
0,5 Nanometer. Damit erreicht SIMS die höchste Tiefenauflösung.
Durch länger andauernden Ionen-Beschuß, also andauernde
Schichtabtragung der Probe werden nach und nach tiefere Schichten
der Probe freigelegt und damit
• durch Sputtering ganze Schichtsysteme bis
etwa 1 Mikrometer Dicke der SIMS- Analyse zugänglich.
Die örtliche Auflösung hängt
im wesentlichen vom Durchmesser des Primärionenstrahles
ab und ist daher ein Geräte-spezifischer Parameter. Üblich
sind Ionenquellen mit Strahldurchmessern von 100 Mirkometer;
nur hochauflösende Geräte erreichen 1 Mikrometer.
SIMS eignet sich für Analysen an Oberflächen,
sehr dünnen Schichten, Systemen aus dünnen Schichten,
wenn die Anforderungen an die räumliche Auflösung
nicht zu hoch sind. In vielen Fällen ist SIMS eine hilfreiche
Ergänzung zu AES.
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