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二次離子質(zhì)譜技術(shù)在半導(dǎo)體材料中的檢測(cè)原理及案例應(yīng)用

二次離子質(zhì)譜是表面分析中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。Sims可以獲得材料表面單原子層的元素信息，具有很高的元素檢出限（高達(dá)ppm甚至ppb）。在高真空條件下，具有一定能量幾百至幾萬(wàn)EV的初級(jí)離子束轟擊待分析材料表面，導(dǎo)致材料表面原子、原子團(tuán)簇或分子的二次發(fā)射，即離子濺射。然后，用質(zhì)譜儀檢測(cè)濺射的帶正負(fù)電荷的二次離子的質(zhì)量電荷比，從而獲得樣品表面的元素組成。

從理論上講，Sims還可以檢測(cè)包括氫及其同位素在內(nèi)的所有元素的低濃度半定量分析。二次離子質(zhì)譜還可用于分析有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)，因?yàn)轱w濺的二次離子含有原子團(tuán)、官能團(tuán)或分子。目前，Sims技術(shù)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體微電子、化學(xué)、生物、材料、礦產(chǎn)、醫(yī)藥等領(lǐng)域，特別是在半導(dǎo)體工業(yè)中。

SIMS的主要工作模式分為靜態(tài)SSIMS和動(dòng)態(tài)DSIMS。靜態(tài)SSIMS模式為了獲得材料表面單層原子的元素信息以較低的離子束能量和束流密度連續(xù)穩(wěn)定地轟擊材料表面，在靜態(tài)模式中，TOF探測(cè)器是目前表面分析技術(shù)中分辨率和靈敏度最高的組合，它的分辨率可達(dá)104，深度分辨率達(dá)1nm，微區(qū)分辨率可達(dá)100nm2，二次離子濃度靈敏度可達(dá)ppm級(jí)。動(dòng)態(tài)DSIMS相比靜態(tài)SIMS模式它的離子束能量和密度比大得多，所以它的破壞性也更大。DSIMS模式意味著離子束濺射和質(zhì)譜同時(shí)交替進(jìn)行，在一定濺射速率和濺射時(shí)間下，對(duì)樣品不同深度的元素或基團(tuán)組成進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。

如今，SIMS因其極高的靈敏度和特殊性而主要被應(yīng)用于半導(dǎo)體材料和元件的檢測(cè)中，微源檢測(cè)的德國(guó)ION-TOF先進(jìn)TOF-SIMS儀器檢測(cè)可以提供完善的二次離子質(zhì)譜技術(shù)解決方案。下圖即為一種半導(dǎo)體膜層結(jié)構(gòu)材料的深度剖析曲線圖和三維空間成像圖。從圖中可以直觀的看到不同深度下元素的摻雜變化情況，也可以根據(jù)濺射時(shí)間和濺射速度推出不同膜層的大概厚度。

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