ToF SIMS: Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie

ToF SIMS (Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy, zu Deutsch „Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie“) bezeichnet ein kombiniertes Verfahren aus Flugzeit-Massenanalyse und SIMS. Das Verfahren bietet insbesondere in der Oberflächenanalytik hervorragende Möglichkeiten. Es ermöglicht eine umfassende dreidimensionale Analyse und bietet detaillierte Informationen über die Oberfläche, Dünnschichten und Grenzflächen der Probe auf Element- und Molekül-Ebene.

Die Methode liefert ein sehr genaues Abbild der Proben-Oberfläche und ihrer Zusammensetzung mit einer Auflösung von unter 100 nm in den ersten drei Schichten einer Probe. Auch geringe Substanzmengen können aufgrund der hohen Empfindlichkeit sicher nachgewiesen werden.

Seit über 30 Jahren bietet Ihnen SemiSol anwendungsbezogene Lösungen für Ihre Analysen und Messungen – präzise, schnell und kosteneffizient. Für unsere nationalen und internationalen Kunden führen wir fachkundig eine Vielzahl unterschiedlicher Oberflächen- und Festkörperanalysen durch. In den Bereichen Forschung und Entwicklung unterstützen wir unsere Kunden zudem bei speziellen Analysefragen. Gerne beraten wir Sie zur ToF SIMS Analyse sowie allen weiteren Analysemethoden und ermitteln für Sie das Verfahren, das für Ihre Anforderungen am besten geeignet ist.

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Einsatzgebiete der ToF SIMS Analyse

Die Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF SIMS Analyse) wird in der Oberflächenanalyse eingesetzt, um hochauflösende Informationen über die chemische Zusammensetzung der Oberfläche von Festkörpern zu gewinnen. ToF SIMS ermöglicht die Analyse von Oberflächen, Dünnschichten und Grenzflächen auf atomarer und molekularer Ebene. Dabei können verschiedene Materialklassen untersucht werden, bspw. Halbleiter, Beschichtungen, Kunststoffe, Glas, Keramiken oder Lacke. Hauptanwendungen sind:

Charakterisierung von Materialoberflächen, z. B. bei der Qualitätskontrolle in der Halbleiterindustrie.
Detaillierte Charakterisierung von Dünnschichten hinsichtlich ihrer Dicke, Zusammensetzung und Homogenität.
Identifizieren und Quantifizieren von Verunreinigungen und Kontaminationen auf Wafer-Oberflächen.
Analyse von Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien in Halbleiterstrukturen zur Untersuchung von Schichtsystemen und Schnittstellen in Mikroelektronikbauteilen sowie Erforschung von Grenzflächen in organischen und chemischen Systemen.
Untersuchung von Oberflächenmodifikationen und -reaktionen in der Materialwissenschaft und an Halbleiterbauelementen.
Prozesskontrolle und Qualitätssicherung durch Echtzeitinformationen über die Oberflächenzusammensetzung von Proben.
Genaue Kontrolle der Ionen-Implantationstiefe und -konzentration bei der Ionen-Implantation in Halbleitermaterialien. ToF SIMS ermöglicht eine genaue Charakterisierung der implantationsbedingten Änderungen in der Oberfläche.
In der Forschung und Entwicklung neuer Halbleitermaterialien und -technologien spielt ToF SIMS eine entscheidende Rolle, um grundlegende Eigenschaften und Wechselwirkungen auf atomarer und molekularer Ebene zu verstehen.

Ablauf der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie

Die Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie erfolgt in folgenden Schritten:

Primärer Ionenstrahl: Ein hochenergetischer, fokussierter Ionenstrahl, in der Regel aus Edelgasen wie Gallium oder Xenon, wird auf die Oberfläche der Probe gerichtet. Dieser Strahl besteht aus Ionen mit hoher kinetischer Energie, die die obersten Schichten der Probe erreichen, ohne sie zu zerstören.
Ionen-Proben-Wechselwirkung: Die einfallenden Ionen interagieren mit der Probenoberfläche. Dies führt zur Emission von sekundären Ionen aus der Probenoberfläche. Diese Sekundärionen sind charakteristisch für die chemische Zusammensetzung und die Elemente, die in der Probe vorhanden sind.
Massenspektrometrie: Die emittierten sekundären Ionen werden in einem Massenspektrometer analysiert. Hierbei werden ihre Massen und Ladungen präzise bestimmt, was es ermöglicht, die verschiedenen Ionenarten zu identifizieren.
Messung im Dektektor: Die analysierten Ionen werden im Time-of-Flight-Massenspektrometer nach ihrer Flugzeit sortiert. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Masse legen sie verschiedene Flugstrecken zurück und erreichen den Detektor in unterschiedlichen Zeitintervallen.
Datenerfassung und -auswertung: Die Ergebnisse werden in Form von Massenspektren und chemischen Zusammensetzungsprofilen präsentiert. Diese Daten liefern detaillierte Informationen über die chemische Zusammensetzung und die räumliche Verteilung der Elemente und Verbindungen auf der Oberfläche der Probe.

Vorteile gegenüber anderen Analyseverfahren

Die Diagnostik eines Materials bzw. mehrerer Materialschichten kann mithilfe verschiedener Methoden durchgeführt werden, darunter die Rasterelektronenmikroskopie (REM Analyse), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX Analyse) und Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie (FTIR). Jedoch bleiben sie bei bestimmten Herausforderungen oft unzureichend. REM und TEM können einige Fragen nicht vollständig klären, da die Nachweisempfindlichkeit und Oberflächensensitivität begrenzt sind. EDX ermöglicht die Identifizierung von Elementen, nicht jedoch von Verbindungen. Die ToF SIMS Analyse hingegen bietet höhere Empfindlichkeit, Oberflächensensitivität und ermöglicht die Analyse von Verbindungen, was es zu einer leistungsstarken Methode für anspruchsvolle Oberflächenanalysen macht.

Zu den Vorteilen der ToF SIMS Analyse zählen beispielsweise:

Hohe Empfindlichkeit: ToF SIMS kann Spurenelemente und Isotopenverhältnisse in der Oberfläche erkennen.
Hohe räumliche Auflösung: Es ermöglicht die Untersuchung von Bereichen im Submikrometerbereich.
Chemische Spezifität: ToF SIMS kann komplexe chemische Informationen über die Oberfläche liefern.
3D-Analyse: Es erlaubt eine vollständige dreidimensionale Analyse der Probe.
Parallele Analyse mehrerer Elemente: ToF SIMS kann gleichzeitig mehrere Elemente analysieren.
Geringe Zerstörung: Im Vergleich zu TEM oder ICP-MS verursacht ToF SIMS weniger Schäden an der Probe.
Geringe Proben-Anforderungen: Meist können Proben ohne weitere Vorbehandlung oder nur mit geringem Aufwand an die Probenvorbereitung untersucht werden, solange sie vakuumkompatibel sind.

Die Wahl der Analysemethode hängt von den spezifischen Analyseanforderungen und der Art der zu untersuchenden Probe ab.

SemiSol: Ihr Partner für sämtliche Analysefragen

Neben ToF SIMS bietet SemiSol weitere Verfahren zur Oberflächenanalyse wie bspw. die TXRF- oder ICP-MS-Analyse. Je nach Fragestellung wählen wir mit Ihnen zusammen die geeignete Methode aus und liefern Ihnen innerhalb kürzester Zeit ausführliche Ergebnisse. Auch für schwierige und komplexe Probleme finden wir eine Lösung, die aussagekräftige Ergebnisse liefert und dabei im Zeit- und Kostenrahmen bleibt. Selbstverständlich behandeln wir alle Proben und Analyseergebnisse streng vertraulich und folgen geregelten Prozessabläufen gemäß ISO 9001. Kontaktieren Sie uns für ein Beratungsgespräch – wir freuen uns darauf, Ihr Unternehmen mit unseren zielführenden Analytik-Lösungen voranzubringen.

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