第25卷,第2期
2008年3月光 谱 实 验 室ChineseJournalofSpectroscopyLaboratoryVol.25,No.2March,2008二次离子质谱分析技术及应用研究
尹会听① 王洁
(浙江海洋学院物理实验中心 浙江省舟山市定海区海院路18号 316000)
摘 要 二次离子质谱(SIMS)是离子质谱学的一个分支,。该方法能检测出微小区域内的微量成分,绝对检出限10-
应用进行了综述。
关键词 二次离子质谱(IS26f中图分类号:O.A 文章编号:100428138(2008)[1**********]3—10-19g、各种元素在微区范围内同位素丰度比的测量。结合If,本文对SIMS仪器和技术
1 引言
二次离子质谱(Secondaryionmassspectroscopy简称SIMS)是用质谱法分析由几千电子伏能量的一次离子打到样品靶上溅射产生的正、负二次离子。其主要优点:可以分析包括氢、氦在内的全部元素及其同位素;实现了微区面成分分析和深度剖析,两者结合即可完成三维微区分析;具有很高的检测灵敏度。同时,该方法也具有局限性:识谱困难;基体效应常造成定量分析的困难。二次离子质谱学正是在发扬其优点,减小或克服其局限性中不断得到发展,成为独具特色的分析手段[1]。
为满足应用领域的要求,商用SI美国PhysicalMS仪器更新换代迅速。德国Stomika公司、
Electronics主要生产四极SIMS;法国Cameca公司采用双聚焦质量分离技术,质量分辨率远高于四极SIMS,同时应用独特的离子光学系统兼备两种工作模式,即离子显微镜模式和离子探针模式。
国内现有的SIMS仪器,基本上是法国Cameca公司生产的IMS系列产品:天津46所(IMS24f)、无锡华晶(I天津摩托罗拉(I复旦大学国家微分析中心(I中国原子能院MS23f)、MS26f)、MS26f)、
(IMS26f)等。
2 IMS26f型二次离子质谱仪
SIMS是一种用于分析固体材料表面组分和杂质的分析手段。所使用的仪器除了具有高真空系统,电气控制系统等外,主要有三大部分组成:离子源、质量分离器和离子信号检测系统如图1[2]。
IMS26f型二次离子质谱仪对样品的分析过程大致如下:聚焦的一次离子束轰击样品表面,溅射产生二次离子经过双聚焦质量分离器,按照荷质比的不同被分离开来。检测器(电子倍增器EM、法拉第杯FC、CCD或RAE)接收所需的离子,完成各种分析。
双聚焦质量分离器是IMS26f的一个特色,极大地提高了质量分辨率(M ∃M),最高可达5000。①联系人,手机:(0)[1**********];E2mail:[email protected]
作者简介:尹会听(1980—),男,安徽省阜阳市人,助教,主要从事高校大学物理和普通物理实验教学工作。
收稿日期:2007211214;接受日期:2007212202
第2期尹会听等:二次离子质谱分析技术及应用研究181
图1 二次离子质谱仪的工作原理
同一仪器具有两种工作模式,。实现微小区域内微量成分的检测,绝对检出限10-
2.1 一次离子束13-g,1Λm。
在SIMS。目前商用一次离子源主要分三种:、金属表面直接加热电离离子源、液态金属场致发射离子源。其中DUO、、寿命长而应用最为广泛。
++-+一次IMS26f:DUO提供O2,Ar或O;铯离子源提供Cs。
离子束最大束流可达几个微安。
+依据二次离子的产额,一般来说,分析正电性元素时用O+2,而分析负电性元素时则用Cs作一
次离子源;在分析容易发生电荷积累的样品时使用O-;在相同强度下,由于Ar+轰击样品时二次正
+离子产额通常比O+。2束轰击时低4个数量级,因此分析中很少采用Ar作为一次离子束2.2 双聚焦质量分离的原理
双聚焦质量分离器是将静电分析器和
磁分析器串接起来(如图2)。利用静电分析
器能量色散作用,将离子按照能量展开;磁
分析器动量色散作用将其抵消,从而实现
能量聚焦。再加上磁分析器的质量色散作
用,以及静电分析器和磁分析器的方向聚
焦性质,最后得到具有方向和能量聚焦的
质谱。
2.3 真空系统图2 双聚焦质量分离的原理v+∃v——速率为v+∃v离子束;
M+∃M——质量为M+∃M离子束。
二次离子质谱仪正常运转进行分析工
作时,为了避免离子散射及降低空气杂质测量本底,必须使分析部分形成和维持相当高的真空度。
离子泵(IP)获得高真IMS26f型二次离子质谱仪采用美国瓦里安公司V250、V70涡轮分子泵(TP)、
空,采用机械真空泵作为其前级真空泵。利用冷耦规(CC)、电离真空规(UHV)测量高真空度,利用热电耦规(TC)测量低真空度。涡轮分子泵是以高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的,真空度可达到10-8Pa[3]。该泵对异物进入非常敏感,通常在其入口处设置过滤网。离子泵是选用对活性气体具有较高吸附能力的钛板材料,电离的气体分子轰击钛板,来维持泵的抽气能力,真空度可以达到10-9Pa。
182光谱实验室第25卷
2.4 循环水系统
循环水系统由水冷却设备、循环泵和换热设备组成。循环泵从冷却装备贮水池中将水送入换热设备。在换热设备中,水从被冷却的装置得到热量而变热,然后进入冷却设备,水被冷却,重又送往换热设备。IMS26f型二次离子质谱仪冷却循环水系统换热设备线路如图3所示。运行过程中我们选用去离子水冷却,水温调整到15—18℃,温度变化量小于1℃ min
。
图3 IMS26f型二次离子质谱仪冷却循环水系统换热设备
PBMF——一次束磁场(初级束磁场);SM——二次离子束磁场;F泵——冷却DUO;TP——涡轮分子泵。
3 IMS26f型二次离子质谱应用
通过对二次离子的分析,SI同位素分析和深度剖析等。具有导MS可以完成样品的质谱分析、
[5]电性能的固体样品,只要样品与样品支架之间保持电接触,即可进行SIMS分析。分析时,要求样
品表面有比较好的平整度,以保证样品表面垂直于二次离子光轴。不平整的样品最好经过研磨和抛光处理。对于组分和杂质均匀分布的体材料,可以先采用一次离子束轰击一段时间,进行预备溅射,获得清洁表面后再进行分析[6]。
3.1 质谱分析与深度分析
质谱分析是由一次离子束轰击样品,样品表面溅射出的二次离子按照荷质比的不同被分离开来,得到二次离子强度(Y轴)荷质比(X轴)的质谱图[7]。IMS26f质量分辩率很高(MR=5000),P与30SiH被很好分辨出来。
二次离子质谱仪具有深度剖析的能力,在微电子领域里是一种很有用的分析仪器[8,9]。一次离子束扫描样品,逐层剥离表面的原子层,提取溅射出的二次离子信号,即可形成二次离子强度(Y轴)样品深度(溅射时间X轴)的样品深度剖析图。
第2期尹会听等:二次离子质谱分析技术及应用研究183
3.2 同位素分析
随着能源需求的加大,核能成为当今社会发展的重要能源之一。核燃料235U是否对周围环境带来放射性污染的检测,成为同位素分析的重要课题[10—12]。IMS26f型二次离子质谱仪可以实现直径仅为1Λm左右微粒样品的同位素分析。
SIMS进行微粒样品同位素分析时,一次离子束光路系统的调节尤为重要。在保证二次离子产额足够大的情况下,一次离子束在样品表面形成尽可能小的束斑,即提高一次离子束能量的同时减
235小其束流[13]。如图4所示,利用IMS26f型二次离子质谱仪对两颗铀微粒进行同位素分析,获得U
+的不同丰度比。实验中,选用O+2作为一次离子束,测量正二次离子;O2束的加速电压15kV,束流强
度为3—5nA。
4 结束语
二次离子质谱法作为一种独特的分析方法,我国虽然在二次离子质谱学的研究和应用方面取得了一定进步,,存在着明显的差距。[14]。微粒样品的同位素分析由,因此国内仅中国原子能科学研究院进
[15]行SIMS
。
图4 两颗铀同位素微粒样品235U的不同丰度比
参考文献
[1]查良镇,桂东,朱怡峥.二次离子质谱学的新发展[J].真空科学与技术,2001,21(2):129—165.
[2]王铮,曹永明等.二次离子质谱分析[J].上海计量测试,2003,30(3):42—46.
[3]杨乃恒.真空获得设备[M].北京:冶金工业出版社,1987.
[4]J.H.库切连科,B.A.格拉德科夫.循环供水—水的冷却系统[M].北京:化学工业出版社,1986.
[5]赵墨田,曹永明,陈刚等.无机质谱概论[M].北京:化学工业出版社,2006.
[6]周强,李金英,梁汉东等.二次离子质谱(SIMS)分析技术及应用进展[J].质谱学报,2004,25(2):113—118.
[7]王铮,曹永明,方培源等.重掺砷硅单晶中痕量硼的二次离子质谱定量分析[J].复旦学报,2003,42(6):1049—1052.
[8]游俊富,王虎,赵海山等.几种新型号二次离子质谱仪采用的新技术[J].仪器评介,2005,(1):38—41.
[9]实言.两种先进的材料分析仪[J].航空维修与工程,2006,(5):46—47.
[10]刘永富.使用MN1305型质谱计若干真空技术问题[M].北京:中国科学院原子能研究所,1988.
[11]BennighovenA.SecondaryIonMassSpectrometry[M].NewYork:JohnWiley&Sons,1987.
[12]G.WilsonR.SecondaryIonMassSpectrometry[M].NewYork:JohnWiley&Sons,1989.
184光谱实验室第25卷
[13]CaoYM,FangPY.TheAbnormalPhenomenaofTraceBinHeavingAsDopedSiCrystalusingSIMSAnalysis[J].2005
WorldSIMSSymposium.,2005,(1):76—79.
[14]钱临照.实验物理丛书—二次离子质谱[M].北京:科学出版社,1987.
[15]李安利,赵永刚,李静等.核保障的微粒分析与二次离子质谱仪[J].质谱学报,2006,27(3):173—177.
SIMSAnalysisTechnologyandtheAppliedResearch
YINHui2Ting WANGJie
(ZheJiangOceanUniversityZheJiang,ZhouShan316000,P.R.China)
Abstract Secondaryionmassspectrometry(SIMS)isaboftheionmass
.Telementsinthespectrometryandafavorablesurfaceanalysistool
-13-tinyregion,whichabsolutedetectionlimitis10anddetectionlimitis
ppm—ppb.Itcandetermineimpuritiesointhetinyarea.BasedonIMS26fsecondaryionmass,Iipmentandtechnologyapplicationswerereviewed.
.KeyonMassSpectroscopy,IMS26fModel欢迎订阅《邮票上的杰出科学家》等论著
11《邮票上的光谱学和化学史》,周开亿等编,《科学出版社》1991年出版,16开,158页,附有67个国家和地区的彩色邮票(复印件,下同)176枚,每册10元。
2.《邮票上的化学、光学和光谱学史》,周开亿主编,《光谱实验室》2006年第1期彩色抽印本(收藏本),16开,64页,附有77个国家和地区的彩色邮票314枚,每册30元。买3送1。
3.《邮票上的科学家——佼佼者之路》,周开亿主编,《光谱实验室》2007年第1期彩色抽印本(珍藏本),16开,196页,附有91个国家和地区的彩色邮票533枚,每册70元。买3送1。
4.《邮票上的杰出科学家》,周开亿主编,《光谱实验室》2008年第1期彩色抽印本(珍藏本),16开,240页,附有104个国家和地区的彩色邮票515枚,每册90元。买5送1。
以上各书售价中均含普通印刷品邮费。
联系地址:北京市81信箱66分箱《光谱实验室》编辑部联络处刘建林,邮编:100095。
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本部尚有一些过期(2004,2005,2006及以前)的期刊,凡同行中有需要者均可免费赠送,但邮费自付,每6
本(不同期)为1个单元,约重～2.5kg,收邮费(可用邮票支付)15元,含挂号费。
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《光谱实验室》编辑部
第25卷,第2期
2008年3月光 谱 实 验 室ChineseJournalofSpectroscopyLaboratoryVol.25,No.2March,2008二次离子质谱分析技术及应用研究
尹会听① 王洁
(浙江海洋学院物理实验中心 浙江省舟山市定海区海院路18号 316000)
摘 要 二次离子质谱(SIMS)是离子质谱学的一个分支,。该方法能检测出微小区域内的微量成分,绝对检出限10-
应用进行了综述。
关键词 二次离子质谱(IS26f中图分类号:O.A 文章编号:100428138(2008)[1**********]3—10-19g、各种元素在微区范围内同位素丰度比的测量。结合If,本文对SIMS仪器和技术
1 引言
二次离子质谱(Secondaryionmassspectroscopy简称SIMS)是用质谱法分析由几千电子伏能量的一次离子打到样品靶上溅射产生的正、负二次离子。其主要优点:可以分析包括氢、氦在内的全部元素及其同位素;实现了微区面成分分析和深度剖析,两者结合即可完成三维微区分析;具有很高的检测灵敏度。同时,该方法也具有局限性:识谱困难;基体效应常造成定量分析的困难。二次离子质谱学正是在发扬其优点,减小或克服其局限性中不断得到发展,成为独具特色的分析手段[1]。
为满足应用领域的要求,商用SI美国PhysicalMS仪器更新换代迅速。德国Stomika公司、
Electronics主要生产四极SIMS;法国Cameca公司采用双聚焦质量分离技术,质量分辨率远高于四极SIMS,同时应用独特的离子光学系统兼备两种工作模式,即离子显微镜模式和离子探针模式。
国内现有的SIMS仪器,基本上是法国Cameca公司生产的IMS系列产品:天津46所(IMS24f)、无锡华晶(I天津摩托罗拉(I复旦大学国家微分析中心(I中国原子能院MS23f)、MS26f)、MS26f)、
(IMS26f)等。
2 IMS26f型二次离子质谱仪
SIMS是一种用于分析固体材料表面组分和杂质的分析手段。所使用的仪器除了具有高真空系统,电气控制系统等外,主要有三大部分组成:离子源、质量分离器和离子信号检测系统如图1[2]。
IMS26f型二次离子质谱仪对样品的分析过程大致如下:聚焦的一次离子束轰击样品表面,溅射产生二次离子经过双聚焦质量分离器,按照荷质比的不同被分离开来。检测器(电子倍增器EM、法拉第杯FC、CCD或RAE)接收所需的离子,完成各种分析。
双聚焦质量分离器是IMS26f的一个特色,极大地提高了质量分辨率(M ∃M),最高可达5000。①联系人,手机:(0)[1**********];E2mail:[email protected]
作者简介:尹会听(1980—),男,安徽省阜阳市人,助教,主要从事高校大学物理和普通物理实验教学工作。
收稿日期:2007211214;接受日期:2007212202
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图1 二次离子质谱仪的工作原理
同一仪器具有两种工作模式,。实现微小区域内微量成分的检测,绝对检出限10-
2.1 一次离子束13-g,1Λm。
在SIMS。目前商用一次离子源主要分三种:、金属表面直接加热电离离子源、液态金属场致发射离子源。其中DUO、、寿命长而应用最为广泛。
++-+一次IMS26f:DUO提供O2,Ar或O;铯离子源提供Cs。
离子束最大束流可达几个微安。
+依据二次离子的产额,一般来说,分析正电性元素时用O+2,而分析负电性元素时则用Cs作一
次离子源;在分析容易发生电荷积累的样品时使用O-;在相同强度下,由于Ar+轰击样品时二次正
+离子产额通常比O+。2束轰击时低4个数量级,因此分析中很少采用Ar作为一次离子束2.2 双聚焦质量分离的原理
双聚焦质量分离器是将静电分析器和
磁分析器串接起来(如图2)。利用静电分析
器能量色散作用,将离子按照能量展开;磁
分析器动量色散作用将其抵消,从而实现
能量聚焦。再加上磁分析器的质量色散作
用,以及静电分析器和磁分析器的方向聚
焦性质,最后得到具有方向和能量聚焦的
质谱。
2.3 真空系统图2 双聚焦质量分离的原理v+∃v——速率为v+∃v离子束;
M+∃M——质量为M+∃M离子束。
二次离子质谱仪正常运转进行分析工
作时,为了避免离子散射及降低空气杂质测量本底,必须使分析部分形成和维持相当高的真空度。
离子泵(IP)获得高真IMS26f型二次离子质谱仪采用美国瓦里安公司V250、V70涡轮分子泵(TP)、
空,采用机械真空泵作为其前级真空泵。利用冷耦规(CC)、电离真空规(UHV)测量高真空度,利用热电耦规(TC)测量低真空度。涡轮分子泵是以高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的,真空度可达到10-8Pa[3]。该泵对异物进入非常敏感,通常在其入口处设置过滤网。离子泵是选用对活性气体具有较高吸附能力的钛板材料,电离的气体分子轰击钛板,来维持泵的抽气能力,真空度可以达到10-9Pa。
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2.4 循环水系统
循环水系统由水冷却设备、循环泵和换热设备组成。循环泵从冷却装备贮水池中将水送入换热设备。在换热设备中,水从被冷却的装置得到热量而变热,然后进入冷却设备,水被冷却,重又送往换热设备。IMS26f型二次离子质谱仪冷却循环水系统换热设备线路如图3所示。运行过程中我们选用去离子水冷却,水温调整到15—18℃,温度变化量小于1℃ min
。
图3 IMS26f型二次离子质谱仪冷却循环水系统换热设备
PBMF——一次束磁场(初级束磁场);SM——二次离子束磁场;F泵——冷却DUO;TP——涡轮分子泵。
3 IMS26f型二次离子质谱应用
通过对二次离子的分析,SI同位素分析和深度剖析等。具有导MS可以完成样品的质谱分析、
[5]电性能的固体样品,只要样品与样品支架之间保持电接触,即可进行SIMS分析。分析时,要求样
品表面有比较好的平整度,以保证样品表面垂直于二次离子光轴。不平整的样品最好经过研磨和抛光处理。对于组分和杂质均匀分布的体材料,可以先采用一次离子束轰击一段时间,进行预备溅射,获得清洁表面后再进行分析[6]。
3.1 质谱分析与深度分析
质谱分析是由一次离子束轰击样品,样品表面溅射出的二次离子按照荷质比的不同被分离开来,得到二次离子强度(Y轴)荷质比(X轴)的质谱图[7]。IMS26f质量分辩率很高(MR=5000),P与30SiH被很好分辨出来。
二次离子质谱仪具有深度剖析的能力,在微电子领域里是一种很有用的分析仪器[8,9]。一次离子束扫描样品,逐层剥离表面的原子层,提取溅射出的二次离子信号,即可形成二次离子强度(Y轴)样品深度(溅射时间X轴)的样品深度剖析图。
第2期尹会听等:二次离子质谱分析技术及应用研究183
3.2 同位素分析
随着能源需求的加大,核能成为当今社会发展的重要能源之一。核燃料235U是否对周围环境带来放射性污染的检测,成为同位素分析的重要课题[10—12]。IMS26f型二次离子质谱仪可以实现直径仅为1Λm左右微粒样品的同位素分析。
SIMS进行微粒样品同位素分析时,一次离子束光路系统的调节尤为重要。在保证二次离子产额足够大的情况下,一次离子束在样品表面形成尽可能小的束斑,即提高一次离子束能量的同时减
235小其束流[13]。如图4所示,利用IMS26f型二次离子质谱仪对两颗铀微粒进行同位素分析,获得U
+的不同丰度比。实验中,选用O+2作为一次离子束,测量正二次离子;O2束的加速电压15kV,束流强
度为3—5nA。
4 结束语
二次离子质谱法作为一种独特的分析方法,我国虽然在二次离子质谱学的研究和应用方面取得了一定进步,,存在着明显的差距。[14]。微粒样品的同位素分析由,因此国内仅中国原子能科学研究院进
[15]行SIMS
。
图4 两颗铀同位素微粒样品235U的不同丰度比
参考文献
[1]查良镇,桂东,朱怡峥.二次离子质谱学的新发展[J].真空科学与技术,2001,21(2):129—165.
[2]王铮,曹永明等.二次离子质谱分析[J].上海计量测试,2003,30(3):42—46.
[3]杨乃恒.真空获得设备[M].北京:冶金工业出版社,1987.
[4]J.H.库切连科,B.A.格拉德科夫.循环供水—水的冷却系统[M].北京:化学工业出版社,1986.
[5]赵墨田,曹永明,陈刚等.无机质谱概论[M].北京:化学工业出版社,2006.
[6]周强,李金英,梁汉东等.二次离子质谱(SIMS)分析技术及应用进展[J].质谱学报,2004,25(2):113—118.
[7]王铮,曹永明,方培源等.重掺砷硅单晶中痕量硼的二次离子质谱定量分析[J].复旦学报,2003,42(6):1049—1052.
[8]游俊富,王虎,赵海山等.几种新型号二次离子质谱仪采用的新技术[J].仪器评介,2005,(1):38—41.
[9]实言.两种先进的材料分析仪[J].航空维修与工程,2006,(5):46—47.
[10]刘永富.使用MN1305型质谱计若干真空技术问题[M].北京:中国科学院原子能研究所,1988.
[11]BennighovenA.SecondaryIonMassSpectrometry[M].NewYork:JohnWiley&Sons,1987.
[12]G.WilsonR.SecondaryIonMassSpectrometry[M].NewYork:JohnWiley&Sons,1989.
184光谱实验室第25卷
[13]CaoYM,FangPY.TheAbnormalPhenomenaofTraceBinHeavingAsDopedSiCrystalusingSIMSAnalysis[J].2005
WorldSIMSSymposium.,2005,(1):76—79.
[14]钱临照.实验物理丛书—二次离子质谱[M].北京:科学出版社,1987.
[15]李安利,赵永刚,李静等.核保障的微粒分析与二次离子质谱仪[J].质谱学报,2006,27(3):173—177.
SIMSAnalysisTechnologyandtheAppliedResearch
YINHui2Ting WANGJie
(ZheJiangOceanUniversityZheJiang,ZhouShan316000,P.R.China)
Abstract Secondaryionmassspectrometry(SIMS)isaboftheionmass
.Telementsinthespectrometryandafavorablesurfaceanalysistool
-13-tinyregion,whichabsolutedetectionlimitis10anddetectionlimitis
ppm—ppb.Itcandetermineimpuritiesointhetinyarea.BasedonIMS26fsecondaryionmass,Iipmentandtechnologyapplicationswerereviewed.
.KeyonMassSpectroscopy,IMS26fModel欢迎订阅《邮票上的杰出科学家》等论著
11《邮票上的光谱学和化学史》,周开亿等编,《科学出版社》1991年出版,16开,158页,附有67个国家和地区的彩色邮票(复印件,下同)176枚,每册10元。
2.《邮票上的化学、光学和光谱学史》,周开亿主编,《光谱实验室》2006年第1期彩色抽印本(收藏本),16开,64页,附有77个国家和地区的彩色邮票314枚,每册30元。买3送1。
3.《邮票上的科学家——佼佼者之路》,周开亿主编,《光谱实验室》2007年第1期彩色抽印本(珍藏本),16开,196页,附有91个国家和地区的彩色邮票533枚,每册70元。买3送1。
4.《邮票上的杰出科学家》,周开亿主编,《光谱实验室》2008年第1期彩色抽印本(珍藏本),16开,240页,附有104个国家和地区的彩色邮票515枚,每册90元。买5送1。
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