Transcript Pusan National University CMP Lab.

SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy)
2008. 01. 10
Woon-Ki Shin
Pusan National University
CMP Lab.
What is SIMS (Secondary ion mass spectroscopy) ?
수 keV ~ 10keV로 가속된 이온 빔을 재료의 표면에 입사시켜 방출되는 2차 이온들
의 질량을 측정하여 재료 표면을 구성하고 있는 원자 및 분자의 종류 및 양을 분석
하는 표면 분석 장비이다. 이온 원으로는 Ar+, Ne+, He+, O-, N-2등이 사용된다.
To mass
spectrometer
Beam of Secondary Ions
to be Analyzed
Extraction Lens
Secondary Ions
Samples
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CMP Lab.
Composition
1. Cesium ion source
2. Duoplasmatron
3. Electrostatic lens
4. Sample
5. Electrostatic sector – ion energy
analyzer
6. Electromagnet – mass analyzer
7. Electron multiplier / Faraday cup
8. Ion image detector
SIMS 는 일차 이온을 생성시키는 일차 이온발생장치 (primary ion source),생성된 일차 이온을 시료까지 운반
하는 일차 칼럼(primary column), 시료로부터 이차이온이 생성되고, 가속되는 시료 장착부 (sample chamber),
생성된 이차 이온을 에너지차와 질량차 등에 의해 걸러내고 검출기(detector) 까지 운반하는 이차 칼럼
(secondary column), 그리고 선별된 이차 이온의 양을 측정하는 검출부로 구분된다.
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Primary ion source
Primary column
Duoplasmatron은 주로 산소 이온을, 표면이온화 일차이온 발생
장치는 주로 세슘(cesium)이온을 발생시키기 위해 사용된다 원
소마다 일차이온의 종류에 따라 생성되는 이차이온의 양에 커다
란 차이가 있다.
대부분의 SIMS는 두 종류의 일차이온발생장치를 모두 갖추고 분석에 적합한 일차이온을 선택할 수
있도록 하고 있다. 일반적으로 음이온의 형태로 분석하고자 할 때는 133Cs+를, 양이온의 형태로 분
석하고자 할 때는 16O-를 일차이온으로 사용하게 된다. 생성된 일차이온은 가속 전압에 의해 일차
칼럼을 통과하여 시료로 운반된다.
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Ion beam sputtering
일차이온은 약 350km/s의 고속으로 시료 표면에 충돌한다. 고속
의 일차이온이 고체 시료 표면에 충돌하게 되면 충돌 에너지가 시
료 표층부의 입자들에 전파되게 되고 일부 입자들은 bonding 을
끊고 시료에서 방출되게 된다. (중성의 원자, 분자 이온의 형태)
충돌에너지가 전파되는 깊이 : 10nm
입자가 방출되는 깊이 : 약 1nm
sputtering
시료 표면에 적절한 전압 (4.5~10kV)을 걸어주면 방출된 이차 이
온들은 질량 분석 장치를 향해 가속된다.
Ionization efficiency (이온화 효율): sputtering에 의해 특정원소가
이온화 되는 정도
Sputtering을 이용하므로, 액체나 기체 시료는 SIMS로 분석할 수
없으며, 고체 시료의 경우에도 He, Ne, Ar등 불활성 기체는
sputtering에 의해 이온화 되지 않기 때문에 분석 할 수 없다.
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Ion energy analyzer, mass analyzer
SIMS는 일반적으로 고체 시료를 화학적 처리과정 없이 바로 분석한다. 따라서, 표면에서 생성되는 이차
이온의 종류는 매우 다양하며, 이 때문에 SIMS의 검출기에 도달하는 신호 (질량 스펙트럼)는 매우 복잡하
여 분석을 어렵게 만든다. 이를 극복하기 위해 일반적인 질량분석기에 비해 분해능이 좋은 대형 편자장 장
치 (magnetic sector)를 장착한다. 또한 분자이온의 간섭을 최소화 하기 위해 질량과 에너지에 의해 이중으
로 이차 이온을 걸러내는 이중초점방식 (double focusing method)을 채택한다.
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Secondary ion detector
SIMS는 Faraday cup과 전자증폭기 (Electron multiplier), 두 종류의 검출기를 장착하고 있어 이차 이온의
강도에 따라 검출기의 종류를 선택할 수 있다. 주성분원소로부터 적게는 ppm(100만분의 1) 또는 ppb(10
억분의 1) 이하의 미량 원소까지 분석할 수 있다.
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SIMS는 1ng 이하의 시료로도 분석이 가능해 일반적으로 수 mg이상의 시료가 필요한 다른 질량 분석기에
비해 극 소량의 시료로도 분석이 가능하다.
Sputtering에 의해 이차이온을 발생시키는 분석기술은 시료표면에 도달하는 일차이온의 크기를 매우 작게
조절하여 마이크론 단위의 좁은 영역에 대한 미세 분석을 가능하게 한다.
분석하고자 하는 원소에 대한 화학적 전처리 과정이 필요 없이 연마편이나 연마 박편상의 광물을 직접 분
석 (in-situ analysis) 할 수 있다. 따라서 광학 현미경에서 얻어지는 암석학적 정보, 전자 현미분석기 등 다
른 표면 분석기기에서 얻어지는 광물화학적 정보와 SIMS 에서 얻어지는 동위원소 정보를 1:1로 비교 할
수 있다.
정량화의 어려움, 복잡한 질량 스펙트럼에 따른 질량 간섭 등이 있다. – 정량화의 어려움은 가능한 한 분석
하고자 하는 시료와 동일한 조성과 구조를 갖는 표준 시료를 사용하여, 질량 간섭 문제는 높은 질량 분해
능을 사용하거나 이중 초점 방식을 이용하여 부분적으로 해결 가능하다. 질량 분해능을 크게 하면서도 운
반 효율을 높게 유지하기 위해서는 기기를 대형화 시켜야 한다.
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Mass spectra
•
•
•
•
시료표면분석
깊이방향분석
동위원소분석
질량분석
• 표면분석 (Static SiMS) : 넓은 물질의 10~20 으로부터 얻어지는 양이온, 음이온
질량 스펙트럼으로부터 표면 분자의 성분을 분석하는 방법
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Static SIMS (surface analysis)
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Depth profiling
Trace metal contamination in SiO2
• 수직 분표 분석 (Dynamic Sims) : 이온 빔을 이용하여 표면을 깎아 내려가는 동
안 깊이 방향으로 원소의 분포도를 측정하는 분석 방법.
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Dynamic SIMS (depth analysis)
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Ion imaging
Image dimensions : from 100um to less than 10um
• 이미지 분석 (Imaging Sims) : 표면 분석중에 발생되는 이차이온을 이미지 모드
로 바꾸어 특정 영역에서의 조성 및 균일도를 분석하는 방법 불균일 촉매, 전자,
재료, 반도체, 전극, 금속, 재료, 고분자 등의 표면 조성, 산화 상태등을 분석하는
데 쓰인다.
• 불균일 촉매, 전자, 재료, 반도체, 전극, 금속, 재료, 고분자 등의
표면 조성, 산화 상태 등을 분석
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Imaging SIMS (spatial analysis)
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• 특징 및 응용
방출강도가 높고 미량 원소분석
전 종류의 원소 검출
동위원소 검출
표면 화학의 분석
이온영상 맵핑 및 라인스캐닝
시료 표면에 손상
세정 성능 평가
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Semiconductor
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Geology, mining, materials
Biology
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SIMS VS XPS
+ higher sensitivity
+ More direct identification of organics
+ faster imaging & depth information
+ differentiation of isotopes
- More complex elemental quantification
Application
• Surface coatings
• Surface treatments
• Electronic components
• Semiconductors (GaAs, Si)
• Electrodes & sensors
• Catalysts
• Adhesives
• Lubricants
• Packing materials
• Corrosion studies
Pusan National University
Polymer, Ceramic, Lubricants, Biological
Catalysts, Semiconductor, Thin Film, Corrosion
Studies, Molecular information, Organic,
Inorganic
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