飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜 （TOF-SIMS） 是一種表面分析技術(shù)，它將脈沖一次離子束聚焦到樣品表面，在濺射過程中產(chǎn)生二次離子。分析這些二次離子可提供有關(guān)樣品表面的分子、無(wú)機(jī)和元素種類的信息。

例如，如果表面吸附了有機(jī)污染物（如油），TOF-SIMS將揭示這些信息，而其他技術(shù)則難以實(shí)現(xiàn)，特別是在污染物含量極低的情況下。由于TOF-SIMS是一種測(cè)量技術(shù)，因此通�？梢詸z測(cè)到元素周期表中的所有元素，包括H。

此外，這種分析可以提供質(zhì)譜信息;樣品上XY維度的圖像信息;以及Z 方向的深度剖面信息到樣品中。
 

工作原理
飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法 （TOF-SIMS），又稱靜態(tài) SIMS，是一種廣泛用于表征表面和表面污染物的技術(shù)。它與動(dòng)態(tài)SIMS密切相關(guān)，動(dòng)態(tài)SIMS使用恒定的初級(jí)離子束在幾分鐘內(nèi)蝕刻樣品以形成濺射坑。相比之下，TOF-SIMS使用脈沖離子束，在分析時(shí)間尺度上不會(huì)顯著濺射、蝕刻或損壞樣品表面。這種無(wú)損傷使該技術(shù)成為分析表面存在元素（元素周期表中的大多數(shù)元素）和分子種類的理想技術(shù)，具有非常淺的采樣深度（1-2nm）。結(jié)合飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，該技術(shù)提供了出色的測(cè)量能力，靈敏度在百萬(wàn)分之一 (ppm)范圍內(nèi)。TOF-SIMS儀器中使用一次離子束（通常69Ga 或197Au）可以聚焦到亞微米尺寸，這意味著該技術(shù)可用于分析1μm至500μm范圍內(nèi)的特征。無(wú)論導(dǎo)電樣品還是絕緣樣品都可以成功分析。

飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法（TOF-SIMS）的工作原理是將聚焦的一次離子脈沖光柵束光化到感興趣的區(qū)域，從而產(chǎn)生與樣品表面前幾層材料特性相關(guān)的二級(jí)離子。通過準(zhǔn)確測(cè)量檢測(cè)到的離子質(zhì)量，可以識(shí)別并確定樣品表面存在的化學(xué)物質(zhì)。獲得的數(shù)據(jù)可以以質(zhì)譜的形式或特定物質(zhì)的離子圖像的形式呈現(xiàn)。如果結(jié)合離子濺射（使用相同的一次離子槍或額外的 Cs、O 或 Ar 團(tuán)簇離子束），也可以獲得深度剖面圖。

表面靈敏度
TOF-SIMS的高表面靈敏度使其成為解決問題的良好起點(diǎn)，可以對(duì)樣品中存在的物質(zhì)類型進(jìn)行概述。然后可以使用其他技術(shù)來獲取其他信息。TOF-SIMS還可以檢測(cè)到比傳統(tǒng)表面分析技術(shù)（如XPS和Auger）低得多的物質(zhì)水平。

TOF-SIMS的數(shù)據(jù)集可能非常復(fù)雜，并且可能比其他方法需要更多的解釋或數(shù)據(jù)處理。TOF-SIMS的成像能力可以提供微米級(jí)的缺陷和顆粒的元素和分子信息。TOF-SIMS也可用于深度剖析，并與動(dòng)態(tài)SIMS互補(bǔ)。剖面分析的優(yōu)勢(shì)在于其小面積的處理能力，以及無(wú)需選擇特定元素即可進(jìn)行全面深度剖面分析的能力。簇離子束使有機(jī)材料的剖面分析成為可能，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)上的重要信息。

使用TOF-SIMS可以進(jìn)行質(zhì)量控制，故障分析，故障排除，過程監(jiān)控和研發(fā)。例如，我們?cè)谡{(diào)查晶圓表面污染問題時(shí)提供的信息可以幫助確定問題的具體來源，例如泵油或組件脫氣，或者可能表明晶圓加工步驟本身存在問題（例如蝕刻殘留）。

TOF-SIMS是SMART圖譜的一部分，是一種對(duì)表面非常敏感的技術(shù)，可提供全面的元素和分子分析，具有出色的檢測(cè)限

典型數(shù)據(jù)
 

氟碳膜顯示硅污染                                                                                                     清潔全氟碳膜，不含硅

            污染硅晶圓上鐵（Fe）的高質(zhì)量分辨率光譜與清潔硅晶圓的比較                                   平板顯示器上殘留物的TOF-SIMS離子圖像（150微米視野）

TOF-SIMS的理想用途

• 其出色的表面靈敏度、分析有機(jī)材料和其他絕緣體的能力、極低的檢測(cè)限以及提供元素和分子信息的能力，使TOF-SIMS成為解決以下類型應(yīng)用的理想技術(shù)：
• 有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的表面分析
• 有機(jī)材料和元素材料的表面特性分析
• 表面物質(zhì)的橫向分布圖繪制
• 元素或分子物質(zhì)的污染識(shí)別（ppm范圍內(nèi)）
• 晶圓上表面金屬的定量分析
• 粘附、焊墊、涂層等的失效分析
• 清潔過程評(píng)估 （QA/QC）
• 識(shí)別污漬、變色和霧霾
• 加工前后表面的對(duì)比以識(shí)別差異
• 在不同環(huán)境中加工或存儲(chǔ)的樣品之間的表面變化比較 表面元素和分子的成像
• 剝離、起泡、脫濕、污漬、霧等的失效和根本原因分析
• 調(diào)查深度剖析

TOF-SIMS的優(yōu)勢(shì)

• 表面靈敏：前幾個(gè)單層
• ppm 范圍內(nèi)的檢測(cè)限
• 調(diào)查分析
• 調(diào)查深度剖面圖
• 元素和分子信息
• 可分析絕緣體和導(dǎo)體
• 成像模式下可實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的空間分辨率
• 某些應(yīng)用中可獲得主要元素組成  

TOF-SIMS的局限性

• 定量需要大量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，難度較大
• 對(duì)表面敏感，因此樣品處理/包裝時(shí)要小心謹(jǐn)慎
• 樣品必須與真空兼容 數(shù)據(jù)集可能很復(fù)雜

技術(shù)比較
其他具有相似分析深度或應(yīng)用的表面分析工具包括 X 射線光電子能譜 (XPS)、俄歇電子能譜(AES) 和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。XPS提供定量濃度和化學(xué)鍵信息，這些信息通常無(wú)法直接使用TOF-SIMS獲得。AES可以為元素種類提供更好的空間分辨率圖像，但靈敏度較差。FTIR可以提供互補(bǔ)的有機(jī)信息，具有更深的信息深度和訪問商業(yè)光譜庫(kù)的能力。這可能使FTIR成為識(shí)別宏觀材料量的更好選擇，因?yàn)闃O端表面信息可能并非首要關(guān)注點(diǎn)。
 

那諾中國(guó)提供的TOF-SIMS飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀（型號(hào)：SurfaceSeer I）具有高空間分辨率成像能力，可用于絕緣、導(dǎo)電表面的成像分析與化學(xué)成分分析。SurfaceSeer I 是研究表面化學(xué)的理想選擇，適用于研發(fā)和工業(yè)質(zhì)量控制應(yīng)用，并且具有較高的性價(jià)比。

TOF-SIMS技術(shù)規(guī)格

• 信號(hào)檢測(cè)：元素離子和分子離子
• 檢測(cè)元素：完全覆蓋元素周期表，以及分子種類
• 檢測(cè)限：?jiǎn)畏肿訉拥膸追种�一�?07至1010at/cm2（金屬在半導(dǎo)體上），深度剖面中體積濃度低至 1 ppm
• 深度分辨率：1-3 個(gè)單層（靜態(tài)模式），低至 1 nm（深度剖析）
• 信息深度：低于 1 nm（靜態(tài)模式）， 10 μm（深度剖析）
• 成像/映射：是
• 橫向分辨率/探頭尺寸：低至 0.2 μm