Application of secondary ion mass spectrometry (SIMS) in the development of new materials

Abstract

Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) is a common surface analytical method for the characterization of thin layers in material science and in semiconductor development both in the industrial routine and in research. SIMS allows the detection of all elements and their isotopes (even hydrogen) both in the depth profiling mode with a depth resolution down to 1nm, and in the imaging mode with a lateral resolution in the range of 0.5µm. SIMS is able to measure concentrations from percentage down to the ppm range. The present work gives an overview into the principles of dynamic-SIMS, time-of-flight-SIMS, and the newest developments in instrumentation. The successful application of the method in selected fields of material sciences is described. The main feature of SIMS, its depth profiling capabilities, is demonstrated in the fields of semiconductor development, the analysis of PVD-coatings, and in studies on the corrosion of brass. Due to effects induced by the primary beam, SIMS depth profiles are always distorted, which results in reduced depth resolution. To countervail this distortion a practical approach with a convolution method was applied for the precise characterization of sharp interfaces on semiconductors. As SIMS is not only limited to inorganic samples, one work presents the analysis of surface modified organic polymers with time-of-flight SIMS. The possibilities of acquiring 3-dimensional images from the distribution of main components and impurities is shown in three represen-tative works dealing with the characterization of steel and newly developed electrochemical sensors.

Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) ist eine gebräuchliche oberflächenanalytische Technik in der Werkstoffanalytik und in der Halbleiterentwicklung zur Analyse dünner Schichten von Proben sowohl aus der industriellen Routine als auch in der Forschung. SIMS ermöglicht die Detektion aller chemischen Elemente und deren Isotope (auch Wasserstoff) sowohl durch Erstellung von Tiefenprofilen mit einer Tiefenauflösung von bis zu 1nm, als auch im abbildenden Modus mit einer lateralen Auflösung im Bereich von 0.5µm. Der messbare Konzentrationsbereich reicht von Hauptelementen bis in den Spurenbereich. Die vorliegende Arbeit liefert einen Einblick in die möglichen Einsatzgebiete von dynami-scher - SIMS, von Flugzeit - SIMS (TOF-SIMS) und in die neuesten instrumentellen Ent-wicklungen. Weiters wird die erfolgreiche Anwendung in ausgewählten Bereichen der Mate-rialwissenschaften demonstriert. Die Hauptanwendungsmöglichkeit von SIMS, die Erstellung von Tiefenprofilen, wird durch die Analyse von Proben aus der Halbleiterentwicklung, von PVD - Beschichtungen und Korrosionsstudien an Messing gezeigt. SIMS - Tiefenprofi-le sind durch Einflüsse vom Primärionenstrahl stets verzerrt. Um diesen Effekt auszugleichen wurde für die exakte Charakterisierung von scharfen Interfaces in Halbleitern eine Faltungsmethode angewandt. SIMS ist nicht nur auf die Analyse von anorganischen Proben beschränkt. Eine Arbeit präsentiert daher den Einsatz von TOF-SIMS zur Analyse oberflächenmodifizierter organischer Polymere. Die Möglichkeit auch 3-dimensionale Verteilungen sowohl von Haupt- als auch von Spurenelementen darzustellen wird in drei repräsentativen Arbeiten, die über die Analyse von Stahlproben und neu entwickelten elektrochemischen Sensoren handeln, beschrieben.