Topographic correction of 2D and 3D ToF-SIMS measurements

Abstract

Time-of-Flight Sekundärionen Massenspektrometrie (ToF-SIMS) ist die empfindlichste Methode für den Nachweis aller Elemente (ppm-ppb).<br />Die Darstellung der elementaren, sowie molekularen Zusammensetzung der Probe wird während einer Analyse in einem 2D oder 3D Bild realisiert.<br />Neben dem größten Nachteil der Matrix Abhängigkeit, wird die Qualität der Messungen noch durch einen anderen Faktor beschränkt: den "topographischen-Effekt". Topographisch strukturierte Probenoberflächen haben einen starken Einfluss auf die Signalintensität und verhindern deshalb die korrekte Interpretation von Messungen auf Grund von Verzerrungen im 2D oder 3D Bild. Ein Verfahren zur Vermeidung von Fehlinterpretationen aufgrund von Topographie assoziierter Artefakte ist die topographische Korrektur von 2D und 3D ToF-SIMS-Messungen. Die Strategie dieser Idee ist die Kombination von topographischen mit ToF-SIMS-Daten in ein und demselben Bild. Die folgende Arbeit bietet neue Einblicke in die Qualitätsunterschiede der topographischen Korrektur mit externen Methoden wie Rasterkraftmikroskopie, konfokaler Mikroskopie und digital holographischer Mikroskopie. Darüber hinaus wurden die Möglichkeiten, Topographie ohne zusätzliche Technik, außer ToF-SIMS zugänglich zu machen, untersucht.<br />Die Anwendbarkeit aller Konzepte zur topographischen Korrektur von 2D und 3D Bildern wurde bei einer genau definierten Probe bewertet und in weiteren Anwendungsbeispielen getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination von mikroskopischen Daten mit ToF-SIMS-Daten das wirksamste Instrument für die korrekte Darstellung und Visualisierung von Probenoberflächen und -volumina ist. Weiteres konnte gezeigt werden, dass alternativ-Methoden auch ohne zusätzliche Topographie-Daten neue Einblicke in ToF-SIMS Messungen an strukturierten Probenoberflächen geben können. Die Visualisierung von topographischer, elementarer, sowie molekularer Informationen in ein und demselben Bild könnte zu enormen Fortschritten in den Materialwissenschaften und verwandten Bereichen führen.<br />

Time-of-Flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) is a prominent technique for the recording of 2D as well as 3D elemental and molecular images.<br />It provides detailed information about the composition of solid surfaces with extremely high detection sensitivity (ppm-ppb) for all elements with isotopic selectivity. Besides the well known drawback of matrix dependency, the measurement quality is limited by another factor: the "topographic effect".<br />Sample surface topography strongly influences the signal intensity and therefore, the resulting images show distortions. A method to avoid the misinterpretation of measurements with topography induced artefacts is the topographic correction of ToF-SIMS measurements. The current strategy for this approach is the combination of topographic data with ToF-SIMS data in a single image. The following work gives a new insight in the quality differences of the topographic correction with external methods such as atomic force microscopy, confocal microscopy and digital holographic microscopy. In addition, the question, whether it is possible to consider sample surface topography without any additional technique except ToF-SIMS is discussed. The usability of the topographic correction concepts was evaluated at a well defined sample with artificial surface topography and tested at other samples. The results show that the combination of microscopic data with ToF-SIMS data provides a great tool for the correct representation and visualisation of sample surface and volume. The introduction of microscopic data delivers the most accurate results in the topographic correction of 2D and 3D ToF-SIMS images. The other mentioned methods provide a useful tool in addition to the microscopy approach. They give a different view on the sample surface and its topography, which might enhance the understanding of certain measurements.<br />The new understanding of visualization of both topographic and elemental as well as molecular information in a single image could lead to huge advances in material science and other related fields.<br />