TOF-SIMS - a versatile technique in analytical chemistry

Abstract

Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) ist seit Jahrzehnten eine etablierte Technik in der instrumentellen Analytik. Hohe laterale, gepaart mit hoher Tiefenauflösung, eine niedrige Nachweisgrenze, sowie die inhärente Fähigkeit zur isotopen-spezifischen Detektion, machen SIMS zu einer wichtigen Methode in der chemischen Analyse von Halbleiterbauteilen und Schichtstrukturen, sowie in der Spurenelement Analytik.<br />In jüngerer Vergangenheit hat sich die Anwendung von Flugzeit-Sekundärionen Massenspektrometrie (Time of Flight (TOF)-SIMS) in verschiedenen Forschungsrichtungen verbreitet. Der erweiterte Massenbereich und die hohe Massenauflösung (>10 000), eröffneten die Möglichkeit zur SIMS Analyse von hochmolekularen organischen und biologischen Proben, welche gängigen Detektoren (z.B. Quadrupol- Massenanalysatoren) bisher verschlossen blieb. Die simultane Aufzeichnung des gesamten Massenbereichs, sowie der gepulste Primärionenstrahl - eine Notwendigkeit zum Betrieb eines Flugzeitanalysators - erlauben den Einsatz von SIMS für die Analyse von empfindlichen Proben, etwa von ultradünnen Schichtstrukturen. Diese waren - wegen der starken Schädigung der Probe durch den kontinuierlichen Primärionenstrahl der früher verwendeten Sektorfeldgeräte - einer SIMS Analytik nicht zugänglich.<br />Diese Arbeit zeigt die erfolgreiche Verwendung der Flugzeit-Sekundärionen Massenspektrometrie für verschiedene analytische Fragestellungen.<br />Untersuchungen zum Oxidationsverhalten von neu entwickelten Nitrid-basierenden Hartstoffschichten für Fräs- und Schneideköpfe in der metallverarbeitenden Industrie, konnten den starken Einfluss der Kristallstruktur solcher Beschichtungen auf den Oxidationsverlauf zeigen.<br />Die hohe Tiefenauflösung (< 1nm) der Methode erlauben den Zugang zu Informationen über das Verhalten von Silberoberflächen in korrodierender Atmosphäre, durch die Identifikation von Abbauprodukten in den obersten Schichten der Silberproben. Im Zusammenwirken mit anderen analytischen Techniken, konnte die Wirkung, sowohl der Konzentration des schädigenden Gases, als auch des Feuchtigkeits- und Sauerstoffgehalts im umgebenden Gasgemisch soweit geklärt werden, dass ein neuer potentieller Reaktionsmechanismus zur Veranschaulichung der beteiligten Prozesse, postuliert werden konnte.<br />Wie bereits erwähnt, erlaubt die verhältnismässig geringe zerstörende Wirkung des gepulsten Primärionenstrahls die SIMS Analytik organischer Proben, insbesondere deren Oberflächen. Dadurch besteht die Möglichkeit SIMS als eine Methode zur Reaktionskontrolle für organische Synthesen einzusetzen, indem die Verteilung von Tracermolekülen im so genannten "Surface Imaging" bildlich dargestellt wird.<br />Schließlich konnte eine Studie zur Identifikation von antioxidativen Additiven in Kabelisolierungen die Verwendbarkeit von Flugzeit-Sekundärionen Massenspektrometrie im Vergleich zu zwei etablierten Methoden in der organischen Massenspektrometrie zeigen.<br />

Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) is an established analytical technique for already decades. High lateral and depth resolution, a low limit of detection (LOD) and the inherent capability of isotope specific detection made SIMS an important tool in the semiconductor industry, for chemical analysis of sandwich structures and in the field of trace elemental analysis.<br />Recently, the application of Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF -SIMS) became popular in various areas of research.<br />The extended mass range and the high mass resolution (>10 000) of TOF-SIMS, opened the field of high molecular organic and biological compound analysis to SIMS, that was barred before to quadrupole and other common analyzers in organic mass spectrometry. Simultaneous acquisition of the whole mass range and the necessity of a pulsed primary ion beam, in order to operate the TOF analyzer, gives access to sensitive samples, such as ultra-thin film structures, that were destroyed before the generation of an useful result due to the heavy damage inflicted by the continuous primary ion beam of a former sector field mass spectrometer.<br />This work shows the application of a TOF-SIMS instrument for different analytical problems. The investigation of the oxidation behavior of newly developed nitride based hard coatings for industrial milling and metal cutting devices, revealed a strong influence of the crystal structure on the oxidation characteristics of such coatings.<br />The high depth resolution (< 1 nm) of TOF-SIMS allowed access to information on the behavior of silver surfaces in corrosive atmospheres by identifying species formed in the degradation process of the top most layers of the examined silver samples. Combined with data from other analytical techniques, both the influence of corrosive gas and humidity concentrations and the availability of aerial oxygen in the ambient atmosphere could be elucidated insofar as the postulation of a new potential reaction mechanism for the participating processes was possible.<br />The low damage of the pulsed primary ion beam enables TOF-SIMS to act as a controlling method for organic syntheses by recording elemental maps (surface imaging) of tracer molecules. Finally, a comparative study on the identification of anti-oxidative additives in polymer coatings showed the competitiveness of TOF-SIMS with two established techniques in organic mass spectrometry.