SIMS 적용분야

2차 이온 질량 분석법(SIMS)은 시료 표면에 고에너지 이온 흐름이 충격을 가해 표면이 스퍼터링되는 분석 기술입니다. 생성된 2차 이온은 질량 분석기로 분석됩니다. 이는 매우 우수한 깊이 분해능과 질량 분해 이미징으로 매우 민감한 성분 분석을 제공합니다. 

정적 SIMS 가장 표면에 민감한 분석을 정적 SIMS라고 합니다. 이온의 총량이 1012 per square cm 미만인 조건에서는 상단 단층만 스퍼터링됩니다. 표면 특이성이 높기 때문에 오염 및 표면 화학 측정에 적용할 수 있습니다. Static SIMS는 접착 실패, 세척 및 표면 준비와 관련된 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다.

실리콘으로 인한 오염

폴리디메틸실록산(PDMS)은 불활성, 무독성, 불연성이며 윤활제, 화장품, 식품 첨가물[E900] 및 밀봉재로 광범위하게 사용됩니다. 그러나 이산화규소(유리)로 분해되어 전자 제품의 절연층을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 표면을 접착할 때 접착 장벽을 형성할 수도 있습니다. 제거도 어렵습니다. SIMS는 이 중요한 산업 오염물질의 단층 양을 쉽게 감지할 수 있습니다.

오염된 장갑과 접촉하기 전 깨끗한 알루미늄 호일의 양이온 정적 SIMS 오염된 장갑과 접촉한 후 알루미늄 호일의 양성 정적 SIMS 아래의 2차 양이온 스펙트럼은 보호 장갑과 접촉하기 전과 후의 알루미늄 호일에서 얻은 것입니다. 장갑 제조에서 나온 PDMS 잔류물이 호일로 옮겨졌으며 m/z = 59, 73 및 147의 특징적인 실리콘 피크에서 명확하게 볼 수 있습니다. m/z = 27의 알루미늄 신호 자체도 오염 물질의 적용으로 인해 크게 약화됩니다.

동적 SIMS 깊이 프로파일링   이온량이 정적 SIMS 한계(>1012ions cm-2)를 초과하면 재료의 더 깊은 층을 발견하기에 충분한 스퍼터링이 발생합니다. 이를 통해 구성이 깊이의 함수로 결정될 수 있습니다. SIMS 깊이 프로파일은 층 증착을 확인하고 확산이나 부식과 같은 표면 화학 효과를 조사하는 데 가장 자주 사용됩니다. SIMS의 극도의 감도와 뛰어난 심도 분해능 덕분에 반도체의 도펀트 프로파일 분석은 이 기술의 자연스러운 초기 적용이 되었습니다. 이러한 순수 물질은 강력한 정량화를 위한 토대를 형성했으며 오늘날 SIMS는 광범위한 산업 분야에 적용할 수 있습니다.    심도 해상도   정적 SIMS의 경우 깊이 분해능은 최상층 원자 단층입니다. 동적 SIMS에서는 충격 에너지를 줄임으로써 깊이 분해능이 향상되고, 따라서 충격파 이온에 의해 발생하는 침투 및 혼합이 나노미터 크기의 특성으로 분해될 수 있습니다.

전자재료

이온 주입 및 확산은 도펀트를 반도체에 전달하는 데 사용되며 SIMS는 공정 개발 및 모니터링을 위해 도펀트 농도를 정확하게 측정합니다.
아래 예는 실리콘 기판의 정량화된 깊이 프로파일을 보여줍니다.

플렉시블 태양전지

CIGS(Copper Indium Gallium Selenide) 태양전지를 통한 깊이 프로파일은 높은 동적 범위와 우수한 깊이 분해능을 보여줍니다.
깊이 스케일은 분석 주기로 남겨져 많은 수의 요소가 감지되는 경우에도 높은 데이터 밀도를 달성할 수 있음을 보여줍니다. 전체 깊이는 약 4 마이크론입니다.

세슘 1차 이온을 사용하여 관심 종을 다음과 같이 측정합니다. Cs+ 이온과 함께 분자. Zn과 같은 일부 원소의 경우 ZnCs+ 이온은 실제로 Zn+ 또는 Zn- 이온을 감지하는 것보다 더 민감합니다.

동위원소 표지 물질

질량 분석 기술인 SIMS는 물질의 동위원소 구성을 결정할 수 있습니다. 이는 레이어 내 확산을 조사할 때 특히 유용합니다. 여기서 매우 날카로운 동위원소적으로 순수한 54Fe 층은 천연 동위원소 풍부도의 더 두꺼운 층 내에서 성장한 뛰어난 깊이 분해능으로 명확하게 정의됩니다.

핵융합은 원자로 벽에 주입되는 매우 높은 에너지의 양성자를 생성합니다. 여기서 SIMS는 핵융합로 벽의 재료 효과에 대한 시뮬레이션으로 텅스텐에 주입된 중수소를 감지하는 데 사용되었습니다.

수술용 스텐트

스텐트는 일반적으로 스테인리스강을 레이저로 절단한 와이어프레임 지지체로, 좁아진 동맥을 열어두는 데 사용됩니다. 카테터를 통해 삽입된 메쉬는 좁은 영역에 배치되고 작은 풍선을 사용하여 확장된 다음 제거됩니다.
 

 스텐트의 표면 상태는 매우 중요하며 SIMScan은 재료에 자연적으로 형성되는 나노미터 두께의 보호 이산화 크롬 층을 검사하는 데 사용됩니다. 아래의 깊이 프로필은 염소 기반 소독 제품으로 처리하면 표면이 철분이 풍부해지고 부식되어 잠재적으로 고장이나 조직 손상을 일으킬 수 있음을 보여줍니다.

검출 한계   SIMS는 최고의 검출 한계(LOD)를 갖춘 표면 분석 기술로, 종종 ppm 및 심지어 ppb 측정도 제공합니다. 간섭 신호가 없는 경우 실제 검출 한계는 찾고 있는 종의 이온화 확률, 기기의 전송 및 분석물 부피에 따라 달라집니다. 따라서 처음 두 매개변수가 고정되어 있으므로 부피가 매우 작으면 감지할 수 있는 원자가 부족하게 됩니다. 데이터를 이미지로 수집함으로써 픽셀 크기를 측면으로 또는 여러 주기에 걸쳐 합산하여 분석 물질의 양을 효과적으로 늘리고 LOD를 개선할 수 있습니다. 이는 가장 바람직한 매개변수에 대한 분석을 최적화하기 위해 측면 및 깊이 해상도를 상호 교환할 수 있음을 의미합니다.

스텐트는 보호를 위해 폴리머층으로 코팅되거나 향후 막힘을 방지하기 위해 해당 영역으로 약물을 용출할 수 있습니다. 정적 SIMS는 이 레이어를 감지하고 특성화할 수 있습니다.

이온빔 극성과 화학
  표본에서 방출되는 2차 이온은 일반적으로 선호되는 극성을 갖습니다. 예를 들어, 알칼리 금속은 양이온으로 방출되고 할로겐은 음성으로 방출됩니다.
양극성 원소에는 산소를, 음성성 원소에는 세슘을 사용하면 이온 형성 확률도 높아집니다. 또한, 세슘은 CsM+ 모드에서 사용될 수 있으며, 여기서 관심 원소인 M은 Cs와 함께 분자로 검출됩니다.
  CsM+ 모드는 양극성 원소와 음성성 원소를 모두 찾는 금속 산화물과 기타 물질을 검출하고 정량화하는 탁월한 수단입니다.

 

자기저장재료의 SNMS

SNMS는 뛰어난 깊이 분해능과 정량화 기능을 제공합니다. 하드 디스크 헤드 소재의 레이어 구조(왼쪽)와 플래터 표면 자체의 활성 영역(오른쪽)을 분석합니다.

스퍼터링된 중성 질량 분석기 SNMS   스퍼터링 중성 질량 분석법은 스퍼터링에서 이온화 이벤트를 분리하여 기존 SIMS 분석에서 고농도 정량화를 어렵게 만드는 매트릭스 효과를 극복합니다.   MAXIM 분광계는 외부 편향기를 통해 2차 이온이 제거된 후 스퍼터링된 중성 플럭스를 감지하기 위해 고효율 전자 충격 이온화 장치를 사용합니다. 중요한 매트릭스 효과가 없기 때문에 SIMS의 경우처럼 기준 물질과 일치하는 형식이 필요하지 않으며 쉽게 구할 수 있는 합금을 사용하여 전역 감도 계수를 결정할 수 있습니다.

산소 홍수   저에너지 빔은 향상된 깊이 해상도를 제공하지만 표면 지형을 유도할 수도 있습니다. 순수한 산소의 방향성 제트가 샘플 표면에 제공되어 스테인리스 스틸 모세관을 통해 표면이 완전히 산화됩니다.   이는 금속 및 반도체 도펀트와 같은 전기양성종 분석에 대한 감도를 향상시킬 뿐만 아니라 낮은 빔 에너지, 높은 깊이 분해능 분석에서 표면 거칠기를 감소시킵니다.   이 예는 3.6nm 다층 Si/Fe 샘플에서 국부적인 산소 범람을 사용하여 표면 지형이 개선되었음을 보여줍니다.

핵물질

동위원소 감도와 작은 입자 분석 능력으로 인해 SIMS는 핵 물질 연구에 이상적인 기술입니다.
  아래 스펙트럼은 5keV 산소 1차 이온빔과 500eV 전자빔 전하 보상을 사용하여 우라늄 함유 유리(1% 중량 미만)에서 측정되었습니다. 235U 부분은 0.55 ±0.02%로 결정됩니다. 천연 소재에서 기대할 수 있는 함량이 0.72% 미만입니다.

 

정량분석   깊이   SIMS 깊이 프로파일 데이터는 개별 래스터 스캔 프레임에 소요되는 시간과 분석 주기의 프레임 수로 구성된 스퍼터 시간의 함수로 수집됩니다. 깊이 눈금을 보정하는 가장 일반적인 방법은 분석이 끝날 때(표면 프로파일로미터 또는 광학 기술을 사용하여) 분화구의 깊이를 측정하고 일정한 스퍼터링 속도를 가정하는 것입니다. 이종 재료에서는 각 구성 요소에 대해 서로 다른 스퍼터링 속도를 적용할 수 있습니다.   집중   강도 척도는 조성이 잘 알려진 참조 샘플과 비교하여 농도로 변환됩니다. 이는 특별히 준비된 재료이거나 이전에 측정된 샘플일 수 있습니다. SNMS(많은 Hiden SIMS 분광계에 내장됨)를 사용하여 수행하는 것도 가능합니다.   SIMS의 낮은 수준 불순물을 정량화하는 데 사용할 수 있는 고농도 영역에서 보정합니다.   직접 비교   대부분의 경우 측정값을 완전히 정량화할 필요는 없지만 깊이 프로파일을 직접 비교하여 차이점을 관찰할 수 있습니다. 이 접근 방식은 프로덕션 환경의 표준 변화를 매우 효과적으로 감지할 수 있습니다.

이미징   1차 이온 빔이 래스터 패턴으로 샘플을 가로질러 스캔됨에 따라 2차 이온은 위치에 따라 수집되어 깊이 프로파일 내의 모든 주기에서 질량 분해 이미지가 생성될 수 있도록 하며, 실제로 Soimaging은 데이터 수집의 기본 방법입니다.   이미지의 측면 해상도는 1차 이온 빔 스폿 크기에 따라 달라지며, 10nm의 해상도가 가능할 때 SIMS 검출기가 집속 이온빔 현미경(FIB)에 장착될 때 궁극적으로 결정됩니다.

제약

SIMS는 약물의 존재 여부를 확인하거나 브랜드를 만드는 데 사용될 수 있습니다.
  다양한 제형이 존재하는 경우 식별 브랜드 제품에는 추가 물질이 포함되어 있을 수 있으며, 위조 제품에는 오염이 나타날 수 있습니다.
  결합제, 탈수제 또는 충전제의 존재도 고유한 지문을 제공할 수 있습니다. 아래 예에서 Al과 Na는 알약 형성 물질에서 나옵니다.
  분석기의 높은 감도로 인해 매우 낮은 빔 전류를 사용할 수 있으며 정적 SIMS 한계 아래로 유지하면 명확한 식별에 필요한 높은 질량 조각이 보존됩니다.

분말 분석   벌크 구성과 코어-쉘 구조 모두에 대해 SIMS를 사용하여 분말을 분석할 수 있습니다. 분말은 전도성 접착 테이프, 분산, 알약 형성 또는 인듐 시트에 압착을 사용하여 장착할 수 있습니다.

배터리 연구

 EQS 분광계는 경원소에 대한 탁월한 감도(리튬의 경우 subppm 감도)로 집속 이온빔(FIB) 현미경을 위한 SIMS 검출 기능을 제공합니다. 또한, 동위원소적으로 순수한 물질을 확산 연구에 사용할 수 있습니다.

리튬 배터리 분석 현미경 사진은 음극 표면의 50μm 시야를 보여줍니다. 노화된 배터리 음극의 SEM 이미지는 밝은 영역을 보여줍니다. 이 지역의 SIMS 이미지는 리튬이 풍부한 밝은 지역을 보여줍니다.

오염

디젤 엔진 인젝터 부품의 내부 경사면에서 눈에 띄는 얼룩이 관찰되었습니다.
얼룩이 너무 얇아서 EDX로 감지할 수 없습니다.

질량 분해 이미지는 56Fe의 분포를 보여줍니다.
  삽입된 부분은 얼룩이 관찰된 영역을 식별합니다. Fe 신호가 표면 오염물질에 의해 가려지기 때문입니다.
  깨끗한 바닥 표면에서 측정한 질량 스펙트럼은 주로 Fe와 Cr(취급 과정에서 일부 Na가 포함됨)로 구성되어 있음을 보여줍니다. 얼룩의 유사한 스펙트럼은 40Ca 신호에 의해 지배되며 금속 신호는 상당히 감소됩니다.
  이 얼룩은 Ca 기반이며 바이오디젤 사용으로 인해 발생한 것으로 확실하게 확인되었습니다. 이 알려진 가능한 연료 오염 물질은 EU 규정에 따라 5mg/kg(Mg 함량으로 합산)으로 제한됩니다.