7.4: SIMS - Imágenes y Perfilado de Profundidad

Las ideas básicas detrás de la técnica SIMS ya han sido discutidas en la Sección de Espectrometría de Masa de Iones Secundarios. Dado que la técnica utiliza un haz de iones atómicos (es decir, partículas cargadas) como sonda, es relativamente fácil enfocar el haz incidente y luego escanearlo a través de la superficie para dar una técnica de imagen.

Imágenes de superficie usando SIMS

Si el objetivo de la medición es obtener imágenes composicionales de la superficie formada a partir del espectro iónico secundario con el mínimo daño posible a la superficie, entonces el principal problema es asegurar que se obtenga una señal suficiente a la resolución espacial deseada mientras se minimiza el flujo iónico incidente en cualquier parte de la superficie.

Esto se logra más fácilmente cambiando del enfoque instrumental tradicional de usar pistolas de iones de flujo continuo y detectores de espectrómetro de masas cuadrupolo, al uso de fuentes de iones pulsados y espectrómetros de masas de tiempo de vuelo (TOF). Los espectrómetros de masas TOF son una forma mucho más eficiente de adquirir datos espectrales, y también proporcionan una buena resolución y sensibilidad hasta masas muy altas. Usando tales instrumentos, se pueden obtener imágenes SIMS con una resolución espacial superior a 50 nm.

Perfiles de profundidad SIMS

El propósito del perfilado de profundidad es obtener información sobre la variación de la composición con la profundidad por debajo de la superficie inicial; dicha información es obviamente particularmente útil para el análisis de estructuras estratificadas como las producidas en la industria de semiconductores.

Dado que la propia técnica SIMS se basa en la eliminación de átomos de la superficie, es por su propia naturaleza una técnica destructiva, pero también, ideal para aplicaciones de perfilado de profundidad. Por lo tanto, se puede obtener un perfil de profundidad de una muestra simplemente registrando espectros SIMS secuenciales a medida que la superficie se erosiona gradualmente por la sonda de haz de iones incidente. Una gráfica de la intensidad de una señal de masa dada en función del tiempo, es un reflejo directo de la variación de su abundancia/concentración con profundidad por debajo de la superficie.

Una de las principales ventajas que ofrece SIMS sobre otras técnicas de perfilado de profundidad (por ejemplo, el perfilado de profundidad Auger) es su sensibilidad a concentraciones muy bajas (subppm o ppb) de elementos; nuevamente esto es particularmente importante en la industria de semiconductores donde los dopantes suelen estar presentes en concentraciones muy bajas. .

La resolución de profundidad alcanzable (por ejemplo, la capacidad de discriminar entre átomos en capas delgadas adyacentes) depende de una serie de factores que incluyen:

1. la uniformidad del grabado por el haz de iones incidente
2. la profundidad absoluta por debajo de la superficie original a la que ya se ha realizado el grabado
3. la naturaleza del haz de iones utilizado (es decir, la masa y la energía de los iones)

así como los efectos relacionados con la física del propio proceso de pulverización catódica (por ejemplo, entierro inducido por impacto iónico).

Con los instrumentos TOF-SIMS se obtiene la mejor resolución de profundidad utilizando dos haces separados; un haz se usa para grabar progresivamente un cráter en la superficie de la muestra en estudio, mientras que los pulsos cortos de una segunda viga se utilizan para analizar el piso del cráter. Esto tiene la ventaja de que uno puede estar seguro de que el análisis es exclusivamente del piso del cráter de grabado y no afectado por la pulverización catódica de las paredes del cráter.