1.引言
現代飛行時間二次離子質譜儀（TOF-SIMS）源于上個世紀七十年代。它的特點之一是高靈敏度。對幾乎所有的元素其最低可測量濃度都可以達到ppm（百萬分之一）數量級，有些可以達到ppb（十億分之一）量級。特點之二是高縱向分辨率。最新一代TOF-SIMS其分辨率可以達到二至三個原子層。同時隨著技術的改善，分析區域越來越小。上述特點使TOF-SIMS在材料的成份、摻雜和雜質沾污等方面的分析中擁有不可替代的地位。

2.原理
1. 利用聚焦的一次離子束在樣品上進行穩定的轟擊，一次離子可能受到樣品表面的背散射（概率很小），也可能穿透固體樣品表面的一些原子層深入到一定深度，在穿透過程中發生一系列彈性和非彈性碰撞。一次離子將其部分能量傳遞給晶格原子，這些原子中有一部分向表面運動，并把能量傳遞給表面離子使之發射，這種過程成為粒子濺射。在一次離子束轟擊樣品時，還有可能發生另外一些物理和化學過程：一次離子進入晶格，引起晶格畸變；在具有吸附層覆蓋的表面上引起化學反應等。濺射粒子大部分為中性原子和分子，小部分為帶正、負電荷的原子、分子和分子碎片；
2. 電離的二次粒子（濺射的原子、分子和原子團等）按質荷比實現質譜分離；
3. 收集經過質譜分離的二次離子，可以得知樣品表面和本體的元素組成和分布。在分析過程中，質量分析器不但可以提供對于每一時刻的新鮮表面的多元素分析數據。而且還可以提供表面某一元素分布的二次離子圖像。
4. TOF-SIMS的獨特之處在于其離子飛行時間只依賴于他們的質量。由于其一次脈沖就可得到一個全譜，離子利用率最高，能最好地實現對樣品幾乎無損的靜態分析，而其更重要的特點是只要降低脈沖的重復頻率就可擴展質量范圍，從原理上不受限制。

3.輸出參數
1. 可對H-U元素進行定性分析（定量需標樣），檢測極限可達ppm或更低的濃度。
2. 良好的深度分辨率（0.1-1nm），但濺射速率很慢（＜1μm/H）。

3. 極小小面積分析，最小區域可達直徑80nm。
4. 可分析有機物，能直接輸出有機物分子式。
5. 可對元素進行面分布分析。

4.應用案例
4.1 有機大分子分析：能直接分析出分子式。

4.2 痕量元素分析：有標樣的樣品定量分析能達到ppm級別，有極高的檢出限。
 

5.小結
本文簡單介紹了飛行時間二次離子質譜儀（TOF-SIMS）的基本原理、結構和應用。通過對產品的表面微區和超薄厚度的分析，能夠為失效分析提供多方面的信息。例如，摻雜與分布是否滿足設計要求、工藝過程中是否在有源區引入了沾污等等。
 

作者簡介：
MTT（美信檢測）是一家從事材料及零部件品質檢驗、鑒定、認證及失效分析服務的第三方實驗室,網址：czyx888.com,聯系電話：400-850-4050。