本文綜述了二次離子質(zhì)譜(Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS)濺射深度剖析的發(fā)展歷史，介紹了SIMS 濺射深度剖析的定量分析方法。對兩個最常用于SIMS 濺射深度剖析定量分析的理論模型———Hofmann 提出的MRI(Mixing-Roughness-Information depth)模型和Dowsett 等人提出的響應(yīng)函數(shù)進行了對比分析。

　　濺射就是用具有一定能量的一次性粒子轟擊樣品表面(粒子的動能通常在0.1~5 keV 之間)，通過樣品發(fā)射二次粒子而使材料表面原子或分子剝離的一個過程。深度剖面分析(簡稱深度剖析)是指對分析樣品元素的組分含量隨深度變化的二維分析。目前，有兩種不同的深度剖析方法：非破壞性和破壞性的方法。一般的非破壞性深度剖析技術(shù)只提供間接的信息，需通過定量分析才能得到濃度深度譜， 如盧瑟福背散射(Rutherford Backscattering Spectrometry，RBS) 或者角分辨的X-射線光電子能譜(Angle Resolved X-ray Photoelectron Spectroscopy，AR-XPS)。而破壞性的濺射深度剖析的原始數(shù)據(jù)是元素強度相對濺射時間的關(guān)系圖，直接表示了帶有可能的畸變的濃度與深度分布的關(guān)系圖，其原始數(shù)據(jù)易于解讀。

　　濺射深度剖析是將離子濺射與表面元素成分表征結(jié)合在一起的一種測量分析技術(shù)，其主要目的是為了獲得薄膜材料(從幾納米到幾百微米)中元素成分的深度分布。按對元素表征方式的不同，濺射深度剖析可分為兩類：一類是分析濺射出來的元素，如二次離子質(zhì)譜(Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS)、輝光放電發(fā)射光譜(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry，GDOES)等；另一類是分析濺射后材料表面的元素成分，如俄歇電子能譜(Auger Electronic Spectroscopy，AES)、X-射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)等。其中，SIMS 可對無機材料和有機材料樣品進行質(zhì)譜分析、離子像分析和深度剖析，是目前最前沿的表面分析技術(shù)之一。SIMS 濺射深度剖析是通過對樣品逐層剝蝕得到各種成分隨深度的分布( 見圖1)，其深度分辨率極限已經(jīng)可以達到0.7~1 nm。

圖1 SIMS 濺射深度剖析過程

　　1949 年Herzog 和Viehboeck 首次將二次離子與質(zhì)譜分析結(jié)合起來，標志著二次離子質(zhì)譜方法的誕生；1958 年Honig 構(gòu)造了第一臺完整的可用來進行深度剖析的SIMS；1967 年Liebl 利用第一臺商用SIMS 進行了材料的納米技術(shù)分析；1968 年Werner 成功將SIMS 應(yīng)用于半導(dǎo)體中的摻雜和薄膜中成分深度的分析；1970 年，Benninghoven發(fā)展了靜態(tài)SIMS 的方法，使用低密流離子進行濺射，使得表面分析的單層中很小一部分(約1%)被移動就可以完成分析。自從上世紀70 年代，隨著高真空技術(shù)和電子測量技術(shù)的迅速發(fā)展，SIMS 濺射深度剖析技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用呈總體上升趨勢，這可以從每年發(fā)表的有關(guān)SIMS 和濺射深度剖析的文章數(shù)量中體現(xiàn)(見圖2)。

圖2 以每年發(fā)表的文章數(shù)量來衡量SIMS 和濺射深度剖析的發(fā)展

　　1、深度分辨率Δz 及其優(yōu)化

　　深度分辨率的提出標志著深度剖析定量分析的開始。深度分辨率表示了深度剖析譜的失真程度，即由于離子束和樣品的相互作用在表面區(qū)域產(chǎn)生的成分與形貌的改變，使得實際測得的深度剖析譜與真實的成分深度分布之間產(chǎn)生的偏差程度，它是表征深度剖析實驗優(yōu)劣的一個主要指標。

　　深度分辨率Δz 的定義如下：假設(shè)一理想的、原子單層的界面A/B，當測量信號的歸一化強度從84% 降到16% 或從16% 上升到84% 所對應(yīng)的濺射深度Δz。Δz 愈小意味著深度剖析的分辨率愈大，測量的成分深度分布就愈接近真實的成分深度分布，深度剖析的質(zhì)量就愈高1970-1990 年，更多的實驗用來探究不同的因素(例如實驗儀器，離子束，樣品因素等)對深度分辨率的影響，并逐漸建立起了相應(yīng)的理論評估體系。根據(jù)實驗經(jīng)驗和理論指導(dǎo)，人們總結(jié)出了多種提高深度分辨率、優(yōu)化深度譜的方法，例如使用樣品旋轉(zhuǎn)技術(shù)減少濺射多晶樣品導(dǎo)致的表面形貌的改變(見表1)。

表1 提高深度分辨率的方法

　　2、信號強度與濃度及濺射時間與濺射深度的轉(zhuǎn)換

　　所有濺射深度剖析實驗最終所要得到的結(jié)果就是獲得成分濃度X 與濺射深度z 的函數(shù)關(guān)系X(z)。而如上所述，在深度剖析實驗中，直接獲得的實驗數(shù)據(jù)是元素的測量信號強度I 與濺射時間t 的函數(shù)關(guān)系I(t)。因此，必需完成以下三個基本的定量分析的工作：

　　(1)將測量的信號強度轉(zhuǎn)換為濃度，X=f(I)；

　　(2)將測量的濺射時間轉(zhuǎn)換成濺射的深度，z=f(t)；

　　(3)獲得深度分辨率(Δz)，如果可能的話，確定深度分辨率函數(shù)(Depth Resolution Function，DRF)，這是進一步的定量分析所必需的。

　　理想條件下，若濺射速率恒定(忽略擇優(yōu)濺射)，即濺射時間和濺射深度呈線性關(guān)系，測量信號強度又與元素成分呈線性關(guān)系，那么信號強度- 濺射時間圖像就可以簡單轉(zhuǎn)換為元素成分-濺射深度圖像。但實際上，這些條件往往不能滿足，需要消除有影響的效應(yīng)才能完成正確轉(zhuǎn)換。

　　5、總結(jié)

　　SIMS 濺射深度剖析的定量分析工作需要將測量信號強度轉(zhuǎn)換為成分濃度，將濺射時間轉(zhuǎn)換為濺射深度。在SIMS 濺射深度剖析定量分析的理論模型中，最常用的是Hofmann 提出的MRI 模型和Dowsett 提出的響應(yīng)函數(shù)，兩者相比較，前者能更好地解釋模型中各參數(shù)的物理含義，并能給出元素測量譜和初始位置之間的正確偏移量，從而能更準確地完成SIMS 深度剖析譜的重構(gòu)。