（2）与化学环境关系 被氧覆盖前后： 纯元素二次离子产额增大2-3个数量级 多荷离子和原子团则表现出不同的规律
（3）基体效应 同一元素的二次离子产额因其它成分的存在而改变。
二次离子的发射与中性原子溅射不同， 由于涉及电子转 移，因此与化学态密切相关，其它成分的存在影响了电子态。
（4）与入射离子种类关系 惰性元素离子：Ar+, Xe+ 电负性离子：O2+, O－, F－, Cl－, I－ 电正性离子：Cs+ 电负性离子可大大提高正二次离子产额 电正性离子可大大提高负二次离子产额 它们随靶原子序数变化规律不同，在实际应用中
硅的二次离子质谱－－负谱图
Si(111)注O2表面二次离子质谱－－正谱图
Si(111)注O2表面二次离子质谱－－负谱图
2．二次离子产额 S＋或S－：一个一次离子平均打出的二次离子个数。
（1）与样品原子序数关系 明显的周期性关系 S＋： 电离能 ↗ S＋ ↘ S－： 电子亲和势↗ S－ ↘ 各种元素离子产额差异大，可达4个数量级
Δ 在分析过程中，表面单分子层寿命长达几小时。
SIMS设பைடு நூலகம்示意图
高真空静态SIMS设备外观
SIMS设备中的离子枪
TOF－SIMS系统示意图
TOF－SIMS系统外观图
实验条件： 一次离子能量 < 5 keV 一次离子束流密度 < nA/cm2 在低的一次束流密度下，为提高灵敏度，采用： 一次束大束斑＋离子计数＋高传输率分析器
（2）动态SIMS－－ 离子微探针 一次束流密度 J > 10-7A/cm2 溅射效果显著 非表层分析：微区扫描成象 深度剖面分析
3. 主要部分介绍
（1）离子源种类及参数
（2）二次离子分析系统种类：
Δ 磁质谱 Δ 四极质谱 (Quadrupole Mass Spectrometer) Δ飞行时间质谱 (Time of Flight Mass Spectrometer)
2. 溅射产额 (S)： 一个离子打到固体表面上平均溅射出的粒子数。
与下列因素有关： (1) 入射离子能量 (2) 一次离子入射角 (3) 入射离子原子序数 (4) 样品原子序数 (5) 靶材料的晶格取向
通常，当入射离子能量在500eV-5keV时， 溅射产额为1－10 atom/ion。
溅射产物90％为中性粒子。
3. 溅射速率：单位时间溅射的厚度
z dz J p S M I p S M
其中dzt：溅射e 速率 Ae
S: 溅射产额 Jp：一次束流密度 Ip：束流强度 M：靶原子原子量 ρ: 靶材料的密度 A：束斑面积
4. 特殊说明： Δ 溅射产额与样品表面关系甚大。 Δ 对于多组分的靶，由于溅射产额的不同会发生 择优溅射，使表面组分不同于体内。
二次离子质谱 (Secondary Ion Mass Spectrometry 简称 SIMS)
一、简介 二、离子与表面的相互作用 三、溅射的基本规律 四、二次离子发射的基本规律 五、二次离子质谱分析技术 六、二次离子分析方法 七、二次离子质谱的研究新方向 八、总结
一、简介
SIMS是一种重要的材料成分分析方法，在微电子、 光 电子、材料科学、催化、薄膜和生物领域有广泛应用。
一次束：具有一定能量的离子 检测信息：产生的正、负二次离子的质量谱
(或m/e谱)
SIMS的主要特点： 1. 具有很高的检测极限 对杂质检测限通常为ppm，甚至达ppb量级 2. 能分析化合物，得到其分子量及分子 结构的信息 3. 能检测包括氢在内的所有元素及同位素 4. 获取样品表层信息 5. 能进行微区成分的成象及深度剖面分析
可相互补充。
（5）与一次离子能量关系 与溅射规律基本相同
3. 二次离子能量分布 最可几能量分布范围：1-10eV 与入射离子能量无关 原子离子：峰宽，有长拖尾 带电原子团：能量分布窄，最可几能量低，拖尾短
利用上述性质，采用能量过滤器，可滤掉低能原子团。
4．理论模型
（1）动力学模型－－ 说明惰性气体离子在金属靶上产生二次离子机理。
SIMS的原理示意图
二、离子与表面的相互作用
离子束与表面的相互作用，用单个离子与表面 的作用来处理，通常：
一次束流密度 < 10－6A/cm2 一个离子与表面相互作用总截面 < 10nm2 一个离子与表面相互作用引起各种过程弛豫时间
< 10－12秒
一次离子
固体表层
发射出表面 留在固体内
背散射离子 离子注入
溅射原子、分子和原子团 (中性、激发态或电离) 反弹溅射 反弹注入
离子与固体表面相互作用引起的 重粒子发射过程
溅射 (Sputtering)现象：粒子获得离开表面的动量， 且其能量大于体内结合能时产生二次发射，这种现象叫 做溅射。
其它效应…
三、溅射的基本规律 (实验规律)
1. 研究溅射的重要性： SIMS的分析对象是溅射产物－正、负二次离子 溅射的多种用途： 在各种分析仪器中产生深度剖面 清洁表面 减薄样品 溅射镀膜 真空获得(溅射离子泵)
四、二次离子发射的基本规律
1. 发射离子的种类
（1）纯元素样品 Δ 一价正、负离子及其同位素(保持天然丰度比) Δ 多荷离子：在质谱图上出现在一价离子质量数 的1/2、1/3处 Δ原子团
（2）通氧后 原子团及化合物
（3）有机物样品 分子离子、碎片离子
(给出化合物分子量及分子结构信息)
硅的二次离子质谱－－正谱图
根据级联碰撞导致溅射机理，溅射的中性粒子一部分处 于亚稳激发态，以中性粒子形式逸出表面，在表层外1nm范 围内通过Auger去激发形成二次离子。
（2）断键模型－－由于化合物断键形成正、负二次离子 成功解释： 电负性强的元素为一次离子时，S＋↗ 电正性强的元素为一次离子时，S－↗
（3）局部热平衡模型
在一次离子轰击下，形成处于局部热平衡的等离子体。利 用在热力学平衡下的关系式，从质谱的离子流得到元素含量。
但热平衡等离子体的存在还未得到确认。
（4）原子价模型
确定金属氧化物的二次离子产额的经验公式。
二、二次离子质谱分析技术
1 分析设备简介
2. 主要工作模式
（1）静态SIMS －获得真正表面单层信息
Δ 使分析表面不受环境干扰－－超高真空条件下， 使气体分子打到表面形成一个单层的时间长达 几小时，甚至几天。 通常分析： 1×10-6帕 静态SIMS： 1×10-8帕