詹姆斯-惠特比、莱克斯-皮拉齐
TOFWERK, 瑞士
薄膜分析
具有所需机械、电气和光学特性的薄膜在现代生活中无处不在，其应用范围从简单的保护或抗反射涂层到工具的硬层以及半导体晶片上的复杂多层结构。复杂基底上的薄膜在锂离子电池等清洁能源存储应用中也越来越重要。 这种先进薄膜的沉积，尤其是在形状复杂的小部件上的沉积，是一项具有挑战性的工艺，需要复杂的开发和验证活动。使用 fibTOF 二次离子质谱仪可提供有关层结构元素组成的信息，从而加速这一发展。这些信息涉及表面和埋藏层（如粘附层）的化学均匀性、污染物（通常存在于两层之间的界面）的检测以及层间界面的清晰度。虽然二次离子质谱法早已用于分析薄膜 [1]，但 fibTOF 提供了高分辨率的化学图像，并且无需在分析前选择感兴趣的元素，从而推动了该方法的发展。 在本应用说明中，我们将介绍两个使用 fibTOF 进行无机薄膜测量的示例。.
例 1：垂直腔表面发射激光器
图 1 显示的是垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 部分的深度剖面图，该激光器由五个增益区组成，使用了外延键合的 AlGaInAs-InP 和由许多 GaAs-AlAs 交替层组成的分布式布拉格反射器。有关此类器件的结构和工作原理，请参见 Iga [2]。图 2 显示了铝深度剖面的放大图，叠加在器件结构上，显示了增益区内的结构。.
深度剖面图是使用 fibTOF 仪器采集的，该仪器用于测量聚焦离子束显微镜（本例中使用 Ga+ 离子）产生的次级，使用的 VCSEL 样品与 Whitby 等人[3]报告的相同。深度分辨率优于 8 纳米，横向分辨率优于 25 纳米。重要的是要认识到，即使是更薄的纳米厚度层，如铬、钛或氧化钛的附着层，也能被检测到。.
例 2：确认薄膜叠层中是否存在粘附层
在这个例子中，fibTOF 的测量结果用于回答金涂层和钽酸锂基底之间的界面是否存在附着层（认为是钛和/或铂）的问题。.
确认在金涂层和基底之间存在铂粘合层。在这台仪器上，m/q 197 处的金信号无法完全从二氧化钛信号中分离出来。+, 而其他氧化钽同位素的丰度太低，无法提供帮助。然而 先验 有关样品成分的信息使解释更加明确。虽然应该以开放的心态来分析质谱信息，但利用所掌握的任何有关样品（或测量系统中的典型污染物）的信息也很重要。从图中可以看出，另一种技术是利用来自 GaPt+ 在这种材料中，它比铂更强，等压干扰的风险也更小。+ 离子信号。.
获得最佳深度轮廓的技巧
- 为了获得最佳的深度分辨率，聚焦离子束应具有尽可能低的能量，同时又不会使光斑尺寸增大到导致形状质量下降。.
- 在根据获取的数据制作深度剖面图时，必须调整相关区域的横向边缘，以便只使用坑中心的数据，从而避免出现坑壁倾斜的碾压坑。.
- 陨石坑底部应保持平整，通常需要对聚焦离子束、像素大小、扫描速率或束流进行一些调整。.
- 在某些条件下，某些材料在使用聚焦离子束研磨时会出现粗糙或波浪状表面[4]。这会降低深度分辨率，但可以通过稍微改变平台角度、改变光束条件或使用辅助气体（如果 FIB-SEM 仪器有气体注入系统）来解决。.
- 如果需要更大的取样区域，则应在多个地方进行测量，以确保薄膜的均匀性（例如，在晶片的中心和边缘，或在离 ALD 前驱体入口喷嘴较近和较远的地方）。.
薄膜分析的补充技术
研究薄膜成分和结构的 FIB-SIMS 补充方法包括 X 射线反射仪、X 射线荧光仪、椭偏仪或辉光放电剖面仪--只要薄膜层在几毫米的尺度上是均匀的。制作薄膜的横截面（机械或 FIB）可以帮助了解分层结构。对于较厚的薄膜，可使用 EDX 或（近场）拉曼显微镜等技术来获取有关成分和结构的信息[5]。为获得有关深度剖面中观察到的特征深度的准确信息，可使用原子力显微镜测量 FIB 凹坑的深度。.
参考资料
[1] Zinner, E. 利用二次离子质谱进行深度剖析。. 扫描 3, 1980.
DOI: 10.1002/sca.4950030202
[2] Iga, K. 《表面发射激光器--它的诞生和新光电子学领域的产生》。. IEEE J. Sel.Top.Quant., 2000. doi: 10.1109/2944.902168
[3] Whitby 等人.用于质谱的高空间分辨率飞行时间二次离子质谱：带有原位原子力显微镜的新型正交 ToF FIB-SIMS 仪器. Adv.科学工程, 2012. doi: 10.1155/2012/180437
[4] Shenoy, V. B. .; Chan W. L.; Chason, E. 合金表面溅射诱发的成分调制波纹、, 物理评论快报., 2007. DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.256101
[5] Gucciardi 等人.近场拉曼光谱学与成像. .应用扫描探针方法, Springer, Berlin, Heidelberg, 2006。. DOI: 10.1007/978-3-540-37316-2_10
