Introdução à SIMS – Espectrômetro de Massa de Íons Secundários
Quando uma amostra sólida é pulverizada por íons primários de alguns keV de energia, uma fração das partículas emitidas a partir do alvo é ionizada. A Espectrometria de Massa de Íons Secundários consiste em analisar esses íons secundários com um espectrômetro de massa. A emissão de íons secundários por uma superfície sólida sob bombardeamento de íons fornece informações sobre a composição elementar, isotópica e molecular de suas camadas atômicas superiores. Os rendimentos do íon secundário variam muito de acordo com o ambiente químico e as condições de pulverização (íon, energia, ângulo). Isto pode adicionar complexidade ao aspecto quantitativo da técnica. O SIMS é, no entanto, reconhecido como a técnica mais sensível de análise de superfície isotópica e elementar.
A técnica dos equipamentos SIMS fornece uma combinação única de sensibilidade extremamente alta para todos os elementos, do hidrogênio ao urânio e acima (limite de detecção até o nível de ppb para muitos elementos), imagem de alta resolução lateral (até 40 nm) e um ruído de fundo muito baixo que permite grande alcance dinâmico (mais de 5 décadas). Esta técnica é “destrutiva” por natureza (pulverização de material). Ela pode ser aplicada a qualquer tipo de material sólido (isolantes, semicondutores, metais) que podem ser mantidos a vácuo.
Modo SIMS dinâmico
Enquanto o SIMS estático concentra-se na primeira monocamada superior, fornecendo principalmente caracterização molecular, no modo SIMS dinâmica, a composição da massa e a distribuição em profundidade de elementos-traço são investigadas com uma resolução de profundidade variando de subnanômetros a dezenas de nm.
Os equipamentos SIMS dinâmicos são equipados com feixes iônicos primários de oxigênio e césio para aumentar, respectivamente, as intensidades dos íons secundários negativos e positivos. A partir da superfície (ou passando por uma interface), enquanto a dose de íons primários implantados no alvo aumenta, a concentração da espécie principal (oxigênio ou césio) irá atingir um equilíbrio dependendo das condições de pulverização e da natureza do alvo. Este equilíbrio corresponde ao estado estável de pulverização e, assim que for alcançado, é possível obter uma quantificação confiável com amostras-padrão, usando Fatores de Sensibilidade Relativa.
Uma das principais aplicações do SIMS dinâmico é a análise de distribuição em profundidade de elementos-traço (por exemplo, dopantes ou contaminantes em semicondutores). A energia de impacto do íon é ajustada dependendo da profundidade de interesse e da resolução de profundidade necessária. A baixa energia (até 150 eV) é usada para reduzir a mistura atômica devido às cascatas de colisão e melhorar a resolução de profundidade até o nível subnanométrico. A alta energia (até 20 keV) é selecionada para investigar mais profundamente (dezenas de micrômetros), mais rapidamente (taxa de pulverização de µm por min), e para melhorar os limites de detecção. O sistema SIMS dinâmico também é frequentemente usado em análises de imagens de alta resolução e medições de alta precisão da razão isotópica.
Todos os equipamentos SIMS da CAMECA são otimizados para análise de SIMS dinâmica.
