二次離子質譜自問世起，就備受關注，因其高分辨率、高精度、高靈敏等特征，廣泛應用于地球化學、天體化學、半導體工業、生物等研究中。今天我們就一起看一看SIMS 技術為何備受關注。
二次離子質譜儀(Secondary-ion mass spectrometry，SIMS)也稱離子探針，是一種使用離子束轟擊的方式使樣品電離，進而分析樣品元素同位素組成和豐度的儀器，是一種高空間分辨率、高精度、高靈敏度的分析方法。檢出限一般為ppm-ppb級，空間分辨率可達亞微米級，深度分辨率可達納米級。被廣泛應用于化學、物理學、生物學、材料科學、電子等領域。
1、SIMS分析技術
一定能量的離子打到固體表面會引起表面原子、分子或原子團的二次發射，即離子濺射。濺射的粒子一般以中性為主，其中有一部分帶有正、負電荷，這就是二次離子。利用質量分析器接收分析二次離子就得到二次離子質譜。圖1是二次離子質譜工作原理圖。
圖1 二次離子質譜工作原理圖
離子探針實際上就是固體質譜儀，它由兩部分組成：主離子源和二次離子質譜分析儀。常見的主離子源有Ar＋、Xe＋、O-、O2+、Cs+、Ga+……從離子源引出的帶電離子如Cs+、或Ga+等被加速至keV～MeV能量，被聚焦后轟擊樣品表面。
高能離子進入樣品后，一部分入射離子被大角度反彈出射，即發生背散射，而另一部分則可以深入到多個原子層，與晶格原子發生彈性或非彈性碰撞。這一過程中，離子所帶能量部分或全部轉移至樣品原子，使其發生晶格移位、激發或引起化學反應。經過一系列的級聯碰撞，表面的原子或原子團就有可能吸收能量而從表面出射，這一過程稱為離子濺射。
濺射出的粒子大部分為電中性，只有小部分是帶電的離子、分子或團簇。攜帶了樣品表面成分信息的二次離子出射之后，被引出電場加速后進入分析系統并被探測器所記錄。經過計算機分析，就可以得到關于表面信息的能譜。譜中的計數與樣品的各種成分原子濃度有關，通過與標準樣品的對比，就可以得到待測樣品中的原子濃度。圖2是一次電子轟擊樣品表面產生濺射粒子的示意圖。
圖2 一次束轟擊樣品表面
發生離子濺射時，描述濺射現象的主要參數是濺射閾能和濺射產額。濺射閾能指的是開始出現濺射時，初級離子所需的能量。濺射產額決定接收到的二次離子的多少，它與入射離子能量、入射角度、原子序數均有一定的關系，并與靶材晶格取向有關。
2、SIMS儀器類型
根據微區分析能力和數據處理方式，可以將SIMS分為三種類型：
(1)非成像型離子探針。用于側向均勻分布樣品的縱向剖析或對樣品最外表面層進行特殊研究；
(2)掃描成像型離子探針。利用束斑直徑小于10Lm的一次離子束在樣品表面作電視形式的光柵掃描，實現成像和元素分析；
(3)直接成像型離子顯微鏡。以較寬(5～300Lm)的一次離子束為激發源，用一組離子光學透鏡獲得點對點的顯微功能。
根據一次束能量和分析縱向，二次離子質譜可分為靜態二次離子質譜(SSIMS)和動態二次離子質譜(DSIMS)兩種。SSISM一般都采用流強較低的初級離子束，轟擊僅影響表面原子層，對樣品的損傷可忽略不計，被稱為是靜態二次離子質譜。相反，DSISM則一般使用流強較大的初級離子束，將樣品原子逐層剝離，從而實現深層原子濃度的測量，因此也被稱為動態二次離子質譜。
3、二次離子質譜的主要應用
根據工作模式的不同，二次離子質譜要有3個方面的應用，分別是表面質譜、表面成像和深度剖析。
1）元素及同位素分析
2）表面質譜
與其他常規分析手段相比，二次離子質譜的顯著特點便是很高的靈敏度，例如，對半導體材料中硼、磷、砷等雜質的分析靈敏度可達0.2～20×10－6。這種高靈敏度的雜質分析，是現代半導體工藝中質量控制是不可或缺的。
3）表面成像
表面成像是利用二次離子束對樣品的待測區域進行逐點掃描，從而得到該區域內特定原子或分子的分布圖像。此外，二次離子質譜所獨具的高靈敏度和高空間分辨率也得到了越來越多的生命科學研究者的關注，將其用于生物樣品的分子成像。
4）深度剖析
深度剖析要求對樣品表面的原子實現快速逐層剝離，因此采用較強的束流。實際工作中會經常采用雙束，即用束斑較大的強束流用于剝離并產生平底的凹坑，同時用束斑較小的弱束流用于對凹坑底部中心區域的質譜分析。
在半導體制造工藝中，擴散的過程對器件的許多性能指標具有決定性的影響，擴散層和雜質的分布直接決定了器件諸如頻率、放大、耐壓等參數。而二次離子質譜所具有的高靈敏度和空間分辨率就為μm尺度擴散區雜質濃度測定分析提高了理想的工具。
4、SIMS的特點
SIMS的主要優點：
(1)在超高真空下(<10-7Pa)進行測試，可以確保得到樣品表層的真實信息；
(2)原則上可以完成周期表中幾乎所有元素的低濃度半定量分析；
(3)可檢測同位素；
(4)可分析化合物；
(5)具有高的空間分辨率；
(6)可逐層剝離實現各成分的縱向剖析，連續研究實現信息縱向大約為一個原子層；
(7)檢測靈敏度高。
當然，SIMS自身也存在一定的局限性，主要在于：
(1)分析絕緣樣品必須經過特殊處理；
(2)樣品組成的不均勻性和樣品表面的光滑程度對分析結果影響很大；
(3)濺射出的樣品物質在鄰近的機械零件和離子光學部件上的沉積會產生嚴重的記憶效應。
5、結語
離子探針(SIMS)技術是一種高空間分辨率、高精度、高靈敏度的分析方法。它作為目前最為先進的微區分析手段，已經得到了令人矚目的發展。隨著SIMS技術的不斷發展，在化學、物理學、生物學、材料科學、電子、地球科學方面的應用越來越廣泛，對SIMS技術的應用的探究也越來越多。相信其將在地球科學研究方面做出重大的貢獻。
