离子探针

离子探针的组成

　　主要包括四部分：

　　1、能够产生加速和聚焦一次离子束的离子源；

　　2、样品室和二次离子引出装置；

　　3、能把二次离子按质荷比分离的质量分析器；

　　4、二次离子检测和显示系统及计算机数据处理系统等。

离子探针的分类

　　离子探针大致可为以下几类：

　　1.非成像离子探针

　　2.离子显微镜

　　3.扫描离子微探针

　　4.图像解剖离子探针

离子探针的原理

　　离子探针的原理是利用能量为1～20KeV的离子束照射在固体表面上，激发出正、负离子（溅射），利用质谱仪对这些离子进行分析，测量离子的质荷比和强度，从而确定固体表面所含元素的种类和数量。

　　被加速的一次离子束照射到固体表面上，打出二次离子和中性粒子等，这个现象称作溅射。溅射过程可以看成是单个入射离子和组成固体的原子之间独立的、一连串的碰撞所产生的。 右图说明入射的一次离子与固体表面的碰撞情况。

　　入射离子一部分与表面发生弹性或非弹性碰撞后改变运动方向，飞向真空，这叫作一次离子散射；另外有一部分离子在单次碰撞中将其能量直接交给表面原子，并将表面原子逐出表面，使之以很高能量发射出去，这叫作反弹溅射；然而在表面上大量发生的是一次离子进入固体表面，并通过一系列的级联碰撞而将其能量消耗在晶格上，最后注入到一定深度（通常为几个原子层）。固体子受到碰撞，一旦获得足够的能量就会离开晶格点阵，并再次与其它原子碰撞，使离开晶格的原子增加，其中一部分影响到表面，当这些受到影响的表面或近表面的原子具有逸出固体表面所需的能量和方向时，它们就按一定的能量分布和角度分布发射出去（如图中Ⅱ）。通常只有2-3个原子层中的原子可以逃逸出来，因此二次离子的发射深度在1nm左右。可见，来自发射区的发射粒子无疑代表着固体近表面区的信息，这正是SISM能进行表面分析的基础。

　　一次离子照射到固体表面引起溅射的产物种类很多，其中二次离子只占总溅射产物的很小一部分（约占0.01-1%）。影响溅射产额的因素很多，一般来说，入射离子原子序数愈大，即入射离子愈重，溅射产额愈高；入射离子能量愈大，溅射产额也增高，但当入射离子能量很高时，它射入晶格的深度加大将造成深层原子不能逸出表面，溅射产额反而下降。

电子探针的特点

　　1. 由于离子束在固体表面的穿透深度（几个原子层的深度）比电子束浅，可对这样的极薄表层进行成份分析。

　　2. 可分析包括氢、锂元素在内的轻元素，特别是氢元素，这种功能是其它仪器不具备的。

　　3. 可探测痕量元素（～50×10-9，电子探针的极限为～0.01%）。

　　4. 可作同位素分析。

离子探针的应用

　　1、金属样品

　　这是理想的样品，不会荷电。提出首先可用SEM 直接找出感兴趣的分析区。使用剖面样品和使用扫描离子探针，沿剖面线扫描的方法是一种有用的技术，可作为动态SIMS 的补充。可用于金属氧化物成长、腐蚀、焊接、应力失效断裂和晶粒间界偏析等方面的研究。

　　2、半导体器件

　　检测掺杂分布剖面和层形结构。随着超大规模集成电路的发展，扫描离子探针分析越来越重要。

　　3、非导体样品

　　高聚物和玻璃产品是典型绝缘样品。为子解决荷电问题，火焰光度计已开发出了微聚焦扫描原子束，可以对绝缘样品产生高质量的离子像。但当横向分辨率需优于5μm 时，上述源就不能满足要求了。此时仍需用聚焦微离子束。这方面己成功地得到了家蝇复眼的离子像。应用的另一个领域是复合材料，尤其是研究这类材料破裂界面的情况。

离子探针的研究分析

　　1. 表面分析：诸如催化、腐蚀、吸附、和扩散等一些表面现象均通过SISM获得了成功的分析研究。

　　2. 深度剖面分析：在薄膜分析、扩散和离子诸如等有关研究中，SISM是测定杂质和同位素的深度浓度 分布最有效的表面分析工具。

　　3. 面分析：通过离子成像法可以提供关于元素横向分布的信息和适当条件下单定量信息。目前离子成像已经用于研究晶界析出物、冶金和单晶的效应、横向扩散、矿物相的特征以及表面杂质分布等。

　　4. 微区分析：用于元素的痕量分析、杂质分析、空气中悬浮粒子的分析等。

　　5. 体分析：由于离子探针有许多优点，故自问世以来在半导体、金属、矿物、环境保护、同位素和催化剂各个方面的应用都有很大发展。