Die Abkürzung TOF-SIMS ist ein Akronym für die Kombination der Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) mit einem Flugzeit (TOF) -Massenanalysator.

Die zu untersuchende Probe wird mit einem primären Ionenstrahl mit einer kinetischen Energie von einigen keV beschossen. Die Ionen kollidieren mit der Oberfläche, geben dabei ihre Energie ab und erzeugen eine Stoßkaskade. Diese führt zum herauslösen einzelner Oberflächenatome und -moleküle, bzw. von Clustern und Fragmenten. Einige dieser Sekundärpartikel liegen als Ionen vor und können nach ihrer Masse getrennt analysiert werden.

Für die Massentrennung wird das Flugzeit- (Time-of-Flight) Prinzip verwendet. Partikel unterschiedlicher Masse erreichen bei gleicher Beschleunigungsspannung eine unterschiedliche Geschwindigkeit. Die beschleunigten Partikel legen im Analysator eine bestimmte Strecke zurück und erreichen den Detektor zu unterschiedlichen Zeiten, je leichter der Partikel desto schneller ist er. Da Zeiten mit sehr hoher Genauigkeit messbar sind, erreicht man mit dieser Methode eine sehr hohe spektrale Massenauflösung und man bekommt ein sehr genaues Abbild der Probenoberfläche und ihrer Zusammensetzung. Der Ablauf ist in dem Film in Abbildung 1 dargestellt.

Mit dieser Methoden erreicht man eine Ortsauflösung < 100 nm, mit einer Oberflächenempfindlichkeit auf die ersten 1-2 Lagen der Probe. Tiefenprofile mit einer Tiefengenauigkeit von < 1nm und einer Messgeschwindigkeit von bis zu 10µm/h sind erreichbar.

Mit der Integrierten fokussierten Ionenstrahl Quelle (FIB)  ist es möglich sauber Querschnittsflächen von hochporösen Oberflächen und Schichtstrukturen mit stark unterschiedlicher Ionen-Ätzrate zu erzeugen und diese Querschnitte dann zu untersuchen. Die Erzeugung eines solchen Krater ist in dem Film in Abbildung 2 gezeigt. Der Krater hat eine Größe von etwa 30µmx15µm bei einer Tiefe von ca. 20µm. Dauer etwa 6h.

Wir verwenden am ICAN das TOF.SIMS 5 von Ion-TOF.

Abbildung 1: Darstellung des Time-of-Flight Prinzips. Animation bereitgestellt von der Ion-TOF GmbH.

Abbildung 2: Sekundärelektronenbilder der Erzeugung eines FIB-Kraters in dotiertem Diamant zur Untersuchung der freigelegten Querschnittsfläche. Größe des Kraters etwa 30µm x 15µm x 20µm. Dauer etwa 6h.