ToF-SIMS

Bondkontakte in elektronischen Komponenten, die sich lösen. Dünnschichtbasierte Laserspiegel, deren Werte für die Zerstörschwellen nicht den Anforderungen entsprechen. Eintrübungen in optischen Bauteilen und Substraten. Sich von Oberflächen lösende Schutzlackierungen. All dies sind Beispiele für Problemstellungen, bei denen Verfahren der analytischen Mikrostrukturdiagnostik eingesetzt werden, um die Ursachen aufzuklären und Defektrisiken zu minimieren oder zu beseitigen. Die Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (engl. Time of Flight, ToF-SIMS) bietet dafür insbesondere in der Oberflächenanalytik herausragende Möglichkeiten und ist vielen anderen Verfahren überlegen.

Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) inklusive energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), Rasterkraftmikroskopie (engl. Atomic Force Microscopy, AFM), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (engl. X-ray photoelectron spectroscopy, XPS), Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie (FTIR) oder Ramanspektroskopie bieten vielfältige Möglichkeiten und sind wertvolle Werkzeuge der Materialdiagnostik. Für die oben beschriebenen Herausforderungen sind sie aber in der Regel nicht ausreichend oder können nur Teilaspekte beantworten. Weil die Nachweisempfindlichkeit unzureichend ist. Weil die Oberflächensensitivität fehlt. Oder aber weil zwar einzelne Elemente, aber keine Verbindungen nachgewiesen werden können.

ToF-SIMS hebt viele dieser Nachteile auf. Das Verfahren liefert detaillierte elementare und molekulare Informationen über die Oberfläche, Dünnschichten und Grenzflächen der Probe und ermöglicht eine vollständige dreidimensionale Analyse. Am Fraunhofer IMWS wird das Verfahren mit modernsten Geräten für die Mikrostrukturaufklärung in verschiedenen Materialklassen (z.B. Halbleiter, Beschichtungen, Kunststoffe, Glas, Keramiken, Lacke) genutzt, basierend auf der langjährigen Erfahrung unseres wissenschaftlichen Teams in Zusammenarbeit mit der Industrie. Somit können am Fraunhofer IMWS, auch durch die Kombination mit anderen Methoden, tragfähige Nanoanalytik-Lösungen für Defektaufklärung und die Charakterisierung von Werkstoffen angeboten werden. Die Technik bietet eine sehr hohe Oberflächenempfindlichkeit (Informationstiefe < 1 nm), eine sehr hohe Nachweisempfindlichkeit für fast alle Elemente (auch sehr leichte Elemente wie Wasserstoff, Lithium und Bor) sowie die Möglichkeit, neben Elementen auch chemische Verbindungen nachzuweisen.

Bei der Time-of-Flight- Sekundärionenmassenspektrometrie wird die zu untersuchende Probe mit einem Primärionenstrahl beschossen. Dabei werden aus den obersten Atomlagen der Probe Sekundärionen freigesetzt. Diese durchlaufen einen Flugzeit-Massenspektrometer, in dem sie einem elektrostatischen Feld ausgesetzt sind und am Ende der Flugbahn von einem Detektor erfasst werden. In diesem Feld bewegen sich Ionen, die unterschiedliche Massen haben, unterschiedlich schnell: Leichte Ionen durchfliegen das Feld schneller und erreichen eher den Detektor, schwere Ionen sind langsamer und kommen später am Detektor an. Aus den Unterschieden der Flugzeit lässt sich auf die Masse der Ionen rückschließen, die wiederum Aussagen darüber erlaubt, um welches Element es sich handelt.

Durch die verwendeten, sehr geringen Primärionenströme, die in der Regel nur die obersten 1-2 atomaren Schichten abtragen, ist die Oberflächenanalyse hierbei quasi zerstörungsfrei. Aber auch Informationen über tieferliegende Probenbereiche können durch abtragenden Ionenbeschuss problemlos und mit hoher Sensitivität generiert werden. Hierbei sind laterale Auflösungen im Bereich < 100 nm und Tiefenauflösungen sogar im sub-nm-Bereich möglich. Das am Fraunhofer IMWS verwendete ToF-SIMS-Gerät bietet noch dazu die Möglichkeit, Tiefenprofilierungen durch Verwendung einer speziellen Ionenquelle auch in organischen Probenaufbauten durchzuführen.