Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
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FAQ

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  • ToF-SIMS steht für Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, zu Deutsch: Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie. Es handelt sich dabei um eine Methode zur Analyse von Materialoberflächen und -gefügen.

  • Das Messprinzip beruht darauf, dass die zu untersuchende Oberfläche einer Probe dem gepulsten Beschuss mit Primärionen ausgesetzt wird. Treffen diese Primärionen auf die Probe, werden aus der Probe Sekundärionen herausgeschlagen. Diese Sekundärionen sind positiv oder geladen, lassen sich also innerhalb eines negativ oder positiv gepolten Felds gezielt in eine Richtung steuern. In ToF-SIMS-Geräten werden sie so in einen Flugzeitanalysator geführt und dort nach ihren Massen getrennt. Dies wird möglich, weil sich Ionen, die unterschiedliche Massen haben, im elektrostatischen Feld unterschiedlich schnell bewegen: Leichte Ionen durchfliegen das Feld schneller und erreichen eher den Detektor, schwere Ionen sind langsamer und kommen später am Detektor an. Aus der Flugzeit kann also die Masse ermittelt, und aus dieser dann abgeleitet werden, um welches Element es sich handelt.

  • Prinzipiell können fast alle Elemente und Verbindungen gemäß ihren unterschiedlichen Massen mit hoher Sensitivität getrennt und nachgewiesen werden. Einschränkungen gibt es bei der Analyse von Wasserstoff, von Stickstoff und bei Edelgasen. Das am Fraunhofer IMWS verwendete ToF-SIMS-Gerät bietet durch Verwendung einer speziellen Ionenquelle die Möglichkeit, Tiefenprofilierungen auch in organischen Probenaufbauten durchzuführen. Durch eine Kühlfunktion können auch flüchtige Materialien mit ToF-SIMS untersucht werden.

  • ToF-SIMS bietet vielfältige Möglichkeiten für die Materialdiagnostik, insbesondere für die Oberflächenanalytik. Die Methode wird beispielsweise für die entwicklungsbegleitende Charakterisierung, die Analytik von Oberflächen und Grenzflächen, Werkstoff- und Materialdiagnostik, Qualitätskontrolle, Fehlerdiagnostik sowie die Untersuchung von Beschichtungen und Schichtsystemen eingesetzt. Am Fraunhofer IMWS wird das Verfahren vor allem für anwendungsorientierte Fragestellungen in den Themenfeldern Mikroelektronik und optische Materialien genutzt, beispielsweise für die Untersuchung von Bondkontakten in elektronischen Komponenten, Hightech-Laserspiegeln oder innovativen Schutzlackierungen.
    Grundsätzlich werden zwei Analysemöglichkeiten (Messmodi) unterschieden:

    • Oberflächenanalyse: Zur quasi zerstörungsfreien Spurenanalyse von Elementen und zur Identifizierung (komplexer) organischer und anorganischer Verbindungen an Oberflächen (2-5 Monolagen Nachweistiefe). Als Primärionenquelle dient hier ein BiMn-Emitter.
    • Tiefenprofilanalyse: Zur tiefenaufgelösten Spurenanalyse von Elementen im Festkörpervolumenund zur Charakterisierung von Dünnschichtsystemen (Tiefenauflösung im Sub-nm-Bereich). Zum sukzessiven Abtrag der Oberfläche bei der Tiefenprofilierung anorganischer Materialsysteme kommen hier Cs+ oder O2+ - Ionenquellen zum Einsatz. Weiterhin ermöglicht die Verwendung einer speziellen, am Fraunhofer IMWS zur Verfügung stehenden GCIB (Glas Cluster Ion Beam) Ionenquelle die tiefenaufgelöste Analyse von komplexen organischen und anorganischen Molekülen, ohne die langkettigen Fragmente zu zerstören.

     

  • Methoden wie REM, TEM, AFM, FTIR- oder Ramanspektroskopie bieten vielfältige Möglichkeiten, sind aber für einige Fragestellungen insbesondere in der Oberflächenanalytik limitiert hinsichtlich der Nachweisempfindlichkeit, Oberflächensensitivität oder der Möglichkeit, nicht nur einzelne Elemente, sondern auch Verbindungen nachweisen zu können. ToF-SIMS erweist sich dann häufig als geeignetes Mittel der Wahl, denn die Methode liefert detaillierte elementare und molekulare Informationen über die Oberfläche der Probe. Das Verfahren 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) und ist nahezu zerstörungsfrei, weil die sehr geringen Primärionenströme in der Regel nur die obersten 1-2 atomaren Schichten der Probe abtragen. Aber auch Informationen über tieferliegende Probenbereiche können durch abtragenden (nicht zerstörungsfreien) Ionenbeschuss problemlos und mit hoher Sensitivität generiert werden. Hierbei sind laterale Auflösungen im Bereich < 100 nm und Tiefenauflösungen sogar im sub-nm-Bereich möglich, wodurch auch eine dreidimensionale Darstellung der Element- und Verbindungsverteilung im analysierten Probenvolumen angefertigt werden kann.

  • Am Fraunhofer IMWS stehen hochmoderne ToF-SIMS-Geräte zur Verfügung.

    Am Fraunhofer IMWS werden ToF-SIMS-Messungen an den Geräten TOF-SIMS5-100 (Massen größer 9000 u, räumliche Auflösung < 150 nm bei Imaging, < 300 nm bei UMR und ~ 7 µm bei HMR) und TOF-SIMS M6 (Massen größer 12.000 u, räumliche Auflösung < 50 nm im Ultimate Imaging Mode und < 90 nm im Fast Imaging Mode) der Firma iontof durchgeführt. Letzteres bietet zusätzlich die Möglichkeit, die beschriebene Tiefenprofilierung durch Verwendung einer speziellen Ionenquelle auch in organischen Probenaufbauten durchzuführen. Die maximalen Maße einer Probe sind 70 mm x 50 mm x 19 mm. Unter Verwendung einer Kühlfunktion können auch flüchtige (bzw. nicht Vakuum-kompatible) Proben (mittels flüssigen Stickstoffs) bis auf -180 °C gekühlt und somit nachgewiesen werden. So lassen sich zum Beispiel auch Ethanol oder Wasser im Ultrahochvakuum nachweisen. Der Messbereich liegt typischerweise im Bereich von …10x10µm² bis 500x500µm², Proben können im Gerät gedreht, rotiert und gekippt werden.
    Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts verfügen über exzellente Kenntnisse dieser Methode, die am Fraunhofer IMWS bereits seit 2007 genutzt wird, ebenso wie über vielfältige Möglichkeiten zur effizienten Probenpräparation. Zusätzlich steht ein weites Spektrum an weiteren Verfahren zur Nanoanalytik und Charakterisierung von Oberflächen und Probenvolumina zur Verfügung.