TOFTOFTOFTOF----SIMSSIMSSIMSSIMS 入門入門入門入門セミナーセミナーセミナーセミナー A-12-0206

〒520-2392 滋賀県野洲市市三宅 800 番地 株式会社アイテス 品質技術 TEL：077-599-5020、FAX：077-587-5901

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ＴＯＦ－ＳＩＭＳ入門セミナー 第 1 回

技術営業 山本 陽一

概 要

１．TOF-SIMS とは

TOF-SIMSとは飛行時間型二次イオン質量分析装置（Time of Flight Secondary

Ion Mass Spectroscopy) の略です。

２．TOF-SIMS の簡単な原理

高真空中で、金、ビスマス、ガリウムなどの金属をイオン化し（一次イオン）、電圧をか

けて加速した後、分析したい試料表面に当てます。当てるイオンは非常に時間の短いパル

スにして、試料に当てます。そうすると試料表面の一部の分子はイオン化され、飛び出し

てきます。この飛び出したイオン（二次イオン）に電圧をかけて引き出します。引き出さ

れたイオンはある一定の距離を飛び、検出器に到達します。引き出すための電圧が一定で

すので、イオンが飛んでいる時間は質量によって決まります。

このことから、一次イオンのパルスが当たってから二次イオンが検出器に到達するまで

の時間が分かれば、二次イオンの質量が分かることになります。ただし、飛び出してきた

二次イオンは、元の分子が結合の弱い所でいくつかに分かれた状態（フラグメント）にな

っていますので、まず分かれた分子を推定し、それらを組み合わせて元々付着していた分

子を推定することになります。この作業は知識と経験のいる作業となります。

一次イオン

二次イオン

サンプル

Fig.1 二次イオンの発生概念図

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３．TOF-SIMS の特徴

1）二次イオンの出てくる深さが、１～２ｎｍ程度のため、最表面の分析ができます。

2）一次イオンが短いパルスとして試料に当てられるため、有機物の分子が完全に壊れず、

いくつかの部分に分かれた二次イオンとして出てきます。このことから、元の分子が

何であったか、推定することが可能です。

3）ｐｐｍ程度の高感度で有機物、無機物を検出することが可能です。

４．TOF-SIMS でできること

1) 有機物による ppm オーダーの微量な汚染を分析することが可能です。

2) 無機物も同様に ppm オーダーで分析できます。

3) 各フラグメントの面での分布を見ることができます。

4) 深さ方向の元素分析ができます。

5) 有機系の分析で最小５μm 程度、無機系の場合は１μm 程度までの分析が可能です。

HDetector

m2=L

m

eVv

2=

Sample

τ∆

V000,2−=V

E

0.7 nsec. 0.7 nsec.

H

H2

CH3C2H5

Na H

H2

CH3C2H5

Na

H2CH3NaC2H5

100 µsec.

HDetector

m2=L

m

eVv

2=

Sample

τ∆

V000,2−=V

E

0.7 nsec. 0.7 nsec.

H

H2

CH3C2H5

NaH

H2

CH3C2H5

Na H

H2

CH3C2H5

NaH

H2

CH3C2H5

Na

H2CH3NaC2H5

100 µsec.100 µsec.

Fig.2 TOF-SIMS における二次イオンの分析概念図

100μsec の周期で一次イオンを照射し、発生する二次イオンを

検出器に導く。

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SiSiH

SiHŽ

�SiCH

�SiCH OSiCŽH“

SiCŽH”

�SiC H•� �SiC H Œ

SiCŽH“O

[amu]20 40 60 80

5x10

1.0

2.0

3.0

4.0

�SiŽC‘H ‘O

� � �Si C‘H ‘OSi‘C•HŽ“O‘x 5

[amu]200 300 400 500

5x10

0.5

1.0

1.5

2.0

Compression Factor: 62

Compression Factor: 92

SiO2

(nm)Depth

10 20 30

Intensity

102

103

104

105

101

106

(nm)Depth

10 20 30Depth

10 20 3010 20 30

Intensity

102

103

104

105

101

106

102

103

104

105

101

106

Si

18O

SiN

6-nm SiON Gate Oxide

Fig.3 一般的な質量スペクトル

Fig.5 イメージマップ

(Si ウェハ表面の汚染分布)

Fig.6 深さ方向分析

(Si 上の Si 酸化膜、窒化膜)

Fig.4 高分解能質量スペクトル（フタロシアニングリーン）

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５．TOF-SIMS で出来ないこと

1) 定量分析が出来ません。共存する元素によって、二次イオンの発生強度が異なるため

単純な定量分析ができません。類似組成の試料においての二次イオン強度の比較を

行って量的な大小関係を把握することは可能です。

2) 最表面しか分析できないため、数ｎｍ以上深いところは検出出来ません。

このため、バルクの分析には不向きです。