應(yīng)用分享 | TOF-SIMS質(zhì)量分析器（上）：TRIFT起源及原理

質(zhì)量分析器是質(zhì)譜儀的重要部件，位于離子源和檢測器之間，其功能是將離子源中產(chǎn)生的樣品離子按質(zhì)荷比（m/z）進行分離。三重聚焦飛行時間質(zhì)量分析器(TRIple Focusing Time of flight,簡稱TRIFT)是ULVAC-PHI的TOF質(zhì)量分析器。自1988年搭載TRIFT質(zhì)量分析器的TOF-SIMS設(shè)備商用以來，ULVAC-PHI已將其應(yīng)用于多代TOF-SIMS產(chǎn)品中。經(jīng)過三十多年的持續(xù)優(yōu)化與迭代，TRIFT憑借其寬通能、高景深和較大二次離子接收角等獨特設(shè)計，已成為目前全球性能很出色的靜態(tài)SIMS質(zhì)量分析器之一。本系列文章將介紹TRIFT質(zhì)量分析器的發(fā)展歷程、工作原理及其技術(shù)特點。

一、引言

在介紹TRIFT質(zhì)量分析器之前，我們簡要回顧一下TOF-SIMS的基本原理：使用脈沖一次離子束轟擊樣品表面，可激發(fā)出二次離子。在提取電場的作用下，特定極性的二次離子被加速，其能量關(guān)系如下：

式中：Ekin為二次離子的動能，V0為提取電壓，e、m、v分別為二次離子所帶電荷數(shù)、質(zhì)量和速度。

這些二次離子經(jīng)提取電場加速后，會被賦予相同的動能，并被注入到固定漂移長度的TOF質(zhì)量分析器中。在飛行距離不變的條件下，不同質(zhì)量數(shù)的二次離子到達探測器的飛行時間存在差異：質(zhì)量數(shù)較小的二次離子速度較快，飛行時間較短；質(zhì)量數(shù)較大的二次離子速度較慢，飛行時間較長。因此，通過測量二次離子的飛行時間可以確定其質(zhì)荷比，具體如下所示：

式中：t為二次離子的飛行時間；L0、v分別為TOF質(zhì)量分析器的漂移長度和二次離子飛行速度；e、m、V0分別為二次離子所帶電荷數(shù)、質(zhì)量和提取電場的電壓。

二、質(zhì)荷比高精度測量的挑戰(zhàn)

理論上，只要能精確測量每一個二次離子到達探測器的飛行時間，就能反算出二次離子的質(zhì)荷比。但在實際的檢測過程中，多種物理因素會影響飛行時間的測量精度：

(1)二次離子的初始動能差異

TOF-SIMS的理想情況是所有二次離子被加速至相同的動能，但由于一次離子束具有較高的動能（通常為30 keV），轟擊樣品時會將部分能量傳遞給所激發(fā)的二次離子，導致二次離子初始動能通常不為零。如圖1所示，原子離子的初始動能分布通常集中在5-10 eV，并且會有高達30-100 eV的能量拖尾。初始動能差異會導致相同質(zhì)荷比的二次離子飛行時間出現(xiàn)差異，引起譜峰展寬、拖尾，從而降低質(zhì)量分辨率。

(2)樣品表面平整度

TOF-SIMS分析通常要求樣品表面盡可能平整，若樣品表面粗糙度較大或存在高度差，將會導致二次離子的飛行距離不一致，引起譜峰拖尾等問題。如圖1所示，樣品表面高度每相差1 μm，加速電位差異可達約1.5 eV，進而引起飛行時間漂移和譜峰拖尾。

實際測試中常遇到形貌不規(guī)則或高度不一致的樣品，這對質(zhì)量分析器的帶通能量范圍要求較高。如果質(zhì)量分析器允許二次離子通過的能量范圍較小，分析器可能采集到淺層信號，成像景深會變差。

圖1. 樣品表面平整度與二次離子初始動能差異對TOF-SIMS分析的影響

(3)二次離子發(fā)射角

在二次離子的激發(fā)過程中，二次離子出射時具有隨機方向性，會從不同方向離開樣品表面。如圖2所示，當二次離子發(fā)射角與質(zhì)量分析器的光路中心存在夾角時，二次離子在質(zhì)量分析器中的實際飛行路徑會變長，導致飛行時間差。直接采集較大發(fā)射角的二次離子將導致譜峰變形與拖尾。

圖2. 二次離子發(fā)射角對TOF-SIMS分析的影響

綜上，如何有效補償由樣品高度差、初始動能差異和發(fā)射角帶來的飛行時間偏差，并擴大二次離子接收范圍，是實現(xiàn)高分辨TOF-SIMS測量的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這就要求質(zhì)量分析器具備精密的離子光學設(shè)計，以抑制這些因素對精度的影響。

在下一篇文章中，我們將深入解析TRIFT質(zhì)量分析器獨特的光路結(jié)構(gòu)，并展示其在復雜形貌樣品分析中的優(yōu)異表現(xiàn)，敬請關(guān)注。

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