La Spectrométrie de Masse d’Ions Secondaires à Temps de Vol (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry " ToF-SIMS ") est une méthode d’analyse élémentaire et moléculaire à très haute sensibilité de l'extrême surface (‹ 1 nm). Il est également possible d'obtenir un profil jusqu'à 20 µm en alternant des cycles d'analyse et d'abrasion avec un clusters d'Argon (GCIB) pour les matériaux organiques ou un canon à Césium (Cs⁺) et Oxygène (O₂⁺) pour les matériaux inorganiques.
Tous les matériaux compatibles avec l’ultra-haut vide (10^-10 mbars) peuvent être analysés avec cette technique.

Le ToF-SIMS permet de détecter des traces d'éléments jusqu'au ppb en extrême surface (< 1 nm) et jusqu'à 20 µm en mode profil sur des échantillons de tous types compatibles avec le vide.

Une source pulsée d’ions primaires mono ou multi-atomiques (Ga⁺, Bi_n⁺, Au⁺, C₆₀⁺, …) possédant une énergie de quelques keV bombarde la surface de l’échantillon. L'interaction entre la matière et ces ions est à l'origine de différents types d'émission, le ToF-SIMS s'intéresse aux ions secondaires positifs et négatifs. 

En mode statique, il met en œuvre une dose totale d’ions primaires inférieure à 10¹²  ions par cm², soit moins d’un ion primaire pour 1 000 atomes de la surface, afin d'acquérir un spectre. Le ToF-SIMS est en conséquence une méthode d’ionisation douce qui permet l’analyse moléculaire de surface.

Les ions secondaires formés sont alors focalisés et accélérés avec une même énergie cinétique dans l’analyseur à temps de vol qui les sépare en fonction de leur rapport m/z avec une très bonne résolution en masse (ΔM/M > 10 000 à la masse 28). Les spectres de masse obtenus représentent l’intensité des ions secondaires en fonction de leur temps de parcours, qui est proportionnel à la racine carrée du rapport m/z.

Grâce à un dispositif de balayage du faisceau d’ions primaires, il est possible d'obtenir une cartographie des différents éléments présents avec une résolution submicronique.

En alternant des séquences d’acquisition et d’abrasion, un profil de composition peut être tracé avec une résolution nanométrique en profondeur.
 

SPECTRES DE MASSE

Acquisition du spectre de masse sur une profondeur < 1 nm
Les ions secondaires, positifs et négatifs, sont majoritairement mono-chargés (z = ±1), ceux multi-chargés n’apparaissent que dans les spectres d’échantillons monoatomiques (par exemple : l’aluminium). Les spectres sont calibrés en masse et analysés qualitativement sur base des éléments atomiques et de leurs combinaisons moléculaires.

IMAGES IONIQUES

Cartographie des différents éléments et composés moléculaires avec une résolution submicronique
Le faisceau d’ions primaires réduit à un spot de faible diamètre balaie la surface à imager. L’optique secondaire d’extraction et d’analyse en masse est fixe. L’image est reconstruite par synchronisation du signal secondaire avec le balayage du faisceau primaire. La résolution latérale des images dépend de la taille du micro-faisceau (de 100 nm à 3 µm de diamètre selon les conditions d’analyse).

PROFILS EN PROFONDEUR

Acquisition d'un spectre de masse à différentes profondeurs jusqu'à 20 µm
Ils sont obtenus en alternant des séquences d’analyse et d’abrasion. La vitesse d’abrasion varie selon la densité et la nature chimique des couches abrasées ; elle doit être mesurée pour chaque milieu traversé. Il est donc nécessaire d’étalonner l’instrument en utilisant des dépôts d’épaisseur connue ou en mesurant la profondeur des cratères par des méthodes optiques (interférométrie) ou mécaniques (Talystep).

Spécifications techniques ToF-SIMS

• Source d'ions primaires : Bi⁺, Bi₃⁺, Bi₃⁺⁺
• Signal détecté : ions secondaires
• Eléments détectés : H à 10 000 D
• Type d'analyse : élémentaire, moléculaire, semi-quantitative
• Haute sensibilité : < ppm... ppb ou femtomole
• Résolution latérale : 100 nm à 3 µm
• Résolution en profondeur : nm
• Neutralisation de charges pour l'analyse des isolants (Flood Gun)
• Couplage des canons (analyse/abrasion) pour réalisation de profils : O₂, Cs, Clusters d'Argon

Forces ToF-SIMS

• Analyse de tous les échantillons solides compatibles avec l'ultra-haut vide
• Analyse d'extrême surface < 1 nm
• Très faibles limites de détection
• Identifications élémentaires et moléculaire
• Sensibilité isotopique
• Profils en profondeur des multicouches
• Imagerie 3D