Secondary Ion Mass Spectroscopy & Mass Spectroscopy 원리

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1 Secondary Ion Mass Spectroscopy & Mass Spectroscopy 원리
반도체 및 나노 응용 연구실 발표자: 이성우

2 Outline Primary ion beam source 개략도 SIMS 질량 분석기의 종류 SIMS의 종류
SIMS / MS 장,단점 개략도 SIMS SIMS의 종류 MS MS의 분석 방법

3 Sims / Ms Spectroscopy 개략도
Ion source Mass Spectroscopy Data System Sample Detector Micro-channel Plate Electron Multiplier Faraday cup PEM Ar Xe N2 Cs+ TOF Quadrupole Magnetic-sector PC’s

4 SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy)
2차 이온 질량분석법으로써 시료 의 표면 분석을 통해 표면정보 (조성 및 성분 )를 얻을 수 있는 분석법 원리 5~20KeV 에너지를 가진 이온빔을 sample표면 원자층에 충격을 가했 때, 방출한 표면의 입자들과 중성 원자등 2차 이온들이 방출되는

5 SIMS의 종류 Dynamic SIMS Static SIMS 깊이에 따른 원자층의 화학적 원소 분석 및 질량 분석
표면에 존재하는 원자나 분자들을 질량(m)대 전하량(q,z)을 상대적 비율로 나타내어 원소 분석 및 질량 분석

6 (secondary ion intensity versus sputtering)
Dynamic SIMS Secondary ion counts A silicon sample containing a boron implant (secondary ion intensity versus sputtering) Times (sec)

7 Negative mass spectrum from polyphenylene sulfide
Static SIMS Negative mass spectrum from polyphenylene sulfide

8 Positive mass spectrum from polyethylene
Static SIMS Positive mass spectrum from polyethylene

9 MS (Mass Spectroscopy)
기체나 액체 복잡한 유기물질과 화학 혼합물등을 이온화 시켜 이온화된 여러 성분의 분자이온을 분리하여 각 분자이온에 관한 성분 및 조성등을 얻는 분석법 MS의 분리과정 주로 혼합물의 여러 성분의 분자이온을 분리하거나 일가양성자 이온 생성 (이온화법 ex : ABCD+) 이온화를 조각내기를 통해 분리 (AB+,BC+,CD+,DA+)

10 MS의 분석 방법 딸이온 MS/MS법 어미이온 MS/MS법 이온화 과정을 통해 얻어진 이온들을 분리과정을 통해 각각의 특성
이온으로 분리되어 분석하는 방법 어미이온 MS/MS법 딸이온을 통해 얻어진 결과를 가지고 다시 이온화과정과 분리과정을 통해 같은 질량을 값을 가진 이온들을 분석하는 방법

11 직렬 사중극자 MS/MS 기기의 약도

12 Primary ion beam source
주로 비활성기체를 사용 Positive charged ions (Ar+, Xe+) Negative charged ions (Ar , Xe) or N2+, O2+ , Cs+등을 사용

13 질량분석계의 종류 Magnetic-sector Spectroscopy 영구 자석 및 전기 자석을 이용
60° , 90° , 180° 가 되는 원호형 통로 사용 가속된 이온들이 자기장에서 로렌츠 힘을 받아 운동방향이 바뀜 자기장의 역할 : 이온의 궤도를 휘게 하고 렌즈역할도 함 m/z = (B2 r2 e) / 2V (궤도의 반지름은 이온의 질량 전하비와 자기장과 가속전압에 따라 달라짐)

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15 TOF (Time Of Flight) 전자의 짧은 펄스 이차 이온, 레이저 광자의 주기적 충격으로 양이온 생성
질량 m , 전하 q의 이온이 전압 V로 가속될 때 속도 u는 정해진 거리 D를 비행하는 데 걸린 시간 t 인 경우 속도는 질량에 반비례 (무거운 입자는 가벼운 입자보다 늦게 도착) 장점 : 휘발성이나 열에 민감한 시료의 경우 직접 이온화장치에 쉽게 도입 무제한의 질량 범위, magnetic-sector 보다 장치가 작고 이동 용이 단점 : 분리능, 재현성, 질량확인의 용이등이 만족하지 못함 다른 부분에 넓게 사용되지 못함

16 Flight Tube (0.5 – 4m) Ion Source (4 – 25 KV) Detector
가벼운 이온들은 무거운 이온들보다 먼저 검출기에 도착한다.

17 QMS (Quadrupole Mass Spectroscopy)
보통 질량필터라고 함 4개의 원통형 막대에 전압을 가해주어 막대 사이에 일정한 조건 m/z 이온들만 통과 시키는 원리 장점 : 사용환경에 크게 제약이 없음, 비교적 높은 압력에서 사용 가능 주사 시간이 짧음 단점 : 비교적 무거운 입자의 경우 감도가 떨어짐. 같은 근소한 질량의 peak를 분리 할 수 없음

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19 SIMS / MS 장,단점 SIMS 장점 MS 장점 SIMS 단점 MS 단점 고체 시료 표면의 화학적 분석
표면과 깊이 둘 다 분석 가능 SIMS 단점 시료 표면이 파괴됨 정확한 정량 및 정성 분석 한계 MS 장점 다른 질량분석장치와 연결하여 사용 가능 액체나 기체 등 화학적 분석 빠른 데이터 처리 MS 단점 정확한 화학적 정량 및 정성 분석에 한계 복잡한 스펙트럼의 해석 불가능