TOF-SIMS基于一次离子束轰击样品表面并诱导二次离子溅射的原理工作。聚焦的初级离子（如Bi⁺、O₂⁺）作用于样品表面，使表层原子或分子发生电离并溅射出二次离子。这些二次离子经电场加速后进入飞行管，根据不同质荷比（m/z）离子在飞行时间上的差异实现质量分离。仪器采用双束系统设计：分析束用于表面成分检测，溅射束用于深度刻蚀，结合两者可实现高分辨率的三维化学成像。
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参数类型 | 能力范围 |
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质量范围 | 1–10,000 amu |
质量分辨率 | >15,000 (m/Δm) |
空间分辨率 | 100 nm–5 μm |
检测深度 | 0.5–5 nm（表层分析），最深100 µm（深度剖析） |
检出限 | ppm–ppb级（元素），10¹²–10¹⁵ atoms/cm³（痕量杂质） |
适用材料 | 金属/合金、半导体、聚合物、生物组织、纳米材料、涂层/薄膜 |
核心应用 | 表面污染分析、界面表征、材料失效研究、生物分子成像、微电子器件逆向工程 |
材料类别 | 尺寸要求 | 预处理要求 |
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块体固体 | ≤1×1×0.5 cm³ | 表面抛光清洁，非导电样品镀导电层 |
薄膜/涂层 | 基底尺寸≤2"晶圆 | 避免有机溶剂清洗，硅基最佳 |
粉末 | ≥10 mg | 压片成型或分散在导电胶带 |
生物组织 | ≤5×5 mm²，厚度<1 mm | 冷冻干燥固定，严禁甲醛固定剂 |
液体 | 不接受直接测试 | 需旋涂成膜或滴加在硅片后真空干燥 |
危险样品 | 任何尺寸 | 必须提供MSDS，含卤素/重金属/反应性物质需特别申报 |
样品制备
超声清洗去除表面污染物（使用丙酮/异丙醇）
非导体样品喷金处理（参数：10 nm Au @ 20 mA, 60s）
粘附于导电样品台，确保电接触良好
上机测试
真空抽至<5×10⁻⁷ mbar
选择离子源（Bi₃⁺用于成像，O₂⁺用于深度剖析）
设置测试模式：
- 表面扫描：初级束流1 pA，像素分辨率256×256 - 深度剖析：Cs⁺溅射（500 eV），交替分析/溅射循环
结果处理
使用SurfaceLab 7软件提取质谱峰（如m/z=27对应Al⁺）
三维重构：叠加不同深度层图像（Z轴分辨率0.5 nm）
半定量分析：对比标准物质数据库（如NIST SRM 2135）
不必然。大多数材料表面吸附大气碳氢化合物，建议配合Ar⁺溅射清洁后复测。
晶体取向效应导致。旋转样品台或采用Beam Shaving技术可改善。
由溅射速率差异引起。使用SiO₂/Si参考样校准溅射速率。
尝试冷冻样品台（-120℃）减少分子碎片化，或改用团簇离子源（如Au₄⁺）。
通常为电荷积累导致。优化电荷中和器参数（e⁻ flood gun 1.5 eV）。
案例一：
项目背景：PCB板表明出现发黑的异物
检测方法：
1.ASTME 1078-14 (2020)5~11 表面分析中样品准备和安装的标准指南
2.ASTME 1504-11 (2019)6 二次离子质谱仪报告中质谱数据的标准条例
3.ASTM E1829-14(2020)5,6,7,8.2.1,8.2.2 表面分析前样品处理的指导标准
检测仪器和条件：
仪器型号 | PHI Nano TOF II TOF-SIMS (ULVAC-PHI, Japan) | ||
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初始离子束: | Bi3++(LMIG) | 初始离子束能量 | 30keV |
分析范围 | 400umx400um | 充电中和 | 使用 |
检测结果：
表面黑色异物和正常位置成分见表1;
2. 与正常位置相比，在黑色异物表面检测到较高的Cu/F及含氧有机碎片(69-C4H50+,55-C3H30-71-C4H70-,73-C4H90-,85-C4H502-)
测试位置 | 表面成分 | |
|---|---|---|
黑色异物 | Na, K, Ca, Ni, Cu, Au,F,N,CI,POx,SOx,含氧有机碎片，聚二甲基硅氧烷(PDMS) | |
正常位置 | Na, K, Ca, Ni, Cu, Au, F, N, Cl, POx, SOx, 含氧有机碎片，聚二甲基硅氧烷（PDMS） | |
*聚二甲基硅氧烷(PDMS):28-Si+,73-SiC3H9+,147-Si2OC5H15+
*含氧有机碎片:69-C4H50+,55-C3H30-,71-C4H70-,73-C4H90-,85-C4H502-
附件谱图（TOF-SIMS）
污染样（正离子模式） |  |
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对比（正离子模式 |  |
污染样（负离子模式） |  |
正常样（负离子模式） |  |
离子分布图
