本文綜述了二次離子質譜(Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS)濺射深度剖析的發展歷史，介紹了SIMS 濺射深度剖析的定量分析方法。對兩個最常用于SIMS 濺射深度剖析定量分析的理論模型———Hofmann 提出的MRI(Mixing-Roughness-Information depth)模型和Dowsett 等人提出的響應函數進行了對比分析。

　　濺射就是用具有一定能量的一次性粒子轟擊樣品表面(粒子的動能通常在0.1~5 keV 之間)，通過樣品發射二次粒子而使材料表面原子或分子剝離的一個過程。深度剖面分析(簡稱深度剖析)是指對分析樣品元素的組分含量隨深度變化的二維分析。目前，有兩種不同的深度剖析方法：非破壞性和破壞性的方法。一般的非破壞性深度剖析技術只提供間接的信息，需通過定量分析才能得到濃度深度譜， 如盧瑟福背散射(Rutherford Backscattering Spectrometry，RBS) 或者角分辨的X-射線光電子能譜(Angle Resolved X-ray Photoelectron Spectroscopy，AR-XPS)。而破壞性的濺射深度剖析的原始數據是元素強度相對濺射時間的關系圖，直接表示了帶有可能的畸變的濃度與深度分布的關系圖，其原始數據易于解讀。

　　濺射深度剖析是將離子濺射與表面元素成分表征結合在一起的一種測量分析技術，其主要目的是為了獲得薄膜材料(從幾納米到幾百微米)中元素成分的深度分布。按對元素表征方式的不同，濺射深度剖析可分為兩類：一類是分析濺射出來的元素，如二次離子質譜(Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS)、輝光放電發射光譜(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry，GDOES)等；另一類是分析濺射后材料表面的元素成分，如俄歇電子能譜(Auger Electronic Spectroscopy，AES)、X-射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)等。其中，SIMS 可對無機材料和有機材料樣品進行質譜分析、離子像分析和深度剖析，是目前最前沿的表面分析技術之一。SIMS 濺射深度剖析是通過對樣品逐層剝蝕得到各種成分隨深度的分布( 見圖1)，其深度分辨率極限已經可以達到0.7~1 nm。

圖1 SIMS 濺射深度剖析過程

　　1949 年Herzog 和Viehboeck 首次將二次離子與質譜分析結合起來，標志著二次離子質譜方法的誕生；1958 年Honig 構造了第一臺完整的可用來進行深度剖析的SIMS；1967 年Liebl 利用第一臺商用SIMS 進行了材料的納米技術分析；1968 年Werner 成功將SIMS 應用于半導體中的摻雜和薄膜中成分深度的分析；1970 年，Benninghoven發展了靜態SIMS 的方法，使用低密流離子進行濺射，使得表面分析的單層中很小一部分(約1%)被移動就可以完成分析。自從上世紀70 年代，隨著高真空技術和電子測量技術的迅速發展，SIMS 濺射深度剖析技術的發展和應用呈總體上升趨勢，這可以從每年發表的有關SIMS 和濺射深度剖析的文章數量中體現(見圖2)。

圖2 以每年發表的文章數量來衡量SIMS 和濺射深度剖析的發展

　　1、深度分辨率Δz 及其優化

　　深度分辨率的提出標志著深度剖析定量分析的開始。深度分辨率表示了深度剖析譜的失真程度，即由于離子束和樣品的相互作用在表面區域產生的成分與形貌的改變，使得實際測得的深度剖析譜與真實的成分深度分布之間產生的偏差程度，它是表征深度剖析實驗優劣的一個主要指標。

　　深度分辨率Δz 的定義如下：假設一理想的、原子單層的界面A/B，當測量信號的歸一化強度從84% 降到16% 或從16% 上升到84% 所對應的濺射深度Δz。Δz 愈小意味著深度剖析的分辨率愈大，測量的成分深度分布就愈接近真實的成分深度分布，深度剖析的質量就愈高1970-1990 年，更多的實驗用來探究不同的因素(例如實驗儀器，離子束，樣品因素等)對深度分辨率的影響，并逐漸建立起了相應的理論評估體系。根據實驗經驗和理論指導，人們總結出了多種提高深度分辨率、優化深度譜的方法，例如使用樣品旋轉技術減少濺射多晶樣品導致的表面形貌的改變(見表1)。

表1 提高深度分辨率的方法

　　2、信號強度與濃度及濺射時間與濺射深度的轉換

　　所有濺射深度剖析實驗最終所要得到的結果就是獲得成分濃度X 與濺射深度z 的函數關系X(z)。而如上所述，在深度剖析實驗中，直接獲得的實驗數據是元素的測量信號強度I 與濺射時間t 的函數關系I(t)。因此，必需完成以下三個基本的定量分析的工作：

　　(1)將測量的信號強度轉換為濃度，X=f(I)；

　　(2)將測量的濺射時間轉換成濺射的深度，z=f(t)；

　　(3)獲得深度分辨率(Δz)，如果可能的話，確定深度分辨率函數(Depth Resolution Function，DRF)，這是進一步的定量分析所必需的。

　　理想條件下，若濺射速率恒定(忽略擇優濺射)，即濺射時間和濺射深度呈線性關系，測量信號強度又與元素成分呈線性關系，那么信號強度- 濺射時間圖像就可以簡單轉換為元素成分-濺射深度圖像。但實際上，這些條件往往不能滿足，需要消除有影響的效應才能完成正確轉換。

　　5、總結

　　SIMS 濺射深度剖析的定量分析工作需要將測量信號強度轉換為成分濃度，將濺射時間轉換為濺射深度。在SIMS 濺射深度剖析定量分析的理論模型中，最常用的是Hofmann 提出的MRI 模型和Dowsett 提出的響應函數，兩者相比較，前者能更好地解釋模型中各參數的物理含義，并能給出元素測量譜和初始位置之間的正確偏移量，從而能更準確地完成SIMS 深度剖析譜的重構。