二次イオン質量分析法

二次イオン質量分析法（SIMS）とは

二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）は、固体表面分析のための強力な手法です。この技術は、固体表面に一次イオンビームを照射し、その際に放出される二次イオンを質量分析計で検出することにより、試料の組成、化学構造、そして微量元素の分布に関する情報を取得します。

SIMSの基本原理

SIMSの基本的な原理は、まず真空中に置かれた固体試料の表面に、数keVから数十keVに加速された一次イオンビームを照射することから始まります。この一次イオンの衝突により、試料表面の原子や分子がエネルギーを受け、二次イオン、中性原子、電子などが放出されます。このうち、二次イオンのみが質量分析計に導入され、質量電荷比に基づいて分離・検出されます。これにより、試料を構成する元素の種類と量を特定することができます。

SIMSの特長

高感度分析: SIMSは非常に高い感度を有しており、ppb（10億分の1）からppm（100万分の1）レベルの微量元素の定量分析が可能です。水素からウランまで、ほぼすべての元素を分析することができます。
表面・深さ方向分析: SIMSは試料表面だけでなく、深さ方向の分析も可能です。一次イオンビームによるスパッタリングを利用して、試料を徐々に削りながら、深さ方向の元素分布を調べることができます。
微小領域分析: 一次イオンビームを絞ることにより、サブミクロンスケールでの局所的な分析も可能です。これにより、不均一な材料の組成分析や、デバイスの微細構造の解析などに威力を発揮します。

装置構成

SIMS装置は、主に以下の要素で構成されています。

1. イオン源: 一次イオンを生成する部分です。アルゴン（Ar+）、酸素（O2+、O-）、セシウム（Cs+）、ガリウム（Ga+）など、目的に応じて様々な種類のイオン源が用いられます。アルゴンイオンは表面組成を保持したい場合に、酸素イオンは正の二次イオンを、セシウムイオンは負の二次イオンを分析する際に適しています。
2. 質量分析計: 放出された二次イオンを質量電荷比に基づいて分離・検出する部分です。四重極型、二重収束型、飛行時間型などの様々なタイプがあり、それぞれ異なる特徴を持ちます。四重極型は小型で扱いやすいですが質量分解能は低く、二重収束型は高質量分解能ですが装置が大型になります。飛行時間型（TOF-MS）は、重い分子イオンの分析に適しており、高質量分解能です。
3. 検出器: 分離された二次イオンを検出する部分です。ファラデーカップや二次電子倍増管などが用いられます。

スパッタリングとイオン化

一次イオンビームが試料表面に衝突すると、スパッタリングと呼ばれる現象が起こります。これにより、試料表面の原子や分子が放出され、その一部がイオン化して二次イオンとなります。このイオン化のメカニズムはまだ完全に解明されていません。また、放出される二次イオンの数は中性原子に比べて非常に少ないため、高感度な測定には超高真空環境が必要です。

定量分析における注意点

SIMSによる定量分析では、マトリックス効果と呼ばれる現象に注意が必要です。これは、試料の主成分（マトリックス）の種類や組成によって、二次イオンの放出量が大きく変化する現象です。この影響を補正するために、濃度既知の標準試料を用いた相対感度係数法などの補正手法が用いられます。

測定モード

SIMSには、試料を削りながら測定するダイナミックモード（D-SIMS）と、非破壊的に表面を分析するスタティックモード（S-SIMS）があります。D-SIMSは深さ方向の分析に適しており、S-SIMSは表面の分子情報などを分析するのに適しています。

SIMSの応用分野

SIMSは、その高い感度と表面分析能力から、以下のような幅広い分野で応用されています。

材料科学: 新材料の開発、表面処理、薄膜の評価など
半導体: デバイスの微細構造解析、不純物分析、ドーピング評価など
環境科学: 大気汚染物質の分析、土壌・水質汚染の分析など
地球化学: 岩石や鉱物の元素分析、同位体分析など
生物学・医学: 生体試料の微量元素分析、薬物動態解析など

まとめ

二次イオン質量分析法（SIMS）は、固体表面の元素組成や化学構造を分析するための非常に強力なツールです。その高感度性、表面・深さ方向分析能力、微小領域分析能力を活かして、今後も様々な分野での発展が期待されます。

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