Page 44 - 理化检验-物理分册2024年第七期

冯殿福，等：使用飞行时间二次离子质谱法判定痕量氧元素的测试方法

通过改变分析离子束的光阑大小，进而改变作用于
试样表面单位面积的束流大小，通过比对不同离子
束流下产生的氧离子计数，判定痕量氧元素是否
存在。

1 试验材料及方法
1.1 试验材料
CaF 2 是一种非常重要的传统晶体材料，其具有
紫外透过率高、透光范围宽（0.125~10 µm）、折射率
低、激光诱导损伤阈值高、熔点低、化学性质比较稳
定等优点，在紫外光刻、天文观测和高分辨率成像
等领域中应用广泛 [3-4] 。氧元素是CaF 2 中最主要的
杂质之一，杂质元素氧的存在会导致CaF 2 中形成色
心，降低其在紫外波段的透过率和抗激光辐照性能。
YF 3 在0.35~12 µm的光谱范围内有着良好的光学传
图 1 ToF-SIMS 设备结构示意 输性，是一种常用的低折射率薄膜材料，广泛应用于
艺的改进。 紫外、红外波段的高反射镜、分光镜、薄膜干涉滤光
在ToF-SIMS测试中，国内外对于减小分析 片等。传统的热蒸发或者电子束沉积工艺制备的薄
室中残余气体对氧检测结果干扰的主要方法有： 膜会出现氟缺失、氧污染等缺陷。Au的化学性质较

① 提高仪器的真空度；② 使用ToF-SIMS中的溅射 稳定、不易氧化，广泛用于制作真空紫外反射膜、红
离子束对表面进行刻蚀，并增大刻蚀速率；③ 改变 外激光高反镜、脉宽压缩光栅等。因此，试验时选用
离子束光栅的扫描面积。如果要提高仪器真空度， 双面抛光CaF 2 晶体、YF 3 薄膜、纯度为99.99%的Au
就需要对仪器进行改造，难度较大，且并不能完全排 镀制的Au膜作为分析试样。
除残余气体对检测结果的干扰。使用ToF-SIMS的 1.2 试验方法
溅射离子束对表面进行刻蚀，增大溅射速率会减少 通过测试时设置分析Bi离子源使用的光阑大
残余氧分子和水汽的吸附量，但在溅射离子束转换 小，改变Bi离子束的离子束流，进而改变作用于试
成分析离子束的过程中，残余气体仍会快速吸附在 样表面单位面积的离子剂量。试验选用Bi离子枪的
试样表面，并被检测到。因此，采用方法②也并不能 光阑大小为100 µm和200 µm。相比于100 µm光阑
完全排除残余气体的干扰。方法③常用于动态离子 下的Bi离子束，200 µm光阑下的Bi离子束的束流、
质谱仪（D-SIMS）。首先使用离子束进行大面积光 单位面积离子剂量更大，在作用时间和作用面积不
栅式扫描，然后在保持离子束束流和分析采样面积 变的情况下，撞击试样的Bi离子更多，使得试样中
（分析面积处于光栅式扫描区域的中心，远小于光栅 元素二次离子的产额增加。由于作用面积不变，吸
式扫描面积）恒定的情况下，减小光栅式扫描面积， 附在试样表面残余气体的二次离子产额不会改变
如将扫描面积减小为原来的1/4，则在离子束束流不 （见图2）。

变的情况下，溅射速率会增加至原来溅射速率的 4 改变分析离子源（Bi离子源）的光阑大小可以
倍。在以上情况下，如果氧的离子产额增加了4倍， 改变分析离子束流，对比不同分析离子束流下氧的
那么氧元素在试样中恒定存在；如果氧的离子产额 二次离子产额。如果光阑为200 µm时测得的氧离
增加，但并非4倍关系，说明试样中存在一些氧元素； 子产额大于光阑为100 µm时测得的氧离子产额，则
如果氧的离子产额保持不变，说明检测到的氧元素 试样中存在氧元素；如果光阑为200 µm时和光阑为
来自于残余的氧分子和水汽。D-SIMS深度剖析的 100 µm时测得的氧离子产额没有明显差异，则试样
溅射离子束与分析离子束为同一离子束，其束流远 中不存在痕量氧元素，测得的氧元素来自于吸附的
大于ToF-SIMS分析离子束的束流，不需要切换离 残余氧分子、水分子。
子束，因此方法③不适用于ToF-SIMS。 对CaF 2 晶体、YF 3 薄膜和Au膜进行ToF-SIMS
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笔者提出了一种新的判定痕量氧元素的方法， 测试，测试时的真空度为5×10 Pa。采用能量为
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