EDX versus SIMS: elementanalyse vergeleken op principe, detectiegrens, diepte- en laterale resolutie, destructiviteit en kwantificering
EDX en SIMS vertellen allebei welke elementen een monster bevat en hoeveel, maar ze zijn goed in heel verschillende dingen. EDX identificeert elementen aan de energie van de karakteristieke röntgenstraling die vrijkomt wanneer een elektronenbundel het monster treft, dus het kan de plek die je in een SEM of TEM bekijkt snel en vrijwel niet-destructief analyseren. De detectiegrens is echter doorgaans ongeveer 0,1 gew.%, dus het is geschikt voor hoofdbestanddelen en de identificatie van deeltjes. SIMS sputtert het monster met primaire ionen en analyseert de vrijkomende secundaire ionen op massa; het kan sommige elementen tot op ppb-niveau detecteren en meet onzuiverheidsprofielen als functie van de diepte. Daar staat tegenover dat het destructief is en dat nauwkeurige kwantificering referentiestandaarden vereist.
| Kenmerk | EDX | SIMS |
|---|---|---|
| Principe | Een elektronenbundel slaat elektronen uit binnenschillen weg, en een detector meet de energie van de karakteristieke röntgenstraling die vrijkomt | Primaire ionen van cesium of zuurstof sputteren het monster, en de weggeslagen secundaire ionen worden op massa geanalyseerd |
| Typische detectiegrens | Doorgaans ongeveer 0,1 gew.% | Doorgaans ppm tot ppb, afhankelijk van element en condities |
| Meetbare elementen | Doorgaans elementen zwaarder dan boor of koolstof; lichte elementen hebben een slechte gevoeligheid en kwantificering, waterstof kan niet worden gemeten en sommige pieken overlappen (zoals silicium en wolfraam) | Vrijwel alle elementen inclusief waterstof, en isotopen; let op interferenties tussen ionen met vergelijkbare massa (zoals ³⁰SiH en ³¹P) |
| Diepte-informatie | Een gemiddelde over het volume waarin de elektronen zich verspreiden (ruwweg enkele honderden nm tot enkele µm in bulkmonsters in een SEM); diepteprofielen zijn moeilijk te verkrijgen | Meet tijdens het wegsputteren vanaf het oppervlak, wat diepteprofielen geeft; de diepteresolutie is doorgaans enkele nm |
| Laterale resolutie | Ruwweg op micrometerschaal in een SEM, omdat de elektronen zich verspreiden; op nanometerniveau bij dunne monsters in een TEM of STEM | Bij diepteprofilering doorgaans een gemiddelde over een gebied van tientallen tot honderden µm breed |
| Destructief of niet | De analyse zelf is vrijwel niet-destructief (sommige materialen worden door de bundel beschadigd); voor TEM-analyse moet een dunne lamel worden uitgesneden, bijvoorbeeld met een FIB | Destructief: het geanalyseerde materiaal wordt weggesputterd |
| Kwantificering | Correctieberekeningen geven een benaderende samenstelling van de hoofdbestanddelen ter plaatse; de fouten zijn groot voor lichte elementen en sporenelementen | Het deel dat ioniseert varieert sterk met het omringende materiaal (matrixeffect), dus signalen worden met standaarden in dezelfde matrix naar concentratie omgerekend |
| Snelheid en gemak | Een detector die aan een SEM of TEM is bevestigd en doorgaans binnen enkele minuten een spectrum geeft | Vereist een speciaal instrument, en zelfs één diepteprofiel kost tijd |
| Typische toepassingen | Identificatie van deeltjes en defectlocaties, samenstelling van lagen en legeringen, elementkaarten in een TEM | Profielen van ionenimplantatie en dotering, junctiediepte, sporenverontreiniging in lagen en op grensvlakken (inclusief waterstof, koolstof en zuurstof) |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.