SIMS（Secondary Ion Mass Spectrometry）｜二次イオン質量分析法による表面解析

2026.03.26

SIMS

SIMS（二次イオン質量分析法、Secondary Ion Mass Spectrometry）は、固体表面に一次イオンビームを一定のエネルギーで照射し、スパッタリング現象という物理的な相互作用によって試料から真空中に放出される二次イオンを捕集し、質量分析器で検出することによって元素組成や同位体比を決定する、極めて高感度な表面分析手法である。工学や製造業における最先端の材料開発において、材料の組成評価、不純物の深さ方向における立体的な分布状況の可視化、あるいは極微量元素の同定などに不可欠な役割を果たしている。特に現代の高度な情報社会を支える半導体デバイスの開発や微細化が進む製造プロセスにおいて、極めて微量なドーパント元素やプロセス起因の意図しない汚染物質（コンタミネーション）を極めて高い精度で評価できるため、歩留まり向上のための品質管理、あるいは故障時の不良解析における世界的な標準ツールとして広く普及し、確固たる地位を築いている。

Table Of Contents

SIMSの測定原理と物理的メカニズム

SIMSの根幹をなす基本原理は、不純物ガスの影響を排除した超高真空環境下において、測定対象となる固体試料に対して数十から数千電子ボルト（eV）という高い運動エネルギーを持たせた一次イオンを連続的またはパルス状に衝突させることにある。この衝突により、一次イオンの運動エネルギーが試料内部の格子原子に次々と伝播するカスケード衝突が発生し、試料表面の原子や分子が結合を断ち切られて真空中に弾き飛ばされるスパッタリング現象が引き起こされる。放出される粒子の大部分は電気的に中性な粒子であるが、そのごく一部（数万分の一から数十分の一程度）が正または負の電荷を帯びた二次イオンとして放出される。この発生した二次イオンを電場や磁場を用いて効率良く引き出し、収束させた上で質量分析計に導入することで、それぞれのイオンが持つ質量電荷比（m/z）に応じた精緻な分離と検出を行う。一次イオン種としては、測定対象の元素や目的に応じて酸素、セシウム、ガリウム、アルゴンなどが戦略的に使い分けられ、これによって特定の元素に対するイオン化効率を意図的に高めることが可能となっている。

ダイナミックSIMSとスタティックSIMS

測定の具体的な目的や、照射する一次イオンビームの電流密度および照射量の条件によって、SIMSの測定モードは大きくダイナミックSIMS（D-SIMS）とスタティックSIMS（S-SIMS）の二つの主要な手法に大別される。ダイナミックSIMSは、比較的高い電流密度の一次イオンを持続的に照射し、試料を物理的に連続して掘り下げながら（エッチングしながら）、深さ方向における微量元素の濃度分布（デプスプロファイル）を評価する手法である。シリコンウェハ等の無機材料や半導体基板中における微量な不純物の立体的な分布状態を高感度で分析する際に多用される。一方、スタティックSIMSは、一次イオンの照射量を極めて低く抑えることで、試料表面の最表層（数ナノメートルから単分子層レベル）に対する損傷を最小限にとどめ、破壊を実質的に防ぎながら分析する手法である。複雑な有機化合物の分子構造情報を断片化させずに保持したまま検出できるため、ポリマー材料や生体試料、有機ELなどの表面化学構造分析に極めて有効であり、飛行時間型質量分析計と組み合わせたTOF-SIMSとして産業界で広く実用化されている。

工学および製造プロセスにおける具体的な応用分野

  • 半導体製造プロセスにおける、イオン注入されたドーパント（ホウ素、リン、ヒ素など）の深さ方向の高精度な濃度プロファイル測定およびアニール処理後の熱拡散挙動の評価
  • 多層配線基板や薄膜プロセスにおける、ナノメートルオーダーの多層膜の界面状態評価、および加熱・実装プロセスに伴う層間相互拡散現象の精密な解析
  • 金属材料や先端セラミックス材料の結晶粒界における、微量な添加元素や不純物の偏析挙動の解明を通じた材料強度や機能性の向上メカニズムの特定
  • 次世代ディスプレイデバイス（OLED等）や有機電子デバイス材料における、発光層の劣化メカニズムの特定、および製造環境由来の極微小な異物（パーティクル）の化学的同定
  • 二次電池（リチウムイオン電池や全固体電池）の電極材料表面や固体電解質界面における、充放電サイクルに伴うリチウムイオンの分布状態や劣化に伴う副生成物の形成過程の可視化

分析手法としての長所と短所・留意点

SIMSという分析手法が持つ最大の長所は、周期表上のすべての元素（水素からウランまで）およびその同位体を網羅的に検出可能であり、かつその検出下限が数ppm（百万分の一）から数ppt（一兆分の一）レベルという、他の表面分析手法を凌駕する極めて高い感度を誇る点である。これにより、XPS（X線光電子分光法）やオージェ電子分光法などでは感度不足で検出が困難な極微量元素の確実な定量が実現する。さらに極めて高い深さ分解能を有しており、原子層レベルでの精密なデプスプロファイルを取得できる。一方で短所・留意点として、スパッタリング現象を伴う本質的な破壊検査であるため、測定後の試料を元の状態で再利用することが不可能であることが挙げられる。またマトリックス効果と呼ばれる特有の物理現象により、全く同一の元素であっても周囲の母材（マトリックス）の化学組成や電子状態によって二次イオンの生成効率が数桁にわたって大きく変動するため、正確な定量分析を行うためには、母材と同一組成で対象元素の濃度が既知の標準試料をあらかじめ用意し、相対感度係数（RSF）を正確に算出する煩雑な手間と高度な専門知識が不可欠となる。

コメント（β版）