一、二次离子质谱法原理

当初级离子束（Ar+，O2+,N2+,O-,F-,N-或Cs+等）轰击固体试样表面时，它可以从表面溅射出各种类型的二次离子（或称次级离子），利用离子在电场、磁场或自由空间中的运动规律，通过质量分析器，可以使不同质荷比（m/z）的离子分开，经分别计数后可得到二次离子强度一质荷比关系曲线，这种分析方法称为二次离子质谱法（secondary ion mass spectrometry,SIMS)。每个入射离子从试样表面溅射出的平均粒子数，称为溅射产额。元素种类或化合物类型不同，溅射产额不同，大约为0.1-10原子／离子。同一化合物的各种不同二次离子的产额存在几个数量级的差别，因此质谱图中的二次离子流强度通常用对数坐标表示。

二次离子质谱有“静态”和“动态”两种，在静态（static)二次离子质谱(SSIMS)中，入射离子能量低（＜5keV)，束电流密度小（nA•cm-2量级），以尽量降低对表面的损伤，这样接收的信息可以看成是来自未损伤的表面。动态（dy-namic）二次离子质谱（DSIMS)，入射离子能量较高，束电流密度大（mA•cm-2量级），表面剥离速度快，分析的深度深，在表面分析过程中，它会使表面造成严重损伤。

二、二次离子质谱仪

除“探测粒子”源不同外，SIMS与介绍过的质谱仪及其他表面分析仪器类似，这里只作简要介绍。在SIMS中，“探测粒子”源为离子枪系统。一次离子通常是用双等离子枪类型的气体放电源(O2+,O-,N2+，Ar+)、表面电离源(Cs+,Rb+）或液态金属场离子发射源（Ga+,In+）产生的。离子枪的基本结构由离子源、引出、聚集和偏转装置等组成。

三、二次离子质谱的应用

1．表面成分分析

SIMS的检测灵敏度是所有表面分析法中最高的，很适合于痕量杂质分析。如对集成电路（IC)上500nm厚的SiO2保护膜进行分析以找出其失效的原因。SiO2膜为一种低熔点玻璃态材料，含有Na,K,Li,B,SiO2等。用Auger电子能谱仅发现Si,O,C,SiO2峰，无法找出IC失效原因所在；而将未失效与失效的IC进行SIMS分析时，可以看到后者的谱图有Li+,B+,K+,Na+,KO+等杂质峰，其中Na+峰比前者高一个数量级，据此判断Na+是造成IC失效的原因。

2．深度剖析

其他表面分析方法（如XPS,AES等）在进行深度分析时，是采用溅射方式将试样逐级剥离，这些方法对剥离掉的物质不加分析，所分析的是新生成的表面。与此相反，SIMS则是连续研究所有正被剥离的物质，它的试样利用率高，信息深度大约为一个原子层，可以检测所有元素或同位素且有很高的灵敏度，因此SIMS成为深度剖析的主要方法。

3．二维及三维成分分布分析

利用直接成像或扫描方式可以得到试样各种成分（元素及其同位素）二维分布的真实图像，进而构成各种成分的三维分布图像。随着计算机数字图像技术发展以及SIMS的空间和质量分辨率的提高，从SIMS图像中可以提取丰富的化学成分和结构信息。

此外，利用低密度和能量的一次离子束为激发源，进行所谓静态SIMS分析，可以分析一些不挥发、热稳定性差的有机物，例如，用SIMS分析在Ag表面上沉积的单层维生素B12。