Recherche sur l'amélioration de la performance des instruments SIMS

Résumé : Les instruments de spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS) doivent être améliorés afin de satisfaire les exigences et tendances dans de nombreux domaines qui demandent des outils d'analyse pouvant cartographier les échantillons à la fois avec une excellente résolution et une haute sensibilité chimique, mais également avec des temps d’analyse plus court. Les objectifs de cette thèse sont : rechercher à améliorer la résolution en masse des spectromètres de masse à double focalisation en remplaçant le secteur sphérique standard par une nouvelle géométrie sphéroïde ayant de meilleures propriétés de focalisation, et d’étudier la réduction du temps d'analyse en imagerie SIMS, par la preuve de concept du système SIMS à multifaisceaux d'ions. Une comparaison des principales propriétés de focalisation du secteur sphérique, de la géométrie sphéroïde et d’une géométrie de sphéroïde hybride, a été réalisée en utilisant le logiciel SIMION. Une comparaison dans une configuration Nier-Johnson entre le secteur sphérique et le sphéroïde, a montré que le faisceau présente une rotation de 90 ° à la sortie de l'aimant nuisant à la résolution de masse dans la configuration sphéroïde. En ajoutant un élément électrostatique pouvant tourner le faisceau à 90 ° les performances du spectromètre de masse pourrait être amélioré. Toutefois, une comparaison des performances entre les secteurs sphériques et hybrides dans une configuration Mattauch-Herzog a montré que lorsque la double condition de focalisation est optimisée, une meilleure résolution de masse pourrait être obtenue avec la géométrie sphéroïde. Un système multi-faisceau ionique a été étudié pour l'analyse SIMS. La simulation à travers l’optique secondaire d'un Cameca IMS XF de neuf faisceaux a montré une transmission réussie des faisceaux, résultant en neuf points concentrés sur le détecteur plaque à canaux multiples (MCP). La preuve de concept a été achevée expérimentalement dans l'IMS 6F de Cameca, où une ouverture à trous multiples était montée dans la colonne principale, générant 9 et 16 faisceaux de tailles comprises entre 4 µm à 10 µm. Des images d'une grille AlCu ont été obtenues en balayant l'échantillon par le système de multifaisceaux d’ions. Ces résultats montrent que le système multi-faisceau d'ions est une technique possible pour l'imagerie SIMS et qu'en optimisant leur conception les multi-nano-faisceaux d'ions seront une solution permettant de réduire considérablement le temps d'analyse.Secondary ion mass spectrometry (SIMS) instruments need to be improved in order to satisfy the demands of trends in many fields that require analytical tools that can map samples with both excellent resolution and high-sensitivity chemical information, but also with shorter time of analysis. The objectives of this thesis are: investigate the enhancement of the mass resolution of double focusing mass spectrometers by replacing the standard spherical sector with a novel spheroid geometry which has better focusing properties, and to investigate the reduction of the time of analysis in imaging SIMS by the proof-of-concept of the SIMS multi-ion- beam system.A comparison of the main focusing properties of the spherical sector, the spheroid geometry and a hybrid spheroid geometry, was made using the SIMION software. A comparison in a Nier-Johnson configuration between the spherical sector and the spheroid, showed that the beam presents a rotation of 90° at the exit of the magnet harming the mass resolution in the spheroid configuration. By adding an electrostatic element that can rotate the beam 90° the performance of the mass spectrometer could be improved. However, a comparison of the performances between the spherical and hybrid sectors simulated in a Mattauch-Herzog configuration, showed that when the double focusing condition is properly satisfied, better mass resolution could be achieved with the spheroid geometry.A multi-ion-beam system was investigated for SIMS analysis. A simulation through the secondary optics of a Cameca IMS XF showed successful transmission of nine beams through the optics resulting in nine well focussed spots on the multi channel plate (MCP) detector. The proof-of-concept was completed experimentally in the Cameca IMS 6F, where a multi-hole aperture was mounted in the primary column generating 9 and 16 beams of sizes between 4 μm to 10 μm. Images of an AlCu grid were obtained when t the multi-ion-beam system was scanned over the sample. These results showed that the multi-ion-beam system is a feasible technique for imaging SIMS and by optimizing the design multi-nano-ion-beams will be a solution for reducing drastically the time of analysis