5.2. Електронна Оже-спектроскопія

Фізичний зміст методу. Метод електронної Оже-спектроскопії (ЕОС) базується на анлізі енергетичного розподілу і ви­мірюванні повного струму Оже-електронів, які випромінюються поверхнею твердих тіл при збудженні її пучком швидких електронів. Якщо поверхню кристалу бомбардувати пучком електронів з енергією Е_р, то відбувається емісія вторинних електронів, енергетичний розподіл яких наведений на рис.5.2. Найінтенсивніший пік 1 при енергії Е_р зумовлений пружно розсіяними електронами. Крім цього піку і низькоенергетичного піку 2 спектр вторинних електронів характеризується наявністю ряду піків невеликої інтен­сивності (піки 3), які важко реєструються на загальному фоні піків. Ці піки зумовлені Оже-електронами.

Рис. 5.2. Енергетичний розподіл концентрації вторинних електронів в Оже-спектрах.

Розглянемо механізм Оже-переходів на прикладі кремнію (рис.5.3) При цьому використаємо загально прийняту термінологію, згідно з якою внутрішні оболонки атомів позначають через К, L, M, N відповідно до значень головного квантового числа n = 1, 2, 3, 4. Кожна із них має декілька підоболонок (або підрівнів), які визначаються значеннями орбітального квантового числа, наприклад, оболонка L має три підрівні (L₁, L₂, L₃), оболонка М – п’ять підрівнів (М₁ … М₅). Деякі з підрівнів мають близькі значення енергії і позначають, наприклад, так L_2,3, M_2,3. При бомбардуванні поверхні кристалу кремнію електронами з великими енергіями відбувається вибивання електронів з внутрішніх оболонок атомів Si, наприклад з К-оболонки. На вільне місце, яке утворилося, переходить електрон в вищої оболонки, наприклад, L (рис.5.3,а, перехід 1). Енергія, яка при цьому звільняється, витрачається або на утворення фотона Х-випромінювання, або передається одному чи двом електронам М-оболонки (рис.5.3,а, штрихові лінії), які при цьому можуть вийти за межі кристалу (рис.5.3,а, переходи 2, 3). Такі електрони називаються Оже-електронами. Експериментально показано, що випромінювання Оже-електронів є переважаючим для елементів з атомним номером Z< 35.

Рис. 5.3. Схеми електронних Оже-переходів.

У безвипромінювальних Оже-переходах електронів беруть участь три електронних рівні, тому для їх позначення використовують три букви, наприклад, для наведених на рис.5.3,а переходів використо­вують букви KLM. Можливі Оже-переходи за участю підрівнів од­нієї оболонки, наприклад, LMM (рис.5.3,б).

В електронній Оже-спектроскопії найчастіше спостерігають Оже-переходи між сусідніми оболонками, тобто серії KLL, LMM, MNN, NOO, OOO. Якщо в переході беруть участь електрони валентної зони, то їх позначають буквою V, наприклад, KLV, LVV. Ймовірності різних Оже-переходів істотньо відрізняються.

Енергетичний розподіл Оже-електронів відповідає енергетично­му спектру внутрішніх оболонок атомів і, подібно до рентгенівсько­го спектру, його можна використовувати для якісного та кількісного аналізу хімічного складу області кристалу, в якій відбуваються Оже-процеси. Розміри цієї області визначаються глибиною виходу Оже-електронів. Середня довжина вільного пробігу Оже-електронів при енергіях 20 – 250 еВ, становить для різних матеріалів (4 – 20) 10^-4 мкм. Тому метод ЕОС дає інформацію про хімічний склад поверхневого шару (d  10^-3 мкм).

Для атомів водню і гелію Оже-переходи неможливі і тому ці елементи не можна виявити методами Оже-спектроскопії.

Особливості Оже-спектрів. Оже-спектри спостерігаються у вигляді піків па залежності кількості Оже-електронів з даною енергією n⁰(E) від їх енергії E, що реєструється електронним спектрометром. Звичайно з метою уникнення впливу сильного фону, пов’язаного в основному із розсіюваними у зворотному напрямку первинними електронами, вимірюють залежність dn⁰/dE від E, що суттєво підвищує чутливість методу. Кінетична енергія Оже-електронів при переході АВС обчислюється за емпіричною формулою

(5.1)

де Z – атомний номер елемента, який аналізується;  – робота виходу для досліджуваного матеріалу; E_A, E_B і E_C значення енергії зв’язку, які можна взяти із таблиць для енергій Х-випромінювання.

Порівняння експериментальних спектрів з обчисленими дозволяє проводити якісний аналіз хімічного складу поверхні .

При дослідженні поверхні напівпровідників часто використовують спектри валентних Оже-електронів. Інтерпретація таких спектрів досить складна. Проте, не зважаючи на складність інтерпретації, дослідження спектрів валентних Оже-електронів дозволяє у ряді випадків зробити висновки про наявність на поверхні хімічних сполук основної речовини, зокрема окислів, а також отримати інформацію про розподіл густини станів у валентній зоні.

У випадку, коли в Оже-переходах беруть участь валентні електрони, форма та розташування Оже-піка значною мірою визначається хімічним оточенням. Якщо між двома або декількома атомами наявний досить сильний хімічний зв’язок, то внутрішні енергетичні рівні можуть бути зсунуті на декілька електрон-вольтів. Причину зсуву легко зрозуміти на прикладі йонного зв’язку. Через перенесення заряду електронні рівні електронегативних елементів зсуваються у бік менших енергій, а електропозитивних – у бік більших. Відповідно змінюється кінетична енергія Оже-електронів, які реєструються, що встановлено експериментально. Іншою причиною деформування Оже-піків з участю валентних електронів є зміна густини станів у v-зоні.

На рис. 5.4. показана зміна Оже-спектрів при окисленні поверхні кремнію. Для чистого кремнію характерний пік при 91 еВ (рис.5.4, а). Після окислення область спектру, зумовлена переходом LVV, суттєво змінюється, відбувається зсув піка до 0,75 еВ (рис.5.4, б). Після випаровування шару SiO₂ відновлюється початковий Оже-спектр.

Рис. 5.4. Оже-спектри поверхні кремнію до (а) і після (б) окислення.

Розрахунок енергетичного розподілу густини станів у v-зоні за даними Оже-спектроскопії досить складний. Це пов’язано з тим, що форма Оже-ліній визначається не безпосередньо густиною станів, а густиною ймовірності відповідних походів. Крім цього, тонка структура Оже-спектрів може бути зумовлена рядом інших причин, наприклад, дискретними втратами енергії на збудження плазмонів, між зонними переходами. Не зважаючи на це, спеціальні методи аналізу Оже-спектрів дозволяють отримати розподіл за енергіями густини станів у v-зоні кремнію, що добре узгоджується з обчисленим. Отже, метод ЕОС може бути корисним і для вивчення електронної структури поверхні.

Можливості методу ЕОС не обмежуються визначенням якісного елементного складу поверхні твердих тіл за даними вимірювань Оже-спектрів. Цей метод дозволяє проводити і кількісний аналіз на основі вимінювань абсолютного значення струму Оже-електронів для заданого піка.

Кількісний Оже-аналіз. Для переходу АВС зв’язок між струмом Оже-електронів для деякого піка I_ елемента  та концентрацію атомів даного елемента N_ у при поверхневій області описується виразом:

, (5.2)

де I_p – струм первинних електронів з енергією E_p; (E_p, E_A) – переріз йонізації первинним електроном рівня A, енергія якого дорівню E_A; _ – геометричний фактор, який залежить від ефективності збирання та кутового розподілу Оже-електронів; _(E_p) – коефіцієнт зворотного розсіювання, який ураховує йонізацію зворотно розсіяними первинними електронами; _=0,05 – 0,2 при E_p=2 – 5кеВ; W_ABC1 – ймовірність Оже-переходу АВС при йонізації рівня A; _e(E_A) – глибина виходу Оже-електронів, яка визначається із співвідношення

, (5.3)

тут К – частка електронів, які виходять із при поверхневого шару завтовшки d без втрат енергії.

Експериментально встановлено, що величина _e слабо залежить від матеріалу і дорівнює мінімальному значенню в області енергій 40 – 1000 еВ, для якої значення _e становить величину порядку 10^-4 мкм. Залежність _e від кінетичної енергії випромінюваних електронів призводить до деяких ускладнень, пов’язаних з тим, що лінії Оже-спектрів для різних ділянок спектру можуть відповідати різним значенням товщини приповерхневого шару, що вивчається.

Як видно із (5.2), точність кількісного аналізу залежить від точності визначення величин (E_p, E_A), _(E_p) і W_ABC, що досить складно. Крім цього, абсолютні вимірювання дуже малих значень струмів Оже-електронів також пов’язані із значними труднощами. Тому звичайно використовують методи, що зводяться до вимірювань відносних величин, які базуються на використанні прокаліброваних еталонів з відомими значеннями концентрацій досліджуваних елементів. Наприклад, якщо концентрація елемента у еталонному зразку дорівнює , то концентрацію цього ж елементна у досліджуваному зразку можна знайти за формулою

_. (5.4)

При використанні цієї методики не потрібно знати переріз йонізації, ймовірність Оже-переходу та геометричний фактор ₀, а величини Оже-струмів можна виміряти в довільних, але однакових одиницях. Якщо досліджуваний та еталонний зразки виготовленні з одного і того ж матеріалу, то і . У цьому випадку для визначення величини необхідно виміряти лише відношення Оже-струмів.

Методика вимірювання Оже-спектрів. Схематичне зображення установки для дослідження Оже-спектріів наведено на рис.5.5. Установка складається з вакуумної камери, оточеної магнітним екраном, у якій розташовано пристрій збудження – електрона гармата з оптичною системою і монохроматором, мішень (досліджуваний зразок) та аналізатор для дослідження енергетичного розподілу вторинних електронів і детектор. Для вимірювання Оже-струму використовують самозаписний потенціометр, розташований поза вакуумною камерою. Дослідження Оже-спектрів проводять у надвисокому вакуумі (~10^‑10 Торр). У випадку дослідження пасивованих поверхонь можна використовувати менше розрідження атмосфери у вакуумній камері (~10^‑8 Торр).

Рис. 5.5. Блок-схема установки для дослідження електронних

Оже-спектрів.

При вимірюванні залежності концентрації різних елементів від відстані у при поверхневому шарі або для очищення поверхні використовується йонна гармата, що дозволяє розпорошувати поверхню зразка пучком йонів інертного газу, наприклад аргону.

Пристрій збудження забезпечує пучок моно-енергетичних первиних електронів діаметром 0,1 – 1,0 мм з енергією 100 – 500 кеВ. У деяких типах сучасних Оже-спектрометрів використовують тонко сфокусовані електронні пучки, діаметр яких становить величину порядку 10^-2 мкм. Струми збудження становлять 0,1 – 500 мкА. Чутливість методу ЕОС обмежується рівнем шумів реєструючих приладів. Сучасні установки дозволяють вимірювати дуже малі Оже-струми, величина яких становить 10^-11 – 10^-10 А. При І_Оже=3,210^-10 А концентрація домішкових атомів, які можна виявити, дорівнює ~10¹⁵ ат/см².

Метод ЕОС успішно використовують при хімічному аналізі поверхні мікросхем для виявлення причин виходу їх із ладу. У цьому випадку використовують сканування поверхні тонко сфокусованим електронним пучком діаметром ~10^-2 мкм. Використання методики сканування поверхні дозволяє отримати двовимірну картину розподілу заданого хімічного елемента на поверхні.

Використовуючи йонне стравлювання поверхні досліджуваного зразка, можна отримати концентраційні профілі для заданого елемента і в третьому вимірі. Але йонне травлення поверхні твердого тіла може призвести до деякого спотворення Оже-спектрів, що може бути зумовлене рядом причин (відновлення окислів, дифузія атомів з об’єму до поверхні, різні швидкості розповсюдження компонентів матеріалу на поверхні, тощо). Тому інтерпретація результатів досліджень вимагає певної обережності.

Крім ЕОС використовують також іонну Оже-спектроскопію, суть якої полягає в тому, що вибивання Оже-електронів здійснюється при іонному бомбардуванні поверхні.

5.3. Х-променева фотоелектронна спектроскопія

Принцип методу Х-променевої фотоелектронної спектроскопії базується на дослідженні зовнішнього фотоефекту при збудженні рентгенівським випромінюванням. Якщо на кристал падає монохрома­тичний пучок рентгенівського випромінення з енергією фотонів h, то принципово можливий вихід фотоелектронів у вакуум зі всіх енергетичних рівнів кристалу, для яких енергія зв’язку менша h. На рис.5.6 показані види можливих переходів і піки, що їм відповідають, на фотоелектронному спектрі, який характеризує за­лежність виходу фотоелектронів _ф від їх кінетичної енергії Е.

При досить великих значеннях енергії фотонів збудження мож­ливий вихід електронів у вакуум з глибоких внутрішніх оболонок (K, L, M) при безпосередній взаємодії електронів і фотонів (рис.5.6, а), з цих же оболонок в результаті Оже-процесів (рис.5.6, б) та з рівнів валентної зони (мал.5.6, в).

Товщина приповерхневого шару, який можна вивчати цим методом визначається глибиною виходу фотоелектронів _e, яка визначається середньою довжиною вільного пробігу електрона.

Рис. 5.6. Схематичне зображення можливих електронних переходів (а – в) та відповідні піки на фотоелектронному спектрі (г) при опроміненні поверхні твердого тіла Х-випромінюванням.

Довжина _e, та­ким чином, залежить від механізму розсіювання та енергії фотозбудженого електрона. Реальні значення _e для металів складають 510^-4 – 310^-3 мкм в області значень енергій фотоелектронів 10 – 2000 еВ. Отже, товщина приповерхневого шару, який можна зондувати в цьому методі не перевищує 310^-3 мкм. У деяких випадках товщину шару можна зменшити до 10^-4 мкм, тобто цей метод є поверх­нево чутливим.

Положення піків в енергетичному спектрі фотоелектронів, по­в’язаних з йонізацією внутрішніх атомних оболонок та з виходом Оже-електронів (рис.5.6, а, б), є специфічним для різних елементів, що дозволяє ідентифікувати елементи, які знаходяться на поверхні кристалу. Тому ці спектри можна використовувати для якісного елементного аналізу поверхневого шару.

Метод фотоемісійної спектроскопії успішно використовують для досліджень адсорбції на поверхні твердих тіл. За допомогою цього методу можна спостерігати фотоемісію з внутрішніх оболонок адсорбованих атомів і таким способом ідентифікувати їх природу. Відносна інтенсивність піків дає напівкількісний аналіз адсорбо­ваних покрить, а розташування піків – інформацію про енергію зв’язку електрона, який випромінюється, відносно рівня вакууму . Ве­личину визначають за різницею кінетичної енергії Е основної лінії переходу, яка визначається спектрометром, і енергії фотона збудження h:

. (5.5)

Якщо енергія зв’язку відрахована від рівня Фермі, то необхідно враховувати роботу виходу електрона дтя даного матеріалу :

. (5.6)

Амплітуда піка пропорцій­на кількості атомів даного сорту, що дозволяє використовували цей метод для кількісного хімічного аналізу поверхневого шару. Але для цього необхідно визначати ряд параметрів таких, як глибина виходу фотоелектрона _e та переріз фотоіонізації для Х-випромінення _Х. Величина _e не залежить від роду збудження і збігається з глибиною виходу Оже-електронів. Тому при визначенні величини _e у даному випадку виникають такі ж труднощі, як і в методі Оже-спектроскопії.

Можливість проведення кількісного аналізу хімічного складу поверхні твердого тіла методом Х-променевої фотоелектронної спектроскопії або, як інакше називають, методом електронної спектроскопії для хімічного аналізу (ЕСХА), значною мірою визначається абсолютною величиною перерізу фотойонізації _x. Чим більше значення величини _x для атомного рівня даного елемента, тим більша чутливість метода відносно цього елемента. При малих значеннях _x інтенсивність фотоелектроних піків незначна і кількісний аналіз провести не вдається. Для різних елементів чутливість методу ЕСХА відрізняється майже на два порядки. Експериментально встановлено, що відбувається періодична зміна елементної чутливості зі збільшенням атомного номера Z елемента у періодичній системі (рис.5.7). Видно що при збільшенні числа Z чутливість зростає, але при деяких його значеннях різко зменшується. Аналогічний вигляд має залежність від Z коефіцієнта поглинання X-випрмінювання. Звідси випливає, що елементна чутливість Х-променевої фотоелектронної спектроскопії визначається перерізом поглинання Х-фотонів для даної електронної оболонки.

Отже, використовуючи табличні дані для перерізів йонізації різних елементів Х-випромінюванням з енергіями фотонів, які найчастіше використовують у спектроскопії (1254 та 1487 еВ), методом ЕСХА можна визначити відносний вміст елементів у приповерхневому шарі зразка. Даний метод дозволяє виявляти практично всі елементи періодичної системи при їх відносній концентрації не менше 0,1 ат.%, в окремих випадках чутливість може збільшуватись до 0,001 ат.%.

Рис. 5.7. Залежність елементної чутливості від атомного номера елемента.

Метод фотоелектронної спектроскопії успішно використовують для дослідження адсорбції на поверхні твердих тіл. За допомогою цього методу можна спостерігати фотоемісію із внутрішніх орбіталей адсорбованих атомів, що дозволяє ідентифікувати їх хімічну природу. Відносна інтенсивність піків, які відповідають адсорбату, дозволяє отримати напівкількісну інформацію про адсорбційне покриття, а розташування піків – інформацію про їх енергію зв’язку. За величиною хімічного зсуву піків адсорбата можна зробити висновок відносно характеру взаємодії атомів адсорбата і твердого тіла.

Важливою перевагою цього методу є практично повна відсутність руйнування зразка, для розділення спектрів адсорбата і основної речовини необхідно спочатку виміряти спектри для чистої поверхні, а потім для тієї ж поверхні після проведення адсорбції, і проана­лізувати їх різницю.

Метод електронної спектроскопії для хімічного аналізу має ряд переваг, які полягають у тому, що цей метод не руйнує поверхні зразка, можна застосовувати прилади для нагромадження сиг­налу, що підвищує чутливість методу; дані ЕСХА легко опрацьовувати кількісно; загальне число електронів визначають безпосередньо як площу під піком.

Недоліком ЕСХА є низька розрізна здатність в порівнянні з іншими методами, що не дозволяє досліджувати тонку структуру спектру пов’язану, наприклад, з особливостями густини станів в -зоні або в забороненій зоні .

5.4. Мас-спектроскопія вторинних іонів

У ряді методів діагностики поверхні використовують йонне збудження. Одним з найпоширеніших методів цього класу є йонна мас-спектроскопія, яка базується на явищі вторинної емісії. Фізичний зміст цього явища полягає в тому, що при бомбардуванні поверхні крис­талу прискореними йонами їх кінетична енергія передається частин­кам твердого тіла, що може призводити до виходу їх з кристалу. При цьому існує певна ймовірність йонізації часток, що виходять з твердого тіла. Йонна складова такого потоку й утворює вторинну йонну емісію.

Експериментально встановлено, що при йонному бомбардуванні поверхня твердого тіла емітує атомні йони основної речовини, йони багатоатомних кластерів основної речовини, її сполук з різни­ми атомами, наприклад, з киснем, а також йони поверхневих домі­шок. Товщина шару, з якого випромінються вторинні йони речовини, становить ~10^-4мкм. Тому цей метод дозволяє отримати інформацію про хімічний склад поверхні твердого тіла.

Повний аналіз явища вторинної йонної емісії складається з трьох основних стадій: вивчення взаємодії первинних йонів з частинками твердого тіла, вивчення процесу обміну електронами між частинками, які випромінюються, і кристалом, а також встановлення рівноваги всередині частинки після її виходу з кристалу у вакуум. Перша стадія досить добре пояснює теорія катодного розпорошення. Дві інші стадії вивчені недостатньо. Тому оцінка зарядового стану вторинних йонів є складною задачею.

Основними експериментальними характеристиками вторинної йонної емісії є такі величини: розподіл вторинних йонів за енергіями та кутами вилітання з твердого тіла; залежність струму вторинних йонів з даним значенням масового числа від масового числа, тобто мас-спектр вторинних йонів; коефіцієнт катодного розпорошування для даного типу йонів. Розглянемо інформативність названих характеристик.

Якісний аналіз поверхні. Мас-спектри вторинних йонів отримують у вигляді залежності йонного струму від масового числа і характеризуються наявністю ряду піків різної інтенсивності (рис.5.8). Окремо отримують спектри для позитивно та негативно заряджених вторинних йонів. Як видно із наведених на рис.5.8 спектрів, кількість піків та їх інтенсивності суттєво залежать від стану поверхні. Порівняння мас-спектрів для поверхонь оброблених різними способами, дозволяє зробити висновок про елементний склад поверхні досліджуваного матеріалу. Для сильно забруднених поверхонь мас-спектри досить складні. Послідовні вимірювання ряду мас-спектрів при очищенні поверхні, наприклад йонним чи термічним травленням, дозволяє отримати інформацію про ефективність даного способу очищення поверхні.

Рис. 5.8. Мас-спектри позитивних (а) та негативних (б) вторинних іонів для кремнію до і після окислення.

Кількісний аналіз. Загальний йонний струм для деякого піку I_i^пропорційний кількості атомів даного сорту на поверхні кристалу. Тому значення величини I_i^можна використати для кількісного аналізу складу поверхні. Але при цьому необхідно знати коефіцієнт катодного розпорошування та ступінь йонізації вторинних йонів, а при абсолютних вимірюваннях – ще й коефіцієнт збирання йонів колектором, який дорівнює відношенню числа зареєстрованих колектором йонів до загального їх числа, що випромінюється даною ділянкою поверхні.

Ці величини визначають за допомогою градуювання мас-спектрометра.

Чутливість методики до різних елементів на поверхні може істотно відрізнятися. Найлегше виявити атоми з низьким потенціалом йонізації і слабо зв’язані з поверхнею, наприклад, атоми лужних металів. Мінімальні відносні концентрації атомів, які можна виявити цим методом, становлять ~ 10^-9( ). Для більшості елементів .

Скануванням поверхні вузьким йонним пучком можна одержати інформацію про розподіл даного елемента на поверхні, а за допомогою йонного мікроскопа можна одержати збільшене зображення досліджуваної ділянки. Це дозволяє вивчати однорідність поверхні, виявляти місця скупчення певних елементів, вивчати локальні зміни складу поверхні під дією різних факторів (адсорбція, поверхневе легування, тощо).

Використовуючи йонне бомбардування для контрольованого видалення певної товщини поверхневих шарів та вимірюючи мас-спектри при такому пошаровому травленні, можна визначити профіль легування приповерхневої області різними елементами. Такі профілі отримують при дифузії домішок з поверхні в об’єм кристалу, а також при йонному легуванні.

Найпростіше отримати відносну зміну концентрації домішок зі збільшенням відстані від поверхні у глибину кристалу. Для цього потрібно виміряти залежність струму вторинних йонів для певного максимуму у довільних одиницях від часу йонного бомбардування, що визначає товщину видаленого шару. Для абсолютних вимірів необхідно провести градуювання мас-спектрометра за допомогою еталонних зразків.

Мас-спектрометричні методи можна використовувати й при вивченні хімічних реакцій на поверхні твердих тіл, оскільки вигляд мас-спектрів залежить від хімічного зв’язку атомів на поверхні.

Методика експериментальних досліджень. Експе-риментальна установка для вимірювань мас-спектрів складається із джерела первинних йонів заданого сорту; вакуумної камери, у якій розташовується досліджуваний зразок; аналізатора мас та енергій вторинної йонів; колектора, за допомогою якого вимірюють йонний струм. Використовують установки трьох типів.

Мас-спектрометр вторинних йонів. Збуджується вся поверхня зразка йонним пучком великого діаметра (0,1 – 0,01см²), вторинні йони аналізуються магнітним або квадрупольним мас-спектрометром. Реєструється увесь спектр мас або окрема лінія.

Йонний мікрозонд. Збудження провадиться вузьким скануючим йонним пучком (діаметр до 1мкм). Вторинні йони аналізуються мас-спектрометром, так що на колектор попадають йони з певним відношенням маси М до елементарного заряду q. Сигнал з колектора подається на екран осцилографа. За допомогою синхронізації розгортки на екрані можна отримати збільшене зображення поверхні для йонів даного сорту.

Вторинно-йонний мікроскоп. Діаметр йонного пучка, який переміщають по поверхні зразка, можна змінювати від декількох мікрометрів до 25 мкм. Вузький вторинний пучок аналізується за величинами імпульсів та енергій йонів. Збільшене зображення поверхні “у йонах” даного типу реєструється на екрані або на фотопластинці.

Переваги методу: висока роздільна здатність за масою, що визначається якістю аналізатора та дозволяє розрізняти практично всі можливі ізотопи;

висока чутливість, що дозволяє визначати масу йонів при їх кількості до 10³ – 10⁴;

можливість реєстрування всіх елементів, у тому числі воденю і гелію;

можливість дослідження та аналізу елементного складу поверхневих шарів як для провідних, так і для ізолюючих матеріалів;

можливість візуального спостереження поверхні “у йонах” даного типу з розрізненням окремих елементів розміром до 1мкм;

можливість котролювання елементного складу поверхні у трьох вимірах.