(57)【要約】  【課題】  スペクトルの半値幅を用いずに，スペクトルの面積に基づいて被解析層の厚さを解析することにより，解析処理の迅速化，解析処理にかかる時間の短縮化，解析精度の向上を図ること。  【解決手段】  単層或いは複数層からなる試料にイオンビームが照射されることによって上記試料で散乱した散乱粒子のエネルギースペクトルに基づいて，上記試料の深さ方向の組成分布の解析を行うよう構成されており，被解析層に相当するエネルギースペクトルが単独で出現するときの散乱角度（特定散乱角度）へ散乱した散乱粒子のエネルギーを実測し，この実測により得られた実測エネルギースペクトルに単独で出現する上記被解析層の単独エネルギースペクトルを抽出し，そして抽出された上記単独エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積に基づいて上記被解析層の厚さを算出する。【選択図】図５
2006098292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単層或いは複数層からなる試料にイオンビームが照射されることによって上記試料で散乱した散乱粒子のエネルギースペクトルに基づいて，上記試料の深さ方向の組成分布を解析するスペクトル解析方法であって，
被解析層に相当するエネルギースペクトルが単独で出現するときの特定散乱角度へ散乱した散乱粒子のエネルギーを実測して実測エネルギースペクトルを取得する実測スペクトル取得工程と，
上記実測スペクトル取得工程により取得された実測エネルギースペクトルに単独で出現する上記被解析層の単独エネルギースペクトルを抽出する単独スペクトル抽出工程と，
上記単独スペクトル抽出工程により抽出された上記単独エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積に基づいて上記被解析層の厚さを算出する層厚算出工程と，
を備えてなることを特徴とするスペクトル解析方法。
【請求項２】
上記特定散乱角度が，
上記試料の深さ方向についての予め設定された既定分布に基づいて，上記散乱粒子の所定の散乱角度に対応した理論エネルギースペクトルをシミュレーションにより取得する理論スペクトル取得工程と，
上記理論スペクトル取得工程により取得された理論エネルギースペクトル内に被解析層に相当するエネルギースペクトルが単独で出現するときの散乱角度を探索する散乱角度探索工程と，により探索されたものである請求項１に記載のスペクトル解析方法。
【請求項３】
上記層厚算出工程が，複数元素からなる被解析層のそれぞれの元素の単独エネルギースペクトルの波形で囲まれたそれぞれのスペクトル面積に基づいて上記被解析層の厚さを算出するものである請求項１又は２に記載のスペクトル解析方法。
【請求項４】
上記層厚算出工程，上記単独エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積と，予め取得された基準エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積とを比較することにより上記被解析層の厚さを算出するものである請求項１〜３のいずれかに記載のスペクトル解析方法。
【請求項５】
上記基準エネルギースペクトルは，深さ方向の組成分布及び層厚が既知の基準試料を基にシミュレーション或いは実測により予め取得された上記被解析層のエネルギースペクトルである請求項４に記載のスペクトル解析方法。
【請求項６】
上記層厚算出工程が，上記単独エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積と，予め取得された上記基準エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積との差分に基づいて上記被解析層の厚さを算出するものである請求項１〜５のいずれかに記載のスペクトル解析方法。
【請求項７】
上記スペクトル面積が，所定のエネルギースペクトルにおける散乱粒子のカウント総数に相当するものである請求項項１〜６のいずれかに記載のスペクトル解析方法。
【請求項８】
単層或いは複数層からなる試料にイオンビームが照射されることによって上記試料で散乱した散乱粒子のエネルギースペクトルに基づいて，上記試料の深さ方向の組成分布を解析するスペクトル解析装置であって，
被解析層に相当するエネルギースペクトルが単独で出現するときの特定散乱角度へ散乱した散乱粒子のエネルギーを実測して実測エネルギースペクトルを取得する実測スペクトル取得手段と，
上記実測スペクトル取得手段により取得された実測エネルギースペクトルに単独で出現する上記被解析層の単独エネルギースペクトルを抽出する単独スペクトル抽出手段と，
上記単独スペクトル抽出手段により抽出された上記単独エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積に基づいて上記被解析層の厚さを算出する層厚算出手段と，
を具備してなることを特徴とするスペクトル解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，ラザフォード後方散乱分光法等におけるスペクトル解析技術に関し，特に，単層或いは複数層からなる試料で散乱した散乱粒子のエネルギースペクトルを測定することにより上記試料の深さ方向の組成分布の解析を高精度に行うスペクトル解析方法及びスペクトル解析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来，半導体技術や結晶性薄膜技術等の分野では，単層或いは複数層からなる膜構造の半導体デバイス等の試料を分析する手法として，周知のラザフォード後方散乱分光法（以下，ＲＢＳ法，ＲＢＳ：Rutherford Backscattering Spectrometry）や反跳粒子検出法（以下，ＥＲＤ法，ＥＲＤ：Elastic Recoil Detection）等に代表される種々の試料分析方法が用いられている。
上記ＲＢＳ法を用いて，深さ方向の組成分布が未知の試料の濃度解析を行う具体的な手法としては，特許文献１に記載のフィッティング法がある。このフィッティング法は，試料の深さ方向の組成分布に関する予め仮定された仮定分布を変化させつつ理論エネルギースペクトル（以下，理論スペクトルという）を計算し，この計算された理論スペクトルと，上記ＲＢＳ法を利用したＲＢＳ分析装置により実測されたエネルギースペクトル（以下，実測スペクトルという）とを比較し，両者が一致するような上記仮定分布を試行錯誤的に探索することによって試料の深さ方向の組成分布を決定する手法である。なお，かかる手法は，組成分布が未知の試料に限られず，既知の試料における特定層の層厚解析にも適用される。
しかしながら，上記フィッティング法では，解析実施者等の知見や経験或いは技能に基づいて感覚的に，上記理論スペクトルと上記実測スペクトルとが一致する仮定分布の探索が行われるため，解析自体に人的能力が介入する。そのため，個人差により，解析速度，解析時間，解析精度にばらつきが生じることになる。
【０００３】
ところで，近年，上記フィッティング法を用いることなく，試料の深さ方向の組成分布を効果的に解析することのできる高分解能試料分析装置が開発され，特許文献２，３及び非特許文献１等の多くの文献に掲載されている。
ここで，図１及び図２を用いて上記高分解能試料分析装置の一例である高分解能ＲＢＳ分析装置（以下，ＨＲＢＳ分析装置という）Ａの構成及び機能の概略について簡単に説明する。ここに，図１はＨＲＢＳ分析装置Ａの概略構成を示す全体図，図２はＨＲＢＳ分析装置Ａの各構成要素を模式的に示した模式図である。
図１及び図２に示すように，上記ＨＲＢＳ分析装置Ａは，イオンビーム発生装置Ｘと，ウィーンフィルタＹ及びスリット７（図２）と，四重極レンズ１１と，分析対象である試料２を配置する真空容器３と，上記試料２の表面から散乱する散乱イオン（散乱粒子の一例）のエネルギースペクトルを測定する電磁石スペクトロメータＺとを具備して概略構成される。尚，図１中の２１は試料の載置位置を変更して試料へのイオンビームの入射方向を変化させるゴニオメータ，２２は上記真空容器３内に試料を出し入れするトランスファーロッドである。
上記イオンビーム発生装置Ｘは，ボンベ１５より供給されるガス（例えば，ヘリウムガス）を用いてイオン源１２によって生成された軽イオンを，コッククロフト型高電圧回路１４から供給される高電圧により加速管１３内で一定エネルギーに加速した後に照射する。上記ウィーンフィルタＹ及び上記スリット７は，上記イオンビーム発生装置Ｘにより加速され照射されるイオンビーム１から特定のイオン種のみ（例えばヘリウム一価イオン）を抽出する。ここで，上記ウィーンフィルタＹは，通過するイオンに対して，磁極１７，コイル１８，及びリターンヨーク１９で発生する磁場による偏向作用（イオンの運動量に比例）と，平行電極２０で発生する電場による偏向作用（イオンのエネルギーに比例）とが，互いに反対方向に働くように構成されたフィルタであり，上記イオンビーム１のうち特定のイオン種（例えばヘリウム一価イオン）のみを直進させると共に，それ以外のイオン種（例えばヘリウム二価イオン，水素原子イオン等）の軌道を曲げる特性を有するものである。上述した上記ウィーンフィルタＹの特性により，分析に利用される特定のイオン種以外のイオン種は，該ウィーンフィルタＹのイオンビーム入射方向下流に設けられ，直進するイオンのみが通過できるように設定された上記スリット７を通過できずに除去される。このようにして特定のイオン種のみが抽出された上記イオンビーム１が，上記スリット７のイオンビーム入射方向下流に設けられた上記四重極レンズ１１により集束され，所定のビームスポットにより上記試料２表面に照射される。上記試料２表面に照射された上記イオンビーム１は上記試料２表面で散乱され，その散乱イオンのうち，一部の散乱イオンが電磁石スペクトロメータＺに入射される。ここで，該電磁石スペクトロメータＺは，通過する散乱イオンを，コイル４，リターンヨーク５，及び磁極６で発生する磁場により，その散乱イオンのエネルギーに応じて偏向した後に検出素子８に対して導くものである。上記検出素子８はシリコン或いはゲルマニウム等の半導体を利用したエネルギー敏感型のイオン検出器であり，複数のチャネルを有する。この検出素子８において上記複数のチャネルに散乱イオンが飛び込んだ位置（磁場による偏向量）が検出されると，その検出信号が図示しないコンピュータ（又はシミュレータ装置）に送信され，そこで散乱イオンのカウント数が計数される。このように検出された位置及び計数されたカウント値は，上記コンピュータにおいて上記試料２の表面や内部から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルの算出（測定）に供される。
【０００４】
次に，図３を用いて，測定された散乱イオンのエネルギースペクトルに基づいて試料の厚さ等の組成分布を解析する従来の解析手法の基本原理について説明する。なお，図３では，試料２は表面から質量Ｍ１の重元素Ｐからなる層２１と，質量Ｍ２の軽元素Ｑからなる層２２とが積層された二層構造の薄膜とする。ここに，図中の２３（斜線部分）は試料を保持するシリコン基板を示す。
イオンビーム発生装置Ｘから試料２に向けて出射されたイオン３０（以下「入射イオン」という）が試料２に照射して試料２内の成分原子（組成元素）とが衝突した場合，この衝突はほとんど弾性散乱とみなすことができる。したがって，例えば，図３に示すように，エネルギーＥ0，質量ｍの入射イオン３０が試料２の層２１の表面にある元素Ｐと衝突し，散乱角（検出角）φの方向へ弾性散乱して跳ね返されると，この跳ね返された散乱イオン３０ｓの持つエネルギーＥｓは，運動量保存の原則から次式（１）で与えられる。
【数１】
2006098292.tif 000003
ここで，Ｋはkinematic factor（以下「Ｋファクター」と称す。）と呼ばれ，入射イオン３０の衝突時におけるエネルギーロスの割合を示す係数である。なお，このＫファクターは入射イオン３０の質量ｍと衝突元素Ｐの質量Ｍ１との関数で表され，散乱イオン３０ｓのエネルギーＥｓから衝突した元素の質量を測定できる。
一方，試料２の層２１の表面からΔｔだけ深いところで入射イオン３０が衝突して散乱した場合は，入射イオン３０が衝突元素にたどりつくまでの間，及び弾性衝突して跳ね返された後に試料表面から飛び出すまでの間に電子雲（元素の原子核を周遊する自由電子群）によってエネルギーが減衰する。したがって，Δｔだけ深いところで跳ね返った散乱イオン３０ｆのエネルギーＥｆと前記試料２の表面で散乱した散乱イオン３０ＳのエネルギーＥｓとは，次式（３）の関係を有する。
【数２】
2006098292.tif 000004
また，このΔＥはイオンが試料中を通過した距離に線形に比例することが知られており，入射イオン３０のエネルギーの減衰係数（阻止係数ともいう）をε，試料中の元素の元素数密度をＮとすると，上式（３）のΔＥは次式のように表すことができる。なお，上記阻止係数εはエネルギーＥと試料の電荷Ｚとの関数である。また，上記阻止係数ε及び上記元素数密度Ｎは，試料２を構成する層２１，２２の元素や組成構造が判明しておれば既定の物理量として扱うことができる。
【数３】
2006098292.tif 000005
ここで，図３に示す試料２にある一定のエネルギーを持つイオンを照射させたときに得られるエネルギースペクトルの一例を図４に示す。図４中のＳｐ２１は試料２中の層２１の実測スペクトルを示し，Ｓｐ２２は層２２の実測スペクトルを示す。
このように測定された実測スペクトルＳｐ２１，Ｓｐ２２においては，当該各スペクトルＳｐ２１，Ｓｐ２２の幅がエネルギーの減衰量ΔＥを表すことになる。しかしながら，図４に示すように，実測スペクトルはガウス分布をしているため，実測スペクトルの幅を容易に特定することはできない。そのため，従来は，実測スペクトルの収量（検出器に飛び込んだ散乱イオンのカウント数）の最大値の半分の値におけるスペクトル幅（いわゆる半値幅），即ち，図中の両矢印Ｙで幅をエネルギーの減衰量ΔＥとみなして，被解析層の厚さを求めていた。
【特許文献１】特開２００４−１９１２２２号公報
【特許文献２】特開２００４−２０４５９号公報
【特許文献３】特開２００３−３４４３１９号公報
【非特許文献１】森芳一，外３名，“高分解能ＲＢＳ分析装置”，［online］，２００２年９月１日，Ｒ＆Ｄ／神戸製鋼技報，第５２巻，第２号（通巻第２０１号），薄膜技術特集，ｐ．５３−５６，株式会社神戸製鋼所  コミュニケーションセンター，［平成１６年９月６日検索］，インターネット＜http://www.kobelco.co.jp/technology-review/vol52#2.htm＞又は＜http://www.kobelco.co.jp/technology-review/pdf/52#2/053-056.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら，被解析試料や被解析層が比較的厚い場合や，入射エネルギーが強大である場合，或いは長時間の測定を行う場合は，十分な量の散乱イオンをカウントすることができるため，上述した従来の解析手法を用いても，上記半値幅をエネルギーの減衰量ΔＥとみなすことで被解析試料の厚さや試料の組成を精度高く算出，分析することができるが，被解析試料や被解析層が極薄膜の場合や，入射エネルギーが小さい場合，或いは長時間の測定が許されない場合は，上記ＨＲＢＳ装置Ａでは，精度の高い解析を行うに足りる十分なカウント値（スペクトル）を得ることができない。そのため，このような場合に，上記半値幅を基準に層厚や組成分布を求める従来の解析手法を用いたとしても，解析結果に誤差やばらつきが生じるという問題が生じる。このような問題が生じるがために，被解析試料や被解析層が極薄膜である場合には，その厚さや組成の分析を行うには，依然として前記したフィッティング法に頼らざるを得なかった。
また，多層構造の薄膜の場合は，散乱角度にもよるが，実測されるスペクトルは，各層に対応する層スペクトルが重なった状態，即ち，各層に対応するスペクトルが単独で現れない状態の重層スペクトルとして測定されるため，上記従来の解析手法では，被解析層のスペクトルを容易に抽出することができず，結果的に，被解析層の実測スペクトルから層厚や組成の分析を容易に行うことができないという問題がある。これは，上記フィッティング法による解析の場合も同様に起こり得る問題である。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，スペクトルの半値幅ではなく，スペクトルの面積に基づいて被解析層の厚さを解析することにより，解析処理の迅速化，解析処理にかかる時間の短縮化，解析精度の向上を図ることが可能なスペクトル解析方法及びスペクトル解析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明のスペクトル解析方法及びスペクトル解析装置は，単層或いは複数層からなる試料にイオンビームが照射されることによって上記試料で散乱した散乱粒子のエネルギースペクトルに基づいて，上記試料の深さ方向の組成分布の解析を行うよう構成されており，即ち，被解析層に相当するエネルギースペクトルが単独で出現するときの特定散乱角度へ散乱した散乱粒子のエネルギーを実測し，この実測により得られた実測エネルギースペクトルに単独で出現する上記被解析層の単独エネルギースペクトルを抽出し，そして抽出された上記単独エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積に基づいて上記被解析層の厚さを算出するよう構成されている。
実測スペクトルは，試料内の元素個々について，該試料に含まれる原子数（元素数）を反映しており，そのため，スペクトル面積は試料の深さ方向に分布している元素数を表していると言える。したがって，従来のように半値幅ではなく，上記スペクトル面積に基づいて層厚の解析を行うほうが解析精度という点ではより有効である。また，カウント数（計測収量）が少ない薄膜層や薄膜試料であっても，精度の高い解析を実現することが可能となる。また，人の能力が介入するフィッティング法に頼る必要が無くなり，コンピュータ（シミュレータ装置）によるシミュレーションによって被解析層の厚さが算出されるため，解析処理全般における処理能力が向上され得る。
【０００７】
ところで，測定される実測スペクトルは，その散乱角度により異なる様相を呈することが知られている。また，少なくとも試料の深さ方向についての組成分布（既定分布に相当）が予め判明していれば，上記既定分布に応じた各散乱角度の理論スペクトルをシミュレーションにより算出可能であることも周知である。
したがって，本発明では，上記特定散乱角度は，上記試料の深さ方向についての予め設定された既定分布に基づいて，上記散乱粒子の所定の散乱角度に対応した理論エネルギースペクトルをシミュレーションにより取得し，その後，取得した理論エネルギースペクトル内に被解析層に相当するエネルギースペクトルが単独で出現するときの散乱角度を探索することにより取得されたものであることが好ましい。
シミュレーションにより上記既定分布に対応する複数の散乱角度の理論スペクトルから，単独スペクトルが出現する散乱角度（特定散乱角度という）を見つけ出すことは容易である。したがって，想定される試料の組成分布（既定分布）に対応する特定散乱角度を予め探索しておくことにより，新たな試料の解析を行うたびに上記特定散乱角度を探索する手間を省力することが可能となる。
【０００８】
上記被解析層が複数の元素からなるものである場合は，当該被解析層から複数のスペクトルが測定される。従って，この場合は，複数元素からなる被解析層のそれぞれの元素の単独エネルギースペクトルの波形で囲まれたそれぞれのスペクトル面積に基づいて上記被解析層の厚さを算出することが好ましい。このように，複数のスペクトルに基づき層厚が算出されるため，解析精度が向上され得る。
また，上記単独スペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積と，予め取得された基準スペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積とを比較することにより上記被解析層の厚さを算出するものであってもよい。なお，上記基準スペクトルとしては，深さ方向の組成分布及び層厚が既知の基準試料を基にシミュレーション或いは実測により予め取得された上記被解析層のエネルギースペクトルであることが考えられる。
このように正確な基準スペクトルと比較して，その結果算出された層厚であれば，高い信頼性を備えていることが期待できる。
また，上記単独エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積と，予め取得された上記基準エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積との差分に基づいて上記被解析層の厚さを算出するものであれば，被解析層における層厚を相対評価することができる。
更にまた，上記スペクトル面積が，上記理論スペクトル，上記実測スペクトル，上記単独スペクトル等の所定のエネルギースペクトルにおける散乱粒子のカウント総数に相当するものであってもかまわない。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように，本発明は，被解析層に相当するエネルギースペクトルが単独で出現するときの特定散乱角度へ散乱した散乱粒子のエネルギーを実測し，この実測により得られた実測エネルギースペクトルに単独で出現する上記被解析層の単独エネルギースペクトルを抽出し，そして抽出された上記単独エネルギースペクトルの波形で囲まれたスペクトル面積に基づいて上記被解析層の厚さを算出するものであるため，従来のように半値幅で層厚の解析を行うのではなく，上記スペクトル面積に基づいて層厚解析を行うため，高精度の解析を実現することが可能となる。また，カウント数（計測収量）が少ない薄膜層や薄膜試料であっても，スペクトル面積で層厚が算出されるため，精度の高い解析が行われる。また，人の能力が介入するフィッティング法に頼る必要が無くなり，コンピュータ（シミュレータ装置）によるシミュレーションによって被解析層の厚さが算出されるため，解析全般における処理能力が向上され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係るスペクトル解析方法が適用されるＨＲＢＳ分析装置Ａの概略構成を示す全体図，図２は上記ＨＲＢＳ分析装置Ａの各構成要素を模式的に示した模式図，図３はエネルギースペクトルに基づいて試料の厚さ等の組成分布を解析する手法の基本原理を説明する図，図４は図３に示す試料２にイオンビームを照射させたときに得られるエネルギースペクトルの一例を示すスペクトル図，図５は上記スペクトル解析方法の手順の一例を説明するフローチャート，図６は本発明の実施の形態に係るスペクトル解析装置の一例であるシミュレータ装置６０の概略構成を示すブロック図，図７はシミュレーションにより得られた理論スペクトルを示すスペクトル図，図８は上記ＨＲＢＳ分析装置Ａで実測された試料２の実測スペクトルを示すスペクトル図，図９はシミュレーションにより得られた試料の元素プロファイルを示す図，図１０は多層構造の試料のスペクトルの一例を示すスペクトル図，図１１は所定の酸化化合物から取得されたスペクトルの一例を示すスペクトル図，図１２の（ａ）は基準スペクトルＳｐ１１１と上記単独スペクトルＳｐ５２とを重ね合わせたスペクトル図，（ｂ）は基準スペクトルＳｐ１１１と上記単独スペクトルＳｐ５２との差分スペクトルＳｐ１１２を示すスペクトル図である。
【００１１】
本発明の実施の形態に係るスペクトル解析方法は，図１及び図２を用いて先に説明したＨＲＢＳ装置Ａに適用されるものであり，上記ＨＲＢＳ装置Ａで測定された実測スペクトルに基づいて単層或いは複数層からなる試料２の深さ方向の組成分布を解析する手法に関する。なお，上記ＨＲＢＳ装置Ａは，上記試料２にイオンビームが照射されることによって上記試料２で散乱した散乱イオン（散乱粒子）のエネルギースペクトルを測定する試料分析装置の単なる一例に過ぎず，イオンをプローブとする分析装置，例えば反跳イオンのエネルギースペクトルに基づいて試料の組成分析を行うＥＲＤ分析装置や，表面スパッタを基本とする二次イオン質量分析装置等にも本発明のスペクトル解析方法を適用することが可能である。
【００１２】
ここで，図５のフローチャートを用いて本発明の実施の形態に係るスペクトル解析方法により試料の被解析層の厚さを測定（算出）する手順の一例を説明する。このスペクトル解析方法は，当該フローチャートの手順に従うことにより達成される。なお，ここでは，解析対象となる試料２を，図７に示すように，表層に重元素Ｐからなる層５１，中層に軽元素Ｑからなる層５２，下層に重元素Ｐからなる層５３の三層の薄膜層がシリコン基板５４上に積層された三層構造の薄膜とし，この中層に位置する層５２を被解析層とする。図中のＳ１，Ｓ２…は処理手順（ステップ）番号を示す。
まず，上記試料２の深さ方向についての予め設定された既定分布に基づいて，上記散乱イオン（散乱粒子）の所定の散乱角度に対応した理論スペクトルを図７のブロック図に示されるよう構成されたシミュレータ装置６０（スペクトル解析装置の一例）においてシミュレーションすることにより取得する（Ｓ１：理論スペクトル取得工程）。上記既定分布とは，上記試料２の深さ方向についての組成分布（元素分布）のことをいう。即ち，この実施の形態では，上記試料２の組成分布（層５１，５２，５３）のことを指す。このような既定分布が上記シミュレータ装置６０に予め設定登録されているため，上記シミュレータ装置６０では，この既定分布に基づいて，散乱角度として設定し得る全ての角度に対応する理論スペクトルのシミュレーションが実行される。なお，上記シミュレータ装置６０における処理能力を上げるために，所定角度毎（例えば１０°毎）にシミュレーションを行ってもよい。
【００１３】
上記シミュレータ装置６０は本スペクトル解析方法を実現することのできるスペクトル解析装置の一例であって，検出素子８に入射した散乱イオンの実測スペクトルを取得し，或いは入力されたデータ等に基づきシミュレーションにより理論スペクトルを取得することのできるものである。このシミュレータ装置６０は，図６のブロック図に示すように，検出素子８に入射（到達）した散乱イオンの位置を検出する複数のチャネル（Ａｃｈ，Ｂｃｈ等）と，該チャネルにより検出された散乱イオンの検出信号を増幅するアンプ６１と，上記アンプ６１により増幅された検出信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器６２と，デジタル化された上記検出信号と前記数式（１）〜（４）に基づき演算処理を実行する演算制御部６３とを備えて構成されている。また，上記演算制御部６３にはキーボードやマウス等の入力装置６４が接続されており，この入力装置６４の操作により，上記演算制御部６３における演算処理に用いられるデータ（情報）やコマンド（命令）が入力（設定）される。尚，上記演算制御部６３により演算結果（実測されたスペクトルやシミュレーションされたスペクトル等）は，外部接続されたプリンタやＣＲＴ等の外部出力機器（不図示）に出力される。
上記演算制御部６３は，ＣＰＵ６３−１（中央処理装置）やＲＡＭ６３−２，ＥＥＰＲＯＭ６３−３等を備えて構成されている。このＥＥＰＲＯＭ６３−３には上記入力装置６４から入力された演算処理に用いられる種々のデータ或いはコマンド，又は演算結果，上述した数式に基づく演算プログラム等が記憶されており，上記ＣＰＵ６３−１によりこれらのデータ，コマンド，演算プログラムが読み出され，上記ＲＡＭ６３−２において上記演算プログラムに基づく演算処理が実行される。
【００１４】
上記シミュレータ装置６０によるシミュレーションにより得られた理論スペクトルの一例を図７に示す。このように取得された理論スペクトルは上記シミュレータ装置６０に接続されたディスプレイ等に表示出力される。なお，この実施の形態では，説明を簡略化するために３つの散乱角度に対応した理論スペクトルを取得する例について説明するが，もちろんこれに限定されることはない。ここに，図７（ａ）は散乱角φ５０°（入射角θ：６５°）の時の理論スペクトル，（ｂ）は散乱角φ９５°（入射角θ：４２．５°）の時の理論スペクトル，（ｃ）は散乱角φ１１０°（入射角θ：３５°）の時の理論スペクトルを示し，図中のＳｐ５１，Ｓｐ５２，Ｓｐ５３はそれぞれ層５１，被解析層５２，層５３に対応する層毎のスペクトルを示す。
【００１５】
上記ステップＳ１で理論スペクトル（図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す理論スペクトル）が取得されると，続いて，取得された理論スペクトル内に被解析層５２に相当するスペクトルが単独で出現するときの散乱角度（特定散乱角度に相当）を探索する（Ｓ２：散乱角度探索工程）。即ち，図７に示す各理論スペクトル内にスペクトルＳｐ５２が単独で現れる場合の散乱角度を見つけ出す処理を行う。このステップＳ２の手順は，上記シミュレータ装置６０によるシミュレーションにより自動的に探索処理を実行させることも考えられるが，この実施の形態では，ディスプレイ等に表示された複数の理論スペクトルから人により最も適した理論スペクトルが探索され，その後，前記入力装置６４からのキー入力やマウス操作がなされることで選択された一の理論スペクトルに対応する散乱角度が特定散乱角度に決定される。
ここで，スペクトルＳｐ５２が図７（ｂ），（ｃ）に示すように単独で出現している場合は（Ｓ３のＹｅｓ側），散乱角９５°或いは１１０°を上記特定散乱角度として決定する。なお，この２つの散乱角度のうち，いずれを特定散乱角度としてもよいが，高い解析精度を得るためには，カウント数や散乱イオンのエネルギーの大きいスペクトルを形成するときの散乱角度φを特定散乱角度とすることが望ましい。したがって，本実施の形態では，特定散乱角度として，図７（ｂ）の理論スペクトルを形成する散乱角９５°を特定散乱角度と決定する。このように決定された特定散乱角度９５°に関する情報は上記シミュレータ装置６０のＥＥＰＲＯＭ６３−３等に記憶される。
一方，スペクトルＳｐ５２が単独で出現している理論スペクトルが見つからない場合は，その後，処理は終了する（Ｓ３のＮｏ側）。もちろん，散乱角度を変更して，ステップＳ１からの手順に従って再度特定散乱角度を探索してもかまわない。
【００１６】
次に，上記ＨＲＢＳ装置Ａにおいて散乱角度が９５°となるように電磁石スペクトロメータＺやゴニオメータ２１等を移動，操作して，散乱角の設定を行い，その後，設定後の散乱角９５°の方向へ散乱する散乱イオンのエネルギーを実測して実測スペクトルを取得する（Ｓ４：実測スペクトル取得工程）。即ち，被解析層５２に相当するスペクトルが単独で出現するときの特定散乱角度９５°へ散乱した散乱粒子のエネルギーの実測スペクトルを取得する。なお，前記したように，検出素子８からの検出信号に基づいて実測スペクトルを演算する前記演算制御部６３が実測スペクトル取得手段に相当する。
上記のように取得された散乱角度９５°に対応する実測スペクトルを図８に示す。なお，図８に示す実測スペクトルとシミュレーションにより得られた図７（ｂ）の理論スペクトルとは若干そのスペクトル波形が異なるが，この相違は試料２の各層５１，５２，５３の厚さ等に起因するものである。
【００１７】
続いて，上記シミュレータ装置６０（図６）によって，上記ステップＳ４で取得された実測スペクトル内に単独で出現する上記被解析層５２のスペクトル（以下，単独スペクトルという）を抽出する処理が実行される（Ｓ５：単独スペクトル抽出工程）。例えば，上記シミュレータ装置６０により得られた実測スペクトルが複数表示されたディスプレイ等から人が実行した前記入力装置６４からのキー入力やマウス操作入力に応じて一の単独スペクトルを選択する処理が実行される。なお，かかる処理は前記演算制御部６３により実行され，このときの前記演算制御部６３が単独スペクトル抽出手段に相当する。
その後，抽出された上記単独スペクトルＳｐ５２の波形で囲まれたスペクトル面積（図８の斜線部分）が前記演算制御部６３により周知の積分演算処理等によって算出され（Ｓ６），この算出されたスペクトル面積に基づいて上記被解析層５２の厚さがシミュレーションにより算出される（Ｓ７）（Ｓ６，Ｓ７：層厚算出工程）。このようにシミュレーションにより上記被解析層５２の厚さを算出する処理を行う前記演算制御部６３が層厚算出手段に相当する。なお，本実施の形態では，上記スペクトル面積を算出する例について説明するが，他の例として，例えば，上記単独スペクトルＳｐ５２における散乱イオンのカウント総数を求めて，この求められたカウント総数を基に上記被解析層５２の厚さを算出する形態であってもよい。
ここで，上記ステップＳ７における算出例としては，例えば，上記単独スペクトルＳｐ５２の波形で囲まれたスペクトル面積と，予め取得された基準エネルギースペクトル（以下，基準スペクトルという）の波形で囲まれたスペクトル面積とを比較することにより上記被解析層５２の厚さを算出することが考えられる。ここに，上記基準スペクトルは，上記試料２と同じ組成分布を有する試料（即ち，組成分布が既知の試料）であって，各層の層厚が既知の基準試料を基にシミュレーション或いは実測により予め取得された上記被解析層５２のスペクトルをいう。このように正確な基準スペクトルとの比較により算出された層厚であれば，算出値の信頼性が高い。なお，この場合，上記基準スペクトルと上記単独スペクトルＳｐ５２とは，その測定時における入射イオンの入射量や測定時間等が異なるためそのままでは比較対象とすることができない。そのため，例えば，シリコン基板５４のスペクトルやそのカウント値を基準にして上記単独スペクトルＳｐ５２を上記基準スペクトルに合わせこむ周知の校正処理を上記単独スペクトルＳｐ５２のスペクトル面積を算出する前に行う必要がある。
なお，上記ステップＳ７における具体的なシミュレーション処理は，シミュレータ装置に予め記憶された前記式（１）〜（４）や，阻止係数ε，入射イオンのエネルギー等の既知のデータ等を用いて行われる処理であって，半値幅に基づいて層厚を算出する従来のシミュレーション処理と処理自体に相違は無いため，ここでの詳細な説明は省略する。
【００１８】
上述の説明では上記被解析層５２の厚さを求める手法について述べてきたが，上記試料２を構成する層５１，５３を被解析層として同手法により層厚を求めることができることはいうまでもない。なお，このようにして算出された上記試料２の各層の層厚を反映した元素プロファイルを図９に示す。
このように，従来は実測スペクトルの半値幅（図４の量矢印Ｙ）に基づいて被解析層の厚さがシミュレーションにより算出されていたが，本発明によればスペクトル面積に基づき被解析層の厚さがシミュレーションにより算出されるため，カウント数（計測収量）が少ない薄膜層や薄膜試料であっても，フィッティング法によらず高精度に被解析層の厚さを算出することができ，解析全般における処理能力が向上する。
【実施例１】
【００１９】
上述の実施の形態では，三層構造の試料２を解析対象としたスペクトル解析方法について説明したが，実際には，多数層から構成された薄膜試料に対して解析がなされる。したがって，図７の理論スペクトルのように被解析層の単独スペクトルが現れないことも多々ある。この場合，上述の説明では，単独スペクトルを抽出することができないとしてステップＳ３において処理を終了させていた。しかしながら，例えば，図１０のスペクトル図に示すように，被解析層の単独スペクトルＳｐ９１ａに相当するスペクトルＳｐ９１ｂがシミュレーションにより得られた理論スペクトルに現れている場合は，このときの散乱角度を前記した特定散乱角度として実測スペクトルを取得し，その後，このスペクトルＳｐ９１ａを抽出することにより，層厚さを求めることが可能である。このときの上記ステップＳ５における抽出処理は，例えば，実測スペクトルの波形の急峻度が一定値以上であるかどうかにより当該波形の編曲点，即ち，図示するポイント９２，９３を検出することにより上記スペクトルＳｐ９１ｂを抽出するなどの種々の手法が考えられる。
【実施例２】
【００２０】
また，上述の実施の形態では，単一元素からなる薄膜層で構成された試料２を解析対象としたスペクトル解析方法について説明したが，実際には，被解析層が複数の元素からなる化合物（酸化化合物，硫化化合物，フッ素化合物等）である場合も考えられる。このような化合物からは，該化合物に含まれる複数の元素に対応するスペクトルが得られる。ここで，ある軽元素の酸化化合物から取得されたスペクトルを図１１に示す。なお，図中のＳｐ１０１が軽元素に相当するスペクトルであり，Ｓｐ１０２が酸素に相当するスペクトルである。この場合は，上記いずれのスペクトルの面積を用いても化合物からなる被解析層の層厚さを求めることができるが，解析精度を高めるために，スペクトルＳｐ１０１及びＳｐ１０２それぞれの波形で囲まれたそれぞれのスペクトル面積に基づいて上記被解析層の層厚さを算出してもかまわない。
【実施例３】
【００２１】
上述の実施の形態では，ステップＳ７（図５参照）において，上記単独スペクトルＳｐ５２及び上記基準スペクトルの各々のスペクトル面積を比較することにより上記被解析層５２の厚さを算出する旨を述べた。この比較の一例として，上記単独スペクトルＳｐ５２のスペクトル面積と上記基準スペクトルのスペクトル面積との差分をとり，この差分に基づいて上記被解析層１の厚さを算出することが考えられる。ここに，図１２（ａ）に基準スペクトルＳｐ１１１と上記単独スペクトルＳｐ５２とを重ね合わせたスペクトルを示し，（ｂ）に基準スペクトルＳｐ１１１と上記単独スペクトルＳｐ５２との差分スペクトルＳｐ１１２を示す。
図１２（ｂ）に示される差分スペクトルＳｐ１１２のスペクトル面積は，即ち，被解析層５２の層厚と前記基準試料における該被解析層に対応する層の層厚との差を表す。したがって，上記差分スペクトルＳｐ１１２のスペクトル面積を求め，その値の正或いは負を判断することにより，上記被解析層５２が基準厚さより厚いか薄いかを的確に判定することが可能となる。また，以下の式（５）に基づき算出された差分厚さが所定の許容範囲内に属するか否かで，試料の製造精度を検証することも可能となる。
【数４】
2006098292.tif 000006
なお，上式（５）中のΔｔは差分厚さ，Ｓ0は基準スペクトルＳｐ１１２のスペクトル面積，Ｓ1は単独スペクトルＳｐ５２のスペクトル面積，Ｔは基準厚さを示す。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係るスペクトル解析方法が適用されるＨＲＢＳ分析装置Ａの概略構成を示す全体図。
【図２】上記ＨＲＢＳ分析装置Ａの各構成要素を模式的に示した模式図。
【図３】エネルギースペクトルに基づいて試料の厚さ等の組成分布を解析する手法の基本原理を説明する図。
【図４】図３に示す試料２にイオンビームを照射させたときに得られるエネルギースペクトルの一例を示すスペクトル図。
【図５】上記スペクトル解析方法の手順の一例を説明するフローチャート。
【図６】本発明の実施の形態に係るスペクトル解析装置の一例であるシミュレータ装置６０の概略構成を示すブロック図。
【図７】シミュレーションにより得られた理論スペクトルを示すスペクトル図。
【図８】上記ＨＲＢＳ分析装置Ａで実測された試料２の実測スペクトルを示すスペクトル図。
【図９】シミュレーションにより得られた試料の元素プロファイルを示す図。
【図１０】多層構造の試料のスペクトルの一例を示すスペクトル図。
【図１１】所定の酸化化合物から取得されたスペクトルの一例を示すスペクトル図。
【図１２】（ａ）は基準スペクトルＳｐ１１１と上記単独スペクトルＳｐ５２とを重ね合わせたスペクトル図，（ｂ）は基準スペクトルＳｐ１１１と上記単独スペクトルＳｐ５２との差分スペクトルＳｐ１１２を示すスペクトル図。
【符号の説明】
【００２３】
Ａ…ＨＲＢＳ分析装置
Ｘ…イオンビーム発生装置
Ｙ…ウィーンフィルタ
Ｚ…電磁石スペクトロメータ
２…試料
３…真空容器
７…スリット
８…検出素子
１１…四重極レンズ
２１…ゴニオメータ
２２…トランスファーロッド
【図１】
2006098292.tif 000007
【図２】
2006098292.tif 000008
【図３】
2006098292.tif 000009
【図４】
2006098292.tif 000010
【図５】
2006098292.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006098292.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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