(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属イオンの一次イオンビームを、試料の表面に設定された走査線に沿って前記試料表面を走査し、前記試料表面から放出される負電荷を有する二次イオンの質量分析を行う二次イオン質量分析方法において、
スパイラル状の前記走査線に沿って１回以上巻回され、かつ前記スパイラルの最外周を含む第１の走査線分上を前記一次イオンビームが走査するときに、二次イオン引出し電極に対する前記試料の電位が正電位になるように、前記引出し電極および前記試料の電位を制御する工程と、
前記第１の走査線分より前記スパイラルの内側に位置し、かつ前記スパイラルの最内端に至る第２の走査線分上を前記一次イオンビームが走査するときに、二次イオン引出し電極に対する前記試料の電位が負電位になるように、前記引出し電極および前記試料の電位を制御する工程と、
を有することを特徴とする二次イオン質量分析方法。
【請求項２】
前記第１の走査線分は、前記スパイラルの最外周であることを特徴とする請求項１記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項３】
前記一次イオンビームが前記第１の走査線分を走査する間、前記試料表面から放出される二次イオンの検出又は計数動作を停止することを特徴とする請求項１または２記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項４】
前記一次イオンビームが、Ｃｓ+ イオンビームであることを特徴とする請求項１、２又は３記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項５】
前記負電位が、−３Ｖ〜−１０Ｖであり、
前記正電位が、＋３Ｖ〜＋１０Ｖであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次イオン質量分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）は、試料表面に一次イオンビームを照射し、試料表面から放出される二次イオンの質量分析をする元素分析法であり、試料表面の元素濃度を二次イオン強度として検出する。この二次イオン質量分析法では、一次イオンビームの照射により試料表面がミリングされて照射時間の経過とともに削除されるため、試料表面の深さ方向の元素濃度分布を知ることができる。
【０００３】
一次イオンビームに照射された試料表面は、ミリングされて平坦な底面を有する凹部が形成される。深さ方向の元素濃度の分析は、この凹部底面から放出される二次イオンを検出することでなされる。しかし、一次イオンビームを急峻なビームに収束することは難しく、ビームのイオン強度分布は拡散している。その結果、凹部の周縁部はなだらかな傾斜面に形成される。この傾斜面には深さの異なる層が露出するので、これら深さが異なる層から放出される二次イオンが、凹部底面から放出される二次イオンと混じって観測され、深さ方向の分素濃度分布を不鮮明にするエッジ効果を生ずる。このようなエッジ効果は、不純物分布の深さ方向の分解能を劣化させる。
【０００４】
かかるエッジ効果を回避する方法として、一次イオンビームを試料表面に設定された走査線に沿って走査し、一次イオンビームが凹部の中央部を走査する時に放射される二次イオンを選択的に検出する方法が知られている。例えば、一次イオンビームが凹部中央部を走査する時間に同期して、引き出し電極と試料間にパルス電圧を印加し、この時間のみ二次イオンを質量分析器に取り込むエレクトリックゲート法がある。この方法では、一次イオンビームが凹部周縁部を照射する間は二次イオンを検出しないので、凹部周縁部から放出される二次イオンの混入が回避され、エッジ効果を防止することができる。
【０００５】
さらに、エッジ効果を回避する方法として、凹部周縁部に予め溝を形成し、凹部中央部をメサ状に残すメサ法が使用される。このメサ法では、一次イオンビームが凹部中央部から凹部周縁部にはみ出て走査しても、深い溝が形成された凹部周縁部からの二次イオンの放出は抑制されるので、エッジ効果は抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２３２８３８号公報
【特許文献２】特開２０１０−０５４４５６号公報
【特許文献３】特開２００８−２１５８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した二次イオン質量分析法では、感度を向上するために、一次イオンビームとして反応性の高い原子のイオンビーム、例えばセシウム又はリチウム等のアルカリ金属イオンのビームあるいは酸素イオンのビームがしばしば用いられる。
【０００８】
しかし、これら反応性の高い原子は、試料の組成原子と容易に反応して、試料表面に試料の組成原子との化合物を形成する。化合物が形成されると試料の仕事関数が変化して試料表面から放出される二次イオン強度が変動する。このため、二次イオンの検出感度が大きく変動し、元素濃度分布の精密な測定が困難になる。とくに、アルカリ金属イオンは広い組成範囲の化合物を形成するから、化合物組成に応じて仕事関数も大きく変わり、検出される二次イオン量の変動幅も大きくなる。なお、酸素イオンを一次イオンとして用いた場合、化合物の酸素組成比はほぼ一定に、例えばシリコンの酸化物ではＳｉＯ２の組成比に保たれるので、このような組成比の変動に起因する二次イオンの検出感度の変化は小さく通常の測定では問題にならない。
【０００９】
かかる化合物は、一次イオンの照射領域、即ち凹部の内部の他、照射領域の外側、とくに凹部周縁部に多く形成される。このうち、一次イオンビームにより走査される凹部底面では、一次イオンビームから供給される一次イオン量と試料表面から放出される一次イオン量とが平衡して、化合物の組成は一定の組成比に保持される。従って、凹部底面の化合物の生成は、検出感度の変動に影響しない。
【００１０】
しかし、凹部の周縁部外側に形成される化合物は、一次イオンビームによる走査がなされないため一次イオンが累積し、化合物の一次イオンの組成比は時間とともに上昇する。この化合物の生成量および組成変化を定量的に把握することは難しく、その結果、二次イオンの検出感度が不安定になる。
【００１１】
メサ法においては、エッチングにより一次イオンの照射領域周辺に溝が形成されるため、エッジ効果の抑制と同時に、照射領域の周縁部外側への一次イオン化合物の形成を防止することができる。これは、一次イオン原子が、溝を超えて拡散することが妨げられるからである。
【００１２】
しかし、メサ法における溝を一次イオンビームを用いて形成したのでは、溝の形成の際に、溝の外側、即ち凹部の形成が予定される領域の周縁部外側へ一次イオンが飛散し、一次イオン化合物が形成されてしまう。かかる化合物の形成を防ぐため、溝は一次イオンビームを用いないエッチング法、例えば化学的エッチングまたは不活性ガスのイオンビームを用いたイオンミリングにより形成される。
【００１３】
このため、二次イオン質量分析装置に試料を搬入する以前に、化学的エッチング等を用いて試料に予め溝を形成しておく必要がある。または、二次イオン質量分析装置に試料を搬入した後、不活性ガスのイオンビームによるエッチングを行う必要がある。しかし、ホトリソグラフィ等を用いる化学的エッチングにより予め溝を形成するのは、試料の取り扱いが面倒なものになる。また、不活性ガスのイオンビームによるエッチングでは、二次イオン質量分析装置にさらに加工用のイオンビームガンを設けねばならず、装置が複雑かつ高価なものになる。
【００１４】
本発明は、アルカリ金属を一次イオンビームとして用いる二次イオン質量分析方法において、試料に予め溝を形成したりあるいは溝加工用のイオンビームガンを用いることなく、一次イオンビームの走査領域の外側に形成される一次イオン原子の化合物の生成を防止して、精密な深さ方向の元素濃度の分析をすることができる二次イオン質量分析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するための本発明は、その一観点によれば、アルカリ金属イオンの一次イオンビームを、試料の表面に設定された走査線に沿って前記試料表面を走査し、前記試料表面から放出される二次イオンの質量分析を行う二次イオン質量分析方法において、スパイラル状の前記走査線に沿って１回以上巻回され、かつ前記スパイラルの最外周を含む第１の走査線分上を前記一次イオンビームが走査するときに、二次イオン引出し電極に対する前記試料の電位が正電位になるように、前記引出し電極および前記試料の電位を制御する工程と、前記第１の走査線分より前記スパイラルの内側に位置し、かつ前記スパイラルの最内端に至る第２の走査線分上を前記一次イオンビームが走査するときに、二次イオン引出し電極に対する前記試料の電位が負電位になるように、前記引出し電極および前記試料の電位を制御する工程と、を有することを特徴とする二次イオン質量分析方法として提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、アルカリ金属を一次イオンビームとして用いる二次イオン質量分析方法において、試料に予め溝を形成しあるいは溝加工用のイオンビームガンを用いることなく、一次イオンビームの走査領域の外側への一次イオン原子の化合物の生成を防止することができるので、精密な深さ方向の元素濃度の分析をすることができる二次イオン質量分析方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態で用いた二次イオン質量分析装置の断面図
【図２】一次イオンビームの電流密度分布図
【図３】一次イオンビームにより加工された試料断面図
【図４】本発明の第１実施形態の一次イオンビームの走査方法を表す平面図
【図５】本発明の第１実施形態の試料の断面図
【図６】二次イオンの質量分析結果を表す図
【図７】一次イオンの質量分析結果を表す図
【図８】試料電位と一次イオンおよび二次イオンの検出量との関係を表す図
【図９】本発明の第１実施形態の試料上面のレーザー顕微鏡像
【図１０】比較例の試料上面のレーザ顕微鏡像
【図１１】本発明の第１実施形態の試料上面のオージェ分析結果を表す図
【図１２】比較例の試料上面のオージェ分析結果を表す図
【図１３】他の走査方法を表す図
【図１４】本発明の第２実施形態の一次イオンビームの走査方法を表す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の第１の実施形態は、一次イオンビームがスパイラル状の走査線の外周部分を巻回する間に試料に正電位を印加し、スパイラルの内側部分を巻回する間に試料に負電位を印加する二次イオン質量分析方法に関する。
【００１９】
図１は本発明の第１実施形態で用いた二次イオン質量分析装置の断面図であり、二次イオン質量分析装置の主要な機器構成を表している。
【００２０】
図１を参照して、本実施形態で使用した二次イオン質量分析装置１００は、排気口１ａから真空排気される真空チャンバ１内に、試料１０を載置し保持する試料保持台５、一次イオンビーム７を発生するイオンガン２、試料１０上面から放出される二次イオン９を取り込み質量分析する質量分析器３、およびコントローラ３０を備える。
【００２１】
真空チャンバ１内には、さらに、試料１０と質量分析器３との間に、開口６ａを有する引き出し電極６が設けられる。引き出し電極６と試料保持台５とには、電源４からそれぞれ所与の電位Ｖ１、Ｖ２が供給される。試料１０上面から放出されるイオンは、引き出し電極６と試料保持台５に印加された電位差（電圧）に応じて加速または反発される。加速されたイオンは、開口６ａを通り質量分析器３の入射口３ａから質量分析器３に取り込まれる。
【００２２】
イオンガン２は、アルカリ金属、例えばセシウム又はリチウムをイオン化し、集束された一次イオンビーム７を生成する。この一次イオンビーム７は、試料保持台５上に載置された試料１０上面に照射され、試料１０の上面を走査するように偏向操作がなされる。
【００２３】
コントローラ３０は、一次イオンビーム７を予め設定された走査線に沿って走査するように一次イオンビーム７の偏向方向および偏向量を制御する。同時に、一次イオンビーム７の走査に同期して、質量分析器３および電源４の動作を制御する。
【００２４】
図２は、一次イオンビームの電流密度分布図であり、イオンガン２により生成された一次イオンビーム７の試料１０上面におけるビーム断面方向の電流密度分布を表している。図２の横軸はビーム中心軸からの距離ｘを、縦軸はビームの電流密度Ｉを表している。
【００２５】
一次イオンビーム７は、試料１０上面に集束される。図２を参照して、一次イオンビーム７は、試料上面においてガウス分布様の電流密度分布を有する。かかる一次イオンビーム７の直径Ｗは、例えば５０μｍ〜１００μｍ程度に集束される。
【００２６】
本発明の第１実施形態を説明する前に、従来の二次イオン質量分析方法の問題点について説明する。
【００２７】
図３は、一次イオンビームにより加工された試料断面図であり、ガウス分布様の電流密度分布を有する一次イオンビーム７によりミリング加工された試料１１０の表面形状を表している。なお、図３（ａ）は一次イオンビーム７を紙面左右方向に試料１１０上面内で走査した後の断面を、図３（ｂ）は一次イオンビーム７を用いて一次イオンビーム７の照射領域１１０ａ（一次イオンビーム７により走査される領域。）の周囲に溝１０３を形成した試料１１０の断面を表している。
【００２８】
図３（ａ）を参照して、一次イオンビーム７を試料１１０上面で紙面の左右方向に走査すると、試料１１０上面に直線溝状の凹部１０１が形成される。この凹部１０１の左右両端１０１ａは、一次イオンビーム７の電流密度分布に対応する緩やかな湾曲面に形成される。この凹部１０１両端１０１ａの湾曲面からは、試料１０上面からの深さが異なる層に含まれる元素が放出されるため、二次イオン質量分析における深さ方向の分解能が劣化する。
【００２９】
また、一次イオンビーム７としてアルカリ金属イオンビームを用いる場合、一次イオンビーム７により照射される照射領域１１０ａに接してその外側に表出する試料１１０上面（非照射領域１１０ｂ）上には、照射領域１１０ａから反跳またはスパッタされて飛散する一次イオンが付着し、一次イオンの化合物が形成される。
【００３０】
一方メサ法では、図３（ｂ）を参照して、試料１０上面の一次イオンビーム７に照射される照射領域１１０ａの周囲に、予め溝１０３を形成し、照射領域１１０ａをメサ１０２に加工する。このメサ法では、一次イオンビーム７は、溝１０３の内側に形成されたメサ１０２の上面を走査する。このため、図３（ａ）を参照して説明した凹部両端１０１ａの湾曲面からの二次イオンの放出が防止され、深さ方向の分解能の劣化が防止される。
【００３１】
このメサ法では、一次イオンビーム７としてアルカリ金属イオンビームを用いた場合でも、幅の広い溝１０３が照射領域１１０ａと非照射領域１１０ｂとの間に介在するため、照射領域１１０ａからの一次イオンの飛散が抑制され、非照射領域１１０ｂ上への一次イオン化合物の形成が防止される。
【００３２】
しかし、溝１０３を形成するためにアルカリ金属イオンビームを用いた場合、図３（ｂ）を参照して、溝１０３の形成の際、溝１０３の外側の試料１１０上面（非照射領域１１０ｂ）に、アルカリ金属化合物が付着し堆積してしまう。
【００３３】
これら堆積したアルカリ金属化合物の組成は照射時間の経過とともに変動し、試料１１０表面の仕事関数を変化させる。その結果、試料１１０表面（上面）から放出される二次イオンの放出量（イオン化率）が変動して、精密な定量分析が妨げられる。本発明は照射領域の外側への、かかるアルカリ金属化合物の堆積を防止し、精密な定量分析を実現するために考案された。
【００３４】
図４は本発明の第１実施形態の一次イオンビームの走査方法を表す平面図であり、試料面内の走査線の形状を表している。
【００３５】
図４を参照して、本発明の第１実施形態では、予め試料１０の上面に走査線２１が設定される。この走査線２１は、コントローラ３０のシーケンスとして仮想的に想定された線であり、試料１０表面に実際に描かれたものではない。具体的には、この走査線２１の設定は、一次イオンビーム７がこの走査線２１に沿って試料１０面内を走査するように、コントローラ３０が一次イオンビーム７の偏向を操作することでなされる。なお、一次イオンビーム７の中心がこの走査線２１上をなぞり走査するように設定される。従って、一次イオンビーム７の走査では、一次イオンビーム７の中心がこの走査線２１上を走査線２１に沿って移動する。
【００３６】
走査線２１は、試料１０上面にスパイラル状に設定される。この走査線２１は、スパイラルの最外周の一端をなす点Ｐ１から、スパイラルの中心側の一端をなす点Ｐ４の間を、外周から内周に渦巻き様に巻き込むように設定される。スパイラルの形状は、後述するように一次イオンビーム７により走査された照射領域が平坦にミリング加工される形状であればよく、とくに形状は制限されない。例えば、図４に示すように、走査線２１が直角に屈折されて形成された矩形様のスパイラルとすることができる。また、走査線２１が蚊とり線香様に円形に形成されたスパイラルでも、さらに多角形でも差し支えない。
【００３７】
走査線２１は、隣接する走査線２１が一定の間隔を有する平行線となるように設定することが望ましい。例えは、図４の紙面内を縦又は横に延在する走査線２１は、縦横それぞれの部分が平行線となるように設定される。このように平行線にすることで、後述するように、一次イオンビーム７により走査される試料１０の表面が平坦にミリング加工され、二次イオン質量分析の深さ方向の分解能の劣化が少なくなる。
【００３８】
図４を参照して、本第１実施形態の走査線２１は、点Ｐ１から図４の紙面右方向に延在し、スパイラルの右辺で直角に紙面下方に屈折する。さらに、スパイラルの下辺で直角に屈折して左方に延在方向を変えた後、スパイラルの左辺で直角に上方に屈折する。そして、点Ｐ１から右方に延在する走査線２１に当接する手前で、直角に右方に屈折して右方に延在する。以下、点Ｐ４に至るまで、同様の直角の屈折と直線状の延在を繰り返し、矩形様のスパイラルを形成する。なお、図４にはほぼ７回巻回された走査線２１が図示されているが、巻回数はスパイラルの外形の大きさおよび隣接する走査線２１間の距離により定まり、これらが異なると巻回数も異なる。
【００３９】
スパイラル状の走査線２１の外形は、例えば辺長が数十μｍ〜数百μｍの正方形に設定することができる。この走査線２１が設定された領域は、一次イオンビーム７により照射される照射領域１０ａを画定する。
【００４０】
図５は本発明の第１実施形態の試料の断面図であり、図４のＡ−Ａ’断面を表している。
【００４１】
図４および図５を参照して、一次イオンビーム７により照射され走査された試料１０の上面には、走査線２１に沿って互いに平行する溝２２−１〜２２−７が形成される。なお溝２２−１は、スパイラル状の走査線２１の最外周（１回目の巻回線）を構成する走査線２１−１に対応する溝を表し、溝２２−２は、２回目の巻回線を構成する走査線２１−２に対応する溝を表している。以下同様に、溝２２−ｎ（ｎは正の整数）は、ｎ回目の巻回線を構成する走査線２１−ｎに対応する溝を表す。
【００４２】
スパイラルの１回目〜７回目の巻回線に相当する走査線２１−１〜２１−７は、互いに一次イオンビーム７の一部が重畳する間隔で、平行に設けられる。この間隔は、一次イオンビーム７の照射により形成される凹部２２の底面が平坦になるように、一次イオンビーム７の電流密度分布およびビーム径に合わせて、適切に定められる。例えば、半値幅Ｗが５０μｍの一次イオンビーム７を用いた場合、走査線２１−１〜２１−７の間隔を３０μｍ〜６０μｍ間隔とすることが好ましい。このように一次イオンビーム７の一部が重畳するように走査することで、照射領域１０ａに形成される凹部２２の底面を平坦にすることができる。
【００４３】
即ち、溝２２−１〜２２−７のそれぞれは、一次イオンビーム７の電流密度分布に応じた碗状の断面形状に形成される。しかし、１回目（最外周）の巻回線に相当する走査線２１−１を除き、他の走査線２１−２〜２１−７の位置に形成される溝２２−２〜２２−７は、互いに隣接する溝２２−２〜２２−７の側面の一部が互いに重なるように形成される。このため、溝２２−２〜２２−７が連なりその底面は平坦になる。このように、照射領域１０ａには、溝２２−２〜２２−７が連なって形成された底面が平坦な凹部２２が形成される。
【００４４】
なお、最外周の走査線２１−１に対応する溝２２−１は、照射領域１０ａに形成される凹部２２の外周縁を画定し、一次イオンビーム７の電流密度分布に起因する緩やかな斜面（湾曲面）に形成される。また、照射領域１０ａの外側は、一次イオンビーム７が照射されることがない非照射領域１０ｂとして、当初の試料１０上面がそのまま残される。
【００４５】
次に、本第１実施形態における、一次イオンビームの走査方法と試料電位との関係を説明する。
【００４６】
再び図４を参照して、一次イオンビーム７は、スパイラルの最外周の一端、点Ｐ１からスパイラルの中心側の一端、点Ｐ４に至る走査線２１に沿って試料１０上面を走査する。このとき、始点を点Ｐ１として、スパイラルの外周からスパイラル中心に向けて走査してもよく、逆にスパイラルの中心の一端、点Ｐ４を始点として、スパイラルの中心からスパイラルの外周の一端、点Ｐ１に向けて走査してよい。また、走査は、繰り返し行われる。即ち、始点を点Ｐ１とするときは、走査の終点は点Ｐ４となり、走査終了後、一次イオンビーム７は点Ｐ４から点Ｐ１に戻され、点Ｐ１から次の走査が開始される。始点を点Ｐ４、終点を点Ｐ１とするときは、走査終了後、一次イオンビーム７は点Ｐ１から点４に戻され、点Ｐ４から次の走査が開始される。
【００４７】
本第１実施形態では、上述した走査線２１は、第１〜第３の走査線分２１ａ〜２１ｃからなる３つの線分に区分される。第１の走査線分２１ａは、図４中に走査線２１の一部として太い実線で描かれている線分を参照して、走査線２１に沿って１回以上巻回され、かつ前記スパイラルの最外周を含む線分からなる。即ち、走査線２１の最外周上の一端、点Ｐ１から、スパイラル状の走査線２１に沿って１回以上巻回された走査線２１上の点Ｐ２に至る線分である。
【００４８】
第２の走査線分２１ｂは、図４中に走査線２１の一部として太い破線で描かれている線分を参照して、スパイラルの中心側の一端、即ち走査線２１の中央側の端点である点Ｐ４から、点Ｐ２と点Ｐ４との間にある走査線２１上の点Ｐ３に至る線分である。この点Ｐ３は、第２の走査線分２１ｂ上を走査する一次イオンビーム７が、試料１０上面に観測すべき領域として設定された観測領域１０ｃ内を余す所なく照射し得る位置に設定される。言い換えれば、観測領域１０ｃは、第２の走査線分２１ｂにより画定される。
【００４９】
第３の走査線分２１ｃは、図４中に走査線２１の一部として細い実線で描かれている線分を参照して、点Ｐ２から走査線２１に沿って点Ｐ３に至る線分である。
【００５０】
本第１実施形態の二次イオン質量分析方法では、一次イオンビーム７が第１の走査線分２１ａ上を走査している間、試料１０に、引き出し電極６を基準電位とする正電位（一定電位）が印加される。具体的には、図１を参照して、コントローラ３０が、引き出し電極６と試料保持台５間に電圧を供給する電源４を操作して、試料保持台５の電位が引き出し電極６の電位より正電位になるように制御する。この電源４の電圧制御は、一次イオンビーム７の走査の制御と同期してなされる。この試料１０に印加される正電位は、一次イオンビーム７が第１の走査線分２１ａ上を走査する間は一定の電位に保持される。なお、試料１０は通常、試料保持台５と同電位に保持される。説明を簡潔にするため、以下、本明細書では、試料１０の電位を試料保持台５の電位と同じとして説明する。
【００５１】
また、一次イオンビーム７が第２の走査線分２１ｂ上を走査している間、試料１０に、引き出し電極６を基準電位とする負電位（一定電位）が印加される。即ち、図１を参照して、電源４により引き出し電極６と試料保持台５間に印加される電圧を、試料保持台５の電位が引き出し電極６の電位より負電位になるように制御する。この試料１０に印加される負電位は、一次イオンビーム７が第２の走査線分２１ｂ上を走査する間は一定の電位に保持される。
【００５２】
さらに、一次イオンビーム７が第３の走査線分２１ｃ上を走査している間、試料１０には、任意の電位を印加することができる。例えば、試料保持台５を接地電位とすることもできる。また、第１または第２の走査線分２１ａ，２１ｂ上の走査時に印加される正または負の電位、あるいはその間の電位とすることもできる。
【００５３】
再度図１を参照して、本第１実施形態の二次イオン質量分析方法では、試料１０上面から放出される二次イオン９は、質量分析器３に入射され、質量分析がなされる。この質量分析器３は、少なくとも一次イオンビーム７が第２の走査線分２１ｂ上を走査している間は、二次イオン９の検出および計数動作を継続するようにコントローラ３０により制御される。
【００５４】
なお、第１および第２の走査線分２１ａ、２１ｂ上を走査する間は、二次イオン９の検出および計数動を必要に応じて中断することも継続することもできる。一次イオンビーム７が観測領域１０ｃ以外を走査する間、二次イオン９の検出および計数動作を中断することで、観測領域１０ｃ以外の領域から放出される二次イオン９の混入を回避することができる。また、検出器および計数器の無用な飽和が回避され、検出感度の低下を回避することができる。この検出および計数動作の停止は、例えば質量分析器３の検出器、例えばファラデーカップ、エレクトロンマルチプライヤあるいはチャンネルトロンへの印加電圧を低下することでなされる。
【００５５】
次に、本第１実施形態の二次イオン質量分析方法における試料１０の電位と試料１０上面のへの一次イオン化合物の付着との関係を説明する。
【００５６】
図６は二次イオンの質量分析結果を表す図であり、Ｓｉ基板を試料１０とする二次イオン質量分析において検出された30Ｓｉ- イオンのイオン強度の時間変化を表している。図７は一次イオンの質量分析結果を表す図であり、Ｓｉ基板を試料１０とする二次イオン質量分析において検出された一次イオンビーム７の構成元素である133 Ｃｓ+ のイオン強度の時間変化を表している。なお、図６および図７とも、一次イオンビーム７として４ｋｅＶに加速されたセシウムイオンビームを試料１０上面に入射角２０°（試料１０上面となす角）で入射し、試料１０上面からほぼ垂直に放射された30Ｓｉ- イオンおよび133 Ｃｓ+ イオンを計測した結果である。また、図６および図７とも試料１０の電位をパラメータとした。
【００５７】
図６を参照して、試料１０上面から放出される30Ｓｉ- イオンのイオン強度は、一次イオン照射量とともに変化し、一次イオン照射量が４×１０15イオン／ｃｍ2 を超えるとほぼ一定値に安定する。ここで、一次イオン照射量は、照射時間を照射量に換算した値である。二次イオン、即ち30Ｓｉ- イオンのイオン強度は、試料１０の電位により変化する。なお、30Ｓｉ- イオンのイオン強度の測定は、試料１０の電位を、引き出し電極６を基準として０Ｖ〜＋３０Ｖの間の異なる電位に保持した状態でなされた。
【００５８】
図７を参照して、試料１０上面から放出される133 Ｃｓ+ のイオン強度も、一次イオン照射量とともに変化し、 一次イオン照射量が４×１０15イオン／ｃｍ2 を超えると一定値に安定する。この133 Ｃｓ+ のイオン強度も、試料１０の電位により変化する。ここで、図７に示す133 Ｃｓ+ イオンのイオン強度の測定は、試料１０の電位を、引き出し電極６の電位を基準として＋２Ｖ〜−２５Ｖの間の異なる電位に保持した状態でなされた。
【００５９】
図８は試料電位と一次イオンおよび二次イオンの検出量との関係を表す図であり、図６および図７中の一次イオン照射量が６×１０15イオン／ｃｍ2 のときに検出された30Ｓｉ- イオンおよび133 Ｃｓ+ イオンのイオン強度を表している。なお、試料１０電位は、引き出し電極６の電位を０Ｖとしたときの試料保持台５の電位を表している。
【００６０】
図８中の曲線Ａを参照して、試料１０上面にセシウムイオンビームからなる一次イオンビーム７を照射したとき、質量分析器３により検出される133 Ｃｓ+ イオン強度は、試料１０電位を＋２５Ｖから電位を下げる（負電位方向に変化する。）につれて増加し、試料１０電位が＋６Ｖで極大となる。さらに試料１０電位を下げると、133 Ｃｓ+ イオン強度は減少し、＋２Ｖでは極大値の１／４程度まで減少する。
【００６１】
試料１０はＳｉ基板であり、セシウムは含まれていない。従って、この質量分析器３により検出される133 Ｃｓ+ イオンは全て、一次イオンビーム７の照射によりＳｉ基板（試料１０）上面に供給されたセシウム原子に由来している。なお、一次イオンビーム７は、Ｓｉ基板（試料１０）上面にセシウム原子を供給すると同時に、Ｓｉ基板上面からセシウム原子を放出する。検出されたセシウムイオンは、Ｓｉ基板上面で反跳した一次イオンおよびＳｉ基板上面からスパッタされ放出されたセシウムイオンである。
【００６２】
試料１０を正電位に保持したとき、質量分析器３によりセシウムイオンが多く検出されるという図８の結果は、試料１０電位を正電位にすることで、試料１０上面から放出された正電荷を有する一次イオン（一次イオンビーム７の構成イオン）を引き出し電極６側に引きつけることを意味する。これは、試料１０上面から放出された一次イオンの試料１０上面への再付着が抑制されることを示唆する。本第１実施形態では、一次イオンビーム７が走査線２１の外周部分をなす第１の走査線分２１ａ上を照射するとき、試料１０の電位が正電位に保持される。このため、照射領域１０の外側近傍の非照射領域１０ｂ上への、セシウムの飛散および付着が抑制される。
【００６３】
図８中の曲線Ａを参照して、非照射領域１０ｂへのセシウムの飛散を防止するには、試料１０電位を、検出されるセシウムイオン強度が極大となる電位の近傍、例えば＋６Ｖ±１Ｖとすることが好ましい。これにより、試料１０上面から反跳又は放出されたセシウムイオンの多くが、試料１０上面に再付着することが妨げられ、非照射領域１０ｂ上へのセシウム化合物の形成が効果的に抑制される。さらに、試料１０電位を、検出されるイオン強度が極大値のほぼ１／５以内にとどまる電位、例えば＋３Ｖ〜＋１０Ｖとすることで、十分なセシウム化合物の再付着防止効果が得られた。
【００６４】
他方、図８中の曲線Ｂを参照して、試料１０上面にセシウムイオンビームからなる一次イオンビーム７を照射したとき、質量分析器３により検出される30Ｓｉ- イオン強度は、試料１０電位を−３０Ｖから電位を上げる（正電位方向に変化する。）につれて増加し、試料１０電位が＋３Ｖで極大となる。さらに試料１０電位を下げると、30Ｓｉ- イオン強度は減少し、０Ｖでは極大値の１／３程度まで減少する。
【００６５】
従って、二次イオン質量分析の感度を高めるには、検出対象とされる二次イオンの30Ｓｉ- イオンの強度が極大となる電位の近傍、例えば−３Ｖ±１Ｖに試料１０電位を保持することが好ましい。さらに、試料１０電位が−３Ｖ〜−１０Ｖの範囲で、高感度に30Ｓｉ- イオンの検出がなされた。
【００６６】
半導体装置を含む電子デバイス分野では、Ｓｉ、Ａｓ、Ｐ、等の負電荷を有する二次イオンとして観測される原子の深さ方向の濃度分布の測定がしばしば行われる。これらの原子は、試料１０電位が−３Ｖ〜−１０Ｖの範囲に検出感度（検出されるイオン強度）の極大を有する。従って、一次イオンビーム７が第２の走査線分２１ｂ上を走査するときの試料１０電位を−３Ｖ〜−１０Ｖとすることで、電子デバイス分野で測定が必要とされる原子（負の二次イオンとして観測される原子）の多くを高感度で検出することができる。
【００６７】
図９は本発明の第１実施形態の試料上面のレーザー顕微鏡像であり、二次イオン質量分析終了後の試料上面に付着したセシウムイオン化合物の分布を表している。図１０は比較例の試料上面のレーザ顕微鏡像であり、比較例における二次イオン質量分析終了後の試料上面に付着したセシウム化合物の分布を表している。図中に白抜きの破線で照射領域１０ａを示し、その外側は非照射領域１０ｂを示している。なお、比較例の二次イオン質量分析は、試料１０電位を−３Ｖに保持したことを除き、他は、一次イオンビーム７、走査線２１および試料１０の材質を含め第１実施形態と同一条件下でなされた。
【００６８】
図９を参照して、本発明の第１実施形態の試料１０では、照射領域１０ａ上および照射領域１０ａの外側に延在する非照射領域１０ｂ上にセシウム化合物は観測されなかった。これに比べて、図１０を参照して、比較例では、照射領域１０ａ内にはセシウム化合物は観測されなかったものの、照射領域１０ａの外周を取り巻くように非照射領域１０ｂ上に付着したセシウム化合物が観測された。
【００６９】
図１１は本発明の第１実施形態の試料上面のオージェ分析結果を表す図であり、図１１（ｂ）は照射領域１０ａと非照射領域１０ｂとの境界近傍のオージェ像を、図１１（ａ）は図１１（ｂ）中に矢印で示す境界に垂直な直線Ｌ１〜Ｌ３に沿って測定されたオージェ電子強度を表している。図１２は比較例の試料上面のオージェ分析結果を表す図であり、図１２（ｂ）は照射領域１０ａと非照射領域１０ｂとの境界近傍のオージェ像を、図１２（ａ）は図１２（ｂ）中に矢印で示す境界に垂直な直線Ｌ１〜Ｌ３に沿って観測されたオージェ電子強度を表している。
【００７０】
図１１（ａ）を参照して、本第１実施形態の試料１０では、セシウム化合物として検出されるオージェ電子強度は、照射領域１０ａ内でほぼ一定の値をなし、非照射領域１０ｂでは急激に減少している。
【００７１】
この非照射領域１０ｂでの減少は、本第１実施形態では非照射領域１０ｂ上にセシウム化合物がほとんど形成されないことを示している。一方、照射領域１０ａ内で一定値をとることは、照射領域１０ａ内では一次イオンビーム７により供給されるセシウムと、試料上面から放出されるセシウムとが平衡状態になり、一定組成の化合物が形成されていることを示している。
【００７２】
図１２（ａ）を参照して、比較例の試料１０では、セシウム化合物として検出されるオージェ電子強度は、照射領域１０ａ内では第１実施形態と同様の一定値をとる一方で、非照射領域１０ｂで急激に増加する。
【００７３】
この事実は、照射領域１０ａ内では第１実施形態と同様に、平衡状態の一定組成の化合物が形成されるのに対して、非照射領域１０ｂにはセシウムを高濃度に含むセシウム化合物が形成されたことを明らかにしている。
【００７４】
上述したように、本第１実施形態では走査線２１の外周部分である第１の走査線分２１ａ上を一次イオンビーム７が走査する間、試料１０電位を正電位に保持することで、非照射領域１０ｂ上へのセシウム化合物の形成が抑制されている。このため、試料１０上面へ付着するセシウム化合物に起因する仕事関数の変動が少なく、測定中の二次イオン化率の変化が小さいので、精密な二次イオン質量分析が実現される。なお、照射領域１０ａ内のセシウム濃度は従来の二次イオン質量分析方法と同様に、一定値に保持される。このため、仕事関数は一定にたもたれるので、分析精度へ及ぼす悪影響は小さい。
【００７５】
さらに本第１実施形態では、第１の走査線分２１ａ上を走査する間、試料１０電位が正電位に保持されることで、この間の負の二次イオンの検出が抑制される。このため、照射領域１０ａに形成される凹部２２周縁の傾斜面から放出される二次イオンの検出は抑制され、エッジ効果による深さ方向の分解能の劣化が回避される。とくに、第２の走査線分２１ｂ上の走査時のみ試料１０電位を負電位とすることで、観測領域１０ｃ内から放出される負の二次イオンを選択的に検出することができる。この場合、第１の走査線分２１ａおよび第３の走査線分２１ｃが延在する観測領域１０ｃと照射領域１０ａを合わせた広い幅の領域から放出される二次イオンの検出が抑制される。このため、エッジ効果はより効果的に抑制される。
【００７６】
なお、試料１０電位が正電位に保持される走査領域、例えば第１の走査線分２１ａが延在する領域の幅が広いほど、その内側の領域から放出される一次イオンの非照射領域２１ｂ上への飛散、付着を効果的に抑止することができる。従って、一次イオン化合物の形成防止の観点からは、第１の走査線分２１ａの巻回数を多くすることが好ましい。しかし、第１の走査線分２１ａの巻回数が多いと、広い観測領域１０ｃをとることができないので、必要に応じて適切に巻回数を設定しなければならない。
【００７７】
同様の一次イオンの飛散抑制の効果は、第３の走査線分２１ｃを走査する間、試料１０電位を正電位に保持することでも達成できる。この場合、後述する第２実施形態と同様の実施形態となる。
【００７８】
図４を参照して、本第１実施形態では、走査線２１をスパイラル状に設定した。この走査線２１をラスタスキャンとすることも考えられる。しかし、照射領域１０ａをラスタスキャンして本第１実施形態のように照射領域１０ａの周辺部の走査時に試料１０電位を正電位とするには、各スキャンごとに走査線の両端部で試料１０電位が正電位になるようにスキャンと同期して電源４を制御しなければならず、制御が複雑になるので好ましくない。
【００７９】
また、照射領域１０ａ内の中央部分、即ち第２および第３の走査線分２１ｂ、２１ｃが延在する領域のみをラスタスキャンすることも考えられる。
【００８０】
図１３は他の走査方法を表す図であり、図１３（ａ）は照射領域１０の中央部分をラスタスキャンする走査線を、図１３（ｂ）は図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ’断面の試料１０の形状を表している。
【００８１】
図１３（ａ）を参照して、この他の走査方法では、スパイラルの外周部分を構成する点Ｐ１からＰ２に至る第１の走査線分２１ａを、第１実施形態の第１の走査線分２１ａと同じとした。そして、点Ｐ２から点Ｐ４に至る領域をラスタスキャンすると仮定した。
【００８２】
図１３（ｂ）を参照して、この場合、第１の走査線分２１ａ上の一次イオンビーム７の走査により形成される溝２２−１、２２−２に、ラスタスキャンにより形成される溝２２ｘが垂直に当接する。従って、溝２２ｘが溝２２−１、２２−２の手前で終端すると、凹部２２の底面に突起２３が形成される。また、溝２２−１、２２−２に重なって終端すると、凹部２２の底面に窪みが形成される。かかる突起２３および窪みは凹部２２底面の平坦度を損ない、分析精度の劣化の要因となるので好ましくない。これら突起２３および窪みの形成を防ぐには、ラスタスキャンにより形成される溝２２ｘの両端位置を精密に制御しなければならず、一次イオンビーム７の走査の制御が難しい。従って、走査線２１はスパイラル状に設定されることが望ましい。
【００８３】
本発明の第２実施形態は、走査線が第１の走査線と第２の走査線から構成される二次イオン質量分析方法に関する。
【００８４】
図１４は本発明の第２実施形態の一次イオンビームの走査方法を表す図であり、試料面内の走査線の形状を表している。
【００８５】
図１４を参照して、本第２実施形態の走査線２１は、図４に示す第１実施形態の走査線２１と同一形状を有する。しかし、走査線２１が第１の走査線分２１ａと第２の走査線分２１ｂから構成される点で第１実施形態と異なる。
【００８６】
第２実施形態では、第１の走査線分２１ａは、点Ｐ１から、スパイラルの最外周、即ちスパイラルの外周を１回巻回した点Ｐ２に至る走査線２１として構成される。なお、この第１の走査線分２１ａを、図４に示す第１実施形態と同様に複数回巻回する第１の走査線分２１ａとすることもできる。
【００８７】
第２実施形態では、第１の走査線分２１ａに続けて、第２の走査線分２１ｂが直接接続される。即ち、第１実施形態における第３の走査線分２１ｃが除かれている。即ち、第１の走査線分２１ａの端の点Ｐ２と、第２の走査線分２１ｂの端の点Ｐ３とが一致する。その結果、照射領域１０ａの外周と観測領域１０ｃの外周との間（以下、「観測領域外縁部１０ｄ」という。）を、第１の走査線分２１ａが観測領域１０ｃの外周外側を一周するように設定される。。
【００８８】
試料１０電位は、第１実施形態と同様、一次イオンビーム７が第１の走査線分２１ａ上を走査している間は引き出し電極６に対して正電位に保持され、一次イオンビーム７が第２の走査線分２１ｂ上を走査している間は負電位に保持される。
【００８９】
従って、二次イオン質量分析は、第２の走査線分２１ｂが延在する観測領域１０ｃ内でなされる。他方、第１の走査線分２１ａが延在する観測領域外縁部１０ｄ内では、二次イオン質量分析はなされず、一次イオンの試料１０上面への飛散と付着が抑制される。
【００９０】
本第実施形態では、試料１０電位を２つの電位に制御すれば足りるので、第１実施形態に比べてコントローラ３０の設定が簡易である。また、第３の走査線分２１ｃを設けないので、観測領域１０ｃを広く設定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明を負の二次イオンを検出する二次イオン質量分析方法に適用することで、試料表面への一次イオン化合物の付着を少なく精密な元素濃度の分析がなされ、かつ深さ方向の分解能が高い二次イオン質量分析方法が実現される。
【符号の説明】
【００９２】
１  真空チャンバ
２  イオンガン
３  質量分析器
４  電源
５  試料保持台
６  引き出し電極
６ａ  開口
７  一次イオンビーム
８  一次イオン
９  二次イオン
１０、１１０  試料
１０ａ、１１０ａ  照射領域
１０ｂ、１１０ｂ  非照射領域
１０ｃ  観測領域
１０ｄ  観測領域外縁部
２１  走査線
２１ａ  第１の走査線分
２１ｂ  第２の走査線分
２１ｃ  第３の走査線分
２２、１０１  凹部
２２−１〜２２−７、２２ｘ  溝
２３  突起
３０  コントローラ
１００  二次イオン質量分析装置
１０２  メサ
１０３  溝
【図１】
0005807442.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図１３】
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【図１４】
0005807442.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0005807442.tif 000014
【図１２】
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