(57)【要約】【課題】従来の二次イオン質量分析装置では、試料台に非常に精密性の高い構造が求められる。さらに、Ｘ軸又はＹ軸のいずれかの方向には１秒間に数１０回以上往復動作をさせる必要があり、駆動部にこれに耐えうる耐久性を持たせる必要がある。【解決手段】この発明に係る二次イオン質量分析装置は、試料に対し斜め方向からイオンビームを照射する照射部と、イオンビームを走査する偏向部と、該偏向部における走査量に対応した電圧を印加し、イオンビームを集束させる集束部とを有するようにしたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対し斜め方向からイオンビームを照射する照射部と、
前記イオンビームを偏向する偏向部と、
前記偏向部における偏向量に対応した電圧を印加し、前記イオンビームを集束させる集束部と、
を有することを特徴とする二次イオン質量分析装置。
【請求項２】
偏向部における偏向速度が、試料の表面で、照射部の照射位置と試料の表面測定領域の中心とを結ぶ線分と直角に交わる方向に対し、平行な方向の方が高速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装置。
【請求項３】
偏向部における偏向速度が、試料の表面で、照射部の照射位置と試料の表面測定領域の中心とを結ぶ線分と平行な方向に対し、直角に交わる方向の方が高速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装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試料に対して斜め方向からイオンビームを照射することで成分分析を行う二次イオン質量分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な二次イオン質量分析装置の一次イオンまたはスパッタ用イオンの照射機構は、照射イオンビームを試料表面にて集束するための静電型レンズと、偏向走査するための偏向電極とを備えており、集束された照射イオンビームをＸ軸及びＹ軸方向に偏向走査し試料の上面に照射する。また、試料の上面の垂直方向に二次イオンを引き出し検出する構成となっているため、照射イオンビームは試料の上面の垂線に対しＸ軸方向に傾いた斜め方向から照射する構成となっている。
【０００３】
一般的な二次イオン質量分析装置は、四角形領域にイオンビームを照射することにより、試料表面を四角形状にスパッタしながら二次イオンを検出し、深さ方向の成分分布や二次元方向の分布像を取得する。
【０００４】
深さ方向に成分分布分析を行う場合、スパッタにより生じる四角形状のエッチングクレータは、中央部では一様深さにエッチングが進行するが、試料端部では試料面に対して、中央部と異なる傾斜をもつため、照射イオンビームを中央部に対し試料表面で集束するように設定すると、試料端部では十分集束することが出来ず、ビーム走査全領域にわたる二次イオンを検出すると、端部においては深さの異なる領域から妨害二次イオンを検出してしまうため深さ分解能を損ねることになる。
【０００５】
これを回避するために、走査領域の中心部以外の信号を遮蔽しつつ測定を行う。例えば動的二次イオン質量分析装置において、照射イオンビーム径が１００μｍである場合、２００μｍ角をビーム走査領域とした場合、走査領域の枠の±５０μｍ範囲に傾斜が生じるため、深さの異なる領域からの妨害二次イオン検出を避けるためには、中心部１００μｍ角領域以外の二次イオンを遮蔽しつつ分析を行う必要がある。実際に市販される動的二次イオン質量分析装置は、二次イオン軌道上に円形のアパーチャを挿入することで、遮蔽範囲を決めている。遮蔽範囲は、径の異なるアパーチャを使い分けることで、測定領域中心部より直径１５０、６０、３０、８μｍ外と段階的に定められる。
【０００６】
中心部１００μｍ角領域以外の二次イオンを遮蔽するには、直径６０μｍのアパーチャを用いる必要がある。遮蔽される領域が増えるほど、アパーチャを通過する二次イオン量は減少し、検出感度は低下する。このように、深さ分解能と検出感度は相反する関係を持つ。また、ビーム走査領域端部の傾斜領域をより小面積化することで、二次イオン遮蔽領域を狭くし高感度化しつつ、良好な深さ分解能の測定を行うことができる。
【０００７】
照射イオンビームをより細く集束させることで、クレータ端部の傾斜はより急峻となり、より広い領域に対して、深さ分解能を低下させずに信号取得することが可能となるため、より高感度な測定が可能となる。例えば、１００μｍあった照射イオンビーム径を５０μｍに狭めることができれば、２００μｍ角をビーム走査領域とする場合、中心部１５０μｍ角領域以外を遮蔽すれば深さ分解能を損ねることなく二次イオンを取得できる。実際の動的二次イオン質量分析装置に置き換えると、二次イオンアパーチャ径を直径６０μｍから１５０μｍに広げられ、より多くの二次イオンを取得し感度を増強することができる。
【０００８】
二次元方向の分布像は照射イオン走査時の各座標に対し取得された信号強度を示すことで得られる。この時の空間分解能は照射イオンビーム径に等しいため、照射イオンビームをより細く集束させることで、より空間分解能の高い成分分布像の取得が可能となる。
【０００９】
以上のように、二次イオン質量分析装置の照射イオンビームの集束性は、深さ方向の成分分布分析における感度及び深さ分解能、二次元分布分析における空間分解能に大きく寄与する。
【００１０】
ところが、一般的な二次イオン質量分析装置は、前述のとおり照射イオンビームが斜め方向から照射されるため、照射イオンビームの焦点はイオンビーム照射機構の反対側に偏向させる場合は試料面より上空側、イオンビーム照射機構側に偏向させる場合は試料面より試料台側となり、Ｘ軸方向の走査範囲の両端にて照射イオンビームは収差を持ち集束しない。このことが、深さ方向に成分分布分析における感度及び深さ分解能、二次元分布分析における空間分解能を低下させる要因の一つとなっている。
【００１１】
上記問題を解決するために、照射イオンビームを偏向走査せずに、試料をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平３−１５９０５２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記従来の二次イオン質量分析装置では、試料台に非常に精密性の高い構造が求められる。さらに、Ｘ軸又はＹ軸のいずれかの方向には１秒間に数１０回以上往復動作をさせる必要があり、駆動部にこれに耐えうる耐久性を持たせる必要がある。また、１００μｓ程度の周期で一次イオンとスパッタ用イオンの照射のオンオフを切り替えつつ、照射位置を同一としない静的な二次イオン質量分析装置には適用できないという課題もあった。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、試料台を稼動させることなく、高感度、高深さ分解能、且つ高空間分解能の動的及び静的二次イオン質量分析装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明に係る二次イオン質量分析装置は、試料に対し斜め方向からイオンビームを照射する照射部と、イオンビームを偏向する偏向部と、該偏向部における偏向量に対応した電圧を印加し、イオンビームを集束させる集束部とを有するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、試料表面の測定領域全体における集束されたイオンビームの照射状態を比較的単純な構成で最適な状態にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置のイオンビーム照射断面を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置のイオンビーム照射状態を上から見た模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置の静電レンズに印加する電圧と偏向電圧、及び試料面上の走査位置との関係を示した図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置の調整手順を示したフロー図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置について、動的二次イオン質量分析のＯ２＋一次イオンに用いた場合の結果を示すグラフである。
【図６】従来の静電レンズに印加する電圧を固定した場合の結果について示すグラフである。
【図７】この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置を用いて、動的二次イオン質量分析測定した結果形成されるクレータ形状と二次イオン検出領域の関係を示す試料断面図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置について、動的二次イオン質量分析のＯ２＋一次イオンに用いた場合の結果を示すグラフである。
【図９】この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置について、空間分解能を数値化した結果を示すグラフである。
【図１０】従来の空間分解能を数値化した結果を示すグラフである。
【図１１】この発明の実施の形態２に係る二次イオン質量分析装置の静電レンズに印加する電圧と偏向電圧を示した図である。
【図１２】この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置の試料面上の走査位置を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施の形態１．
次に、図面を用いて、この発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１９】
図１は、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置のイオンビーム照射断面を示す図である。図において、試料４の表面測定領域の中心（偏向電圧をかけない状態）を原点とし、イオンビームの照射位置と原点とを結ぶ線分と平行な試料４の表面上の軸をＸ軸とし、原点においてＸ軸と直角に交わる試料４の表面上の軸をＹ軸とし、照射部１よりＸ軸斜め方向から照射されたイオンビーム１０はＸ軸方向及びＹ軸方向に偏向するための各一対の偏向部２ａ及び２ｂにより偏向され、所定の電圧を印加することによりイオンビーム１０を集束部である静電レンズ３により試料台５上に置かれた試料４の表面で集束される。
【００２０】
試料４の表面測定領域におけるＸ軸中心（偏向電圧をかけない状態）を原点とし、照射部１方向、ここでは仮にマイナス（以下、−と記載）側、に偏向されたイオンビーム１１ｂは、偏向部２ａ及び２ｂに電圧を印加する偏向電圧印加部６、及び、偏向部２の走査位置に基づき静電レンズ３に電圧を印加する静電電圧印加部７をそれぞれ制御する、例えばパーソナルコンピュータなどで構成される制御部８の制御により、−側最大領域においても、照射部１方向とは逆方向、ここでは仮にプラス（以下、＋と記載）側、の最大領域においても試料４の表面で集束される。なお、制御値等の確認は、制御部８と連携するモニター９で行うことができる。
【００２１】
図中、実線で示されたイオンビーム１３ａは、Ｘ軸−側最大領域に偏向されたイオンビーム１１ｂが試料面上で集束する場合を示したもので、同様に、イオンビーム１４ａは、Ｘ軸＋側最大領域に偏向されたイオンビーム１１ｃが試料面上で集束する場合を示したものである。従来の二次イオン質量分析装置においては、Ｘ軸原点に偏向されたイオンビーム１１ａは、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置同様にイオンビーム１２で示すように試料面上で集束するが、Ｘ軸−側最大領域に偏向されたイオンビーム１１ｂは、破線で示されたイオンビーム１３ｂのように焦点手前で試料表面に到達し試料面上でフォーカスされない。一方、Ｘ軸＋側最大領域に偏向されたイオンビーム１１ｃは、破線で示されたイオンビーム１４ｂのように試料表面手前で焦点され試料面上でフォーカスされない。
【００２２】
図２は、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置のイオンビーム照射状態を上から見た模式図である。構成については、図１と同様であるため、ここでは説明を省略する。なお、各図において、偏向電圧印加部６は各一対の偏向部２ａまたは２ｂのどちらか一方の偏向電極にしかつながっていないかのように示されているが、両方の電極につながり電圧を印加していることはいうまでもない。
【００２３】
次に、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置の静電レンズに印加する電圧について説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置の静電レンズに印加する電圧と偏向電圧、及び試料面上の走査位置との関係を示した図である。図において、ＶＤＸはＸ軸方向の偏向電圧、ＶＤＹはＹ軸方向の偏向電圧、及び、ＶＬは静電レンズ３に印加する静電電圧（印加電圧）を示す。図からわかるとおり、平面走査で直線偏向となるため、偏向電圧及び静電レンズ３に印加する印加電圧は、基本的にのこぎり波形となる。ただし、試料表面の形状、装置の測定誤差等を考慮し、パラボラ波形、高次波形、または、Ｓ字波形等の電圧を印加できるよう制御することも可能である。この場合には、より細かい領域においてフォーカス特性を最適に制御することが可能である。
【００２４】
図において、Ｘ軸−方向に変更する場合、偏向量が小さくなるため、原点位置に偏向する場合に対し少ない電圧、原点位置の電圧を０とすれば負の電圧となる。反対に、Ｘ軸＋方向に偏向する場合、偏向量が大きくなるため、原点位置に偏向する場合に対し多くの電圧、原点位置の電圧を０とすれば正の電圧が必要となる。Ｙ軸方向に偏向する場合、照射部１は、Ｘ軸に対し斜め方向からイオンビームを照射するよう設置されているため、仮に試料４の表面測定領域におけるＹ軸中心延長上設置されている場合は、Ｙ軸中心において電圧を印加しない状態で、図中上下に振る場合には正負の徐々に増加する電圧を印加する必要がある。ただし、この場合、照射距離に対し、試料上の走査距離は十分に小さいことから、Ｘ軸に対し斜め方向からイオンビームを照射するよう設置されている二次イオン質量分析装置では、走査位置によるフォーカス特性の劣化は微量であるため、特に補正を要しない。ただし、より精密に測定する場合には、Ｙ軸方向についても、静電レンズ３に印加する印加電圧を制御する方が望ましい。
【００２５】
図において、静電レンズ３に印加する印加電圧ＶＬはＸ軸方向の偏向量に対応して変化する。より具体的には、Ｘ軸−側最大領域に偏向されたイオンビームは、焦点手前で試料表面に到達するため、試料表面上に集束させるためには、中心電圧（ＶＬｍｉｄ）に対し、より大きな最大電圧（ＶＬｍａｘ）を引火する必要がある。一方、Ｘ軸＋側最大領域に偏向されたイオンビームは、試料表面手前で焦点されるため、試料表面上に集束させるためには、中心電圧（ＶＬｍｉｄ）に対し、より小さな最小電圧（ＶＬｍｉｎ）を引火する必要がある。
【００２６】
次に、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置の制御方法について図４を用いて説明する。図４は、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置の調整手順を示したフロー図である。図において、まず、Ｓ１で中心電圧（ＶＬｍｉｄ）を求める。イオンビームを偏向させない状態（原点、ＶＤＸ＝ＶＤＹ＝０）で印加電圧ＶＬを調整しイオンビームが試料面上で最も集束する中心電圧（ＶＬｍｉｄ）を求め、制御部８に備えてあるハードディスクまたはメモリー等に記録する。
【００２７】
次に、Ｓ２で最小電圧（ＶＬｍｉｎ）を求める。イオンビームをＸ軸＋側最大領域に偏向させた状態（イオンビームが照射部１から最も離れた位置に集束する状態。ＶＤＸ＝ＶＤＸｍａｘ、ＶＤＹ＝０）で印加電圧ＶＬを調整しイオンビームが試料面上で最も集束する最小電圧（ＶＬｍｉｎ）を求め、制御部８に備えてあるハードディスクまたはメモリー等に記録する。
【００２８】
次に、Ｓ３で最大電圧（ＶＬｍａｘ）を求める。イオンビームをＸ軸−側最大領域に偏向させた状態（イオンビームが照射部１から最も近い位置に集束する状態。ＶＤＸ＝ＶＤＸｍｉｎ、ＶＤＹ＝０）で印加電圧ＶＬを調整しイオンビームが試料面上で最も集束する最大電圧（ＶＬｍａｘ）を求め、制御部８に備えてあるハードディスクまたはメモリー等に記録する。
【００２９】
その後、Ｓ４で印加電圧ＶＬをＸ軸方向の偏向電圧ＶＤＸに沿って、予め設定された所定のタイムチャートに添って変化させ、偏向電圧ＶＤＸと印加電圧ＶＬとを同期させて変化させながら二次イオン質量分析を実施する。ここで示されるタイムチャートは、概ね図３にて示したタイミングである。なお、Ｓ２とＳ３を入れ替えても同様な制御が出来ることはいうまでもない。
【００３０】
この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置を用いれば、イオンビームは試料面上の全ての点において最適フォーカスが得られる。動的二次イオン質量分析装置における一次イオン、または、静的二次イオン質量分析装置におけるスパッタイオンに本発明を適用した場合、それぞれで得られるスパッタクレータ形状は、端部の斜面が急峻化され、より広い範囲でスパッタクレータの底面が平坦化し、深さ方向分布分析を行う場合の深さ分解能が向上し、信号取得領域を更に広げることが可能で高感度化な分析結果が得られる。
【００３１】
さらに、試料台を高速動作させ試料を動かすことで高感度化を果たしているような二次イオン質量分析装置と比較し、試料の振動や機器の劣化を防止するために設けられた高精密で高耐久性を伴う試料台駆動装置を必要としない。
【００３２】
図５に、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置について、動的二次イオン質量分析のＯ２＋一次イオンに用いた場合の結果を示す。８ｋｅＶのＯ２＋スパッタイオンをＳｉウエハにＢ＋をイオン注入した試料の２００μｍ角の範囲に照射し、その中心部から直径１５０μｍの範囲からの二次イオンを取得するアパーチャを挿入し、Ｂの深さ方向分布分析を行った結果を示す。このときの諸条件の数値については下記表１に示す。図６において、従来の静電レンズに印加する電圧を固定した場合の結果について示すが、図５と図６の比較から、本発明は従来技術に対し、深さ方向へのテーリング強度が低下し深さ分解能が改善していることがわかる。
【００３３】
【表１】
2013164927.tif 000003
【００３４】
この理由について図７を用いて説明する。図７は、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置を用いて、動的二次イオン質量分析測定した結果形成されるクレータ形状と二次イオン検出領域の関係を示す試料断面図である。図において、Ｏ２＋一次イオンをＸ軸方向の照射領域１７に照射した場合、Ｏ２＋スパッタクレータ側壁１５の急峻さに対し、従来の破線で示すＯ２＋スパッタクレータ側壁１６はＯ２＋イオンビームが集束していないため、なだらかであることがわかる。そのため、深さの異なる部位が測定範囲の直径１５０μｍ内に含まれたことにより、二次イオンアパーチャ１９で制限された二次イオン透過範囲１８から取得される二次イオンの深さ分解能は従来技術に比べ増すこととなる。以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置によれば、静電レンズに印加する電圧を固定した場合に比べて深さ分解能が改善される。
【００３５】
また、静電レンズに印加する電圧を固定し、２００μｍ角のＯ２＋一次イオン照射領域内の中の直径６０μｍの範囲の範囲からの二次イオンを取得した場合のＢの深さ方向分布を図８に示す。このように静電レンズに印加する電圧を固定した場合においても、測定領域をＯ２＋一次イオン照射領域のより中心部に近い範囲に限定することで、Ｏ２＋一次イオン照射領域のＸ軸方向の操作範囲両端における深さの異なる部位を測定しないようにし、深さ分解能の高いデータ取得が可能である。しかし、この場合、検出範囲を狭めたためこの発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置により取得したＢの深さ分布に比べて強度が低下していることがわかる。
【００３６】
これらの結果から、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置を用いれば、動的二次イオン質量分析の一次イオン照射領域の全域において一次イオンビームが集束するため、スパッタクレータ側壁のＸ軸方向の操作範囲両端における急峻性の低下を防ぐことができ、深さ方向の高分解能且つ高感度な測定が可能となる。また、この方法を用いれば、試料を高速動作させ且つ試料振動や機器の劣化を抑制するための高精密且つ高耐久性の試料駆動装置を必要としない構成で上記測定が可能となる。
【００３７】
次に、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置を静的二次イオン質量分析における２５ｋｅＶのＢｉ３２＋一次イオンによる試料表面の二次元分布測定に用いた場合の結果を示す。２５μｍ周期の網目状にアルミニウム（以下、Ａｌと記載する）パターンが設けられた銅（以下、Ｃｕと記載する）板試料の５００μｍ角領域のＡｌ＋二次イオンのイメージを取得した。このときの諸条件の数値については表２に示す。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
Ｘ軸方向の操作範囲の両端及び中央部で、空間分解能を数値化した結果を図９に示す。Ｘ座標の両端においても、測定領域中心部と同等の空間分解能で測定が可能であった。一方、静電レンズに印加する電圧を中心電圧（ＶＬｍｉｄ）に固定して測定した場合の空間分解能のＸ座標依存性を図１０に示す。図９及び図１０を比較して明らかなように、静電レンズに印加する電圧を固定して測定した場合に比べ、この発明の実施の形態１に係る二次イオン質量分析装置で測定した場合の方が静的二次イオン質量分析の一次イオン照射領域の全域において一次イオンビームが集束するため、端部にて空間分解能低下の無い良質な二次元分布分析を行うことができる。
【００４０】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、Ｘ軸方向に高速走査を行う場合について述べてきたが、各印加電圧を図１１に示すタイミングで、図１２に示すようにＹ軸方向に高速走査するようにしても良い。この場合、照射部１はＸ軸斜め方向に設けられているため、静電レンズ３に印加する電圧の制御速度を低速化することができ、誤差の少ない安定した印加電圧制御が可能となる。その結果、上記効果に加えて、測定の再現性及び精度の良いデータを取得することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１  照射部、２ａ  偏向部、２ｂ  偏向部、３  静電レンズ、４  試料、５  試料台、６  偏向電圧印加部、７  静電電圧印加部、８  制御部、９  モニター、１０  イオンビーム、１１ａ  イオンビーム、１１ｂ  イオンビーム、１１ｃ  イオンビーム、１２  イオンビーム、１３ａ  イオンビーム、１３ｂ  イオンビーム、１４ａ  イオンビーム、１４ｂ  イオンビーム
【図１】
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【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】
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【図１１】
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【図１２】
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