(57)【要約】【課題】一次イオンによる試料のエッチング速度を遅くすることにより、二次イオンの質量分析を行う深さ分解能を向上できる二次イオン質量分析装置を提供する。【解決手段】二次イオン質量分析装置は、試料２０の表面に一次イオンを照射する一次イオン照射部１１と、試料２０の表面から放出される二次イオンの質量分析を行う質量分析部１２と、を備え、単位長さあたりに試料の表面に照射される一次イオンの照射数が一定になるように、異なる半径の同心円の円周に沿って一次イオンを照射する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面に一次イオンを同心円状に照射する工程であって、単位長さあたりに試料の表面に照射される一次イオンの照射数が一定になるように、異なる半径の同心円の円周に沿って一次イオンを照射する第１工程と、
試料の表面から放出される二次イオンの質量分析を行う第２工程と、
を備える二次イオン質量分析方法。
【請求項２】
前記第１工程では、試料の表面の同心円の中心を回転中心として、試料を所定の角速度で回転させながら、試料の表面の同心円の中心を通る仮想直線上の所定の範囲に間隔を開けて配置される複数の滞在点に対して、単位時間当たりの照射数が一定になるように、一次イオンを照射しており、
各同心円の半径と、各滞在点に対して一次イオンを照射する照射時間とを比例させる請求項１に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項３】
前記第１工程では、試料の表面の同心円の中心を回転中心として、試料を所定の角速度で回転させながら、試料の表面の同心円の中心を通る仮想直線上の所定の範囲に間隔を開けて配置される複数の滞在点に対して、各滞在点に対して一次イオンを照射する照射時間が一定になるように、一次イオンを照射しており、
各同心円の半径と、一次イオンの単位時間当たりの照射数とを比例させる請求項１に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項４】
前記照射時間Ｔと、前記所定の角速度ｗと、円周率πとが、ｗＴ／２π＞＝５の関係を満たす請求項２又は３に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項５】
一次イオンを、滞在点の周囲から滞在点に向けて、滞在点に対して回転させながら照射する請求項１〜４のいずれか一項に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項６】
前記第２工程では、試料の表面の同心円の中心を通る仮想直線上の所定の範囲の両端の滞在点に対して一次イオンを照射している時には、試料の表面から放出される二次イオンの質量分析を行わない請求項１〜５の何れか一項に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項７】
試料の表面に一次イオンを照射する一次イオン照射部と、
試料の表面から放出される二次イオンの質量分析を行う質量分析部と、
を備え、
単位長さあたりに試料の表面に照射される一次イオンの照射数が一定になるように、異なる半径の同心円の円周に沿って一次イオンを照射する二次イオン質量分析装置。
【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及び二次イオン質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）は，加速した一次イオンを固体の試料の表面に照射し、試料の表面からスパッタリング現象によって放出される二次イオンを質量分析して検出し、試料の表面を形成している元素の情報を得ることを目的とする表面分析法である。二次イオン質量分析法は、その検出感度の高さから、半導体産業をはじめとして、様々な分野において広く活用されている。
【０００３】
図１は、従来例の二次イオン質量分析装置の要部を示す図である。
【０００４】
二次イオン質量分析装置は、試料台１１８上に載置された試料１２０の表面に一次イオンＢ１を照射する一次イオン照射部１１１と、試料１２０の表面から放出される二次イオンＢ２の質量分析を行う質量分析部１１２を備える。
【０００５】
一次イオン照射部１１１は、例えば、Ｏ２＋イオン（酸素イオン）又はＣｓ＋イオン（セシウムイオン）等の一次イオンを、数百ｅＶ〜数千ｅＶの入射エネルギーに加速し、０．１μｍ〜数μｍの径を有するイオンビームとして、試料１２０の表面に照射する。
【０００６】
試料１２０の表面を形成する原子は、一次イオンと衝突することにより、固体内の結合エネルギーよりも大きなエネルギーを受け取ると、いわゆるスパッタリング現象によって、試料１２０の表面から空間に飛び出す。
【０００７】
スパッタリング現象によって空間に飛び出した原子のうちの一部は，イオン化して二次イオンＢ２となり、質量分析部１１２に取り込まれたものは、質量数ごとに分離されて、単位時間あたりの二次イオンの検出個数として、二次イオン信号強度が測定される。
【０００８】
図２は、従来例の二次イオン質量分析装置の一次イオンの走査パターンを示す図である。
【０００９】
二次イオン質量分析において、試料の表面に一次イオンのビームを照射する際には、いわゆるラスタースキャンを行う。ラスタースキャンは、図２に示すように、一次イオンビームを走査範囲１２３の左上端の始点１２１ａから左右方向に繰り返し走査して、右下端の終点１２１ｂに到るまで、一定の速度で行う走査である。ラスタースキャンにより、正方形の走査範囲１２３内が、一次イオンビームにより走査される。
【００１０】
一次イオン照射部１１１の内部には、一次イオンの向きを制御する２組の偏向電極（図示せず）が配置される。偏向電極は、一次イオンの流れを挟むように２枚１組で配置されていて、一次イオンの流れに垂直な方向に電場を発生させる。発生させる電場の向きが互いに直交するように配置された２組の偏向電極を用いて、一次イオンＢ１の向きを自在に制御して、試料１２０の表面を走査することができる。
【００１１】
一次イオンＢ１による走査が、始点１２１ａを出発して、軌跡Ｐを描きながら終点１２１ｂまで移動した後、再び始点１２１ａに戻るまでが、ラスタースキャンの最小単位であり、１フレームと呼ばれる。走査範囲１２３内では、何れの走査位置においても、単位面積及び単位時間当たりに照射される一次イオンの数は略同等である。
【００１２】
図３は、試料の表面が一次イオンの照射によりエッチングされる様子を示す図である。
【００１３】
一次イオンＢ１によって試料１２０の表面が走査される走査範囲１２３が、試料１２０の表面において一次イオンＢ１が照射される照射領域１２１となる。ラスタースキャンの間の一次イオンＢ１の走査速度は一定であるので、照射領域１２１内において一次イオンＢ１が試料１２０の表面に当たる照射点の移動速度も一定となる。そのため、照射領域１２１内では、単位面積及び単位時間当たりに試料１２０の表面に照射される一次イオンの数も一定となる。照射領域１２１内では、試料１２０の表面を形成する原子がスパッタリングによって失われる数も、単位面積及び単位時間当たりで略一定であるので、照射領域１２１は、均一な速度でエッチングされる。その結果、試料１２０の表面には、クレータ１２２が形成される。
【００１４】
一次イオンＢ１により試料１２０のエッチングが開始されると、照射領域１２１内では均一な速度でエッチングされるので、エッチングにより形成されるクレータの底部１２２ａは平坦となる。走査される度に所定の厚みがエッチングされて除去されるので、エッチング後のクレータの底部１２２ａは、当初の試料１２０の表面であった破線Ａ０に対して平行な面の向きを保持した状態で、破線Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４と、その位置が低くなっていく。その結果、試料１２０の表面には、照射領域１２１の周囲に沿って段差が生じ、クレータの底部１２２ａの周囲には側壁１２２ｂが形成される。
【００１５】
二次イオン質量分析では、エッチングの進行とともにその深さを増して行くクレータの底部１２２ａから放出される二次イオンを検出することによって、試料１２０を形成する原子の深さ方向分布が測定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平９−１８０６６７号公報
【特許文献２】特開２０００−２６０３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述したように、１フレームあたりのエッチングにより除去される試料の厚さは、深さ方向のエッチング量の最小単位である。この深さ方向のエッチング量の最小単位が、二次イオン質量分析における二次イオン信号強度の深さ方向の分解能となる。
【００１８】
図４は、二次イオン信号強度と深さ分解能との関係を示す図である。
【００１９】
１フレームあたりのエッチングにより、厚さＤ２が除去されるとする。この場合、二次イオン質量分析における二次イオン信号強度の深さ方向の分解能（以下、深さ分解能ともいう）は深さＤ２となる。この場合、二次イオン質量分析により得られる二次イオン信号強度は、図４の黒丸で示される分布として得られる。
【００２０】
仮に、分析対象である原子（又は元素）の試料中での深さ方向の濃度が、深さＤ２の間に急激に変化しており、図４の白丸で示される分布を有しているとする。
【００２１】
しかしながら、深さＤ２の深さ分解能では、深さＤ２の間隔で隣接する黒丸で示される測定点の間の二次イオン信号強度は測定されない。
【００２２】
このような原子の深さ方向の濃度分布を求めるには、深さＤ２よりも深さ分解能の高い深さＤ１（Ｄ１＜Ｄ２）における測定が求められる。即ち、１フレームあたりのエッチングにより、厚さＤ１で試料の表面が除去されることが好ましい。
【００２３】
１フレームあたりのエッチング量を少なくする方法としては、一次イオンの入射エネルギーを小さくすることがある。具体的には、一次イオン照射部における一次イオンの加速電圧を低くすること、又は、一次イオンを試料の表面に入射させる入射角を小さくして、表面に垂直な方向の運動エネルギーの成分を小さくすることが挙げられる。
【００２４】
また、一次イオンの入射エネルギーを変化させることなく、一次イオンが試料の表面を走査する走査速度を増加させることにより、１フレームあたりのエッチング量を少なくすることが挙げられる。
【００２５】
しかし、一次イオン照射部又は二次イオン質量分析装置の性能の制約により、上述した方法を用いて、１フレームあたりのエッチング量を低減することには限界がある。
【００２６】
本明細書では、上述した問題を解決し得る二次イオン質量分析方法を提供することを課題とする。
【００２７】
また、本明細書では、上述した問題を解決し得る二次イオン質量分析装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本明細書に開示する二次イオン質量分析方法の一形態によれば、試料の表面に一次イオンを同心円状に照射する工程であって、単位長さあたりに試料の表面に照射される一次イオンの照射数が一定になるように、異なる半径の同心円の円周に沿って順番に一次イオンを照射する第１工程と、試料の表面から放出される二次イオンの質量分析を行う第２工程と、を備える。
【００２９】
また、本明細書に開示する二次イオン質量分析装置の一形態によれば、試料の表面に一次イオンを照射する一次イオン照射部と、試料の表面から放出される二次イオンの質量分析を行う質量分析部と、を備え、単位長さあたりに試料の表面に照射される一次イオンの照射数が一定になるように、異なる半径の同心円の円周に沿って一次イオンを順番に照射する。
【発明の効果】
【００３０】
上述した本明細書に開示する二次イオン質量分析方法の一形態によれば、一次イオンによる試料のエッチング速度を遅くすることにより、二次イオンの質量分析を行う深さ分解能を向上できる。
【００３１】
また、上述した本明細書に開示する二次イオン質量分析装置の一形態によれば、一次イオンによる試料のエッチング速度を遅くすることにより、二次イオンの質量分析を行う深さ分解能を向上できる。
【００３２】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００３３】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来例の二次イオン質量分析装置の要部を示す図である。
【図２】従来例の二次イオン質量分析装置の一次イオンの走査パターンを示す図である。
【図３】試料の表面が一次イオンの照射によりエッチングされる様子を示す図である。
【図４】二次イオン信号強度と深さ分解能との関係を示す図である。
【図５】本明細書に開示する二次イオン質量分析装置の一実施形態を示す図である。
【図６】一次イオン照射部の回転を説明する図である。
【図７】一次イオンにより試料の表面が照射される照射領域を示す図である。
【図８】試料表面の同心円の中心を通る仮想直線上の所定の範囲に間隔を開けて配置される複数の滞在点を説明する図である。
【図９】各滞在点における照射時間と、同心円の半径との関係を示す図である。
【図１０】各同心円の半径と、各滞在点における照射時間との関係を説明する図である。
【図１１】各滞在点における単位時間あたりの一次イオン照射数と、同心円の半径との関係を示す図である。
【図１２】各同心円の半径と、各滞在点における一次イオン照射数との関係を説明する図である。
【図１３】各滞在点における照射時間Ｔと、角速度ｗとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本明細書で開示する二次イオン質量分析装置の好ましい一実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００３６】
図５は、本明細書に開示する二次イオン質量分析装置の一実施形態を示す図である。図６は、一次イオン照射部の回転を説明する図である。
【００３７】
本実施形態の二次イオン質量分析装置１０（以下、単に装置１０ともいう）は、試料の表面に同心円状に一次イオンを順番に照射して、試料の表面から放出される二次イオンの質量分析を行う。一次イオンの照射時間又は一次イオンの単位時間当たりの照射数等を調整することにより、一次イオンによる試料のエッチング速度を制御して、二次イオンの質量分析を行う深さ分解能を広い範囲わたって設定可能である。
【００３８】
装置１０は、一次イオン照射部１１と、質量分析部１２と、第１駆動部１３と、第２駆動部１４と、第３駆動部１５と、第４駆動部１６と、各部を制御する制御部１７と、試料台１８を備える。
【００３９】
試料２０は、試料台１８上に載置されて固定される。試料台１８は、第１駆動部１３により駆動されて回転する第１駆動シャフト１３ａと接続されており、回転軸Ｌ１の周りを回転可能になされている。
【００４０】
一次イオン照射部１１は、試料２０の表面に一次イオンを照射する。一次イオン照射部１１は、制御部１７に制御されて、所定の入射エネルギーを有する一次イオンを、単位時間当たりに所定の照射数で、所定の方向に向けて照射する。
【００４１】
一次イオン照射部１１は、第２アーム１５ｃに対して回動可能に接続されており、第２アーム１５ｃは、第１アーム１５ｂに対して回動可能に接続されおり、一次イオン照射部１１が試料２０の表面に一次イオンを照射する向きが調整可能になされている。
【００４２】
第１アーム１５ｂは、第３駆動部１５により駆動されて回転する第３駆動シャフト１５ａと接続されており、回転軸Ｌ２の周りを回転可能になされている。図５及び図６に示すように、第３駆動シャフト１５ａが、第３駆動部１５により駆動されて回転することにより、第１アーム１５ｂと接続された第２アーム１５ｃ及び第２アーム１５ｃと接続された一次イオン照射部１１が、回転軸Ｌ２の周りを回転する。
【００４３】
一次イオン照射部１１の向きは、試料２０の表面と回転軸Ｌ２との交点に対して、一次イオンが照射されるように調整される。一次イオン照射部１１が第３駆動部１５により駆動されて回転軸Ｌ２の周りを回転している間も、一次イオンが照射される位置が変化しないようになされている。第１駆動部１３により駆動されて回転軸Ｌ１の周りを回転している試料２０に対して、一次イオン照射部１１が一次イオンを照射することにより、試料２０の表面には、同心円状に一次イオンが照射される。
【００４４】
質量分析部１２は、試料２０の表面から放出される二次イオンの質量分析を行う。質量分析部１２は、取り込んだ二次イオンから所定の質量数を有する二次イオンを分離して、単位時間当たりの二次イオンの検出個数を測定し、二次イオン信号強度を出力する。
【００４５】
質量分析部１２は、第３駆動シャフト１５ａの試料２０側に接続されており、第３駆動シャフト１５ａと共に、第３駆動部１５により駆動されて回転する。図５に示すように、第３駆動シャフト１５ａが、第３駆動部１５により駆動されて回転することにより、質量分析部１２が、回転軸Ｌ２の周りを回転する。
【００４６】
第３駆動部１５は、第２駆動部１４の下方に接続される。第２駆動部１４は、直線状のレール１４ａに沿って平行に移動可能である。第２駆動部１４がレール１４ａに沿って移動することにより、第２駆動部１４に接続された第３駆動部１５及び第３駆動部１５に接続された一次イオン照射部１１及び質量分析部１２が、平行に移動する。装置１０では、第３駆動シャフト１５ａの回転軸Ｌ２が、試料２０の回転中心Ｃと交差するように、第２駆動部１４がレール１４ａに沿って平行に移動可能である。
【００４７】
第４駆動部１６は、レール１４ａを駆動して垂直方向に移動させる。レール１４ａが第４駆動部１６により駆動されることにより、レール１４ａ上を移動可能に接続された第２駆動部１４及び第２駆動部１４と接続された第３駆動部１５及び一次イオン照射部１１及び質量分析部１２が、垂直方向に移動する。
【００４８】
制御部１７は、一次イオン照射部１１及び質量分析部１２を制御すると共に、上述した第１駆動部１３〜第４駆動部１６を制御して、試料２０の表面に同心円状に一次イオンを順番に照射して、二次イオンの質量分析を行う。制御部１７は、単位時間、単位長さあたりに試料２０の表面に照射される一次イオンの照射数が一定になるように、異なる半径の同心円の円周に沿って一次イオンを照射するように、各部を制御する。
【００４９】
図７は、一次イオンにより試料の表面が照射される照射領域を示す図である。
【００５０】
装置１０では、回転する試料２０の表面の回転中心Ｃを通る仮想直線Ｍ（鎖線）上の所定の走査範囲２３（実線）内において一次イオンが照射されるので、一次イオンが照射される照射領域２１は、半径の異なる２つの円により囲まれた形状を有する。仮想直線Ｍ上を一次イオンが走査する向きは、走査範囲２３の内側から外側に向かって走査してもよいし、走査範囲２３の外側から内側に向かって走査してもよい。また、走査範囲２３において、内側から外側に向かって走査した後、外側から内側に向かって走査することを繰り返してもよい。
【００５１】
装置１０では、試料２０の表面の回転中心Ｃを通る仮想直線Ｍ上の所定の走査範囲２３に間隔を開けて配置される複数の滞在点に対して、一次イオンが照射される。一次イオンは、各滞在点に対して、所定の照射時間の間照射される。
【００５２】
図８は、試料表面の同心円の中心を通る仮想直線上の所定の範囲に間隔を開けて配置される複数の滞在点を説明する図である。
【００５３】
装置１０の走査範囲２３は、試料２０の表面の回転中心Ｃを通る仮想直線Ｍ（図８中、鎖線で示す）上の所定の線分領域（図８中、実線で示す）である。図８に示す例では、走査範囲２３は等間隔に８等分されており、両端を含めて９つの滞在点Ｓ１〜Ｓ９が配置される。滞在点Ｓ１は、走査範囲２３内で回転中心Ｃに対して最近接の位置にあり、滞在点Ｓ９は、走査範囲２３内で回転中心Ｃから最も遠い位置にある。なお、走査範囲は８等分以外に等分されていてもよい。
【００５４】
各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対して、一次イオンが照射されることにより、試料２０の表面は、回転中心Ｃと各滞在点Ｓ１〜Ｓ９との距離を半径とする円形にエッチングされる。具体的には、一次イオンは、所定のビーム径を有しており、図８の各滞在点に対応する円に沿って、所定の幅を有する領域が円形に照射される。また、本明細書では、一次イオンが滞在点に照射される照射時間は、試料２０の回転周期よりも長いとする。
【００５５】
各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対して、一次イオンが照射されることにより、試料２０の表面には一次イオンが同心円状に順番に照射されることになる。
【００５６】
図８に示すように、装置１０では、滞在点Ｓ１〜Ｓ９の間隔は、一次イオンのビームの強度分布Ｆが互いに重なり合うように決定されている。一次イオンが、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対して順番に照射されることにより、回転する試料２０の表面は、各滞在点の半径を有する円周に沿ってエッチングされて二次イオンを放出する。
【００５７】
各滞在点Ｓ１〜Ｓ９がエッチングされることにより、試料２０の表面が削られてクレータ２２が形成される。走査範囲２３に対する一次イオンの走査の回数が増加すると共に、鎖線で示すように、クレータの底部２２ａの位置が低くなっていく。
【００５８】
ここで、一次イオン照射部１１は、仮に、単位時間当たりの照射数が一定になるように、一次イオンを照射しているとする。
【００５９】
また、試料２０が第１駆動部１３により駆動されて回転する角速度も一定であるとする。
【００６０】
各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対応する円において、一次イオンが照射される滞在点に対する線速度は、半径の大きい円ほど大きくなる。従って、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対して一次イオンを照射する照射時間が同じであると、単位長さあたりに試料の表面に照射される一次イオンの照射数は、半径の小さい円の方が多くなるので、異なる半径の同心円において一定ではなくなる。その結果、半径の小さい円（内側の滞在点）の方が、半径の大きい円（外側の滞在点）よりもエッチング量が大きくなるため、クレータの底部２２ａが試料２０の表面に対して傾くように形成される。従って、クレータ２２の内側と外側とでは、二次イオンが放出される深さが異なることになり、二次イオンの質量分析の深さ方向の分布が正確に求められなくなるおそれが生じる。
【００６１】
そこで、異なる半径の同心円の円周に沿って、単位長さあたりに試料２０の表面に照射される一次イオンの照射数を一定にして、走査ごとに、エッチングされるエッチング量を一定とする２つの方法を以下に説明する。
【００６２】
まず、第１の方法について、以下に説明する。装置１０では、各同心円の半径と、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対して一次イオンを照射する照射時間Ｔ１〜Ｔ９とを比例させるように、各部が制御される。
【００６３】
以下、図９及び図１０を参照しながら、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９における照射時間Ｔ１〜Ｔ９の決定の仕方を説明する。
【００６４】
まず、図９に示すように、滞在点として、Ｓ１及びＳ２を考える。滞在点Ｓ１の半径ｒ１は、滞在点Ｓ２の半径ｒ２よりも小さい。試料２０が回転する角速度ｗは一定であり、単位時間あたりの一次イオン照射数Ｉも一定であるとする。
【００６５】
滞在点Ｓ１において、半径ｒ１の円が一回転した時には、半径ｒ１の円の円周における単位時間、単位長さあたりの一次イオン照射数は、Ｉ／２πｒ１で表される。滞在点Ｓ１において、半径ｒ１の円がＮ回転（Ｎは、１以上の整数）した時も、一次イオンは、同じ半径ｒ１の円周上に照射されるので、一次イオンが照射される円周の長さは、２πｒ１である。従って、半径ｒ１の円がＮ回転（Ｎは、１以上の整数）した時に、半径ｒ１の円の円周における単位時間、単位長さあたりの一次イオン照射数は、式（１）に示すように、Ｉ／２πｒ１で表される。同様にして、半径ｒ２の円の円周における単位時間、単位長さあたりの一次イオン照射数は、式（２）で表される。
【００６６】
ここで、ｒ１＜ｒ２なので、式（３）に示すように、半径ｒ１の円の円周における単位時間、単位長さあたりの一次イオン照射数は、半径ｒ２の円よりも大きい。
【００６７】
半径ｒ１の円周上に照射時間Ｔ１だけ一次イオンを照射した時に、半径ｒ１の円周上に単位長さあたりに照射される一次イオン数は、式（１）に照射時間Ｔ１を乗じて，式（４ａ）で表される。また、半径ｒ２の円周上に照射時間Ｔ２だけ一次イオンを照射した時に，半径ｒ２の円周上に単位長さあたりに照射される一次イオン数は、式（２）に照射時間Ｔ２を乗じて，式（４ｂ）で表される。
【００６８】
単位長さあたりに照射される一次イオンの照射数を一定にするには、式（４ａ）と式（４ｂ）を等しくすればよい。すなわち，式（５）の関係が成り立てばよい。
【００６９】
即ち、滞在点Ｓ２における一次イオンの照射時間Ｔ２を、滞在点Ｓ１における一次イオンの照射時間Ｔ１よりもｒ２／ｒ１倍に増加させて、滞在点Ｓ２に対応する円の円周に沿って一次イオンが照射される時間を長くする。
【００７０】
このようにして、２つの同心円の半径ｒ１、ｒ２と、滞在点Ｓ１、Ｓ２における照射時間Ｔ１、Ｔ２とを比例させることにより、式（６）に示すように、半径ｒ１及びｒ２の円において、単位長さあたりの一次イオン照射数を同じにすることができる。
【００７１】
即ち、異なる半径の同心円の円周に沿って、単位長さあたりに試料２０の表面に照射される一次イオンの照射数が一定となる。従って、異なる半径の同心円の円周に沿って、試料が一次イオンの走査毎にエッチングされるエッチング量を同じにすることができる。上述した説明では、各滞在点に対応する円が、Ｎ回転（Ｎは、１以上の整数）以上した時の状態を説明した。一方、各滞在点に対応する円の回転量が一回転未満の時もあり得る。例えば、滞在点Ｓ１に対応する円の回転量が一回転未満の時には、滞在点Ｓ１において、半径ｒ１の円が回転した時には、半径ｒ１の円の円周における単位時間、単位長さあたりの一次イオン照射数は、Ｉ／ｗｒ１（ｗは角速度）で表される。この場合にも、上述したのと同じ考えに基づいて、２つの同心円の半径ｒ１、ｒ２と、滞在点Ｓ１、Ｓ２における照射時間Ｔ１、Ｔ２とを比例させることにより、半径ｒ１及びｒ２の円において、単位長さあたりの一次イオン照射数を同じにすることができる。
【００７２】
図１０は、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対応する円の半径と、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９における一次イオンの照射時間Ｔ１〜Ｔ９との関係を示す。各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対応する円の半径が増加するのと共に、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９における照射時間Ｔ１〜Ｔ９が比例して増加するように、照射時間が制御されることになる。
【００７３】
以上が、第１の方法の説明である。
【００７４】
次に、異なる半径の同心円の円周に沿って、単位長さあたりに試料２０の表面に照射される一次イオンの照射数を一定とするための第２の方法について、図１１及び図１２を参照して、以下に説明する。
【００７５】
この第２の方法では、装置１０は、各同心円の半径と、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対して一次イオンの単位時間当たりの照射数とを比例させるように、各部を制御する。
【００７６】
まず、図１１に示すように、滞在点として、Ｓ１及びＳ２を考える。滞在点Ｓ１の半径ｒ１は、滞在点Ｓ２の半径ｒ２よりも小さい。滞在点Ｓ１において単位時間あたりに照射される一次イオン照射数はＩ１であり、滞在点Ｓ２において単位時間あたりに照射される一次イオン照射数はＩ２である。試料２０が回転する角速度ｗは一定であり、各滞在点に対して一次イオンを照射する照射時間Ｔも一定であるとする。
【００７７】
半径ｒ１及びｒ２の円の円周における単位時間、単位長さあたりの一次イオン照射数が同じであることは、式（７）で表される。
【００７８】
ここで、式（７）の等式が満たされるためには、式（８）に示すように、滞在点Ｓ２における一次イオン照射数Ｉ２を、滞在点Ｓ１おける一次イオン照射数Ｉ１と、半径ｒ２と半径ｒ１との比との積と等しくすればよい。
【００７９】
このようにして、２つの同心円の半径ｒ１、ｒ２と、滞在点Ｓ１、Ｓ２における一次イオンの単位時間あたりの照射数Ｉ１、Ｉ２とを比例させることにより、式（７）に示すように、半径ｒ１及びｒ２の円において、単位時間、単位長さあたりの一次イオン照射数が同じとなる。
【００８０】
即ち、異なる半径の同心円の円周に沿って、単位時間、単位長さあたりに試料２０の表面に照射される一次イオンの照射数が一定となる。従って、異なる半径の同心円の円周に沿って、試料が一次イオンの走査毎にエッチングされるエッチング量を同じにすることができる。
【００８１】
図１２は、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対応する円の半径と、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９における一次イオンの単位時間あたりの一次イオン照射数Ｉ１〜Ｉ９との関係を示す。各滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対応する円の半径が増加するのと共に、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９における一次イオンの単位時間あたりの一次イオン照射数Ｉ１〜Ｉ９が比例して増加するように、一次イオン照射数が制御されることになる。
【００８２】
以上が、第２の方法の説明である。
【００８３】
上述した２つの方法において、各滞在点Ｓ１〜Ｓ９における照射時間Ｔ１〜Ｔ９は、試料２０が回転中心Ｃの周りを回転する回転周期の整数倍になるとは限らない。照射時間Ｔ１〜Ｔ９が回転周期の整数倍ではない場合には、例えば、照射時間が回転周期のＮ＋α（Ｎは０より大きな整数、αは０＜α＜１の実数）倍の時、図１３に示すように、滞在点に対応する円の円周の部分には、滞在点をＮ＋１周する領域Ｇ１と、Ｎ周する領域Ｇ２とが生じる。領域Ｇ１は、領域Ｇ２よりも一次イオンによる照射量が１周分多いので、滞在点に対応する円の円周上において、一次イオンの照射量の異なる部分が生じる。
【００８４】
一次イオンの照射量が異なるとエッチング量も異なるため、二次イオンの質量分析の深さ分解能に影響を与えるおそれがある。
【００８５】
本願出願人は、一次イオンが照射される滞在点をＮ＋１周した領域のエッチング量と、Ｎ周した領域のエッチング量とを調べた。その結果、滞在点に対応する円の円周の試料の部分が、滞在点を５周以上通過していれば、Ｎ＋１周した領域のエッチング量とＮ周した領域のエッチング量とを近似的に同等とみなせる知見を得た。
【００８６】
ここで、滞在点に対応する円の半径をｒとし、照射時間をＴとし、試料が回転する角速度をｗとする。照射時間Ｔの間に、滞在点において一次イオンに照射される円周の長さの合計ｒｗＴを、滞在点に対応する円の円周２πｒで割った商が、図１３の不等式（９）の左辺である。式（９）に示すように、式（９）の左辺が５以上であることが、滞在点に対応する円の円周の部分が、滞在点を５周以上通過することに対応する。
【００８７】
式（９）の左辺の分母と分子のｒを除去して約分すると、式（１０）が得られる。即ち、照射時間Ｔと、試料２０が回転する角速度ｗと、円周率πとが、ｗＴ／２π＞＝５の関係を満たすことが、上述した観点から好ましい。
【００８８】
ここで、試料２０が回転する周波数をｆとすると、ｗ＝２πｆであるので、式（１０）は、式（１１）のようにも表される。
【００８９】
図９及び図１０を参照して説明した第１の方法を用いる場合には、最も半径の小さい円に対応する滞在点Ｓ１における照射時間が、最も短くなる。そこで、最も半径の小さい円に対応する滞在点Ｓ１において、式（１０）又は式（１１）を満たすように、照射時間Ｔを決定することが好ましい。
【００９０】
また、図１１及び図１２を参照して説明した第２の方法を用いる場合には、各滞在点における照射時間は同じであり、この照射時間を、式（１０）又は式（１１）を満たすように決定することが好ましい。
【００９１】
滞在点における照射時間を、例えば、０．５秒とすると、式（１１）を満たすには、周波数ｆを１０Ｈｚ以上にすればよい。周波数ｆが１０Ｈｚであることは、角速度が約６２．８ラジアン／秒に対応する。この場合、試料の回転数は、毎分６００回／分以上となる。通常、試料の回転数としては、６００〜３０００回／分の範囲位になると考えられる。
【００９２】
一次イオンの照射数は、電流量を変化して制御される。高い深さ分解能を得られるように、エッチング速度を遅くする場合には、電流量が１０〜５０ｎＡの範囲になると考えられる。１Ａ＝クーロン／秒であり、１クーロンは６．２４Ｅ１０個の１価のイオン数に対応するので、１０〜５０ｎＡの範囲の電流量は、６．２４Ｅ１０〜３．１２Ｅ１１イオン数／秒となる。
【００９３】
また、図８において、通常、試料２０の回転中心Ｃから滞在点Ｓ１までの距離は、数ｍｍ程度であり、走査範囲２３は、数１００μｍ程度となる。
【００９４】
次に、二次イオン質量分析における深さ分解能を更に向上することについて、以下に説明する。
【００９５】
試料に一次イオンを照射して試料の表面のエッチングを行うと、エッチングの進行に伴って、試料の表面には凹凸が発生し、その凹凸が成長して表面の粗さが増すという現象が知られている。この現象は「表面荒れ」と呼ばれる。試料の表面に対して、一定の方向から一次イオンが照射され続けると、表面が波状にエッチングされて凸凹形状になり、エッチングが進むと、凸凹の高低差が増加する。
【００９６】
試料の表面の凹凸の成長の仕方は，試料の物性と、照射される一次イオンの表面への入射角度及び入射エネルギー等の入射条件の影響を受ける。同一の試料に対して同一の一次イオンを照射してエッチングを行っても、一次イオンの入射角度又は入射エネルギーが異なると、表面荒れによって生じる凹凸の程度も変化する。表面荒れについての近年の研究成果については、例えば、以下の非特許文献において、詳細に報告されている。
【００９７】
Ｗ．Ｌ．Ｃｈａｎ、ｅｔ.ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０１，１２１３０１（２００７）
【００９８】
このように凹凸が生じたクレータの底部からは、スパッタリング現象によって様々な深さから二次イオンが同時に放出される。質量分析部１２は、試料の表面から検出される二次イオンを、同じ深さから放出された二次イオンとして同時に検出するので、二次イオン質量分析における深さ分解能が低下することになる。
【００９９】
二次イオン質量分析では、表面荒れによる深さ分解能の低下を防止するために、一次イオンの表面への入射角度及び入射エネルギー等の入射条件を調整して、表面荒れを抑制することが行われている。
【０１００】
一方、一次イオンの試料への入射角度及び入射エネルギー等の入射条件を調整しても、表面荒れを完全に無くすことは困難である。また、表面荒れを抑制するように、一次イオンの試料への入射条件を調整すると、二次イオンの収率が、即ち試料の表面に入射した１個の一次イオンにより放出される二次イオンの数が、低減するので、分析の感度が低くなる問題が生じる。
【０１０１】
Ａ．Ｚａｌａｒは、試料を回転させながら、試料の表面にイオンを入射することにより、表面荒れによる凸凹の成長が抑制されることを明かにした。また、Ａ．Ｚａｌａｒは、試料を回転させながら、試料にアルゴンイオンのビームを照射してエッチングしながら、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）を用いて、試料の深さ方向の元素分析を行った。その結果、表面荒れを抑制することにより、元素分析の深さ分解能を向上できることを示した。Ａ．Ｚａｌａｒによる検討の詳細は、例えば、以下の非特許文献に開示されている。
【０１０２】
Ａ．Ｚａｌａｒ，Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ，１２４（１９８５）２２３−２３０
【０１０３】
そこで、装置１０では、一次イオンを、滞在点の周囲から滞在点Ｓ１〜Ｓ９に向けて、滞在点に対して回転させながら照射可能に、一次イオン照射部１１を、滞在点Ｓ１〜Ｓ９の周囲で回転させる第３駆動部１５を備える。一次イオンを、滞在点Ｓ１〜Ｓ９の周囲から滞在点に向けて、滞在点Ｓ１〜Ｓ９に対して回転させながら照射することにより、試料２０の表面荒れを抑制して、二次イオン分析の深さ分解能が更に向上する。
【０１０４】
ここで、回転する試料２０の表面に対して一次イオン照射部１１の高さが一定であると、クレータの底部２２ａの位置が低くなる（図８参照）のと共に、一次イオンが照射されるクレータ２２内の照射点の平面方向の位置が変化する。具体的には、照射点は、クレータの底部２２ａにおいて円を描くような軌跡を形成する。
【０１０５】
そこで、第４駆動部１６は、クレータの底部２２ａの位置が低くなるのと共に、一次イオン照射部１１と一次イオンが試料２０に照射される照射点との距離を一定に保つように、一次イオン照射部１１を垂直方向に移動させる。
【０１０６】
このようにして、試料２０の表面がエッチングされてクレータの底部２２ａの位置が低くなっても、一次イオンが照射されるクレータ２２内の照射点の平面方向の位置が変化しないようになされている。
【０１０７】
次に、二次イオン質量分析における深さ分解能を更にまた向上することについて、以下に説明する。
【０１０８】
一次イオンが、滞在点Ｓ１又はＳ９に対して照射されている時には、クレータの側壁２２ｂに対しても一次イオンが照射されるので、二次イオンが、クレータの側壁２２ｂからも放出される。そのため、質量分析部１２は、クレータの底部２２ａから放出される二次イオンと共に、クレータの側壁２２ｂから放出される二次イオンの質量分析を行うことになる。
【０１０９】
クレータの側壁２２ｂから放出される二次イオンは、クレータの底部２２ａから放出される二次イオンとは異なる深さから放出される。質量分析部１２は、試料の表面から検出される二次イオンを、同じ深さから放出された二次イオンとして同時に検出するので、二次イオン質量分析における深さ分解能が低下することになる。
【０１１０】
そこで、深さ分能の低下を防止するために、質量分析部１２は、一次イオン照射部１１が、走査範囲２３の両端の滞在点Ｓ１，Ｓ９に対して一次イオンを照射している時には、試料２０の表面から放出される二次イオンの質量分析を行わないように制御される。
【０１１１】
具体的には、質量分析部１２は、走査範囲２３の両端の滞在点Ｓ１，Ｓ９に加えて、隣接する滞在点Ｓ２、Ｓ８に対して一次イオンを照射している時には、試料２０の表面から放出される二次イオンの質量分析を行わないように制御される。即ち、質量分析部１２は、滞在点Ｓ３〜Ｓ７を含む質量分析範囲２４に対して一次イオンを照射している時に、二次イオンの質量分析を行う。ここで、質量分析範囲２４は、一次イオンがクレータの側壁２２ｂに対して照射されない滞在点の範囲として、適宜決定され得る。
【０１１２】
質量分析部１２の動作は、一次イオン照射部１１が質量分析範囲２４以外の滞在点に対して一次イオンを照射している時には、制御部１７によって、質量分析を行わないように制御される。
【０１１３】
質量分析部１２は、二次イオンを取り込むための引き出し電極（図示せず）を有している。この引き出し電極に電圧を印加することにより、二次イオンが質量分析部１２に取り込まれて、質量分析が行われる。一方、この引き出し電極に電圧を印加しなければ、質量分析部１２に二次イオンが取り込まれることはなく、二次イオンの質量分析は行われない。制御部１７は、一次イオン照射部１１が一次イオンを照射している滞在点に基づいて、質量分析部１２の引き出し電極に印加する電圧のオン・オフを変更することにより、質量分析部１２の動作を制御する。このような質量分析部１２を制御する方法は，エレクトリックゲート法と呼ばれる。
【０１１４】
上述した本実施形態の二次イオン質量分析装置１０によれば、一次イオンによる試料のエッチング速度を遅くすることにより、二次イオンの質量分析を行う深さ分解能を向上できる。例えば、装置１０では、図２に示すラスタースキャンと比べて、同じ単位時間あたりの一次イオン照射数を用いて、数１０倍小さいエッチング速度で、試料の表面をエッチングできるので、より高い深さ分解能を得ることができる。
【０１１５】
本発明では、上述した実施形態の二次イオン質量分析方法及び二次イオン質量分析装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
【０１１６】
例えば、上述した実施形態では、一次イオン照射部に対して試料を回転させて、異なる半径の同心円の円周に沿って一次イオンを照射していたが、試料に対して一次イオン照射部を回転させて、異なる半径の同心円の円周に沿って一次イオンを照射してもよい。
【０１１７】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【０１１８】
以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１１９】
（付記１）
試料の表面に一次イオンを同心円状に照射する工程であって、単位長さあたりに試料の表面に照射される一次イオンの照射数が一定になるように、異なる半径の同心円の円周に沿って一次イオンを照射する第１工程と、
試料の表面から放出される二次イオンの質量分析を行う第２工程と、
を備える二次イオン質量分析方法。
【０１２０】
（付記２）
前記第１工程では、試料の表面の同心円の中心を回転中心として、試料を所定の角速度で回転させながら、試料の表面の同心円の中心を通る仮想直線上の所定の範囲に間隔を開けて配置される複数の滞在点に対して、単位時間当たりの照射数が一定になるように、一次イオンを照射しており、
各同心円の半径と、各滞在点に対して一次イオンを照射する照射時間とを比例させる付記１に記載の二次イオン質量分析方法。
【０１２１】
（付記３）
前記第１工程では、試料の表面の同心円の中心を回転中心として、試料を所定の角速度で回転させながら、試料の表面の同心円の中心を通る仮想直線上の所定の範囲に間隔を開けて配置される複数の滞在点に対して、各滞在点に対して一次イオンを照射する照射時間が一定になるように、一次イオンを照射しており、
各同心円の半径と、一次イオンの単位時間当たりの照射数とを比例させる付記１に記載の二次イオン質量分析方法。
【０１２２】
（付記４）
前記照射時間Ｔと、前記所定の角速度ｗと、円周率πとが、ｗＴ／２π＞＝５の関係を満たす付記２又は３に記載の二次イオン質量分析方法。
【０１２３】
（付記５）
一次イオンを、滞在点の周囲から滞在点に向けて、滞在点に対して回転させながら照射する付記１〜４のいずれか一項に記載の二次イオン質量分析方法。
【０１２４】
（付記６）
前記第２工程では、試料の表面の同心円の中心を通る仮想直線上の所定の範囲の両端の滞在点に対して一次イオンを照射している時には、試料の表面から放出される二次イオンの質量分析を行わない付記１〜５の何れか一項に記載の二次イオン質量分析方法。
【０１２５】
（付記７）
試料の表面に一次イオンを照射する一次イオン照射部と、
試料の表面から放出される二次イオンの質量分析を行う質量分析部と、
を備え、
単位長さあたりに試料の表面に照射される一次イオンの照射数が一定になるように、異なる半径の同心円の円周に沿って一次イオンを照射する二次イオン質量分析装置。
【０１２６】
（付記８）
試料を回転させる第１駆動部と、
試料の表面の回転中心を通る仮想直線上の所定の範囲に間隔を開けて配置される複数の滞在点に対して一次イオンを照射可能に、前記一次イオン照射部を移動させる第２駆動部と、
を備える付記７に記載の二次イオン質量分析装置。
【０１２７】
（付記９）
前記一次イオン照射部は、各滞在点に対して単位時間当たりの照射数が一定になるように、一次イオンを照射しており、
前記第１駆動部は、試料を所定の角速度で回転させており、
各同心円の半径と、各滞在点に対して一次イオンを照射する照射時間とが比例する付記８に記載の二次イオン質量分析装置。
【０１２８】
（付記１０）
前記一次イオン照射部は、各滞在点に対して一次イオンを照射する照射時間が一定になるように、一次イオンを照射しており、
前記第１駆動部は、試料を所定の角速度で回転させており、
各同心円の半径と、一次イオンの単位時間当たりの照射数とが比例する付記８に記載の二次イオン質量分析装置。
【０１２９】
（付記１１）
前記照射時間Ｔと、前記所定の角速度ｗと、円周率πとが、ｗＴ／２π＞＝５の関係を満たす付記９又は１０に記載の二次イオン質量分析装置。
【０１３０】
（付記１２）
一次イオンを、滞在点の周囲から滞在点に向けて、滞在点に対して回転させながら照射可能に、前記一次イオン照射部を、滞在点の周囲で回転させる第３駆動部を備える付記８〜１１の何れか一項に記載の二次イオン質量分析装置。
【０１３１】
（付記１３）
前記質量分析部は、前記一次イオン照射部が、試料の表面の同心円の中心を通る仮想直線上の所定の範囲の両端の滞在点に対して一次イオンを照射している時には、試料の表面から放出される二次イオンの質量分析を行わない付記７〜１２の何れか一項に記載の二次イオン質量分析装置。
【０１３２】
（付記１４）
前記一次イオン照射部と一次イオンが試料に照射される照射点との距離を一定に保つように、前記一次イオン照射部を移動させる第４駆動部を備える付記８〜１３の何れか一項に記載の二次イオン質量分析装置。
【符号の説明】
【０１３３】
１０    二次イオン質量分析装置
１１    一次イオン照射部
１２    質量分析部
１３    第１駆動部
１３ａ    第１駆動シャフト
１４    第２駆動部
１４ａ    レール
１５    第３駆動部
１５ａ    第３駆動シャフト
１５ｂ    第１アーム
１５ｃ    第２アーム
１６    第４駆動部
１７    制御部
１８    試料台
２０    試料
２１    照射領域
２２    クレータ
２２ａ    クレータの底部
２２ｂ    クレータの側壁
２３    走査範囲
２４    質量分析範囲
Ｃ    回転中心
Ｌ１    回転軸
Ｌ２    回転軸
Ｂ１    一次イオン
Ｂ２    二次イオン
Ｆ    一次イオンのビームの強度分布
Ｓ１〜Ｓ９    滞在点
Ｍ    仮想直線
１１０    二次イオン質量分析装置
１１１    一次イオン照射部
１１２    質量分析部
１１８    試料台
１２０    試料
１２１    照射領域
１２１ａ    始点
１２１ｂ    終点
１２２    クレータ
１２２ａ    クレータの底部
１２２ｂ    クレータの側壁
１２３    走査範囲
【図１】
2017083336.tif 000003
【図２】
2017083336.tif 000004
【図３】
2017083336.tif 000005
【図４】
2017083336.tif 000006
【図５】
2017083336.tif 000007
【図６】
2017083336.tif 000008
【図７】
2017083336.tif 000009
【図８】
2017083336.tif 000010
【図９】
2017083336.tif 000011
【図１０】
2017083336.tif 000012
【図１１】
2017083336.tif 000013
【図１２】
2017083336.tif 000014
【図１３】
2017083336.tif 000015