JPH0211765A - Method of determining sputtering depth, sputtering yield or sputtering rate of metallic sample by glow discharge - Google Patents

Method of determining sputtering depth, sputtering yield or sputtering rate of metallic sample by glow discharge

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JPH0211765A
JPH0211765A JP15920588A JP15920588A JPH0211765A JP H0211765 A JPH0211765 A JP H0211765A JP 15920588 A JP15920588 A JP 15920588A JP 15920588 A JP15920588 A JP 15920588A JP H0211765 A JPH0211765 A JP H0211765A
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JP
Japan
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sputtering
discharge
ion
sample
glow discharge
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JP15920588A
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Japanese (ja)
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Takashi Otsubo
孝至 大坪
Kenichi Suzuki
鈴木 堅市
Yoshihiro Mitsuo
満尾 良弘
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To determine a sputtering depth, yield or rate by estimating ion energy and ion current value from discharge conditions, etc., for the glow discharge to execute sputtering and further comparing the same with the data in a high vacuum. CONSTITUTION:The glow discharge is executed with a metallic sample as a cathode and the surface of the sample is sputtered by gaseous ions and is etched in the depth direction. The intensity of the ion energy and the ion current value are respectively estimated by using the relation between the discharge voltage and the energy of the gaseous ion formed by the discharge or the relation between the discharge current and the ion current in the above mentioned glow discharge method. The sputtering yield of the desired sample by the above- mentioned ion energy is then estimated by applying the relation between the ion energy in a known high vacuum and the sputtering yield of the desired element to the glow discharge of a low yield. Further, sputtering depth or sputtering rate is determined by making calculation from this sputtering yield as well as the above-mentioned ion current value and sputtering time.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体表面層や基板上の薄膜のグロー放電イオ
ンスパンターによるエツチングや多層めっき層の深さ方
向の定量分析を行なうためのグロー放電発光分光分析法
における、金属試料のスパッター深さ、スパッター収率
あるいはスパッター速度の決定方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention is a method for etching a thin film on a solid surface layer or a substrate using a glow discharge ion spunter, and for performing quantitative analysis in the depth direction of a multilayer plating layer. This invention relates to a method for determining the sputter depth, sputter yield, or sputter speed of a metal sample in discharge emission spectroscopy.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

本発明は金属試料のグロー放電によるスパッター深さ、
スパッター収率(単位イオンあたりスパッターされる試
料原子の数)あるいはスパッター速度(単位時間当たり
のスパッター深さ)の決定方法に関するが、この王者は
放電時間や試料元素の密度や原子量を介して互いに換算
可能であるので、その代表としてスパッター深さについ
て以下述べる。
The present invention aims to reduce the sputter depth due to glow discharge of metal samples,
Regarding the method of determining sputtering yield (number of sample atoms sputtered per unit ion) or sputtering rate (sputtering depth per unit time), the king of these two methods is to convert them into each other via discharge time and the density and atomic weight of sample elements. Since it is possible, the sputter depth will be described below as a representative example.

従来は次に述べる二つの方法のいずれかで試料のスパン
ター深さを決定していた。その第一は、着目試料の元素
組成と同様な試料を準備し、着目試料と同一の放電条件
(定電圧、定電流、定電力のいずれかを選択する放電モ
ードの設定、放電用ガスの種類と圧力の設定、放電電圧
、放電電流、あるいは放電電力の設定値)下で一定時間
だりグロー放電をおこない、放電前後の試料の表面形状
を触針針で直接測定して深さを決めるか、あるいは、放
電前後の試料の質量の変化を秤で測定し放電管の内径で
決定される放電面積と試料の密度を用いて計算により深
さに換算する。第二の方法は、あらかじめ分析試料中に
含有されると予想されるすべての元素について、それぞ
れの元素のみからなる試料を準備し、分析試料と同一の
放電条件下でグロー放電発光分光分析を行い、それぞれ
の元素の発光強度を測定し、単位重量当たりの発光量(
発光強度の時間積分値をスパッターされた重量で除した
値)を求めておき、分析試料の各元素の発光強度の時間
プロファイルを微小時間単位に分割し、その単位時間当
たりの発光強度積分値を先に求めておいた各元素の単位
重量当たり発光量で除して単位時間当たりの各元素の重
量に変換し、さらに放電面積とそれぞれの密度で除して
各元素のスパンター深さを求め、さらに各元素のスパッ
ター深さを合計してスパッター深さを求める(例えば、
特開昭60−185142号公報)。
Conventionally, the spunter depth of a sample has been determined using one of the following two methods. The first step is to prepare a sample with the same elemental composition as the sample of interest, set the discharge mode to select from constant voltage, constant current, or constant power, and use the type of discharge gas. (pressure settings, discharge voltage, discharge current, or discharge power settings) for a certain period of time or glow discharge, and determine the depth by directly measuring the surface shape of the sample before and after discharge with a stylus needle, or Alternatively, the change in mass of the sample before and after discharge is measured with a scale and converted into depth by calculation using the discharge area determined by the inner diameter of the discharge tube and the density of the sample. The second method is to prepare a sample consisting only of each element in advance for all the elements expected to be contained in the analysis sample, and perform glow discharge emission spectrometry analysis under the same discharge conditions as the analysis sample. , measure the luminescence intensity of each element, and calculate the luminescence amount per unit weight (
Divide the time profile of the luminescence intensity of each element in the analysis sample into minute time units, and calculate the integral value of the luminescence intensity per unit time. Divide by the amount of light emitted per unit weight of each element calculated previously to convert it to the weight of each element per unit time, and further divide by the discharge area and each density to find the spunter depth of each element. Furthermore, the sputter depth is determined by summing the sputter depth of each element (for example,
(Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-185142).

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

前記の従来技術第一法では、元素組成が未知で単位時間
当たりスパック−深さが不明の試料ではスパッター深さ
を決定することが出来ない。
In the first prior art method described above, it is not possible to determine the sputter depth for a sample whose elemental composition is unknown and the sputter depth per unit time is unknown.

他方、前記の従来技術第二法では、先に単位重量当たり
発光量を求めた分析条件と全く同し条件で分析試料を分
析することが必須である。しかし、試料の組成によって
は、放電の電圧や電流が装置に許容された範囲内に入ら
ず、保護回路が作動して放電が停止したり、発光強度が
過大あるいは過小になることも多く、同一条件で放電で
きないこともしばしば生じる。また、この方法は、試料
中の注目する元素の濃度や、注目元素以外の構成元素の
種類や、さらに注目元素以外の元素の濃度が変化しても
、注目元素の単位重量当たり発光量が変化しないことを
前提としている。言い換えれば単位重量当たり発光量が
変化しないことを確認、済みの組成系の試料について、
しかも、単位重量当たり発光量を決定したときと同一の
放電条件で分析出来る試料にしか適用出来ないという問
題があった。
On the other hand, in the second prior art method described above, it is essential to analyze the analytical sample under exactly the same analytical conditions as those under which the luminescence amount per unit weight was previously determined. However, depending on the composition of the sample, the voltage and current of the discharge may not be within the range allowed by the device, and the protection circuit may be activated and the discharge may be stopped, or the emission intensity may be too high or too low, resulting in the same It often happens that discharge cannot occur under certain conditions. In addition, with this method, even if the concentration of the element of interest in the sample, the type of constituent elements other than the element of interest, or the concentration of elements other than the element of interest change, the amount of luminescence per unit weight of the element of interest changes. It is assumed that you will not. In other words, for samples with compositions that have been confirmed to have no change in luminescence amount per unit weight,
Moreover, there is a problem in that it can only be applied to samples that can be analyzed under the same discharge conditions as those used when determining the amount of light emitted per unit weight.

本発明は、スパッター速度が不明の試料、あるいは、単
位重量当たり発光量が他の共存元素によって変化するか
否か未確認の組成系の試料についても、グロー放電の放
電条件や放電時間からスパッター深さを決定する方法を
提供することを目的としている。
The present invention can also be applied to samples whose sputtering speed is unknown, or whose composition is unknown whether the amount of luminescence per unit weight changes depending on other coexisting elements. The purpose is to provide a method for determining the

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

−iに、スパッター深さを決定する場合、その試料(元
素)の、そのスパッター条件下(イオン種とイオンエネ
ルギー)でのスパンター収率(単位イオンあたりスパッ
ターされる試料原子の数)と、着目する面積領域でのイ
オン電流値(1個のイオンの持つ素電荷から入射イオン
数が求められる)と、スパッター面積と、スパッター時
間が既知でなければならない。
-i, when determining the sputtering depth, the sputtering yield (number of sample atoms sputtered per unit ion) of the sample (element) under the sputtering conditions (ion species and ion energy), and The ion current value (the number of incident ions is determined from the elementary charge of one ion), the sputtering area, and the sputtering time must be known in the area.

ところで、高真空中でのイオンスパッターの場合は、イ
オンのエネルギーは加速電圧とイオン電荷の積で表わさ
れるので、イオンのエネルギーは印加電圧によって決定
出来る。また、イオン電流はファラデーカップにより直
接測定出来る。したがって、膜厚既知の試料を一定のイ
オン電流でスパッターしながら二次イオン質量分析法あ
るいはオージェ電子分光法で分析することにより、単位
入射イオン当たりスパッターされる原子数、すなわちス
パンター収率のデータが広範な試料(ターゲット)元素
、入射イオン、エネルギー範囲について完備されている
(第2図の例参照)。
By the way, in the case of ion sputtering in a high vacuum, the energy of the ions is expressed as the product of the acceleration voltage and the ion charge, so the energy of the ions can be determined by the applied voltage. In addition, the ionic current can be directly measured using a Faraday cup. Therefore, by analyzing a sample with known film thickness by secondary ion mass spectrometry or Auger electron spectroscopy while sputtering with a constant ion current, data on the number of atoms sputtered per unit incident ion, that is, the sputtering yield, can be obtained. It is fully equipped for a wide range of sample (target) elements, incident ions, and energy ranges (see example in Figure 2).

しかしながら、グロー放電の場合は、イオンエネルギー
やイオン電流値を測定することが困難であるため、各元
素のスパッター収率も知られていない。従って、上記の
スパッター収率とイオン電流値からスパンター深さを決
定する方法は用いることが出来なかった。
However, in the case of glow discharge, it is difficult to measure ion energy and ion current values, so the sputtering yield of each element is also unknown. Therefore, the above method of determining the sputter depth from the sputter yield and ion current value could not be used.

本発明は、グロー放電による金属試料のスパンター現象
に関して下記のことを見出したことに立脚している。
The present invention is based on the following findings regarding the spanter phenomenon of metal samples caused by glow discharge.

(1)グロー放電電圧と、グロー放電により形成される
ガスイオンのエネルギーが、一定の関数関係 E=k  (V−V。)(1) ただし、Eはイオンエネルギー、■はグロ放電電圧、■
。はしきい電圧、kは比例係数にあり、この比例係数(
k)はグロー放電管の構造と、放電に用いるガスの種類
(Ar、 He、 NeKr、 It□、 N2. O
□、塩化物ガスおよびこれらの混合ガスなど)と圧力と
で概略決定され、試料金属の種類には依存しないことが
実験的に確認出来る。
(1) The glow discharge voltage and the energy of gas ions formed by glow discharge have a constant functional relationship E=k (V-V.) (1) where E is the ion energy, ■ is the glow discharge voltage, ■
. is the threshold voltage, k is in the proportionality coefficient, and this proportionality coefficient (
k) is the structure of the glow discharge tube and the type of gas used for discharge (Ar, He, NeKr, It□, N2.O
□, chloride gas, mixed gas, etc.) and pressure, and it can be experimentally confirmed that it does not depend on the type of sample metal.

(2)放電電流は、ガスイオンによって正電荷が運ばれ
ることに由来するイオン電流と、ガスイオンの試料への
衝突により放出される二次電子によって負電荷がイオン
電流と逆方向に運ばれることに由来する二次電子電流か
らなるが、イオン電流値は、第1図に示すように、試料
元素に依存せず、グロー放電管の構造と設定電圧と放電
ガスの種類と圧力とで決まる一定値をとる。
(2) The discharge current consists of an ionic current derived from positive charges carried by gas ions, and a negative charge carried in the opposite direction to the ionic current by secondary electrons released by gas ions colliding with the sample. However, as shown in Figure 1, the ion current value is a constant value that does not depend on the sample element and is determined by the structure of the glow discharge tube, the set voltage, and the type and pressure of the discharge gas. Takes a value.

(3)イオン電流と放電電流(イオン電流と二次電子電
流との和)との比(イオン電流比)は放電電圧に依存せ
ず試料金属の種類によって決まる一定の値となる。この
関係は、第3図に示すように、単位電流当たり、単位時
間当たりスパッターされる試料原子数と放電電圧とが(
定電圧モードでも定電流モードでも)直線関係にあるこ
とから見出されたものである。
(3) The ratio between the ion current and the discharge current (the sum of the ion current and the secondary electron current) (ion current ratio) is a constant value that does not depend on the discharge voltage and is determined by the type of sample metal. As shown in Figure 3, this relationship shows that the number of sample atoms sputtered per unit current per unit time and the discharge voltage are (
This was discovered because there is a linear relationship (both in constant voltage mode and constant current mode).

(4)前記(1)によって決定したイオンエネルギーを
用いて、高真空中でのイオンスパッターにおける入射イ
オンのエネルギーとスパッター収率との関係から求めた
スパッター収率が、低真空でのグロー放電に関しても同
様に適用できる。このことの正しさは、これに基づいて
求めたスパッター収率と(2)または(3)から求めた
イオン電流値とを用いて計算で求めたグロー放電スパッ
ター深さが、実験的に求めたグロー放電スパッター深さ
とよく一致することから証明される。
(4) Using the ion energy determined in (1) above, the sputtering yield calculated from the relationship between incident ion energy and sputtering yield in ion sputtering in high vacuum is can be similarly applied. The correctness of this is that the glow discharge sputtering depth calculated using the sputtering yield calculated based on this and the ion current value calculated from (2) or (3) is experimentally calculated. This is proven by the good agreement with the glow discharge sputter depth.

(5)従って、(2)または(3)で求めたイオン電流
値と、上記(4)に基づいて得られる既知の高真空中で
のスパッター収率を用いて、グロー放電時間をグロー放
電スパッター深さに変換することが出来る。
(5) Therefore, using the ion current value obtained in (2) or (3) and the known sputtering yield in high vacuum obtained based on (4) above, the glow discharge time can be It can be converted to depth.

次に、本発明の目的を達成するための手段を説明する。Next, means for achieving the object of the present invention will be explained.

先ず、A1. Si、 Ti、 V、Cr、 Mn、 
Fe、 Co、旧、CuZn、 Zr、 Nb、 Mo
、 Pd、 Ag、 Cd、 In、 Sn、 Ta1
llI、Irpt、Δu、 Pbなど高真空中でのスパ
ッター収率が既知の金属元素の一つからなる試料を準備
し、定電圧モードで複数の設定電圧において一定時間ず
つグロー放電を行い、グロー放電前後の試料質量の変化
と放電電流を測定する。
First, A1. Si, Ti, V, Cr, Mn,
Fe, Co, old, CuZn, Zr, Nb, Mo
, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Ta1
Prepare a sample made of one of the metal elements with a known sputtering yield in high vacuum, such as llI, Irpt, Δu, and Pb, and perform glow discharge in constant voltage mode at multiple set voltages for a fixed period of time. Measure the change in sample mass before and after and the discharge current.

設定電圧とスパッターによる単位時間、単位電流当たり
の質量減の関係図(第4図参照)を描き、そのX切片か
らスパッターしきい電圧を求めて、各設定電圧からこれ
を差し引きして各実効電圧を求める。
Draw a relationship diagram between the set voltage and the mass reduction per unit time and unit current due to sputtering (see Figure 4), find the sputtering threshold voltage from its X-intercept, and subtract this from each set voltage to calculate each effective voltage. seek.

前記の原理(1)二元素に依存せずkは一定、(3):
イオン電流比は電圧に依存せず元素ごとに一定、を共に
満足するように、グロー放電電圧とグロー放電により形
成されるガスイオンのエネルギーとの関係(1)式にお
ける係数kを試行錯誤計算法あるいは図式計算法により
決定する。
The above principle (1) k is constant regardless of the two elements, (3):
The coefficient k in equation (1), which is the relationship between the glow discharge voltage and the energy of gas ions formed by the glow discharge, was calculated by trial and error so that the ion current ratio does not depend on the voltage and is constant for each element. Alternatively, it is determined by graphical calculation method.

次に、着目する単一の金属元素からなる試料について、
特定の設定電圧で一定時間だけグロー放電を行い、上記
と同様に放電電流とスパッター前後の質量変化を測定す
る。
Next, regarding the sample consisting of a single metal element of interest,
Glow discharge is performed for a certain period of time at a specific set voltage, and the discharge current and mass change before and after sputtering are measured in the same way as above.

先に求めたkと■。を用いて、設定電圧に対応するイオ
ンエネルギーを決定し、これに基づいてその金属元素の
既知の高真空中イオンスパンターにおけるイオンエネル
ギーとスパッター収率との関係から求めたスパッター収
率とグロー放電スパッターによる試料質量減実測値とを
対比することにより、着目元素のイオン電流値あるいは
(放電電流を考慮に入れて)イオン電流比を決定する。
k and ■ found earlier. The ion energy corresponding to the set voltage is determined using The ion current value or ion current ratio (taking into account the discharge current) of the element of interest is determined by comparing it with the measured value of sample mass loss due to sputtering.

なお、イオン電流比は、着目する元素試料を高真空中で
イオンスパッターし、イオン電流と試料電流(放電電流
に相当する)とを測定して決定することも出来る。この
場合は、前記手順とは逆にイオン電流比を用いて、グロ
ー放電スパッターによる試料質量減実測値を、加速エネ
ルギーとスパッター収率との関係図(第2図相当の図)
と対比することにより、(1)式のEとkを決定するこ
とも出来る。
Note that the ion current ratio can also be determined by subjecting the elemental sample of interest to ion sputtering in a high vacuum and measuring the ion current and sample current (corresponding to discharge current). In this case, contrary to the above procedure, the ion current ratio is used to calculate the actual value of the sample mass reduction due to glow discharge sputtering using a diagram of the relationship between acceleration energy and sputtering yield (a diagram equivalent to Figure 2).
By comparing E and k in equation (1), it is also possible to determine.

この他にも、着目する元素試料を高真空中でイオンスパ
ッターし、イオン電流と二次電子電流とを測定して、以
後同様に計算するなど、前記の発見(1)、(2)、(
3)、(4)および(5)に基づけば、グロー放電電圧
とグロー放電により形成されるガスイオンのエネルギー
との関係(1)式におけるEと係数にと、イオン電流値
またはイオン電流比を決定し、その金属元素の既知の高
真空中イオンスパック−におけるイオンエネルギーとス
パッター収率との関係から求めたスパック−収率を利用
することが出来る。
In addition to the above, discoveries (1), (2), (
Based on 3), (4) and (5), the ion current value or ion current ratio can be expressed as E and the coefficient in equation (1), which is the relationship between the glow discharge voltage and the energy of gas ions formed by glow discharge. The sputtering yield can be determined from the known relationship between ion energy and sputtering yield of the metal element in high vacuum ion spacking.

次に、スパッター深さを決定する方法を説明するが、ま
ず、グロー放電を定電圧モードでおこなう場合について
説明する。単一金属元素からなる試料を定電圧モードで
グロー放電させ、放電電流と放電時間を測定する。先に
決定した放電電圧とイオンエネルギーとの関係を用いて
、設定電圧からイオンエネルギーを求める。一方、先に
決定したイオン電流値(またはイオン電流比を用いて放
電電流実測値からイオン電流値)を求め、該イオンエネ
ルギーの該イオンによる該金属試料の高真空中でのイオ
ンスパッター収率の既知データと放電時間と該イオン電
流値から試料のスパッターによる質量減量を計算し、こ
のスパッター減量を既知の放電面積と該金属の密度で除
せばスパッター深さを求めることが出来る。
Next, a method for determining the sputtering depth will be described. First, a case where glow discharge is performed in constant voltage mode will be described. A sample made of a single metal element is subjected to glow discharge in constant voltage mode, and the discharge current and discharge time are measured. Ion energy is determined from the set voltage using the previously determined relationship between discharge voltage and ion energy. On the other hand, the previously determined ion current value (or the ion current value from the actual discharge current value using the ion current ratio) is calculated, and the ion sputtering yield of the metal sample in high vacuum by the ion with the ion energy is calculated. The sputtering depth can be determined by calculating the mass loss of the sample due to sputtering from the known data, the discharge time, and the ion current value, and dividing this sputtering loss by the known discharge area and the density of the metal.

次に、定電流モードで行なう場合について説明する。Next, the case of performing in constant current mode will be explained.

単一金属元素からなる試料を定電流モードでグロー放電
させ、放電電圧と放電時間を測定する。
A sample made of a single metal element is subjected to glow discharge in constant current mode, and the discharge voltage and discharge time are measured.

設定電流値に、先に決定したイオン電流比を乗じてイオ
ン電流値を求める。次に、放電電圧実測値と先に決定し
た放電電圧とイオンエネルギーとの関数関係を用いて、
イオンエネルギー値を求める。
The ion current value is determined by multiplying the set current value by the previously determined ion current ratio. Next, using the actual measured discharge voltage and the previously determined functional relationship between the discharge voltage and ion energy,
Find the ion energy value.

該イオンエネルギーの該イオンによる該金属試料の高真
空中でのイオンスパッター収率の既知デー夕と、放電時
間と、該イオン電流値から試料のスパッターによる質量
減量を計算し、このスパッター減量を既知の放電面積と
該金属の密度で除してスパッター深さを求めることが出
来る。
The mass loss due to the sputtering of the sample is calculated from the known data of the ion sputtering yield of the metal sample in a high vacuum by the ions of the ion energy, the discharge time, and the ion current value, and this sputtering loss is known. The sputtering depth can be determined by dividing the discharge area by the density of the metal.

定電力モードで行なう場合は、放電電圧、放電電流、放
電時間を測定し、以下前記と同様にしてスパッター深さ
を求めることが出来る。
When performing in constant power mode, the discharge voltage, discharge current, and discharge time are measured, and the sputtering depth can be determined in the same manner as described above.

以上は、単一金属からなる試料について説明したが、二
種以上の金属の合金からなる試料の場合は、その概略組
成を他の手段で求め(グロー放電発光分光分析法の場合
は、構成する各金属元素の発光強度の比から概略の組成
比を求め)、先に述べた方法で決定した各元素のスパッ
ター収率に組成比を乗じて、合金のスパッター収率を求
め、以下、前述の方法でスパンター深さを決定する。
The above explanation has been about samples made of a single metal, but in the case of samples made of an alloy of two or more metals, the approximate composition can be determined by other means (in the case of glow discharge optical emission spectroscopy, The approximate composition ratio is determined from the ratio of the emission intensities of each metal element), and the sputter yield of the alloy is determined by multiplying the sputter yield of each element determined by the method described above by the composition ratio. How to determine spanter depth.

以上は、深さ方向に組成が均一な試料について説明した
が、最後に、深さ方向に組成が変化する試料の場合(グ
ロー放電発光分光分析法の場合)について説明する。
The above has described a sample whose composition is uniform in the depth direction, but finally, a case of a sample whose composition changes in the depth direction (in the case of glow discharge optical emission spectrometry) will be described.

含有する各元素の発光強度−放電時間プロファイルを描
き、組成が深さ方向に均一と近似出来る微小放電時間区
分に分割し、各時間区分について前述の方法でスパンタ
ー深さを求めて、各時間区分について積算することによ
って、各放電時間に対応するスパッター深さを求めるこ
とが出来る。
Draw the luminescence intensity-discharge time profile of each element contained, divide it into minute discharge time segments in which the composition can be approximated as uniform in the depth direction, calculate the spunter depth for each time segment using the method described above, and calculate each time segment. By integrating the values, the sputter depth corresponding to each discharge time can be determined.

〔作用〕[Effect]

先に述べたようにグロー放電によるスパッターリングの
基本支配因子を明らかにし、グロー放電によるスパック
−リングを、既に広範なデータが完備されている高真空
中のスパッター収率と一定の関数関係で関連づけること
が可能なことを見出したことにより、対象元素の高真空
中のスパッター収率とグロー放電条件から、グロー放電
時の試料のスパッター深さを求めることを可能とした。
As mentioned above, we will clarify the basic governing factors of sputtering caused by glow discharge and relate sputtering caused by glow discharge in a certain functional relationship to the sputtering yield in high vacuum, for which extensive data is already available. By discovering that this is possible, we have made it possible to determine the sputtering depth of a sample during glow discharge from the sputtering yield of the target element in high vacuum and the glow discharge conditions.

同様にして、グロー放電時のスパッター収率とスパッタ
ー速度が求められることは前述の通りである。
As described above, the sputtering yield and sputtering speed during glow discharge are similarly determined.

以下に、実施例により説明する。Examples will be explained below.

〔実施例1〕 市販のグロー放電発光分光分析装置(グロー放電管の内
径は4mm、放電用不活性ガスには什を用い、圧力は9
.2 Torrで一定とした)を用いて、試料には不純
物含有量合計カ月00ppm以下の純Niを使い、第1
表に示すように、定電圧モードにより600.900.
1.200Vに電圧を設定し、70〜220秒間グロー
放電を行い、放電電流と放電前後の試料質量を測定しス
パンターによる減量を求めた。単位電流当たり、単位時
間当たりのスパッターによる減量をY軸に、放電電圧を
X軸にプロットし、X切片よりスパンターしきい電圧■
oを求めた(300 V)。次に、放電電圧(V)にお
いて、k = 0.3と仮定してEを計算で求めた。
[Example 1] A commercially available glow discharge optical emission spectrometer (the inner diameter of the glow discharge tube is 4 mm, the inert gas for discharge is sulfur, the pressure is 9 mm)
.. 2 Torr), pure Ni with a total impurity content of 00 ppm or less was used as the sample, and
As shown in the table, 600.900.
The voltage was set at 1.200 V, glow discharge was performed for 70 to 220 seconds, and the discharge current and the mass of the sample before and after discharge were measured to determine the weight loss due to the spunter. Plot the weight loss due to sputtering per unit current and unit time on the Y-axis and the discharge voltage on the X-axis, and calculate the sputtering threshold voltage from the X-intercept.
o was determined (300 V). Next, at the discharge voltage (V), E was calculated assuming k = 0.3.

このEの値でのイオンスパッター収率のデータからグロ
ー放電の見掛けのイオン電流値を計算で求め、見掛けの
イオン電流比を計算した(第1表参照)。各設定電圧で
の見掛けのイオン電流比が大きく異なっているが、これ
らは本来同一の値となるべきもので、一致しないのは仮
定したkの値が正しくないことを示している。kの値を
少しずつ(例えば0.1ずつ)変えながら、同様にして
各設定電圧でのイオン電流比を計算することにより、設
定電圧間のイオン電流比の値の差が最小になるkとして
0.5が得られた(第1表参照)。したがって、(1)
式は次のように書ける。
The apparent ion current value of glow discharge was calculated from the ion sputtering yield data at this value of E, and the apparent ion current ratio was calculated (see Table 1). Although the apparent ion current ratios at each set voltage differ greatly, they should originally be the same value, and the fact that they do not match indicates that the assumed value of k is incorrect. By calculating the ion current ratio at each set voltage in the same way while changing the value of k little by little (for example, by 0.1), find the value of k that minimizes the difference in the value of the ion current ratio between the set voltages. 0.5 was obtained (see Table 1). Therefore, (1)
The formula can be written as:

E=0.5 (V−300)     (2)次に、A
I、 Si、 Ti+ Cr、 Fe、 Cu、 Mo
、 Ta、 Hの各金属板を試料として、定電圧モード
、設定電圧600.900.1200Vで、50〜50
0秒間、グロー放電を行い、放電電流とスパッター減量
を測定した(第2表参照)。純Niの場合と同様にして
、各金属のスパッターしきい電圧を求めた。
E=0.5 (V-300) (2) Next, A
I, Si, Ti+ Cr, Fe, Cu, Mo
, Ta, and H metal plates as samples, constant voltage mode, set voltage 600.900.1200V, 50 to 50
Glow discharge was performed for 0 seconds, and the discharge current and sputter weight loss were measured (see Table 2). The sputtering threshold voltage of each metal was determined in the same manner as in the case of pure Ni.

設定電圧としきい電圧から(2)式によりイオンエネル
ギーを算出し、それぞれのエネルギーのArイオンによ
る各金属のスパッター収率を既知の高真空中スパッター
のデータより求めた。このようにして求めたスパッター
収率と実測したスパッター減量からイオン電流値を計算
し、さらに各金属のイオン電流比を求めた(第2表参照
)。設定電圧が異なっても、同一金属では一定のイオン
電流比が得られている。また、同−設定電圧でのイオン
電流値計算値は各金属ともほぼ同じ値が得られている。
The ion energy was calculated from the set voltage and the threshold voltage using equation (2), and the sputtering yield of each metal by Ar ions at each energy was determined from known data on sputtering in a high vacuum. The ion current value was calculated from the thus determined sputtering yield and the actually measured sputtering loss, and the ion current ratio of each metal was determined (see Table 2). Even if the set voltage is different, a constant ion current ratio can be obtained for the same metal. Further, the calculated ion current values at the same set voltage are approximately the same for each metal.

次に、上記の各金属板を分析試料として、定電圧モード
(600V)あるいは定電流モード(50〜75m八)
で100〜520秒間、グロー放電分析を行い、先に説
明したのと同様な方法により、イオン電流比と放電電圧
600■に対応するイオンエネルギーの高真空中のスパ
ッター収率とからスパッター深さを計算で求めた(第3
表)。スパッター深さの実測値と比較してみると、第3
表から明らかなように両者は非常によく一致しており、
前記(1)〜(5)の原理が正しく、本発明の方法によ
ればグロー放電におけるスパッター深さを精度良く算出
出来ることを示している。
Next, use each of the above metal plates as analysis samples in constant voltage mode (600V) or constant current mode (50 to 75m8).
Glow discharge analysis was performed for 100 to 520 seconds at Calculated (3rd
table). When compared with the actual measured value of sputter depth, the third
As is clear from the table, there is a very good agreement between the two.
This shows that the principles (1) to (5) above are correct, and that the method of the present invention allows the sputter depth in glow discharge to be calculated with high accuracy.

〔実施例2〕 Cr、 N+、 Mo+ Cuを含有する6種の高合金
鋼を、600■定電圧、Ar圧力9.2Torrの条件
でグロー放電し、200秒間スパッターエツチングした
[Example 2] Six kinds of high alloy steels containing Cr, N+, Mo+Cu were subjected to glow discharge under the conditions of a constant voltage of 600 cm and an Ar pressure of 9.2 Torr, and sputter etched for 200 seconds.

実施例1で求めた各元素のしきい電圧から、試料組成に
応じて平均しきい電圧を求めて、(2)式より平均イオ
ンエネルギーを求めた。次に、このエネルギーでの各元
素のスパッター収率を文献より求めて、さらに試料組成
比を乗じて平均スパッター収率を求めた。一方、各元素
のイオン電流比に試料組成比を乗じて、平均イオン電流
比を求め、イオン電流値を推定した。以下、実施例1と
同様にして、スパッター深さを計算で決定した(第4表
参照)。比較のために、スパッターによる質量減を実測
しスパッター深さを求めた結果を合わせて示した。
From the threshold voltage of each element determined in Example 1, the average threshold voltage was determined according to the sample composition, and the average ion energy was determined from equation (2). Next, the sputtering yield of each element at this energy was determined from literature, and the average sputtering yield was determined by further multiplying by the sample composition ratio. On the other hand, the average ion current ratio was obtained by multiplying the ion current ratio of each element by the sample composition ratio, and the ion current value was estimated. Hereinafter, the sputtering depth was determined by calculation in the same manner as in Example 1 (see Table 4). For comparison, the results of actually measuring the mass loss due to sputtering and determining the sputtering depth are also shown.

第4表より明らかなように実測値に非常に近い値が得ら
れている。
As is clear from Table 4, values very close to the actually measured values were obtained.

また、本発明の基礎となっている原理(1)〜(5)が
正しいことを示している。
It also shows that principles (1) to (5) on which the present invention is based are correct.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

グロー放電においては試料元素により、定電圧モードの
場合は電流が、定電流モードの場合は電圧が、そして定
電力の場合は電圧と電流が変動するので、スパンター時
間をスパッター深さに変換するのが困難であった。また
、放電条件によりイオンエネルギーが変化し、さらに、
イオン電流値を確定出来ないことが、これを−層困難に
していた。本発明では、放電電圧とイオンエネルギーの
関係、放電電圧と元素とイオン電流値、元素とイオン電
流比との関係を介して、グロー放電におけるスパンター
リングを既知の高真空中でのスパッター収率と関連づけ
るようにしたので、グロー放電時間をグロー放電スパッ
ター深さに変換することが可能となった。
In glow discharge, the current varies depending on the sample element in constant voltage mode, voltage in constant current mode, and voltage and current in constant power mode, so it is difficult to convert sputter time to sputter depth. was difficult. In addition, the ion energy changes depending on the discharge conditions, and
The inability to determine the ion current value made this difficult. In the present invention, sputtering in glow discharge can be reduced to the known sputtering yield in high vacuum through the relationship between discharge voltage and ion energy, discharge voltage, element and ion current value, and element and ion current ratio. Since it was made to relate to the following, it became possible to convert the glow discharge time to the glow discharge sputtering depth.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は放電電圧とイオン電流の関係図(試料;1 :
AI、  2:Si、  3:Ti、  4 :Cr、
  5:Fe、  6:Ni、 7 :Cu、 8 :
Mo、 9 :Ta、 10 :W )、第2図ば計イ
オンエネルギーとCuの高真空中のスパンクー収率との
関係図、第3図は単位電流光たり、単位時間当たリスバ
ッターされる試料(旧およびCu )原子数と放電電圧
との関係図、第4図はIV  Cr、 Ni、 Cu、
 Taのしきい電圧の説明図である。
Figure 1 is a diagram showing the relationship between discharge voltage and ion current (sample; 1:
AI, 2:Si, 3:Ti, 4:Cr,
5: Fe, 6: Ni, 7: Cu, 8:
(Mo, 9:Ta, 10:W), Figure 2 shows the relationship between the total ion energy and the spanku yield of Cu in high vacuum, and Figure 3 shows the relationship between the total ion energy and the spanku yield of Cu in high vacuum. A diagram of the relationship between the number of atoms and discharge voltage for samples (old and Cu), Figure 4 shows IV Cr, Ni, Cu,
FIG. 3 is an explanatory diagram of the threshold voltage of Ta.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 試料を陰極とするグロー放電管を用いて試料表面をガス
イオンによってスパッターしながら試料面の深さ方向に
エッチングを進めるグロー放電法において、放電電圧と
ガスイオンエネルギーとの関係および放電電圧あるいは
放電電流とイオン電流との関係を用いて、イオンエネル
ギーの強さとイオン電流値とをそれぞれ推定し、次にグ
ロー放電における該イオンエネルギーによる着目試料の
スパッター収率を、既知の高真空中でのイオンエネルギ
ーと着目元素のスパッター収率との関係を用いて推定し
、さらに該スパッター収率と該イオン電流値とスパッタ
ー時間から計算によりスパッター深さを求めることを特
徴とするグロー放電による金属試料のスパッター深さ、
スパッター収率あるいはスパッター速度の決定方法。
In the glow discharge method, which uses a glow discharge tube with the sample as a cathode to proceed with etching in the depth direction of the sample surface while sputtering gas ions on the sample surface, the relationship between discharge voltage and gas ion energy, and the discharge voltage or discharge current. The strength of the ion energy and the ion current value are estimated respectively using the relationship between The sputtering depth of a metal sample by glow discharge is estimated using the relationship between the sputtering yield of the element of interest, and further calculates the sputtering depth from the sputtering yield, the ion current value, and the sputtering time. difference,
How to determine sputter yield or sputter speed.
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