JPH0254155A - 固体表面分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 固体試料表面の物理的状態を分析する分析装置に関し、 固体試料の表面状態を乱すことなく分析することを目的
とし、 固体試料の表面に電子あるいは電離放射線を照射し、照
射面より発生する電子あるいは電磁波を検出して表面原
子の結合状態を分析する装置が、固体表面に直接或いは
平行に電磁波を照射する装置と、この固体表面に近接し
てエツチングガスを噴出するノズルとを少なくとも備え
て固体表面分析装置を構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は固体表面分析装置の改良に関する。

情報処理装置はＩＣ，ＬＳＩなどの半導体集積回路。

発光ダイオード、半導体レーザなど半導体素子を主な構
成品として形成されており、これらの半導体素子は何れ
も単結晶を用いて構成されている。

すなわち、半導体材料にはシリコン（Ｓｉ）やゲルマニ
ウム（Ｇｅ）で代表される単体半導体とガリウム砒素（
ＧａＡｓ）やインジウム燐（ＩｎＰ）で代表される化合
物半導体とがあるが、何れもこれらの単結晶を基板とし
、トランジスタやレーザダイオードなどのデバイスが形
成されている。

然し、その際に結晶面に存在する微細な歪みや欠陥など
がデバイスの特性に大きな影響を及ぼしている。

例えば、Ｓｉ単結晶基板（ウェハ）上に形成されている
ＩＣ，ＬＳＩなどの集積回路はＳｉウェハを熱処理して
二酸化硅素（５ｉＯｚ）からなる絶縁膜を形成し、この
絶縁膜を部分的に窓開けし、不純物のイオン注入などを
行って半導体領域を作り、この半導体領域をアルミニウ
ム（＾ｌ）薄膜などからなる導体線路で連絡するなどの
方法により集積回路の形成が行われているが、特性の維
持と品質の向上を行うには、表面欠陥の有無や含有不純
物濃度の測定などの他に、Ｓｉ単結晶基板の上に熱処理
などにより形成される５ｉＯｚ膜との組成の移行状態や
結合状態、またＳｉｎ、膜とＡＮ導体線路との結合状態
など微細な情報を正しく捕らえておくことが必要である
。

すなわち、ダイヤモンド型構造をとるＳｉは約１０００
°Ｃの大気中の熱処理により表面は４個の酸素（０）原
子により囲まれた石英構造のＳｉＯ□に酸化されるが、
その中間には酸化硅素（Ｓｉｎ）構造をとる状態が存在
する。

また、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、スパッタ法などに
より形成されたＳｉ０ｇ膜の構造は厳密に観察すると、
それぞれ熱処理により作られたＳｉＯ□膜の構造とは異
なっている。

また、表面の５ｔ（ｈと内部の５ｉ（ｈとはＳｉ原子と
Ｏ原子との結合角が必ずしも同一ではない。

また、導体線路を形成するＡｌとＳｉｎ、絶縁膜とは優
れた密着性を示しているが、Ａ１とＳｉｎｇとの界面の
結合状態を把握しておくことは集積回路の品質保持の面
から必要である。

本発明は表面より深さ方向にかけて原子の結合状態など
の分析を行う分析装置の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

固体表面の分析方法としては従来よりオージェ電子分光
法（Ａｕｇｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓ
ｃｏｐｙ）　、　Ｘ線光電子分光法（Ｅｌｅｅｔｒｏｓ
ｃｏｐｙ　ｆｏｒ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉ
ｓ）、紫外線光電子分光法（Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ
　Ｐｌ＋ｔ。

ｅｆｅｃｔｒｏｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの
方法がとられている。

然し、これらの方法はイオンガンを用い、アルゴン（Ａ
ｒ）などの不活性イオンを加速電圧を与えて固体表面に
衝突させて次第に削りながら、露出した表面について測
定し、これを繰り返すことにより深さ方向の元素分析を
行うものである。

すなわち、オージェ電子分光は通常２Ｋｅν程度の電子
線を固体表面に入射させ、散乱電子のエネルギー分析を
し、オージェ電子を検出するものであり、元素によりオ
ージェ電子の運動エネルギーが異なることからこれを利
用して元素分析や組成分析が行われている。

また、Ｘ線光電子分光法はＭｇ　ｋ　ａ　（１２５３，
６ｅｖ）やＡ　ｊ！　ｋ　ｃｘ　（１４８６，６ｅｖ）
などのＸ＆１を固体試料の表面に入射させ、光電効果に
より放出される電子の運動エネルギーを分析するもので
、これより元素分析や状態分析を行うものである。

また、紫外線光電子分光は分析に紫外線を用いる方法で
ある。

然し、これらの分析法は例えばＡｒイオンを固体試料の
表面に衝突させるために、試料面へのＡｒの侵入が起こ
り易く、そのために新たに格子欠陥を生じたり、衝突に
よる温度上昇により固体表面の電子状態が変化したり、
或いは化学的な改質が起ることもある。

そのために、組成分析は行うことができるが、原子相互
の結合角、未結合原子の有無などの結合状態についての
知見を得ることはできなかった。

て固体表面分析装置を構成することにより解決すること
ができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

固体試料の組成などを表面から深さ方向に分析する方法
については上記のように各種の方法が存在するが、表面
の原子層を一層ずつ削る方法としてイオン衝撃法をとる
ために表面層の改質が起こってしまい、原子相互の結合
状態や格子欠陥の有無など正確な表面分析を行うことが
できない。

そこで、表面層を改質することなく分析ができるように
することが課題である。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は固体試料の表面に電子あるいは電離放射線
を照射し、照射面より発生する電子あるいは電磁波を検
出して表面原子の結合状態を分析する装置が、固体表面
に直接或いは平行に電磁波を照射する装置と、この固体
表面に接近してエツチングガスを噴出するノズルとを少
なくとも備え〔作用〕 本発明は表面層の除去をエツチングガスを用いて行うも
のである。

そして、表面層の除去を効率的に行う方法としてエツチ
ングガスを固体試料の掻く近くにまでノズルで導いて噴
出させ、これに電離放射線を照射してエツチングガスを
活性化し、ラジカルを作ってエツチングを促進する方法
をとる。

こ＼で、固体試料の表面を改質しないで分析を行う方法
として電離放射線を固体試料に当てずにエツチングガス
にだけに照射し、ラジカル化するのが理想的である。

そして、固体試料に当たったエツチングガスは速やかに
排気し、新しい結晶面が露出した状態で電子ｖＡｌいは
電離放射線を照射し分析を行い、これを連続して行う。

この場合、電子線あるいはＸ線を照射するには高い真空
度が必要であり、そのためエツチングを行いながら同時
測定をするためには大容量の排気設備が必要である。

また、照射した電子あるいは電離放射線の一部は固体試
料を覆って存在するエツチングガスの励起に使用されて
しまうと云う問題がある。

その解決のためには、エツチング操作と分析操作とを区
別すると効率的であり、ノズルよりエツチングガスを単
時間噴出させ、これに電磁波を照射してラジカル化し、
これで固体試料面を効果的にエツチングした後、ガスの
噴出を止め、高真空になった状態で、電子線、Ｘ線など
を照射して測定を行うとよい。

なお、エツチングガスとして塩素ガス（Ｃｊ！ｚ）のよ
うな腐蝕性ガスを使用する場合は、装置構成の上からエ
ツチング室と測定室とを分離し、エツチングの終わった
固体試料を測定室に移して測定するようにすると装置保
全の点からも好ましい。

次に、分析方法としては従来と同様にオージェ電子分光
法、紫外線光電子分光法、Ｘ線電子分光法などにより測
定すればよい。

〔実施例〕

実施例１：　（電子線を直接に照射する場合）第１図は
固体試料１の表面にガスボンベ２から供給弁３を経てエ
ツチングガスをノズル４から噴出させながら電磁波源５
より紫外線を照射し、エツチングガスを活性化してラジ
カル化し、固体試料１の表面をエツチングする場合であ
って、分析装置６の内部は予めターボ分子ポンプ７とイ
オンポンプ８を適宜に真空弁９．９’、９“で切り換え
ることにより高真空に排気されている。

そして、エツチングガスおよび固体試料１との反応によ
り生じたガスを排気系により吸引除去して高真空に保っ
た状態で電子銃ＩＯより電子を固体試料のエツチング面
に照射し、固体試料１の表面より発生するオージェ電子
を検出器（オージェ電子分光器）１１で検出する場合を
示している。

なお、電子銃１０はタングステン（Ｗ）よりなり電子を
放出するカソード１２から放射された電子は、グリッド
１３の間隙を通ってアノード１４で加速され、偏向コイ
ル１５で照射方向を修正した後、電子レンズ１６でビー
ムを集束されて固体試料１の表面を照射する。

以上は電子を照射した場合であるがＸ線光電子分光法で
表面状態を測定する場合には電子銃１０に変えてＸＶＡ
源を用い、検出器１１としてチャンネルトロンやホトマ
ルチプライヤなどの二次電子測定器を使用し、固体試料
の表面より発生する光電子またはオージェ電子を検出す
ればよい。

次に、本発明の実施法としてエツチングガスを固体試料
の表面に噴出させ、エツチングを行いながら電子あるい
は電離放射線を照射して検出を行ってもよいが、測定時
に高真空を保ち、また吸収を少なくして検出を行うには
供給弁３を調節してエツチングガスの噴出と測定を交互
に行うと効果的である。

実施例２：　（エツチングガスのみを励起する場合）実
施例１の構成においてはエツチングガスをラジカル化す
るための紫外線などの電磁波は固体試料１の表面を照射
している。

そのため、固体試料１の表面はエネルギーが付与され、
結晶を構成する原子の配列状態などが微妙に変化する恐
れがある。

そのためには、電磁波はノズル４の先から噴出するエツ
チングガスのみを照射し、固体試料１を照射しないよう
にすればよく、第２図はこの実施法を示す構成図であっ
て固体試料ｌを傾けて配置することにより電磁波源５か
らの電磁波例えば紫外線はエツチングガスのみを照射し
、ラジカル化することが可能になる。

実施例３：　（フィルタ或はコールドミラー使用）本発
明に係る固体表面分析装置は固体試料の表面状態を変え
ずに分析を行うものであり、第１図の構成をとる場合、
電離波ａ５よりの照射により不必要な照射を受け、固体
試料１が加熱される場合がある。

例えばエツチングガスとして三弗化窒素（ＮＦ３）と水
素（Ｈ２）との混合ガスを使用する場合、このガスをラ
ジカル化する方法として波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキ
シマレーザなど発振波長が限定されている電磁波源５を
使用すればよいが、発振波長が広いレーザ光源を用いる
場合、エツチングガスの励起光よりも低波長の光は無効
成分であり、固体試料ｌに不要なエネルギーを与えるこ
とから好ましくない。

そこで、励起に必要な波長を限定して照射するのが好ま
しく、発振波長の広い電磁波源５を使用し、各種のエツ
チングガスについても効果的にラジカル化する構造をと
る場合には電磁波源５の前にフィルタあるいはコールド
ミラーの何れかを配置し、波長選別を行うことが必要と
なる。

実施例４：　（エツチング室を分離する場合）エツチン
グガスとしてＣβ２のような腐蝕性ガスを使用する場合
には装置の保護のために第３図に示すようにエツチング
室１７と分析室１８とを分離すると効果的である。

すなわち、エツチング室１７と分析室１８とをゲート弁
１９．１９　　’で結ぶと共に画室の間に搬送機構を設
け、エツチング室１７で固体試料１の表面を従来のよう
にエツチングした後、ゲート弁１９．１９　’を通して
分析室に搬送して支持台２０の上に置き、電離放射ｖＡ
源２１よりＸ線や電子線を照射して表面分析を行い、次
に再び固体試料１をエツチング室１７に戻してエツチン
グを行い、再び分析室１８に移して分析を行う操作を繰
り返す。

このような方法をとると従来に較べて分析に時間を要す
るもの＼、清浄な状態で、また高真空のもとて分析を行
えると云う利点もある。

〔発明の効果〕

以上記したように本発明の実施により固体試料の表面を
変質することなく原子相互の結合などを深さ方向に亙っ
て分析を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した固体表面分析装置の構成図、 第２図はエツチングガスのみを励起させる分析装置の部
分構成図、 第３図はエツチング室と分析室を分離した分析装置の構
成図、 である。 図において、 １は固体試料、　　　　　４はノズル、５は電磁波源、
　　　　　６は分析装置、１０は電子銃、　　　　　　
１１は検出器、１７エツチング室、　　　　１８は分析
室、１９．１９　　’はゲート弁、　　２０支持台、２
１は電離放射線源、 である。 ターが）トナご〉フ０ 々−■≦日月Ｘ＆ｌ！ＩＩＪ’：［！コＭ虐ンタＮ川礫
ゑ１１ジＹ不畔株σ〕％Ｉ　　口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体試料の表面に電子あるいは電離放射線を照射
   し、照射面より発生する電子あるいは電磁波を検出して
   該固体試料の表面状態を分析する装置が、 固体試料の表面に直接或いは平行に電子または電磁波を
   照射する装置と、 該固体試料の表面に接近して設けられ、エッチングガス
   を噴出するノズルと、 を少なくとも備えて構成されていることを特徴とする固
   体表面分析装置。
2. （２）電磁波源より照射する電磁波からコールドミラー
   或いはフィルタを用いて特定波長を選別し、固体試料に
   照射してエッチングガスを励起することを特徴とする請
   求項１記載の固体表面分析装置。
3. （３）固体試料の表面に電子あるいは電離放射線を照射
   して表面状態を分析する分析室と固体試料の表面をエッ
   チングするエッチング室とがゲート弁を介して分離して
   構成されており、固体試料を往復させてエッチング後の
   表面状態を分析することを特徴とする固体表面分析装置
   。