JPH04137442A - ２次イオン質量分析方法及びその装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、１次イオン等の励起ビームにより試料表面か
ら２次イオンをスパッタし、この２次イオンを質量分析
することにより試料の深さ方向の元素濃度分布を測定す
ることができる２次イオン質量分析方法及びその装置に
関する。

（従来の技術） 現在、加速した１次イオンを収束して試料表面に照射す
ることにより試料表面をスパッタし、試料から放出され
る２次イオンを質量分析することによって、試料の深さ
方向の元素濃度分布を測定することができる２次イオン
質量分析装置が開発されており、半導体部品を初めとし
て金属、セラミック材料等の材料評価に応用されている
。このような２次イオン質量分析装置として、例えば第
７図に示すようなものかある。図において、この２次イ
オン質量分析装置１００は、試料１０１表面を励起する
ための１次イオンを発生する１次イオン発生源１０２と
、この１次イオンビームを試料１０１表面で走査する走
査手段としての１次イオン走査用偏光板１０３と、試料
１０１表面から放出される２次イオンを分析する分析手
段１０４とを備えている。分析手段１０４は質量分析計
１０５、ゲート１０６及び検出器１０７とから成る。

試料１０１の分析を行う際には、イオン発生源１０２か
ら発生した１次イオン１０８がレンズ系１０９により収
束し、このビームが１次イオン走査用偏光板１０３によ
り走査されて試料１０１表面に照射する。そして、試料
１０１表面からスパッタされた２次イオン１１０から特
定２次イオンが質量分析計１０５により分離され、この
特定２次イオンがゲート１０６を介して検出器１０７に
送られ、検出器１０７は通過イオン量をパルスで計測す
る。それによって試料１０１の深さ方向の特定元素濃度
分布を測定することができる。

１次イオンビーム１０８を走査する際には、試料１０１
上の１次イオンビーム１０８の照射スポットを、第８図
に示すような経路で矢印方向に繰り返し走査する。それ
により第９図に示すような平滑なスパッタ面１２０が得
られる。ここで、２次イオン１１０はスパッタ面１２０
からたけでなくスパッタ面周辺部１２１からも発生し、
このスパッタ面周辺部１２１からの２次イオンも検出す
ると、試料１０１の深さ方向の元素濃度分布の測定分解
能を低下させる。そこで、検出器１０７と質量分析計１
０５との間にゲート１０６が設けられており、１次イオ
ンビームが試料１０１上における１次イオン走査範囲の
中央部１２２内を照射するときにのみゲート１−０６を
開き、平滑なスパッタ面１２０から発生した２次イオン
のみを測定するようになっている。

しかし、試料１０１から発生した２次イオン１１０が検
出器１０７に達するまでの飛行時間をｔとすると、ゲー
ト１０６を開いたときに検出される２次イオンは、飛行
時間ｔの分だけ前に１次イオン１０８が照射した位置か
ら発生した２次イオンとなる。すなわち、飛行時間ｔと
走査速度Ｓの積の分だけ、試料１０１表面上を走査方向
と逆方向に移動した位置で発生した２次イオン１１０が
、ゲート１０６を通過することになるため、１次イオン
走査速度Ｓは飛行時間ｔを無視できる程度に低くする必
要かある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記した従来技術の場合には、１次イオ
ンビーム１０８の走査速度が遅いため、試料のスパッタ
面１２０への装置内残留ガスの吸着量あるいは２次イオ
ン再付着量か多くなり、それによりバックグラウンドか
高くなり、分析精度の低下を招いているという問題があ
った。

本発明は上記した従来技術の課題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、試料表面への残
留ガスの吸着や２次イオンの再付着によるバックグラウ
ンドを低減して、分析精度を向上させることかできる２
次イオン質量分析方法及びその装置を提供することにあ
る。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本′発明にあっては、試料
表面を励起するための励起ビームを試料表面で走査し、
それにより試料表面から放出される２次イオン分析する
２次イオン質量分析方法において、 前記試料表面に対する励起ビームの走査経路が複数あり
、各経路内で隣接するビーム照射スポットが互いに他の
スポットの中央部には重ならないように位置する非近接
部分が各経路内にあり、かつスポットの中央部が他の経
路内の非近接部分に位置するビーム照射スポットが各経
路内にあるように、前記励起ビームを走査することを特
徴とする。

また、本発明は、試料表面を励起するための励起ビーム
を発生する励起ビーム発生源と、該ビームを試料表面で
走査する走査手段と、該ビームが照射されることにより
試料表面から放出される２次イオンを分析する分析手段
とを備える２次イオン質量分析装置において、 前記試料表面に対する励起ビームの走査経路が複数あり
、各経路内で隣接するビーム照射スポットが互いに他の
スポットの中央部には重ならないように位置する非近接
部分が各経路内にあり、かつスポットの中央部が他の経
路内の非近接部分に位置するビーム照射スポットが各経
路内にあるように、前記走査手段のビーム走査を制御す
る走査制御手段か設けられて成ることを特徴とする。

（作用） 本発明の２次イオン質量分析方法及びその装置において
は、１次イオンの密度分布を利用して、試料表面で１次
イオンビームを飛び越し走査する。

すなわち、１次イオンの密度分布は、試料表面上のビー
ム照射スポットの中央部では高密度であり、周辺部では
低密度となっている。一方、試料表面に残留ガスが吸着
あるいは２次イオンか再付着した被着層は、１次イオン
ビームの低密度部でも十分にスパッタすることができる
。

そこで、本発明においては、上記したように複数の走査
経路の各経路内に、隣接するビーム照射スポットが互い
に他のスポットの中央部に重ならないように位置する非
近接部分があり、がっ、スポットの中央部が他の経路内
の非近接部分に位置するビーム照射スポットが各経路内
にあるように、複数の経路で１次イオンビームを飛び越
し走査することにより、１経路のビーム走査時間を短縮
することができ、また、複数経路の走査で試料表面を平
滑にスパッタしていくことが可能となる。そして、走査
時の試料表面への残留ガスの吸着量や２次イオンの再付
着量は走査時間に比例するので、１経路の走査時間を短
縮することにより、１経路の走査時の試料表面における
残留ガスの吸着量や２次イオンの再付着量が低減される
。従って、バックグラウンドを低減し、分析精度を向上
させることができる。

また、本発明においては、１経路の走査時に１次イオン
のビーム照射スポットが、次の走査経路部分をほぼ全面
にわたって覆うようにビーム走査を行えば、各経路の走
査時には、常に残留ガス等の被着層が前回の走査時のビ
ームによりスパッタされて除去されている状態なので、
バックグラウンドをより低減することができる。

（実施例） 以下に、本発明の実施例について図を用いて説明する。

第１図は本発明の一実施例の２次イオン質量分析装置の
構成を概略的に示す図である。

図において、この２次イオン質量分析装置１は、概略試
料２表面を励起するための励起ビームとしてイオンレー
ザ等の１次イオンビーム３を発生する励起ビーム発生源
としての１次イオン発生源４と、この１次イオンビーム
を試料２表面で走査する走査手段としての走査用偏光板
５と、この走査用偏光板５におけるビーム走査を制御す
る走査制御手段６と、１次イオンビーム３か照射される
ことにより試料２表面から放出される２次イオン７を分
析する分析手段８とから成る。

１次イオン発生源４と走査用偏光板５との間には、１次
イオン発生源４から発生した１次イオン３を収束するた
めのレンズ系９が設けられている。

また、分析手段８は、２次イオン７がら特定２次イオン
を分離するための質量分析計１０と、１次イオンビーム
３が試料２表面の中央部を走査しているときにのみ上記
特定２次イオンを通過させるゲート１１と、この特定２
次イオンの通過イオン量をパルスで計測する検出器１２
とがら成る。

次に、この装置を用いて２次イオン質量分析を行う方法
について説明する。

まず、１次イオン発生源４から発生した１次イオン３を
レンズ系９て収束させ、このイオンビームを走査用偏光
板５により走査して試料２表面に照射させる。ここで、
試料２表面に照射される１次イオンビーム３のスポット
における１次イオンの密度分布は、第２図に示すように
その中央部では高密度であり、その周辺部では低密度と
なっている。一方、試料２表面における残留ガス等の被
着層は、１次イオンの低密度部でも十分にスパッタする
ことができる。従って、各ビーム照射スポットが隣接す
るスポットの中央部（高密度部）には重ならずに、かつ
周辺部（低密度部）どうしが重なるように１次イオンビ
ームを走査することにより、１回の走査時間を短縮し、
かつ残留ガス等の被着層を除去することができる。

また、このような飛び越し走査を行うと、ビーム照射ス
ポットの間隔をあけた分だけ試料２のスパッタ面の均一
性が低下するので、第３図に示すように、１走査経路の
ビーム照射スポット３ｂの中央部が前回の走査経路のビ
ーム照射スポット３ａの周辺部の重なり部分１３に位置
するように、複数経路でビーム走査を行う。すなわち２
回目以降の走査は前回の走査のビーム照射スポットの間
隙を埋めるように飛び越し走査することにより、スパッ
タ面の均一性を保つことができる。

本実施例においては、第４図に示すように、試料２表面
に対してＸ方向にもＹ方向にも上記したような飛び越し
走査を行い、この後その間隙を埋めながら３回の走査を
行って、４経路の走査で均一なスパッタ面を得るように
ビーム走査を行う。

各経路内のビーム照射スポットどうしの間隔は等しく、
各走査経路のビーム照射スポットか次の走査経路部分を
ほぼ前面にわたって覆うように各走査を行う。

このような飛び越し走査を行う際には、不図示のコンピ
ュータに設けられた走査制御手段６により、走査用偏光
板５に対して例えば第５図に示すようなパルス制御を行
って、１次イオンビーム３の走査を制御する。すなわち
、同図において実線のパルスにより１回のビーム走査を
行った後、破線のパルスにより次回のビーム走査を行う
。

上記したような１次イオンビーム走査によりスパッタさ
れ試料２表面から放出された２次イオン７は、前記従来
例と同様に、質量分析計１０により特定２次イオンが分
離され、この特定２次イオンがゲート１１を介して検出
器１２で検出される。

そして、上記したような飛び越し走査を４経路ずつ繰り
返して行うことにより、試料２の深さ方向の元素濃度分
布を測定することができる。

実験例及び比較例 上記装置及び方法を用いて、下記の条件で、試料２とし
て酸素をイオン注入したシリコン単結晶の２次イオン質
量分析を行った。

］次イオン：Ａｒ”イオン １次イオンビームの条件：電流量０，１μＡ、ビームサ
イズ５０μｍφ 走査条件：Ｘ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの飛び越し走査
間隔４０μｍ１ 試料表面上の走査範囲１ｆｆｌＩ！１×１ｆｆｌＩ１１
走査速度０．５秒／経路 また比較のために、上記装置を用いて、飛び越し走査を
行わずに前記従来例と同様なビーム走査を行い、他の条
件は上記実験例と同様にして上記と同様の試料の２次イ
オン質量分析を行った。　上記実験例及び比較例で測定
された試料２における酸素の深さ方向の濃度分布は第６
図に示すようになった。同図中の１点鎖線部分が実験例
で得られた結果、実線部分が比較例で得られた結果を示
し、点線部分は理論曲線である。同図かられかるように
、比較例ではバックグラウンドが高いため酸素の深さ方
向濃度分布が不鮮明であるか、実験例ではバックグラウ
ンドが比較例の約１１５に低減されて、酸素の深さ方向
濃度分布をより鮮明に測定することができた。

本実施例においては、上記したように１次イオンビーム
４を４経路で試料２表面で走査することにより、１回の
走査時間が短縮される上に、１回の走査で次回の走査経
路部分の被着層をスパッタして除去するので、１次イオ
ンビーム３の走査速度を高速化することなく、バックグ
ラウンドを低減し、分析精度を向上させることができ、
高感度の検出、分析が可能となる。さらに、それによっ
て、ゲート］１の制御機構を単純な構成とすることがで
き、安価に装置を製造することができる。

そして、本実施例では４回のビーム走査で試料２表面を
平滑にスパッタすることができるので、試料２のスパッ
タ面の均一性を損うことはない。また、上記実験例のよ
うに、飛び越し走査間隔を１次イオンビーム３のサイズ
に合わせて適当に選択すれば、測定への支障は発生しな
い。

なお、上記実施例においてはＸ方向、Ｙ方向のいずれの
方向にも飛び越し走査を行ったが、いずれか１方向のみ
の飛び越し走査を行っても１回の走査時間を短縮するこ
とができ、上記実施例と同様な効果を得ることができる
。また、上記実施例では各走査経路のビーム照射スポッ
トを等間隔で配置させ、各走査経路のビーム照射スポッ
トが次の走査経路部分をほぼ全面にわたって覆うように
ビーム走査を行ったが、１走査経路内のビーム照射スポ
ットを等間隔に配置せずに部分的に飛び越し走査を行っ
たり、ビーム照射スポットが次回の走査経路部分を覆わ
ない部分がある場合でも、ビーム走査経路を複数経路と
して１回の走査時間を短縮することができ、バックグラ
ウンドを低減することができる。

走査経路数は４経路に限る必要はなく、走査経路数が多
いほど１回の走査時間を短縮することができる。また、
走査経路の数たけ測定元素を選択し、１走査経路毎に１
元素ずつ測定する条件で繰り返し測定を行えば、はぼ同
−深さ範囲で各元素を測定することができ、多元素同時
分析とほぼ同様な測定が可能となる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、種々変形実施が可能である
。例えば上記実施例においては励起ビームとしてイオン
ビームを用いたが、２次イオンを検出する方法、装置で
あれば、イオン以外の励起ビームを用いる場合にも本発
明は適用可能である。

［発明の効果コ 本発明の２次イオン質量分析方法及び装置は以上の構成
及び作用を有するもので、下記の効果が得られる。

■　１次イオンビームの走査速度を高速化することなく
、バックグラウンドを低減して、分析精度を向上させ、
高感度の検出１分析が可能となる。

■　２次イオンの分析手段におけるゲート制御機構を単
純な構成として、安価に装置を製造することが可能とな
る。

■　複数元素の測定をほぼ同−深さで行い、多元素同時
分析とほぼ同様な測定を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の２次イオン質量分析装置の
構成を概略的に示す図、第２図は同実施例における１次
イオンビームの密度を示す図、第３図、第４図は同実施
例における１次イオンビム照射スポットの配置を示す説
明図、第５図は同実施例における１次イオンビーム走査
を制御するためのパルスを示す図、第６図は同実施例に
おける実験例及び比較例の結果を示す図、第７図は従来
例の２次イオン質量分析装置を示す構成図、第８図は同
従来例におけるビーム走査方法を示す説明図、第９図は
同従来例における試料のスバッ面を示す断面図である。 １・・・２次イオン質量分析装置 ２・・・試料 ３・・・１次イオンビーム（励起ビーム）４・・・１次
イオン発生源（励起ビーム発生源）５・・・走査用偏光
板（走査手段） ６・・・走査制御手段　７・・２次イオン８・・・分析
手段 り

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料表面を励起するための励起ビームを試料表面
   で走査し、それにより試料表面から放出される２次イオ
   ン分析する２次イオン質量分析方法において、 前記試料表面に対する励起ビームの走査経路が複数あり
   、各経路内で隣接するビーム照射スポットが互いに他の
   スポットの中央部には重ならないように位置する非近接
   部分が各経路内にあり、かつスポットの中央部が他の経
   路内の非近接部分に位置するビーム照射スポットが各経
   路内にあるように、前記励起ビームを走査することを特
   徴とする２次イオン質量分析方法。
2. （２）試料表面を励起するための励起ビームを発生する
   励起ビーム発生源と、該ビームを試料表面で走査する走
   査手段と、該ビームが照射されることにより試料表面か
   ら放出される２次イオンを分析する分析手段とを備える
   ２次イオン質量分析装置において、 前記試料表面に対する励起ビームの走査経路が複数あり
   、各経路内で隣接するビーム照射スポットが互いに他の
   スポットの中央部には重ならないように位置する非近接
   部分が各経路内にあり、かつスポットの中央部が他の経
   路内の非近接部分に位置するビーム照射スポットが各経
   路内にあるように、前記走査手段のビーム走査を制御す
   る走査制御手段が設けられて成ることを特徴とする２次
   イオン質量分析装置。