JPH08166362A

JPH08166362A - 表面解析方法および装置

Info

Publication number: JPH08166362A
Application number: JP7092197A
Authority: JP
Inventors: Naoshi Itabashi; 直志板橋; Hiroyasu Shichi; 広康志知; Kozo Mochiji; 広造持地; Seiji Yamamoto; 清二山本; Satoshi Osabe; 敏長部; Keiichi Kanebori; 恵一兼堀
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 1996-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】従来のように、表面の複数層の平均的な分析
方法および装置ではなく、表面第１層のみの情報が得ら
れる表面分析方法および装置を提供する。【構成】多価イオンの発生、イオンの価数分離、イオ
ンの減速、試料表面への照射、表面から放出される粒子
および光の検出より構成される。【効果】従来と同様な電子検出法、Ｘ線検出法、イオ
ン種検出法、および、中性種検出法を利用した簡便な解
析により、表面最上層の原子の種類と結合状態を分析す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はあらゆる分野でつかわれ
る材料表面の解析方法および装置に関係し、特に、表面
の最上層に存在する粒子の元素種類とその結合状態の解
析方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、表面の元素組成や結合状態の分析
を行なう方法および装置として、以下の二つの方法およ
び装置が主に用いられていた。

【０００３】第一の方法および装置として、電子線、
光、加速したイオン線を試料に照射し、表面から放出さ
れる電子やイオンを検出し、試料表面の分析を行なうオ
ージェ電子分光法、光電子分光法、２次イオン質量分析
法、スパッタ中性粒子質量分析法など、および、それら
の装置が用いられていた。

【０００４】また、第二の方法および装置として、励起
原子（Ｈｅ励起原子など）やイオン（Ｈｅイオンなど）
を試料表面に照射し、表面最上層から放出される電子を
計測し、表面最上層の原子結合状態を分析する凖安定原
子脱励起電子分光法およびイオン中和化分光法、およ
び、それらの装置が用いられていた。

【０００５】一方、多価イオンと固体表面の相互作用に
関しては、ごく最近になってようやく研究が初められ
た。今までに、被測定材料のスパッタリングしきい値よ
りも大きな運動エネルギーを持つ多価イオンを固体表面
に照射した時、表面より電子（例えば、E. S. Parilis
ら、「Atomic Collisions on Solid Surface」、North-
Holland Publisher、1992、第 12 章）や、イオン種お
よび中性種（例えば、P.Vargaら、Nucl. Instrum. & Me
th. B58 (1990) 417や、U.Diebold and P.Varga、「Des
orption Induced by Electronic Transitions IV」、Sp
ringer-Verlag、1990、p.193）が放出されたという報告
例がある。

【０００６】この報告の中で、Ｐ．Ｖａｒｇａらは、多
価イオンが固体表面と電子的相互作用を起こし、固体表
面を構成する粒子を放出させるためには、運動エネルギ
ーの効果が全く不必要なのではなく、多価イオンにある
程度の運動エネルギーを与えることが必要であるとの見
解を述べている。上記のいくつかの最近の報告例におい
て、固体のスパッタリングしきい値よりも大きな運動エ
ネルギーが用いられている理由は、このＰ．Ｖａｒｇａ
らの報告に述べられている見解のように、多価イオンが
固体表面と電子的相互作用を起こすためには、運動エネ
ルギーの効果が不可欠であると今まで考えられていたた
めであると考えられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】最近は、半導体素子の
微細化などに伴って、半導体表面の原子層を１層ずつ除
去したり、逆に、１層ずつ積み上げたりする技術が必要
になってきている。これらの技術を開発するためには、
半導体表面の最上層の元素組成やその結合状態を評価で
きることが必要不可欠である。

【０００８】しかし、上記第一の方法および装置では、
試料に照射される粒子や光は試料表面の内部まで浸入す
るために、上記第一の方法および装置により得られる情
報は表面の複数層からの平均的なものになっているの
で、表面最上層のみの情報を得ることは不可能である。

【０００９】また、上記第二の方法および装置では、励
起原子や１価イオンの持つ内部エネルギ−が小さいため
に表面の内殻電子を励起することができず、価電子や伝
導電子のみを励起することになる。このため、計測され
た電子スペクトルは、表面から放出される内殻電子特有
のピークを持たず、構造の不明瞭な緩慢な形状となり、
スペクトルの解析はかなり複雑になる。従って、この測
定結果から、表面最上層の原子の結合状態を決定するた
めには、あらかじめ、その原子の種類と電子状態がある
程度予測されている必要がある。しかし、表面の最上層
に何ら正体のわからぬ不純物などがあり、この原子の種
類とその結合状態を明らかにするような場合には、これ
らの計測方法および装置は事実上無力であった。

【００１０】一方、多価イオンに関しては、従来の技術
の欄で述べたように、固体のスパッタリングしきい値よ
りも高い運動エネルギーを持つ多価イオンを固体表面に
照射することにより、試料表面から電子、イオン種、お
よび、中性種が放出されたという報告があるが、この現
象を表面解析に利用しようとしても、高い運動エネルギ
ーで固体表面に照射する限りは、試料表面の内部にまで
影響を与える点に関しては、上記第一の方法および装置
を用いた場合と同様である。すなわち、得られる情報は
表面の複数層からの平均的なものとなってしまうので、
表面最上層のみの情報を得ることは不可能である。

【００１１】また、上記第一の方法および装置の中で被
測定固体のスパッタリングしきい値よりも大きな運動エ
ネルギーを持つ粒子を利用する方法および装置や、ある
いは、多価イオンを被測定固体のスパッタリングしきい
値より大きな運動エネルギーで固体表面に照射すること
による方法および装置では、測定の対象となる表面最上
層だけでなく固体の内部にまで格子の破壊が及び、測定
による下地への損傷は免れ得ない。さらに、上記第一の
方法および装置の利用では、表面最上層のみに集中的に
エネルギーを注入することができず、一方、上記第二の
方法および装置の利用では、表面最上層のみにエネルギ
ーを注入することはできるが、エネルギー値そのものが
小さいため、どちらも感度的に極めて不利である。

【００１２】従来の技術の欄で述べたように、今まで、
多価イオンが固体表面と電子的相互作用を起こすために
は、運動エネルギーの効果が全く不必要なのではなく、
ある程度の運動エネルギーが必要であると考えられてき
た。また、多価イオンの運動エネルギーを被測定材料の
スパッタリングしきい値より十分低くして固体表面に照
射した場合についての報告例は、実際、皆無であった。
すなわち、多価イオンの運動エネルギーを被測定材料の
スパッタリングしきい値以下にして、これを表面解析に
用いることは不可能であるものと考えられてきた。しか
し、最近、我々のグループでは、ＧａＡｓ試料に対し
て、アルゴンの多価イオンをＧａＡｓのスパッタリング
しきい値以下まで減速して照射した時に試料表面から放
出される粒子の分析を行い、多価イオンの運動エネルギ
ーを被測定材料のスパッタリングしきい値より十分低く
して固体表面に照射しても、多価イオンと固体表面の相
互作用が起こり得ることを見いだした。これにより、被
測定材料のスパッタリングしきい値以下まで減速した多
価イオンを表面解析に利用できる見通しを得た。

【００１３】本発明が解決しようとする課題は、被測定
材料のスパッタリングしきい値以下の運動エネルギーを
持つ多価イオンを利用して、上記二つの従来技術および
被測定固体のスパッタリングしきい値より大きな運動エ
ネルギーを持つ多価イオンを利用した技術の問題点を克
服し、固体の表面最上層の元素組成および結合状態を、
下地に損傷を与えることなく、かつ高感度に測定できる
表面解析方法および装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題は、１価イオン
を含む多価イオンを発生する多価イオン発生工程および
多価イオン発生手段と、発生した多価イオンを試料に照
射する照射工程および照射手段と、試料から放出される
粒子あるいは光を分析する分析工程および分析手段から
なる表面解析方法において、発生した多価イオンを所定
の価数に分離する分離工程および分離手段と、多価イオ
ンを試料に照射する前に被測定材料のスパッタリングし
きい値以下の速度に減速する減速工程および減速手段を
含むことを特徴とする表面解析方法および装置を用いる
ことにより解決される。

【００１５】

【作用】多価イオンは、原子から２つ以上の電子をはぎ
取ったイオンであり、価数が大きくなるほど、より深い
エネルギー準位の（より内殻の）電子が失われている。
このため、多価イオンの生成に要するエネルギー（イオ
ン化エネルギー）は価数が大きくなる程（より内殻の電
子を除去しなければならないため）高くなるが、これは
また価数の大きい多価イオン程、そのイオン化エネルギ
ーに相当する高い内部エネルギーを有していることにも
なる。また多価イオンは、内部エネルギーとともに運動
エネルギーも有している。

【００１６】図１７に示すように、価数が大きい多価イ
オン１が固体表面に接近したとき、表面原子２の持つ電
子のうち、多価イオン１の正孔（電子が失われている状
態）準位より浅いエネルギー準位にある電子は、多価イ
オン１の正孔準位に移動しやすい。このようにして表面
原子２から電子が多価イオン１の正孔に移動することを
オージェ中性化（Ａｕｇｅｒ中性化）という。尤も、多
価イオン１の正孔準位と等しいエネルギー準位にある表
面原子２の電子が、当該正孔に移動することもある（共
鳴中性化と呼ぶ）。この結果、表面原子２にできた正孔
準位を埋めるべく、より浅いエネルギー準位の電子が移
動するが、このとき、この電子移動に関与した２つのエ
ネルギー準位の差分に相当する運動エネルギーを他のも
うひとつの電子が受け取って表面より放出される。この
放出電子をオージェ電子（Ａｕｇｅｒ電子）と呼ぶ。あ
るいは、オージェ電子のかわりに同じエネルギーを持っ
た光（Ｘ線）が放出される。このオージェ電子の運動エ
ネルギー、あるいはＸ線の光子エネルギーの値は原子に
固有のものであり、この値を計測することにより、表面
に存在する原子の種類を決定することができる。また、
オージェ電子の運動エネルギー、あるいはＸ線の光子エ
ネルギーの大きさは、同じ原子でもその結合状態によっ
て、わずかに変化すること（ケミカルシフトと呼ぶ）が
知られており、この変化量の測定結果から原子の結合状
態を決定することができる。

【００１７】一方、上に述べた固体の表面原子２から多
価イオン１への電子移動、およびオージェ電子放出に伴
い、固体の表面層には、短時間のうちに複数の正孔が発
生する。ここで、十分に価数の高い多価イオンを用いれ
ば、すなわち、十分に高い正孔密度が得られれば、これ
らの正孔間に働くクーロン反発力により、表面を構成し
ている粒子（原子）の放出が起こる。この現象は、固体
表面において多価イオン１が接近した領域を構成する数
個の表面原子２がイオン化され、これらイオン化された
表面原子２は相互間に生じるクーロン反発力を受けて固
体表面にて二次元的な運動を起こした結果、イオン化さ
れた表面原子２のうちの一つが固体表面から脱離するも
のとも説明できる。従って、固体表面から放出された粒
子３（元来固体表面に存在）の質量を分析することによ
り、表面を構成している粒子の種類を決定することがで
きる。ところで、固体表面から放出される粒子３は、表
面原子２のイオンと考えるのが妥当だが、実験の結果は
中性の表面原子２の放出も起こり得ることを示している
（この原因は未解明である）。このことより、多価イオ
ンが照射される固体表面の近傍での補助的なイオン化手
段の配置は、固体表面の分析感度を高める効果がある。
また、これらの粒子３は、電気的な反発力により放出さ
れたものであるため、放出された直後に、ある初期運動
エネルギーを持っている（これは中性粒子として放射さ
れる場合も同様である）。この初期運動エネルギーは、
表面を構成する粒子の結合状態によって異なるという性
質を持つ。従って、この初期運動エネルギーを解析する
ことより、表面を構成する粒子の結合状態を決定するこ
とができる。

【００１８】以上のことがらは、多価イオンの代りに光
や電子線を照射した場合における、Ｘ線、オージェ電
子、および表面を構成している粒子の放出と共通の現象
である。ここで、本発明において、多価イオンを利用し
たことによる効果は、光や電子は固体の内部に侵入する
のに対し、多価イオンはサイズが大きいので、その運動
エネルギーを固体の物理的スパッタリングのしきい値以
下になるよう十分小さくして照射すれば、固体の内部に
は浸入できず、表面の最上層とのみ相互作用を起こすこ
とができることである。この物理的スパッタリングのし
きい値は物質によって異なるが、概ね２０ｅＶ以上であ
る。従って、多価イオンの運動エネルギーを２０ｅＶ以
下として照射すれば、物理的スパッタリングの影響は事
実上無視できる。こうして、多価イオンを十分減速して
用いた場合には、表面最上層からのみ、オージェ電子、
あるいはＸ線が放出され、表面の最上層のみの情報を得
ることができる。

【００１９】一方、表面を構成している粒子の放出に関
しては、表面最上層からのみ放出が起こるという点で
は、光や電子線を用いた場合と同様である。しかし、多
価イオンを減速して用いた場合には、正孔の形成が表面
最上層付近で集中的に起こるため、表面最上層からのこ
れらの粒子の放出確率は、光や電子線を照射した場合と
比較して桁違いに高くなり、この結果、測定感度が著し
く向上する。

【００２０】ここで、固体のスパッタリングしきい値以
上の高い運動エネルギーを持ったイオン線を用いること
によっても、表面を構成する粒子を放出させることは可
能である。実際、この現象は、固体の物理的スパッタリ
ングしきい値よりも桁違いに大きな運動エネルギー（数
１００〜数１００００ｅＶ）を持つイオンを用いた既存
の方法である二次イオン質量分析法やスパッタ中性粒子
質量分析法などに用いられている。しかし、このような
高い運動エネルギーを持ったイオンを照射することによ
る表面からの粒子の放出は、物理的スパッタリングによ
るものであり、多価イオンを十分小さい運動エネルギー
で照射した場合における電子的相互作用による粒子の放
出とは性質が全く異なる。まず、物理的スパッタリング
は、固体の内部にまで影響を及ぼすため、この影響を無
視できないほど大きな運動エネルギーを持ったイオンの
利用では、表面最上層のみの情報を得ることは困難であ
る。また、このとき、測定したい表面最上層だけでなく
固体の内部にまで、格子の破壊が及び、測定による下地
への損傷は免れ得ない。さらに、表面最上層のみに集中
的にエネルギーを注入することができないため、感度の
向上が望めない。このように、相互作用を固体表面最上
層のみに限定するためには、物理的スパッタリングの影
響を取り除くために照射するイオンの速度を被測定材料
のスパッタリングしきい値以下まで減速することが必須
であり、この点を考慮せずに高い運動エネルギーを持っ
たイオンを照射しても、表面最上層のみの情報を下地に
損傷を与えることなく、かつ高感度に得ることは困難で
ある。また、二次イオン質量分析法やスパッタ中性粒子
質量分析法では通常１価イオンを用いているが、たとえ
多価イオンを利用しても、高い運動エネルギーで固体表
面に照射する限りは、これらの問題点を克服することは
できない。

【００２１】しかし、多価イオンの運動エネルギーを被
測定材料のスパッタリングしきい値以下まで小さくして
用いれば、これら、表面最上層を問題にするレベルでの
深さ方向分解能、下地への損傷、および、測定感度に関
する問題点の全てが解決される。以上に述べた従来計測
技術との比較を図１４にまとめる。ただし、図１４にお
いて、ＭＣＩ−は多価イオン励起、ｅ−は電子線励起、
Ｘ−はＸ線励起を表す。また、ＳＩＭＳは二次イオン質
量分析法、ＳＮＭＳはスパッタ中性粒子質量分析法、Ｎ
ＭＳは中性粒子質量分析法、ＡＥＳはオージェ電子分光
法、ＸＰＳはＸ線光電子分光法、ＵＰＳは紫外線光電子
分光法、ＩＮＳはイオン中和化分光法、ＭＤＳは準安定
原子脱励起電子分光法を表す。

【００２２】以上のように、固体の物理的スパッタリン
グの影響を考慮して多価イオンを十分に減速して利用す
ることにより、表面の元素組成や結合状態を、表面最上
層のみという極限の深さ方向分解能で分析することがで
き、また、感度向上、損傷低減など多くの点で極めて有
利に測定を行うことができる。また、本測定法の応用と
して、十分に密度の高い多価イオン線を用いて、表面を
構成する粒子を最上層から順に除去しながら連続的に測
定を行なえば、原子層レベルの分解能で元素の深さ方向
分布を解析することも可能である。ここで、十分に密度
の高い多価イオン線を利用することは、深さ方向への試
料のエッチングや計測感度の向上に役立つが、極端に大
きくし過ぎると熱反応による影響が現われてくることが
予想される。しかし、この熱反応による影響は、試料の
冷却により取り除くことができるため、この問題は回避
できる。

【００２３】以上、多価イオンの運動エネルギーを被測
定表面のスパッタリングしきい値（概ね２０ｅＶ）以下
に設定した場合について本発明の作用を述べた。但し、
ここで、多価イオンの運動エネルギーを２０ｅＶ以上１
ｋｅＶ以下に設定した場合、物理的スパッタリングの影
響は免れ得ないが、物理的スパッタリングにより表面か
ら放出される粒子は、その多くが表面最上層から放出さ
れ、第２層以下からの放出は少ない。このため、多価イ
オンの運動エネルギーが２０ｅＶ以上１ｋｅＶ以下の領
域では、前に述べた多価イオンと固体表面の電子的相互
作用と物理的スパッタリング作用の両者による表面から
の粒子の放出が起こるが、その放出は表面最上層からの
ものが支配的となる。従って、多価イオンの運動エネル
ギーが２０ｅＶ以上１ｋｅＶ以下の領域でも、表面最上
層の格子の乱れのような性能の低下を覚悟すれば、かろ
うじて計測を行うことが可能であると考えられる。本発
明における発明者らの主張は、あくまでも被測定表面の
スパッタリングしきい値以下で計測を行うことが可能で
あるということであり、かつ、計測性能の低下を覚悟す
れば、運動エネルギー１ｋｅＶまで、範囲の拡大が可能
であるということである。従って、従来の技術で述べた
ように、多価イオンと固体表面の相互作用を起こすため
には、運動エネルギーの効果が不可欠であることを前提
に被測定固体のスパッタリングしきい値以上の運動エネ
ルギーをもつ多価イオンを用いて行われた従来の研究例
とは主旨が異なる。一方、多価イオンの運動エネルギー
を１ｋｅＶ以上とした場合には、表面最上層からの粒子
の放出が支配的とは、もはや言えなくなり、また、表面
第２層以下におよぶ損傷（格子の破壊）の影響も無視で
きなくなる。従って、多価イオンの運動エネルギーが１
ｋｅＶ以上の条件では、多価イオンと固体表面の電子的
相互作用を利用することにより表面最上層を計測でき、
下地に対する損傷を低減することができるという本発明
の特長が著しく損なわれる。

【００２４】

【実施例】

（実施例１）本発明の第１の実施例を図１を用いて説明
する。

【００２５】Ｓｉ（１００）基板１０１ａを１％フッ酸
水溶液に１０秒間浸した後、純水で洗浄し乾燥したもの
を多価イオン励起オージェ電子分光測定装置１０２の試
料室１０３にいれる。試料室内を５×１０^-10Ｔｏｒｒ
以下に排気する。試料室と多価イオン価数分離部の間の
ゲートバルブ１０４を開けて多価イオン１０５を試料表
面に照射する。多価イオン発生部１０８において圧力１
×１０^-9ＴｏｒｒのＡｒガス１０６に加速電圧２ｋｅＶ
の電子線１０７を照射して生成したＡｒイオン（Ａｒ
＋）の中から、価数分離部のウイーンフィルター１０９
によって、１２価のＡｒイオン（１電子捕獲時に放出さ
れる内部エネルギーＥｐ：６１８．３ｅＶ）、１３価の
Ａｒイオン（Ｅｐ：６８６．１ｅＶ）、および１４価の
Ａｒイオン（Ｅｐ：７５５．８ｅＶ）を取り出し、それ
ぞれ照射した。このとき、上記多価イオンの運動エネル
ギーを試料室内のイオン減速器１１０を利用して２０ｅ
Ｖに調整した。多価イオン照射によって試料表面から放
出された電子１１１の運動エネルギーの分布を電子エネ
ルギー分析器１１２によって測定した。これにより得ら
れた電子スペクトルを図２に示す。１４価のＡｒイオン
（Ａｒ¹⁴＋）、１３価のＡｒイオン（Ａｒ¹³＋）を照射
した時の電子スペクトル２０１および２０２には６５０
ｅＶ付近にピークが観測されているが、１２価のＡｒイ
オン（Ａｒ¹²＋）を照射した場合の電子スペクトル２０
３にはこれは観測されていない。

【００２６】このピークの位置はフッ素原子からのオー
ジェ電子（Ｆ−ＫＬＬ）の運動エネルギーの値（６４７
ｅＶ）に極めて近い。また、フッ素原子のＫ殻電子をイ
オン化できる最小のエネルギーは６８６ｅＶであり、
（Ａｒ¹⁴＋）および（Ａｒ¹³＋）が１電子捕獲時にこの
値以上の内部エネルギーを放出できる。以上の結果か
ら、表面最上層にはフッ素原子が存在することが分かっ
た。また、電子のエネルギーに３ｅＶ程度の違いがみら
れることから、このフッ素原子は表面のＳｉ原子に結合
していることが分かる。

【００２７】上記の試料表面を従来の電子線照射による
オージェ電子分光法あるいは光電子分光法により計測し
たところ、フッ素原子の存在は認められなかった。この
理由は、フッ素原子はＳｉ表面の最上層のみに存在する
ために、従来の計測方法および装置では、最上表面測定
感度が低く、検出できなかったものと考えられる。

【００２８】（実施例２）本発明の第２の実施例を図１
を用いて説明する。

【００２９】ＧａＡｓ（１００）基板１０１ｂをＨ₂Ｓ
Ｏ₄：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝４：１：１混合液に１０秒間浸し
た後、純水で洗浄し乾燥したものを、実施例１と同様に
多価イオン励起オージェ電子分光装置１０２の試料室１
０３にいれる。

【００３０】試料室内を５×１０^-10Ｔｏｒｒ以下まで
排気した後、試料を６００℃に加熱して表面の自然酸化
膜を分解させた。以降、実施例１と同様な方法で、１０
価のＡｒイオン（Ｅｐ：４７８．７ｅＶ）、１１価のＡ
ｒイオン（Ｅｐ：５３９．０ｅＶ）、１２価のＡｒイオ
ン（Ｅｐ：６１８．３ｅＶ）を取り出し、試料表面に照
射した。上記多価イオンの運動エネルギーは、試料室内
のイオン減速器１１０を利用して、実施例１と同様に、
２０ｅＶに調整した。このとき、試料より放出される電
子１１１の運動エネルギーを測定した。この結果得られ
た電子スペクトルを図３に示す。１２価のＡｒイオン
（Ａｒ¹²＋）および１１価のＡｒイオン（Ａｒ¹¹＋）を
照射した時の電子スペクトル３０１および３０２には５
００ｅＶ付近にピークが観測されているが、１０価のＡ
ｒイオン（Ａｒ¹⁰＋）を照射した時の電子スペクトル３
０３にはこのピークは観測されていない。このピークの
位置は酸素原子からのオージェ電子（Ｏ−ＫＬＬ）の運
動エネルギーの値（５０３ｅＶ）に極めて近い。また、
酸素原子のＫ殻電子をイオン化できる最小のエネルギー
は５３２ｅＶであり、（Ａｒ¹¹＋）および（Ａｒ¹²＋）
が１電子捕獲時にこの値以上の内部エネルギーを放出で
きる。これらの結果から、表面のＧａ原子には酸素原子
が吸着していることが分かる。

【００３１】一般に６００℃の加熱処理によって、Ｇａ
の自然酸化膜は分解、除去されるものと考えられている
が、本発明の計測方法および装置を用いることにより、
表面の最上層には酸素原子が残存していることが判明し
た。

【００３２】（実施例３）本発明の第３の実施例を図４
を用いて説明する。

【００３３】Ｓｉ（１００）基板４０１を１％フッ酸水
溶液に１０秒間浸した後、純水で洗浄し乾燥したものを
多価イオン励起二次イオン質量分析装置４０２の試料室
４０３にいれる。試料室内を５×１０^-10Ｔｏｒｒ以下
に排気する。試料室と多価イオン価数分離部の間のゲー
トバルブ４０４を開けて多価イオン４０５を試料表面に
照射する。多価イオン発生部４０８において圧力１×１
０^-9ＴｏｒｒのＡｒガス４０６に加速電圧５ｋｅＶの電
子線４０７を照射してＡｒイオン（Ａｒ＋）を生成し、
この中から、価数分離部のウイーンフィルター４０９に
よって、１８価のＡｒイオン（Ｅｐ：４４２６ｅＶ）を
取り出し、デフレクター４１０およびその直後に設置し
たスリット４１６（スリット幅：３ｍｍ）を用いてパル
ス化（パルス幅：１μｓ）し、試料表面に照射した。こ
のとき、上記多価イオンの運動エネルギーを試料室内の
イオン減速器４１１を利用して２０ｅＶに調整した。多
価イオンパルス照射中、すなわち、１μｓの間は、試料
グリッド４１２に試料と同電圧を印加し、試料近傍の空
間が同電位となるようにした。また、多価イオンパルス
照射時間（１μｓ）の終了直後から次の多価イオンパル
ス照射が始まるまでの時間、すなわち、パルスとパルス
の間の時間は、試料グリッド４１２への印加電圧を５０
０Ｖ下げ、試料グリッド４１２と加速グリッド４１３を
同電位とし、試料表面より放出されたイオン４１４を飛
行時間式質量分析計４１５に引き込み、質量分析を行っ
た。これにより得られたイオンの質量スペクトルを図５
に示す。質量数１の位置には、１価の水素イオン（Ｈ
＋）の信号５０１が、また質量数１９の位置には、１価
のフッ素イオン（Ｆ＋）の信号５０２が観測された。こ
れより、表面最上層には、水素原子およびフッ素原子が
存在していることがわかった。

【００３４】また、比較のため、ウイーンフィルター４
０９を調整し、Ａｒイオン（Ｅｐ：１５．８ｅＶ）を取
り出し、運動エネルギーを２０ｅＶに調整し、パルス化
（パルス幅１μｓ）し、試料に照射し、測定を行った
が、このときは、（Ｈ＋）の信号も、また（Ｆ＋）の信
号も検出限界以下で、観測することはできなかった。

【００３５】これより、運動エネルギーが低い条件の下
では、多価イオンの利用により、著しく測定感度を向上
させることができることがわかった。

【００３６】また、さらに比較のため、（Ａｒ＋）の運
動エネルギーを４４３０ｅＶ（１８価のＡｒイオンのＥ
ｐとほぼ同じ値）に調整し、同様の測定を行った。この
とき、（Ｈ＋）の信号は、わずかながら観測されたが、
１８価のＡｒイオン（Ｅｐ：４４２６ｅＶ）を用いた場
合と比較して、４桁以上信号強度が小さく、また、（Ｆ
＋）の信号は微弱なため観測することができなかった。
これより、イオンに同じエネルギーを運動エネルギーと
して与えるよりも、内部エネルギーとして与える方が、
極めて測定感度が高くなることがわかった。

【００３７】（実施例４）本発明の第４の実施例を図４
を用いて説明する。

【００３８】Ｓｉ（１００）基板４０１を１％フッ酸水
溶液に１０秒間浸した後、純水で洗浄し乾燥したもの
を、実施例３と同様に、多価イオン励起二次イオン質量
分析装置４０２の試料室４０３に入れる。試料室内を５
×１０^-10Ｔｏｒｒ以下に排気する。以降、実施例３と
同様な方法で、１８価のＡｒイオン（Ｅｐ：４４２６ｅ
Ｖ）を取り出し、試料に照射した。実施例３と条件が異
なる点は、パルス化のためのデフレクター４１０に印加
するパルス電圧のパルス幅を短くし、かつ同時に直後の
スリット４１６の幅を極力狭くして、多価イオンのパル
ス幅を１００ｎｓと短くし、飛行時間式質量分析におけ
る分解能が実施例３よりも高くなるように設定した点で
ある。このとき、上記多価イオンの運動エネルギーを試
料室内のイオン減速器４１１を利用して、実施例３と同
様に、２０ｅＶに調整した。実施例３と同様な方法で、
試料表面より放出されたイオン４１４を飛行時間式質量
分析計４１５に引き込み、質量分析を行った。これによ
り得られたイオンの質量スペクトルのうち、質量数１の
（Ｈ＋）の部分の質量スペクトルを図６に示す。質量数
１の位置には、（Ｈ＋）の信号が観測されたが、詳しく
見ると、信号が２つのピークに分裂しているのがわか
る。これより、（Ｈ＋）が表面より放出される時、初期
運動エネルギーが大きい方の成分６０１と小さいほうの
成分６０２の異なる２種類の成分が存在すること、すな
わち、表面における水素原子の結合状態には、異なる２
種類の結合状態が存在していることがわかった。このと
き、確認のため、他の質量数についても注意深く質量ス
ペクトルを観測した結果、実施例３に示したように質量
数１９の位置に（Ｆ＋）イオンの信号が観測されている
他に、質量数１２の位置に（Ｃ＋）の信号が観測されて
いることがわかった。

【００３９】一方、多くの炭化水素汚染物により表面覆
われていると思われるフッ酸処理前の試料について、同
じ（Ａｒ¹⁸＋）イオン照射時に表面より放出されるイオ
ンの質量スペクトルを観測した結果、フッ酸処理後の試
料の時よりも強度が約１桁大きい（Ｃ＋）の信号が観測
された。また、図６に示した初期運動エネルギーの大き
いほうの成分６０１と同じ位置には、図６に示したもの
よりも約１桁大きい強度の（Ｈ＋）の信号ピークが観測
され、初期運動エネルギーの小さいほうの成分６０２位
置には、（Ｈ＋）の信号ピークは観測されなかった。

【００４０】ここで、実施例１および２に示したのと同
様に、価数の異なる（Ａｒ＋）を用いて、初期運動エネ
ルギーの大きいほうの成分６０１と初期運動エネルギー
の小さいほうの成分６０２の強度の価数依存性を調べ
た。図１３に、初期運動エネルギーの大きい方の成分
（α）の価数依存性１３０１、および、初期運動エネル
ギーの小さい方の成分（β）の価数依存性１３０２をそ
れぞれ示す。初期運動エネルギーの大きいほうの成分
（α）は、価数が８価（Ｅｐ：１４３．５ｅＶ）から９
価（Ｅｐ：４２２．５ｅＶ）となる変わり目で、また初
期運動エネルギーの小さいほうの成分（β）は、価数が
６価（Ｅｐ：９１．０ｅＶ）から７価（Ｅｐ：１２４．
３ｅＶ）、価数が８価（Ｅｐ：１４３．５ｅＶ）から９
価（Ｅｐ：４２２．５ｅＶ）、価数が１６価（Ｅｐ：９
１８．０ｅＶ）から１７価（Ｅｐ：４１２１ｅＶ）とな
る変わり目で、その強度が急増することがわかった。Ｃ
原子のＫ殻電子をイオン化できる最小のエネルギーは、
２８４ｅＶであり、これは価数が８価から９価となる変
わり目に対応している。また、シリコン原子のＬ殻２ｐ
電子をイオン化できる最小のエネルギーは１００ｅＶ、
Ｌ殻２ｓ電子をイオン化できる最小のエネルギーは１４
９ｅＶ、Ｋ殻電子をイオン化できる最小のエネルギーは
１８３９ｅＶであり、これは価数が６価から７価、８価
から９価、１６価から１７価となる変わり目にそれぞれ
対応している。

【００４１】これらの結果より、図６におけるＨイオン
の信号の２つのピークは、初期運動エネルギーの大きい
ほうの成分６０１（図１３ではα）が表面に存在してい
る炭素に起因するＣ―Ｈ結合によるもの、また初期運動
エネルギーの小さいほうの成分６０２（図１３ではβ）
がフッ酸処理により表面に露出した基板のシリコンに起
因するＳｉ―Ｈ結合によるものであることがわかった。

【００４２】比較のため、上に述べたフッ酸処理後の試
料とフッ酸処理前の試料を、運動エネルギー４４３０ｅ
Ｖ（１８価のＡｒイオンのＥｐとほぼ同じ値）の（Ａｒ
＋）を用いて調べたが、（Ｈ＋）の信号は得られたもの
の、（Ａｒ¹⁸＋）を用いた場合と比較して４桁以上信号
強度が小さく、また信号ピークの分裂は観測されなかっ
た。

【００４３】以上のように、多価イオンの利用により、
加速した１価イオンを用いた場合と比較して、測定感度
を著しく向上させることができることに加え、放出粒子
の初期運動エネルギーの解析により、表面での結合状態
の違いを調べることができる。

【００４４】（実施例５）本発明の第５の実施例を図７
を用いて説明する。

【００４５】ＧａＡｓ（１００）基板７０１をＨ₂Ｓ
Ｏ₄：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝４：１：１混合液に１０秒間浸し
た後、純水で洗浄し乾燥したものを、多価イオン励起二
次イオン質量分析装置７０２の試料室７０３に入れる。
試料室内を５×１０^-10Ｔｏｒｒ以下まで排気した後、
試料を６００℃に加熱して表面の自然酸化膜を分解させ
た。このとき、試料表面は、Ｇａ終端面となる。試料室
と多価イオン価数分離部の間のゲートバルブ７０４を開
けて多価イオン７０５を試料表面に照射する。多価イオ
ン発生部７０８に取付けられたソレノイドコイル７０６
とマイクロ波発生装置７０７によりプラズマ７１４を発
生し、Ａｒガス７０９を原料ガスとして（Ａｒ＋）を生
成し、この中から、価数分離部のウイーンフィルター７
１０によって、１６価のＡｒイオン（Ｅｐ：９１８．０
ｅＶ）を連続ビームとして取り出し、試料表面に照射し
た。本実施例で用いたマイクロ波プラズマ励起型多価イ
オン源の発生する多価イオンの量は、電子線励起型のも
のと比較して桁違いに大きい。そこで、測定結果が熱反
応の影響を受けることを避けるために試料の冷却をおこ
ない、イオン照射による試料の昇温を回避した。このと
き、前記多価イオンの運動エネルギーを試料室内のイオ
ン減速器７１１を利用して、２０ｅＶに調整した。試料
と四重極質量分析計７１２の入口との間に５０Ｖの電位
差を設け、試料表面より放出されたイオン７１３を四重
極質量分析計７１２に引き込み、質量分析を行った。こ
れにより得られたイオンの質量スペクトルを図８に示
す。質量数６９の位置に１価のＧａイオン（Ｇａ＋）の
信号８０１が、また、質量数７１の位置にはその同位体
が、またさらに、微弱ながら質量数７５の位置に１価の
Ａｓイオン（Ａｓ＋）の信号８０２が観測された。ここ
で、質量数６９の位置の（Ｇａ＋）の信号と質量数７５
の位置の（Ａｓ＋）の信号のピークのみに着目し、１６
価Ａｒイオン（Ａｒ¹⁶＋）の照射を続けながら、これら
２つの信号ピークの強度の時間変化を調べた。得られた
結果を図９に示す。測定開始時には、（Ｇａ＋）の信号
９０１は、（Ａｓ＋）信号９０２よりも強かったが、測
定を続けていくと、（Ｇａ＋）信号９０１の強度はしだ
いに減少し、一方（Ａｓ＋）信号９０２の強度はしだい
に増加していった。測定開始後３分経過したところで、
両者の強度はほぼ反転した。その後さらに測定を続けた
ところ、今度は（Ｇａ＋）信号９０１の強度はしだいに
増加していき、一方（Ａｓ＋）信号９０２の強度はしだ
いに減少していった。このような計測を１５分間継続し
た結果、図９に示すように、両者の強度が３分おきに入
れ替わっている様子が観測された。このデータは、多価
イオン照射により試料表面のエッチングを連続的に行い
ながら、試料より放出される粒子を観測することにより
得られた、試料表面からの深さ方向の元素の分布を示し
ている。

【００４６】比較のため、同じ試料に、運動エネルギー
９２０ｅＶ（Ａｒ¹⁶＋のＥｐとほぼ同じ値）の（Ａｒ
＋）を連続的に照射しながら、試料より放出されるイオ
ンを調べた。得られた結果を図１０に示す。測定開始時
には、（Ｇａ＋）信号１００１の強度は、（Ａｓ＋）信
号１００２の強度よりも大きかったが、（Ｇａ＋）信号
１００１の強度はしだいに減少し、一方（Ａｓ＋）信号
１００２の強度はしだいに増加していった。測定開始後
２分程経過したところで、両者の強度はほぼ一定レベル
に落ち着いた。このような計測を１５分間継続したが、
（Ａｒ¹⁶＋）を減速して照射した場合に観測されたよう
な両信号の強度の反転は観測されず、両信号の強度は最
終的には一定となった。

【００４７】以上の結果により、減速した多価イオンを
利用する場合には、Ｇａ原子層およびＡｓ原子層が交互
に積み重なった試料について、原子層レベルでエッチン
グを進めながら、原子層レベルの分解能で元素の深さ方
向分布の測定ができることがわかった。一方、加速した
１価イオンを利用する場合には、少なくとも表面より数
層から数１０層にわたって格子構造の乱れを伴いながら
エッチングが進んでいるため、結果として、深さ方向分
布を原子層レベルの深さ分解能で計測することができな
かったものと考えられる。また、このことは、言い換え
れば、従来の二次イオン質量分析法のような加速したイ
オンを用いた深さ方向分布の計測では、下地の格子構造
を破壊し損傷を与えるが、減速した多価イオンを用いた
場合には、下地の格子構造に与える損傷が１原子層以下
であることを示している。

【００４８】（実施例６）本発明の第６の実施例を図７
を用いて説明する。

【００４９】表面から１００ｎｍの深さの位置にホウ素
のデルタドープ層が形成されているＳｉ（１００）基板
７０１を１％フッ酸水溶液に１０秒間浸した後、純水で
洗浄し乾燥したものを、多価イオン励起二次イオン質量
分析装置７０２の試料室７０３に入れる。試料室内を５
×１０^-10Ｔｏｒｒ以下に排気する。以降、実施例５と
同様な方法および条件で、１６価のＡｒイオン（Ｅｐ：
９１８．０ｅＶ）を連続ビームとして取り出し、試料表
面に照射した。また、実施例５と同様に試料の冷却をお
こない、イオン照射による試料の昇温を回避した。この
とき、前記多価イオンの運動エネルギーを試料室内のイ
オン減速器７１１を利用して、２０ｅＶに調整した。試
料と四重極質量分析計７１２の入口との間に５０Ｖの電
位差を設け、試料表面より放出されたイオン７１３を四
重極質量分析計７１２に引き込み、質量分析を行った。

【００５０】実施例５で述べたように、多価イオン照射
により試料表面のエッチングを連続的に行いながら、試
料より放出される粒子を観測することにより、試料表面
からの深さ方向の元素の分布が得られる。ここで、ドー
パントであるホウ素の深さ方向分布を解析するために、
質量数１１の位置の１価のボロンイオン（Ｂ＋）信号の
ピークのみに着目し、（Ａｒ¹⁶＋）の照射を続けなが
ら、この信号ピークの強度の時間変化を調べた。得られ
た結果を図１１に示す。多価イオンを用いて得られた深
さ方向分布１１０１では、測定開始後１０分経過したと
ころで、（Ｂ＋）の信号ピークの強度が最大になってい
る。この最大値の位置が、表面から１００ｎｍの深さの
位置に相当することから、ホウ素の深さ方向分布の広が
りを図より求めると、半値幅で３ｎｍであることがわか
る。

【００５１】比較のため、同じ試料に、運動エネルギー
９２０ｅＶ（Ａｒ¹⁶＋のＥｐとほぼ同じ値）の（Ａｒ
＋）を連続的に照射しながら、試料より放出される（Ｂ
＋）の信号ピークの強度の時間変化を調べた。得られた
結果を図１２に示す。加速イオンを用いて得られた深さ
方向分布１２０１では、測定開始後２０分経過したとこ
ろで、（Ｂ＋）の信号ピークの強度が最大になってい
る。この最大値の位置が、表面から約１００ｎｍの深さ
の位置に相当することから、ホウ素の深さ方向分布の広
がりを図より同様に求めると、先ほどの結果とは異な
り、半値幅で３０ｎｍという実際より大きな値となって
しまう。これは、加速イオンを用いた測定では、物理的
スパッタリングにより試料の表面をエッチングしながら
測定を行っているため、イオン照射が結晶内部にもたら
す格子構造の乱れが、おそらく少なくとも数１０原子層
の深さにまで及んでおり、結果として３ｎｍという極め
て薄いドープ層を測定できるような深さ方向分解能は得
られなかったことを示している。一方、多価イオンを用
いた測定では、多価イオンを２０ｅＶまで減速して照射
しているため、イオン照射が結晶内部に格子構造の乱れ
をもたらすことなく、最上層から順次エッチングが進
み、高い深さ方向分解能で計測されているといえる。

【００５２】以上のように、多価イオンを用いた元素の
深さ方向分布の測定により、本実施例における被測定試
料は、深さ１００ｎｍの位置に、厚さ３ｎｍという極め
て薄いドープ層が形成されているものであることが確認
できた。本実施例に述べた深さ方向プロファイルの計測
方法および装置は、デルタドーピング試料以外にも、極
浅ドーピング試料の評価や、半導体表面の酸化膜、窒化
膜や、多層蒸着膜、超格子などにおける急峻な界面の計
測など、深さ方向プロファイルの高精度計測を必要とす
る系に広く適用できる。

【００５３】（実施例７）本発明の第７の実施例を図１
５を用いて説明する。

【００５４】試料１５０１はＧａＡｓ基板上に分子線ビ
ームエピタキシー法で、ＧａＡｌＡｓ層、ＡｌＡｓ層、
ＧａＡｓ層を積みあげ、各々の層にＳｉを２５ｐｐｍ、
５０ｐｐｍ、７５ｐｐｍ混入させたものである。この試
料を多価イオン励起中性粒子質量分析装置１５０２の試
料室１５０３にいれる。まず試料室内を５×１０^-10Ｔ
ｏｒｒ以下に排気する。次に試料室と多価イオン価数分
離部の間のゲートバルブ１５０４を開けて多価イオン１
５０５を試料表面に照射する。多価イオン発生部１５０
８において圧力１×１０^-9ＴｏｒｒのＡｒガス１５０６
に加速電圧５ｋｅＶの電子線１５０７を照射してＡｒイ
オン（Ａｒ＋）を生成し、この中から、価数分離部のウ
イーンフィルター１５０９によって、１８価のＡｒイオ
ン（Ｅｐ：４４２６ｅＶ）を取り出し、デフレクター１
５１０およびその直後に設置したスリット１５１６（ス
リット幅：３ｍｍ）を用いてパルス化（パルス幅：１μ
ｓ）し、試料表面に照射した。このとき、上記多価イオ
ンの運動エネルギーを試料室内のイオン減速器１５１１
を利用して２０ｅＶに調整した。そして多価イオンパル
スを照射した直後に、レーザ装置１５１５から放出され
たレーザ光１５１３を試料直上を通過するように照射し
た。試料１５０１の直上、即ち試料１５０１とイオン減
速器１５１１の間の空間へのレーザ光１５１３の照射
は、試料１５０１の表面に略平行に照射され、試料１５
０１の表面に直接当たらないように配慮することが肝要
である。この時、多価イオン照射によって試料から放出
された中性粒子はほぼ１００％の確率でイオン化され
る。このイオン１５１２を質量分析計１５１４で検出す
ることによって試料表面の元素分析が可能になる。ここ
で試料中に混入したＳｉの信号に着目しながら多価イオ
ンの照射を続けると、Ｓｉの深さ方向の濃度分布を調べ
ることができた。得られた結果を図１６に示す。既に述
べたように多価イオンを利用すると、原子層レベルの分
解能で元素の深さ方向分析ができる。この実施例でも層
が変わる際にＳｉ濃度がステップ関数のように変化する
様子が測定できた。また多価イオンを照射して試料から
発生するイオンを分析する場合には母材元素が変わると
試料直上でのイオンの中性化確率が変わることなどか
ら、母材元素の違いによって検出感度が変わる場合ある
が、一方中性粒子の放出確率はぼ一定であることが多
く、定量精度の良い分析が可能になる。本実施例でもほ
ぼ設計通りの分析値を得ることができた。また試料から
放出されたイオンの信号と中性粒子の信号を加えること
によって感度を向上させることもできる。

【００５５】なお本実施例では質量分析計を用いたが、
分析着目元素のみをイオン化できる波長のレーザ光を照
射する場合には、質量分析計を必ずしも用いることな
く、特定の元素の分析が可能になる。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、計測結果から直ちに固
体表面の最上層に存在する原子の種類とその結合状態を
容易に決定することが可能となり、各種材料およびエレ
クトロニクスなどの基幹事業分野の発展に大きく貢献す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１および実施例２における計測方法およ
び装置の概念図。

【図２】実施例１において得られた電子スペクトルを示
す図。

【図３】実施例２において得られた電子スペクトルを示
す図。

【図４】実施例３および実施例４における計測方法およ
び装置の概念図。

【図５】実施例３において得られたイオンの質量スペク
トルを示す図。

【図６】実施例４において得られたイオンの質量スペク
トルを示す図。

【図７】実施例５における計測方法および装置の概念
図。

【図８】実施例５において得られたイオンの質量スペク
トルを示す図。

【図９】実施例５において得られたイオンの質量スペク
トルの強度の経時変化を示す図。

【図１０】実施例５において得られたイオンの質量スペ
クトルの強度の経時変化を示す図。

【図１１】実施例６において多価イオンを用いて得られ
た元素の深さ方向分布を示す図。

【図１２】実施例６において加速イオンを用いて得られ
た元素の深さ方向分布を示す図。

【図１３】実施例４において得られたイオン強度の価数
依存性を示す図。

【図１４】本発明と従来計測技術との比較を示す図。

【図１５】実施例７における計測方法および装置の概念
図。

【図１６】実施例７において多価イオンを用いて得られ
た元素の深さ方向分布を示す図。

【図１７】多価イオンと固体表面の相互作用を示す図。

【符号の説明】

１…多価イオン、２…表面原子、３…固体表面から放出
された粒子、１０１ａ…Ｓｉ（１００）基板、１０１ｂ
…ＧａＡｓ（１００）基板、１０２…多価イオン励起オ
ージェ電子分光装置、１０３…試料室、１０４…ゲート
バルブ、１０５…多価イオン、１０６…Ａｒガス、１０
７…電子線、１０８…多価イオン発生部、１０９…ウイ
ーンフィルター、１１０…イオン減速器、１１１…表面
より放出された電子、１１２…電子エネルギー分析器、
２０１…（Ａｒ¹⁴＋）の照射により得られた電子スペク
トル、２０２…（Ａｒ¹³＋）の照射により得られた電子
スペクトル、２０３…（Ａｒ¹²＋）の照射により得られ
た電子スペクトル、３０１…（Ａｒ¹²＋）の照射により
得られた電子スペクトル、３０２…（Ａｒ¹¹＋）の照射
により得られた電子スペクトル、３０３…（Ａｒ¹⁰＋）
の照射により得られた電子スペクトル、４０１…Ｓｉ
（１００）基板、４０２…多価イオン励起二次イオン質
量分析装置、４０３…試料室、４０４…ゲートバルブ、
４０５…多価イオン、４０６…Ａｒガス、４０７…電子
線、４０８…多価イオン発生部、４０９…ウイーンフィ
ルター、４１０…デフレクター、４１１…イオン減速
器、４１２…試料グリッド、４１３…加速グリッド、４
１４…表面より放出されたイオン、４１５…飛行時間式
質量分析計、４１６…スリット、５０１…（Ｈ＋）の信
号、５０２…（Ｆ＋）の信号、６０１…（Ｈ＋）の信号
のうち初期運動エネルギーの大きい方の成分、６０２…
（Ｈ＋）の信号のうち初期運動エネルギーの小さい方の
成分、７０１…ＧａＡｓ（１００）基板、７０２…多価
イオン励起二次イオン質量分析装置、７０３…試料室、
７０４…ゲートバルブ、７０５…多価イオン、７０６…
ソレノイドコイル、７０７…マイクロ波発生装置、７０
８…多価イオン発生部、７０９…Ａｒガス、７１０…ウ
イーンフィルター、７１１…イオン減速器、７１２…四
重極質量分析計、７１３…表面より放出されたイオン、
７１４…プラズマ、８０１…（Ｇａ＋）の信号、８０２
…（Ａｓ＋）の信号、９０１…（Ｇａ＋）イオンの信
号、９０２…（Ａｓ＋）の信号、１００１…（Ｇａ＋）
の信号、１００２…（Ａｓ＋）の信号、１１０１…多価
イオンを用いて得られた深さ方向分布、１２０１…加速
イオンを用いて得られた深さ方向分布、１３０１…初期
運動エネルギーの大きい方の成分（α）の価数依存性、
１３０２…初期運動エネルギーの小さい方の成分（β）
の価数依存性。、１５０１…試料、１５０２…多価イオ
ン励起中性粒子質量分析装置、１５０３…試料室、１５
０４…ゲートバルブ、１５０５…多価イオン、１５０６
…Ａｒガス、１５０７…電子線、１５０８…多価イオン
発生部、１５０９…ウイーンフィルター、１５１０…デ
フレクター、１５１１…イオン減速器、１５１２…イオ
ン、１５１３…レーザ光、１５１４…質量分析計、１５
１５…レーザ装置、１５１６…スリット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本清二東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者長部敏東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者兼堀恵一東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を試料室に設置する工程と、１価イオ
ンを含む多価イオンを発生する多価イオン発生工程と、
発生した多価イオンを試料に照射する照射工程と、試料
から放出される粒子あるいは光を分析する分析工程から
なる表面解析方法において、上記多価イオン発生工程
は、発生した多価イオンを所定の価数に分離する分離工
程と、多価イオンを試料に照射する前に被測定材料のス
パッタリングしきい値以下の速度に減速する減速工程を
含むことを特徴とする表面解析方法。
【請求項２】上記減速工程は、発生した多価イオンを２
０ｅＶ以下の速度に減速する工程を含むことを特徴とす
る請求項１に記載の表面解析方法。
【請求項３】上記減速工程は、発生した多価イオンを２
０ｅＶ以上１ｋｅＶ以下の速度に減速する工程を含むこ
とを特徴とする請求項１に記載の表面解析方法。
【請求項４】上記分析工程は、試料から放出された粒子
の質量あるいは運動エネルギーを分析する工程であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の表面解析方法。
【請求項５】上記分析工程は、試料から放出される光の
光子エネルギーを分析する工程であることを特徴とする
請求項１に記載の表面解析方法。
【請求項６】上記分析工程は、試料から放出される粒子
としてオージェ電子を分析する工程であることを特徴と
する請求項１に記載の表面解析方法。
【請求項７】上記分析工程は、試料から放出される粒子
としてイオンを分析する工程であることを特徴とする請
求項１に記載の表面解析方法。
【請求項８】上記分析工程は、試料から放出される粒子
として中性粒子を分析する工程であることを特徴とする
請求項１に記載の表面解析方法。
【請求項９】上記分析工程は、試料から放出される中性
粒子にレーザ光を照射することによってイオン化して、
該イオンを分析する工程であることを特徴とする請求項
１に記載の表面解析方法。
【請求項１０】上記分析工程は、多価イオンにより試料
の表面をエッチングしながら、元素の深さ方向分布を分
析する工程であることを特徴とする請求項１、請求項
２、および、請求項３に記載の表面解析方法。
【請求項１１】上記発生工程において発生した多価イオ
ンを上記照射工程において上記試料に照射する前に試料
を冷却する工程を含むことを特徴とする請求項１、請求
項２、および、請求項３に記載の表面解析方法。
【請求項１２】試料を試料室に設置する工程と、１価イ
オンを含む多価イオンを発生する多価イオン発生工程
と、発生した多価イオンを試料に照射する照射工程と、
試料から放出される粒子あるいは光を分析する分析工程
からなる表面解析方法において、上記試料に種類が同じ
で価数の異なる多価イオンを照射する工程と、それぞれ
の多価イオン照射に対応して試料から放出されるオージ
ェ電子の運動エネルギ−スペクトルを比較し、放出され
るオージェ電子の信号が現われ始める多価イオンの価数
とオージェ電子の運動エネルギーの値から表面の元素組
成および結合状態を解析する工程を含むことを特徴とす
る表面解析方法。
【請求項１３】試料を試料室に設置する工程と、１価イ
オンを含む多価イオンを発生する多価イオン発生工程
と、発生した多価イオンを試料に照射する照射工程と、
試料から放出される粒子あるいは光を分析する分析工程
からなる表面解析方法において、上記試料に種類が同じ
で価数の異なる多価イオンを照射する工程と、それぞれ
の多価イオン照射に対応して試料から放出されるイオン
の質量スペクトルまたは運動エネルギ−スペクトルを比
較し、放出されるイオンの信号が急増する多価イオンの
価数とイオンの質量または運動エネルギーの値から表面
の元素組成および結合状態を解析する工程を含むことを
特徴とする表面解析方法。
【請求項１４】多価イオンを発生する多価イオン発生手
段と、発生した多価イオンを試料に照射する照射手段
と、試料から放出される粒子あるいは光を分析する分析
手段からなる表面解析装置において、上記多価イオン発
生手段によって発生した多価イオンを所定の価数に分離
する分離手段と、被測定材料のスパッタリングしきい値
以下の速度に減速する減速手段を有することを特徴とす
る表面解析装置。
【請求項１５】上記減速手段は、２０ｅＶ以下の速度に
減速できる構造からなることを特徴とする請求項１４に
記載の表面解析装置。
【請求項１６】上記減速手段は、２０ｅＶ以上１ｋｅＶ
以下の速度に減速できる構造からなることを特徴とする
請求項１４に記載の表面解析装置。
【請求項１７】上記分析手段は、試料から放出された粒
子の質量あるいは運動エネルギーを分析する手段からな
ることを特徴とする請求項１４に記載の表面解析装置。
【請求項１８】上記分析手段は、試料から放出される光
の光子エネルギーを分析する手段であることを特徴とす
る請求項１４に記載の表面解析装置。
【請求項１９】上記分析手段は、試料から放出される粒
子としてオージェ電子を分析する手段であることを特徴
とする請求項１４に記載の表面解析装置。
【請求項２０】上記分析手段は、試料から放出される粒
子としてイオンを分析する手段であることを特徴とする
請求項１４に記載の表面解析装置。
【請求項２１】上記分析手段は、試料から放出される粒
子として中性粒子を分析する手段であることを特徴とす
る請求項１４に記載の表面解析装置。
【請求項２２】上記分析手段は、試料から放出される中
性粒子にレーザ光を照射することによってイオン化し
て、該イオンを分析する手段であることを特徴とする請
求項１４に記載の表面解析装置。
【請求項２３】上記分析手段は、多価イオンにより試料
の表面をエッチングしながら、元素の深さ方向分布を分
析する手段であることを特徴とする請求項１４に記載の
表面解析装置。
【請求項２４】多価イオンを発生する多価イオン発生手
段と、発生した多価イオンを試料に照射する照射手段
と、試料から放出される粒子あるいは光を分析する分析
手段からなる表面解析装置において、試料に種類が同じ
で価数の異なる多価イオンを照射する手段と、それぞれ
の多価イオン照射に対応して試料から放出されるオージ
ェ電子の運動エネルギ−スペクトルを比較し、放出され
るオージェ電子の信号が現われ始める多価イオンの価数
とオージェ電子の運動エネルギーの値から表面の元素組
成および結合状態を解析する手段を有する構造からなる
ことを特徴とする表面解析装置。
【請求項２５】多価イオンを発生する多価イオン発生手
段と、発生した多価イオンを試料に照射する照射手段
と、試料から放出される粒子あるいは光を分析する分析
手段からなる表面解析装置において、試料に種類が同じ
で価数の異なる多価イオンを照射する手段と、それぞれ
の多価イオン照射に対応して試料から放出されるイオン
の質量スペクトルまたは運動エネルギ−スペクトルを比
較し、放出されるイオンの信号が急増する多価イオンの
価数とイオンの質量または運動エネルギーの値から表面
の元素組成および結合状態を解析する手段を有する構造
からなることを特徴とする表面解析装置。
【請求項２６】上記発生手段によって発生した多価イオ
ンを上記照射手段によって上記試料に照射する前に試料
を冷却する手段を含むことを特徴とする請求項１４およ
び２４および２５に記載の表面解析装置。