JPH09250993A

JPH09250993A - 二次イオン質量分析装置

Info

Publication number: JPH09250993A
Application number: JP8060609A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Tomita; 充裕富田; Hiroshi Yamaguchi; 博山口; Chie Takakuwa; 智恵高桑; Masahiko Yoshiki; 昌彦吉木; Mamoru Takahashi; 護高橋; Takeshi Suzuki; 健鈴木; Akira Tanaka; 章田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1996-03-18
Publication date: 1997-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】軽元素の微量分析が可能な二次イオン質量分
析装置の提供。【解決手段】試料の一部に一次イオンビームを照射す
るためのイオン発生手段１０と、前記一次イオンビーム
によって前記表面からスパッタ励起する二次イオンを分
析する分析手段２４と、前記二次イオンビームの発生に
より前記試料表面に生じる電荷を中和するための電子を
発生する電子発生手段１４とを有する二次イオン質量分
析装置であって、加熱手段３４から発生する赤外光ビー
ムを試料Ｓに照射し、一次イオンビームの照射を試料Ｓ
表面に付着した残留元素を予め気化した後に一次イオン
ビームを照射することで残留元素に因るバックグラウン
ドのない状態での質量分析を可能にし、ひいては軽元素
の微量分析を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一次イオンビーム
を試料に照射することにより発生する二次イオンビーム
を分析する二次イオン質量分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物質の表面分析を行う装置の一つとし
て、二次イオン質量分析装置がある。二次イオン質量分
析装置は、通常減圧された密閉容器内に配置された試料
表面に一次イオンを照射し、前記試料表面をスパッタ励
起させることで発生する二次イオンの質量分析をするこ
とで試料表面に存在する元素の分析を行っている。

【０００３】しかしながら、密閉容器内の減圧状態を高
真空にしても、酸素、水素、炭素あるいは窒素などの軽
元素は密閉容器中にわずかながらも残留する。これらの
残留元素は、単体あるいは化合物の状態で分析対象の試
料表面に吸着するため、二次イオン質量分析装置を用い
て試料表面の軽元素を分析を行おうとしても、試料表面
に吸着した残留元素を含めて質量を測定してしまうた
め、微量分析を行うことができなかった。

【０００４】特に、分析対象の試料が絶縁物質の場合に
は、このことが大きな問題となってくる。試料が絶縁物
の場合、一次イオンビームを試料に照射した際試料表面
が帯電するために、試料に電子ビームを照射することで
試料表面の帯電を行いつつ二次イオン質量分析を行って
いる。

【０００５】しかしながら、試料に電子ビームを照射す
ると、前記試料表面に吸着した残留元素がイオン化する
ため、残留元素の影響が極めて大きく、二次イオン質量
分析装置を用いての微量の試料分析を行うことは不可能
であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
の二次イオン質量分析装置は、密閉容器内中に残存する
残留元素の影響で、試料中に含まれる微量の軽元素の分
析を行うことができなかった。本発明はこのような問題
に鑑みて成されたものであり、測定試料中の軽元素の測
定を可能にする二次イオン質量分析装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、試料
載置可能な密閉容器と、前記試料の一部に一次イオンビ
ームを照射するためのイオン発生手段と、前記一次イオ
ンビームによって前記試料表面からスパッタ励起する二
次イオンを分析する分析手段と、前記一次イオンビーム
照射部近傍を加熱するための加熱手段とを有する二次イ
オン質量分析装置である。

【０００８】本願第２の発明は、前記二次イオンビーム
の発生により前記試料表面に生じる電荷を中和するため
の電子を発生する電子発生手段を有する前記第１の発明
に記載の二次イオン質量分析装置である。本願第３の発
明は、前記加熱手段は、出力０．１〜１００Ｗ／ｃｍ²
の赤外光であることを特徴とする請求項１記載の二次イ
オン質量分析装置。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の二次イオン質量分
析装置を図面を参照して説明する。図１は、本願発明の
二次イオン質量分析装置の概略断面図である。図中、二
次イオン質量分析装置１は、試料Ｓを設置できる試料室
３と、イオン発生器５、イオン発生器５から発生される
一次イオンを試料室３に導入する一次イオン導入路７、
および導入される一次イオンを試料表面に収束させるた
めの電子レンズ９からなるイオン発生手段１０と、一次
イオンビームを試料に照射することで発生する二次イオ
ンを質量分離する質量分析部２１および二次イオンの量
を検出する二次イオン検出部２３とからなる質量分析器
２０、二次イオンを質量分析器２０に取り込むための静
電レンズ１９、および二次イオンの質量分析器への導入
路となる二次イオン導入路１７からなる分析手段と２
４、試料Ｓ表面が帯電した際に帯電を打消すための電荷
を発生する電子銃１１および電荷の導入路１３とからな
る電子発生手段１４とからなる密閉容器があり、密閉容
器内は真空ポンプ１５によって減圧されている。さらに
加熱手段３４として赤外光レーザー発生器２５および赤
外光レーザー発生器から発生したレーザーを試料Ｓの一
次イオンビームの照射される位置近傍を照射するように
位置合わせを行う反射鏡３３とからなる。また、発生さ
れたレーザーは、密閉容器に設けられた、レーザーを透
過する光学窓２９を通過して密閉容器内に侵入される。

【００１０】前記密閉容器内壁面は、表面が不活性で、
残留ガスが吸着しにくい材料を選択することが望まし
く、例えばステンレス、アルミニウム合金などを使用す
ることが望まれる。

【００１１】イオン発生手段、分析手段および電子発生
手段は、通常の二次イオン質量分析装置と同様のものが
使用できる。イオン発生手段は、試料Ｓ表面にイオンビ
ームを照射しスパッタ励起させ、被分析元素をスパッタ
できるものならば、どのようなものであっても構わな
い。例えばイオン発生器から発生されるイオンとしては
Ｃｓ、酸素、ＡｒあるはＸｅ等が使用可能である。ま
た、図１においては、電子レンズによってイオン発生器
から発生したイオンを収束させイオンビームとしてい
る。一次イオン導入路、特に一次イオン導入路と試料容
器の接続位置には通過するイオンビームの幅程度まで狭
く設定することが望ましい。これはイオン発生器によっ
て試料容器内の真空度が低下する恐れがあるためであ
る。

【００１２】分析手段は、質量分析部と二次イオン検出
部とからなる。質量分析部では分析目的である特定の二
次イオンを質量分離し、その特定の二次イオンのみを通
過させ、二次イオン検出部へ導入させる。二次イオン検
出部では質量分析部を通過した二次イオン数を計測し、
その結果被測定物質の二次イオンの量を測れる。一般
に、質量分析部は二重収束型質量分析器や四重極型質量
分析器を、また二次イオン検出部はファラデーカップあ
るいは電子増倍管が用いられる。

【００１３】電子発生手段は、試料ＳがＳｉＯ₂ 、Ｓｉ
₃ Ｎ₄ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ のような絶縁物の場合特に必要とな
る。試料が絶縁物の場合、試料表面がスパッタ励起する
際に帯電するため、電子発生手段により電子を照射する
ことで帯電を中和することが可能となる。前記帯電の領
域は試料の一次イオン照射部を中心に照射部よりも広い
範囲となる。このため、中和電子の照射範囲は、通常試
料照射位置を中心に１次イオン照射部に対して１００〜
１０００％、さらに好ましくは１００〜４００％の範囲
に設定することが望まれる。

【００１４】本発明の二次イオン質量分析装置は、バッ
クグランドを減少させるため、通常１０^-5Ｐａ以下、よ
り好ましくは１０^-7Ｐａの減圧下で用いられる。このよ
うな減圧状態は、前記密閉容器に真空ポンプを接続する
ことでを作り出すことができる。

【００１５】このような二次イオン質量分析装置は、減
圧環境にも拘らず、密閉容器内にＨ、Ｏ、ＣあるいはＮ
などの軽元素が残留し、単体、化合物として試料表面に
付着する。

【００１６】本発明の加熱手段は、試料表面に付着した
残留元素を試料表面から除去するためのものである。す
なわち試料表面に付着した残留元素を気化し、残留元素
を試料表面から除去した状態で一次イオンを照射するこ
とで二次イオン中の残留イオン成分を減少させ、バック
グラウンドのない状態（残留元素などの被測定物以外の
物質が測定値に含まれない状態）試料中に含有される軽
元素の測定を行うことが可能となる。

【００１７】したがって、本発明における加熱手段は、
少なくとも試料の被測定部（一次イオンビーム照射部あ
るいは中和電子照射部）近傍を加熱できるものであれ
ば、特に制限されることなく用いることができる。ま
た、本発明における加熱手段は、試料の一部のみを選択
的に加熱できるものが好ましい。すなわち、加熱位置
は、一次イオンビームの照射部、あるいは中和電子照射
部の残留元素を気化できれば十分であり、必要以上に広
い範囲を加熱すると、密閉容器中の気化した残留元素濃
度が高まり、分析結果に残留元素に起因するバックグラ
ウンドが生じてしまう。このため、一次イオンビーム照
射部近傍、すなわち一次イオン照射部あるいは中和電子
照射部を中心に、これら照射部の１００〜１０００％、
好ましくは１００〜２００％の範囲内を加熱することが
望まれる。試料の一部のみを加熱する方法として、赤外
光などのエネルギーをレーザービームとして加熱手段が
好適に用いられる。

【００１８】また試料の加熱温度は、６０℃以上３００
℃以下、より好ましくは８０℃以上３００℃以下に設定
する。加熱温度が低すぎると、試料表面に付着した残留
元素を十分に気化、除去することができないためであ
り、加熱温度が高すぎると試料自体が変質してしまう恐
れがあるためである。加熱手段としてレーザービームを
使用する場合には、通常試料の吸収効率の高い波長を用
いればよく、例えば赤外光（波長２〜４０μｍ）のもの
を０．１〜１００Ｗ／ｃｍ² 、より好ましくは０．２〜
４０Ｗ／ｃｍ² のエネルギーで加熱を行えば良い。具体
的に、試料がＳｉＯ₂ の場合には波長１０〜１１μｍの
レーザー光が選択される。

【００１９】また、本発明においては電子発生手段を使
用しない場合についてもその効果を得ることはできる。
しかしながら、電子発生手段によって試料表面の帯電を
中和する場合、電子によって残留元素がイオン化する。
このイオン化した残留元素は、残留元素単体あるいは化
合物と比べ、被測定元素の測定値に対するバックグラウ
ンドを大きくする。このため、試料が絶縁物質であり電
子発生装置を使用する場合には、本願発明のように、加
熱手段により試料を加熱し試料表面の残留元素を気化さ
せた状態で二次イオンの質量分析を行うことが特に有効
になる。

【００２０】さらに、試料の加熱は試料に一次イオンビ
ームを照射するときのみ行っても、前述したような効果
は得られるが、あらかじめ試料を加熱し、試料表面の残
留元素を気化させた後に一次イオンビームを照射するこ
とで、よりバックグラウンドの少ない分析結果を得るこ
とが可能となる。

【００２１】前述したように本発明の二次イオン質量分
析装置による分析される試料としては、例えばＳｉＯ
₂ 、Ｓｉ₃ Ｎ₄ あるいはガラスなどの絶縁物質でも、Ｓ
ｉ、ＧａＡｓあるいは金属などの導電性の物質でも可能
である。

【００２２】また、本発明は試料表面をエッチングし、
エッチングした部分を分析する手法であるため、試料表
面から１０μｍ程度の深さまでの表面付近の測定に適し
ている。

【００２３】

【実施例】本実施例は、図１に示すような装置を用いて
行った。ステンレス製の試料室３に試料を設置した。こ
の試料は７mm角厚さ６３０μｍのＳｉ基板上にＣＶＤ法
により厚さ１μｍのＳｉＯ₂ 膜を形成したものである。

【００２４】図２は、一次イオンビーム、中和電子およ
び赤外光照射位置を示す図である。一次イオンビーム、
中和電子および赤外光照射位置に付いて図２を用いて説
明する。

【００２５】イオン発生手段は試料が配置される位置の
略中央部、２５０μｍ角の範囲（図中の最内枠の内側）
に一次イオンエネルギー８ｋｅＶ、一次イオン電流１×
１０-7Ａの条件で一次イオンビームが照射されるように
設定した。また電子発生手段は中心位置を一次イオンビ
ームの中心位置と同じくして５００μｍ角の範囲（図中
の２番目の枠の内側）に電子エネルギー１．２ｋｅＶ、
１×１０^-6Ａの条件で電子が照射されるように設定し
た。さらに赤外光は中心位置を一次イオンビームの中心
位置と同じくして半径４００μｍの範囲内（図中の円の
内側）になるようにしてレーザー波長１０．６μｍ、２
０Ｗ／ｃｍ² でレーザーを発振できるように設定した。

【００２６】このように設定された二次イオン質量分析
装置の試料容器に試料を配置し、試料中のＨおよびＣを
下記条件で測定した。その結果を図３に示す。次に、レ
ーザー照射を行わないことを除いて実施例と同様にして
比較例を行った。その結果を図４に示す。

【００２７】図３および図４を比較してみると、試料の
表面からの深さ１μｍ、すなわちＳｉＯ₂ 膜とＳｉ基板
との界面において炭素、水素ともに多量に含まれている
ことが認められるが、ＳｉＯ₂ 膜中あるいはＳｉ基板中
の水素量、炭素量の分析結果が大きく異なる。

【００２８】同一材料にも拘らず、比較例の結果を示す
図４のほうがＳｉＯ₂ 膜中およびＳｉ基板中の水素量、
炭素量が多く、また一定の分布になっているのは、試料
表面に付着した残留炭素あるいは残留水素がバックグラ
ウンドとして検出されたためである。これは、真試料中
の水素の検出限界が１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 、炭素９
×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度であることを示してお
り、これ以下の微量検出を行うことができないことが分
かる。

【００２９】比較例に対し、図３に示すように本願発明
の二次イオン質量分析装置では、水素の検出が１０¹⁸ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ³ 、炭素１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度
まで示されており、少なくとも検出限界が比較例に比べ
１桁近く高まっていることが分かる。

【００３０】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、測定
したい軽元素が残存する環境においても、試料中に微量
含有される微量の軽元素の測定を可能にする二次イオン
質量分析装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の二次イオン質量分析装置の
一例を示す概略断面図である。

【図２】図２は、本発明において試料に照射する一次
イオンビーム、中和電子および赤外光レーザーの照射範
囲を示す概略図である。

【図３】図３は、本発明の二次イオン質量分析装置を
用いた検出結果を示す図である。

【図４】図４は、従来の二次イオン質量分析装置を用
いた検出結果を示す図である。

【符号の説明】

１・・・二次イオン質量分析装置３・・・試料室５・・・イオン発生器７・・・一次イオ
ン導入路９・・・電子レンズ１０・・・イオン発
生手段１１・・・電子銃１３・・・電子導
入路１４・・・電子発生手段１５・・・真空ポ
ンプ１７・・・二次イオン導入路１９・・・静電レ
ンズ２０・・・質量分析器２１・・・質量分
析部２３・・・二次イオン検出部２４・・・分析手
段２５・・・赤外光レーザー発生器２９・・・光学窓３３・・・反射鏡３４・・・加熱手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉木昌彦神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者高橋護神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者鈴木健神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者田中章神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料載置可能な密閉容器と、前記試料の
一部に一次イオンビームを照射するためのイオン発生手
段と、前記一次イオンビームによって前記試料表面から
スパッタ励起する二次イオンを分析する分析手段と、前
記一次イオンビーム照射部近傍を加熱するための加熱手
段とを有することを特徴とする二次イオン質量分析装
置。
【請求項２】前記二次イオンビームの発生により前記
試料表面に生じる電荷を中和するための電子を発生する
電子発生手段を有することを特徴とする請求項１記載の
二次イオン質量分析装置。
【請求項３】前記加熱手段は、出力０．１〜１００Ｗ
／ｃｍ² の赤外光であることを特徴とする請求項１記載
の二次イオン質量分析装置。