JP2002116184A - Instrument and system for analyzing foreign matter in semiconductor device - Google Patents

Instrument and system for analyzing foreign matter in semiconductor device

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JP2002116184A
JP2002116184A JP2000314426A JP2000314426A JP2002116184A JP 2002116184 A JP2002116184 A JP 2002116184A JP 2000314426 A JP2000314426 A JP 2000314426A JP 2000314426 A JP2000314426 A JP 2000314426A JP 2002116184 A JP2002116184 A JP 2002116184A
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JP
Japan
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foreign matter
semiconductor device
manufacturing
ions
extraction electrode
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Application number
JP2000314426A
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Japanese (ja)
Inventor
Hidefumi Ibe
英史 伊部
Kinya Eguchi
欣也 江口
Asao Nakano
朝雄 中野
Aritoshi Sugimoto
有俊 杉本
Fumio Mizuno
文夫 水野
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the yield of a high-integration semiconductor device, and to enhance the speed and efficiency of analysis. SOLUTION: The analysis method is provided for analyzing semiconductor devices by obtaining a two-dimensional ion image from ions obtained from a foreign matter or a contaminated part by a laser abrasion method, and a manufacturing method including an analyzing process is provided for manufacturing the semiconductor devices. The above methods include an ion optical system satisfying both space resolution and detection sensitivity allowing a 0.1 mm foreign matter, in particular, to be analyzed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はメモリ、ASICなどの
LSI、磁気デイスク装置、液晶などの半導体デバイスの
歩留り向上のために必要な微小な異物、汚染部の化学分
析、除去に好適な分析/除去装置およびそれを用いた半
導体デバイス製造方法に関する。
The present invention relates to a memory, an ASIC, and the like.
The present invention relates to an analysis / removal device suitable for chemical analysis and removal of minute foreign matter and contaminated portions necessary for improving the yield of semiconductor devices such as LSIs, magnetic disk devices, and liquid crystals, and a semiconductor device manufacturing method using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSIの歩留、品質の向上を図るには、製
造工程で付着する主として1μm以下の径の異物、汚染物
等を解析し、発生原因の解明と除去方法の開発が必要で
ある。一方、加工寸法が年毎に微細化していおり、最近
では0.3〜0.5μmと非常に細くなってきている。特に16M
DRAMは幅0.5μm、深さ0.5μmと(アスペクト比(深さ/
幅):1)の深溝形または単一孔の構造をしており、こ
れに付着する異物の解析には、最小分析径が0.3μm、分
析感度が10-14g(体積換算で0.1μm3)以上で、深
溝の底部まで確実に分析ができる高性能な装置が必要で
ある。64M、256M、1GDRAMでは、さらに配線ルールが0.
1〜0.3μmと小さくなる結果、対象とする異物、汚染領
域の大きさは0.1μm以下、アスペクト比は3〜5に達す
る。
2. Description of the Related Art In order to improve the yield and quality of an LSI, it is necessary to analyze foreign substances and contaminants having a diameter of 1 μm or less, which are mainly adhered in a manufacturing process, to clarify the cause of the generation and to develop a removal method. is there. On the other hand, the processing dimensions are becoming finer every year, and have recently become very thin, 0.3 to 0.5 μm. Especially 16M
DRAM has a width of 0.5 μm and a depth of 0.5 μm (aspect ratio (depth /
Width): 1) Deep groove type or single hole structure. For analysis of foreign matter adhering to this, the minimum analysis diameter is 0.3 μm and the analysis sensitivity is 10 −14 g (0.1 μm 3 in terms of volume). ) As described above, a high-performance device capable of reliably performing the analysis up to the bottom of the deep groove is required. For 64M, 256M, and 1GDRAM, the wiring rule is also 0.
As a result, the size of the target foreign substance and the contaminated region is 0.1 μm or less, and the aspect ratio reaches 3 to 5.

【0003】無機異物については微小部2次イオン質量
分析計および走査型オージェ電子分光計等があり、これ
らのニーズに十分に対応が可能である。一方有機異物の
分析は微小部の蛍光分光分析とラマン分析ができる微小
部超高感度表面分析装置はこの要求に近い装置である
が、しかし最小分析径が0.5μm、アスペクト比が0.6で
あり、またSiO2膜、有機膜等の上の有機異物や混合物の
分析ができるものでなく、0.1〜0.3μmLSIプロセスへの
対応は十分ではない。
[0003] As for inorganic foreign substances, there are a minute portion secondary ion mass spectrometer, a scanning Auger electron spectrometer, and the like, and these needs can be sufficiently satisfied. On the other hand, for the analysis of organic contaminants, a micropart ultra-high sensitivity surface analyzer that can perform fluorescence spectroscopic analysis and Raman analysis of microparts is close to this requirement, but the minimum analysis diameter is 0.5 μm and the aspect ratio is 0.6, In addition, it is not possible to analyze organic foreign substances and mixtures on a SiO 2 film, an organic film, and the like, and thus, it is not sufficient to cope with a 0.1 to 0.3 μmL SI process.

【0004】これに対応できる分析法としては異物や汚
染部にねらいを定め、その大きさ程度にビームをしぼっ
たレーザビームを照射する、例えば特願平2−2762
66号公報に記載のレーザ質量分析法が感度的には最適
と考えられる。しかしながら、将来の0.1〜0.3μmプロ
セスに対してはレーザビームの集光が原理的に波長の1
/2程度以下にはできないので極微小異物まで含めた分
析には現在の技術の延長では対応できない。レーザでは
なくGaやCsなどの集束一次イオンビームをプローブとし
て照射し、2次イオンの飛行時間型質量分析を行うTOF
−SIMSはビームは数十nmまで絞れるので微小異物分析に
適用可能であるが、酸化被膜等の絶縁部の多い半導体デ
バイスでは帯電や、一次イオンによる試料の汚染の問題
が発生する。
As an analysis method which can cope with this, a purpose is set for a foreign substance or a contaminated portion, and a laser beam squeezed to the size of the target is irradiated.
It is considered that the laser mass spectrometry described in Japanese Patent Publication No. 66 is optimal in sensitivity. However, for a future 0.1 to 0.3 μm process, the focusing of the laser beam is, in principle, one wavelength.
Since it cannot be reduced to about / 2 or less, analysis including even very small foreign substances cannot be handled by extension of the current technology. TOF that irradiates a focused primary ion beam such as Ga or Cs instead of a laser as a probe and performs time-of-flight mass spectrometry of secondary ions
-SIMS can be applied to the analysis of minute foreign substances because the beam can be narrowed down to several tens of nanometers. However, in a semiconductor device having many insulating parts such as an oxide film, there are problems of charging and contamination of the sample by primary ions.

【0005】そこで、本発明では基本的にTOF−SIMSの
持つ問題が起きないレーザ誘起質量分析計にレーザビー
ムを異物/汚染部を含む相対的に広い領域に照射し、そ
の領域のイオン像を検出器端で結像することにより0.1m
m径以上の異物汚染分析に対応できる空間分解能を保有
させる技術確立を目的とした。
Therefore, in the present invention, a laser beam is applied to a relatively large area including a foreign matter / contaminated portion with a laser beam to a laser-induced mass spectrometer which basically does not cause the problems of TOF-SIMS, and an ion image of the area is formed. 0.1m by imaging at the detector end
The aim was to establish a technology that possesses a spatial resolution that can respond to the analysis of foreign particles with a diameter of m or more.

【0006】走査型でなく、投影型の2次イオン像によ
り表面分析をする手法は図2に示すようなイオン光学系
を用いたSIMS装置で研究が進んでおり、イオン源1でイ
オンを生成し、一次イオンレンズ系2でビーム径を細く
絞り、試料面3上の異物、汚染部に平坦な引出し電極(W
ehnelt電極)4の側方から一次イオンを照射し、生成す
る二次イオンを直上に引出し、中間電極5でイオンの発
散を防止しながらコントラスト絞り(内径数十mm)6に
よりほぼ真上に飛散したイオンのみを通過させて後段の
結像レンズ系7でイメージインテンシファイア付CCDカ
メラなどの検出部8で結像する。この方法では最大0.1
μm程度の空間分解能が得られることが報告されている
(M.T. Bernius、 Anal.Chem. 58、pp.94−101、(198
6)、 M.T. bernius、 et al.、 J. Appl. Phys.、 6
0、1904(1986)、 M.T. Bernius、 et al.、 J.Appl. Ph
ys. 61、 1677(1987)等)。同一のイオン光学系を採用
すれば0.1μmの空間分解能が得られるが、後に詳述する
ようにこのイオン光学系は小さな立体角に含まれる飛散
方向のイオンのみを取り出すため、感度を犠牲にするも
ので微小な異物分析には適用できない。
Research on a method of performing surface analysis by using a secondary ion image of a projection type instead of a scanning type has been advanced with a SIMS apparatus using an ion optical system as shown in FIG. Then, the beam diameter is narrowed down by the primary ion lens system 2, and a flat extraction electrode (W
Primary ions are radiated from the side of the ehnelt electrode 4, secondary ions generated are extracted directly above, and are scattered almost right above by the contrast aperture (several tens of mm in diameter) 6 while preventing the divergence of ions by the intermediate electrode 5. Only the ions that have passed therethrough are imaged by a detector 8 such as a CCD camera with an image intensifier by an imaging lens system 7 at the subsequent stage. Up to 0.1 with this method
It is reported that spatial resolution of about μm can be obtained
(MT Bernius, Anal.Chem. 58, pp. 94-101, (198
6), MT bernius, et al., J. Appl. Phys., 6
0, 1904 (1986), MT Bernius, et al., J. Appl. Ph.
ys. 61, 1677 (1987)). If the same ion optical system is used, a spatial resolution of 0.1 μm can be obtained, but this ion optical system extracts only ions in the scattering direction included in a small solid angle, as described in detail later, so sacrifices sensitivity. And cannot be applied to the analysis of minute foreign matter.

【0007】半導体デバイスとしてDRAM、ASICなどにつ
いては、ウェハの大きさは年々大きくなり、将来は外径
12インチが主流になりつつある。また、素子の高集積化
の結果、問題となる異物、汚染物の量もきわめて小さく
なるのが必然であるため、装置に求められる真空度も今
後一層高いものが要求される。ウェハの大きさが大きく
なるほど容器が大きくなる結果、高真空の達成、維持に
困難が伴う。試料の位置決めはデバイスが通常は等間隔
で格子状にならんでいるため、XYZ座標で与えることが
望ましいが、全体を走査可能にするには真空容器の内径
はウェハ外径の2倍必要になり、大型容器が必要にな
る。容器を大きくしないためには、R−z−θの位置決め
機構が好適であるが、位置決めの分解能がθに依存し、
外周部ほど劣悪になる。また、走査上も直観が効きにく
いデメリットがある。
[0007] For semiconductor devices such as DRAMs and ASICs, the size of a wafer is increasing year by year, and the outer diameter will be increased in the future.
12 inches are becoming mainstream. In addition, as a result of the high integration of the elements, it is inevitable that the amount of foreign matter and contaminants that cause a problem becomes extremely small. Therefore, a higher degree of vacuum is required for the apparatus in the future. As the size of the wafer increases, the size of the container increases. As a result, it is difficult to achieve and maintain a high vacuum. Since the devices are usually arranged in a grid at equal intervals, it is desirable to position the sample using XYZ coordinates, but the inner diameter of the vacuum vessel must be twice as large as the outer diameter of the wafer to be able to scan the whole. , Large containers are required. In order not to make the container large, a positioning mechanism of Rz-θ is preferable, but the resolution of positioning depends on θ,
It gets worse at the outer periphery. Further, there is a disadvantage that it is difficult to intuitively operate on scanning.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では0.3
μm以下の空間分解能と数十フェムトグラム以下の検出
感度を両立させることは困難であり、したがって、生産
ラインプロセスへの分析情報の効率的なフィードバック
が困難であったり、ULSI等の集積度の高い半導体デバイ
スも含めて生産ラインへの直接組み込みに適当な分析/
異物除去装置を提供できなかった。大口径ウェハについ
ては位置決め精度の上で好適なXYZ走査型の試料ステー
ジでは真空容器が大型になり、真空立ち上げの効率や、
操作性、メインテナンス性の面で難点があった。また、
デバイスの集積度が上がるにつれ、コンタクトホールの
ように単一孔が増えているが、SIMSのような斜めに一次
イオンを入射する方式ではこうした構造の底部を分析す
ることはアスペクト比が大きくなるほど困難である。
In the above prior art, 0.3
It is difficult to achieve both a spatial resolution of μm or less and a detection sensitivity of tens of femtograms or less, and therefore it is difficult to provide efficient feedback of analytical information to the production line process, or it is highly integrated such as ULSI Analysis suitable for direct integration into production lines, including semiconductor devices /
A foreign matter removing device could not be provided. For large diameter wafers, the XYZ scanning type sample stage, which is suitable for positioning accuracy, requires a large vacuum vessel,
There were difficulties in terms of operability and maintainability. Also,
As the degree of integration of devices increases, the number of single holes increases like contact holes, but it is difficult to analyze the bottom of such a structure with an oblique primary ion injection method such as SIMS as the aspect ratio increases as the aspect ratio increases It is.

【0009】本発明の目的は、分析については単一孔構
造の底部も含め0.3mm以下の空間分解能と数十フェムト
グラムの感度を同時に満たし、デバイスを汚染したり、
破壊することのない異物、表面汚染の除去機能を併せ持
ち、半導体デバイスの生産ラインに組み込み可能なコン
パクトな装置を提供することにある。
An object of the present invention is to simultaneously satisfy a spatial resolution of 0.3 mm or less and a sensitivity of several tens of femtograms, including the bottom of a single-hole structure, and contaminate a device,
It is an object of the present invention to provide a compact device which has a function of removing foreign matter and surface contamination without being destroyed and which can be incorporated into a semiconductor device production line.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明ではレーザ誘起飛
行時間型質量分析法を基礎に、(1)2次元のイオンイ
メージを投影方式により検出器に結像することにより、
レーザ光の集束限界を超えた空間分解能を確保する。特
に結像の際問題となる収差を引出し電極に特別な工夫を
して解決する。(2)単一孔底部の成分分析にはNAが小
さく、したがって焦点深度の深い光学レンズ系で異物/
汚染部垂直上方から照射して蒸発/イオン化することに
より深穴の底部に集束レ=ザービームが届くようにす
る。(3)X−Y−Z−−θ駆動ステージにより位置制御
の空間分解能を確保しつつ、真空容器の小型化を図り、
分析装置そのものの生産ラインへの組み込み、枚葉化を
容易にできるようにする。以下、課題を解決するための
手段について詳述する。
According to the present invention, based on laser-induced time-of-flight mass spectrometry, (1) a two-dimensional ion image is formed on a detector by a projection method to form an image.
A spatial resolution exceeding the laser beam focusing limit is secured. In particular, aberrations, which are problematic in imaging, are solved by specially devising the extraction electrode. (2) The NA is small for the component analysis at the bottom of a single hole, and therefore, an optical lens system having a large depth of focus requires a foreign substance /
The focused laser beam reaches the bottom of the deep hole by irradiating and evaporating / ionizing the contaminated area from above. (3) The X-Y-Z--θ drive stage ensures the spatial resolution of position control, while miniaturizing the vacuum vessel.
Incorporate the analyzer itself into the production line and make it easy to produce single wafers. Hereinafter, means for solving the problems will be described in detail.

【0011】異物/汚染成分の脱離とイオン化 異物/汚染部にレーザ光を集束し、照射すると異物/汚
染面の温度は瞬時に上昇し、材料の沸点以上に達すると
爆発的に蒸発、いわゆるablationを起こす。大部分は中
性原子.分子として飛散し、その方向は余弦則に従う、
とされている。レーザの波長をλm、 照射部のビーム半
径をbとすると、いわゆるレイリーの回折限界により、b
の最小値bmin
Desorption and ionization of foreign matter / contaminated components When a laser beam is focused on the foreign matter / contaminated part and irradiated, the temperature of the foreign matter / contaminated surface instantaneously rises, and when it reaches the boiling point of the material or more, it evaporates explosively. Cause ablation. Mostly neutral atoms. Scattered as molecules, the direction of which obeys the cosine law,
It has been. Assuming that the wavelength of the laser is λm and the beam radius of the irradiation part is b, b is due to the so-called Rayleigh diffraction limit.
The minimum value of b min is

【0012】[0012]

【数1】 bmin = kλ/2NA (1) ここでNAは開口数、kは定数で、半径方向強度が1/2
になる点では0.52、1/e2になる点では0.82、零になる
点では1.22である。焦点深度hは
B min = kλ / 2NA (1) where NA is the numerical aperture, k is a constant, and the radial strength is 1 /.
It is 0.52 at the point where becomes, 0.82 at the point where it becomes 1 / e2, and 1.22 at the point where it becomes zero. Depth of focus h

【0013】[0013]

【数2】 h = λ/2(NA)2 (2) のように表記される。波長0.193μmのエキシマレーザを
用いれば原理的には0.1μm程度までビームを絞れるが、
現実にはレンズの加工上の問題があり、困難を伴う。一
方、レーザ照射による異物の昇温はパルス出力をP(J/p
ulse)、照射時間をt(s)とすると次式で表わされる。
H = λ / 2 (NA) 2 (2) If an excimer laser with a wavelength of 0.193 μm is used, the beam can be narrowed down to about 0.1 μm in principle,
In reality, there is a problem in processing the lens, which involves difficulty. On the other hand, the temperature rise of the foreign matter by laser irradiation changes the pulse output to P (J / p
ulse), and the irradiation time is t (s).

【0014】[0014]

【数3】 F=4P/πb2 (3)[Equation 3] F = 4P / πb 2 (3)

【0015】[0015]

【数4】 (Equation 4)

【0016】ここで、λtは熱伝導率(cal/cmdegs)、c
は比熱(cal/kg)、rは密度(kg.m3)である。照射中の異
物はビーム径にも依存するが実際的にはレーザのパルス
幅に対し極短時間で沸点に達し、分解する。加熱は均一
に進むものではなく、入熱の不均一や焦点位置との相対
的な間係によって局部的に進行するため一部が溶解、蒸
発する結果、異物粒子は中性分子としてではなく、多く
が分子団のクラスタとして分解する、と考えられる。レ
ーザアブレーションからその後の物理プロセスを図3に
概念的にまとめる。分子、クラスターのうち一部は初め
からイオン化していると考えられるが、物質によって、
また下地材料によって(マトリックス効果)そのイオン
化効率は異なるので物質によって検出感度が異なってく
る問題がある。その問題を解決するためにアブレーショ
ン後にさらにレーザ照射し、マトリックス効果の無い条
件下でイオン化する手法(ポストイオン化)がある。ポ
ストイオン化には価電子を直接励起しイオン化する方法
(共鳴法、イオン化エネルギーに相当する波長のレーザ
光を用いる)と非共鳴法(多光子吸収、仮想的準安定状
態に励起されている時間(〜10-15S)内に次の光子
を吸収し、イオン化に必要なエネルギーを得る)があ
り、それぞれ108W/cm2、1010W/cm2以上のエネルギー
密度が必要とされる。近年のレーザーはビームを十分に
絞れば非共鳴法に要求される強度に絞ることは容易であ
る。したがって、イオンのイメージ化が実現できれば、
レーザビームは小さく絞る必要はなく、異物を含む領域
を粗くカバーできれば良いことになる。すなわち、レー
ザ集光光学系についてはワーキングデイスタンス、NAな
どに関する制約を余り考慮する必要はないことになる。
一方、高空間分解能のイメージング化のためにはイオン
光学系の各種の収差を極力小さく制御する必要がある。
特にアブレーション時にはイオンが一定の初期熱エネル
ギーを持って特定の方向に飛散するため、飛散方向や、
熱エネルギーの大小による収差の大きさを見積もってお
くことはとりわけ重要である。
[0016] In this case, λ t is the thermal conductivity (cal / cmdegs), c
Is specific heat (cal / kg) and r is density (kg.m3). Foreign matter during irradiation depends on the beam diameter, but actually reaches the boiling point in a very short time with respect to the laser pulse width and decomposes. Heating does not proceed uniformly, and because it progresses locally due to unevenness of heat input and relative relationship with the focal position, a part of the particles dissolves and evaporates.As a result, foreign particles are not neutral molecules, It is thought that many decompose as clusters of molecular groups. The physical process after laser ablation is conceptually summarized in FIG. It is thought that some of the molecules and clusters are ionized from the beginning.
Further, since the ionization efficiency varies depending on the underlying material (matrix effect), there is a problem that the detection sensitivity varies depending on the substance. In order to solve the problem, there is a method (post-ionization) in which laser irradiation is further performed after ablation and ionization is performed under a condition free from a matrix effect. For post-ionization, a method of directly exciting and ionizing valence electrons (resonance method, using a laser beam having a wavelength corresponding to ionization energy) and a non-resonance method (multiphoton absorption, time during which a virtual metastable state is excited ( The next photon is absorbed within 10 to 10 -15 S) to obtain the energy required for ionization), and an energy density of at least 10 8 W / cm 2 and 10 10 W / cm 2 is required. In recent years, if the beam is sufficiently focused, it is easy to reduce the intensity to the intensity required for the non-resonance method. Therefore, if imaging of ions can be realized,
It is not necessary to narrow the laser beam to a small size, and it is only necessary that the area including the foreign matter can be roughly covered. That is, it is not necessary to consider the restrictions on the working distance, NA, and the like for the laser focusing optical system.
On the other hand, for imaging with high spatial resolution, it is necessary to control various aberrations of the ion optical system as small as possible.
Especially during ablation, ions have a certain initial thermal energy and scatter in a specific direction.
It is particularly important to estimate the magnitude of the aberration due to the magnitude of the thermal energy.

【0017】質量mikgのイオンの初速をv0とした時、運
動エネルギーEvは、
[0017] Mass m i kg the initial velocity of the ion when a v0, kinetic energy Ev is

【0018】[0018]

【数5】 (Equation 5)

【0019】Ablationは熱平衡プロセスではないので厳
密にはなりたたないが、これがablation時の温度と等価
とみなせば、
Ablation is not strict because it is not a thermal equilibrium process, but if this is considered equivalent to the temperature at the time of ablation,

【0020】[0020]

【数6】 (Equation 6)

【0021】温度Tの関数としてEv、v0を概算すると図
4のようになり、実際には沸点に対応するエネルギー程
度で飛散するものと考える。イオンの電場による加速エ
ネルギーは常識的には数千ボルトであるのでこれに比べ
ると初期の熱エネルギーは小さいと言える。しかしなが
ら、イオン像を直接結像させる場合初期の熱運動は各種
の収差の原因となりえるので定量的に評価し、収差を小
さく抑えることが必要である。
FIG. 4 shows a rough approximation of E v and v 0 as a function of the temperature T, and it is considered that the particles actually scatter at an energy corresponding to the boiling point. Acceleration energy due to the electric field of ions is thousands of volts by common sense, so the initial thermal energy can be said to be smaller than this. However, when an ion image is directly formed, the initial thermal motion can cause various aberrations. Therefore, it is necessary to quantitatively evaluate the thermal motion and suppress the aberrations.

【0022】この目的のために静電磁場/イオン軌道解
析コード SIMION (D.A. Dahl、INEL−95/0403、 S
IMION3D、 Version 6.0、 1995) を用いて、イオン軌
道を数値シミュレーションにより解析した。後述するよ
うに、静電レンズ系をアインツエルレンズで構成し、質
量分解能を向上させるため中間にリフレクトロンを設け
た体系で、従来のレーザマス装置の引き出し電極の構造
(平坦)、ワーキングデイスタンス(数mm)を想定した
条件でイオン軌道を解析すると図5に示すように試料面
3で1μm離れた点から垂直方向に飛んだイオンは検出器
部分で十分分離できることが分かる。この時、沸点に相
当する熱エネルギーに対し10%、20%高いエネルギーを
もったイオン軌道も併せて解析しており(図中の近接し
た3本の軌道)、熱エネルギーのばらつきが大きな収差
の原因とはなりえないことが分かる。ところが、飛散方
向のばらつきは大きな収差の原因となり、場合によって
は結像そのものが不可能になることが分かった。この解
析例を図6に示す。図6では前例と同様試料面で1μm離
れた3点から、垂直方向と上下に60度偏向した3方向の
イオン軌道を解析した結果を示したもので一点から出た
イオンの軌道は交わることなく、逆に同じ方向に飛散し
たイオンがあたかも同じ点から飛び出したようにふるま
うことが分かる。従来技術の説明で述べた高空間分解能
の投影方式のSIMSではContrast 絞りにより図6に示し
た特定の方向に飛散(実質的には試料面から垂直方向に
飛び出したイオンのみを透過させて空間分解能を確保す
るものである。したがって、必然的に感度については期
待できないことになる。
For this purpose, an electrostatic field / ion orbit analysis code SIMION (DA Dahl, INEL-95 / 0403, S
Ion trajectories were analyzed by numerical simulation using IMION3D, Version 6.0, 1995). As will be described later, the electrostatic lens system is composed of an Einzel lens, and a reflectron is provided in the middle to improve the mass resolution. When the ion trajectory is analyzed under the condition of (several mm), it can be seen that ions flying vertically from a point 1 μm apart on the sample surface 3 can be sufficiently separated at the detector as shown in FIG. At this time, the ion trajectory having 10% and 20% higher energy than the thermal energy corresponding to the boiling point was also analyzed (three orbits close to each other in the figure). It turns out that it cannot be the cause. However, it has been found that the dispersion in the scattering direction causes a large aberration, and in some cases, the imaging itself becomes impossible. FIG. 6 shows an example of this analysis. FIG. 6 shows the results of analyzing the ion trajectories in three directions deflected vertically and vertically by 60 degrees from three points 1 μm apart on the sample surface as in the previous example. The trajectories of ions emerging from one point do not intersect On the contrary, it can be seen that the ions scattered in the same direction behave as if they jumped out from the same point. In the SIMS of the projection method with high spatial resolution described in the description of the prior art, the Contrast diaphragm scatters in a specific direction shown in FIG. 6 (substantially transmits only ions that have protruded in the vertical direction from the sample surface to transmit spatial resolution. Therefore, the sensitivity cannot be expected inevitably.

【0023】イオンの飛散方向が大きいと収差が大きく
なる原因は図7によって次のように説明できる。試料表
面から飛び出したイオンは極めて短時間のうちは初期の
方向に飛び出すが、引き出し電極の電場で加速され十分
高速になった時点では実効的に電場の方向に沿った直線
運動をする。この結果、引き出し電極からみるとイオン
は初期の熱運動で移動した距離分だけずれた位置から飛
び出したように見える。引き出し電極がイオンを‘見て
いる‘位置を試料側の電極面と仮定し、この位置でのイ
オン軌道の接線の方向からイオンが飛んできたように見
えるという仮定のもとで、図7に示すような体系でイオ
ンの運動方程式を求め、飛びだし位置のみかけ上のずれ
dの表式を求め、このずれの2倍(隣あった点からのイ
オン軌道が重ならない)が空間分解能rsolを与えると考
えると。次式を得る。
The reason why the aberration increases when the scattering direction of the ions is large can be explained as follows with reference to FIG. The ions that fly out of the sample surface fly out in the initial direction for a very short time, but when they are accelerated by the electric field of the extraction electrode and become sufficiently high-speed, they effectively move linearly in the direction of the electric field. As a result, when viewed from the extraction electrode, the ions appear to have jumped out of the position shifted by the distance moved by the initial thermal motion. Assuming that the position where the extraction electrode 'sees' the ions is the electrode surface on the sample side, and assuming that the ions seem to have flew from the direction of the tangent to the ion trajectory at this position, FIG. The equation of motion of the ion is calculated using the system shown in the figure, and the apparent displacement of the starting position is apparently different.
It is assumed that the expression of d is obtained, and that twice this deviation (the ion orbits from adjacent points do not overlap) gives the spatial resolution r sol . The following equation is obtained.

【0024】[0024]

【数7】 (Equation 7)

【0025】ここで、 w = qV/Ev (相対加速エネル
ギー=電場による加速エネルギー/初期熱エネルギー) S = 空間分解能因子 α: 補正係数(数値シミュレーションの結果と比較す
る。) 上式から以下が結論できる。空間分解能は第一義的に引
き出し電極部の特性で決まり、 (1)イオンの許容飛散角と相対加速エネルギー、電極
距離の3変数のみで決定する。
Here, w = qV / Ev (relative acceleration energy = acceleration energy by electric field / initial heat energy) S = spatial resolution factor α: correction coefficient (compare with the result of numerical simulation) it can. The spatial resolution is primarily determined by the characteristics of the extraction electrode portion. (1) It is determined only by the three variables of the allowable scattering angle of ions, the relative acceleration energy, and the electrode distance.

【0026】(2)引き出し電極距離に比例する。(2) It is proportional to the extraction electrode distance.

【0027】(3)イオンの質量に依存しない。(3) It does not depend on the mass of ions.

【0028】(4)アブレーション時の温度に依存す
る。
(4) Depends on the temperature at the time of ablation.

【0029】式(7)の関係を相対エネルギーの関数と
して図示すると図8のようになる。
FIG. 8 shows the relationship of equation (7) as a function of relative energy.

【0030】例えば引き出し電極の電位差と異物の蒸発
温度が決まれば図8の下部のプロットから相対加速エネ
ルギーが決まる。これに対しどこまでの飛散角のイオン
を像結像にとりこむかを決定すれば図8の上半面から空
間分解能因子fが求まる。第(7)式の補正係数aは引き
出し電極のレンズ効果(焦点距離が3dの発散レンズ)
で発散角は2a/dに比例する。実際、開口2aがdに対し
大きいほど補正係数aは大きくなり、SIMIONのプロット
結果から読み取った範囲では図9に示すように開口2aと
線形関係がある。
For example, if the potential difference of the extraction electrode and the evaporation temperature of the foreign matter are determined, the relative acceleration energy is determined from the lower plot of FIG. On the other hand, if it is determined how far the scattering angle of ions should be taken into image formation, the spatial resolution factor f can be obtained from the upper half surface of FIG. The correction coefficient a in equation (7) is the lens effect of the extraction electrode (a divergent lens with a focal length of 3d).
And the divergence angle is proportional to 2a / d. Actually, as the opening 2a is larger than d, the correction coefficient a becomes larger, and has a linear relationship with the opening 2a as shown in FIG. 9 in the range read from the SIMION plot result.

【0031】上の評価結果から引き出し電極は極力試料
面に近いほど空間分解能は小さくできることを意味す
る。仮に補正係数1として印加電圧を2000V、蒸発
温度を2500℃とすると空間分解能は89°の飛散角
まで見込んでも0.01程度、すなわち、電極間隔を100μm
以下に制御できれば1μm以下、10μmまで接近させれば
0.1μmの空間分解能が期待できることになる。電極をこ
こまで近接した位置に配置する場合、まず問題になるの
は絶縁破壊であるが、10-4Torr以下の真空条件では絶縁
破壊電圧Vbは次式で求められる。
The above evaluation results indicate that the closer the extraction electrode is to the sample surface, the smaller the spatial resolution can be. Assuming that the applied voltage is 2000 V and the evaporation temperature is 2500 ° C. as the correction coefficient 1, the spatial resolution is about 0.01 even if the scattering angle is expected to be 89 °, that is, the electrode interval is 100 μm.
If it can be controlled below, if it approaches 1 μm or less, 10 μm
A spatial resolution of 0.1 μm can be expected. If placed in a position close to the electrode so far, the first becomes a problem is a breakdown, the breakdown voltage V b in the following vacuum conditions 10- 4 Torr obtained by the following equation.

【0032】[0032]

【数8】 (Equation 8)

【0033】dが10μmの時1897Vという値になり、この
場合およそ1500Vが印加できる電圧の最大値となる。
When d is 10 μm, the value is 1897 V. In this case, approximately 1500 V is the maximum value of the voltage that can be applied.

【0034】以上のように、絶縁破壊が起きない範囲で
試料面と引出し電極の間の間隔を小さくすることにより
感度を犠牲にせずに必要な空間分解能が得られることが
分かる。特に1μm以下の分析領域を想定するためには
空間分解能因子が実際に想定される条件では引出し電極
と試料の間隔を100μm程度以下に、また開口径は極力小
さくすれば良いことが分かる。
As described above, it can be seen that the required spatial resolution can be obtained without sacrificing sensitivity by reducing the distance between the sample surface and the extraction electrode within a range where dielectric breakdown does not occur. In particular, in order to assume an analysis region of 1 μm or less, it is understood that the space between the extraction electrode and the sample should be about 100 μm or less and the aperture diameter should be as small as possible under the condition where the spatial resolution factor is actually assumed.

【0035】[0035]

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
用いて具体的に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.

【0036】図1に本発明の微小異物/汚染部の分析装
置の全体像を示す。図1の例では装置全体は試料ステー
ジの駆動系、試料観察/レーザ照射部、TOF室(リフレ
クトロン10、検出器12、13を含む)から成る。レ
ーザ光散乱法などによりあらかじめ異物の位置、概略寸
法を確認した磁気デイスク、シリコンウエーハなどを真
空シャトルチャンバなどで搬送し、外気に曝すことなく
分析装置に導入し、異物の分析が可能となる。シャトル
チャンバを用いずに枚葉式の一貫生産装置の一部として
本装置を組み込むことも可能である。
FIG. 1 shows an overall view of the analyzer for analyzing fine foreign matter / contaminated portions according to the present invention. In the example of FIG. 1, the entire apparatus includes a sample stage drive system, a sample observation / laser irradiation unit, and a TOF chamber (including a reflectron 10, detectors 12, 13). A magnetic disk, a silicon wafer, or the like, in which the position and approximate dimensions of the foreign matter have been confirmed in advance by a laser light scattering method or the like, are transported in a vacuum shuttle chamber or the like, and introduced into the analyzer without being exposed to the outside air, so that the foreign matter can be analyzed. This apparatus can be incorporated as a part of a single-wafer integrated production apparatus without using a shuttle chamber.

【0037】全体的な特徴は、 1)極微小異物まで含めた異物の位置、形状の視認のた
めには、最小数nmの空間分解能を有する走査型電子顕微
鏡を用いる。本顕微鏡はレーザビームを試料面3に垂直
に入射し、イオンも同様に垂直に出射するため、電子顕
微鏡の電子銃15は試料室に斜めにとりつける。また、
電子顕微鏡により、イオン引出し電極9の試料3表面、
分析対象部との距離、位置関係を把握するため、2次電
子検出器16は電子銃の反対側でなく、電子銃に隣接し
た位置に配置する。試料の高い位置決め分解能を確保し
つつ、真空容器本体をコンパクトにするために、本実施
例ではX−Y−Z駆動機構にZ軸(垂直方向)の周りの回転
機構を加えた。すなわち、あるウェハの1/4面を走
査、分析をX−Y−Z駆動で終了後、ウェハを90°回転
し、次の1/4面を駆動する。このようにすることによ
り、X−Y(ウェハ面に平行)方向の駆動距離はウェハの
1/2で済、回転角の精度も0°、90°、180°、270°
の固定した4方向で済むため、試料台の該当する4方向
の外周に溝を切り押さえバネ等で固定すれば良い。ま
た、位置決めの分解能の良いX−Y走査を基本としなが
ら、R−θ走査のコンパクト性を併せもつことができ
る。
The overall features are as follows: 1) A scanning electron microscope having a spatial resolution of at least a few nm is used for visually recognizing the position and shape of a foreign substance including a very small foreign substance. In this microscope, a laser beam is perpendicularly incident on the sample surface 3 and ions are similarly emitted perpendicularly. Therefore, the electron gun 15 of the electron microscope is mounted obliquely in the sample chamber. Also,
Using an electron microscope, the surface of the sample 3 of the ion extraction electrode 9 was
In order to grasp the distance and the positional relationship with the analysis target part, the secondary electron detector 16 is arranged not at the side opposite to the electron gun but at a position adjacent to the electron gun. In this embodiment, a rotation mechanism around the Z axis (vertical direction) was added to the XYZ drive mechanism in order to make the vacuum vessel main body compact while ensuring high sample positioning resolution. That is, after scanning and analyzing a quarter surface of a certain wafer by XYZ drive, the wafer is rotated 90 ° to drive the next quarter surface. By doing so, the driving distance in the X-Y (parallel to the wafer surface) direction is only half that of the wafer, and the rotation angle accuracy is 0 °, 90 °, 180 °, 270 °.
Therefore, it is sufficient to cut a groove on the outer periphery of the sample table in the corresponding four directions and fix the groove with a holding spring or the like. In addition, it is possible to combine the compactness of the R-θ scan with the X-Y scan having a good positioning resolution.

【0038】2)前述したように、レーザビームをしぼ
る方法で空間分解能を確保することは困難である。そこ
で、異物の蒸発/イオン化は一定面積(例えば1μm径)
のレーザ光照射で行い、2次元イオン像を検出器端1
2、13で結像することにより所期の空間分解能を確保
する。イオン引出し電極9を試料にきわめて近接して配
置し、また電子銃15の先端も空間分解能を確保するた
めに20〜30mm以内に近接させる必要があるため、レーザ
ー集光用の光学系17は試料近くには配置できず、引出
し電極9、静電対物レンズ18の直上に配置する。レー
ザ光は引出し電極9、静電対物レンズ18の中空部を透
過させ、イオンは光学対物レンズ17の中心軸に沿って
あけた穴を透過させる。
2) As described above, it is difficult to secure a spatial resolution by a method of squeezing a laser beam. Therefore, evaporation / ionization of foreign matter is a fixed area (for example, 1 μm diameter)
Laser beam irradiation, and a two-dimensional ion image
The desired spatial resolution is ensured by imaging at 2 and 13. Since the ion extraction electrode 9 needs to be arranged very close to the sample, and the tip of the electron gun 15 needs to be close to within 20 to 30 mm to secure the spatial resolution, the optical system 17 for condensing the laser is It cannot be placed near, but is placed just above the extraction electrode 9 and the electrostatic objective lens 18. The laser beam passes through the extraction electrode 9 and the hollow portion of the electrostatic objective lens 18, and the ions pass through a hole formed along the central axis of the optical objective lens 17.

【0039】3)異物径がたとえば0.3μmから0.1μmと
3分の1になるとそれに含まれる分子数は27分の1に
なるため同一の信号出力レベルを得るためには3桁近い
感度の向上が必要である。本発明例ではアブレーション
用のレーザ19とイオン化用のレーザ20を分けて、蒸
発した分子をもう一度イオン化用のレーザで照射するポ
ストイオン化を採用した。レーザー光学系の代表例を図
10に示す。本発明では引出し電極に蒸気が到達するわ
ずかな時間(10〜数十ns)以内、望むらくは数ns以内に
ポストイオンレーザを照射する必要があるため、Nd−YA
Gレーザと変調器22を用いて2倍波、と5倍波を用い
光学的デイレイラインに24により極短時間の時間差で
の入射光を実現する。
3) When the diameter of the foreign matter becomes one third, for example, from 0.3 μm to 0.1 μm, the number of molecules contained therein becomes 1/27, and therefore, to obtain the same signal output level, the sensitivity is improved by almost three orders of magnitude. is necessary. In the example of the present invention, the laser 19 for ablation and the laser 20 for ionization are separated, and post-ionization in which the evaporated molecules are irradiated again with the laser for ionization is employed. FIG. 10 shows a typical example of a laser optical system. In the present invention, it is necessary to irradiate the post ion laser within a short time (10 to several tens of ns) when the vapor reaches the extraction electrode, and preferably within several ns.
The G laser and the modulator 22 are used to realize the incident light with a very short time difference by the optical delay line 24 using the second harmonic wave and the fifth harmonic wave.

【0040】試料面は結像レンズ28を介して、CCDカ
メラ31により観察可能とする。例えばポストイオン化
用にエキシマレーザ20を用いる等、別々なレーザを用
いても同様な方法で短時間ポストイオン化レーザ光の入
射が実現できる。レーザ光の入射は試料室に設けたガラ
ス窓を経由してイオンを通過させるための穴あきミラー
30により反射させ試料直上から入射する。ミラー30
に穴があいているため、レーザービームはエキスパンダ
27aにより拡大し、レンズ27bにより平行ビームにし
てからミラー30に入射し、光学系27により再度集束
する。TOF室のリフレクトロン10の直上にガラス窓を
設け、そこからレーザー光を入射しても良い。
The sample surface can be observed by the CCD camera 31 via the imaging lens 28. For example, even if different lasers are used, such as using the excimer laser 20 for post-ionization, the injection of the post-ionization laser light can be realized in a short time by the same method. The incident laser light is reflected by a perforated mirror 30 for passing ions through a glass window provided in the sample chamber, and is incident from just above the sample. Mirror 30
The laser beam is expanded by the expander 27a, converted into a parallel beam by the lens 27b, then incident on the mirror 30, and focused again by the optical system 27. A glass window may be provided directly above the reflectron 10 in the TOF room, and laser light may be incident therethrough.

【0041】本発明では必要な空間分解能を得るためと
りわけイオンの引き出し部が重要である。
In the present invention, in order to obtain a necessary spatial resolution, an ion extraction portion is particularly important.

【0042】引出し電極の一実施例を図11に示す。引
出し電極は試料面との予期せざる接触を防止するために
は電極は円錐形が望ましく、また、イオン像をできるだ
け初期に拡大した方が後段の静電レンズ系の収差対策の
負担が小さくなるため、引き出し電極9のすぐ裏面に第
2の電極63を配置し、結果として静電レンズを試料面
に極力近接させた構造が最適である。一方、2つの電極
をあまり近接させると絶縁破壊の問題が生じうるため、
1段目の引出し電極9と試料面3の電位差は絶縁破壊を
起こさない範囲でイオンに十分な運動エネルギーを与え
るものとし、2段目の電極63は絶縁破壊を起こさずに
十分な拡大率を得るため、減速レンズとする。減速した
ために熱エネルギーによる収差の拡大を防止するため、
絶縁破壊が問題にならない十分距離をおいた位置に加速
と拡大をかねてアインツエルレンズ18を配置する。さ
らに後段に飛散角の大きなイオンを除外してより一層よ
い収差を得るための絞り68を配置しても良い。各々の
電極は円筒状でテフロン(登録商標)、ポリイミド等の
絶縁体64により電気的に絶縁してクランプ65で固定
する。
FIG. 11 shows an embodiment of the extraction electrode. It is desirable that the extraction electrode be conical in order to prevent unexpected contact with the sample surface, and that the enlargement of the ion image as early as possible reduces the burden of countermeasures against aberrations in the subsequent electrostatic lens system. Therefore, a structure in which the second electrode 63 is disposed immediately behind the extraction electrode 9 and as a result, the electrostatic lens is brought as close as possible to the sample surface is optimal. On the other hand, if the two electrodes are too close together, a problem of dielectric breakdown may occur,
The potential difference between the first-stage extraction electrode 9 and the sample surface 3 gives a sufficient kinetic energy to the ions within a range that does not cause dielectric breakdown. The second-stage electrode 63 has a sufficient magnification without causing dielectric breakdown. In order to obtain a deceleration lens. To prevent the expansion of aberration due to thermal energy due to deceleration,
The Einzel lens 18 is arranged at a position where a sufficient distance does not cause dielectric breakdown to accelerate and expand. Further, a stop 68 may be provided at a subsequent stage to obtain better aberration by excluding ions having a large scattering angle. Each of the electrodes is cylindrical and is electrically insulated by an insulator 64 such as Teflon (registered trademark) or polyimide, and is fixed by a clamp 65.

【0043】さらに実施例ではピエゾステージ66を用
いて引出し電極の高精度位置制御を可能とし、対象とす
る異物の大きさに応じて視野、空間分解能を調整できる
ようにした。引出し電極9と2段目の電極63は別々に
位置、姿勢制御しても良い。図12には引出し電極の詳
細構造を示す。引出し電極はパイプの先端を円筒状の形
態にしたもので、円筒の先端に外径100mm程度あるいは
それ以下の穴を開けたものである。このような電極は例
えば銅製の棒に先端が円筒状になるようにしたドリルで
穴をあけた上で外から切削加工をすれば形成できる。ま
た、先端の穴は放電加工か集束レーザ加工、集束イオン
ビーム加工により形成することができる。電極にはリー
ド線接続用の端子を溶接等により接合する。図13に引
出し電極の別な実施例を示す。図の例では引出し電極
9、2段目の電極63、後段の加速/拡大レンズ系71
が絶縁体70を介して一体構造となっている。先端に絶
縁体でキャップをすれば、試料面と引出し電極の不用意
な接触を避けることができる。また、電極を絶縁体71
ではさみ込む構造でなく、絶縁体71の上の特定の位置
に蒸着/エッチング等の操作により電極膜を形成するこ
とによっても同様の構造とすることができる。
Further, in this embodiment, the piezo stage 66 is used to enable high-precision position control of the extraction electrode, so that the field of view and the spatial resolution can be adjusted according to the size of the target foreign matter. The position and posture of the extraction electrode 9 and the second-stage electrode 63 may be separately controlled. FIG. 12 shows a detailed structure of the extraction electrode. The extraction electrode is formed by making the end of a pipe into a cylindrical shape, and having a hole having an outer diameter of about 100 mm or less at the end of the cylinder. Such an electrode can be formed, for example, by drilling a hole in a copper rod with a cylindrical tip, and then performing cutting from the outside. Further, the hole at the tip can be formed by electric discharge machining, focused laser machining, or focused ion beam machining. Terminals for connecting lead wires are joined to the electrodes by welding or the like. FIG. 13 shows another embodiment of the extraction electrode. In the illustrated example, the extraction electrode 9, the second-stage electrode 63, and the subsequent acceleration / magnification lens system 71
Have an integral structure with an insulator 70 interposed therebetween. If the tip is capped with an insulator, careless contact between the sample surface and the extraction electrode can be avoided. Also, the electrode is made of an insulator 71
A similar structure can be obtained by forming an electrode film at a specific position on the insulator 71 by an operation such as vapor deposition / etching instead of a structure sandwiching the insulator 71.

【0044】このような体系に対しSIMION を用いて計
算した結果を図14に示す。図13からわかるように75
度の飛散角で電極間隔20mmの場合でも0.1μmの空間分解
能が実現できることが示されており、(7)式による単
純計算より2段目の電極63を用いてレンズを近接位置
に配したことによる収差の改善効果が得られている。装
置の制御系、信号処理系の概要を図15により説明す
る。ablation用のレーザー20、ポストイオン化用のレ
ーザー19のON/OFFは手動または自動シーケンサ43
により制御する。単一パルスで目標とする異物を一度に
蒸発しても、複数のパルスで少しずつ蒸発させてもどち
らでも良い。前者は一度に多くのイオンを生成できるた
めS/Nの点で有利である。後者は試料の非破壊性の点、
異物除去の終点の確認もできる点で有利である。
FIG. 14 shows the result of calculation using SIMION for such a system. As can be seen from FIG.
It has been shown that a spatial resolution of 0.1 μm can be achieved even when the electrode spacing is 20 mm with a scatter angle of degrees, and that the lens is located at a close position using the electrode 63 in the second stage based on simple calculation by equation (7). Has the effect of improving aberration. An outline of a control system and a signal processing system of the apparatus will be described with reference to FIG. ON / OFF of the laser 20 for ablation and the laser 19 for post-ionization is performed manually or automatically by the sequencer 43.
Is controlled by Either the target foreign matter may be evaporated at once with a single pulse, or the target foreign matter may be evaporated little by little with a plurality of pulses. The former is advantageous in terms of S / N because many ions can be generated at one time. The latter is the non-destructive point of the sample,
This is advantageous in that the end point of foreign matter removal can be confirmed.

【0045】レーザの出射はパワーメータ46への入力
で確認でき、パワーメータ46の出力により計測系、タ
イマー45のトリガをかけることができる。シーケンサ
43にあらかじめ収録したレーザ出射後の測定開始時間
と測定終了時間の間だけ、イオンビームをMCP12、イ
メージインテンシファイア付CCD13などの検出器に導
き、特定の質量/電荷比範囲のイオンパルスビーム電荷
量や2次元イオンイメージをデータロガー53、コンピ
ュータ60に取り込むことができる。SEMの2次電子像
を画像変換器61、ビデオアダプタ62等を介してコン
ピュータ60に取り込み、イオン像とSEM像を重ね合わ
すことにより、より明確な異物の猫像を得る。2次元イ
オン像の結像方法については、以下の幾通りかの手法が
適用できる。
The emission of the laser can be confirmed by input to the power meter 46, and the output of the power meter 46 can trigger the measurement system and the timer 45. The ion beam is guided to a detector such as the MCP 12 or the CCD 13 with the image intensifier only during the measurement start time and the measurement end time after laser emission recorded in the sequencer 43 in advance, and the ion pulse beam having a specific mass / charge ratio range is obtained. The charge amount and the two-dimensional ion image can be taken into the data logger 53 and the computer 60. The secondary electron image of the SEM is taken into the computer 60 via the image converter 61, the video adapter 62 and the like, and the ion image and the SEM image are superimposed to obtain a clearer cat image of the foreign matter. As a method of forming a two-dimensional ion image, several methods described below can be applied.

【0046】1)MCP/CCDを用いる方法:第1の例はMC
P(Micro Channel Plate)で特定チャネルに入射したイオ
ンから発生する電子なだれを蛍光物質を塗布したCCD(IC
CD)カメラ面に入射し、2次元光学像として捉える方式
である。この方式はCCDの画素数をNc、1画素の転送時
間をtcとすると1画面の取り込みにNctcかかることにな
り、現在最速のCCDカメラを用いても12000フレーム/秒
であり、1フレーム当りの時間分解能は数百ms弱であ
る。イオンが通常の条件でTOF旗の質量分析をする場合
のTOFは数〜数百msであるのでレーザ1ショットで高だ
か数種類の分子に絞ってイメージ像をかみとるのが限界
である。この場合、まずあらかじめ試料の正常面でスペ
クトルの校正を行った上で、異物に含まれる特定の分子
に狙いをしぼりその分子が通過するタイミングに合わせ
てブランカ42によりリフレクトロン10に導入して検
出部12、13でイメージ像を構成する。あるいは通常
はリフレクトロン10を通過させスペクトルをとりなが
ら該当する分子が飛来するタイミングに合わせてリフレ
クトロン10をOFFにし、直進するイオンによりTOF室頂
部に設けた検出器に結像させる。後者の手法の方が得ら
れる情報が多いことが利点であるがいずれにしても、異
物の構造について事前に何らかの判断が必要である。
1) Method using MCP / CCD: The first example is MC
An avalanche generated from ions incident on a specific channel with a P (Micro Channel Plate) CCD (IC
(CD) This is a method in which light enters the camera surface and is captured as a two-dimensional optical image. In this method, if the number of pixels of the CCD is N c and the transfer time of one pixel is t c , it takes N c t c to capture one screen, which is 12000 frames / sec even with the fastest CCD camera at present. The time resolution per frame is slightly less than several hundred ms. When the ion is subjected to mass spectrometry of the TOF flag under normal conditions, the TOF is several to several hundreds of ms, so that it is limited to focus on only a few types of molecules with a single shot of the laser to capture an image image. In this case, the spectrum is first calibrated in advance on the normal surface of the sample, and then the target is squeezed to a specific molecule contained in the foreign matter, and is introduced into the reflectron 10 by the blanker 42 according to the timing at which the molecule passes. The units 12 and 13 form an image image. Alternatively, usually, while passing through the reflectron 10 and obtaining a spectrum, the reflectron 10 is turned off in accordance with the timing at which the corresponding molecule comes in, and an image is formed on a detector provided at the top of the TOF chamber by ions traveling straight. The latter method has the advantage that more information can be obtained, but in any case, some judgment is necessary in advance regarding the structure of the foreign matter.

【0047】2)MCP/RAEを用いる方法:CCDの代わり
にRAE(Resistive Anodic Encoder)を用いる手法も可
能である。MCP12の後段にRAEを配置してMCPからの電
子を受け、4ヶ所の電極でその時の電気量を計測し、そ
の相対的な大小間系から電子の入射した場所を決定する
ものであるがデッドタイムが長く(例えば400ns)この
時間範囲内に複数のイオンが入射すると位置の特定が困
難になる。したがって、MCP/RAEでは飛来するイオンの
数が例えば1個/400ns以下になるようにイオンの発
生量を抑え、何回もの弱いレーザショットで信号を積分
してイメージ化するような工夫がいることになる。
2) Method using MCP / RAE: A method using RAE (Resistive Anodic Encoder) instead of CCD is also possible. A RAE is arranged at the latter stage of the MCP 12 to receive electrons from the MCP, measure the quantity of electricity at the four electrodes at that time, and determine the location where the electrons are incident from the relative large and small system. If the time is long (for example, 400 ns) and a plurality of ions are incident within this time range, it becomes difficult to specify the position. Therefore, in MCP / RAE, there is a device that suppresses the amount of ions generated so that the number of flying ions is, for example, 1/400 ns or less, and integrates a signal with many weak laser shots to form an image. become.

【0048】3)フレーミングカメラを用いる方法:画
像情報を最も高速で記録する手法としてフレーミングス
トリークカメラが知られている。これは毎秒数千万フレ
ームの記録を可能とする。原理は基本的には単純であ
る。すなわち、円筒状のドラム内面にフィルムを並べ、
中央に超高速で回転するミラーを配置するか固定した結
像レンズ系の周囲をドラムを超高速で回転させて像を順
に転写する方法である。この方法は高速であるが、情報
の信号化が直接はできないことや、高価であることが難
点である。将来的には固定ドラムの内面にフィルムの代
わりに2次元撮像アレイを並べるか、とったフィルムか
ら別途処理して電気信号化するような処理法も考えられ
る。
3) Method using a framing camera: A framing streak camera is known as a method for recording image information at the highest speed. This allows recording tens of millions of frames per second. The principle is basically simple. That is, films are arranged on the inner surface of a cylindrical drum,
In this method, an image is sequentially transferred by arranging a mirror rotating at a very high speed in the center or rotating a drum around a fixed imaging lens system at a very high speed. Although this method is fast, it is difficult to signal information directly and it is expensive. In the future, a two-dimensional imaging array may be arranged on the inner surface of the fixed drum instead of the film, or a processing method may be used in which the film is separately processed and converted into an electric signal.

【0049】本装置では異物を蒸発させながら分析を行
うため、異物の除去も実施していることになる。レーザ
ービームの入射エネルギーを低めに設定し、複数回のビ
ーム照射の結果を積算して分析を行うようにし、分析終
了後あるいは分析中に異物/汚染成分に特有のイオン成
分に着目してその出力の低減によって異物/汚染物除去
の確認をすれば良い。
In this apparatus, since the analysis is performed while evaporating the foreign matter, the foreign matter is also removed. The incident energy of the laser beam is set lower, the results of multiple beam irradiations are integrated, and the analysis is performed. After the analysis is completed or during the analysis, the ion component specific to the foreign substance / contamination component is focused on and output. It is sufficient to confirm the removal of foreign matter / contaminants by reducing the number of particles.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明によれば各種の高集積半導体デバ
イスの生産ラインにおいて微小異物の化学分析を行い迅
速に異物の発生源の特定、プロセスの改良に必要なデー
タが得られる他、異物の除去も可能であるため、被分析
体を生産ラインに再び戻すことも可能になる。
According to the present invention, chemical analysis of minute foreign matter is performed in a production line of various highly integrated semiconductor devices to quickly identify the source of the foreign matter and obtain data necessary for improving the process. Since removal is also possible, the analyte can be returned to the production line again.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例となる飛行時間型質量分析法
による微小異物/汚染部分析装置の全体構成図である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a minute foreign matter / contaminated portion analyzer by time-of-flight mass spectrometry according to an embodiment of the present invention.

【図2】2次元イメージ投影型SIMSの静電磁レンズ系を
示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a static electromagnetic lens system of a two-dimensional image projection SIMS.

【図3】レーザ照射時の被測定部における物理現象を概
念的に示す図である。
FIG. 3 is a diagram conceptually showing a physical phenomenon in a measured part at the time of laser irradiation.

【図4】レーザ照射時の蒸発温度とイオン/中性粒子の
熱運動速度と対応する1mm当たりの飛行時間の計算値の
一例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a calculated value of a flight time per 1 mm corresponding to an evaporation temperature and a thermal motion velocity of ions / neutral particles during laser irradiation.

【図5】レーザー誘起飛行時間型質量分析計におけるイ
オンの軌道計算結果の一例を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the results of ion trajectory calculation in a laser-induced time-of-flight mass spectrometer.

【図6】レーザ誘起飛行時間型質量分析計におけるイオ
ン軌道への初期の飛散方向の影響を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the influence of the initial scattering direction on the ion trajectory in the laser-induced time-of-flight mass spectrometer.

【図7】初期のイオンの飛散方向と空間分解能の関係を
引出し電極との位置関係から説明する図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining an initial relationship between the scattering direction of ions and a spatial resolution based on a positional relationship with an extraction electrode.

【図8】空間分解能(因子)を求める計算手順の一例を
示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a calculation procedure for obtaining a spatial resolution (factor).

【図9】空間分解能への引出し電極開口径の影響を示す
図である。
FIG. 9 is a diagram showing the influence of the opening diameter of the extraction electrode on the spatial resolution.

【図10】本発明のレーザ光学系の一実施例を示す図で
ある。
FIG. 10 is a diagram showing one embodiment of a laser optical system of the present invention.

【図11】本発明の静電対物/光学対物レンズ系の一実
施例を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing one embodiment of the electrostatic objective / optical objective lens system of the present invention.

【図12】本発明の引出し電極の詳細構造を示す図であ
る。
FIG. 12 is a view showing a detailed structure of an extraction electrode of the present invention.

【図13】本発明の引出し電極の別な実施例を示す図で
ある。
FIG. 13 is a view showing another embodiment of the extraction electrode of the present invention.

【図14】図1に示した全体構成で図11に示した引出
し電極を用いた場合のイオンの軌道計算例を示す図であ
る。
14 is a diagram illustrating an example of ion trajectory calculation when the extraction electrode illustrated in FIG. 11 is used in the overall configuration illustrated in FIG. 1;

【図15】本発明のレーザー系、静電レンズ系、イオン
検出部の制御系、信号処理系のブロック図を示す図であ
る。
FIG. 15 is a block diagram illustrating a laser system, an electrostatic lens system, a control system of an ion detection unit, and a signal processing system according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…イオン源、2…一次イオンレンズ系、3…試料、4
…引出し電極(Wehnelt電極)、5…イオン輸送電極
系、6…コントラストアパーチャ、7…結像レンズ系、
8…結像面、9…引出し電極、10…リフレクトロン、
11…中間レンズ、12…MCP、13…ICCD、1
4…シャトルチャンバ、15…電子銃、16…2次電子
検出器、17…光学対物レンズ、18…中間レンズ、1
9…ポストイオン化レーザ、20…ablation用レーザ、
21…ビームスプリッタ、22…変調器、23…ハーフ
ミラー、24…デイレイライン、25…ガイドレーザ、
26…レーザパワーメータ、27…ビームスプリッタ、
26…穴あきミラー、29…結像レンズ、30…対物レ
ンズ、31…CCDカメラ、32…レーザー光導入窓、
33…光学顕微鏡用観察窓、34…高真空ポンプ、35
…試料ステージ駆動用ベローズ、36…ゲートバルブ、
37…ターンテーブル、38…ウェハ、39…シャトル
チャンバ用真空ポンプ、40、41…真空粗引き用ポー
ト、42…ブランカ、43…シーケンサ、44…タイ
マ、45…時間/電圧変換器、46…レーザーパワーメ
ータ、47…ブランカ制御系、48…高圧直流電源、4
9…MCP信号処理系、50…ICCD信号処理系、5
1…試料ステージ、52…試料ステージ駆動系、53…
データロガー、54…SEM制御系、55…SEM画像
処理系、56…データ解析用ワークステーション、57
…ハードデイスク、58…フイルムプリンタ、59…プ
リンタ、60…データ処理用コンピュータ、61…画像
変換器、62…ビデオカード、63…電極、64…絶縁
体、65…クランプ、66…ピエゾステージ、67…ガ
イドレール、68…絞り、69…端子、70…絶縁体、
71…電極、72…アインツエルレンズ電極。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ion source, 2 ... Primary ion lens system, 3 ... Sample, 4
... Extraction electrode (Wehnelt electrode), 5 ... Ion transport electrode system, 6 ... Contrast aperture, 7 ... Imaging lens system,
8: imaging surface, 9: extraction electrode, 10: reflectron,
11 intermediate lens, 12 MCP, 13 ICCD, 1
4 Shuttle chamber, 15 Electron gun, 16 Secondary electron detector, 17 Optical objective lens, 18 Intermediate lens, 1
9 post-ionization laser, 20 laser for ablation,
21: beam splitter, 22: modulator, 23: half mirror, 24: delay line, 25: guide laser,
26: laser power meter, 27: beam splitter,
26: perforated mirror, 29: imaging lens, 30: objective lens, 31: CCD camera, 32: laser light introduction window,
33: observation window for optical microscope, 34: high vacuum pump, 35
... bellows for driving the sample stage, 36 ... gate valve,
37 turntable, 38 wafer, 39 vacuum pump for shuttle chamber, 40, 41 vacuum roughing port, 42 blanker, 43 sequencer, 44 timer, 45 time / voltage converter, 46 laser Power meter, 47: Blanker control system, 48: High voltage DC power supply, 4
9: MCP signal processing system, 50: ICCD signal processing system, 5
1: sample stage, 52: sample stage drive system, 53:
Data logger, 54: SEM control system, 55: SEM image processing system, 56: Workstation for data analysis, 57
... Hard disk, 58 ... Film printer, 59 ... Printer, 60 ... Data processing computer, 61 ... Image converter, 62 ... Video card, 63 ... Electrode, 64 ... Insulator, 65 ... Clamp, 66 ... Piezo stage, 67 ... Guide rail, 68 ... diaphragm, 69 ... terminal, 70 ... insulator,
71 ... electrode, 72 ... Einzel lens electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中野 朝雄 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 杉本 有俊 東京都青梅市新町六丁目16番地の3 株式 会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 水野 文夫 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器グループ内 Fターム(参考) 4M106 AA01 CA70 CB21 CB30 DH01 DH24 DH32 DJ04  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Asao Nakano 292, Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside Hitachi, Ltd.Production Technology Laboratory (72) Inventor Yutoshi Sugimoto 6-16, Shinmachi, Ome-shi, Tokyo (3) Inside the Device Development Center, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Fumio Mizuno 882, Omo, Oaza, Hitachinaka-shi, Ibaraki F-term in the Measuring Instruments Group, Hitachi, Ltd. 4M106 AA01 CA70 CB21 CB30 DH01 DH24 DH32 DJ04

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 メモリ、ASIC、液晶、デイスク、など半
導体デバイスの表面の微小部の異物または汚染部を含む
領域にデバイスの位置決め駆動装置によりレーザビーム
の照射スポットを合わせ、レーザビームを照射し、異物
または汚染部を蒸発、イオン化することにより、異物/
汚染部の化学組成、構造を分析し、必要に応じて除去す
る装置および工程を含むことを特徴とする半導体デバイ
スの製造方法。
1. A device positioning drive device aligns a laser beam irradiation spot with an area including a minute foreign matter or a contaminated portion on a surface of a semiconductor device such as a memory, an ASIC, a liquid crystal, a disk, and irradiates a laser beam. By evaporating and ionizing foreign matter or contaminated parts,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising an apparatus and a process for analyzing a chemical composition and a structure of a contaminated portion and removing the chemical composition and structure as necessary.
【請求項2】 上記請求項1の異物/汚染部の化学組
成、構造の測定方法として生成したイオンの外部電界中
の飛行時間によりイオンの質量を求める方法(以下「レ
ーザ誘起飛行時間型質量分析法」と称する)を用いるこ
とを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
2. A method for measuring the chemical composition and structure of the foreign matter / contaminated portion according to claim 1 wherein the mass of the ions is determined by the time of flight of the generated ions in an external electric field (hereinafter referred to as "laser-induced time-of-flight mass spectrometry"). A method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項3】 上記請求項1の異物/汚染の除去方法が
レーザビームの照射により、除去の確認が当該異物/汚
染部に特有の単数または複数のイオン成分の検出量があ
らかじめ定めた量以下になることを特徴とする半導体デ
バイスの製造方法。
3. The method for removing foreign matter / contamination according to claim 1, wherein the confirmation of removal is performed by irradiating a laser beam with a detection amount of one or a plurality of ion components specific to the foreign matter / contaminated portion being a predetermined amount or less. A method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項4】 上記請求項1の異物/汚染部の外径が1
Å以上0.3μm以下であることを特徴とする半導体デバイ
スの製造方法。
4. The foreign matter / contaminated portion according to claim 1 having an outer diameter of 1
A method for manufacturing a semiconductor device, which is not less than Å and not more than 0.3 μm.
【請求項5】 上記請求項1のレーザビームがデバイス
表面に対し垂直に入射することを特徴とする半導体デバ
イスの製造方法。
5. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the laser beam according to claim 1 is perpendicularly incident on a device surface.
【請求項6】 上記請求項1の異物/汚染の分析方法が
レーザビーム照射範囲内の特定の領域から放出されるイ
オンの位置と放出量の2つの情報を含む写像であること
を特徴とする半導体デバイスの製造方法。
6. The method for analyzing foreign matter / contamination according to claim 1, wherein the mapping is a map including two pieces of information of a position and an emission amount of ions emitted from a specific area within a laser beam irradiation range. A method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項7】 上記請求項1のデバイスの位置決めがあ
らかじめ定めた基準位置からの直交3次元軸に沿った距
離、および直交3次元軸の一つの軸の周りの回転角によ
ることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
7. The device according to claim 1, wherein the positioning of the device is based on a distance from a predetermined reference position along an orthogonal three-dimensional axis and a rotation angle around one of the orthogonal three-dimensional axes. A method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項8】 上記請求項1の異物/汚染部からのイオ
ンの引出し電極の試料面との距離が、印加電圧をVとし
た時に放電が起きない距離d1(=aV2、aは定数)以上で
あって結像する場合の空間分解能δを達成するための距
離d2(=bδ、bは検出部に到達するイオンの試料面から垂
直方向からの飛散角、電圧V、イオンの熱エネルギー、
引出し電極の開口等価径に依存する定数)以下であるこ
とを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
8. A distance d 1 (= aV 2 , where a is a constant) at which a discharge does not occur when an applied voltage is set to V, wherein a distance between the electrode for extracting ions from the foreign matter / contaminated portion and the sample surface according to claim 1 is V. ) Is the distance d 2 (= bδ, b is the scattering angle of the ions reaching the detector from the sample surface from the sample surface in the vertical direction, the voltage V, and the heat of the ions. energy,
A constant depending on the opening equivalent diameter of the extraction electrode) or less.
【請求項9】 上記請求項8の引出し電極先端と試料面
の間隔d2が100μm以下であることを特徴とする半導
体デバイスの製造方法。
9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the distance d 2 between the tip of the extraction electrode and the sample surface is 100 μm or less.
【請求項10】 上記請求項8の引出し電極が先端を三
角錐状にした中空状の形状であって、レーザビームを電
極の中空部を通過させることを特徴とする半導体デバイ
スの製造方法。
10. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the extraction electrode has a hollow shape with a triangular pyramid at the tip, and passes a laser beam through a hollow portion of the electrode.
【請求項11】 上記請求項8の引出し電極の試料面の
反対側に引出し電極と異なる電位の電極を1体以上隣接
して配置することを特徴とする半導体デバイスの製造方
法。
11. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: arranging at least one electrode having a potential different from that of the extraction electrode on the side opposite to the sample surface of the extraction electrode according to claim 8.
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