DE102015203847B4

DE102015203847B4 - Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102015203847B4
Application number: DE102015203847.5A
Authority: DE
Inventors: c/o IP Div. Toshiba Corp. Yorisaki Toma
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2035-03-05
Also published as: JP6180974B2; US20150270112A1; DE102015203847A1; US9299552B2; JP2015176848A

Abstract

Eine Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung (10), umfassend: einen Probentisch (20), welcher eine Probe (W), welche ein Massenspektrometer-Ziel ist, hält und eine Temperatursteuereinrichtung (21) für die Probe (W) umfasst; eine Ionenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung (30), welche einen Ionenstrahl (P) auf die durch den Probentisch gehaltene Probe (W) zum Erzeugen von neutralen Teilchen strahlt; eine Laserbestrahlungsvorrichtung (40), welche die neutralen Teilchen mit Laserlicht (G) zum Erhalten von photo-erregten Ionen bestrahlt; eine Zugelektrode (51), welche die photo-erregten Ionen herauszieht; ein Massenspektrometer (50), welches die herausgezogenen photo-erregten Ionen einzieht und eine Massenanalyse ausführt; einen Antriebssystem-Spiegel (62), welcher so vorgesehen ist, dass er in einen Laserlichtpfad zwischen der Laserbestrahlungsvorrichtung (40) und dem Probentisch (20) hinein oder aus diesem heraus bewegt werden kann, und das Laserlicht (G) reflektiert, wenn der Antriebssystem-Spiegel (62) in dem Laserlichtpfad positioniert ist; und einen Profiler (60), welcher in einer reflektierenden Richtung des Antriebssystem-Spiegels (62) angeordnet ist und ein Merkmal des Laserlichts (G) erkennt.

Description

GEBIET
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung.
HINTERGRUND
In den vergangenen Jahren wurde eine Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung entwickelt, welche eine Vorrichtung für einen fokussierten Ionenstrahl und eine Vorrichtung für eine Laseroszillation verwendet. In dieser Vorrichtung wird ein in einer Spalte innerhalb einer Ionenstrahl-Vorrichtung erzeugter Ionenstrahl auf einen bestimmten Bereich einer Probe zum Durchführen von Sputtern gestrahlt. Ein Laser wird auf neutrale Teilchen, welche in der obigen Weise gesputtert wurden, gestrahlt und gemäß einer Ionenstrahlabtastung erzeugte neutrale Teilchen werden durch ein Massenspektrometer zum Erhalten eines Abtastbilds gemäß einer Masse getrennt/erkannt (siehe zum Beispiel Patentdokumente 1 und 2).

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 07-161331 ( JPH07161331 A )
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 10-132789 ( JPH10132789 A )

In von einer Vorrichtung für einen fokussierten Ionenstrahl bereitgestellten Laser-SNMS-Messungen ist ein Strahldurchmesser eines primären Ionenstrahls wenige 10 Nanometer (nm) klein, und ist daher anfällig für eine Verunreinigung durch Wasser, Sauerstoff, Kohlenwasserstoff, etc., welche auf der Oberfläche einer Messprobe verteilt sind, wenn dies mit einer sekundären Ionen-Massenspektrometer-Vorrichtung verglichen wird. Daher würden sich selbst innerhalb ein und derselben Probe die Quantifizierungsergebnisse eines erkannten Elements in Abhängigkeit davon unterscheiden, worauf der primäre Ionenstrahl gestrahlt wird. Daher wäre es schwierig, eine Reproduzierbarkeit mit einer hohen Genauigkeit aufrecht zu erhalten.
Da der primäre Ionenstrahldurchmesser in den oben genannten Laser-SNMS-Messungen klein ist, wird die Ionisierungsrate der neutralen Teilchen in einer Postionisierung leicht dadurch beeinflusst, worauf der Laser gestrahlt wird. Da sich der Ionisierungsquerschnitt in Abhängigkeit von dem Element unterscheiden würde, ist es notwendig, die Position des Laser-Kondensierungspunkts genau festzustellen und zu steuern, wenn eine Messung ausgeführt wird. Allerdings war es, da die Position des Laser-Kondensierungspunkts durch den Signalbetrag der durch das Massenspektrometer erkannten Ionen gesteuert wird, unmöglich, Faktoren wie beispielsweise eine Primärionenstrahlbestrahlung, Laserbestrahlung und Einzugstiming-Bedingungen eines sekundären Ions zu trennen und Laserbestrahlung-Bedingungen zwischen den Messproben zu vereinheitlichen. Daher war es schwierig, die Quantitativität von Messungen aufrecht zu erhalten.
In den vergangenen Jahren wurde bei Messungen mittels eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometers (Time to Fly Secondary Ion Mass Spectrometer-TOF-SIMS), bei welchem fokussierte Ionenstrahlen (Focused Ion Beams-FIB) die primären Ionenstrahlen sind, und einer Laser-SNMS-Vorrichtung, eine Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung, welche eine Quantitativität von Messungen durch Vereinheitlichen von Laserbestrahlung-Bedingungen zwischen Messproben aufrecht erhält, was in einer hohen Sensitivität und einer hohen Reproduzierbarkeit resultiert, benötigt.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Diagramm, welches Vorbereitungsvorgänge vor einer Messung an der Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung zeigt.
3 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis eines Ausführens einer Laser-SNMS-Messung an einem Si-Trägermaterial in der Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung zeigt.
DETAILBESCHREIBUNG
Eine Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform umfasst einen Probentisch, welcher eine Probe, welche ein Massenspektrometer-Ziel ist, hält und eine Temperatursteuereinrichtung für die Probe umfasst, einen Ionenstrahl, welcher auf die durch den Probentisch gehaltene Probe zum Erzeugen von neutralen Teilchen gestrahlt wird, eine Laserbestrahlungsvorrichtung, welche die neutralen Teilchen mit einem Laser zum Erhalten von photo-erregten Ionen bestrahlt, eine Zugelektrode, welche die photo-erregten Ionen herauszieht, ein Massenspektrometer, welches die herausgezogenen photo-erregten Ionen einzieht und eine Massenanalyse ausführt, einen Antriebssystem-Spiegel, welcher einziehbar in einem Laserlichtpfad zwischen der Laserbestrahlungsvorrichtung und dem Probentisch vorgesehen ist und den Laser reflektiert, wenn dieser in dem Laserlichtpfad positioniert ist, und einen Profiler, welcher in einer reflektierenden Richtung des Antriebssystem-Spiegels angeordnet ist und ein Merkmal des Lasers erkennt.
1 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt, 2 ist ein Diagramm, welches Vorbereitungsabläufe vor einer Messung an der Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung 10 zeigt, und 3 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis eines Ausführens einer Laser-SNMS-Messung an einem Silizium-Trägermaterial in der Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung 10 zeigt.
Die Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung 10 umfasst einen Probentisch 20, welcher innerhalb einer Vakuumkammer etc. untergebracht ist und eine Probe W, welche ein Analyseobjekt ist, hält, eine Ionenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung 30, welche oberhalb des Probentisches 20 angeordnet ist und einen Ionenstrahl P auf die Probe W zum Erzeugen von neutralen Teilchen strahlt, eine Laserbestrahlungsvorrichtung 40, welche einen Laser G in einen Raum Q, direkt oberhalb des Probentischs 20, strahlt, eine Massenspektrometer-Vorrichtung 50, welche in der Nähe des Raums Q angeordnet ist und die neutralen Teilchen zum Ausführen einer Massenanalyse einzieht, und eine Profilvorrichtung 60, welche oberhalb des Probentisches 20 vorgesehen ist.
Eine Temperatursteuereinrichtung 21 ist an dem Probentisch 20 zum Einstellen der Temperatur der Probe W angebracht. Die Temperatursteuereinrichtung 21 ist mit einem erhitzenden Heizelement 22 und einem kühlenden Reservoir 23 verbunden. Die Temperatur wird gesteuert durch Zuführen von Energie zu dem erhitzenden Heizelement 22, wenn geheizt wird, und Zuführen einer Kühlflüssigkeit (zum Beispiel flüssiger Stickstoff) zu dem Kühlreservoir 23, wenn gekühlt wird.
Die Ionenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung 30 umfasst eine Ionenstrahl-Erzeugungsvorrichtung 31, welche primäre Ionenstrahlen P erzeugt, und eine elektrostatische Linse 32, welche die primären Ionenstrahlen P zusammenführt.
Die Laserbestrahlungsvorrichtung 40 umfasst eine Pulslaser-Erzeugungseinheit 41 und eine Linse 42, welche einen von dieser Pulslaser-Erzeugungseinheit 41 erzeugten Laser G kondensiert. Die neutralen Teilchen, welche mit dem Laser G bestrahlt werden, werden ionisiert und werden photo-erregte Ionen.
Die Massenspektrometer-Vorrichtung 50 umfasst eine Auszugselektrode 51, an welche eine Spannung angelegt wird und welche die photo-erregten Ionen heraus zieht, eine Massentrenneinheit 52, welche ein magnetisches Feld oder ein elektrisches Feld zum Ausführen einer Massentrennung an den herausgezogenen photo-erregten Ionen verwendet, eine Ionenerkennungseinheit 53, welche die Masse von getrennten photo-erregten Ionen erkennt und diese elektrisch pulsiert, und eine Pulszähleinheit 54, welche elektrische Pulse zählt.
Die Profilvorrichtung 60 umfasst eine Haltevorrichtung 61, welche entfernbar in einem Laserlichtpfad zwischen der Linse 42 und dem Probentisch 20 vorgesehen ist, einen Antriebssystem-Spiegel 62, welcher an dieser Haltevorrichtung 61 vorgesehen ist und den von der Linsen 42-Seite erhaltenen Laser G reflektiert, wenn dieser in dem Laserlichtpfad positioniert ist, und einen Profiler 63, welcher ein CCD etc. umfasst, welches das reflektierte Licht des Lasers G von dem Antriebssystem-Spiegel 62 misst. Der Abstand zwischen dem Antriebssystem-Spiegel 62 und dem Profiler 63 ist gleich dem Abstand zwischen dem Antriebssystem-Spiegel 62 zu dem Zentrum des Probentisches 20 eingestellt.
Die in der obigen Weise konfigurierte Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung 10 führt eine Einstelloperation und eine Massenanalyse aus. Wie in 2 gezeigt, umfasst die Einstelloperation ein Einstellen der primären Ionenstrahlen P vor einer Messung (ST1) und Einstellen der Messposition (ST2). Nachfolgend wird das erhitzende Heizelement 22 des Probentisches 20 zum Feststellen des Zustands der Oberfläche der Probe W und zum Ausführen einer Reinigung betrieben. Das durch Aufheizen des Messbereichs durch das Heizelement 22 abgelöste Probenoberflächen-Haftmolekül wird durch den Laser G ionisiert, dann dessen Masse analysiert, um den Zustand der Proben W-Oberfläche festzustellen. 3 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis eines Ausführens einer Laser-SNMS-Messung an einem Silizium-Trägermaterial in der Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung 10 zeigt. Das Messergebnis mittels eines normalen Messverfahrens wird als Si dargestellt und die durch Stoppen der Ionenstrahlen in diesem Messverfahren ausgeführte Messung wird als Ionenstrahl-Aus dargestellt. In dem Zustand Ionenstrahl-Aus wurden H₂O, C, CO N₂ etc. erkannt, was Restgase innerhalb der Vakuumkammer sind. Nachfolgend wird durch Steuern der Temperatur der Probe W die Messbedingung vereinheitlicht (ST3). Die Probe W wird mittels eines erhitzenden Heizelements 22 in der oben genannten Weise erhitzt. Allerdings wird, um die Temperatur zu erniedrigen, eine Kühlflüssigkeit in das kühlende Reservoir 23 eingeleitet.
Nachfolgend wird der Antriebssystem-Spiegel 62 mittels der Haltevorrichtung 61 eingestellt, der Laser G wird reflektiert und der Profiler 63 wird zum Feststellen der Position eines Kondensierungspunkts des Lasers G und der Intensitätsverteilung des Lasers dreidimensional in einer Koordinate installiert. Dies wird es erlauben den Kondensierungspunkt des Lasers G mit Bezug zu der Bestrahlungsposition der primären Ionenstrahlen P mit hoher Genauigkeit einzustellen (ST4). Die obige Operation wird die Genauigkeit einer Massenanalyse und eine Reproduzierbarkeit verbessern. Wenn die Einstelloperation abgeschlossen ist, wird eine Messung ausgeführt (ST5).
Mit anderen Worten werden die primären Ionenstrahlen P von der Ionenstrahl-Erzeugungsvorrichtung 31 erzeugt. Nachdem die primären Ionenstrahlen P mittels der elektrostatischen Linse 32 zusammengeführt sind, kollidieren diese mit der Oberfläche der Probe W. Diese Kollision wird veranlassen, dass die neutralen Teilchen von der Oberfläche der Probe W abgesondert werden und in dem Raum direkt oberhalb des Probentisches 20 schweben. Unterdessen wird der von der Pulslaser-Erzeugungseinheit 41 erzeugte Laser G durch die Linse 42 kondensiert und auf die neutralen Teilchen gestrahlt. Die neutralen Teilchen werden in der Nähe des Brennpunkts des Lasers G ionisiert und werden photo-erregte Ionen. Die photo-erregten Ionen werden durch die Auszugselektrode 51, an welche Spannung angelegt wird, herausgezogen und werden durch die Massentrenneinheit 52 der Masse nach getrennt. Weiter werden die photo-erregten Ionen durch die Ionenerkennungseinheit 53 erkannt und elektrisch pulsiert. Dieser elektrische Puls wird durch die Pulszähleinheit 54 zum Analysieren der Probe W gezählt.
Nachdem die Analyse von einer bis zu einer Vielzahl von Proben W abgeschlossen ist, wird, um eine Quantifizierung der Messung aufrecht zu erhalten, wodurch eine hohe Sensitivität und Reproduzierbarkeit gesteigert wird, der oben erwähnte Ablauf aus ST4 ausgeführt und die Laserbestrahlungsvorrichtung 40 wird eingestellt.
In der in der obigen Weise konfigurierten Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Profilvorrichtung 60 zum Einstellen des Kondensierungspunkts des Lasers G mit hoher Genauigkeit zum Aufrechterhalten einer Quantitativität der Messung verwendet, wodurch eine hohe Sensitivität und eine hohe Reproduzierbarkeit ermöglicht werden.

Claims

Eine Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung (10), umfassend: einen Probentisch (20), welcher eine Probe (W), welche ein Massenspektrometer-Ziel ist, hält und eine Temperatursteuereinrichtung (21) für die Probe (W) umfasst; eine Ionenstrahl-Bestrahlungsvorrichtung (30), welche einen Ionenstrahl (P) auf die durch den Probentisch gehaltene Probe (W) zum Erzeugen von neutralen Teilchen strahlt; eine Laserbestrahlungsvorrichtung (40), welche die neutralen Teilchen mit Laserlicht (G) zum Erhalten von photo-erregten Ionen bestrahlt; eine Zugelektrode (51), welche die photo-erregten Ionen herauszieht; ein Massenspektrometer (50), welches die herausgezogenen photo-erregten Ionen einzieht und eine Massenanalyse ausführt; einen Antriebssystem-Spiegel (62), welcher so vorgesehen ist, dass er in einen Laserlichtpfad zwischen der Laserbestrahlungsvorrichtung (40) und dem Probentisch (20) hinein oder aus diesem heraus bewegt werden kann, und das Laserlicht (G) reflektiert, wenn der Antriebssystem-Spiegel (62) in dem Laserlichtpfad positioniert ist; und einen Profiler (60), welcher in einer reflektierenden Richtung des Antriebssystem-Spiegels (62) angeordnet ist und ein Merkmal des Laserlichts (G) erkennt.
Die Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Temperatursteuereinrichtung (21) ein erhitzendes Heizelement (22) und ein kühlendes Reservoir (23) umfasst und die Temperatur durch Zuführen von Energie an das erhitzende Heizelement (22) oder durch Zuführen einer Kühlflüssigkeit zu dem kühlenden Reservoir (23) steuert.
Die Neutral-Teilchen-Sputter-Massenspektrometer-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen dem Antriebssystem-Spiegel (62) und dem Profiler (60) gleich dem Abstand zwischen dem Antriebssystem-Spiegel (62) und dem Zentrum des Probentischs (20) ist.