DE2304159A1

DE2304159A1 - Ionen-mikroanalysator

Info

Publication number: DE2304159A1
Application number: DE2304159A
Authority: DE
Inventors: Toshio Kondo; Hifumi Tamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-01-28
Filing date: 1973-01-29
Publication date: 1973-08-23
Also published as: JPS4879693A; JPS5246514B2; US3840743A

Description

Ionen-Mikroanalysator
(Priorität: 28. Januar 1972, Japan, ITr. 9866/72)

Die Erfindung "betrifft einen Ionen-Mikroanalysator zur Mässenanalyse von Sekundärionen, die durch. Bestrahlung einer Probe durch, einen Ionenstrahl erzeugt werden.

Ionen-Mikroanalysatoren können z.B. zur Analyse einer dünnen Oberflächenschicht einer Probe und zur Messung der Konzentrationsverteilung in Richtung der Tiefe einer Probe verwendet werden. Dabei ist der zuletzt genannte Verwendungszweck besonders wichtig, insbesondere zur Analyse von Eisen- und Stahlmaterialien, von Halbleitermaterialien, von Oberflächen-Behandlungsmaterialien, von Isolationsmaterialien, Oberflächenverschmutzungen, organischen Materialien usw. Zur Messung der Konzentrationsverteilung in Richtung der Tiefe einer Probe werden Ionen-Mikroanalysatoren bisher nicht angewendet. Hierbei treten insbesondere folgende Probleme auf: Messung einer Konzentrationsverteilung in Richtung der Tiefe einer Probe in einem Bereich von einem Oberflächenteil der Probe bis in eine verhältnismäßig tiefe Schicht von einigen Mikron bis einigen Hundert Mikron. Bei der Messung der Konzentrationsverteilung in Richtung der Tiefe der Probe wird eine Genauigkeit verlangt, die"geringer ist als einige Zehn A.

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Diese Probleme sind für zukünftige Untersuchungen von Oberflächen oder dünnen Oberflächenschichten einer Probe wichtig. Ihre Lösung durch die Analyse des Ionen-Mikroanalysators spielt eine wichtige Rolle in den oben erwähnten Gebieten im Zusammenhang mit der hohen Empfindlichkeit.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ionen-Mikroanalysator zu schaffen, der eine wesentlich erhöhte Analysegenauigkeit in Richtung der Tiefe einer Probe aufweist.

Der erfindungsgemäße Ionen-Analysator ist so aufgebaut, daß die Intensität wenigstens einer Elektronenlinse zur Fokussierung eines Ionenstrahls veränderlich ist, um hierdurch den Punkt durchmesser des lonenstrahls zu verändern, durch den die Probe bestrahlt wird.

Anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a Diagramme zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Dichte-^113:1 verteilung eines Primärionenstrahls und dem Ätzprofil einer durch den Ionenstrahl bestrahlten Probe;

Fig. 2a Diagramme zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegen- ^{und 2b} den Prinzips;
Fig. 3a die schematische Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens

zur Bildung von Ionenstrahlen wie in Fig. 2a; Fig. 3b ein Diagramm mit der Darstellung von Spannungen V₁ und

Vp, die einer Kondensatorlinse zugeführt werden, um Ionenstrahlen mit Intensitäten und Strahldurchmessern gemäß Fig. 2a zu erzeugen;
Fig. 4 die schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 5 in einem Diagramm die Meßergebnisse bei der Messung der Konzentrationsverteilung von Bor (B) in einer Siliziumprobe (Si) in Richtung der Tiefe der Probe.

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Wird ein aufgeladener Strahl durch ein geeignetes Linsensystem auf eine Probe fokussiert, so entspricht die Stromdichteverteilung des Strahls am Brennpunkt der sogenannten Gauß¹sehen Verteilung (Fig. 1a), wobei die Dichte im mittleren Teil hoch und im äußeren Teil niedrig ist. Wird ein Ionenstrahl mit einer solchen Verteilung auf eine Probe gerichtet, so erhält sie ein Ätzprofil gemäß Fig. 1b, das den Strahldichten entspricht. Werden die von der Probe emittiertenSekundärionen mittels eines Massenanalysators analysiert, so werden gleichzeitig die Sekundärionen von gegenüber dem Punkt G im mittleren Teil unterschiedlichen Tiefen, beispielsweise aus den Bereichen d und d¹ am Umfang gemessen. Daher ist die Meßgenauigkeit der Konzentrationsverteilung in Richtung der Tiefe, d. h. die Auflösung in Richtung der Tiefe, gering. Auch wenn die Probe mittels eines verhältnismäßig gleichförmigen Ionenstrahls bestrahlt wird, ist die Genauigkeit durch die Einflüsse des TJmfangsteils des Strahls nicht hoch. Diese Schwierigkeit tritt bei der Analyse dünner Filme und dünner Schichten im Oberflächenbereich einer Probe stark hervor.

Wie erwähnt, soll dieser Nachteil durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden. Erfindungsgemäß wird der Punktdurchmesser eines Ionenstrahls auf einer Probe mit der Zeit verändert. Zunächst wird die Oberfläche der Probe durch einen Ionenstrahl mit hohem Strom und großem Punkt bestrahlt, so daß eine große Fläche mittels Ionen geätzt wird. Darauf wird der Strahl schmäler gemacht, wobei der mittlere Teil des geätzten Bereichs durch den schmäleren Strahl bestrahlt wird. Die vom bestrahlten Teil emittierten Sekundärionen werden analysiert. Diese Arbeitsweise wird wiederholt, wodurch die Konzentrationsverteilung in Richtung der Tiefe sehr genau gemssen werden kann.

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Pig, 2a und 2b zeigen den hierbei auftretenden Zustand. In Fig. 2a sind die Intensitätsverteilungen 1 und 2 eines Strahls für den Fall dargestellt, daß" die Intensität einer elektrostatischen Linse 5 (Fig· 3a) gemäß Fig. 3b verändert wird.

Fig. 3a zeigt ein Linsensystem, mittels dessen ein Ionenstrahl von einer Ionenquelle 3 mittels der Kondenserlinse 5- und einer Objektivlinse 7 auf eine Probe 8 emittiert wird. Fig. 3b zeigt die an die Kondenserlinse 5 anzulegenden Spannungen. Werden die Rechteckspannungen V, und V« an die Kondeneerlinse 5 angelegt, so wird der Ionenstrahl entsprechend den ausgezogenen und gestrichelten Linien der Fig. 3a entsprechend den jeweils angelegten Spannungen fokussiert. Mit den so fokussierten Ionenstrahlen wird die Probe geätzt. In diesem Fall entsprechen die Intensitätsverteilungen der Strahlen auf der Probe den Kurven 1 und 2 (Fig. 2a). Werden die Rechteckspannungen an die Kondeneerlinse angelegt, so bildet sich auf der Probe das in Fig. 2b gezeigte Ätzprofil. Zu einer festen Zeit nach Beginn der Bestrahlung durch den Ionenstrahl erhält das Ätzprofil die in Fig. 2b mit 1* und 2' bezeichnete Form. Haeh einer weiteren Zeit ist die Form 1" und 2" erreicht. Der Wert Ad/d in Fig. 2b kann durch Änderung des Zeitverhältnisses t,/tp der Reehteekspannungen der Fig. 3b willkürlich verändert werden.

Auf diese Weise werden die analysierten Ausgänge der von den Ätzprofilen der Probe entsprechend den Spannungen V^ und V₂ emittierten Sekundärionen vom Massenanalysator abgegeben. Werden in diesem Fall die Ausgangssignale des Massenanalysators synchron zu den Intensitätsänderungen der Kondenserlinse oder mit den Rechteekspannungen aufgenommen, so können nur Ausgangssignale bei Linsenspannungen V^ oder V₂ erzeugt werden. Es ist daher möglich, nur die Teile 1·, 1" und 2^f, 2" (Fig. 2b) zu analysieren. So kann erfindungsgemäß die Analysegenauigkeit in Richtung der Tiefe durch Änderung des Zeitverhältnisses t₁/t₂ (Fig. 3b) beliebig gewählt werden.

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Pig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Mikroanalysators, der im wesentlichen aus einem Primär-Ionenstrahlungssystem und einem Massenanalysator mit doppelter Fokussierung besteht. Das primär ionenemittierende System besteht hauptsächlich aus einer Ionenkanone 26, einer Kondenserlinse 5, einer Blende oder Öffnung 6, einer Objektivlinse 7, einer Ablenkelektrode 9 und einer Schirmelektrode 25. Der von der Ionenkanone 26 emittierte Ionenstrahl Wird mittels der Kondenserlinse 5 und&er Objjektivlinse 7 auf eine: Probe 8 fokussiert. Die Fokussierung kann durch Änderung des elektrischen Potentials einer Zwischenelektrode 5' oder 7¹ der elektrostatischen Linse 5 bzw. 7 eingestellt werden. Insbesondere wird die Intensität des Strahls durch die Kondenserlinse 5 geändert. Die Bestimmung der zu analysierenden-Stelle auf der Probe erfolgt durch Bewegung der Probe oder durch Bewegung des Strahls durch die Ablenk elektrode 9.

Der Punktdurchmesser des Elektronenstrahls auf der Probe kann auf einen beliebigen Wert zwischen 1 /u und mehreren Hundert / geändert werden, und zwar durch entsprechende Kombination der Kondenser- und Objektivlinse.

Der Massenanalysator besteht aus einer Sekundärionen-Fangelektrode 10, einer elektrostatischen linse 11 zur Korrektur des Bahnverlaufs des Sekundärionenstrahls, einem Schlitz 13, einer ein elektrisches Feld erzeugenden Einrichtung 14, einem Schlitz 15, einer ein magnetisches Feld erzeugenden Einrichtung 16 mit einer nicht gezeigten Erregerspule, einem Schlitz 17, einem Schlitz 19, einem Elektronenvervielfacher 20, einem Verstärker 22, einem Aufzeichnungsgerät 23, einem Schalter 24 und Ablenkelektroden 12 und 18, die der Durchführung der vorliegenden Erfindung dienen.

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Die von der Probe emittierten Sekundärionen werden durch die Einrichtung 14 zur Erzeugung des elektrischen Feldes einer Energieselektion unterworfen. Darauf werden sie in die Einrichtung 16 zur Erzeugung des magnetischen Feldes geführt und darin analysiert. Das analysierte Ausgangssignal wird durch den Elektronenvervielfacher " 20 gemessen. Darauf wird das- Meßsignal durch den Verstärker 22 verstärkt und durch das Aufzeichnungsgerät 23 aufgezeichnet.

Die Spannungsquelle 31 besteht aus einem Abschnitt zur Erzeugung einer Linsenspannung S. und einem Abschnitt zur Erzeugung einer Rechteckspannung S₂, die mit der Linsenspannung synchronisiert ist oder eine Punktion derselben darstellt.

Die Intensität der Primärionen und der Durchmesser des Strahlpunktes Werden stufenförmig geändert. Synchron zu den stufenförmigen Änderungen wird das Potential der Ablenkelektrode 12 zwischen der Probe 8 und der Einrichtung 14 zur Erzeugung des elektrischer Feldes in Form von Rechteckwellen verändert. Somit werden die Sekundärionen zu bestimmten Zeiten und in bestimmten Zeit int ervallen gemessen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Rechteckspannung S₁ mit den Amplituden V.. und V₂ der Kondenserlinse 5 zugeführt. Der Ablenkelektrode 12 oder 18 wird die Rechteckspannung S₂ mit der Amplitude V, synchron mit der Spannung S^ zwischen den Zeiten t^ bis t₂ zugeführt, wodurch der Ein- oder Ausgang des Massenanalysators ein- oder ausgeschaltet wird. D.as heißt, nur wenn die Linsenspannung gleich V.. ist (t - t.., t₂ - t,, ,...), werden dem Massenanalysator Sekundärionen zugeführt oder das analysierte Ausgangssignal wird hiervon · abgeleitet bzw. erzeugt. Während der Zeiten t^ - t₂, t, - t., ...., während deren die Spannung V₂ anliegt, werden keine Sekundärionen eingeleitet oder das analysierte Ausgangssignal wird nicht weitergegeben.

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Ähnlich zur obigen Betriebsweise kann der Kondenserlinse 5 die Stufenspannung S^ zugeführt werden. Das Signal S₂ wird der Probe 8 und der Schirmelektrode 25 zugeführt. Somit wird das analysierte Ausgangssignal des Massenanalysators nur während der Perioden t_Q t», tp —. t~, *... erzeugt.

Wie bei der zuerst erläuterten Betriebsweise kann die Empfindlichkeit des Meßsystems synchron· zum Signal S, ein- und ausgeschaltet werden. Das Meßsystem besteht aus dem Elektronenvervielfacher 20, dem Verstärker 22 und dem Aufzeichnungsgerät 23. Beispielsweise kann die Verstärkung des Verstärkers J>2 geändert werden.

Wie bei der zuerst beschriebenen Betriebsweise können auch das elektrische PeId der Einrichtung 14 oder das magnetische PeId der Einrichtung 16 verändert werden. Hierdurch werden Ionen beliebiger Masse daran gehindert, durch den Schlitz 19 hindurchzutreten.

Der Massenanalysator braucht nur die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Feldes zu enthalten, die Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Peldes kann weggelassen werden. Die elektrostatischen Linsen können durch eine einzige linse ersetzt, werden. Ebenso können eine oder mehrere magnetische Linsen verwendet werden. Perner kann auch die Rechteckspannung S^ der Objektivlinse 7 oder der Kondenserlinse 5 und der Objektivlinse 7 zugeführt werden. Die Rechteckspannung S.. braucht nicht stets periodisch verändert zu werden, es ist lediglich eine zeitliche Änderung notwendig.

Pig. 5 zeigt ein Beispiel der nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren erzielten Ergebnisse. Die verwendete Probe Si bestand aus einem durch epitaktisches Wachstum erzeugten Siliziumplättchen. Sie enthielt in einer Oberflächenschicht von 0,5 /u eine Konzentrationsverteilung von Bor (B) in zwei Größenordnungen. In Pig. 5 stellt die Kurve (i) die theoretisch berechnete Konzen-, trationsverteilung von B dar. Die Kurve (ii) zeigt die auf bekannte

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Weise erhaltenen Meßergebnisse. Die Kurve (iii) zeigt die Meßergebnisse bei Anwendung der vorliegenden Erfindung. Wie sich aus Pig. 5 ergibt, unterscheiden die sich auf bekannte Weise erzielten Daten beträchtlich von den theoretischen Werten. Die Konzentrationsverteilung ist in Richtung der Tiefe stark vergrößert. Das bedeutet, daß die I onenstrom-Dicht evert eilung des Primärionenstrahls nicht' gleichförmig ist, so daß sich eine schlechte Auflösung in Richtung der Tiefe ergibt. Demgegenüber entsprechen die erfindungsgemäß gemessenen Meßwerte (Kurve (iii)) sfehr gut den theoretischen Werten und stellen genau die Konzentrationsverteilmng von B in Richtung der Tiefe dar.

Statt die Ausgangs signale des Massenanalysators synchron zur Intensitätsänderung der Kondenserlinse auszuführen, können im Weg des Sekundärionenstrahls von neuem elektrische und magnetische Felder gebildet und deren Intensitäten geäaaäert werden.

Patentansprüche

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Claims

DA-10 329 - ' PAIENIAlfSPRUOHB

1. J Ionen-Mikroanalysator mit einer Ionenquelle, mit wenigstens

einer Ionenlinse zur Fokussierung des Ionenstrahls auf eine Probe, • mit einer ersten Aböenkeinrichtung zur Ablenkung des Ionenstrahls, mit einem Massenanalysators zur Analyse der von der Probe durch das Auf treffen der Ionen emittierten Sekundärionen, und mit einer Meßeinrichtung zur .Messung der Ausgangssignale des Massenanalysators, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (31, S.) zur Veränderung der Intensität der Elektronenlinse (5).

2. lonen-Mikroanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Einrichtung (31) eine Spannungsquelle für ein erstes pulsierendes Signal (S^) zur Zufuhr eines ersten pulsierenden Signals zur Ionenlinse (5) enthält.

3. Ionen-Mikroanalysator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung (31» Sg) zur Änderung der Sekundärionen synchron zur Intensitätsänderung der Ionenlinse (5),

4. Ionen-Mikroanalysator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine dritte Einrichtung (14, 16) zur periodischen Änderung der Intensität des Kassenahalysators synchron zur Intensität sänderung der Ionenlinse (5).

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5. Ionen-Mikröanalysätor nach Anspruch 2,. gekennzeichnet durch eine vierte Einrichtung (18) zur Änderung des Aus-

. gangssignals des Massenanalysators synchron zur Intensitätsänderung der Ionenlinse (5).

6. Ionen-Mikroanalysator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine fünfte Einrichtung (8, 10) zur Änderung der Empfindlichkeit der Meßeinrichtung (20, 22, 23) synchron zur Intensität sänderung der lonenlinse (5) .

7. Ionen-Mikroanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ι daß die lonenlinse (5) drei parallel zueinander angeordnete Elektroden enthält, deren mittlere mit der ersten Einrichtung (31) verbunden ist.

8. Ionen-Mikroanalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Einrichtung eine zweite Ablenkeinrichtung (12) enthält, die zwischen der Probe (8) und dem Massenanalysator angeordnet ist und zur Ablenkung der Sekundärionen dient, und daß die zweite, ein pulsierendes Signal erzeugende Einrichtung zur Zufuhr eines zweiten pulsierenden • Signale zur zweiten Ablenkeinrichtung ein zum ersten pulsierenden Signal synchrones Signal erzeugt.

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9. Ionen—Mikroanalysator nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet , daß der Massenanalysator eine Einrichtung (14) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes und eine Einrichtung (16) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes enthält, und daß die dritte Einrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten pulsierenden Signals enthält, das synchron zum ersten pulsierenden Signal der Einrichtung (14) zur Erzeugung des elektrischen Feldes zugeführt wird.

10. Ionen-Mikroanalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Massenanalysator eine Einrichtung

(14) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes und eine Einrichtung (16) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes enthält, und daß die dritte Einrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten pulsierenden Signals enthält, das synchron zum ersten pulsieren-: den Signal der Einrichtung (16) zur Erzeugung des magnetischen Feldes zugeführt wird.

11. Ionen-Mikroanalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die vierte Einrichtung eine dritte Ablenkeinrichtung (18) enthält, und daß die Signalquelle zur Erzeugung des zweiten pulsierenden Signale synchron zum ersten pulsierenden Signal der dritten Ablenkeinrichtung das zweite pulsierende Signal zuführt.

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12. Ionen-Mikroanalysator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η

zeichnet, daß die erste Einrichtung (31) die Intensität der Elektronenlinse (5) periodisch ändert.

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