DE69919625T2 - Ionenstreuungsspektrometer - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ionenstreu-Spektrometer, in dem eine Probe mit einem beschleunigten Ionenstrahl bombardiert wird, und von der Probe verstreute Teilchen gemessen werden, um die Probe zu analysieren, und insbesondere auf ein Ionenstreu-Spektrometer, das die Analyse einer in einem Gas angeordneten Probe ermöglicht.
• Bisher ist ein Ionenstreu-Spektrometer bekannt, bei dem eine Probe mit einem beschleunigten Ionenstrahl bombardiert wird, und bei dem von der Probe verstreute Teilchen erfasst werden, um die Struktur der Probe zu analysieren.
• Außerdem ist bei einer solchen Ionenstreu-Spektroskopie ein Flugzeit-Analyseverfahren bekannt, welches die Flugzeit der Partikel misst, um die Geschwindigkeit (Energie) der Partikel zu analysieren. Eine solche Flugzeit-Analysemethode führt mit dem Unterschied der Ankunftszeiten der gleichzeitig von der Probe verstreuten Partikel Energieanalysen durch. Demgemäß kann die Energieanalyse durchgeführt werden, ohne davon abhängig zu sein, ob das Teilchen eine elektrische Ladung aufweist oder nicht.
• Die Art des bei der Ionenstreu-Spektroskopie verwendeten Detektors unterscheidet sich je nach der Energie oder dergleichen der zu messenden Partikel. Im allgemeinen wird eine Mikrokanalplatte (MCP = Micro Channel Plate) angewandt, wenn Partikel niedriger Energie (ca. mehrere keV) oder mittlerer Energie (ca. mehrere hundert keV) gemessen werden. Ferner wird ein Halbleiterdetektor angewandt, wenn Partikel hoher Energie (ca. mehrere MeV) gemessen werden.
• Bei dem vorgenannten Ionenstreu-Spektrometer können die verstreuten Ionen niedriger Energie oder mittlerer Energie mit der Mikrokanalplatte (MCP) als Detektor gemessen werden. In diesem Fall ist es erforderlich, damit ein aus dieser Mikrokanalplatte (MCP) bestehender Detektor richtig arbeitet, dass die Umgebung des Detektors ein starkes Vakuum von ca. 10^–7 torr oder weniger aufweist. Auch wenn ein Halbleiterdetektor, der in einem geringen Vakuum (ca. 0,1 Torr) angewandt werden kann, eingesetzt wird, muss die Umgebung des Detektors auf ein hohes Vakuum evakuiert sein, falls ein verwendetes Gas mit dem Detektor reagiert. Demgemäß wird bisher die Umgebung einer Probe ebenfalls entsprechend diesem Umstand einem starken Vakuum ausgesetzt und eine Messung der Probe wird unter einem starken Vakuum durchgeführt.
• Wie oben beschrieben wurde, misst ein herkömmliches Ionenstreu-Spektrometer, insbesondere ein Ionenstreu-Spektrometer zur Analyse bei niedriger Energie oder mittlerer Energie eine Probe unter einem starken Vakuum. Ein Spektrometer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus US-A-5 447 614 bekannt.
• Falls jedoch ein Ionenstreu-Spektroskopieverfahren bei der Analyse einer Probe unter einem reduzierten atmosphärischen Druck (beispielsweise von ca. 10^–2 bis 10^–3 torr, wobei eine bestimmte Gasmenge vorhanden ist, angewandt werden kann, beispielsweise bei der Analyse eines Zustands einer Schicht während einer Aufdampfbeschichtung oder dergleichen, kann ein Ionenstreu-Spektrometer bei der Überwachung einer Schicht während der Schichtbildung verwendet werden. Somit kann der Anwendungsbereich des Ionenstreu-Spektrometers stark erweitert werden.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ionenstreu-Spektrometer bereitzustellen, das in der Lage ist, eine in einer Gasatmosphäre, wie z.B. einem Gas zur Schichtbildung angeordnete Probe zu analysieren.
• In der vorliegenden Erfindung wird ein Ionenstreu-Spektrometer gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 beansprucht.
• 1 ist ein Diagramm zur schematischen Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
• 2 ist ein Diagramm zur schematischen Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Im folgenden wird ein Ionenstreu-Spektrometer der vor liegenden Erfindung detailliert anhand von Ausführungsformen beschrieben, in denen die Flugzeit-Analysemethode bei der Analyse der Geschwindigkeit (Energie) der Partikel angewandt wird, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Hierbei analysiert das Flugzeit-Analyseverfahren die Energie der Partikel infolge des Unterschieds der Flugzeit der Partikel, die gleichzeitig verstreut werden.
• 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Ausführungsform eines Ionenstreu-Spektrometers der vorliegenden Erfindung. In der Figur bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Ionenquelle und einen Beschleuniger, die Bezugsziffer 2 bezeichnet einen Detektor, die Bezugsziffern 3 und 4 bezeichnen Öffnungen, die Bezugsziffer 5 bezeichnet eine Probenkammer, die Bezugsziffer 6 bezeichnet eine Probe, die Bezugsziffer 7 bezeichnet eine Gaszuführeinheit, die Bezugsziffer 8 bezeichnet einen Vakuummesser und die Bezugsziffer 9 bis 12 bezeichnen Abgaseinheiten.
• Die Ionenquelle und der Beschleuniger 1 erzeugen vorgeschriebene Ionen an der Ionenquelle und beschleunigen die Ionen bis zu einer vorgeschriebenen Energie, um einen Impulsstrahl von Ionen von vorgeschriebener Energie zu erzeugen. Der Impulsstrahl der Ionen durchläuft ein im Zentrum des Detektors 2 gebohrtes kreisförmiges Loch 2t, um die Probe 6 in der Probenkammer 5 durch die Öffnungen 4 und 3 zu bestrahlen. Anschließend werden die von der Probe 6 verstreuten und am Detektor 2 durch die Öffnungen 3 und 4 ankommenden Partikel durch diesen Detektor 2 erfasst.
• Übrigens besteht der Detektor 2 aus einer Mikrokanalplatte (MCP).
• Außerdem wird der Probenkammer 5, in der die Probe 6 angeordnet ist, ein vorgeschriebenes Gas zugeführt, um die Probe 6 von einer Gaszuführeinheit 7 aus zu behandeln, wobei das vorgeschriebene Gas in diesem Beispiel ein vorgeschriebenes Aufdampfphasen-Ablagerungsgas ist. Ferner kann das Innere dieser Probenkammer 5 über eine Abgaseinheit 12 entleert werden, und eine Gasatmosphäre darin zur Dampfphasenablagerung mit einem vorgeschriebenen Druck, beispielsweise ca. 10^–2 torr, ge schaffen werden. Dadurch kann eine vorgeschriebene Aufdampfungsschicht auf der Probe ausgebildet werden.
• Ferner führt unter den Abgaseinheiten 9 bis 11 die Abgaseinheit 9 aus einem Bereich einer Ionenquelle und eines Beschleunigers 1 ab, die Abgaseinheit 10 aus einem benachbarten Bereich eines Detektors 2 und die Abgaseinheit 11 aus einem Bereich zwischen einer Öffnung 3 und einer Öffnung 4.
• Die erste Öffnung 3, die auf der Seite einer Probe 6 angeordnet ist, hat eine Mündung eines Durchmessers von 2 mm (Leitfähigkeit: 3,6 × 10^–4 (m³/s)) und die zweite Öffnung 4, die auf einer Detektorseite 2 angeordnet ist, hat eine Mündung eines Durchmessers von 4 mm (Leitfähigkeit: 1,5 × 10^–3 (m³/s)). Außerdem ist die Probe 6 um 3 mm von der Mündung der ersten Öffnung 3 entfernt angeordnet, und die Mündung der ersten Öffnung 3 ist um 50 mm von derjenigen der zweiten Öffnung 4 entfernt angeordnet. Mit einer solchen Anordnung entsteht in einem Bereich zwischen der ersten Öffnung 3 und der zweiten Öffnung 4 ein Vakuum von ca. 7,2 × 10^–6 torr, und in einem benachbarten Bereich des Detektors 2 entsteht ein Vakuum von 2,2 × 10^–8 torr. Ferner werden die Abgaseinheiten mit einer Abgaskapazität von 0,5 m³/s verwendet.
• Hierbei ist die Mündung der zweiten Öffnung 4 im Durchmesser größer als die der ersten Öffnung 3, um so einen festen Winkel in der Ansicht des Detektors 2 in der Bewegungsrichtung der verstreuten Partikel festzulegen. Dadurch können fast alle der von der Probe 6 in der Bewegungsrichtung verstreute und durch die Öffnung 3 hindurchgehende Partikel den Detektor 2 erreichen.
• Ein Ionenstreu-Spektrometer des oben beschriebenen Aufbaus nach dieser Ausführungsform wendet beispielsweise einen Silizium-Halbleiterwafer als Probe 6 an. Die Probenkammer 5 wird, während sie von einer Abgaseinheit 12 entleert wird, mit einem vorgeschriebenen Aufdampfgas wie Silan (SiH₄) von einer Aufdampfgas-Zuführeinheit 7 gefüllt. Dadurch wird in der Probenkammer 5 eine Atmosphäre eines Aufdampfgases mit einem Druck von beispielsweise 10^–2 torr geschaffen, um eine Schicht amorphen Siliziums an einer Probe 6 in der Dampfphase zu züchten.
• Mit den Abgaseinheiten 9 bis 11 werden dann die jeweiligen Bereiche entleert, um die vorgenannten Vakuumgrade aufzuweisen. Danach wird ein an der Ionenquelle und dem Beschleuniger 1 erzeugter Impulsstrahl von Ionen (einer Energie von mehreren keV bis mehreren hundert keV) an einer im Zentrum des Detektors 2 angeordneten Apertur 2a hindurchgeschickt und bestrahlt die Probe 6 über die zweite Öffnung 4 und die erste Öffnung 3.
• Der Detektor 2 erfasst von der Probe 6 verstreute Partikel und misst die Flugzeit der Partikel, um die Geschwindigkeit (Energie) der Partikel zu analysieren.
• Wenn beispielsweise eine Si-Oberfläche 100 angenommen wird, beträgt die Anzahl von Atomen in einer Monoschicht 1 ML = 2/5 14312 Å2 6,8 × 1014 (Atome/cm2).
• Andererseits hat ein mol eines Gases ein Volumen von 22, 4 × 10³ (cm³) unter einem Druck von 1 Atmosphäre (atm) und bei Raumtemperatur (20° Celsius), und die Anzahl von Molekülen in 1 mol eines Gases beträgt 6,02 × 10²³. Daher gibt es unter 1 Atmosphäre in einer Volumeneinheit eines Gases 6,02 × 10²³ (mol^–1)/22, 4 × 10³ (cm³/mol/atm) = 2, 68 × 10¹⁹ (cm^–3·atm^–1) Moleküle.
• In dem Fall der Probe 6, die 0,3 cm (3 mm (Arbeitsabstand)) von der Apertur der ersten Öffnung 3 entfernt angeordnet ist, wobei diese Querschnittsfläche der Apertur der Öffnung 3 als s angenommen wird, in einem Volumen von 0, 3 s (cm³) eines Drucks von 10^–2 torr = 1, 32 × 10^–5 (atm), gibt es Moleküle der Anzahl 0,3 s (cm3) × 2, 68 1019 (cm–3·atm–1) × 1, 32 × 10–5 (atm) = 1, 1 × s × 1014.
• Demgemäß gibt es in einer Flächeneinheit 1,1 × 10¹⁴ (cm^–2) Moleküle. Diese Anzahl von Molekülen beträgt ca. ein Fünftel einer Monoschicht einer Si-Oberfläche 100. Daher beträgt eine Streuungsmenge infolge des Gases ein Fünftel der von der Oberfläche der Probe 6 verstreuten Atome. Somit wird eine Ionenstreu-Spektroskopie der Probe 6 ermög licht. Ferner kann unter Berücksichtigung des Vakuumgrades und der Art des Gases ein Streubetrag infolge des Gases bewertet werden. Durch Abziehen dieses Betrags kann eine Messung noch korrekter durchgeführt werden.
• Wie oben beschrieben wurde, kann ein Ionenstreu-Spektrometer dieser Ausführungsform eine in einem Gas angeordnete Probe analysieren, das heißt, dieses Spektrometer kann eine Analyse des Zustands einer Schicht während eines Aufdampfvorgangs ausführen.
• 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird im Vergleich zu dem Fall der 1 nur die erste Öffnung 3 verwendet, und eine Abgaseinheit 11 zum Entleeren des Bereichs zwischen den Öffnungen fällt weg.
• Wie in der Ausführungsform gezeigt ist, können die zweite Öffnung und die Abgaseinheit zum Entleeren des Bereichs zwischen den Öffnungen wegfallen, wenn das Innere der Probenkammer 5 auf ein höheres Vakuum eingestellt werden kann als das für die Probenkammer 5 erforderliche.
• Übrigens kann im Gegensatz zu den obigen Ausführungsformen bei der vorliegenden Erfindung die Anzahl von Öffnungen auf drei oder mehr Stufen erhöht werden. Ferner ist der auf den Detektor auftreffende Ionenstrahl nicht darauf beschränkt, nur durch das Zentrum des Detektors hindurchzugehen, sondern der Detektor kann so angeordnet sein, dass er auch Ionen eines beliebigen Streuungswinkels erfasst. Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt und es sind verschiedene Modifikationen anwendbar.
• Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ionenstreu-Spektrometer bereitgestellt, welches eine in einem Gas, beispielsweise einem Aufdampfgas angeordnete Probe analysieren kann. Dadurch kann ein Zustand einer Schicht während des Aufdampfvorgangs analysiert werden.

Claims (7)

1. Ionenstreuspektrometer, in dem ein an einer Ionenquelle (1) erzeugter Ionenstrahl durch einen Beschleuniger beschleunigt werden kann, um eine in eine Probenkammer (5) eingebrachte Probe (6) zu bestrahlen, und von der Probe (6) zerstreute Teilchen durch ein Flugzeit-Analyseverfahren analysiert werden können, umfassend: ein Gaseinleitmittel (7) zum Einleiten eines vorgeschriebenen Gases in die Probenkammer (5) zur Behandlung der Probe (6), ein erstes Entleerungsmittel (12) zum Entleeren der Probenkammer (5), um in der Probenkammer (5) eine Atmosphäre des vorgeschriebenen Gases mit vorgeschriebenem reduziertem Druck zu erzeugen, einen Detektor (2) der an einer vorgeschriebenen Position in einem Bereich zwischen der Ionenquelle (1) und der Probe (6) zum Erfassen von von der Probe (6) zerstreuten Teilchen für die Analyse durch das Flugzeit-Analyseverfahren angeordnet ist, wobei der Detektor (2) ein kreisförmiges Loch (2a) in seiner Mitte aufweist, ein zweites Entleerungsmittel (10) zum Entleeren des den Detektor (2) enthaltenden Bereichs, um in diesem Bereich eine Atmosphäre eines vorgeschriebenen reduzierten Drucks zu erzeugen, der geringer ist als der vorgeschriebene reduzierte Druck der Atmosphäre in der Probenkammer (5), gekennzeichnet durch das Vorhandensein mindestens einer zwischen der Probenkammer (5) und dem Detektor (2) angeordneten Öffnung (3, 4), um den den Detektor (2) enthaltenden Bereich von der Probenkammer (5) zu trennen, wobei die Öffnung (3,4) einen Durchlass zum Passierenlassen des Ionenstrahls zu der Probe (6) und der von der bestrahlten Probe (6) zerstreuten Teilchen zu dem Detektor (2) aufweist.
2. Ionenstreuspektrometer nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine zwischen der Probenkammer (5) und dem Detektor (2) angeordnete Öffnung eine erste, an der Probenkammerseite angeordnete Öffnung (3) und eine zweite, an der Detektorseite angeordnete Öffnung (4) aufweist.
3. Ionenstreuspektrometer nach Anspruch 2, ferner mit: einem dritten Entleerungsmittel (11) zum Entleeren eines Bereichs zwischen der ersten Öffnung (3) und der zweiten Öffnung (4).
4. Ionenstreuspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Detektor (2) in einem solchen Abstand von der Probe (6) entfernt angeordnet ist, dass die von der Probe (6) zerstreuten Teilchen durch ihre jeweiligen Flugzeiten unterschieden werden können.
5. Ionenstreuspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gaseinleitmittel (7) so ausgebildet ist, dass ein vorgeschriebenes Dampfablagerungsgas in die Probenkammer (5) eingeleitet wird und eine vorgeschriebene Schicht auf der Probe (6) gebildet wird.
6. Ionenstreuspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mittelloch (2a) des Detektors (2), der Durchlass der mindestens einen Öffnung (3, 4) und die Probe (6) so ausgerichtet sind, dass der von der Ionenquelle (1) zur Probe (6) hin abgestrahlte Ionenstrahl und die von der bestrahlten Probe (6) zerstreuten Teilchen die gleiche Achse aufweisen.
7. Ionenstreuspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Entleerungsmittel (10) den den Detektor (2) enthaltenden Bereich entleeren kann, um in diesem Bereich eine Atmosphäre verringerten Drucks von etwa 1,33 × 10^–8 kPa (1 × 10^–7 Torr) oder weniger zu erzeugen, und das erste Entleerungsmittel (12) die Probenkammer (5) entleeren kann, um in der Probenkammer (5) eine Atmosphäre reduzierten Drucks von etwa 1,33 Pa (1 × 10^–2 Torr) zu erzeugen.