JP2000113847A

JP2000113847A - ２次イオン質量分析装置及び２次イオン質量分析方法

Info

Publication number: JP2000113847A
Application number: JP10283881A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Kodama; 紀行児玉
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 2000-04-21

Abstract

(57)【要約】【課題】２次イオン質量分析時に測定試料間でのイオ
ン透過率を一定にし、高確度で高スループット分析が可
能な２次イオン質量分析装置を提供すること。【解決手段】この分析装置では、２次光学系装置の引
き出し電極７と試料４の表面との間の試料４と等電位に
なる位置に取り付けられたフィールドプレート２２中央
の開口部分周囲の３箇所に試料４の表面に接触する位置
決め用の所定の構造体としての試料位置決め用ロッド２
３を設けると共に、試料保持台３の試料４が載置される
側の反対側に試料保持台３を可動にするスプリング２４
を設けており、これらが協働して試料４の表面の同一直
線上以外に存在する３点の位置で引き出し電極７との間
隔をそれぞれ試料４毎に同じ値になるように試料４の表
面の位置を可変設定し、試料４の傾斜角度と試料４の表
面の分析領域及び引き出し電極７の距離とを試料４毎に
同じ値とする試料位置調整機構を成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として試料物質
中の微量不純物元素の深さ分布を測定する分析装置とし
ての２次イオン質量分析装置に関し、詳しくは試料の表
面の同一直線上以外の複数位置で試料の傾斜角度と試料
の表面の分析領域及び２次光学系装置の距離とを試料毎
に同じ値に調整する２次イオン質量分析装置及び２次イ
オン質量分析方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の２次イオン質量分析装置
（ＳＩＭＳ）は、様々な分野で幅広く用いられている
が、特に半導体デバイスの開発分野では、シリコン基板
中への不純物拡散の深さ方向分布の測定，イオン注入装
置の不純物注入分布の測定，ドーズ量の合わせ込み測定
等の様々な用途に用いられており、欠くことができない
ものとなっている。

【０００３】一般に、２次イオン質量分析装置は、試料
の表面に収束させたイオンを照射して試料からスパッタ
リング現象により放出されたイオンを質量分析するもの
で、そのタイプとして四重極型のレンズを用いてその間
に高周波電圧を印加して特定の質量を持ったイオンのみ
を通過させる四重極型のものと、静電型エネルギー分析
器及び磁場型質量分析器を組み合わせたセクタ型のもの
とが知られている。

【０００４】図６は、従来のセクタ型２次イオン質量分
析装置の概略構成を示したもので、同図（ａ）は全体構
成の側面図に関するもの，同図（ｂ）は同図（ａ）の要
部の一形態における詳細な拡大側面図に関するもの，同
図（ｃ）は同図（ａ）の要部の他の形態における詳細な
拡大側面図に関するものである。

【０００５】このセクタ型２次イオン質量分析装置は、
１次光学系装置として分析装置本体の局所に配備された
試料保持台３上に保持された試料４の表面に対し、ディ
ユオプラスマトロン等のイオン源１より発生した１次イ
オンをレンズ２を通して収束した上で照射するようにな
っている。このとき、１次イオンはイマジネーションレ
ンズ６の近傍に配備された引き出し電極で加速され、数
段のレンズ２で収束された後、試料４の表面に照射され
る。試料４上ではイオンビームの口径φが数μｍ〜数百
μｍ程度の大きさとなるが、試料４のスパッタされる深
さを均一にするため、イオンビームの口径φよりも広い
範囲をラスタ照射する。

【０００６】試料４の表面には、数ｋＶの電圧が印加さ
れており、図６（ｂ）に示されるように、試料保持台３
の表面プレート５により保持された試料４の表面から数
ｍｍの距離にあるグランド電位の引き出し電極７（尚、
ここではイマジネーションレンズ６を拡大したものとし
て３段構造のイマジネーションレンズ８を示している）
との間で強い電界が生じている。

【０００７】後述するように、この電界の強度が試料保
持台３や試料４の端部（周辺形状）で影響を受けてしま
うため、その影響を抑制するため、最近では図６（ｃ）
に示されるように、試料４の表面の極近傍に試料４と同
電位とするフィールドプレート２２を設置し、周辺形状
が電界の強度に与える影響を低減する構成を採用してい
る。

【０００８】分析装置本体においては、図６（ａ）に示
されるように、試料４の表面及び引き出し電極７間の空
間でイオンが加速されて質量分析系側（引き出し電極７
を含む２次光学系装置）へ入射する。ラスタ領域のそれ
ぞれの位置で放出された２次イオンは、イマージョンレ
ンズ６を通過した後、トランスファレンズ９でコントラ
ストダイアフラム１０の位置で収束されてフィールドア
パーチャ１１で再び結像する。そこで、ラスタ領域の中
心部分のみが次の空間に通過するようにフィールドアパ
ーチャ１１の大きさを設定する。引き続いて２次イオン
は、再び収束されて静電型エネルギー分析器１２に入射
し、ここでエネルギー分散した像がエネルギースリット
１３の位置に形成され、更に再びスペクトロメータレン
ズ１４を通して収束されて磁場型質量分析器１５に入射
する。これらの静電型エネルギー分析器１２及び磁場型
質量分析器１５の収差を同じ値としておき、静電型エネ
ルギー分析器１２の収差を磁場型質量分析器１５の収差
で打ち消すような構成とすることで、高い質量分解能が
得られる。磁場型質量分析器１５内では、静磁場が発生
しており、その中を運動する荷電粒子はローレンツ力を
受け、特定の質量／電荷を持った粒子がそれに応じた軌
道半径を持つ。従って、磁場の値を変化させることで、
特定の質量（正確に言えば、特定の質量／電荷）を持っ
た粒子のみを通過させることができる。通過した粒子は
スリット１６及びプロジェクタレンズ１７を通して収束
されて別の静電型エネルギー分析器１８に入射する際、
静電型エネルギー分析器１２近傍に配備されたファラデ
ーカップ１９又は光電子増倍管２０でその数が計測され
る。静電型エネルギー分析器１８におけるイオン像は、
スクリーン２１上で観察できる。

【０００９】２次イオン質量分析装置では、測定される
値が２次イオンのカウント数であり、これを濃度に変換
するためには、既知の不純物濃度を持った試料（標準試
料）に基づいて相対感度係数（ＲＳＦ／Ｒｅｌａｔｉｖ
ｅＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＦａｃｔｏｒ）をＲＳＦ＝
ＣＸトリックスイオンのカウント／不純物イオンのカウ
ントなる式に従って計算し、測定する試料４の濃度変換
（定量）の際には不純物濃度＝ＲＳＦＸ不純物イオンの
カウント／マトリックスイオンのカウントなる式に従っ
て計算するため、測定精度の観点では標準試料の濃度の
精度が大きく影響することになる。

【００１０】しかしながら、実用面を考慮すれば、例え
ばイオン注入装置の複数台間のドーズ量の比較や、その
他の実験の水準間の比較等の用途では、必ずしも値の精
度が要求されるわけではなく、測定の再現性が良好で、
これらの値の比較が高い精度で行えることが重要である
ので、実用上問題にならない。尚、以下はここでの測定
の再現性を測定確度と呼ぶ。

【００１１】ところで、図７は上述したセクタ型２次イ
オン質量分析装置における試料４の表面と２次光学系装
置との配置関係を示した局部の側面図であり、同図
（ａ）は一状態に関するもの，同図（ｂ）は他の状態に
関するものである。

【００１２】通常、試料４の表面及び等電位面ψと２次
光学系装置の引き出し電極７との角度は、図７（ａ）に
示されるように、平行に近いように設定されており、試
料保持台３で保持された試料（ホルダ）４を位置決めす
ることにより、測定する試料４毎に全く同じ位置に分析
領域が設定されるべきものであるが、実際には後文でそ
の理由を説明するように、様々な要因で試料４の取り付
けの位置や分析領域の位置が試料４毎に異なってしま
う。

【００１３】そこで、図７（ｂ）に示されるように、試
料４表面の分析領域から引き出し電極７までの距離△Ｌ
を一定にし、１次イオン入射方向Ｍに対して試料保持台
３上に保持された試料４をスプリング等で位置決めする
ことにより、試料保持台３の傾きθを極僅かに変化させ
てイオンカウントの変化量を測定するようにする。

【００１４】図８は、こうした場合のＸ軸方向の傾斜角
度θ［ｍｄｅｇ］に対するイオンカウントの変化率
［％］の関係を示したものである。図８からは、イオン
カウントが試料４の傾斜角度θに非常に敏感であり、測
定イオンが^２８Ｓｉ，^２８Ｓｉ２の場合でその変化量が
異なっていることが判る。

【００１５】試料４の傾斜角度θが変わる場合、１次イ
オンの試料４の表面に対する入射角度（１次イオン入射
方向Ｍ）も変化するので、試料４のスパッタレートが変
化することになり、それがイオンカウントにも反映され
る。しかも、スパッタレートが異なれば試料４の表面の
組成が僅かながら変化し、感度係数自体が異なることも
考えられる。それ以上に図７（ａ）及び図７（ｂ）との
対比で示したように、試料４の傾斜角度θの差により２
次イオンの２次光学系装置を通過する際の軌道が異なる
ことが要因とされている。

【００１６】即ち、イオン軌道の差により２次光学系装
置中のコントラストダイアフラム１０やエネルギースリ
ット１３等の特定の軌道を通過するイオンのみを通過さ
せるような構造になっている部分では、イオンの透過す
る割合（イオンの透過率）が決まっており、軌道に差が
大きい程、これに伴ってイオンカウントが変化すること
になる。

【００１７】濃度を計算する場合、こうした軌道ずれを
補正できるように、イオンカウントの比に基づいた計算
を行うが、軌道やその広がり方が測定するイオンにより
異なるため、非常に厳密な意味ではマトリックスイオ
ン，不純物イオンのカウントに変化が生じる。この僅か
な差が相対感度係数の試料間の差となり、定量誤差の原
因となっている。因みに、感度係数のばらつきは、相対
感度偏差（ＲｅｌａｔｉｖｅＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ
Ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）と呼ばれる。

【００１８】尚、この試料４の表面の傾斜角度θの影響
だけでなく、それと垂直な方向に関しても同様にイオン
の透過率に影響を与える。

【００１９】一方、試料４表面の分析領域から引き出し
電極７までの距離△Ｌも測定確度に影響する。１次イオ
ンは通常試料４の斜め方向（１次イオン入射方向Ｍ）か
ら入射する（この方向をＸ方向とした場合のその傾斜を
Ｘ方向の傾斜とする）ので、距離△Ｌが変わると１次イ
オンが照射される領域が入射方向に移動する。この場
合、１次イオンの試料４に対する入射角度が変化するこ
とでビームの位置が変動するため、実質的にビームの位
置が移動することになる。このため、ビームの形状が変
化することがあり、イオンカウントだけでなく、試料４
のスパッタリングレートが異なるようになる。

【００２０】又、試料４を支持している試料保持台３の
加工精度や表面プレート５の精度もイオンの透過率に大
きく影響する。

【００２１】図９は、試料４の分析領域の位置［ｍｍ］
に対するイオンカウントの変化率［％］の関係を示した
ものである。但し、ここでは試料保持台３の開口部分
（試料４の表面が露呈している部分）は縦４ｍｍ×横４
ｍｍの形状であり、図中の±２０００ｍｍの位置が試料
４の端の位置になるものとする。図９からは、表面プレ
ート５の板厚が厚く（即ち、板厚＝１００μｍよりも２
００μｍのものの方を示す）、しかも試料４の端に近い
程、イオンカウントの変化量が大きくなっていることが
判る。これは試料４の表面の傾斜角度θだけではなく、
図７（ａ）及び図７（ｂ）の対比で明らかなように、試
料保持台３の段差等の影響で等電位面ψがその段差部分
で変化していることに起因している。

【００２２】以上、測定確度に影響する要因を説明した
が、以下では実際的な測定で如何なる程度の確度で測定
が可能であるかを説明する。

【００２３】２次イオン質量分析装置の測定の確度に影
響を与える要因としては、上述したイオンの透過率の変
動の他、１次イオンの電流量の安定性や２次イオンのカ
ウント数（統計誤差）が挙げられる。

【００２４】１次イオンの電流量は、イオン源１の状態
が良好で、且つ１次光学系装置の調整が十分良好な場合
には０．５［％］／数時間程度の安定性を得ることがで
きる。２次イオンのカウント数は、不純物イオンが測定
する試料４の濃度に依存し、例えば１ｘ１０^５ｃｏｕ
ｎｔであれば統計誤差が３×１０^２ｃｏｕｎｔである
ので、これを誤差σとの関係で定義すれば３σとして表
わされるため、誤差σは１％程度になる。

【００２５】測定する試料４の濃度が十分高い場合、そ
のときのイオンカウントの影響は無視できる。実際、不
純物イオンのイオンカウントは、ドーズ量測定の精度を
向上させるため、積算カウントを高くすることが必要な
場合が多い。マトリックスイオンの測定は、不純物イオ
ンのカウントをできるだけ多くするため、不純物イオン
の測定が終了した後に行うことが多いが、このときカウ
ントの測定精度を上げるため、積算時間（或いは平均化
する時間）を十分長くすることができる。即ち、イオン
の透過率が変化しない場合、１次イオンの安定性や２次
イオンの安定性、或いは再現性やその読み取り誤差が測
定の確度を決めている。これらは測定の計算時間等にも
依存するが、精度を高くとった測定条件下ではおおよそ
０．５％以内になるように設定することが可能である。

【００２６】要するに、測定の確度を装置の限界（０．
５％程度）にまで高くするためには、イオンの透過率の
変動の観点からその変動量を０．５％以内程度に収めて
いれば良いことになる。

【００２７】そこで、測定装置の構造の精度、並びに試
料４間の位置の再現性に関して、それがどの程度影響し
ているか、或いはどの程度まで向上できるかを説明す
る。例えば試料保持台３の表面プレート５の広さは数十
ｃｍ^２程度であり、その表面プレート５の平坦性を良
好にするためには、板厚を厚くすれば良いが、図９で説
明したように、板厚が厚いとその段差の影響を受けて逆
に１次イオン及び２次イオンの軌道が変化してしまうた
め、厚いプレートは使用できない。従って、表面プレー
ト５の表面の平坦性は例えば板厚２００μｍの場合には
数μｍ程度、板厚１００μｍの場合には１０μｍにする
ことが機械工作上の加工精度の限界となっている。

【００２８】こうした平坦性では、試料４間の傾きの差
は±５０ｍｄｅｇ〜±２５ｍｄｅｇ程度になるので、図
８で説明した傾斜角度θに対するイオンカウントの変化
率の関係を参照すれば、イオンカウントの変化率が２％
〜０．５％の範囲で変化することが判る。この値は、装
置の電圧調整等にも依存し、更にイオンカウントが大き
く変化する場合もある。

【００２９】又、試料４の表面の分析領域の位置設定の
精度の点からもイオンの透過率の分析位置依存性の小さ
い領域を分析するほうが望ましいので、２００μｍ以上
の厚いプレートは使用できない。従って、高い確度を実
現するためには、測定に供される試料４間での試料４の
傾き（傾斜角度θ）や高さ等の位置を非常に高い精度で
揃える必要がある。

【００３０】しかしながら、試料４の位置を決める試料
保持台３の表面プレート５の加工精度は数μｍが限界で
あり、この精度では測定条件にも依るが、イオンの透過
率の差を０．５％〜２％の範囲に抑制することが限界で
あり、これを０．５％以内にするためには２０ｍｄｅｇ
程度の傾斜角度θの差以内に収まるように、更なる試料
４の位置設定の精度向上が必要となる。

【００３１】以上の点から特に高い確度の測定が要求さ
れる場合には、同一な試料保持台３上における同一な試
料４の表面の分析領域で全ての試料４毎に測定すること
が行われている。この方法では、イオンカウントの差を
イオンカウントの読み取り誤差０．５％（±０．２５
％）以内に十分押さえることが可能となっているが、試
料４の交換したときに試料４毎に行わなければならない
ため、分析のスループットが著しく低下し、しかも１次
イオンの電流量等の他の要因によるイオンの透過率の変
動が測定の確度に影響するため、多数の試料４を高い精
度で分析することができない。

【００３２】セクタ型２次イオン質量分析装置では、例
えば周知文献「１ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｅｃｏｎｄａｒｙＩ
ｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」のａｂｓｔ
ｒａｃｔ：１９８Ｐａｇｅに記載されているように、試
料４間の傾斜角度θの差を調整する方法として、試料４
を取り付けた後にレーザ光を試料４の表面に照射してそ
の反射光の位置の差から試料４間の傾斜角度θの差を計
算し、分析時にその差に基づいて試料４の表面の分析領
域及び引き出し電極７間の距離△Ｌの差を補正する方法
が採用されている。

【００３３】因みに、上述した２次イオン質量分析装置
並びにそれにおける試料の測定位置調整に関連するその
他の周知技術としては、例えば特開平７−５７６７９号
公報や特開平８−２２７６８９号公報に開示されたに開
示された二次イオン質量分析装置等が挙げられる。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】上述したセクタ型２次
イオン質量分析装置を含む特殊な試料の測定位置調整方
法の場合、非常に煩雑な手順が必要であるため、通常の
測定者では十分な分析のスループット並びに測定確度を
持った測定を行うことが実際上困難となっている上、発
散角がその傾斜角度の測定精度を決定しており、傾斜角
度の差が数十ｍｄｅｇの差を判別できる程の精度が得ら
れないという問題がある上、実際的な問題として試料の
表面にパーティクル等の異物が付着すると、異物がフロ
ントプレートとの間に挟まれて試料の位置が変わってし
まったり、或いは試料保持台の交換等で試料保持台の取
り付け位置自体の再現性が測定の確度に影響を与えてし
まうといった問題がある。

【００３５】具体的に言えば、半導体デバイスの開発分
野においては、注入装置における注入分布測定，ドーズ
量の合わせ込み測定等が必須であるが、これらの分布は
０．５％〜１％程度の範囲の精度（確度）で制御されて
おり、装置間の比較や管理の点，或いはトランジスタ特
性や不純物分布の対応の評価等には０．５％程度以内の
確度が要求されているものの、実際の２次イオン質量分
析装置による測定の確度は通常数％程度とされている。
これは上述したように、試料の位置が試料間で極僅かで
あっても差があるため、２次光学系装置を通過するイオ
ンの透過率（イオンのカウント）やスパッタリングレー
トが変化することが原因し、測定に供される試料間で感
度係数が要求される確度に比較べて無視できない程度の
差を生じるためである。

【００３６】測定の確度を非常に高くするためには、試
料を分析装置内に取り付けた際、試料の傾斜角度と試料
の表面の分析領域及び及び２次光学系装置の距離とを非
常に高い精度で、試料間で一致させることが必要である
が、試料保持台（その表面プレート）等の機械加工の精
度には限界がある他、試料交換時の試料保持台や試料
（ウエハ）の取り付けの再現性も装置の状態によって十
分ではない場合が多かったり、更には試料の取り付け時
の取り付け精度や試料交換時の取り付けミス等による人
為的な誤差の発生要因があるため、測定の確度低下を回
避し難いという問題がある。

【００３７】因みに、こうした試料の表面の分析領域に
関する位置精度が測定の確度に影響するという問題はセ
クタ型のもの以外の四重極型のものでも同様に抱えてい
る。このような人為的な誤差の発生要因を含めた測定確
度を低下させる要因は、基本的に測定装置の試料取り付
けの精度を向上することで改善すべき問題である。

【００３８】本発明は、このような問題点を解決すべく
なされたもので、その技術的課題は、測定試料間でのイ
オンの透過率を一定にして高確度で高スループット分析
が可能であると共に、人為的な誤差の発生要因を排除し
得る取り扱い易い２次イオン質量分析装置を提供するこ
とにある。

【００３９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、試料保
持台上に保持された試料の表面に対してイオン源から発
生した１次イオンをレンズを通して収束した上で照射す
る１次光学系装置と、１次イオンにより試料の表面から
放出された２次イオンの特定の質量を持った粒子の通過
数を計測する２次光学系装置とを備えた２次イオン質量
分析装置において、試料の表面の同一直線上以外に存在
する３点以上の位置で２次光学系装置との間隔をそれぞ
れ該試料毎に同じ値になるように、該試料の表面の位置
を可変設定可能であると共に、該試料の傾斜角度と該試
料の表面の分析領域及び該２次光学系装置の距離とを該
試料毎に同じ値とする試料測定位置調整を行う試料位置
調整機構を備えた２次イオン質量分析装置が得られる。

【００４０】この２次イオン質量分析装置において、試
料位置調整機構では、接触式変位測定装置を用いて試料
の表面の分析領域及び２次光学系装置の距離を測定した
結果が同じ値となるように試料測定位置調整を行うこ
と、或いは試料位置調整機構では、レーザを備えたレー
ザ変位測定装置を用いて測定した基準点部からの変位量
に基づいて試料の表面の分析領域及び２次光学系装置の
距離が同じ値となるように試料測定位置調整を行うこと
は好ましい。

【００４１】又、上記２次イオン質量分析装置におい
て、試料調整機構では、２次光学系装置に取り付けられ
た位置決め用の所定の構造体に試料の表面が接触するよ
うに試料測定位置調整を行って該試料の表面の位置を設
定することは好ましい。

【００４２】この２次イオン質量分析装置において、所
定の構造体は試料の表面の分析領域を全て包囲するよう
な板状体であること、或いは所定の構造体は針状体であ
ることは好ましい。

【００４３】一方、本発明によれば、１次光学系装置に
より試料の表面に対して１次イオンを収束した上で照射
し、２次光学系装置によって該１次イオンにより該試料
の表面から放出された２次イオンの特定の質量を持った
粒子の通過数を計測する際、該試料の表面の同一直線上
以外に存在する３点以上の位置で該２次光学系装置との
間隔をそれぞれ該試料毎に同じ値になるように、該試料
の表面の位置を可変設定しながら該試料の傾斜角度と該
試料の表面の分析領域及び該２次光学系装置の距離とを
該試料毎に同じ値とする試料測定位置調整を行う試料位
置調整段階を有する２次イオン質量分析方法が得られ
る。

【００４４】

【作用】本発明の２次イオン質量分析装置では、試料の
表面の同一直線上以外に存在する３点以上の位置で２次
光学系装置との間隔をそれぞれ試料毎に同じ値になるよ
うに、試料の表面の位置を可変設定し、試料の傾斜角度
と試料の表面の分析領域及び２次光学系装置の距離とを
試料毎に同じ値とする試料測定位置調整を行う試料位置
調整機構を備えているため、試料の表面が同一直線上に
無い３点の位置で決められ、試料毎，測定毎で位置関係
が微妙に変化する場合でも、高精度に位置決めを行うこ
とができる。例えば測定の再現性が１μｍの測定器でそ
の測定の間隔を１ｃｍとすると、位置決めの精度は５ｍ
ｄｅｇ以内に収まるようになる。

【００４５】又、この試料調整機構では、２次光学系装
置の引き出し電極等に取り付けられた位置決め用の所定
の構造体に試料の表面が接触するように試料測定位置調
整を行って試料の表面の位置を設定するため、試料の位
置決め設定を容易に行うことができる。例えば所定の構
造体として針状体の棒を使用した場合、その先端部分が
鋭利になっており、試料方向に向かって取り付けられ
る。試料位置調整機構により試料保持台や試料を可動に
することで、試料を針先に接近させて試料の３つ以上の
針先端部分に試料の表面を接触させ、試料の表面の傾斜
角度と試料の表面の分析領域及び２次光学系装置の引き
出し電極の距離とを規定でき、試料毎に数ｍｄｅｇ以内
の精度で同一の位置に設定できる。

【００４６】こうした手順により、試料の表面の位置が
高い精度で試料毎に同じ位置に機械的に固定されるた
め、高い精度でイオンの透過率を一定にできる。この場
合、試料の位置設定の精度は試料保持台への試料の取り
付け精度，試料保持台の表面プレートの加工精度，試料
を試料保持台へ取り付ける際の人為的な取り付け誤差等
の影響を殆ど受けない。この針先端の位置は、予め設計
上、高い精度で試料の表面と引き出し電極とが平行にな
るように加工しておく。変位測定法，距離測定法では、
平行な位置を０点として設定しておく。但し、ここでの
試料の表面は、引き出し電極と平行になることが理想で
あるが、試料毎にその関係が変わらないように設定して
おけば、測定の確度の点からは何ら問題は無い。

【００４７】

【発明の実施の形態】以下に幾つかの実施例を挙げ、本
発明の２次イオン質量分析装置及び２次イオン質量分析
方法について、図面を参照して詳細に説明する。

【００４８】図１は、本発明の実施例１に係る２次イオ
ン質量分析装置の要部構成を示したもので、同図（ａ）
は要部の局部を抜粋した平面図に関するもの，同図
（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ´方向の縦断面を含む一状
態における要部側面断面図に関するもの，同図（ｃ）は
同図（ａ）のＡ−Ａ´方向の縦断面を含む他の状態にお
ける要部側面断面図に関するものである。

【００４９】この２次イオン質量分析装置は、１次光学
系装置の試料保持台３の周辺部分以外の構成は、図６で
説明した従来装置と同様なセクタ型の構成となっている
ため、同じ構成部分は説明を省略し、相違する構成部分
を説明する（尚、これは以下の実施例２以降も同様とす
る）。

【００５０】この２次イオン質量分析装置では、２次光
学系装置の引き出し電極７と試料４の表面との間であっ
て、従来の試料保持台３の場合と同様に試料４と等電位
になる試料４の表面から５００μｍの位置（２次光学系
装置の所定箇所）に取り付けられて配備されたフィール
ドプレート２２に対してその中央の開口した開口部分周
囲の３箇所に試料４の表面に接触する位置決め用の所定
の構造体としての試料位置決め用ロッド２３を設けると
共に、試料保持台３の試料４が載置される側の反対側の
面に試料保持台３を可動にするためのスプリング２４を
設けており、これらの試料位置決め用ロッド２３を含む
フィールドプレート２２及びスプリング２４が協働して
試料４の表面の同一直線上以外に存在する３点の位置で
２次光学系装置の引き出し電極７との間隔をそれぞれ試
料４毎に同じ値になるように、試料４の表面の位置を可
変設定可能であると共に、試料４の傾斜角度θと試料４
の表面の分析領域及び２次光学系装置の引き出し電極７
の距離とを試料４毎に同じ値とする試料測定位置調整を
行う試料位置調整機構を成している。

【００５１】尚、ここでのフィールドプレート２２にお
ける開口部分は、口径φが５００μｍとなっており、１
次イオンが照射されると共に、２次イオンが通過する領
域となっている。

【００５２】この２次イオン質量分析装置の場合、フィ
ールドプレート２２の開口部分領域に１次イオンが照射
されるが、フィールドプレート２２は試料４と等電位で
あるため、試料４の表面の分析領域の電界強度が試料４
の端部等の周辺形状による影響を受け難くなっている。
フィールドプレート２２に設けられた試料位置決め用ロ
ッド２３は、タングステン製で先端が鋭利に鋭くなった
針状体になっており、その先端が試料４に向かうように
なっている。試料保持台３には、図示しない表面プレー
ト５として板厚１００μｍ以下の薄いものを用いること
が可能になっている。この場合、試料保持台３はスプリ
ング２４で固定されているため、試料４が表面プレート
５に極僅かな力で押し付けられる。

【００５３】この２次イオン質量分析装置では、試料４
を保持する試料保持台３自体がスプリング２４で固定さ
れて可動であるため、図１（ｂ）に示されるように、初
期的に試料４が地面に対して水平でない状態（即ち、試
料４が地面に対して傾いた状態）で試料保持台３上に保
持される場合であっても、試料４をフィールドプレート
２２の試料位置決め用ロッド２３とは離間された状態の
試料保持台３に載せた上、試料４の測定位置調整を行う
ことができる。

【００５４】この状態から測定分析時には、図１（ｃ）
に示されるように、試料保持台３が２次光学系装置の方
向に極僅かに進入し、フィールドプレート２２の試料位
置決め用ロッド２３に試料４の表面が接触し、３点の試
料位置決め用ロッド２３の全部に接触するまで進入した
状態で試料４の表面の位置は常に一律な平面上に規定さ
れることになる。

【００５５】即ち、このような２次イオン質量分析装置
の場合、試料保持台３の表面プレート５の撓み，試料４
の取り付けの精度，試料保持台３の取り付け精度等に影
響されること無く、全ての試料４を全く同じ傾斜角度で
同じ位置（試料４の表面の分析領域及び２次光学系装置
の引き出し電極７の距離が同じであることを示す）に設
定できることになる。又、フィールドプレート２２の試
料位置決め用ロッド２３における先端を針状体にするこ
とで、接触面積を小さくでき、試料４の表面に付着する
異物により試料４の位置が変わることを防止することが
できる。更に、試料保持台３の表面プレート５の板厚を
薄くできるので、その段差の影響を低減でき、イオンの
透過率が０．５％以内の変動になっている分析領域を広
く取ることができる。

【００５６】図２は、この２次イオン質量分析装置によ
る２次イオン質量分析測定結果を測定回数に対するイオ
ンカウント［ｃｏｕｎｔ／ｓｅｃ］の関係で従来装置の
場合と比べて示したものである。

【００５７】図２からは、点線で示される従来装置の測
定結果が測定試料４間で５％程度のイオンカウントの差
が生じているのに対し、実線で示される実施例１の測定
結果の場合、イオンカウントの差を０．５％以内に抑制
できており、試料４の取り付けに起因する誤差要因を十
分に排除できることが判る。従って、この２次イオン質
量分析装置は確度の高い分析測定を行うことできる。

【００５８】尚、この実施例１でもセクタ型の構成であ
る場合を説明したが、ここでの試料測定位置調整は四重
極型の構成のものでも同様に適用できる。又、実施例１
では、フィールドプレート２２に設けられた３点の試料
位置決め用ロッド２３によって試料４の表面を規定する
場合を説明したが、試料位置決め用ロッド２３は４点以
上設けられても良い。

【００５９】図３は、本発明の実施例２に係る２次イオ
ン質量分析装置の要部構成を示したもので、同図（ａ）
は要部の局部を抜粋した平面図に関するもの，同図
（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ´方向の縦断面を含む一状
態における要部側面断面図に関するもの，同図（ｃ）は
同図（ａ）のＡ−Ａ´方向の縦断面を含む他の状態にお
ける要部側面断面図に関するものである。

【００６０】この２次イオン質量分析装置の場合、先の
実施例１の装置と比べ、試料４の表面に接触する位置決
め用の所定の構造体としての試料位置決め用ロッド２３
を開口部分周囲の３箇所に設けて成るフィールドプレー
ト２２に代え、試料４の表面に接触する位置決め用の所
定の構造体として試料４側の開口部分周縁に先尖り凸部
が環状体として一体的に設けらた試料位置決め用先尖り
凸部付きフィールドプレート２２´を用いている点が相
違している。

【００６１】ここでも、試料位置決め用先尖り凸部付き
フィールドプレート２２´における開口部分は、口径φ
が５００μｍとなっており、１次イオンが照射されると
共に、２次イオンが通過する領域となっている。

【００６２】この試料位置決め用先尖り凸部付きフィー
ルドプレート２２´は、開口部分周縁が先尖り凸部とな
っているため、試料４の試料保持台３への取り付け等が
試料４毎に異なっていても、図３（ｂ）に示されるよう
に、試料４を試料位置決め用先尖り凸部付きフィールド
プレート２２´の先尖り凸部とは離間された状態の試料
保持台３に載せた上、測定分析時には図３（ｃ）に示さ
れるように、試料保持台３が２次光学系装置の方向に極
僅かに進入し、試料位置決め用先尖り凸部付きフィール
ドプレート２２´の先尖り凸部に試料４の表面が接触
し、試料４の表面の位置は常に一律な平面上に規定され
ることになる。従って、この２次イオン質量分析装置の
場合も実施例１の装置と同様に確度の高い分析測定を行
うことできる。

【００６３】尚、上述した各実施例では、２次光学系装
置に取り付けられた位置決め用の所定の構造体として、
フィールドプレート２２に設けられた針状体である３点
の試料位置決め用ロッド２３や試料位置決め用先尖り凸
部付きフィールドプレート２２´の先尖り凸部を説明し
たが、これに代えて試料４の表面の分析領域を全て包囲
するような板状体を用いるようにしても良い。

【００６４】図４は、本発明の実施例３に係る２次イオ
ン質量分析装置の要部構成を示したもので、同図（ａ）
は要部の局部を抜粋した平面図に関するもの，同図
（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ´方向の縦断面を含む一状
態における要部側面断面図に関するものである。

【００６５】この２次イオン質量分析装置は、実施例１
の装置の構成を応用し、試料４としてシリコンウエハ４
´を分析対象とした場合にそのまま適用できるように別
途にシリコンウエハ４´を保持した試料保持台３を載置
するための試料台３´を有する構成となっている。

【００６６】即ち、この２次イオン質量分析装置では、
試料位置決め用ロッド２３を開口部分周囲の３箇所に設
けて成るフィールドプレート２２に代え、２次光学系装
置側の開口部分周囲から隔てられた辺縁の３箇所にシリ
コンウエハ４´の表面の分析領域及び２次光学系装置の
距離を測定する接触式変位測定装置としての接触式間隔
測定器２５を配備すると共に、接触式間隔測定器２５の
内側に引き出し電極７を固定し、且つ試料保持台３側に
おける接触式間隔測定器２５の真下部分に絶縁性試料位
置決め用ロッド２３´をそれぞれ設けて成る測定器支持
台２６を用い、一辺縁に変位測定用基準点部３０及びそ
の内側にスクリュー２９を設けた試料台３´上に一端側
がスクリュー２９に接触し、他端側が試料台３´に直接
接触するように試料保持台３を配備することにより、互
いに平行な試料台３´及び測定器支持台２６の主面に対
してシリコンウエハ４´の表面を傾斜角度θとなるよう
に構成した上、接触式間隔測定器２５によりシリコンウ
エハ４´の表面の分析領域及び２次光学系装置の引き出
し電極７の距離を測定した結果が同じ値となるように測
定器支持台２６及び試料台３´による試料位置調整機構
で試料測定位置調整を行うようになっている。

【００６７】ここでは、試料保持台３や引き出し電極７
等の平衡性に現れる取り付け精度，シリコンウエハ４´
自体の反り，シリコンウエハ４´の試料保持台３への取
り付け精度等の様々な要因でシリコンウエハ４´の表面
の分析領域の位置やシリコンウエハ４´の傾斜角度θが
影響を受け、シリコンウエハ４´の端から端まで、或い
はシリコンウエハ４´を交換した場合にその表面の分析
領域の位置やその傾斜角度の再現性を十分に取ることは
困難であるので、位置精度を向上させるために以下のよ
うな要件を導入している。

【００６８】即ち、試料保持台３は２次光学系装置に対
して平行な平面（Ｘ−Ｙ面）に移動し、試料台３´はス
クリュー３０でシリコンウエハ４´の表面の分析領域及
び引き出し電極７の距離△Ｌだけではなく、シリコンウ
エハ４´及び試料保持台３の傾斜角度θ並びに１次イオ
ンのビームの口径φをｍｄｅｇのオーダで調整できるよ
うにしてある。尚、スクリュー３０の機能は、これ以外
にもピエゾ素子等を用いても同等なものを得ることがで
きる。引き出し電極７に固定された測定器支持台２６に
おいては、針状体の３本の絶縁性試料位置決めロッド２
３´が試料保持台３の方向に向かって設置され、この絶
縁性試料位置決めロッド２３´はマグネットやスプリン
グを介して接触式距離測定器２５に取り付けられ、距離
測定器２５は針絶縁性試料位置決めロッド２３´の移動
距離を測定できるようになっている。尚、ここでの試料
台３´の一辺縁に設けられたミラー等の変位測定用基準
点部２９は、所定の傾きで入射されたレーザ光を反射し
て試料台３´のＸ方向における変位量を測定するために
設けられている。

【００６９】この２次イオン質量分析装置の場合、試料
保持台３が引き出し電極７側に接近すると、各絶縁性試
料位置決めロッド２３´に接触し、その針状体の先端が
押されて一定の距離だけ押し上げられると、接触式距離
測定器２５がその距離を測定することによって、シリコ
ンウエハ４´の表面の分析領域及び引き出し電極７の距
離を測定できる。接触式距離測定器２５は、１μｍ程度
の分解能であり、再現性を十分有するため、これらを１
ｃｍの間隔で配備したと仮定すると、シリコンウエハ４
´の傾斜角度θに換算した場合、５ｍｄｅｇ程度の分解
能が得られることになる。これにより、シリコンウエハ
４´の交換や、或いはシリコンウエハ４´上で分析領域
を移動させてもその都度、試料位置調整機構で試料測定
位置調整を行うことで、シリコンウエハ４´の表面の分
析領域の位置を５ｍｄｅｇ程度の誤差で一致できること
になるため、イオンの透過率の変化を十分に０．５％以
内に抑制することができる。

【００７０】図５は、本発明の実施例４に係る２次イオ
ン質量分析装置の要部構成を示したもので、同図（ａ）
は要部の局部を抜粋した平面図に関するもの，同図
（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ´方向の縦断面を含む一状
態における要部側面断面図に関するものである。

【００７１】この２次イオン質量分析装置は、先の実施
例３の装置と比べ、測定器支持台２６の３箇所に配備さ
れた接触式距離測定器２５に代え、レーザ光２８の反射
を利用してミラー等の変位測定用基準点部２９からの変
位量を検出するレーザ変位測定装置としてのレーザ変位
顕微鏡２７を用い、この検出結果である変位量に基づい
てシリコンウエハ４´の表面の分析領域及び２次光学系
装置の引き出し電極７の距離が同じ値（予め定められた
変位量）となるように測定器支持台２６及び試料台３´
による試料位置調整機構で試料測定位置調整を行うこと
により、シリコンウエハ４´をそのまま分析できる分析
室及び試料台３´を持った構成となっている。

【００７２】即ち、この２次イオン質量分析装置では、
スクリュー３０で試料保持台３の位置を移動させると共
に、シリコンウエハ４´の表面の分析領域を囲んだ３箇
所のレーザ変位顕微鏡２７により変位測定用基準点部２
９からの変位量を測定しておき、この値を基準としてシ
リコンウエハ４´の表面の分析領域となる位置に試料保
持台３を移動させる。この変位量の値は予め決めておく
もので、シリコンウエハ４´の表面の分析領域を移動さ
せても、或いはシリコンウエハ４´を交換した場合にも
同じ変位量となるようにすれば良く、こうしてシリコン
ウエハ４´の表面の分析領域の位置を高い精度で決定で
きる。レーザ変位顕微鏡２７は、１μｍ程度の分解能で
あり、再現性を十分有するため、これらを１ｃｍの間隔
で配備すれば実施例３の場合と同様にイオンの透過率の
変化を十分に０．５％以内に抑制することができる。

【００７３】以上の内容を２次イオン質量分析方法とし
て換言すれば、１次光学系装置により試料４の表面に対
して１次イオンを収束した上で照射し、２次光学系装置
によって１次イオンにより試料４の表面から放出された
２次イオンの特定の質量を持った粒子の通過数（イオン
の透過率）を計測する際、試料４の表面の同一直線上以
外に存在する３点以上の位置で２次光学系装置との間隔
をそれぞれ試料４毎に同じ値になるように、試料４の表
面の位置を可変設定しながら試料４の傾斜角度θと試料
４の表面の分析領域及び２次光学系装置の距離とを試料
４毎に同じ値とする試料測定位置調整を行う試料位置調
整段階を実行すれば良いことになる。

【００７４】以上、セクタ型の２次イオン質量分析装置
を例にして説明したが、本発明はこれに限定されない。
例えば四重極型の２次イオン質量分析装置であっても、
イオンの透過率を試料毎に変化しないように、その２次
光学系装置及び試料の位置調整を上述した試料測定位置
調整を適用して行えば、高精度な測定を行うことができ
る。

【００７５】

【発明の効果】以上の述べた通り、本発明によれば、試
料の傾斜角度と試料の表面の分析領域及び２次光学系装
置の距離とによる試料位置の調整設定を試料毎に高い精
度で簡単に一致させることができるので、２次イオン質
量分析に際して測定試料間でのイオンの透過率を一定に
して高確度で高スループット分析が可能になると共に、
人為的な誤差の発生要因を排除し得るようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る２次イオン質量分析装
置の要部構成を示したもので、（ａ）は要部の局部を抜
粋した平面図に関するもの，（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´
方向の縦断面を含む一状態における要部側面断面図に関
するもの，（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ´方向の縦断面を含
む他の状態における要部側面断面図に関するものであ
る。

【図２】図１で説明した２次イオン質量分析装置による
２次イオン質量分析測定結果を測定回数に対するイオン
カウントの関係で従来装置の場合と比べて示したもので
ある。

【図３】本発明の実施例２に係る２次イオン質量分析装
置の要部構成を示したもので、（ａ）は要部の局部を抜
粋した平面図に関するもの，（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´
方向の縦断面を含む一状態における要部側面断面図に関
するもの，（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ´方向の縦断面を含
む他の状態における要部側面断面図に関するものであ
る。

【図４】本発明の実施例３に係る２次イオン質量分析装
置の要部構成を示したもので、（ａ）は要部の局部を抜
粋した平面図に関するもの，（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´
方向の縦断面を含む一状態における要部側面断面図に関
するものである。

【図５】本発明の実施例４に係る２次イオン質量分析装
置の要部構成を示したもので、（ａ）は要部の局部を抜
粋した平面図に関するもの，（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´
方向の縦断面を含む一状態における要部側面断面図に関
するものである。

【図６】従来のセクタ型２次イオン質量分析装置の概略
構成を示したもので、（ａ）は全体構成の側面図に関す
るもの，（ｂ）は（ａ）の要部の一形態における詳細な
拡大側面図に関するもの，（ｃ）は（ａ）の要部の他の
形態における詳細な拡大側面図に関するものである。

【図７】図６に示すセクタ型２次イオン質量分析装置に
おける試料の表面と２次光学系装置との配置関係を示し
た局部の側面図であり、（ａ）は一状態に関するもの，
（ｂ）は他の状態に関するものである。

【図８】図７（ｂ）に示した条件下でのセクタ型２次イ
オン質量分析装置におけるＸ軸方向の傾斜角度に対する
イオンカウントの変化率の関係を示したものである。

【図９】図６に示すセクタ型２次イオン質量分析装置に
おける試料の分析領域の位置に対するイオンカウントの
変化率の関係を示したものである。

【符号の説明】

１イオン源２レンズ３試料保持台３´ 試料台４試料４´ シリコンウエハ５表面プレート６，８イマージョンレンズ７引き出し電極９トランスファレンズ１０コントラストダイアフラム１１フィールドアパーチャー１２，１８静電型エネルギー分析器１３エネルギースリット１４スペクトロメータレンズ１５質量分析器１６スリット１７プロジェクタレンズ１９ファラデーカップ２０光電子増倍官２１スクリーン２２フィールドプレート２２´ 試料位置決め用先尖り凸部付きフィールドプレ
ート２３試料位置決め用ロッド２３´ 絶縁性試料位置決め用ロッド２４スプリング２５接触式間隔測定器２６測定器支持台２７レーザ変位顕微鏡２８レーザ光２９変位測定用基準点部３０スクリューＭ１次イオン入射方向 ψ 等電位面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料保持台上に保持された試料の表面に
対してイオン源から発生した１次イオンをレンズを通し
て収束した上で照射する１次光学系装置と、前記１次イ
オンにより前記試料の表面から放出された２次イオンの
特定の質量を持った粒子の通過数を計測する２次光学系
装置とを備えた２次イオン質量分析装置において、前記
試料の表面の同一直線上以外に存在する３点以上の位置
で前記２次光学系装置との間隔をそれぞれ該試料毎に同
じ値になるように、該試料の表面の位置を可変設定可能
であると共に、該試料の傾斜角度と該試料の表面の分析
領域及び該２次光学系装置の距離とを該試料毎に同じ値
とする試料測定位置調整を行う試料位置調整機構を備え
たことを特徴とする２次イオン質量分析装置。
【請求項２】請求項１記載の２次イオン質量分析装置
において、前記試料位置調整機構では、接触式変位測定
装置を用いて前記試料の表面の分析領域及び前記２次光
学系装置の距離を測定した結果が同じ値となるように前
記試料測定位置調整を行うことを特徴とする２次イオン
質量分析装置。
【請求項３】請求項１記載の２次イオン質量分析装置
において、前記試料位置調整機構では、レーザを備えた
レーザ変位測定装置を用いて測定した基準点部からの変
位量に基づいて前記試料の表面の分析領域及び前記２次
光学系装置の距離が同じ値となるように前記試料測定位
置調整を行うことを特徴とする２次イオン質量分析装
置。
【請求項４】請求項１記載の２次イオン質量分析装置
において、前記試料調整機構では、前記２次光学系装置
に取り付けられた位置決め用の所定の構造体に前記試料
の表面が接触するように前記試料測定位置調整を行って
該試料の表面の位置を設定することを特徴とする２次イ
オン質量分析装置。
【請求項５】請求項４記載の２次イオン質量分析装置
において、前記所定の構造体は、前記試料の表面の分析
領域を全て包囲するような板状体であることを特徴とす
る２次イオン質量分析装置。
【請求項６】請求項４記載の２次イオン質量分析装置
において、前記所定の構造体は、針状体であることを特
徴とする２次イオン質量分析装置。
【請求項７】１次光学系装置により試料の表面に対し
て１次イオンをレンズを通して収束した上で照射し、２
次光学系装置によって該１次イオンにより該試料の表面
から放出された２次イオンの特定の質量を持った粒子の
通過数を計測する際、該試料の表面の同一直線上以外に
存在する３点以上の位置で該２次光学系装置との間隔を
それぞれ該試料毎に同じ値になるように、該試料の表面
の位置を可変設定しながら該試料の傾斜角度と該試料の
表面の分析領域及び該２次光学系装置の距離とを該試料
毎に同じ値とする試料測定位置調整を行う試料位置調整
段階を有することを特徴とする２次イオン質量分析方
法。