JP2001235436A - Observation/analysis method for sample surface by oblique emission proton beam induced characteristic x- ray analysis and apparatus therefor - Google Patents

Observation/analysis method for sample surface by oblique emission proton beam induced characteristic x- ray analysis and apparatus therefor

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JP2001235436A
JP2001235436A JP2000045675A JP2000045675A JP2001235436A JP 2001235436 A JP2001235436 A JP 2001235436A JP 2000045675 A JP2000045675 A JP 2000045675A JP 2000045675 A JP2000045675 A JP 2000045675A JP 2001235436 A JP2001235436 A JP 2001235436A
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sample
sample surface
proton beam
ray
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Koichi Tsuji
幸一 辻
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an analytic method by a PIXE spectrum that allows observation and analysis of the sample surface at a higher S/N ratio. SOLUTION: In the sample surface observation/analytic method by oblique emission measurement proton beam irradiation induced characteristic X rays, characteristic X rays which are induced from a sample surface by the irradiation of a proton beam are observed through a member having a slit with the width thereof of below 1 mm while the angle of the sample surface to the irradiation proton beam is adjusted so that the characteristic X rays taken into a detector are at an angle of 2 deg. or less to the sample surface.

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、プロトンビームの
照射により試料表面から誘起される特性X線を用いた試
料表面観察・分析方法および該試料表面観察・分析方法
を実施するための試料表面観察・分析装置に関する。本
明細書において、試料表面とは、被観察・分析微粒子が
存在する基体表面、または被観察・分析薄膜が存在する
基体表面を意味し、誘起される特性X線とは、前記被観
察・分析微粒子または被観察・分析薄膜(数nm〜数μ
m)からプロトンの照射により誘起されるX線を意味す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for observing and analyzing a sample surface using characteristic X-rays induced from the surface of the sample by irradiation of a proton beam, and a method for observing and analyzing a sample surface for implementing the method for observing and analyzing the sample surface. -It relates to an analyzer. In this specification, the sample surface means the surface of the substrate on which the observed / analyzed fine particles are present or the surface of the substrate on which the observed / analyzed thin film is present. Fine particles or thin film to be observed / analyzed (several nm to several μ
m) means X-rays induced by irradiation of protons.

【0002】[0002]

【従来技術】微小領域の元素分析が材料開発や製品の品
質管理などの面で重要であることは良く知られているこ
とである。これは、材料のマクロな物性が微小部の介在
物の存在により大きな影響を受けたり、半導体デバイス
の微細化に伴いデバイスの特性が不純物微粒子に左右さ
れることが多いからである。また、エアロゾル(大気中
浮遊粒子状物質)の地球規模の気象や人体への影響も徐
々に認識されつつある。このようなことから、エアロゾ
ル中の微量元素分析も、自然環境を健全な状態で維持す
る上でも重要な測定対象である。微小領域および微量成
分の元素分析には微細なプローブ径を有する電子線やイ
オンビームが利用される。基板上に捕集した数ミクロン
サイズの単一微粒子を考える。ある程度エネルギーの大
きい電子線やイオンビームは微粒子を突き抜けて基板内
部にも侵入する。よって、観測される特性X線には微粒
子から発生したものだけでなく、基板を構成する元素の
特性X線が含まれることになる。微粒子を構成する元素
が基板構成元素に含まれる場合には、もはや、微粒子か
らの特性X線なのか基板からの特性X線なのか区別でき
ない。この場合、測定のためのプローブのエネルギーを
制御することも考えられるが、測定対象がある程度見極
めがついている場合には可能であるが、そうでない場合
には難しい。そこで、もし別の方法で表面層(数nm)
だけの、もしくは微粒子だけのX線分析が可能であれ
ば、このような問題点を解決できる。
2. Description of the Related Art It is well known that elemental analysis of a minute area is important in terms of material development and product quality control. This is because the macroscopic properties of the material are greatly affected by the presence of inclusions in the minute portions, and the characteristics of the device are often influenced by the impurity fine particles as the semiconductor device is miniaturized. The effects of aerosols (particulate matter in the atmosphere) on global weather and the human body are gradually being recognized. For this reason, trace element analysis in aerosols is also an important measurement target for maintaining a healthy natural environment. An electron beam or ion beam having a fine probe diameter is used for elemental analysis of a minute region and a trace component. Consider a single micron-sized particle collected on a substrate. An electron beam or ion beam having a relatively large energy penetrates the fine particles and penetrates into the substrate. Therefore, the observed characteristic X-rays include not only those generated from the fine particles but also the characteristic X-rays of the elements constituting the substrate. When the element constituting the fine particles is included in the element constituting the substrate, it is no longer possible to distinguish between characteristic X-rays from the fine particles and characteristic X-rays from the substrate. In this case, it is conceivable to control the energy of the probe for measurement, but it is possible if the measurement target has some degree of discrimination, but difficult if it is not. Therefore, if the surface layer (several nm)
Such a problem can be solved if X-ray analysis of only particles or only particles can be performed.

【0003】ところで、荷電粒子誘起特性X線の放出
(PIXE)は、一般に数MeVのエネルギーのプロト
ンビームを固体試料へ照射することにより、原子の内殻
の電子を励起することにより起こる。励起状態の電子の
遷移の際に試料から特性X線が放出される。プロトンビ
ーム誘起特性X線は、通常、エネルギー分散型X線検出
器(EDX)を使用することによって極めて低いバック
グラウンドで実行することができるとされている。ま
た、PIXEによれば高感度の非破壊的分析が可能であ
る。更に、マイクロビーム−PIXE(micro-PIXE)で
は、1μmオーダーの空間解像度の分析が可能である。
PIXEは微細な、且つ微量の成分の分析方法として認
められている。PIXEは、生物学、環境化学、地球科
学や考古学といった多くの分野で応用されてきた。例え
ばEPMA(電子線プローブマイクロ分析)における電
子線での励起の場合、一次電子線によって誘起される制
動放射により引き起こされる大きなバックグラウンド
が、検出限界を制限するという重大な欠点となる。これ
とは対照的に、PIXEスペクトルでは、低いバックグ
ラウンドが観察されるに過ぎない。従って、PIXEに
おける検出限界は、EPMAにおけるよりも約100倍
も低い。しかしながら、PIXE分析においても、軽元
素に対する検出限界はあまり低くはない、というのは、
低いエネルギー領域(4.0keV以下)におけるバッ
クグラウンドは、二次電子のために高くなるからであ
る。このことは、PIXEの応用を制限している、とい
うのは、低いエネルギー領域に特性X線のピークを持つ
Na、Al、Si、およびCaといった軽元素は、エア
ロゾルまたは生物学的試料の重要な構成成分であるから
である。本発明者は、特性X線の出射角を小さくするこ
とにより、バックグラウンドを減少できることを見出し
た。しかも、斜出射測定技術を応用したPIXEスペク
トル測定は、低いエネルギー領域に特性X線のピークを
持つNa、Al、Si、およびCaといった軽元素の検
出において、特にその検出特性の改善効果が大きいこと
は予想外の驚くべき発見であった。
[0003] The emission of charged particle-induced characteristic X-rays (PIXE) generally occurs when a solid sample is irradiated with a proton beam having an energy of several MeV to excite electrons in the inner shell of atoms. The characteristic X-ray is emitted from the sample at the time of the transition of the electrons in the excited state. Proton beam induced characteristic X-rays are generally said to be able to be performed in a very low background by using an energy dispersive X-ray detector (EDX). Further, PIXE enables highly sensitive nondestructive analysis. Further, micro-PIXE (micro-PIXE) enables analysis at a spatial resolution of the order of 1 μm.
PIXE is recognized as a method for analyzing fine and trace components. PIXE has been applied in many fields such as biology, environmental chemistry, earth science and archeology. For example, in the case of excitation with an electron beam in EPMA (Electron Beam Probe Micro Analysis), the large background caused by the bremsstrahlung induced by the primary electron beam is a serious disadvantage limiting the detection limit. In contrast, only a low background is observed in the PIXE spectrum. Thus, the limit of detection in PIXE is about 100 times lower than in EPMA. However, even in PIXE analysis, the detection limit for light elements is not so low,
This is because the background in the low energy region (4.0 keV or less) increases due to secondary electrons. This limits the application of PIXE because light elements such as Na, Al, Si, and Ca, which have characteristic X-ray peaks in the low energy range, are important for aerosols or biological samples. This is because it is a constituent. The present inventor has found that the background can be reduced by reducing the emission angle of characteristic X-rays. In addition, the PIXE spectrum measurement to which the oblique emission measurement technique is applied has a great effect of improving the detection characteristics particularly in the detection of light elements such as Na, Al, Si, and Ca having characteristic X-ray peaks in a low energy region. Was an unexpected and surprising discovery.

【0004】斜出射技術は、X線蛍光分析およびEPM
Aに応用され、これらはそれぞれGE−XRF〔Grazin
g-exit(emission) X-ray fluorescence analysis〕およ
びGE−EPMA〔Grazing-exit(emission) Electron
probe microanalysis〕と呼ばれている。この方法は、
斜照射測定技術とも密接に関連している。被検出試料か
ら放出される斜出射X線を検出して測定する技術におい
ては、通常数mrad(ミリラジアン)の小さい角度
(該試料表面と放出特性X線とのなす角度が小さい)で
放出される特性X線が利用される。従って、この方法に
よれば、界面での反射(表面試料の特性X線)および屈
折効果(試料内部からの特性X線)により試料の内部か
ら放出されるX線は検出されないために(スリットを持
った部材の配置と、特性X線検出器の配置位置とによ
り、観察X線が選択されることによる相乗的効果によ
り。)表面の観察(ナノメーターのオーダー)特性が顕
著に改善される。従って、例えば、前記GE−EPMA
では、基板の深い部分の構成元素からの特性X線の重な
りによる元素分析の検出精度の低下が改善される。換言
すれば、信号/ノイズ(S/N)比の特性が改善され
る。本発明者は、斜出射測定技術をPIXEスペクトル
測定に応用することにより、バックグラウンドを顕著に
減少できることを発見した。そしてその効果は、低いエ
ネルギー領域に特性X線のピークを持つNa、Al、S
i、およびCaといった軽元素の検出において、特に顕
著であった。
[0004] Oblique emission technology is based on X-ray fluorescence analysis and EPM.
A, each of which is GE-XRF [Grazin
g-exit (emission) X-ray fluorescence analysis) and GE-EPMA [Grazing-exit (emission) Electron
probe microanalysis]. This method
It is also closely related to the oblique irradiation measurement technique. In a technique for detecting and measuring obliquely emitted X-rays emitted from a sample to be detected, the X-rays are usually emitted at a small angle of several mrad (milliradian) (the angle between the sample surface and the emission characteristic X-rays is small). Characteristic X-rays are used. Therefore, according to this method, X-rays emitted from the inside of the sample due to reflection at the interface (characteristic X-rays of the surface sample) and refraction effect (characteristic X-rays from inside the sample) are not detected. Due to the synergistic effect of the selection of the observation X-rays depending on the arrangement of the members held and the arrangement position of the characteristic X-ray detector, the observation characteristics (on the order of nanometers) of the surface are remarkably improved. Therefore, for example, the aforementioned GE-EPMA
Thus, the decrease in detection accuracy in elemental analysis due to overlapping of characteristic X-rays from constituent elements in a deep portion of the substrate is improved. In other words, the characteristics of the signal / noise (S / N) ratio are improved. The present inventor has found that the background can be significantly reduced by applying the oblique emission measurement technique to the PIXE spectrum measurement. And the effect is that Na, Al, S having a characteristic X-ray peak in a low energy region.
It was particularly remarkable in the detection of light elements such as i and Ca.

【0005】前記GE−PIXEにより、基板の深い部
分の構成元素からの特性X線の重なりによる元素分析の
検出精度の低下は改善されるが、基板の浅い内部の構成
元素からの重なりは依然として存在する。
Although the above-mentioned GE-PIXE improves the accuracy of elemental analysis due to the overlap of characteristic X-rays from constituent elements in a deep part of the substrate, the overlap from constituent elements in the shallow inner part of the substrate still exists. I do.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、前記
改良したPIXEであるGE−PIXEのもつ上記不都
合を取り除いた改良GE−PIXE分析法およびそのた
めの装置を提供することである。そのために、プロトン
誘起特性X線の被分析試料表面(薄膜または、これらの
積層構造)および該表面上の不純物、例えば単一粒子、
表面付着大気中浮遊粒子、生物化学試料など(これらを
総称して、微粒子と表現する場合がある。)から放出さ
れる特性を検討する中で、X線斜出角度(取り出し角)
の依存性を検討し、取り出し角をより小さく(2゜以下
に)制限することことが重要である。そしてこのような
条件において、被分析試料内部(前記被検出微粒子の付
着平面、被検出物質のキャリヤー等、これらを総称して
被分析試料表面と表現する場合がある。)から発生する
特性X線は表面で屈折するが、表面に存在する異物など
からのX線は等方的に発生する特性を有することを見出
し、これらの特性を利用して、それぞれの特性X線を選
択してX線検出装置に取り入れることを思いつき前記課
題を解決した。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an improved GE-PIXE analysis method which eliminates the above disadvantages of the improved PIXE, GE-PIXE, and an apparatus therefor. For this purpose, the surface of the sample to be analyzed for proton-induced characteristic X-rays (thin film or a laminated structure thereof) and impurities on the surface, such as single particles,
In examining the characteristics emitted from airborne particles on the surface, airborne particles, biochemical samples, etc. (these are sometimes collectively referred to as fine particles), the X-ray oblique angle (extraction angle)
It is important to consider the dependence of the angle and to limit the take-out angle to a smaller value (2 ° or less). Under such conditions, characteristic X-rays generated from inside the sample to be analyzed (the surface of the sample to be detected, the carrier of the substance to be detected, etc. are sometimes collectively referred to as the surface of the sample to be detected). Is refracted on the surface, but it has been found that X-rays from foreign substances present on the surface have characteristics that generate isotropically. The inventor thought of incorporating it in the detection device and solved the above-mentioned problem.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の第1は、プロト
ンビームの照射による試料表面から誘起される特性X線
を幅1mm以下のスリットを設けた部材を介し、かつ、
X線検出器に取り入れられる該特性X線が該試料表面と
なす角が2°以下であるように、該試料表面とプロトン
ビームをなす角を調整して観察することを特徴とする斜
出射測定型−プロトンビーム照射誘起特性X線による試
料表面観察・分析方法である。好ましくは、プロトンビ
ームの照射により試料表面から誘起される特性X線の前
記表面からの角度(斜出射角度)が2°以下となるよう
なプロトンビームの該試料表面への照射を実現するため
に、前記照射されるプロトンビームの角度が前記特性X
線の出射角になるように前記試料表面の傾斜を変えて前
記試料を保持するようにすることを特徴とする前記斜出
射プロトンビーム誘起特性X線による試料表面観察・分
析方法。本発明の第2は、X線検出器に取り入れられる
試料表面から誘起される特性X線が、該試料表面となす
角が2゜以下になるように該試料表面にプロトンビーム
が照射されるように該試料表面の傾斜を調整できるよう
前記試料を保持する試料保持ステージと、該X線検出器
の前記特性X線の取り入れ口前に配置された幅1mm以
下で、該試料表面に平行なスリットが設けられた部材を
有することを特徴とする斜出射測定型−プロトンビーム
照射誘起特性X線による試料表面観察・分析装置であ
る。
A first aspect of the present invention is that a characteristic X-ray induced from a sample surface by irradiation of a proton beam is passed through a member provided with a slit having a width of 1 mm or less, and
Oblique emission measurement characterized by adjusting the angle between the sample surface and the proton beam so that the angle between the characteristic X-rays introduced into the X-ray detector and the sample surface is 2 ° or less, and observing the sample. This is a method for observing and analyzing a sample surface by using a type-proton beam irradiation induced characteristic X-ray. Preferably, in order to realize the irradiation of the sample surface with the proton beam such that the angle (oblique emission angle) from the surface of the characteristic X-ray induced from the sample surface by the irradiation of the proton beam is 2 ° or less. , The angle of the irradiated proton beam is the characteristic X
The method for observing and analyzing a sample surface using the obliquely emitted proton beam-induced characteristic X-rays, wherein the sample is held by changing the inclination of the sample surface so as to have a line emission angle. According to a second aspect of the present invention, a proton beam is applied to the sample surface so that the characteristic X-ray induced from the sample surface introduced into the X-ray detector makes an angle of 2 ° or less with the sample surface. A sample holding stage for holding the sample so that the inclination of the sample surface can be adjusted; and a slit having a width of 1 mm or less and being arranged in front of the characteristic X-ray inlet of the X-ray detector and being parallel to the sample surface. Is an oblique emission measurement type-proton beam irradiation-induced characteristic X-ray sample surface observation / analysis apparatus characterized by having a member provided with.

【0008】[0008]

【本発明の実施の態様】本発明をより詳細に説明する。 A.図1は、プロトンビームを用いた試料表面観察・分
析装置の概要を説明するものである。真空チャンバー
(VC)内は、真空度が1.0×10-5Torr以下に
保持されている。該チャンバー内には、プロトンビーム
(PB)の照射により誘起される特性X線が試料表面と
なす角θが2°以下になるように、該被分析試料表面の
傾斜を変えることができるように保持する回転できる試
料ステージ(SS)が配置されている。プロトンビーム
が照射された表面に微粒子(エアロゾルなど)が存在す
れば、該微粒子を構成する元素特有の特性X線が放出さ
れる。放出された特性X線(CX)が透過できるX線窓
材〔カプトン箔(CF)など〕を透過して、X線検出器
〔XD:エネルギー分散型X線検出装置(EDX)〕に
て、微粒子の存在・微粒子の元素が観察・分析される。
本発明の特徴は、前記検出器の特性X線取り入れ口側、
スリット(SL:幅1mm以下)が設けられた部材(S
F)を設けて、取り入れる特性X線を制限することによ
り、従来のGE−PIXE分析法に対して、ノイズ/信
号比の特性を改善するものである。このスリットを設け
た場合の作用・効果は斜出射特性X線の観測において顕
著であるということの発見が本発明の特徴である。 B.スリット(SL:幅1mm以下)が設けられた部材
(SF)は、ポリマーコティングしたモリブデンのよう
な金属板材料からなる。スリット幅は、上限は1mm程
度がノイズ/信号比の特性の点から制限を受けるが下限
は、観察特性X線との関連で適宜決定できる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in more detail. A. FIG. 1 illustrates an outline of a sample surface observation / analysis device using a proton beam. The inside of the vacuum chamber (VC) is maintained at a degree of vacuum of 1.0 × 10 −5 Torr or less. In the chamber, the inclination of the surface of the sample to be analyzed can be changed so that the angle θ formed between the characteristic X-ray induced by irradiation with the proton beam (PB) and the sample surface is 2 ° or less. A rotatable sample stage (SS) to be held is arranged. If fine particles (aerosol or the like) exist on the surface irradiated with the proton beam, characteristic X-rays specific to the elements constituting the fine particles are emitted. The emitted characteristic X-rays (CX) are transmitted through an X-ray window material [Kapton foil (CF) or the like] through which the X-rays can be transmitted, and an X-ray detector [XD: energy dispersive X-ray detector (EDX)] The presence of fine particles and the elements of the fine particles are observed and analyzed.
The feature of the present invention is the characteristic X-ray intake side of the detector,
A member (S) provided with a slit (SL: width 1 mm or less)
F) is provided to limit the characteristic X-rays to be taken, thereby improving the noise / signal ratio characteristic over the conventional GE-PIXE analysis method. The feature of the present invention is the discovery that the operation and effect when the slit is provided are remarkable in oblique emission characteristic X-ray observation. B. The member (SF) provided with the slit (SL: 1 mm or less in width) is made of a metal plate material such as polymer-coated molybdenum. The upper limit of the slit width is limited to about 1 mm in terms of the noise / signal ratio characteristic, but the lower limit can be appropriately determined in relation to the observation characteristic X-ray.

【0009】C.本発明の観察・分析方法は、種々の材
料の表面に付着している種々の材料の試料に適用でき
る。特に、シリコン半導体材料表面の観察・分析に、ま
た、種々の病原となる大気中の微粒子の分析などに利用
できる。すなわち、微少領域の微量成分の観察・分析に
顕著な作用・効果を発揮する。 D.特性X線検出器は、試料から50mm以上離した位
置に配置される。従って、前記スリットを設けた部材も
それに伴って位置を変えて配置される。これにより、試
料内部から発生し、界面で屈折する特性X線と試料表面
で反射される特性X線との選択性が増幅される。
C. The observation / analysis method of the present invention can be applied to various material samples attached to the surface of various materials. In particular, it can be used for observation and analysis of the surface of a silicon semiconductor material, and analysis of airborne fine particles that cause various pathologies. That is, it exerts a remarkable action and effect on observation and analysis of a trace component in a minute region. D. The characteristic X-ray detector is arranged at a position separated from the sample by 50 mm or more. Therefore, the member provided with the slit is also arranged with its position changed accordingly. This amplifies the selectivity between the characteristic X-rays generated from inside the sample and refracted at the interface and the characteristic X-rays reflected at the sample surface.

【0010】[0010]

【実施例】実施例1 試料はシリコンウエハー上に作成した金(50nm)−銅
(500nm)の2層薄膜で、最表面は金層である。試料
は真空度10-5Torrのチャンバー内の回転ステージ
(試料保持ステージ)の中心に設置された。試料には
2.5MeV−100nAのプロトンビームを90度の
入射角で照射した。プロトンビームによって誘起された
特性X線はカプトン箔を通して大気中に置かれた半導体
X線検出器で測定された。半導体X線検出器の先端部に
は1mm幅のスリットが設けられた部材が取りつけられ
ており、試料とX線検出器の距離は100mmである。
図2(a)は出射角45度で測定したPIXEスペクト
ルである。金と銅薄膜からの特性X線AuL線、CuK
α線が観測されているが、銅の膜厚が厚いために銅の特
性X線強度が金のものより強く観測されている。図2
(b)は図2(a)の縦軸(強度軸)を拡大したものであ
る。PIXEスペクトルは荷電粒子による制動放射が少
ないために、バックグラウンドが小さい事が特徴である
が、図(b)に見られるように、低エネルギー領域では
バックグラウンドが大きくなっていることが明らかであ
る。図2(c)は出射角0.5度で同じ試料を測定した
PIXEスペクトルである。図2(b)と図2(c)の
縦軸の強度スケールはほぼ同じであるが、図2(c)で
は低エネルギー側でのバックグラウンドが小さくなって
いる事が明らかである。つまり、斜出射測定を行う事に
より、PIXEスペクトルでのバックグラウンドを軽減
する事が明らかとなった。さらに、CuK線の強度がA
uL線強度と比較して減少している。このことは、出射
角度を小さくする事により、最表面の元素分析ができる
ことを示している。
EXAMPLE 1 A sample was made of gold (50 nm) -copper prepared on a silicon wafer.
(500 nm), the outermost surface of which is a gold layer. The sample was set at the center of a rotary stage (sample holding stage) in a chamber with a degree of vacuum of 10 −5 Torr. The sample was irradiated with a proton beam of 2.5 MeV-100 nA at an incident angle of 90 degrees. The characteristic X-rays induced by the proton beam were measured with a semiconductor X-ray detector placed in the atmosphere through a Kapton foil. A member provided with a slit having a width of 1 mm is attached to the tip of the semiconductor X-ray detector, and the distance between the sample and the X-ray detector is 100 mm.
FIG. 2A is a PIXE spectrum measured at an emission angle of 45 degrees. Characteristic X-ray AuL line from gold and copper thin film, CuK
Although α rays are observed, the characteristic X-ray intensity of copper is observed to be stronger than that of gold due to the large thickness of copper. FIG.
FIG. 2B is an enlarged view of the vertical axis (intensity axis) of FIG. The PIXE spectrum is characterized in that the background is small because the bremsstrahlung by the charged particles is small, but it is clear that the background is large in the low energy region as shown in FIG. . FIG. 2C is a PIXE spectrum obtained by measuring the same sample at an emission angle of 0.5 degrees. The intensity scales on the vertical axis in FIG. 2B and FIG. 2C are almost the same, but in FIG. 2C it is clear that the background on the low energy side is smaller. That is, it has been clarified that the background in the PIXE spectrum is reduced by oblique emission measurement. Further, the intensity of the CuK wire is A
The intensity is reduced as compared with the uL line intensity. This indicates that element analysis of the outermost surface can be performed by reducing the emission angle.

【0011】実施例2 試料は平坦ガラス上に作成した銅(10nm)−ビスマス
(6nm)の2層薄膜で、最表面は銅層である。試料は
真空度10-5Torrのチャンバー内の回転ステージの
中心に設置された。試料には2.5MeV−100nA
のプロトンビームを90度の入射角で照射した。プロト
ンビームによって誘起された特性X線はカプトン箔を通
して大気中に置かれた半導体X線検出器で測定された。
半導体X線検出器の先端部には1mm幅のスリットを設
けた部材が取り付けられており、試料とX線検出器の距
離は100mmである。図3(a)は出射角0.4度で
のPIXEスペクトルである。最表面に存在する銅の特
性X線CuKαのみが測定されている。図3(b)では
出射角1度でのスペクトルであり、CuKα線に加え
て、ビスマスの特性X線BiLα線も観測されている。
さらに、出射角度を4.4度にすると、図3(c)に示
されるように、基板であるガラスからの特性X線である
CaKα線やFeKα線も観測されている。このよう
に、出射角度を0.4度から1度、更に4.4度と大き
くする事により、より深い場所からの元素分析が可能で
ある事が示された。つまり、出射角度を変えることによ
り非破壊的に深さ方向の元素分析が可能であることが分
かった。
Example 2 A sample is a two-layer thin film of copper (10 nm) -bismuth (6 nm) formed on flat glass, and the outermost surface is a copper layer. The sample was placed at the center of a rotating stage in a chamber with a degree of vacuum of 10 -5 Torr. 2.5MeV-100nA for sample
Was irradiated at an incident angle of 90 degrees. The characteristic X-rays induced by the proton beam were measured with a semiconductor X-ray detector placed in the atmosphere through a Kapton foil.
A member provided with a slit having a width of 1 mm is attached to the tip of the semiconductor X-ray detector, and the distance between the sample and the X-ray detector is 100 mm. FIG. 3A is a PIXE spectrum at an emission angle of 0.4 degrees. Only the characteristic X-ray CuKα of copper existing on the outermost surface is measured. FIG. 3B shows a spectrum at an emission angle of 1 degree. In addition to CuKα rays, characteristic X-rays BiLa rays of bismuth are also observed.
Further, when the emission angle is set to 4.4 degrees, as shown in FIG. 3C, CaKα rays and FeKα rays, which are characteristic X-rays, from the glass substrate are also observed. Thus, it was shown that by increasing the emission angle from 0.4 degrees to 1 degree and further to 4.4 degrees, elemental analysis from a deeper place is possible. That is, it was found that the elemental analysis in the depth direction can be performed nondestructively by changing the emission angle.

【0012】実施例3 試料はシリコンウエハー上に捕集したエアロゾル(大気
中浮遊粒子状物質)である。試料は真空度10-5Tor
rのチャンバー内の回転ステージの中心に設置された。
試料には2.5MeV−100nAのプロトンビームを
90度の入射角で照射した。プロトンビームによって誘
起された特性X線はカプトン箔を通して大気中に置かれ
た半導体X線検出器で測定された。半導体X線検出器の
先端部には1mm幅のスリットが設けられた部材が取り
つけられており、試料とX線検出器の距離は100mm
である。図4(a)は出射角4.4度でのPIXEスペ
クトルである。低エネルギー側には連続X線によるバッ
クグランドが大きく観測されるため、エアロゾル試料に
含まれるカルシウムなどの微量元素の分析が困難であ
る。これに対して、図4(b)では出射角0.4度で同
じエアロゾル試料を測定した結果である。図4(a)と
図4(b)の測定時間は同じく180秒である。斜出射
角では、シリコン基板から発生するバックグラウンドの
要因となるX線を検出しないため、図4(a)と比較し
て明らかにバックグラウンドレベルが低下している。こ
の結果、大きな出射角では困難であったCaKαやTi
Kα,ZnKαといった特性X線が感度良く観測されて
いる。最終的にはカルシウムの検出限界は7倍以上向上
した。多くのエアロゾル試料がPIXE分析法によって
分析されてきた経緯を考えると、斜出射PIXE法によ
るバックグラウンドの軽減および検出限界の向上は重要
な進展である。
Example 3 The sample is an aerosol (particulate matter suspended in the air) collected on a silicon wafer. The sample was in a vacuum of 10 -5 Torr
r at the center of the rotating stage in the chamber.
The sample was irradiated with a proton beam of 2.5 MeV-100 nA at an incident angle of 90 degrees. The characteristic X-rays induced by the proton beam were measured with a semiconductor X-ray detector placed in the atmosphere through a Kapton foil. A member provided with a slit having a width of 1 mm is attached to the tip of the semiconductor X-ray detector, and the distance between the sample and the X-ray detector is 100 mm.
It is. FIG. 4A is a PIXE spectrum at an emission angle of 4.4 degrees. Since a large background of continuous X-rays is observed on the low energy side, it is difficult to analyze trace elements such as calcium contained in the aerosol sample. On the other hand, FIG. 4B shows the result of measuring the same aerosol sample at an emission angle of 0.4 degrees. The measurement time in FIGS. 4A and 4B is also 180 seconds. At the oblique emission angle, the background level generated by the silicon substrate is not detected, and the background level is clearly lower than that in FIG. 4A. As a result, CaKα and Ti
Characteristic X-rays such as Kα and ZnKα are observed with high sensitivity. Eventually, the detection limit of calcium was improved more than 7 times. Given the history of how many aerosol samples have been analyzed by PIXE analysis, reducing background and improving detection limits by oblique emission PIXE are important advances.

【0013】[0013]

【発明の効果】以上述べたように、斜出射PIXE法に
おいて、X線検出器の先端に直径1.0mm以下のアパ
ーチャーまたは1.0mm以下の幅のスリットを設け
て、基体表面、特に平坦な基体表面の微粒子状の不純物
を観察する場合、単に斜出射角の特性X線に基板からの
ものが現れないというばかりでなく、直接X線検出器に
観測されるビームと、一度シリコンウエハー上で反射し
た後、検出されるビームとの干渉現象の結果、特性X線
の強度の増大効果があるので、微小試料の分析に極めて
有効であるという優れた効果がもたらされる。このよう
な観測方法はシリコンウエハーなどの表面上の未知の不
純物の存在、及び存在不純物の分析に応用でき、半導体
生産における工程管理などに大きな作用・効果をもたら
すことは明らかである。
As described above, in the oblique emission PIXE method, an aperture having a diameter of 1.0 mm or less or a slit having a width of 1.0 mm or less is provided at the tip of the X-ray detector, and the surface of the substrate, particularly a flat surface, is provided. When observing the particulate impurities on the substrate surface, not only does the characteristic X-ray of the oblique emission angle not appear from the substrate, but also the beam directly observed by the X-ray detector and once on the silicon wafer After reflection, as a result of the phenomenon of interference with the detected beam, there is an effect of increasing the intensity of characteristic X-rays, so that an excellent effect is obtained that is extremely effective for analyzing a minute sample. It is clear that such an observation method can be applied to the analysis of the presence of unknown impurities on the surface of a silicon wafer or the like and the impurities present, and has a great effect on the process control in semiconductor production.

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

【図1】 本発明の斜出射プロトンビーム誘起特性X線
分析による試料表面の観察・分析装置の一例
FIG. 1 shows an example of a sample surface observation / analysis apparatus according to the oblique emission proton beam induced characteristic X-ray analysis of the present invention.

【図2】 シリコンウエハー上に金(50nm)−銅(5
00nm)の2層薄膜を設けた試料表面を、出射角45
度での測定結果(a)、(a)縦軸(強度軸)の拡大図
(b)、出射角0.5度での測定結果(c)
FIG. 2: Gold (50 nm) -copper (5) on a silicon wafer
The sample surface provided with the two-layer thin film of
(A), (a) Enlarged view of vertical axis (intensity axis) (b), Measurement result at emission angle 0.5 degree (c)

【図3】 平坦ガラス上に銅(10nm)−ビスマス(6
nm)の2層薄膜を設けた試料表面を、出射角0.4度
(a)、出射角1度(b)、および出射角度を4.4度
(c)で測定したPIXEスペクトル
FIG. 3. Copper (10 nm) -bismuth (6
PIXE spectrum obtained by measuring the surface of the sample provided with the two-layer thin film of (nm) at an emission angle of 0.4 degree (a), an emission angle of 1 degree (b), and an emission angle of 4.4 degree (c).

【図4】 シリコンウエハー上に捕集したエアロゾルを
試料表面とし、出射角4.4度(a)、出射角0.4度
(b)で測定したPIXEスペクトル
FIG. 4 shows a PIXE spectrum measured at an emission angle of 4.4 degrees (a) and an emission angle of 0.4 degrees (b) using an aerosol collected on a silicon wafer as a sample surface.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

XD X線検出器 SF スリットが設けられた部材 SL スリット CX 特性X線 CF カプトン箔 SS 試料ステージ VC 真空チャンバー PB
プロトンビーム
XD X-ray detector SF Member with slit SL Slit CX Characteristic X-ray CF Kapton foil SS Sample stage VC Vacuum chamber PB
Proton beam

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プロトンビームの照射により試料表面か
ら誘起される特性X線を幅1mm以下のスリットを設け
た部材を介し、かつ、検出器に取り入れられる該特性X
線が該試料表面となす角が2°以下であるように、該試
料表面の前記照射プロトンビームに対する角度を調整し
て観察することを特徴とする斜出射測定型−プロトンビ
ーム照射誘起特性X線による試料表面観察・分析方法。
1. A characteristic X-ray induced from a sample surface by irradiation with a proton beam through a member provided with a slit having a width of 1 mm or less and taken into a detector.
Oblique emission measurement type-proton beam irradiation-induced characteristic X-ray, wherein an angle of the sample surface with respect to the irradiated proton beam is adjusted and observed so that an angle between the line and the sample surface is 2 ° or less. Surface observation and analysis method using
【請求項2】 プロトンビームの照射により試料表面か
ら誘起される特性X線の前記表面からの角度(斜出射角
度)が2°以下となるようなプロトンビームの該試料表
面への照射を実現するために、前記照射されるプロトン
ビームの角度が前記特性X線の出射角になるように前記
試料表面の傾斜を変えて前記試料を保持するようにする
ことを特徴とする請求項1に記載の斜出射プロトンビー
ム誘起特性X線による試料表面観察・分析方法。
2. A sample beam is irradiated with a proton beam such that an angle (oblique emission angle) from the surface of characteristic X-rays induced from the sample surface by irradiation with the proton beam is 2 ° or less. 2. The apparatus according to claim 1, wherein the sample is held by changing an inclination of the sample surface so that an angle of the irradiated proton beam becomes an emission angle of the characteristic X-ray. Observation / analysis method of sample surface by oblique emission proton beam induced characteristic X-ray.
【請求項3】 X線検出器に取り入れられる試料表面か
ら誘起される特性X線が、該試料表面となす角が2゜以
下になるように該試料表面にプロトンビームが照射され
るように該試料表面の傾斜を調整できるよう前記試料を
保持する試料保持ステージと、該X線検出器の前記特性
X線の取り入れ口前に配置された幅1mm以下で、該試
料表面に平行なスリットが設けた部材を有することを特
徴とする斜出射測定型−プロトンビーム照射誘起特性X
線による試料表面観察・分析装置。
3. The sample surface is irradiated with a proton beam so that the characteristic X-ray induced from the sample surface introduced into the X-ray detector makes an angle of 2 ° or less with the sample surface. A sample holding stage for holding the sample so that the inclination of the sample surface can be adjusted, and a slit parallel to the sample surface with a width of 1 mm or less and arranged in front of the characteristic X-ray inlet of the X-ray detector are provided. Emission measurement type-proton beam irradiation induced characteristic X characterized by having a bent member
A sample surface observation and analysis device using X-rays.
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