JP2005300502A

JP2005300502A - 分析試料の作製方法

Info

Publication number: JP2005300502A
Application number: JP2004121359A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Oishi; 喜久大石; Hidekazu Okudaira; 秀和奥平
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi Science Systems Ltd; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi Science Systems Ltd; Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】ＳＩＭＳ分析の分析試料を効率よく且つ容易に得ることができる分析試料の作製方法を提供する。
【解決手段】分析試料を支持基板に固定した後、分析試料と支持基板表面に目的の分析深さと同等の厚さの均一な薄膜を形成し、支持基板上の薄膜が研磨される厚さまで分析試料を薄片化する。
【効果】分析試料を固定する支持基板に特殊な加工を施す必要がなく、試料作製工程が大幅に簡略化される。これにより多数の分析試料が効率よく作製できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次イオン質量分析（以下、ＳＩＭＳ分析）の試料前処理に係わり、特に試料の裏面側から分析を行うための分析試料の作製方法に関する。

ＳＩＭＳ分析では、表面に金属膜を持つ試料の場合、金属のスパッタリング速度は結晶方位や結晶粒界に依存して異なるため、金属膜のイオン照射面（分析面）には表面荒れ（凹凸）が生じる。いったん生じた凹凸は、金属膜がスパッタによりなくなった後も残り、表面に凹凸を持つ試料の場合と同様に、ＳＩＭＳ分析本来の深さ方向分解能を低下させる。したがって、通常のＳＩＭＳ分析では金属膜下層の正確な深さ方向分布を得ることができない。

また、ＳＩＭＳでは加速された一次イオンと試料表面原子の衝突により、表面原子が本来存在する位置よりも試料内部に押し込まれる現象（ノックオン効果）がある。そのため、一般的に不純物の深さ方向分布は真の分布に比べ広がった形状となる。例えば高濃度で急峻な不純物分布を持つ試料の場合（低エネルギのイオン注入等）、ノックオン効果による裾引きが低濃度側に生じ、真の不純物分布を得ることはできない。

このような問題を解決する分析方法として、試料の裏面側（試料基板側）からＳＩＭＳ分析を行う分析手法（以下、裏ＳＩＭＳ分析）が提案・実施されている。この裏ＳＩＭＳ分析では、金属膜のイオンスパッタによる表面荒れは、金属膜下層を試料基板側から分析することで避けることができる。したがってＳＩＭＳ分析本来の深さ方向分解能による分布が得られる。また、ノックオン効果は低濃度側から高濃度側方向へ分析することにより、その影響はほとんど無視することが可能となる。したがって、真の不純物分布に近い分布を得ることができる。この裏ＳＩＭＳ分析には、予め試料基板の大部分を除去し、分析試料を薄片化する試料作製が必要である。

例えば下記特許文献１では、分析精度向上のため均一且つ平坦な形状に試料を加工できる試料作製方法が提案されている。以下、特許文献１の分析試料の作成方法を図２(ａ)〜(ｆ)を用いて説明する。

まず、図２(ａ)に示すように、基板２１上に不活性層２２を形成する。この不活性層２２は研磨液に対して不活性な材質であり、その厚さは研磨後に希望する試料の厚さとなっている。

次に、図２(ｂ)に示すように、不活性層２２の一部をウエットエッチング又はドライエッチング等を用いて除去する。除去する領域は、試料３０がその内部に収納できるよう試料３０に比べ一回り大きくなっている。

次に、図２(ｃ)に示すように、基板２１の不活性層２２を除去した領域内に穴２３〜２６を設ける（以下、これを支持基板２８という）。この穴は試料３０と支持基板２８を接着するためのもので、穴の数や位置等は任意である。

次に、図２(ｄ)に示すように、水平板２７上に試料３０の研磨面を接するように載せ、その上に支持基板２８を不活性層２２と試料３０が接しないように重ね合わせる。そして支持基板２８の穴２３〜２６に接着剤２９を注入し固化させる。図２(ｅ)はこの状態でのＡ−Ａ’断面である。

次に、図２(ｆ)に示すように、試料３０の裏面側を化学的機械的研磨により所定の厚さまで研磨し且つその表面を鏡面に仕上げる。この時、研磨液は試料３０のエッチング速度と不活性層２２のエッチング速度との比が充分大きいものを用いる。すると前記研磨は不活性層２２と研磨板である水平板２７とが接するまで行われるので、試料３０は不活性層２２とほぼ同じ厚さに加工される。以上により、所定の厚さで且つＳＩＭＳ分析に適した平坦な面を有する試料を得ることができる。

上記の分析試料の作成方法によれば、均一且つ平坦な試料の作製が可能とされているが、この方法では支持基板２８の構造が複雑で加工に手間と時間が係り試料作製の作業効率が悪いという問題がある。
この問題を改良した試料作製方法が下記特許文献２に提案されている。

以下、特許文献２の分析試料の作成方法を図３(ａ)〜(ｆ)を用いて説明する。

図３(ａ)に示すように、まず支持基板３１上にレジスト膜等を用いて分析試料より一回り大きいマスクパターン３２を形成する。このマスク材は、次工程でのエッチング液又はエッチングガスに対して侵されにくい材質である必要がある。

次に、図３(ｂ)に示すように、支持基板３１のパターン開口部にエッチング法を用いて凹部３３を形成する。この凹部３３の深さは以後の研磨作業における分析試料の残し膜厚となる。また凹部３３の底面は、次々工程で分析試料を固定する面となるため、半導体基板の表面程度の平坦度が必要である。

次に図３(ｃ)に示すように、エッチングマスクを除去する。これにより図３(ｄ)に示す凹部３３の形成された支持基板１ａが得られる。
次に図２(ｅ)に示すように、支持基板３４の凹部３３に分析試料３６を収容し、分析試料の表面３６ａと凹部３３の底面を密着させ、接着剤３５を塗布し分析試料３６を支持基板３４に固定する。

次に、図３(ｆ)に示すように、分析試料の裏面３６ｂに対して化学的機械的研磨を行う。分析試料が目的の膜厚になると支持基板３４が研磨盤に接触し、研磨レートが遅くなる。このため分析試料が目的の膜厚に研磨できたか否かを容易に確認することができる。

図３(ｇ)は、ＳＩＭＳ時の状態を示し、イオンビーム３７が照射され、２次イオン３８が生じている。

上記の分析試料の作成方法は、特許文献１の支持基板に形成した不活性層による効果を、支持基板に形成した凹部で代用したものであり、不活性層は不要であるが支持基板に凹部をパターン加工するため作製工程が必要という点で大差はなく、多数の分析試料を効率よく容易に得るには不十分であった。

特開２０００−１０５１８０公報特開２００３−１３９６６７号公報

特許文献１及び２には、多数の分析試料を効率よく且つ容易に得られる分析試料の作成方法が提案されている。しかし、特許文献１の方法では、基板の不活性層を除去した領域内に穴を設けて支持基板を作製する必要があり、特許文献２の方法では、支持基板に凹部を形成する必要があり、そのためのこれらの方法はいずれも作製工程が多く、多数の分析試料を効率よく得るには不十分であった。また、大きさや形状の異なる分析試料に対して、個別に凹部を形成するマスクを用意する必要があった。

本発明の試料作製方法では、分析試料を固定する支持基板に、予め加工等を行う必要はない。まず分析試料を固定するための平坦な表面を持つ支持基板を用意する。この前記支持基板の大きさは分析試料の約２倍以上（面積比で約４倍以上）あることが望ましい。

次に、分析試料を接着剤を用いて支持基板上に固定する。この研磨試料の表面に分析深さと同等の厚さの均一な薄膜を物理蒸着法又は化学蒸着法を用いて形成する（前記分析深さとは、表面側から分析する場合に必要な分析深さを指す）。この薄膜は、前記特許文献１に記載のパターン加工された不活性層、及び特許文献２に記載のパターン加工された凹部と同等の効果を持つ。

この薄膜が形成された試料を分析試料の裏面側から研磨する。分析試料が研磨されて徐々に薄くなり、支持基板上の薄膜が研磨され始めると、研磨面積が支持基板の大きさに比例して増大し研磨レートは低下する。したがって、前記特許文献２と同様に目的の厚さ（分析深さ）の分析試料を効率よく且つ容易に得ることが可能である。

勿論、従来の不活性層又は支持基板のパターン加工に必要であったマスクは、本発明の試料作製方法では不要である。

本発明の試料作製方法は、分析試料を固定する支持基板に特殊な加工を施す必要がない。したがって前記特許文献２に記載された支持基板に凹部を形成する工程は不要となり、試料作製工程が大幅に簡略化される。これにより多数の分析試料が効率よく作製できる。

図１は、本発明の一実施の形態に係わる分析試料の作成方法を示す図である。
はじめに、ＳＩＭＳ分析に適したサイズ（約１０ｍｍ角）に切り出した分析試料１（分析深さ：約１μｍ，Ｓｉ基板厚さ：約７００μｍ）と、支持基板２（約６０ｍｍφのガラス円盤）を準備する。

図１(ａ)に示すように、分析試料１を支持基板２の中央付近に分析面が支持基板２に接するように配置し、分析試料１の周囲に接着剤３（例えば２００℃程度で硬化する熱硬化性エポキシ樹脂）を塗布し固定した。この時、分析試料１と支持基板２が平行となるよう押圧冶具等を用いて密着させた。

次に、図１(ｂ)に示すように支持基板上に固定された分析試料を、Ｓｉ基板をターゲットとしたスパッタ装置内に導入し、試料表面に必要な膜厚のＳｉ膜(約１μｍ)を形成した。必要な膜厚とは、前記分析試料１の分析深さに相当する膜厚である。この実施例ではスパッタＳｉ膜を用いたが、他の組成の膜（例えばＷＳｉ，ＳｉＯ_２等）を用いてもよい。但し、その薄膜の硬度は分析試料の基板と同等又はそれ以上であることが望ましい。また、研磨液が化学的機械的エッチング作用を持つ場合は、薄膜が前記研磨液に対して不活性な材料（例えばコロイダルシリカに対してＳｉＯ_２膜）であることが望ましい。

前記Ｓｉ膜を形成した試料（以下、研磨試料５）を、回転式研磨装置を用いて３段階研磨で薄片化した。研磨量の測定は、荒研磨及び中間研磨ではダイヤルゲージ（測定精度±３μｍ）、仕上げ研磨では、触針段差計（測定精度±５％）を用いた。

まず、荒研磨はダイヤモンド砥粒９μｍを用いて分析試料の基板厚さの１／１０程度（約７０μｍ）まで研磨した。回転数１００ｒｐｍ，加重は１ｋｇで研磨レートは約３０μｍ／分であった。この荒研磨は研磨レートが大きいため、形成した薄膜の硬度が大きい場合でも、薄膜のない研磨試料同様に研磨することができる。（図１(ｃ)参照）
次に、中間研磨は、ダイヤモンド砥粒３μｍを用いて目的の分析深さの５−１０倍程度（約７μｍ）まで研磨した。この時の研磨レートは約５μｍ／分であった。

仕上研磨では、ダイヤモンド砥粒０．５μｍを用いて研磨した。この時の研磨レートは約０．２μｍ／分であった。この研磨レートと残り試料厚さから、目的の試料厚さまでの研磨時間を割り出し、その時間の約１．１倍を研磨装置のタイマーに設定し研磨を行った（ここでは研磨が進行して支持基板上のＳｉ膜が研磨され始めると、研磨面積は分析試料と支持基板の面積比に比例して約２８倍になり、逆に研磨レートは約１／２８に低下し実質的に研磨は進行しない）。しばらくすると、研磨装置はタイマーによって自動停止し、目的の試料厚さに薄片化された分析試料が得られた（図１(ｄ)参照）。

本発明の分析試料の作成方法の説明図である。従来の分析試料の作成方法の説明図である。他の従来の分析試料の作成方法の説明図である。図３(ｇ)は、ＳＩＭＳ分析時の分析試料断面図である。

符号の説明

１：分析試料、２：支持基板、３：接着剤、４：薄膜、５：研磨試料。
２１：基板、２２：不活性層、２３〜２６：穴、２７：水平板、２８：支持基板、２９：接着剤、３０：試料。
３１，３２：エッチングマスク、３３：凹部、３４：支持基板、３５：接着剤、３６分析試料、３６ａ：分析面、３６ｂ：研磨面、３７：イオンビーム、３８：二次イオン。

Claims

分析試料の分析面を支持基板に接して固定する工程と、前記工程により一体化した分析試料及び支持基板上に均一な厚さの薄膜を形成する工程と、前記分析試料を研磨により薄片化する工程とを備えたことを特徴とする分析試料の作製方法。
前記薄膜の厚さが、分析に必要な分析深さと同等又はそれ以上であることを特徴とする請求項１に記載の分析試料の作製方法。
前記薄膜の硬度が、分析試料の基板と同等又はそれ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の分析試料の作製方法。
前記薄膜が、化学研磨液に対して不活性な材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分析試料の作製方法。
前記薄膜が、２層以上の多層膜からなりその最表面の膜が請求項３又は４に記載の材料であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の分析試料の作製方法。
前記薄膜が物理蒸着法、化学蒸着法のうちいずれか１つ以上を用いて形成されたことを特徴とする請求項１から５に記載の分析試料の作製方法。