JP2009121933A - Secondary-ion mass spectrometry method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2次イオン質量分析方法に関し、より詳細には試料の分析対象領域の深い部分の分析を行う2次イオン質量分析方法に関する。 The present invention relates to a secondary ion mass spectrometry method, and more particularly, to a secondary ion mass spectrometry method for analyzing a deep portion of an analysis target region of a sample.
2次イオン質量分析方法は、試料に1次イオンを照射して、試料から放出される2次イオンを質量分析して試料の構成成分の元素分析を行う方法であり、1次イオンにより試料を掘り進めることにより、深さ方向の元素分布状態を獲得することができる。2次イオン質量分析方法は、質量分析計の種類によって分類され、質量分析計の種類としては、磁場型質量分析計、四重極型質量分析計、飛行時間型質量分析計等がある。 The secondary ion mass spectrometry method is a method for irradiating a sample with primary ions, mass analyzing the secondary ions released from the sample, and performing elemental analysis of the constituent components of the sample. By digging, the element distribution state in the depth direction can be obtained. Secondary ion mass spectrometry methods are classified according to the type of mass spectrometer, and examples of the mass spectrometer include a magnetic field type mass spectrometer, a quadrupole mass spectrometer, and a time-of-flight mass spectrometer.
2次イオン質量分析は、1次イオンにより試料を掘り進みながら深さ方向の分析を行うため、試料の1次イオンが照射された領域はクレータ状となる。この1次イオンに削られたクレータ状の領域は、分析クレータと呼ばれる。 Since secondary ion mass spectrometry analyzes in the depth direction while digging a sample with primary ions, the region of the sample irradiated with the primary ions has a crater shape. This crater-like region cut into primary ions is called an analytical crater.
図5に分析クレータ501の模式図を示す。分析クレータ側壁502近辺には、図5(a)のように1次イオン504の一部の接触により分析クレータ側壁502および周囲から2次イオン505が発生する場合があるが、この2次イオン505は目的の領域の組成(クレータ底から発生した2次イオン506)とは異なり妨害イオンとなる。この妨害イオンの混入を回避するため、2次イオンの収集領域507は、図5(a),(b)に示すように通常分析クレータ側壁502から離れた中央部であり、1次イオン照射領域508のうち数10%となる。
FIG. 5 shows a schematic diagram of the
分析領域が深さ方向に大きい場合には、分析クレータ501の深さが深くなり、1次イオン504が分析クレータ側壁502に遮られて分析対象領域の一部にしか照射できなくなる。図6に深い分析クレータ601の模式図を示す。分析クレータが深くなるに伴い、1次イオン504がクレータ底503まで届かない領域が増え、その領域が2次イオン収集領域507に近づくと2次イオン検出量が減少する。また、発生する2次イオンも側壁に妨害され、側壁に衝突して検出不能となる2次イオン510が増加し、検出可能な2次イオン509が減少し、検出感度が低下する。また、固体表面粗さが、分析深さが深くなるにしたがい増大する(例えば、特許文献1参照)。以上のような理由から、深さ方向分解能は、分析深さに依存して低下するという問題がある。
When the analysis region is large in the depth direction, the depth of the
これを回避する方法としては、1次イオン照射領域を大きく取り、1次イオン照射領域に対する2次イオン収集領域の割合を十分小さくして分析クレータ側壁の影響を排除する方法がある。この一例として凹形状の分析領域において1次イオンの入射方向の側面をエッチングによって掘削する方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。また他の方法としては、目的の深さまで段階的に研磨した幾つか試料を作成し、それらの分析結果を総合する方法や、試料の断面を分析する方法等がある。 As a method of avoiding this, there is a method in which the primary ion irradiation region is made large and the ratio of the secondary ion collection region to the primary ion irradiation region is made sufficiently small to eliminate the influence of the analysis crater side wall. As an example of this, a method is disclosed in which a side surface in the incident direction of primary ions is excavated by etching in a concave analysis region (see, for example, Patent Document 2). As other methods, there are a method in which several samples polished stepwise to a target depth are prepared and the analysis results thereof are integrated, and a cross section of the sample is analyzed.
また、スパッタリングによる試料の深さ方向の組成分析と、顕微鏡による組織観察とを合わせて行う解析手法において、試料を分析クレータの周囲を底面まで掘削する技術が開示されている(例えば、特許文献3参照)。 In addition, in an analysis method in which composition analysis in the depth direction of a sample by sputtering and structure observation by a microscope are combined, a technique is disclosed in which the sample is excavated around the analysis crater to the bottom (for example, Patent Document 3). reference).
しかしながら、1次イオン照射領域を大きく取ると、2次イオン質量分析法の分析速度が1次イオン照射領域の拡大と共に遅くなり、また、検出される2次イオン強度は収集領域割合の縮小と共に減少してしまう。分析の対象となる試料の分析対象領域が微小な場合や分析元素の濃度が低い場合もあり、2次イオン収集領域割合の縮小には限界がある。 However, if the primary ion irradiation area is made large, the analysis speed of the secondary ion mass spectrometry becomes slower with the expansion of the primary ion irradiation area, and the detected secondary ion intensity decreases with the reduction of the collection area ratio. Resulting in. There are cases where the analysis target region of the sample to be analyzed is very small or the concentration of the analysis element is low, and there is a limit to the reduction of the secondary ion collection region ratio.
また、この特許文献1に記載の方法は、1次イオン入射方向に対応する側壁のみを除去するものであり、分析深さが深くなると除去されていない周囲の側壁により2次イオンの検出感度が低下するおそれがある。
In addition, the method described in
また、段階的に研磨した複数の試料を作成してその結果を総合する方法の場合、各研磨深さにおける境界部分の分布があいまいになる恐れがある。また、試料の研磨には多くの時間および多くの試料面積を要する。 Further, in the case of a method in which a plurality of samples polished in stages are prepared and the results are integrated, the distribution of the boundary portion at each polishing depth may be ambiguous. Further, the polishing of the sample requires a lot of time and a lot of sample area.
また、試料の断面を分析する方法では、面分析、線分析となるため通常の分析よりも検出下限が悪くなる。また分布深さが数十μm程度の場合、断面から分析する場合、分析対象領域が微小で分析が困難となる。 Further, in the method of analyzing the cross section of the sample, since the surface analysis and the line analysis are performed, the lower limit of detection is worse than that in the normal analysis. When the distribution depth is about several tens of μm, when analyzing from a cross section, the analysis target region is very small and analysis is difficult.
また、特許文献3に記載の方法は、分析クレータの周囲を掘削することが記載されているが、着目する特定の観察面を正確に作成することを目的としており、分析クレータの底も掘削するものである(例えば、特許文献3参照)。 Moreover, although the method of patent document 3 describes excavating the circumference | surroundings of an analysis crater, it aims at creating the specific observation surface to pay attention to correctly, and also excavates the bottom of an analysis crater. (For example, refer to Patent Document 3).
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、特に10μmを超えるような深い領域の分析において、分析クレータ側壁の影響をなくし、正確な分析のできる分析方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to provide an analysis method capable of performing an accurate analysis by eliminating the influence of the side wall of the analysis crater, particularly in the analysis of a deep region exceeding 10 μm. Is to provide.
上記の課題を解決するため、本発明は、1次イオンを固体試料に照射して、試料から放出される2次イオンを質量分離して試料の構成成分を元素分析する2次イオン質量分析方法において、分析対象領域を一定深さまで分析した後に分析クレータの周囲の部分を掘削し、分析クレータの底と同一の高さとして、その後に再度分析対象領域の分析を行うことを繰り返して目的の深さまで元素分析を行うものとする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a secondary ion mass spectrometry method in which primary ions are irradiated onto a solid sample, and secondary ions released from the sample are subjected to mass separation to perform elemental analysis of constituent components of the sample. , After analyzing the analysis target area to a certain depth, excavate the area around the analysis crater, set it to the same height as the bottom of the analysis crater, and then repeat the analysis of the analysis target area to repeat the analysis of the target depth. Elemental analysis shall be performed.
本発明は、分析対象領域の分析クレータの深さが深さ方向分解能に影響しない範囲で分析を中断し、分析クレータの周囲の部分を掘削して分析クレータの底と同一の高さにするものであり、また、分析を再開する際に試料の高さを調節し、分析面を初期の高さにするものである。これにより、分析面に対する1次イオン照射状態を一定に保つことが可能であり、また、2次イオンの検出感度も安定に維持出来る。したがって、深い領域の分析を正確に行うことが出来る。 The present invention interrupts the analysis in such a range that the depth of the analysis crater in the analysis target area does not affect the depth resolution, and excavates the surrounding area of the analysis crater to make it the same height as the bottom of the analysis crater. In addition, when the analysis is resumed, the height of the sample is adjusted to bring the analysis surface to the initial height. Thereby, the primary ion irradiation state with respect to the analysis surface can be kept constant, and the detection sensitivity of the secondary ions can be stably maintained. Therefore, it is possible to accurately analyze a deep region.
試料の分析クレータの周囲を掘削する手段としては、集束イオンビーム装置を用いることができる。集束イオンビーム装置は、イオンビームを細く絞ることができ、分析クレータ内に影響を与えずに周囲を掘削することが可能である。集束イオンビーム装置機能を2次イオン質量分析装置に組み込み、同一試料室内で加工出来るようにすることで早い分析が可能となる。また、分析対象領域の分析クレータの深さを測定する方法として、レーザ変位センサを使用するものとしてもよい。 A focused ion beam apparatus can be used as means for excavating the sample analysis crater. The focused ion beam apparatus can narrow the ion beam finely and can excavate the surroundings without affecting the analysis crater. By incorporating the function of the focused ion beam device into the secondary ion mass spectrometer so that it can be processed in the same sample chamber, rapid analysis becomes possible. Further, a laser displacement sensor may be used as a method for measuring the depth of the analysis crater in the analysis target region.
以上説明したように、2次イオン質量分析方法において、分析対象領域を一定深さまで分析した後に分析クレータの周囲の部分を掘削し、分析クレータの底と同一の高さとして、その後に再度分析対象領域の分析を行うことを繰り返して目的の深さまで元素分析を行うことにより、分析クレータ側壁の影響を受けることなく、深い領域までの分析が可能となる。 As described above, in the secondary ion mass spectrometry method, after analyzing the analysis target region to a certain depth, a portion around the analysis crater is excavated to have the same height as the bottom of the analysis crater, and then the analysis target is again By repeating the analysis of the region and performing the elemental analysis to the target depth, it is possible to analyze up to a deep region without being affected by the side wall of the analysis crater.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明による2次イオン質量分析に使用される標準的な磁場型2次イオン質量分析装置100の構成を示す。
FIG. 1 shows the configuration of a standard magnetic field type secondary
2次イオン質量分析装置100は、1次イオンビーム113を供給する1次イオン供給部110と、2次イオン124を生成・検出する2次イオン生成部120と、集束イオンビーム135を発生する集束イオンビーム部130とに大別される。
The secondary
1次イオン供給部110は、1次イオンビーム113を生成するために、セシウムイオン源111と、酸素イオン源112とを備えている。1次イオンビーム113としては、測定する元素に応じてセシウムイオン源111から発生されるセシウムイオンか、酸素イオン源から発生される酸素イオンのどちらかが選択される。1次イオンビーム113は真空中で細く絞られ、数kV〜20kV程度で後述する試料121の表面に照射される。
The primary
2次イオン生成部120は、試料121と、電磁石122と、2次イオン検出器123とを備えている。
The secondary
試料121は、試料室内に設置され、1次イオン源111,112から発生された1次イオンビーム113が照射される。1次イオンビームが照射された試料121の表面では、スパッタリングという現象により試料中の粒子が跳ね飛ばされ、2次イオン124が発生される。ここで試料室は、図示されない排気装置により真空に引かれている。
The
電磁石122は、照射により発生した2次イオン124を偏向し収束させ質量分離し、目的のイオンを2次イオン検出器123に送る。2次イオン検出器123は、入力された目的の2次イオン124が検出される。
The
集束イオンビーム部130は、イオン銃131と、2次電子検出器132と、モニタ133と、レーザ変位センサ134とを備える。
The focused
イオン銃131は、金属ガリウムからガリウム(Ga)イオンを発生させ、これを細く絞り、集束イオンビーム135を発生し、これを試料121に照射して加工する。
The
2次電子検出器132は、集束イオンビーム135を照射した際に発生する2次電子136を2次電子検出器132で検出し、この検出結果をモニタ133に送出する。
The
モニタ133は、2次電子検出器132に接続され、2次電子検出器132で検出された検出結果を数万倍の2次電子像として表示する。測定者は、このモニタ133に表示された画像を利用して試料121を加工することができ、これにより試料121の微小部分の加工も精密に行うことができる。
The
レーザ変位センサ134は、分析対象領域のクレータ深さを測定し、この測定結果により集束イオンビームにより分析クレータの周囲を掘削し、試料面全体を分析クレータの底と同一の高さになるようにする。
The
図2は、本発明の一実施形態による2次イオン質量分析方法の説明図である。
図2(a)は、試料121の断面を示す。ここでは、試料121として2mm角に切り出されたSi基板を使用する。試料121は、中央上部に200μm×200μmの領域から50μmの深さまでB(ボロン)が一定濃度で分布するB分布領域202を備える。B濃度は、1×1016atoms/cm3程度である。これを試料台201上に貼り付け、装置内にセットする。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a secondary ion mass spectrometry method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A shows a cross section of the
まず、1次イオンビーム113として酸素(O2+)、1次加速エネルギー15keV、1次電流300nA、1次イオン照射領域100μm×100μm、データ取り込み領域30μmφを設定し、2次イオン質量分析を行う。2次イオンとして、B、および基板の主要構成元素であるSiが測定される。Siは、どの深さにおいても十分な量で存在するため一定強度で検出されるはずのものである。
First, oxygen (O2 +),
図2(b)は、2次イオン質量分析を深さ方向分解能に影響しない範囲で分析を中断した場合の試料121の断面を示す。ここでは、約10μmの深さで質量分析を中断し、装置内に取り付けられたレーザ変位センサ134により分析対象領域の分析クレータ203の深さを測定する。次いで、レーザ変位センサ134により深さをチェックしながら、集束イオンビームにより分析クレータ周囲除去部204を掘削し、試料面全体を分析クレータの底と同じ高さにする。これにより、分析クレータ203がなくなり、1次イオンビーム113は、分析クレータ側壁の影響を受けずに照射される。
FIG. 2B shows a cross section of the
図2(c)は、試料面全体を分析クレータの底と同じ高さまで掘削した後の試料121の断面を示す。次に試料台の高さを調節して試料121の測定面を初期の高さに合わせる。これにより、1次イオンビーム113は、試料121の測定面の測定開始時と同じ位置に照射されるため、測定開始時と同じ条件で測定が行え、2次イオンの検出感度を安定に維持できる。
FIG. 2C shows a cross section of the
図2(d)は、試料測定面を初期の高さに合わせた後の試料121の断面を示す。試料測定面を初期の高さに合わせた後、測定を再開する。この後、上述した工程をBが検出されなくなるまで繰り返す。
FIG. 2D shows a cross section of the
なお、分析を中断する深さは主要構成元素(この場合はSi)の強度が一定な範囲であればよい。分析結果は、1測定毎に測定した分析クレータの深さから全分布深さに換算する。 The depth at which the analysis is interrupted may be in a range where the strength of the main constituent element (in this case, Si) is constant. The analysis result is converted from the depth of the analysis crater measured for each measurement into the total distribution depth.
図3は、本発明の一実施形態による2次イオン質量分析方法と、Bが検出されなくなるまで中断せずに分析する従来方法とによるBおよびSiの深さ方向分布を比較して示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a comparison in the depth direction distribution of B and Si by a secondary ion mass spectrometry method according to an embodiment of the present invention and a conventional method in which analysis is performed without interruption until B is no longer detected. is there.
図3において、太線Aは本発明の2次イオン質量分析方法により測定されたB分布を示し、太点線Bは本発明の2次イオン質量分析方法により測定されたSi分布を示し、細線Cは従来方法により測定されたB分布を示し、細点線Dは従来方法により測定されたSi分布を示す。 In FIG. 3, the thick line A shows the B distribution measured by the secondary ion mass spectrometry method of the present invention, the thick dotted line B shows the Si distribution measured by the secondary ion mass spectrometry method of the present invention, and the thin line C shows The B distribution measured by the conventional method is shown, and the thin dotted line D shows the Si distribution measured by the conventional method.
従来方法による測定結果である細線Cと細点線Dの特性をみると、分析深さ15μm付近からSi強度、B濃度共に低下しており、2次イオン検出感度の低下が見られる。これに対し、本発明の2次イオン質量分析方法による測定では、Si強度は一定であり、B濃度分布も50μmまで一定でその後急激に低下している。 When the characteristics of the thin line C and the thin dotted line D, which are the measurement results obtained by the conventional method, are observed, both the Si intensity and the B concentration are decreased from the vicinity of the analysis depth of 15 μm, and the secondary ion detection sensitivity is decreased. On the other hand, in the measurement by the secondary ion mass spectrometry method of the present invention, the Si intensity is constant, the B concentration distribution is constant up to 50 μm, and then rapidly decreases.
すなわち、本発明の2次イオン質量分析方法が、深い領域の分析において、分析クレータ側壁の影響をなくし、正確な分析が可能であることが確認された。 In other words, it was confirmed that the secondary ion mass spectrometry method of the present invention eliminates the influence of the analysis crater side wall and enables accurate analysis in deep region analysis.
図4は、本発明の一実施形態による2次イオン質量分析方法を示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart illustrating a secondary ion mass spectrometry method according to an embodiment of the present invention.
ステップS401において、まず質量分析を約10μmの深さまで行う。次いで、レーザ変位センサにより分析対象領域の分析クレータの深さを測定する(ステップS402)。次いでレーザ変位センサにより深さをチェックしながら、集束イオンビームにより分析クレータの周囲を掘削し、試料面全体を分析クレータの底と同一の高さになるようにする(ステップS403)。 In step S401, first, mass spectrometry is performed to a depth of about 10 μm. Next, the depth of the analysis crater in the analysis target region is measured by the laser displacement sensor (step S402). Next, while checking the depth by the laser displacement sensor, the periphery of the analysis crater is excavated by the focused ion beam so that the entire sample surface is at the same height as the bottom of the analysis crater (step S403).
次に、試料台の高さを調節して試料測定面を初期の高さに合わせる(ステップS404)。試料測定面を初期の高さに合わせた後、分析を再開し、上記と同様に約10μmの深さまで分析を行う(ステップS405)。次いで、目的の深さまで分析したかどうかが判定される(ステップS406)。ステップS406において目的の深さまで分析したと判断されれば処理を終了し、そうでなければステップS402に進み処理を繰り返す。 Next, the height of the sample stage is adjusted to adjust the sample measurement surface to the initial height (step S404). After the sample measurement surface is adjusted to the initial height, the analysis is resumed, and the analysis is performed to a depth of about 10 μm as described above (step S405). Next, it is determined whether or not the analysis has been performed up to the target depth (step S406). If it is determined in step S406 that the target depth has been analyzed, the process ends. If not, the process proceeds to step S402 to repeat the process.
以上のように構成された本発明によれば、2次イオン質量分析方法において、分析対象領域を一定深さまで分析した後に分析クレータの周囲の部分を掘削し、分析クレータの底と同一の高さとして、その後に再度分析対象領域の分析を行うことを繰り返して目的の深さまで元素分析を行うことにより、分析クレータ側壁の影響を受けることなく、深い領域までの分析が可能となる。 According to the present invention configured as described above, in the secondary ion mass spectrometry method, after analyzing the analysis target region to a certain depth, a portion around the analysis crater is excavated, and the same height as the bottom of the analysis crater is obtained. Then, it is possible to perform analysis up to a deep region without being affected by the side wall of the analysis crater by repeating the analysis of the analysis target region again and performing elemental analysis up to the target depth.
100 2次イオン質量分析装置
110 1次イオン供給部
111 セシウムイオン源
112 酸素イオン源
113 1次イオンビーム
120 2次イオン生成部
121 試料
122 電磁石
123 2次イオン検出器
124 2次イオン
130 集束イオンビーム部
131 イオン銃
132 2次電子検出器
133 モニタ
134 レーザ変位センサ
135 集束イオンビーム
136 2次電子
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記所定の分析対象領域を一定の深さまで分析する段階と、
前記分析対象領域にできた分析クレータの周囲の部分を前記分析クレータの底と同一の高さまで掘削する段階と、
前記所定の分析対象領域を再度分析する段階と、
前記掘削する段階と前記再度分析する段階とを繰り返して目的の深さまで元素分析を行う段階とを備えることを特徴とする2次イオン質量分析方法。 A secondary ion mass spectrometry method for irradiating a predetermined analysis target region of a solid sample with a primary ion, mass-separating secondary ions released from the solid sample, and performing elemental analysis of components of the analysis target region Because
Analyzing the predetermined analysis target area to a certain depth;
Drilling a portion of the analysis crater around the analysis area to the same height as the bottom of the analysis crater;
Re-analyzing the predetermined analysis target area;
A secondary ion mass spectrometry method comprising the step of performing elemental analysis to a target depth by repeating the excavation step and the re-analysis step.
前記分析クレータの深さを測定する段階をさらに備え、
前記掘削する段階は、前記測定した前記分析クレータの深さと同一の高さまで掘削することを特徴とする請求項1に記載の2次イオン質量分析方法。 After the analyzing step,
Measuring the depth of the analysis crater further,
The secondary ion mass spectrometry method according to claim 1, wherein in the excavating step, excavation is performed to the same height as the measured depth of the analysis crater.
前記固体試料の分析面の高さを初期の高さに合わせる段階を更に備え、
前記再度分析する段階は、前記初期の高さに1次イオンの照射を開始することを特徴とする請求項1に記載の2次イオン質量分析方法。 After the drilling step,
Further comprising adjusting the height of the analysis surface of the solid sample to the initial height;
The secondary ion mass spectrometry method according to claim 1, wherein in the reanalyzing step, irradiation of primary ions is started at the initial height.
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