JP2011529622A - 中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器 - Google Patents
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Abstract
【課題】中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器を提供する。
【解決手段】本発明による中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器は、イオンを発生させるイオン源１０と、イオンを平行ビームとするコリメータ（collimator）２０と、平行ビームを加速する加速器３０と、加速されたイオンビームをパルス化するイオンビームパルス発生器４０と、パルス化されたイオンビームを試片１に集束させる集束対物レンズ５０と、集束されたイオンビームが試片１で散乱されたイオンビームパルスの分光信号を検出する検出器６０と、検出器６０により検出された分光信号を分析処理するデータ分析器７０と、を含んで構成されることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明による中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器は、イオンを発生させるイオン源１０と、イオンを平行ビームとするコリメータ（collimator）２０と、平行ビームを加速する加速器３０と、加速されたイオンビームをパルス化するイオンビームパルス発生器４０と、パルス化されたイオンビームを試片１に集束させる集束対物レンズ５０と、集束されたイオンビームが試片１で散乱されたイオンビームパルスの分光信号を検出する検出器６０と、検出器６０により検出された分光信号を分析処理するデータ分析器７０と、を含んで構成されることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器に関するものであって、より詳しくは、中間程度のエネルギーを有するイオンビームを用いて試片で散乱されたイオンビームを検出して分析することにより、半導体素子などの薄膜を分析できる中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器に関する。
試片の表面または試片上に形成された薄膜内の組成、構造、化学的特性などを測定するための様々な測定装置が開発されつつある。
特に、高集積半導体の場合、ＩＴＲＳ（国際半導体技術ロードマップ）によれば、シリコン酸化層の厚さは１００ｎｍ技術世代から１ｎｍ以下に低減しなければならず、高集積度が増加するほど酸化層の厚さはさらに薄くなることが求められるため、酸化超薄膜の分析のための新技術が要求され、ドーピング層（doped layer）もさらに薄くなったため、今まで使用してきた１次イオンで表面を照射する間に放出される正イオンあるいは負イオンを分析する２次イオン質量分析（secondary ion mass spectroscopy；ＳＩＭＳ）などの技術はこれ以上使用が困難であり、原子分解能の分析技術が要求されている。また、従来の一般的な表面分析装置は、超薄膜の厚さに対する分解能がないか、構造や組成の一部分だけを確認できる、非常に制限的な分析方法のみ可能であった。
このような要求に応じて開発されたＭＥＩＳ（Medium Energy Ion Scattering Spectroscopy）装置は、中間程度のエネルギーを有するイオンビーム、例えば、約数十ｋｅＶのエネルギーを有するイオンビームを利用でき、表面から深さ方向のエネルギー分解能が約０．３ｎｍ程度で、他の分析方法よりも優れる。
ＭＥＩＳは、１００ｋｅＶのＨ＋、Ｈｅ＋イオンが固体の表面及び内部で散乱される過程におけるエネルギー損失を１０−３エネルギー分解能により精密に測定し、原子層の深さ分解能により薄膜の元素組成の深さ分布を測定でき、イオンビームのチャネリング（channeling）／ブロッキング（blocking）効果を用いて原子構造に関する情報が得られるため、超薄膜の表面及び界面の組成と構造に対する非常に効果的な分析技術であり、また、イオン散乱断面積を正確に計算できるため定量的であり、非破壊的に分析できるという長所がある。
このような長所を有するＭＥＩＳは、数ｎｍの超薄膜を原子層の分解能によりその組成と原子構造（結晶性と応力など）の深さ分布を定量的に分析できる、事実上唯一の分析技術といえる。
しかしながら、従来のＭＥＩＳ装置は、超大型で、１ｍｍの集束されていないイオンビームを使用するため、微小領域の測定やマッピングができなかった。また、検出器を移動させるためのスキャナーのスキャンにより測定するため、高価のスキャナーを必要とし、測定時間が長くかかるという問題があった。
本発明は、上記のような問題点を解決するために考案されたもので、本発明の目的は、イオンビームを用いて微小領域の測定やマッピングを可能にする中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器を提供することである。
また、本発明の他の目的は、高価のスキャナーがなくても測定が可能で、測定時間を短縮できる中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器を提供することである。
本発明のまた他の目的は、構造が簡単で、装置を小型化でき、時間によるイオンビームの散乱角度と散乱位置を正確に測定することにより、表面、界面における原子の動きを精密に分析できる中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器を提供することである。
上記のような目的を達成するために、本発明の中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器は、イオンを発生させるイオン源１０と、上記イオン源１０で発生したイオンを平行ビームとするコリメータ（collimator）２０と、上記平行ビームを加速する加速器３０と、上記加速器３０により加速されたイオンビームをイオンビーム束にするためにパルス化するイオンビームパルス発生器４０と、パルス化されたイオンビームを試片１に集束させる集束対物レンズ５０と、集束されたイオンビームが試片１で散乱されたイオンビームパルスの分光信号を検出する検出器６０と、上記検出器６０により検出された分光信号をコンピュータに伝送してデータを分析処理するデータ分析器７０と、を含んで構成されることを特徴とする。
また、前記検出器６０は遅延線検出器（Delay Line Detector）であって、散乱されたイオンビームパルスの前記遅延線検出器上での位置と、試片１の表面からデータ分析器へのイオンの移動時間とを同時に検出できる。
また、前記検出器６０は、試片１で散乱されたイオンビームの検出位置を測定することで試片１で散乱されたイオンビームを２次元イメージ化して、イオンビームの散乱角度の算出を可能とする。
さらに、上記集束対物レンズ５０により集束されるイオンビームの直径は数μｍであることを特徴とする。
また、前記試片１または前記検出器６０を回転させる回転板６５をさらに備え、前記回転板６５は、試片１を透過したイオンを検出するために前記試片１の直下に前記検出器６０が配置されることを可能とする、或いは、試片１で後方散乱されたイオンを検出するために前記試片１の側部上方に集束されたイオンビームの入射方向に対して０°を超えて９０°未満の角度で前記検出器６０が配置されることを可能とする。
また、上記集束対物レンズ５０により集束されたイオンビームの非点収差（astigmatism）を補償して歪んだイオンビームのビーム形状を補正するスティグマトール（Stigmator：非点収差補正装置）をさらに備えることを特徴とする。
さらに、前記集束対物レンズ５０により試片１の表面に集束された集束イオンビームによって試片１の２次元マイクロメータスケールの領域を走査するラスター偏向器（Raster Deflector）をさらに備えることを特徴とする。
また、前記ラスター偏向器は、試片１の前記領域を解析するために、集束された集束イオンビームによって試片１を走査することによってラスターパターン（Raster Pattern）を形成することを特徴とする。
また、上記イオン源１０、コリメータ２０、加速器３０、イオンビームパルス発生器４０、及び集束対物レンズ５０は、線形に配置されて一体化されていることを特徴とする。
以下、上記のような構成を有する本発明による中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器を添付した図面を参考にして詳細に説明する。
図１は、本発明による中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器の構造を示す部分断面斜視図であり、図２は、本発明による中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器のビーム経路を示す断面図であり、図３は、本発明による中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器の概略的な構造を示す図面であり、図４は、本発明による中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器の透過モードを示す図面である。
図に示すように、本発明の中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器は、イオンを発生させるイオン源１０と、イオンを平行ビームとするコリメータ（collimator）２０と、上記平行ビームを加速する加速器３０と、加速されたイオンビームをパルス化するイオンビームパルス発生器４０と、パルス化されたイオンビームを試片１に集束させる集束対物レンズ５０と、集束されたイオンビームが試片１で散乱されたイオンビームパルスの分光信号を検出する検出器６０と、上記検出器６０により検出された分光信号を分析処理するデータ分析器７０と、を含んで構成されることを特徴とする。
上記イオン源１０はイオンを発生させる役割をする。上記イオン源１０はプラズマ、放電などを用いてイオンを発生させるものであって、公知のものを使用する。
上記コリメータ（collimator）２０は、上記イオン源１０で発生したイオンを平行ビームとする役割をし、イオンビームの拡散を防止する。平行ビームとして発生する過程は、コリメートレンズ（Collimation Lens）を通過して平行ビームになり、さらに数ｍｍの孔（Aperture）を通過して一定の直径を有する平行ビームになる。
上記加速器３０は、上記平行ビームを加速する役割をする。上記加速器３０は、上記平行ビームを高電圧が印加された加速管を通過させて高エネルギーを有するイオンビームに変換させる。このとき、加速管で数ｍｍの直径を有する平行ビームは集束されて数〜数十μｍの直径を有する平行ビームとして加速される。
上記イオンビームパルス発生器４０は、上記加速器３０により加速されたイオンビームをイオンビーム束にするためにパルス化する役割をする。上記イオンビームパルス発生器４０の構造は公知のものであって、４極子型質量分析計に用いられる４極偏向器と、加速管で数ｍｍの直径を有する平行ビームを数〜数十μｍの直径を有する平行ビームに変換させる孔（Aperture）と、イオンビームをパルス化するパルス生成器と、で構成される。
イオンビームパルス発生過程を説明すると次の通りである。４極偏向器で、ｘ−方向の偏向器の片方にバイアス電圧を印加し、他方にバイアス電圧よりも高い電圧を印加することにより、高速パルス（fast pulse）で加速管を通過したイオンビームを偏向させる。このとき、イオンビームは数〜数十μｍの直径を有する孔（Aperture）を通過して高速パルスを有するイオンビームになる。
ｘ−方向に偏向したイオンビームが再び同じ経路に戻る場合、二重のイオンビームパルスが生成されるため、これをｙ−方向にシフト（shift）させて本来のビーム位置に復帰させる。このために、ｙ−方向にパルス遅延を与えてｘ−方向と同じ周期を有するイオンビームパルスを発生させる。このようにパルス化されたイオンビームは、集束対物レンズ５０により集束されて試片１に照射される。
上記集束対物レンズ５０は、パルス化されたイオンビームを試片１に集束させる役割をする。このとき、集束されるイオンビームの直径は数μｍであることが好ましい。このようにして、イオンビームを用いて微小領域での分光分析が可能になる。
また、上記集束対物レンズ５０により集束されたイオンビームの非点収差（astigmatism）を補償して歪んだイオンビームのビーム形状を補正するスティグマトール（Stigmator）をさらに備えることが好ましい。
また、集束対物レンズ５０により集束された集束イオンビームによって試片１の表面を走査するラスター偏向器（Raster Deflector）をさらに備えることが好ましい。
これによって、高精密度を要するマイクロ単位で検出器６０を移動させて分光イメージをスキャニングする高価のスキャナーが不要となり、ラスター偏向器により試片を走査することで分光分析が可能となり、スキャニングに要する時間を短縮して分析時間を短縮することができる。
また、上記ラスター偏向器は、試片１の表面に連続的な線により焦点を合わせてラスターパターン（Raster Pattern）を作って試片１に照射されるようにし、試片１の微小領域に対する分光分析を可能にすることが好ましい。上記ラスターパターンは、通常、矩形や正四角形の形状を有する。このようにラスター偏向器を用いて連続的な線により焦点を合わせて試片１を走査して分光分析イメージが得られると、各線に対する分光分析イメージを組み合わせて３次元の組成分布のマッピングが可能になる。
上記検出器６０は、集束されたイオンビームが試片１で散乱されたイオンビームパルスの分光信号を検出する役割をする。上記分光信号には、試片１から検出器６０（散乱ビームのエネルギーに変換する）までの移動する散乱ビームが含まれる。
このとき、上記検出器６０は、試片１で散乱されたイオンビームパルスの分光信号検出にかかる時間を検出できる遅延線検出器（Delay Line Detector）であることが好ましい。このように試片１で散乱されたイオンビームパルスの分光信号検出にかかる時間を検出することにより、イオンビームの散乱角度及び位置を検出できるようになり、結局、試片１の原子構造が分かる。この場合、イオンビームの散乱角度と散乱位置は、試片１で散乱されたイオンビームの検出位置を測定可能にするために、２次元イメージ化して測定することが好ましい。
また、上記検出器６０は、試片１から後方散乱されたイオンビームパルスの分光信号を検出するために、集束されたイオンビームの入射方向に対して０°を超えて９０°未満の角度で上記試片１の側部上方に設けられてもよく、試片１を透過したイオンビームパルスの分光信号を検出するために上記試片１の直下に設けられてもよい。この場合、上記試片１または上記検出器６０を回転させる回転板６５を備えて、上記試片１または上記検出器６０を回転させて測定しようとする角度を任意に調整して測定してもよい。
上記試片１の直下方に設けられる場合（図４参照）には、ＴＥＭのように非常に薄い超薄膜試片に対して分析が可能になる。
上記データ分析器７０は、上記検出器６０により検出された分光信号をコンピュータに伝送してデータを分析処理する。
さらに、本発明は、上記イオン源１０、コリメータ２０、加速器３０、イオンビームパルス発生器４０、及び集束対物レンズ５０を線形に配置されて一体化されていることが好ましい。このように線形に配置されると、ビームの損失を防止でき、装置を小型化することができる。
本発明は、イオンビームを数μｍに集束することにより、微小領域の測定やマッピングが可能で、高価のスキャナーがなくても測定が可能であり、測定時間を短縮して分析時間を短縮でき、構造が簡単で装置を小型化でき、時間によるイオンビームの散乱角度と散乱位置を正確に測定することにより、表面、界面での原子の動きを精密に分析できる長所がある。さらに、微小領域に対する３次元組成分布をマッピングでき、反射モードまたは透過モードでも測定が可能であり、超薄膜厚さの試片に対する正確な原子構造を分析できる長所がある。
１０ イオン源
２０ コリメータ（collimator）
３０ 加速器
４０ イオンビームパルス発生器
１ 試片
５０ 集束対物レンズ
６０ 検出器
６５ 回転板
７０ データ分析器
２０ コリメータ（collimator）
３０ 加速器
４０ イオンビームパルス発生器
１ 試片
５０ 集束対物レンズ
６０ 検出器
６５ 回転板
７０ データ分析器
Claims (9)
- イオンを発生させるイオン源１０と、
前記イオン源１０で発生したイオンを平行ビームとするコリメータ（collimator）２０と、
前記平行ビームを加速する加速器３０と、
前記加速器３０により加速されたイオンビームをイオンビーム束にするためにパルス化するイオンビームパルス発生器４０と、
パルス化されたイオンビームを試片１に集束させる集束対物レンズ５０と、
集束されたイオンビームが試片１で散乱されたイオンビームパルスの分光信号を検出する検出器６０と、
前記検出器６０により検出された分光信号をコンピュータに伝送してデータを分析処理するデータ分析器７０と、
を含んで構成されることを特徴とする中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器。 - 前記検出器６０は遅延線検出器（Delay Line Detector）であって、散乱されたイオンビームパルスの前記遅延線検出器上での位置と、試片１の表面からデータ分析器へのイオンの移動時間とを同時に検出できることを特徴とする請求項１に記載の中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器。
- 前記検出器６０は、試片１で散乱されたイオンビームの検出位置を測定することで試片１で散乱されたイオンビームを２次元イメージ化して、イオンビームの散乱角度の算出を可能とすることを特徴とする請求項１または２に記載の中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器。
- 前記集束対物レンズ５０により集束されるイオンビームの直径は数μｍであることを特徴とする請求項１に記載の中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器。
- 前記試片１または前記検出器６０を回転させる回転板６５をさらに備え、前記回転板６５は、試片１を透過したイオンを検出するために前記試片１の直下に前記検出器６０が配置されることを可能とする、或いは、試片１で後方散乱されたイオンを検出するために前記試片１の側部上方に集束されたイオンビームの入射方向に対して０°を超えて９０°未満の角度で前記検出器６０が配置されることを可能とすることを特徴とする請求項１に記載の中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器。
- 前記集束対物レンズ５０により集束されたイオンビームの非点収差（astigmatism）を補償（compensating）して歪んだイオンビームのビーム形状を補正するスティグマトール（Stigmator）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器。
- 前記集束対物レンズ５０により試片１の表面に集束された集束イオンビームによって試片１の２次元マイクロメータスケールの領域を走査するラスター偏向器（Raster Deflector）をさらに備えることを特徴とする請求項１または６に記載の中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器。
- 前記ラスター偏向器は、試片１の前記領域を解析するために、集束された集束イオンビームによって試片１を走査することによってラスターパターンを形成することを特徴とする請求項７に記載の中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器。
- 前記イオン源１０、コリメータ２０、加速器３０、イオンビームパルス発生器４０、及び集束対物レンズ５０は、線形に配置されて一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の中エネルギーイオンビーム散乱を用いた分光分析器。
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