JP2016001578A - 二次イオン質量分析装置及び二次イオン質量分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より多くの試料を正確に分析することのできる二次イオン質量分析装置を提供する。【解決手段】試料に一次イオンを照射する一次イオン源と、前記一次イオンを前記試料に照射することにより発生した二次イオンを検出する検出器と、前記試料に前記試料におけるバンドギャップよりも高いエネルギーの光を照射する光源と、を有し、前記光源は、前記検出器における二次イオン検出領域の周囲に設けられており、前記光源からの光を前記試料に照射しながら二次イオン質量分析を行うことを特徴とする二次イオン質量分析装置により上記課題を解決する。【選択図】 図３

Description

本発明は、二次イオン質量分析装置及び二次イオン質量分析方法に関するものである。

試料に含まれる元素を分析する分析方法として、二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）がある。ＳＩＭＳでは、収束させた一次イオンを固体試料の表面の所定の位置に照射し、スパッタリングによって試料の表面から放出される二次イオンを質量分析することにより、試料に含まれる元素を分析する分析方法である。

このように、ＳＩＭＳにおける分析を行う際、試料において一次イオンが照射された領域は、電子補償がないと正に帯電する。これは、一次イオンとして正イオンを用いていること、また、一次イオンを照射することにより、スパッタリングの際に試料から大量の電子が放出されるため、電子が不足してしまうこと等の理由により引き起こされる。試料が正に帯電した場合、試料に照射される一次イオンは、試料により反発されてビームの軌道が変化し、また、試料の電位の変化によって二次イオン収率が減少してしまう等の問題を招いてしまう。

試料における帯電を補正する方法としては、１）試料に電子線を照射する方法、２）試料の表面および裏面に金等を蒸着する方法、３）試料の導通が得られるように配線を形成する方法、４）試料に光を照射する方法等が挙げられる。しかしながら、１）試料に電子線を照射する方法では、例えば、帯電量が表面から基板に向かって変化するような試料の場合、試料内において電子の過不足が起こり、適切に補正をすることができない。また、２）試料の表面および裏面に金を蒸着する方法では、金蒸着の際に表面汚染が生じることのほか、蒸着によって表面の平坦さが失われ、深さ分解能が低下してしまう。また、３）試料の導通が得られるように配線を形成する方法では、配線を形成するための専用の装置や処理工程が必要となり高コスト化してしまう。これに対し、４）試料に光を照射する方法は、光により励起された光電流によって電子を補償するものであるため、電子の過不足や汚染、深さ分解能の低下といった問題が生じることはなく、低コストに行うことのできるクリーンで簡便な帯電補正法である。

特公平６−２２１０９号公報

しかしながら、上述した試料に光を照射する方法の場合、照射される光量が十分でないと、正確な分析を行うことができない場合がある。

このため、試料を正確に分析することのできる二次イオン質量分析装置が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、試料に一次イオンを照射する一次イオン源と、前記一次イオンを前記試料に照射することにより発生した二次イオンを検出する検出器と、前記試料に前記試料におけるバンドギャップよりも高いエネルギーの光を照射する光源と、を有し、前記光源は、前記検出器における二次イオン検出領域の周囲に設けられており、前記光源からの光を前記試料に照射しながら二次イオン質量分析を行うことを特徴とする。

開示の二次イオン質量分析装置によれば、試料を正確に分析することができる。

光を照射しながら二次イオン質量分析を行う二次イオン質量分析装置の構造図 光を照射しながら行われる二次イオン質量分析方法の説明図 第１の実施の形態における二次イオン質量分析装置の構造図 第１の実施の形態における二次イオン質量分析装置に配置される光源の説明図 第２の実施の形態における二次イオン質量分析装置の構造図 第２の実施の形態における二次イオン質量分析装置に配置される光源の説明図 第３の実施の形態における二次イオン質量分析装置の構造図（１） 第３の実施の形態における二次イオン質量分析方法のフローチャート 第３の実施の形態における二次イオン質量分析装置の構造図（２）

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
最初に、二次イオン質量分析装置において、チャンバーの外に設置された光源より光を照射しながらＳＩＭＳによる分析を行う方法について、図１に基づき説明する。図１に示される二次イオン質量分析装置では、試料９１０は二次イオン質量分析装置のチャンバー９２０内に設置されており、試料９１０の周囲には、一次イオン源９３０や検出器９４０が設置されている。尚、一次イオン源９３０は、試料９１０に照射するイオンの発生源であり、一次イオン源９３０において発生した酸素イオンやセシウムイオンを試料９１０に照射する。検出器９４０は、試料９１０に一次イオンを照射することにより、試料９１０より生じた二次イオンを検出するためのものである。一次イオン源９３０の一部及び検出器９４０は、チャンバー９２０内に設置されている。このような二次イオン質量分析装置において、試料９１０に光を照射する場合、チャンバー９２０の外に設置された光源９５０より、チャンバー９２０に設けられたビューポート９２１を介してチャンバー９２０の内部に向けて光が照射される。尚、光源９５０には、ハロゲンランプ等が用いられている。

次に、図１に示される二次イオン質量分析装置において、光を照射しながら行った分析結果について説明する。試料９１０には、図２（ａ）に示されるように、結晶基板であるシリコン基板９１１の表面に、２０ｋｅＶの加速電圧、１×１０^１５ｃｍ^−２のドーズ量でＢＦ_２をイオン注入したものを用いた。このようにシリコン基板９１１の表面にＢＦ_２をイオン注入することにより、シリコン基板９１１の表面の結晶状態は崩れ厚さが約２４ｎｍのダメージ層９１２が形成される。尚、図２（ａ）は、試料９１０の断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）像である。図２（ｂ）は、図１に示される二次イオン質量分析装置において、チャンバー９２０の外に設置されている光源９５０より光を照射しながらＳＩＭＳによる分析を行った場合と光を照射することなくＳＩＭＳによる分析を行った場合における分析結果である。図２（ｂ）に示されるように、二次イオン質量分析装置において、光を照射することなくＳＩＭＳによる分析を行った場合、本来変化することのないシリコンの値が、ダメージ層９１２及びダメージ層９１２の近傍において変化している。これは、ダメージ層９１２がＢＦ_２をイオン注入することにより、結晶化している状態からアモルファス状態に変化し、高抵抗化したダメージ層９１２が形成されるため、ＳＩＭＳによる分析が正確になされていないからである。一方、二次イオン質量分析装置において、光を照射しながらＳＩＭＳによる分析を行った場合では、シリコンの値の変動は殆どなく、本来の状態の情報が得られておりＳＩＭＳによる分析が正確になされている。このように、二次イオン質量分析装置において、試料９１０に光を照射しながらＳＩＭＳによる分析を行うことにより、帯電補正を行うことができ、正確なＳＩＭＳによる分析を行うことができる。

ところで、光電流は、試料における固有のバンドギャップを超えるエネルギーに相当する波長以下の光を照射することにより発生する。例えば、シリコンの場合、バンドギャップは約１．１ｅＶであり、光電流が発生するために必要な光の波長は、約１１２７ｎｍ以下である。このため、シリコン基板の場合には、ハロゲン光のように、波長領域が広く、波長強度ピークが約１０００ｎｍ近傍の光を照射することによって、帯電補正をすることができる。尚、基板がＳｉＯ_２の場合では、ＳｉＯ_２のバンドギャップは広いため、約１５１ｎｍ以下の波長の光を照射することが求められる。

一般的に、ＣＭＯＳ（Complementary ＭＯＳ）等に用いられているシリコン基板は、ｎ型またはｐ型となるように不純物元素がドープされている電気抵抗値が０〜１０Ωｃｍ程度のシリコン基板である。この電気抵抗値は、不純物を含まないシリコン基板よりも２桁以上低い。このようなシリコン基板においては、上述したように、チャンバーの外からハロゲン光を照射することにより、上述したように、帯電補正することができることが確認されている。

これに対し、シリコン基板の上にエピタキシャル成長によりシリコン層を形成し、シリコン層に含まれる微量元素をＳＩＭＳにより分析する場合、上記と同様にチャンバーの外よりハロゲン光を照射しても再現性が得られず、帯電補正がなされない。これはエピタキシャル成長させたシリコン層では、抵抗値が１０^５Ωｃｍ程度になっているため、励起に必要な波長の光を照射しても、帯電自体を補正するのに必要な照射量の光が照射されていないからである。即ち、光源９５０から照射される光の光量が不足しているからである。

このように、チャンバー９２０の外より光を照射する場合、光源９５０から試料９１０までの距離が離れているため、試料９１０に十分な光量の光を照射することができない。具体的には、照射される光の光量は、光源９５０からの距離の２乗に反比例するため、光源９５０からの距離が離れると、光量の低下は著しく減少するため、試料９１０には所望の光量の光を照射することができない。また、二次イオン質量分析装置では、チャンバー９２０内における試料９１０の周囲には、一次イオン源９３０や検出器９４０等が配置されており、これら一次イオン源９３０や検出器９４０等が光源９５０からの光を一部遮る場合がある。このような場合、光源９５０より出射される光の光量を増やしても、試料９１０には、十分な光量の光が照射されない場合がある。

（二次イオン質量分析装置）
次に、第１の実施の形態における二次イオン質量分析装置について説明する。本実施の形態における二次イオン質量分析装置は、図３及び図４に示されるように、試料１０は二次イオン質量分析装置のチャンバー２０内に設置されており、試料１０の周囲には、一次イオン源３０や検出器４０が設置されている。尚、一次イオン源３０は、試料１０に照射するイオンの発生源であり、一次イオン源３０において発生した酸素イオンやセシウムイオンを試料１０に照射する。検出器４０は、試料１０に一次イオンを照射することにより、試料１０より生じた二次イオンを検出するためのものである。一次イオン源３０の一部及び検出器４０は、試料１０とともにチャンバー２０内に設置されている。

本実施の形態においては、試料１０に光を照射する光源５０は、検出器４０に設置されている。具体的には、図４（ａ）にも示されるように、光源５０は、検出器４０において二次イオンを検出する二次イオン検出領域４１の周囲に設置されている。このように、光源５０を検出器４０に設置することにより、光源５０と試料１０との距離を短くすることができ、また、光源５０より出射される光が、一次イオン源３０や検出器４０等により遮られることはない。これにより、光源５０より光量の高い光を試料１０に照射することができる。尚、光源５０には、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等が用いられている。発光ダイオードの場合、試料１０の広い範囲に光を照射することができ、また、小型であるため、検出器４０に設置しやすいため好ましい。

また、本実施の形態においては、検出器４０に光源５０が設置されているため、ＳＩＭＳによる分析において、光源５０が分析の邪魔になることもなく、二次イオン質量分析装置が大型化することもなく、コストがあまり高くなることもない。また、光源５０は、二次イオンを検出する検出器４０における二次イオン検出領域４１の周囲に設けられているため、光源５０の位置調整等を行う必要もない。

尚、本実施の形態における二次イオン質量分析装置においては、試料１０に一次イオンイオンが照射される位置は、一次イオンビーム調整の仕方で変化するため、試料１０の広範囲に光が照射されていることが好ましい。このため、光源５０にレーザ光源を用いた場合、レーザ光源より出射される光は高出力ではあるものの、光が照射される範囲が狭いため、本実施の形態においては、レーザ光源よりもハロゲンランプ等の方が好ましい。

本実施の形態においては、光源５０の形状は、図４（ａ）に示されるように、検出器４０における二次イオン検出領域４１の周囲を囲むように輪帯状に形成してもよい。また、図４（ｂ）に示されるように、検出器４０における二次イオン検出領域４１の周囲に複数の光源５１を設けた構造のものであってもよい。このように、輪帯状または複数設けることにより、試料１０の測定領域に光の光量を均一にすることができ、ＳＩＭＳによる分析をより正確に行うことが可能となる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態における二次イオン質量分析装置について説明する。本実施の形態における二次イオン質量分析装置は、図５及び図６に示されるように、光源５０が一次イオン源３０に設置されている。具体的には、図６（ａ）にも示されるように、光源５０は、一次イオン源３０において一次イオンを出射する一次イオン出射領域３１の周囲に設置されている。このように、光源５０を一次イオン源３０に設置することにより、第１の実施の形態と同様に、光源５０と試料１０との距離を短くすることができ、また、光源５０より出射される光が、一次イオン源３０や検出器４０等により遮られることがなくなる。これにより、光源５０より光量の高い光を試料１０に照射することができる。尚、光源５０には、発光ダイオード等が用いられている。発光ダイオードの場合、試料１０の広い範囲に光を照射することができ、また、小型であるため、一次イオン源３０に設置しやすいため、好ましい。

また、本実施の形態においては、一次イオン源３０に光源５０が設置されているため、ＳＩＭＳによる分析において、光源５０が分析の邪魔になることもなく、二次イオン質量分析装置が大型化することもなく、コストもあまり高くなることもない。また、光源５０は、一次イオンを出射する一次イオン源３０における一次イオン出射領域３１の周囲に設けられているため、光源５０の位置調整等を行う必要もない。

本実施の形態においては、光源５０の形状は、図６（ａ）に示されるように、一次イオン源３０における一次イオン出射領域３１の周囲を囲むように輪帯状に形成してもよい。また、図６（ｂ）に示されるように、一次イオン源３０における一次イオン出射領域３１の周囲に複数の光源５１を設けた構造のものであってもよい。このように、輪帯状または複数設けることにより、試料１０の測定領域に光の光量を均一にすることができ、より正確な分析を行うことが可能となる。

尚、上記外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態における二次イオン質量分析装置について説明する。本実施の形態における二次イオン質量分析装置は、図７に示されるように、第１の実施の形態における二次イオン質量分析装置において、チャンバー２０内に試料１０の表面抵抗を測定するための抵抗測定器６０が設けられている構造のものである。

一般的に分析対象となる試料１０は、未知なものが多く、どの程度の光量の光を照射すれば、正確なＳＩＭＳによる分析を行うことができるか不明確な場合が多い。現在までの検討の結果、試料１０の表面における抵抗率が、１０Ωｃｍ以下であれば、ＳＩＭＳによる分析が正確に行うことができることが知見として得られている。本実施の形態における二次イオン質量分析装置においては、試料１０の表面における抵抗率を測定するための抵抗測定器６０が設けられている。これにより、光源５０より光を徐々に増やしながら、試料１０の表面における抵抗率を測定し、試料１０の表面における抵抗率が１０Ωｃｍ以下となった状態でＳＩＭＳによる分析を行うことにより、正確なＳＩＭＳによる分析を行うことが可能となる。

尚、抵抗測定器６０としては、二端子法による抵抗測定器と四端子法による抵抗測定器とがあるが、試料１０の表面における抵抗を正確に測定するためには、四端子プローブを用いた四端子法による抵抗測定器が好ましい。また、本実施の形態においては、光源５０及び抵抗測定器６０等は、チャンバー２０の外に設けられた制御部７０に接続されている。

次に、本実施の形態における二次イオン質量分析方法について図８に基づき説明する。

最初に、ステップ１０２（Ｓ１０２）において、試料１０の表面に抵抗測定器６０における四端子プローブ６１を接触させる。

次に、ステップ１０４（Ｓ１０４）において、光源５０より試料１０に向けて光を照射し、光源５０から出射される光の光量を増やしながら、抵抗測定器６０により試料１０の表面抵抗を測定する。

次に、ステップ１０６（Ｓ１０６）において、抵抗測定器６０により測定された試料１０の表面抵抗に基づき算出された抵抗率が１０Ωｃｍ以下であるか否か判断される。抵抗測定器６０により測定された試料１０の表面抵抗に基づき算出された抵抗率が１０Ωｃｍ以下となっている場合には、ステップ１０８に移行する。抵抗測定器６０により測定された試料１０の表面抵抗に基づき算出された抵抗率が１０Ωｃｍ以下にはなっていない場合には、ステップ１０４に移行し、更に光源５０から出射される光の光量を増やしながら、抵抗測定器６０により試料１０の表面抵抗を測定する。

次に、ステップ１０８（Ｓ１０８）において、光源５０からの光量を一定にした状態を保ちつつ、抵抗測定器６０に四端子プローブ６１を試料１０の表面より離し、本実施の形態における二次イオン質量分析装置によりＳＩＭＳによる分析を開始する。具体的には、図９に示されるように、抵抗測定器６０に四端子プローブ６１を試料１０より離し、試料１０に光源５０から出射された光が照射されている状態で、本実施の形態における二次イオン質量分析装置によりＳＩＭＳによる分析を開始する。抵抗測定器６０に四端子プローブ６１を試料１０の表面より離すのは、抵抗測定器６０に四端子プローブ６１等により、一次イオン源３０より出射される一次イオン、試料１０から検出器４０に入射する二次イオンが遮られることを防ぐためである。

これにより、本実施の形態における二次イオン質量分析方法を行うことができる。尚、本実施の形態における二次イオン質量分析方法は、第２の実施の形態における二次イオン質量分析装置についても適用可能である。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
試料に一次イオンを照射する一次イオン源と、
前記一次イオンを前記試料に照射することにより発生した二次イオンを検出する検出器と、
前記試料に前記試料におけるバンドギャップよりも高いエネルギーの光を照射する光源と、
を有し、
前記光源は、前記検出器における二次イオン検出領域の周囲に設けられており、
前記光源からの光を前記試料に照射しながら二次イオン質量分析を行うことを特徴とする二次イオン質量分析装置。
（付記２）
試料に一次イオンを照射する一次イオン源と、
前記一次イオンを前記試料に照射することにより発生した二次イオンを検出する検出器と、
前記試料に前記試料におけるバンドギャップよりも高いエネルギーの光を照射する光源と、
を有し、
前記光源は、前記一次イオン源における一次イオン出射領域の周囲に設けられており、
前記光源からの光を前記試料に照射しながら二次イオン質量分析を行うことを特徴とする二次イオン質量分析装置。
（付記３）
前記光源は、複数設けられていることを特徴とする付記１または２に記載の二次イオン質量分析装置。
（付記４）
前記光源の形状は、輪帯状であることを特徴とする付記１または２に記載の二次イオン質量分析装置。
（付記５）
前記光源は、発光ダイオードを含むものにより形成されていることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の二次イオン質量分析装置。
（付記６）
前記試料の表面抵抗を測定する抵抗測定器が設けられていることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載の二次イオン質量分析装置。
（付記７）
前記抵抗測定器は、四端子法による抵抗測定器であることを特徴とする付記６に記載の二次イオン質量分析装置。
（付記８）
試料に前記試料のバンドギャップよりも高いエネルギーの光を照射する工程と、
前記試料の表面の抵抗値を抵抗測定器により測定する工程と、
前記抵抗測定器により測定された抵抗値に基づき得られる前記試料の抵抗率が、所定の値以下である場合には、前記試料に照射される光の光量を維持したまま前記試料における二次イオン質量分析を行う工程と、
を有する二次イオン質量分析方法。
（付記９）
前記試料の表面の抵抗値を抵抗測定器により測定する工程は、前記試料に照射される光の光量を変化させながら、前記試料の表面の抵抗値を抵抗測定器により測定することを特徴とする付記８に記載の二次イオン質量分析方法。
（付記１０）
前記所定の値は、１０Ωｃｍ以下であることを特徴とする付記８または９に記載の二次イオン質量分析方法。
（付記１１）
前記抵抗測定器により測定された抵抗値に基づき得られる前記試料の抵抗率が、所定の値以下である場合には、前記抵抗測定器を前記試料より離した後、前記試料における二次イオン質量分析を行うことを特徴とする付記８から１０のいずれかに記載の二次イオン質量分析方法。

１０ 試料
２０ チャンバー
３０ 一次イオン源
３１ 一次イオン出射領域
４０ 検出器
４１ 二次イオン検出領域
５０ 光源
６０ 抵抗測定器
６１ 四端子プローブ

Claims (8)

1. 試料に一次イオンを照射する一次イオン源と、
   前記一次イオンを前記試料に照射することにより発生した二次イオンを検出する検出器と、
   前記試料に前記試料におけるバンドギャップよりも高いエネルギーの光を照射する光源と、
   を有し、
   前記光源は、前記検出器における二次イオン検出領域の周囲に設けられており、
   前記光源からの光を前記試料に照射しながら二次イオン質量分析を行うことを特徴とする二次イオン質量分析装置。
2. 試料に一次イオンを照射する一次イオン源と、
   前記一次イオンを前記試料に照射することにより発生した二次イオンを検出する検出器と、
   前記試料に前記試料におけるバンドギャップよりも高いエネルギーの光を照射する光源と、
   を有し、
   前記光源は、前記一次イオン源における一次イオン出射領域の周囲に設けられており、
   前記光源からの光を前記試料に照射しながら二次イオン質量分析を行うことを特徴とする二次イオン質量分析装置。
3. 前記光源は、複数設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の二次イオン質量分析装置。
4. 前記光源の形状は、輪帯状であることを特徴とする請求項１または２に記載の二次イオン質量分析装置。
5. 前記光源は、発光ダイオードを含むものにより形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の二次イオン質量分析装置。
6. 前記試料の表面抵抗を測定する抵抗測定器が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の二次イオン質量分析装置。
7. 試料に前記試料のバンドギャップよりも高いエネルギーの光を照射する工程と、
   前記試料の表面の抵抗値を抵抗測定器により測定する工程と、
   前記抵抗測定器により測定された抵抗値に基づき得られる前記試料の抵抗率が、所定の値以下である場合には、前記試料に照射される光の光量を維持したまま前記試料における二次イオン質量分析を行う工程と、
   を有する二次イオン質量分析方法。
8. 前記所定の値は、１０Ωｃｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の二次イオン質量分析方法。