JP2021144887A - 飛行時間型質量分析装置、及び、飛行時間型質量分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出器の劣化を抑制し、かつ、低濃度元素と高濃度元素とを共に精度よく測定可能な飛行時間型質量分析装置を提供する【解決手段】試料１００へイオンビーム２０１をパルス状に出射し、イオン粒子３９５を発生させるビーム照射部１０と、イオン粒子３９５を導入して飛行させる質量分析部３０と、質量分析部３０に設置され、イオン粒子３９５を増幅して質量を検出するＭＣＰ３８と、ＭＣＰ３８に電圧を印加するＭＣＰ用電源５１と、電圧をゲイン調整するＭＣＰ電圧ゲイン設定部８１とを備える。ＭＣＰ電圧ゲイン設定部８１は、ビーム照射部１０がイオンビーム２０１を１パルス出射してから次のパルスを出射するまでの間に、前記電圧をゲイン調整する。【選択図】図９

Description

本実施形態は、飛行時間型質量分析装置、及び、飛行時間型質量分析方法に関する。

半導体基板中や、半導体基板上に形成された膜中に存在する元素の質量を分析する装置として、飛行時間型質量分析装置が知られている。

特開平１１−２８８６８４号公報

本実施形態は、検出器の劣化を抑制し、かつ、低濃度元素と高濃度元素とを共に精度よく測定可能な飛行時間型質量分析装置、及び、飛行時間型質量分析方法を提供することを目的とする。

本実施形態の飛行時間型質量分析装置は、試料へイオンビームをパルス状に出射し、イオン化粒子を発生させるイオン光源と、前記イオン化粒子を導入して飛行させる質量分析チャンバと、前記質量分析チャンバに設置され、飛行した前記イオン化粒子を増幅して質量を検出するＭＣＰ型イオン検出器と、前記ＭＣＰ型イオン検出器に電圧を印加するＭＣＰ電圧印加部と、前記電圧をゲイン調整するＭＣＰ電圧ゲイン調整部と、を備える。前記ＭＣＰ電圧ゲイン調整部は、前記イオン光源が前記イオンビームを１パルス出射してから次のパルスを出射するまでの間に、前記電圧をゲイン調整する。

本発明の実施形態にかかる飛行時間型質量分析装置の構成例を示すブロック図。 質量分析部の内部構成の一例を概略的に示すブロック図。 ＭＣＰの断面の斜視図。 ＭＣＰのマイクロチャネルの斜視図。 イオン検出機構の構成例を示すブロック図。 ＭＣＰゲイン電圧と検出強度との関係を説明する図。 ＭＣＰゲイン調整部の構成例を示す回路図。 第１実施形態にかかるマススペクトルとＭＣＰゲイン電圧との関係の一例を説明する図。 第１実施形態にかかるマススペクトルとＭＣＰゲイン電圧との関係の別の一例を説明する図。 第１実施形態にかかるマススペクトルとＭＣＰゲイン電圧との関係の変形例を説明する図。 第２実施形態にかかるマススペクトルとＭＣＰゲイン電圧との関係の一例を説明する図。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかる飛行時間型質量分析装置の構成例を示すブロック図である。本実施形態の飛行時間型質量分析装置１は、ビーム照射部１０と、レーザ照射部２０と、質量分析部３０と、制御部４０と、可変電源５０と、試料台６０と、チャンバ７０とを備える。

イオン光源としてのビーム照射部１０は、試料台６０上に設置された試料１００に、イオンビーム２０１をパルス状に照射する。イオンビーム２０１は、例えばガリウムイオンを含んだ収束イオンビーム（ＦＩＢ）である。真空状態のチャンバ７０内でイオンビーム２０１が試料１００に照射されると、試料はスパッタされ、その表面から粒子が放出される。

レーザ照射部２０は、光源２１と、レンズ部２２とを有する。光源２１は、レーザ光２０２を放出する。レーザ光２０２は、レンズ部２２で集光されて試料１００の上方に照射される。試料１００から放出された粒子は、レーザ光２０２によってイオン化される。レーザ光２０２によってイオン化されたイオン粒子は、質量分析部３０で質量分析される。質量分析部３０は、後述するように、ＭＣＰ（Ｍｉｃｒо Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）３８を有する。

図２は、質量分析部の内部構成の一例を概略的に示すブロック図である。図２に示す質量分析部３０は、内部に引き込まれたイオン粒子を途中で方向が反転するように飛行させるリフレクトロン型である。具体的には、質量分析チャンバとしての質量分析部３０は、引き込み電極３１と、レンズ電極３２と、第１偏向電極３３と、第２偏向電極３４と、ドリフト電極３５と、Ｒ−ｔоｐ電極３６と、Ｒ−ｂоｔ電極３７と、ＭＣＰ（Ｍｉｃｒо Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）３８とを有する。

引き込み電極３１〜Ｒ−ｂоｔ電極３７の各々は、イオン粒子の軌道に沿って配置されている。また、これらの電極は、可変電源５０に接続されている。可変電源５０は、制御部４０の制御に基づいて、各電極に印加する電圧を調整することができる。

引き込み電極３１は、電圧が印加されると、試料１００と質量分析部３０との間に電界を形成する。この電界によって、イオン粒子を質量分析部３０内へ引き込む。レンズ電極３２は、電圧が印加されることにより、引込電極３１によって引き込まれたイオン粒子の飛行経路を収束させられる。

また、第１偏向電極３３、第２偏向電極３４、及び、ドリフト電極３５に印加されるそれぞれの電圧は、可変電源５０で調整可能である。第１偏向電極３３、第２偏向電極３４、及び、ドリフト電極３５に印加する電圧を調整することによって、引き込み電極３１およびレンズ電極３２を通過したイオン粒子がＭＣＰ３８へ到達できるように軌道調整できる。さらに、Ｒ−ｔоｐ電極３６及びＲ−ｂоｔ電極３７に印加する電圧を可変電源５０で調整することによって、イオン粒子の飛行方向の反転特性を調整できる。

図３は、ＭＣＰの断面の斜視図である。イオン検出器であるＭＣＰ３８は、マイクロチャネル（貫通孔）３８４を複数有する基板３８１を備える。ＭＣＰ３８は、イオン検出器として機能し、複数のマイクロチャネル３８４の各々は、電子増倍用のチャネルとして機能する。マイクロチャネル３８４は、基板３８１の頂面３８２から基板３８１の底面３８３まで延在する。基板３８１の頂面３８２は電極材料でコーティングされており、入力側電極３８５が形成されている。また、基板の３８１の底面３８３も電極材料でコーティングされており、出力側電極３８６が形成されている。入力側電極３８５と出力側電極３８６との間には、ＭＣＰゲイン調整部８１により、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが印加される。ＭＣＰゲイン調整部８１は、ＭＣＰ基準電圧印加部５１から供給されるＭＣＰ基準電圧Ｖ_{ＭＣＰ＿ＲＥＦ}に基づいて、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを生成する。なお、可変電源５０からＭＣＰ３８に電圧を供給してもよい。すなわち、ＭＣＰゲイン調整部８１およびＭＣＰ基準電圧印加部５１が、可変電源５０の一部として与えられてもよい。

図４は、ＭＣＰのマイクロチャネルの斜視図である。マイクロチャネル（貫通孔）３８４は、チャネル壁（内壁）３９１およびチャネル空間３９３とを有し、電子倍増用のチャネルとして機能する。マイクロチャネル（貫通孔）３８４の入力側開口部３９２と出力側開口部３９４との間に、ＭＣＰ基準電圧印加部５１およびＭＣＰゲイン調整部８１によってＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが印加される。ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが印加された状態で、入力側開口部３９２からチャネル空間３９３にイオン粒子３９５が入射されると、チャネル壁(内壁)３９１にイオン粒子３９５が衝突して２つ以上の二次電子３９６が放出される。放出された二次電子３９６も電位勾配によってチャネル壁(内壁)３９１に衝突し、更なる二次電子３９６の放出が繰り返される（二次電子のカスケード増倍）。このようにしてカスケード増倍された多数の二次電子は、出力側開口部３９４から放射電子３９７として放出される。

上述のように構成されたＭＣＰ３８で増倍された放射電子は、イオン検出機構によって計数される。図５は、イオン検出機構の構成例を示すブロック図である。ＭＣＰ３８には、ＭＣＰゲイン調整部８１からＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが印加されている。ＭＣＰ３８に入射したイオン粒子は、ＭＣＰ３８により増幅されて、放射電子として放出される。ＭＣＰ３８から放出された放射電子、すなわち検出信号（アナログ信号）は、プリアンプ８２によって増幅された後、ＡＤコンバータ８３でデジタル信号に変換される。デジタル化された検出信号は、シグナルアベレージャ８４でＳ／Ｎ比を改善された後、制御部４０へ出力される。

制御部４０は、プロセッサとしての中央演算処理装置（ＣＰＵ）４１と、ＲＡＭ４２とを備えている。ＣＰＵ４１は、図示しないメモリに記憶されたプログラムに従って動作し、飛行時間型質量分析装置１を構成する各部位（ビーム照射部１０、レーザ照射部２０、可変電源５０など、）の動作や設定を制御する制御機能を有すると共に、質量分析部３０から出力される検出信号を分析するデータ分析機能も有する。すなわち、質量分析部３０から入力された検出信号を分析し、試料１００に含まれる元素を同定して元素ごとに質量を算出する。ＲＡＭ２２は、分析後のデータや各種設定値を格納する。

例えば、半導体基板中に形成したＰウェルの濃度の測定など、半導体基板中に存在する元素の質量を分析する場合、試料１００に含まれる半導体基板を構成する元素（例えば、^２８Ｓｉ（シリコン））の質量に比べ、基板中に打ち込んだ元素（例えば、^１１Ｂ（ボロン））の質量は非常に小さい。例えば、基板である^２８Ｓｉの密度が約５ｅ＋２２ｃｍ^−３程度であるのに対し、Ｐウェルの^１１Ｂ濃度が１ｅ＋１５ｃｍ^−３程度である場合、^１１Ｂの濃度は^２８Ｓｉの濃度に比べて１０^−７倍も小さい。このような試料１００を分析する場合、質量分析部３０内へ引き込まれるイオン粒子の大多数はイオン化された^２８Ｓｉであり、イオン化された^１１Ｂはごく微量となる。

ＭＣＰ３８の二次電子増幅率は、ＭＣＰ３８に印加されるＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが高くなるほど大きくなる。従って、低濃度で存在する元素を分析するためには、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを高くする必要がある。しかし、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを高くして二次電子増幅率を大きくすると、高濃度で存在する元素については検出器が飽和する状態（生成される二次電子によりチャネル壁３９１が電荷飽和してしまい、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを上げても二次電子増幅率が増加しない状態）になる。すなわち、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを高くしても検出効率が上昇しない状態となる。

また、ＭＣＰ３８は、トータルの出力電荷量がある閾値（例えば、１ｅ−２Ｃ・ｃｍ^−２）を超えると二次電子増幅率の低下が起こり、耐久性が低下してしまう。従って、検出器が飽和状態で分析を行うと、非飽和状態で分析した場合に比べてＭＣＰ３８の耐久性がはやく低下してしまうので、ＭＣＰ３８の寿命が短くなってしまう。

そこで、本実施形態の飛行時間型質量分析装置１は、試料１００中に高濃度に存在する元素の測定時にはＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを下げ、低濃度に存在する元素の測定時にはＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを上げることで、ＭＣＰ３８の劣化を抑制し、かつ、低濃度元素と高濃度元素とを共に精度よく測定する。

以下、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰの制御方法について説明する。以下の説明では、Ｂ（ボロン）インプラによりＰウェルが形成されたＳｉ（シリコン）半導体基板を試料１００とし、検出対象となる低濃度元素を^１１Ｂ、高濃度元素を^２８Ｓｉとする。まず、分析に先立ち、^１１Ｂの測定時に用いるＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰと、^２８Ｓｉの測定時に用いるＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰとを決定する。図６は、ＭＣＰゲイン電圧と検出強度との関係を説明する図である。図６において、横軸はＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを示し、縦軸はイオン粒子の検出強度を示す。また、図６において、^２８Ｓｉの検出強度を実線で示し、^１１Ｂの検出強度を一点鎖線で示す。

試料１００中に多量に含まれる高濃度元素である^２８Ｓｉは、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが〜Ｖ_２となる範囲においては、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰの増加に伴い検出強度が増加している。ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰがＶ_２を超えると、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが増加しても検出強度はほぼ一定値となり変化しない。すなわち、^２８Ｓｉの測定においては、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰがＶ_２以下の範囲では非飽和状態であり、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰがＶ_２を超えると飽和状態になるといえる。

一方、試料１００中に少量含まれる低濃度元素である^１１Ｂは、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが測定限界（装置の仕様上の測定可能な上限電圧）であるＶ_３までの間、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰの増加に伴い検出強度が増加している。すなわち、^１１Ｂの測定においては、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが〜Ｖ_３までは非飽和状態であるといえる。

以上より、^２８Ｓｉ測定時のＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_２、^１１Ｂ測定時のＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_３とすることで、高濃度元素による飽和を抑制しつつ、低濃度元素の検出感度を向上させることができるので、低濃度元素も高濃度元素も精度よく測定できる。また、飽和領域で測定を行わないので、ＭＣＰ３８の劣化を抑制することができる。なお、装置の仕様上の測定可能な電圧領域の全てにおいて、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが増加しても検出強度はほぼ一定値となり変化しない場合、測定可能な電圧の下限電圧をＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰとする。

図７は、ＭＣＰゲイン調整部８１の構成例を示す回路図である。図７に示すＭＣＰゲイン調整部８１には、ＭＣＰ基準電圧印加部５１からＭＣＰ基準電圧Ｖ_{ＭＣＰ＿ＲＥＦ}が入力される入力端子と、ＭＣＰ３８へＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを出力する出力端子との間に、複数の配線が並列に配置されている。（図７は、２本の配線が並列に配置されている例を示している。）各配線には、スイッチＳＷが一つ設けられている。図７では、上部の配線にスイッチＳＷ１が、下部の配線にＳＷ２が設けられている。

また、各配線には、スイッチＳＷと出力端子との間に、入力電圧を所望のＭＣＰゲイン電圧に変換するための電圧変換部としての抵抗Ｒが挿入されている。なお、入力端子から入力されるＭＣＰ基準電圧Ｖ_{ＭＣＰ＿ＲＥＦ}をそのままＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰとして出力する場合のために、抵抗が挿入されていない回路を１本設けるとよい。図７では、上部の配線にはスイッチＳＷ１の後段に抵抗Ｒ１が配置されているが、下部の配線には抵抗が挿入されていない。すなわち、配線による電圧降下を無視できるものとすると、各配線から出力される電圧は、入力されるＭＣＰ基準電圧Ｖ_{ＭＣＰ＿ＲＥＦ}から抵抗Ｒによる電圧降下分を差し引いた値となる。

図７の回路では、入力ＭＣＰ基準電圧Ｖ_{ＭＣＰ＿ＲＥＦ}の値はＶ_３であり、上部配線から出力されるＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰは、抵抗Ｒ１での電圧降下分を差し引いたＶ_２であり、下部配線から出力されるＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰは、Ｖ_３である。すなわち、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_２としたい場合は、スイッチＳＷ１をオン、スイッチＳＷ２をオフに切り替えることで、上部の配線のみをアクティブな経路とする。また、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_３としたい場合は、スイッチＳＷ１をオフ、スイッチＳＷ２をオフに切り替えることで、下部の配線のみをアクティブな経路とする。

なお、図７に示す回路は、ＭＣＰゲイン調整部８１の一例であり、可変抵抗により出力電圧値を調整するなど他の回路構成でもよい。

次に、本発明の実施形態における飛行時間型質量分析装置１を用いた測定方法について、図８を用いて説明する。図８は、第１実施形態にかかるマススペクトルとＭＣＰゲイン電圧との関係の一例を説明する図である。図８において、横軸は時間を示している。図８の下段のチャートは、イオンビーム２０１の照射強度を示している。すなわち、時間ｔ_０において試料１００に対するイオンビーム２０１の照射を開始し、時間ｔ_１においてイオンビーム２０１の照射を終了している。図８において、中段のチャートは、イオンビーム２０１の照射によって放出されレーザ光によってイオン化されたイオン粒子の、ＭＣＰ３８における検出強度（出力マススペクトル）を示している。すなわち、時間ｔ_０から時間ｔ_１までのイオンビーム２０１の照射によるイオン粒子は、質量分析部３０中を飛行した後、その質量や電荷数に応じて、時間ｔ_２以降に、ＭＣＰ３８に順次到達して検出される。上段のチャートは、ＭＣＰ３８に印加するＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを示している。すなわち、イオンビーム２０１が１パルス出射されてから次のパルスが出射するまでの間に、ＭＣＰゲイン調整部８１がＭＣＰ３８に印加するＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを示している。 中段のチャートの横軸は、イオン粒子の飛行時間（Ｔｉｍｅ оｆ Ｆｌｉｇｈｔ、ＴＯＦ）であるが、これは、質量ｍと電荷数ｚとの質量電荷比（ｍａｓｓ ｔо ｃｈаｒｇｅ ｒａｔｉо）ｍ／ｚに比例した値となる。すなわち、質量分析部３０の検出条件が同一である場合、質量や電荷数が同じ元素であれば、ＴＯＦは一定の値となる。例えば、^１１ＢのＴＯＦはｔ_２であり、^２８ＳｉのＴＯＦはｔ_３である。

本実施形態では、この性質を利用し、低濃度元素である^１１Ｂの検出時にはＭＣＰ３８に印加するＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_３に設定し、高濃度元素である^２８Ｓｉの検出時にはＭＣＰ３８に印加するＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_２に設定して測定する。例えば、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_３に設定してイオンビーム２０１の照射を開始し、^１１ＢがＭＣＰ３８に到達する時間ｔ_２もＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰはＶ_３のまま測定する。そして、時間ｔ_２より後、^２８ＳｉがＭＣＰに到達する時間ｔ_３よりも前に、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_２に切り替える。このように、低濃度元素（^１１Ｂ）がＭＣＰ３８に到達し測定が行われる時のＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを高電圧（Ｖ_３）にすることで、低濃度元素の検出感度を向上させることができ、精度よく測定することができる。また、高濃度元素（^２８Ｓｉ）がＭＣＰ３８に到達し測定が行われる時のＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを低電圧（Ｖ_２）にすることで、高濃度元素による飽和を抑制し、ＭＣＰ３８の劣化を抑制することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを調整するＭＣＰゲイン調整部８１をもうけ、低濃度元素の測定時にはＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを高電圧に設定し、低濃度元素の測定時にはＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを低電圧に設定して測定を行っている。これにより、ＭＣＰ３８の劣化を抑制することができ、かつ、低濃度元素の検出感度を向上させ、低濃度元素も高濃度元素も精度よく測定することができる。

なお、上述では、低濃度元素が１つ（^１１Ｂ）の場合について説明したが、ＴＯＦの異なる２つ以上の低濃度元素を測定する場合には、それぞれのＴＯＦにおいて、ＭＣＰ３８に高電圧のＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを加えるようにすればよい。

図９は、第１実施形態にかかるマススペクトルとＭＣＰゲイン電圧との関係の別の一例を説明する図である。例えば、^１１Ｂ、^２８Ｓｉの他に、^７５Ａｓも分析対象元素であり、^７５Ａｓは、試料１００中に少量含まれる低濃度元素であるものとする。この場合、低濃度元素である^１１Ｂと^７５Ａｓの検出時にはＭＣＰ３８に印加するＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_３に設定し、高濃度元素である^２８Ｓｉの検出時にはＭＣＰ３８に印加するＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_２に設定して質量分析を行う。例えば、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_３に設定してイオンビーム２０１の照射を開始し、^１１ＢがＭＣＰ３８に到達する時間ｔ_２もＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰはＶ_３のまま分析を行う。そして、時間ｔ_２より後、^２８ＳｉがＭＣＰに到達する時間ｔ_３よりも前に、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_２に切り替える。更に、時間ｔ_３より後、^７５ＡｓがＭＣＰに到達する時間ｔ_４よりも前に、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_３に切り替える。

このように、低濃度元素（^１１Ｂ、^７５Ａｓ）がＭＣＰ３８に到達し測定が行われる時のＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを高電圧（Ｖ_３）にすることで、低濃度元素の検出感度を向上させることができ、精度よく測定することができる。また、高濃度元素（^２８Ｓｉ）がＭＣＰ３８に到達し測定が行われる時のＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを低電圧（Ｖ_２）にすることで、高濃度元素による飽和を抑制し、ＭＣＰ３８の劣化を抑制することができる。

図１０は、第１実施形態にかかるマススペクトルとＭＣＰゲイン電圧との関係の変形例を説明するである。上述では、イオンビーム２０１の照射を開始する時点では、分析対象元素のうちＴＯＦの一番短いものを測定する際のＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＭＣＰ３８に印加していた。これに対し、図１０に示す変形例では、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰの基準電圧Ｖ_ｓ（Ｖ_２＜Ｖ_ｓ＜Ｖ_３）を設け、低濃度元素や高濃度元素の測定時のみ所定の電圧（Ｖ_２、Ｖ_３）に調整する点が異なっている。

具退的には、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_ｓに設定してイオンビーム２０１の照射を開始し、^１１ＢがＭＣＰ３８に到達する時間ｔ_２の直前に、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_３に切り替える。そして、時間ｔ_２の直後に、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_ｓに切り替える。そして、^２８ＳｉがＭＣＰに到達する時間ｔ_３の直前に、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_２に切り替える。更に、時間ｔ_３の直後に、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_ｓに切り替える。その後、^７５ＡｓがＭＣＰに到達する時間ｔ_４の直前に、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_３に切り替える。最後に、時間ｔ_４の直後に、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをＶ_ｓに切り替える。

このように、低濃度元素測定時と高濃度元素測定時にのみＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを所定の最適な電圧に切り替え、他の時間は基準電圧（中間電圧）で測定することにより、電圧切替時の電圧の変化量が小さくなるので、電圧切替時間を短くすることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態にかかる飛行時間型質量分析装置を用いた測定方法について説明する。本実施形態の飛行時間型質量分析装置は、上述した第１実施形態の飛行時間型質量分析装置１と同様であるので、構成についての説明は省略する。以下、上述した第１実施形態と異なる測定方法についてのみ説明する。

図１１は、第２実施形態にかかるマススペクトルとＭＣＰゲイン電圧との関係の一例を説明する図である。通常、イオンビーム２０１のパルス幅は、例えば、数１０ｎｓ〜数１００ｎｓ程度であり、１回の測定時間（マススペクトルの取得時間）も、例えば、数１００ｎｓ〜数１０００ｎｓ程度と短い。例えば、質量分析部３０中のイオン化粒子の飛行時間や、ＭＣＰゲイン調整部８１の駆動力によっては、１回の測定時間の中で、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを、瞬時に立ち下げたり立ち上げたりするのが困難な場合もありうる。すなわち、図１１に示すように、電圧の立ち下げ中に高濃度元素の測定タイミング（ｔ_３）になってしまったり、電圧の立ち上げ中に低濃度元素の測定タイミング（ｔ_４）になってしまったりする場合もあり得る。

そこで、本実施形態ではＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰをモニターし、低濃度元素、及び、高濃度元素の測定タイミング（ｔ_２、ｔ_３、ｔ_４）におけるＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを用いて、検出量の補正を行う。

より具体的には、低濃度元素（^１１Ｂ）、高濃度元素（^２８Ｓｉ）および低濃度元素（^７５）が分析対象元素であるとすると、まず、測定タイミングｔ_２において、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰを高電圧（Ｖ_３）にして低濃度元素（^１１Ｂ）の検出がなされる。続いて、測定タイミングｔ_３において、高濃度元素（^２８Ｓｉ）の検出がなされる。このとき、理想的には、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰは高電圧（Ｖ_３）から低電圧（Ｖ_２）まで十分に低下していることが望ましい。しかし、上述のように、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰの立ち下げ速度が十分でない場合、測定タイミングｔ_３におけるＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰは、低電圧（Ｖ_２）ではなくそれより高い電圧Ｖ_{ｍｅａｓｕｒｅ＿ｔ３}となる場合がある。また、測定タイミングｔ_４において低濃度元素（^７５）を検出する際にも、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰが、高電圧（Ｖ_３）ではなくそれより低い電圧Ｖ_{ｍｅａｓｕｒｅ＿ｔ４}となる場合がある。

そこで、本実施形態は、例えば、測定タイミングｔ_３、ｔ_４における検出量を、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰのモニター値である電圧Ｖ_{ｍｅａｓｕｒｅ＿ｔ３}、Ｖ_{ｍｅａｓｕｒｅ＿ｔ４}を用いて、それぞれ補正する。電圧モニター値に基づく補正量は、例えば、実験やシミュレーションによって求めることができる。

このように、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰの実測値を用いて検出量の補正を行うことで、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰがターゲット値（Ｖ_２、Ｖ_３）とずれている場合にも、より正確に定量することができる。なお、検出量の補正に際しては、ＭＣＰゲイン電圧Ｖ_ＭＣＰのモニターによる実測値を用いてもよいし、事前に推定された補正値などを用いてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、一例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…飛行時間型質量分析装置、１０…ビーム照射部、２０…レーザ照射部、２１…光源、２２…レンズ部、３０…質量分析部、３１…引き込み電極、３２…レンズ電極、３３…第１偏向電極、３４…第２偏光電極、３５…ドリフト電極、３６…Ｒ−ｔоｐ電極、３７…Ｒ−ｂоｔ電極、３８…ＭＣＰ、４０…制御部、４１…ＣＰＵ、４２…ＲＡＭ、５０…可変電源、５１…ＭＣＰ基準電圧印加部、６０…試料台、７０…チャンバ、８１…ＭＣＰゲイン調整部、８２…プリアンプ、８３…ＡＤコンバータ、８４…シグナルアベレージャ、１００…試料、２０１…イオンビーム、２０２…レーザ光、３８１…基板、３８２…頂面、３８３…底面、３８４…マイクロチャネル、３８５…入力側電極、３８６…出力側電極、３９１…チャネル壁、３９２…入力側開口部、３９３…チャネル空間、３９４…出力側開口部、３９５…イオン粒子、３９６…二次電子、３９７…放射電子、

Claims (10)

1. 試料へイオンビームをパルス状に出射し、イオン化粒子を発生させるイオン光源と、
   前記イオン化粒子を導入して飛行させる質量分析チャンバと、
   前記質量分析チャンバに設置され、飛行した前記イオン化粒子を増幅して質量を検出するＭＣＰ型イオン検出器と、
   前記ＭＣＰ型イオン検出器に電圧を印加するＭＣＰ基準電圧印加部と、
   前記電圧をゲイン調整するＭＣＰゲイン調整部と、
   を備え、前記ＭＣＰゲイン調整部は、前記イオン光源が前記イオンビームを１パルス出射してから次のパルスを出射するまでの間に、前記電圧をゲイン調整することを特徴とする、飛行時間型質量分析装置。
2. 前記ＭＣＰゲイン電圧調整部は、前記イオン化粒子の飛行時間に応じて前記電圧をゲイン調整することを特徴とする、請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置。
3. 前記ＭＣＰゲイン電圧調整部は、前記試料において濃度が低い元素である低濃度元素に対応する前記イオン化粒子が前記ＭＣＰ型イオン検出器に到達する時点における前記電圧を第１電圧値に調整し、前記試料において濃度が高い元素である高濃度元素に対応する前記イオン粒子が前記ＭＣＰ型イオン検出器に到達する時点における前記電圧を、前記第１電圧値より低い第２電圧値に調整することを特徴とする、請求項２に記載の飛行時間型質量分析装置。
4. 前記ＭＣＰゲイン電圧調整部は、印加された前記電圧と前記低濃度元素に対応する前記イオン化粒子の検出強度との関係に基づき、前記第１電圧値を設定することを特徴とする、請求項３に記載の飛行時間型質量分析装置。
5. 前記ＭＣＰゲイン電圧調整部は、前記低濃度元素に対応する前記イオン化粒子が増幅された二次電子で前記ＭＣＰ型イオン検出器が飽和状態にならない範囲内で前記第１電圧値を設定することを特徴とする、請求項４に記載の飛行時間型質量分析装置。
6. 前記ＭＣＰゲイン電圧調整部は、印加された前記電圧と前記高濃度元素に対応する前記イオン化粒子の検出強度との関係に基づき、前記第２電圧値を設定することを特徴とする、請求項３に記載の飛行時間型質量分析装置。
7. 前記ＭＣＰゲイン電圧調整部は、前記高濃度元素に対応する前記イオン化粒子が増幅された二次電子で前記ＭＣＰ型イオン検出器が飽和状態にならない範囲内で前記第２電圧値を設定することを特徴とする、請求項６に記載の飛行時間型質量分析装置。
8. 前記試料は不純物元素が注入された半導体基板であることを特徴とする、請求項３乃至請求項７のいずれか一項に記載の飛行時間型質量分析装置。
9. 前記低濃度元素は前記不純物元素であり、前記高濃度元素は前記半導体基板を構成する元素であることを特徴とする、請求項８に記載の飛行時間型質量分析装置。
10. 試料へイオンビームをパルス状に出射してイオン化粒子を発生させる工程と、
    前記イオン化粒子を質量分析チャンバに導入して飛行させる工程と、
    飛行した前記イオン化粒子をＭＣＰ型イオン検出器に取り込み増幅して質量を検出する工程と、
    を含み、
    前記イオンビームが１パルス出射されてから次のパルスが出射されるまでの間に、前記イオン化粒子の飛行時間に応じて前記ＭＣＰ型イオン検出器に印加される電圧がゲイン調整されることを特徴とする、飛行時間型質量分析方法。

Images