JP3114818B2

JP3114818B2 - 収束イオンビーム・二次イオン質量分析計複合装置

Info

Publication number: JP3114818B2
Application number: JP03199151A
Authority: JP
Inventors: 博問田; 博広瀬; 勝美武藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-08-08
Filing date: 1991-08-08
Publication date: 2000-12-04
Anticipated expiration: 2015-12-04
Also published as: JPH0547336A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、収束イオンビーム照射
による試料面への加工断面形成及びその加工断面部の二
次イオン質量分析を行う複合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来は、例えば平成３年２月，日本学術
振興会マイクロビームアナリシス第１４１委員会第６７
回研究会資料に開示されるように、半導体製品等の試料
に不良がある場合、収束イオンビームで試料の加工断面
を得、その後、同一のイオン照射源を利用して一次イオ
ンビームをその加工断面に照射し、それによって生じた
二次イオンを引出して試料分析するような装置（収束イ
オンビーム・二次イオン質量分析複合装置）が試みられ
ているが、二次イオン引出し効率が低くＳ／Ｎが悪いた
め、未だそのような装置は実用化されていない。

【０００３】すなわち、従来の二次イオン質量分析計
は、例えば特願平１−２７３８０２号公報に開示される
ように、試料表面の高感度分析が目的であり加工断面に
ついての高感度分析については充分な配慮がなされてい
ない。この種の二次イオン質量分析計は、図８に示すよ
うに一次イオンビーム１の試料２への入射角θを４５°
に傾斜させてスパッタリング収量を大きくし、一方、二
次イオン引出し電極３を試料２の面に垂直になるように
傾斜配置して、二次イオン４の利用効率を上げている
が、これを前述のような収束イオンビーム・二次イオン
質量分析複合装置に適用しようとする場合には、次のよ
うな改善すべき点があった。なお、図８の符号１´は一
次イオン照射軸、４´は二次イオン引出し軸である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような問題点を図
９により説明すると、収束イオンビームにより形成され
た加工断面５を二次イオン質量分析する場合、分析面は
二次イオン引出し電極３の引出し軸４´に対して水平と
なってしまい、余弦法則が成り立っている二次イオン放
出に対して二次イオン引出し効率を著しく低下させ二次
イオンの感度を阻害している。なお加工断面５は図面上
見易いように誇張して表したが、実際はその縦，横，深
さともμｍオーダで試料に対する占める割合も極めて小
さい。

【０００５】また、図６に示す如く試料ホルダ８´と共
に試料２を同一方向に傾斜させて分析面（加工断面）５
と二次イオン引出し軸４´との関係を図８の状態に近づ
けたとしても、この場合にはシールド電極９と試料ホル
ダー８´（試料ホルダー８´及び試料２はシールド電極
９と同電位に保たれている）と二次引出し電極３との位
置関係が適正状態を維持できないで二次イオン引出し電
界６が歪み加工断面５からは二次イオン４を有効に引出
すことができない。

【０００６】本発明は以上の点に鑑みてなされたもの
で、一つの装置で収束イオンビームによる加工断面の形
成と加工断面の高感度二次イオン質量分析を可能にする
収束イオンビーム・二次イオン質量分析計複合装置を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために基本的には次のような課題解決手段を提案す
る。

【０００８】すなわち、試料に対して加工断面形成用の
収束イオンビームと試料分析用の一次イオンビームとを
その用途に応じて照射する一次イオン照射系と、前記試
料を保持する試料ホルダーと、前記試料への一次イオン
ビーム照射によって放出される二次イオンを引き出す二
次イオン引出し電極と、二次イオン分離部及び検出部と
を備え、且つ前記試料ホルダーは次のように構成する。
この試料ホルダーの構成を内容の理解を容易にするた
め、図１の符号を引用して説明すると、試料ホルダー８
をホルダーベース８Ａとそのホルダーベース８Ａ面に傾
斜機構２６で支持されつつ組み込まれた試料搭載部８Ｂ
とで構成し、ホルダーベース８Ａが二次イオン引出し電
極３との関係で適正位置にある時（具体的には二次イオ
ン引出し電界の歪を極力少なくできる位置で、ホルダー
ベース８Ａが二次イオン引出し軸４´に対して垂直方向
に位置した時）に、試料搭載部８Ｂは傾斜機構２６によ
り少なくともホルダーベース８Ａと同じ向きの位置から
ホルダーベース８Ａと逆向きの位置（図１の状態）の範
囲で傾斜可能に設定して成る。

【０００９】この試料搭載部８Ｂの傾斜範囲の設定は、
換言すれば、図３に示すように試料搭載部８Ｂにある試
料の被加工面に対する垂直線Ｐ，一次イオン照射軸１
´，二次イオン引出し軸４´との関係で、被加工面に対
する垂直線Ｐが少なくとも二次イオン引出し軸４´の位
置（図３の１点鎖線の位置）から一次イオン照射軸１´
を超える位置（図３の破線の位置）までの範囲で傾斜可
能に設定する。

【００１０】

【作用】まず、図２に示すような状態で、試料２の被加
工面２Ａに収束イオンビーム１Ａを走査しつつ照射する
ことで図１のような加工断面５を形成する。このとき二
次イオン質量分析計の二次イオン引出し側は停止状態に
ある。

【００１１】その後、二次イオン質量分析を行う場合に
は、ホルダーベース８Ａを二次イオン質量分析の適正位
置（図１のように二次イオン引出し軸４´に対して垂直
に向いた位置）にセットすると共に、傾斜機構２６によ
り試料搭載部８Ｂ及びその試料２がホルダーベース８Ａ
に対し逆向き位置まで傾斜させてセットする。この場
合、試料２の被加工面２Ａに対する垂直線Ｐが図３の点
線の位置にある。

【００１２】以上の傾斜動作により、（イ）ホルダーベ
ース８Ａがその適正位置にあることで二次イオン引出し
電界を有効に働かせることができ、また（ロ）試料２の
加工断面５が図１の（ａ）（ｂ）に示すように二次イオ
ン引出し軸４´に対してほゞ垂直に近い位置関係と保た
れるので、分析面からの余弦の法則が成り立ち、これら
の作用により加工断面５から放出される二次イオン４を
二次イオン引出し電極３側に効率良く引出すことができ
る。

【００１３】

【実施例】本発明の一実施例を図面により説明する。

【００１４】図１は本実施例に係る収束イオンビーム・
二次イオン質量分析計複合装置の発明の要点を示す説明
図及びその一部を取出した図、図２は本実施例の装置を
用いて試料に加工断面を形成している状態（収束イオン
ビーム照射状態）を示す説明図、図３は本実施例に用い
る試料搭載部を傾斜させた時の試料面に対する垂直線，
一次イオン照射軸及び二次イオン引出し軸の位置関係を
示す説明図、図４は本実施例の全体構成を示す説明図、
図５は本実施例に用いる試料ホルダーの構成を示す斜視
図である。

【００１５】まず、図４により装置全体を説明する。図
４では二次イオン質量分析の動作を示しており、装置全
体の説明の便宜上、まず収束イオンビームによる加工断
面の形成に先立ちこの二次イオン質量分析系統の概要を
説明する。

【００１６】イオン源１１によって生成された一次イオ
ンは、二段の静電レンズ１２，１３により任意のビーム
径に収束され、一次イオンビーム１となる。

【００１７】一次イオンビーム１は試料２を照射し、偏
向電源１４により偏向電圧を偏向電極１５に印加するこ
とにより試料２上をラスター走査する。その結果、試料
２より放出された二次イオン４は二次イオン引出し電極
３によって効率良く引出された後、レンズ１６によって
出射スリット１７上に結像される。出射スリット１７を
通過した二次イオン４はセクター電場１８によりエネル
ギー分離され、さらにセクター磁場１９により質量分離
され、特定イオン検出器２０により検出される。検出さ
れた特定イオン信号は、データ処理装置２１及び記録計
２２に入力される。

【００１８】また、特定イオンの分布像観察の場合は、
一次イオンビーム１と同期して走査される像観察ＣＲＴ
２３上に特定イオン像として表示される。一方、セクタ
ー電場１８を通過した二次イオン４は、その一部をイオ
ン電子コンバータ２４により電子に変換され、全イオン
検出器２５により検出され像観察ＣＲＴ２３上に全イオ
ン像として表示される。

【００１９】ここで、試料２を保持する試料ホルダー８
の構造を、図１及び図５により説明する。

【００２０】図１，図５に示すように試料ホルダー８は
ホルダーベース８Ａと試料搭載部８Ｂとで構成される。
ホルダーベース８Ａは、図示省略してあるステージに固
定してある。ステージはステージ自身及びホルダーベー
ス８Ａを一体に傾斜させる傾斜機構（図示省略）を備え
ている。ホルダーベース８Ａの表面には凹部７が形成さ
れ、この凹部７に試料傾斜機構２６を介して試料搭載部
８Ｂが傾斜可能に組み込まれている。

【００２１】傾斜機構２６は、図５に示すようにモータ
コントローラ２９よって駆動するモータ（例えばパルス
モータ）２７と傾斜軸２９とがテレフォーカスジョイン
ト２８により結合してなり、傾斜軸２９がホルダーベー
ス８Ａの側部を貫通して凹部７における試料搭載部８Ｂ
と連結する。モータ２７の駆動をテレフォーカスジョイ
ント２８及び傾斜軸２９を介して伝達することで試料搭
載部８Ｂの傾斜角度が任意に変えられる。

【００２２】上記構成をなす装置では、先ず、収束イオ
ンビーム１Ａにより次のようにして試料２に加工断面５
が形成される。

【００２３】収束イオンビーム１Ａのスパッタリングに
より試料２に加工断面５を形成する場合には、図２に示
すように試料傾斜機構２６により試料搭載部８Ｂに搭載
された試料２の被加工面２Ａが一次イオン照射軸１´に
対して垂直となる位置に保たれる。この場合、ホルダー
ベース８Ｂも自身のステージ傾斜機構によりそのベース
面が試料２の被加工面２Ａと同一レベルの面となるよう
に予めセットされる。そして、試料２の被加工面２Ａに
収束イオンビーム１Ａを走査しつつ照射することで加工
断面５を形成する。このとき二次イオン質量分析計の二
次イオン引出し電極３は停止状態にある。

【００２４】上記工程がなされた後、試料２の加工断面
５に対して一次イオンビーム１を照射して二次イオン質
量分析がなされる。

【００２５】加工断面５の二次イオン質量分析に際して
は、図１（ａ）のごとくホルダーベース８Ａを二次イオ
ン引出し軸４´に対して垂直に向いた位置にセットする
と共に、傾斜機構２６により試料搭載部８Ｂ及びその試
料２がホルダーベース８Ａに対し逆向きとなる位置まで
傾斜させてセットする。この場合、試料２の被加工面２
Ａに対する垂直線Ｐが図３の２点鎖線の位置（二次イオ
ン引出し軸４´と同向きの位置）から点線の位置（一次
イオンビーム照射軸１´を超えた位置）に移動する。

【００２６】ホルダーベース８Ａ及び試料搭載部８Ｂは
試料２と同電位のシールド電極９によって無電場空間に
保たれており、二次イオン引出し電界が有効に働くよう
考慮されている。さらに、試料２とシールド電極９の間
に引出し電界を補正する補正電極１０が配置され、この
補正電極１０により試料搭載部８Ｂ及び試料２の位置が
変わったときに若干影響する２次引出し電界の変化を補
正している。

【００２７】その結果、ホルダーベース８Ａが適正位置
にあることと相まって、図７に示すように二次イオン引
出し電界を有効に働かせることができ、また試料２の加
工断面５が図１の（ｂ）に示すように二次イオン引出し
軸４´に対してほゞ垂直に近い位置関係を保たれるの
で、分析面からの余弦の法則が成り立ち、これらの作用
により加工断面５から放出される二次イオン４を二次イ
オン引出し電極３側に効率良く引出すことができる。

【００２８】引出された二次イオン４は図５に示す二次
イオン分析計の要素１６，１７，１８，１９，２０を経
て特定イオンとして検出されるのは、前述した通りであ
る。

【００２９】本実施例の効果を列記すると下記の如くで
ある。

【００３０】（１）収束イオンビーム１Ａのスパッタリ
ングによる加工断面５の形成と、加工断面５の二次イオ
ン質量分析を一つの装置で実行できる。また、収束イオ
ンビームによって得られる加工断面５の分析、及び元素
分布観察像において、引出し電極３に対し最も二次イオ
ン利用率が高い角度に試料を任意に傾斜することができ
る。

【００３１】（２）試料ホルダー８のうち試料搭載部８
Ｂをホルダーベース８Ａと逆向きに傾斜制御できること
から、二次イオン引出し電界を有効に働かせつつ、上記
（１）の二次イオン引出しを行うことができる。

【００３２】（３）さらに、引出し電界を補正電極１０
で補正でき二次イオンの引出し効率を更に一層高めるこ
とができる。

【００３３】以上から、収束イオンビームによる加工断
面の二次イオン質量分析が可能になり、従来よりも一歩
進んだ試料の不良解析等の実現を可能にした。

【００３４】なお、上記実施例では試料ホルダー８はス
テージ上に搭載されるが、このホルダー８（ホルダーベ
ース８Ａ及び試料搭載部８Ｂ）を二次イオン引出し軸４
´を中心にステージ等により回転可能にすれば、ステー
ジの回転操作により加工断面５の全集を幅広く二次イオ
ン質量分析に付することが可能になる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、試料ホル
ダーに機構的的な工夫を施すことで、一つの装置で収束
イオンビームによる加工断面の形成と加工断面の高感度
二次イオン質量分析を可能にする収束イオンビーム・二
次イオン質量分析計複合装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る収束イオンビーム・二
次イオン質量分析計複合装置の発明の要点を示す説明図
及びその一部を取出した図

【図２】上記実施例の装置を用いて試料に加工断面を形
成している状態（収束イオンビーム照射状態）を示す説
明図。

【図３】上記実施例に用いる試料搭載部を傾斜させた時
の試料面に対する垂直線，一次イオン照射軸及び二次イ
オン引出し軸の位置関係を示す説明図。

【図４】上記実施例の全体構成を示す説明図。

【図５】上記実施例に用いる試料ホルダーの構成を示す
斜視図。

【図６】従来の装置を用いて加工断面の二次イオン質量
分析を行う場合に生じる二次イオン引出し電界の問題点
を指摘した説明図。

【図７】上記実施例における二次イオン引出し電界を示
す説明図。

【図８】従来の二次イオン質量分析の動作原理を示す説
明図。

【図９】従来の二次イオン質量分析計によって試料の加
工断面を質量分析する場合の問題点を指摘した説明図。

【符号の説明】

１…一次イオンビーム、１´…一次イオン照射軸、２…
試料、２Ａ…被加工面、３…二次イオン引出し電極、４
…二次イオン、４´…二次イオン引出し軸、５…加工断
面、７…凹部、８…試料ホルダー、８Ａ…ホルダーベー
ス、８Ｂ…試料搭載部、９…シールド電極、１０…補正
電極、１８，１９…二次イオン分離部（セクタ電場，セ
クタ磁場）、２０…特定イオン検出器、２５…全イオン
検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武藤勝美茨城県勝田市市毛882番地日立計測エンジニアリング株式会社内審査官杉浦淳 (56)参考文献特開昭60−218754（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−95844（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−115251（ＪＰ，Ａ) 実開昭49−113541（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/252 H01J 49/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に対して加工断面形成用の収束イオ
ンビームと試料分析用の一次イオンビームとをその用途
に応じて照射する一次イオン照射系と、前記試料を保持
する試料ホルダーと、前記試料への一次イオンビーム照
射によって放出される二次イオンを引き出す二次イオン
引出し電極と、二次イオン分離部及び検出部とを備え、
且つ前記試料ホルダーは、ホルダーベースとそのホルダ
ーベース面に傾斜機構で支持されつつ組み込まれた試料
搭載部とで構成され、前記ホルダーベースが前記二次イ
オン引出し電極との関係で適正位置にある時に、前記試
料搭載部は前記傾斜機構により少なくとも前記ホルダー
ベースと同じ向きの位置から前記ホルダーベースと逆向
きの位置の範囲で傾斜可能に設定して成ることを特徴と
する収束イオンビーム・二次イオン質量分析計複合装
置。
【請求項２】試料に対して加工断面形成用の収束イオ
ンビームと試料分析用の一次イオンビームとをその用途
に応じて照射する一次イオン照射系と、前記試料を保持
する試料ホルダーと、前記試料への一次イオンビーム照
射によって放出される二次イオンを引き出す二次イオン
引出し電極と、二次イオン分離部及び検出部とを備え、
且つ前記試料ホルダーは、ホルダーベースとそのホルダ
ーベース面に傾斜機構で支持されつつ組み込まれた試料
搭載部とで構成され、前記傾斜機構による前記試料搭載
部の傾斜範囲を、この試料搭載部にある試料の被加工面
に対する垂直線，一次イオン照射軸，二次イオン引出し
軸との関係で、前記被加工面に対する垂直線が少なくと
も前記二次イオン引出し軸の位置から一次イオン照射軸
を超える位置までの範囲で傾斜可能に設定して成ること
を特徴とする収束イオンビーム・二次イオン質量分析計
複合装置。
【請求項３】請求項１において、前記ホルダーベース
が前記二次イオン引出し電極との関係で適正位置にある
とは、そのホルダーベース面が前記二次イオン引出し軸
に対して垂直になるような位置にあることをいう収束イ
オンビーム・二次イオン質量分析装置。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項
において、前記試料ホルダーのホルダーベースは傾斜機
構付きステージ上に固定され、このホルダーベース面に
前記試料搭載部が前記ステージの傾斜機構とは別個の傾
斜機構により支持されつつ組み込まれてなることを特徴
とする収束イオンビーム・二次イオン質量分析計複合装
置。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれか１項
において、前記ホルダーベースには凹部が形成され、こ
の凹部に前記試料搭載部が傾斜可能に組み込まれている
ことを特徴とする収束イオンビーム・二次イオン質量分
析計複合装置。
【請求項６】請求項１ないし請求項５のいずれか１項
において、二次イオン引出し電界を補正する補正電極を
備えてなることを特徴とする収束イオンビーム・二次イ
オン質量分析計複合装置。
【請求項７】請求項１ないし請求項６のいずれか１項
において、前記試料ホルダーのホルダーベース及び試料
搭載部が回転機構により前記二次イオン引出し軸を中心
に回転可能に支持されていることを特徴とする収束イオ
ンビーム・二次イオン質量分析計複合装置。