JP3155570B2

JP3155570B2 - 収束イオンビーム質量分析方法及び収束イオンビーム質量分析複合装置

Info

Publication number: JP3155570B2
Application number: JP24157891A
Authority: JP
Inventors: 博広瀬; 寛岩本; 義雄有馬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 2001-04-09
Anticipated expiration: 2016-04-09
Also published as: JPH0582081A

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質量分
析方法及び収束イオンビーム質量分析複合装置に係り、
特に、収束イオンビーム技術を用いて高感度な固体質量
の分析等を行うことができる収束イオンビーム質量分析
方法及び収束イオンビーム質量分析複合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】二次イオン質量分析手法で深さ方向分析
を高精度で行う従来の方法として、特願昭47−107951号
公報に示される如くエレクトリックアパーチャ法と呼ば
れる方法が知られている。この方法は、スパッタリング
によって生じるクレータのエッジ部からの高濃度成分
が、低濃度領域（低濃度領域の深さ）で検出されないよ
うに、一次イオンの走査と連動して検出器のゲートを開
閉する方法である。

【０００３】上記方式の応用として特願昭48-143473 号
公報に開示される技術では、エレクトリックアパーチャ
のゲート開閉を任意の形状に設定し、複雑なパターンの
一部から与えられる情報を検出できるようにしている。
しかし、上記エレクトリックアパーチャ法では、一次イ
オンビームの裾の広がりがゲート幅の境界をあいまいに
し、検出限界を悪くすることが知られている。

【０００４】上記問題を解決する一つの方法が、特願平
1-273802号公報等に示されている制限視野法である。こ
の方法は、一次イオンビームの広がりに関係なく二次イ
オン放出面をレンズ作用によりスリット上に投射し、こ
のスリットの開口幅を制限することによって、クレータ
エッジからの二次イオンを検出しない方式である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の制限視野法は、
深さ方向分析に有効な方法であるが、下記の問題点があ
る。（１）機械的スリットを用いているので、任意形状の制
限視野を行うことは困難である。（２）レンズ系の収差によって制限視野の範囲がぼけ、
特に、小さい部分の分析の精度が低下する。（３）試料面から離れた位置でイオン化するポストイオ
ン化では、制限視野の効果が低下する。

【０００６】本発明の目的は、前述した各問題点を解決
し、高精度の固体分析を行うことができる収束イオンビ
ーム質量分析方法及び収束イオンビーム質量分析複合装
置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る収束イオン
ビーム質量分析方法は、試料における分析対象部分の周
縁の非分析部分に対しイオンエッチング又はイオンビー
ムを利用した膜形成のいずれかを行い、その後、分析対
象部分に対しスパッタリングを行い、スパッタリング粒
子の質量分析を行うとともに、前記非分析部分をイオン
エッチング又はイオンビームによる膜形成を行うための
イオン種と前記質量分析を行うための一次イオン種は互
いに異なるイオン種としている。また、試料における分
析対象部分の周縁の非分析部分に対しイオンエッチング
を行った後イオンビームを利用した膜形成を行い、その
後、前記分析対象部分に対しスパッタリングを行い、ス
パッタリング粒子の質量分析を行うことも可能である。
前記の方法において、好ましくは、イオンエッチング
は、一次イオンによるスパッタリング及びイオンビーム
活性化ガスによる化学的エッチングのいずれかである。
前記の方法において、好ましくは、質量分析を行うため
のイオンは、スパッタリング粒子中の二次イオン、又は
スパッタリング粒子中の中性粒子をイオン化して得たイ
オンである。イオン化を行う方法としては、共鳴イオン
化が好ましい。本発明に係る収束イオンビーム質量分
析複合装置は、分析対象の試料の表面に対しイオンビー
ムを与えるイオンビーム発生装置と、イオンビームが与
えられた試料の表面から発生する二次イオンに基づいて
質量分析を行う質量分析装置を備え、イオンビーム発生
装置は、少なくとも、試料の表面における非分析部分に
イオンエッチング又はイオンビームによる膜形成を行う
ためのイオンビームを発生するイオン源と、質量分析用
のイオンビームを発生するイオン源を備えるものであ
る。前記の構成において、好ましくは、イオンエッチン
グ又はイオンビームによる膜形成を行うためのイオン収
束系と、質量分析をするための一次イオン収束系は共通
の収束系である。前記の構成において、好ましくは、複
数のイオン源によって発生されるそれぞれのイオン種の
試料への照射については、切替手段によってイオン種の
切替が行われる。

【０００８】

【作用】本発明に係る収束イオンビーム質量分析方法で
は、上記の如く、試料面における非分析部分、すなわち
分析を行わない部分を、一次イオンビームの走査による
イオンエッチングにより予め除去し、又は予め表面に膜
を付着させ、又はこの両方を行い、その後に質量分析を
行うようにしている。前処理用のイオン源から出射され
たイオンはスパッタリングによって試料の表面の非分析
部分を掘る。この場合、一次イオン偏向器により任意の
形状に掘ることが可能である。かかる前処理により、質
量分析におけるエッジ効果を排除できる。

【０００９】更に、この場合イオン照射部に反応性ガス
を導入しておくと、このガスは試料面でイオンビームの
エネルギによって活性ガスに変化し、照射部の局部をエ
ッチングすることもできる。そしてエッチング速度は、
イオンのみによるエッチング速度よりも速くなる。また
活性ガスによるエッチングは、ガスの種類とエッチング
する材料との間に深い関係があり、特定材料のみをエッ
チングし、他はエッチングしないか又はエッチング量が
小さいという選択性エッチングが可能である。次に、導
入ガスの種類としてW(CO) ₆等のガスを用いると、反対
に試料の表面にデポジションが行われ、新しい膜が形成
される。この膜形成も、一次イオン偏向器の走査によ
り、自由にその形状を決めることができる。

【００１０】上記のように、エッチング又はデポジショ
ン膜、更にその両方を適用することによって、分析に不
都合な部分を除去又は被覆した後、同じ一次イオンビー
ム又は他の一次イオンビームによって試料表面の分析対
象部をスパッタリングする。スパッタリングされたイオ
ンを、直接に又は中性粒子をレーザ等でイオン化して質
量分析すると、分析に不都合な部分のイオンが表面から
放出されないため、分析の精度が向上する。中性粒子の
イオン化により特定元素のイオン化ポテンシャルに合わ
せて共鳴させるイオン化法では、Ｓ／Ｎ比が向上する。
上記エッチングでは、一般に、反応部の温度が高いとエ
ッチング速度を増し、逆に、デポジションの場合、温度
を下げて試料面によくガスが吸着するようにすると、効
率が良いことが知られている。

【００１１】本発明による収束イオンビーム質量分析複
合装置では、イオンビーム装置と質量分析装置とを複合
させた構成を有し、質量分析を行う前の、分析しない部
分に対するイオンエッチング等の前処理をイオンビーム
を照射することで行う。その後、分析用のイオンビーム
を照射して質量分析を行う。装置の構成としては、前処
理のための収束系と、分析のための収束系を共通とする
ことにより、装置構成を簡略化することができる。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は本発明に係る収束イオンビーム質量
分析複合装置のシステム構成図を示す。この装置は、収
束イオンビーム装置と質量分析装置が複合された構成と
なっている。最初に、装置の全体的な構成を説明する。
イオン源として液体金属イオン源１と分析用イオン源３
を備える。これらのイオン源１，３から出射されたイオ
ンは一次イオン偏向器２で選択される。一次イオン偏向
器２で選択されたイオンは、一次イオンビーム６とし
て、コンデンサレンズ４と対物レンズ７により試料１１
の表面上に収束される。一次イオンビーム６は必要に応
じて走査され、遮断される。一次イオンビーム６の走査
は偏向電極５によって行われ、一次イオンビーム６の遮
断はブランカ２７とイオンコレクタ２８によって行われ
る。

【００１３】試料１１は試料台１０の上に設置される。
試料台１０は、試料微動装置９によって精密に位置制御
され、微動可能である。試料台１０の中にはヒータ２９
が設置されており、試料１１を加熱することができる。
試料１１の表面のイオン照射部の近くには、ガス供給装
置８、レーザ光供給装置１２、二次電子検出器３０、電
子源３１等が配置されている。

【００１４】二次イオンを分析するための質量分析計
は、二次イオン引出電極１３、投射レンズ１４、制限視
野スリット１５、扇形電場１６、扇形磁場１７、イオン
検出器２１等から構成されている。質量分析計の光学系
の途中には、イオン電子変換器２０が設けられ、ここで
変換された電子はシンチレータ１８で更に光に変換され
る。この光はフォトマルチプライア１９で増幅され、Ｃ
ＲＴ２４の輝度変調回路に送られる。ＣＲＴ２４にはイ
オン検出器２１からの信号も送られ、スイッチ３２で切
り替られるようになっている。ＣＲＴ２４の走査は、一
次イオン偏向制御電源２３で一次イオンビームの走査と
同期して行われる。制御装置２２は装置全体の制御とデ
ータ及び画像の処理を行う。

【００１５】次に、上記構成を有する収束イオンビーム
質量分析複合装置の動作を説明をする。液体金属イオン
源１はＧａのイオンを電気流体力学的に放射させ、この
イオンを３０Ｋｅｖに加速する。このイオンで形成され
るイオンビーム６はコンデンサレンズ４と対物レンズ７
により試料１１の表面上に収束される。液体金属イオン
源１の実効イオン放出部は、１００ｎｍ以下と小さいた
め、試料１１上で実効径１００ｎｍ以下で電流密度１A/
cm²以上のビームが得られる。試料１１に照射されたイ
オン１個に対しては約２個以上の試料がはじき飛ばされ
る。この作用をミリングという。ミリングされる範囲は
一次イオンビーム６を制御することによって決めること
ができる。

【００１６】図２を参照して、一次イオンビーム６の走
査方法の説明をする。図２はＡ〜Ｃからなり、それぞれ
において上段（ａ）が平面図、下段（ｂ）が中心断面図
である。図２Ａはシリコン（Ｓｉ）中にホウ素Ｂを打ち
込んだ試料１１を示している。この試料１１において、
Ｂの深さ方向分析を行うものとする。最初に図２Ｂに示
す如く、試料１１の表面にて内径ｄ、外径Ｄ、深さｈの
部分２５をエッチングで形成する。領域１１ａが試料１
１の表面における分析対象である部分であり、分析対象
部分１１ａの周縁領域がエッチングされる。制御装置２
２から一次イオン偏向制御電源２３に送られた信号によ
り、偏向電極５の電圧を制御して一次イオンビーム６を
走査する。外径Ｄの円領域をＸＹ方向の走査で塗りつぶ
すように走査し、内径ｄの円領域を塗りつぶす位置では
ブランカ２７に電圧を印加して、一次イオンビーム６を
遮断する。この走査を繰り返すことにより、エッチング
部２５を形成される。このエッチング処理は、分析対象
部分１１ａの周辺にて、非分析部分を形成するための前
処理である。

【００１７】前記エッチング処理において、エッチング
部２５が比較的小さいとき、例えば半径Ｄが３０μｍで
深さｈが２μｍであるとき、エッチング速度を１μｍ³
／ｓとすれば、エッチングに要する時間は３０分とな
る。

【００１８】またエッチング時間を短くする場合、又は
更に広い面積をエッチングする場合には、イオンビーム
照射と同時にガス供給装置８からエッチングガスを供給
するように構成される。このエッチングガスは、イオン
照射により分解し、試料１１をエッチングする作用を有
する。この場合、ヒータ２９により試料１１を数百度に
加熱しておくと、エッチング速度は更に速くなる。ガス
供給装置８自体を加熱してガスの温度を上昇させても、
エッチング速度を速くすることができる。エッチングガ
スとして、エッチングされる試料１１と反応して気化す
るもの、例えばフッ素や塩素の化合物が用いられる。反
応を促進するため、複数のエッチングガスを混合して用
いることも可能である。エッチングガスとして、例えば
ＣＦ₄を用いた場合、一次イオン１個に対して１０個程
度までエッチング速度を速くすることが可能である。

【００１９】図２Ｂに示されるように試料１１の表面に
おける分析対象部分１１ａの周囲の部分をエッチングし
て取り除き、その後に、分析対象部分１１ａに対し分析
用の一次イオンビーム６を照射し、質量分析を行う。

【００２０】本実施例の場合には、上記の如く図２Ｂに
示される状態で分析することも可能であるが、更に、エ
ッチング部２５に新たな付着膜２６を形成する。図２Ｃ
は、膜付けを終了した後の試料１１を示す。この試料１
１は、ガス供給装置８から、例えばW(CO) ₆供給しなが
ら、一次イオンビームを図２Ｂの試料１１の全表面に走
査し、内径ｄを塗りつぶす位置でブランカ２７の電圧を
印加し、一次イオンビーム６を試料１１に当てないよう
にして形成される。この場合の膜２６の成分はタングス
テン（Ｗ）であり、不純物としてホウ素Ｂが含まれてい
ないことが条件である。こうして付着膜２６を形成した
後に、質量分析が行われる。

【００２１】次に、上記の如く、予め前処理を行って加
工した試料を分析する方法について述べる。分析用イオ
ン源３は、分析するイオンとの電子親和力、又はスパッ
タリング収率等を考えて決められる。ここでは、酸素イ
オン源を用いるとする。酸素イオンはイオン源３で約２
０Ｋｅｖに加速され、一次イオン偏向器２で偏向された
後，一次イオン収束系で、試料１１の表面上に数μｍに
収束される。この一次イオンビームは制御装置２２から
送られる分析モードの走査信号で走査される。走査範囲
は図２Ｃのｓで特定される範囲であり、ｓの値は一次イ
オンビーム径の２倍と分析対象部１１ａの径ｄの合計よ
り大きな値に設定される。試料１１からスパッタリング
で発生された二次イオンは、二次イオン引出電極１３で
引き出された後、投射レンズ１４で制限視野スリット１
５に投射される。制限視野スリット１５は質量分析計の
物点スリットを兼ねており、このスリット１５を通過し
たイオンは、扇形電場１６と扇形磁場１７で質量分析さ
れ、イオン検出器２１上にホウ素のイオンビームが流入
するように設定する。これらの設定は全て制御装置２２
からの信号で行われる。

【００２２】前記の質量分析装置によって得られる分析
の結果を、図３に示す。図３において、質量分析装置の
分析出力を縦軸に、深さを横軸にして記録を行ってい
る。図３で明らかなように、従来の制限視野法では投射
レンズの収差分が無視できず、検出限界を下げていた
（特性４１）。本発明による手法では、予め、検出限界
を低下させるエッジ部の信号源を、エッチング処理で除
去した後、膜付けを行った結果、ホウ素の信号は、従来
に比べて表面から深い位置で十分小さくなる（特性４
３）。

【００２３】上記実施例では分析前の処理として、エッ
チングと膜付けの両方を行ったが、図３の特性４２に示
した如くエッチングのみでも効果は相当大きい。ただ
し、この場合は、非常に大きな一次イオンビームの裾の
影響を除去するために、制限視野法やエレクトリックア
パーチャ法と併用することが理想的である。

【００２４】図４及び図５に示した実施例は、エッチン
グを行わず、分析対象部を残して膜付けをした例であ
る。この場合も、測定深さ、試料と付着膜のスパッタリ
ング収率等を考慮して膜厚を決めれば、図３の場合と同
様の結果が得られる。

【００２５】次に、図６を参照して他の実施例を説明す
る。図６（ａ）は試料５１の部分平面図、図６（ｂ）は
同試料の部分側面図である。図５で試料５１は、約２μ
ｍ×２μｍの正方形が並んだもので、この正方形の中の
微量不純物であるアルミニュームについて深さ方向の分
析を行う。図中、点線で囲んだ領域５２が分析の範囲で
ある。この場合において、パターンの間の距離Ｌの範囲
からの情報を除くものとする。本実施例の場合は、前述
した方法で試料５１における長さＬで決まる範囲のみに
対しエッチングを行ない溝５３を掘る。この場合、極微
量分析を目的とし、付着膜中にアルミニュームの不純物
が考えられるため、エッチングのみとする。エッチング
を行う範囲を決める方法は、以下の通りである。エッチ
ング部に予め一次イオンを走査し、この時、試料面から
放出される二次電子を二次電子検出器３０で検出し、こ
の検出信号を制御装置２２に画像情報として記憶させ、
この画像情報によりエッチング範囲を決める。次に、分
析用イオン源は液体金属イオン源１とし、イオン化法と
してレーザを用いた共鳴イオン化を考える。分析の手法
は前述の実施例と同じであるが、スパッタリングした後
にレーザ光供給装置１２からアルミニュームのみをイオ
ン化するように選んだレーザを照射する。レーザを照射
する位置は、試料上２ｍｍ程度の位置で、半径１mm程度
の範囲である。アルミニュームをイオン化するために、
３０９ｎｍのレーザを用いる。イオン化のメカニズム
は、第一段階で、第一次励起状態にし、続いて同じ波長
の光子のエネルギを吸収してイオン化する。いわゆるモ
ノカラー２光子イオン化法を用いる。この場合のイオン
化効率は、数パーセントに達し、二次イオン生成よりも
１０〜１００倍の良い効率である。しかも、良く知られ
ているように、共鳴イオン化のため、主成分のシリコン
はイオン化しにくいため、アルミニュームイオンのみ強
調されて出現する利点もある。この手法によって測定し
た結果を図７に示す。本図に示されているように、アル
ミニュームイオンの信号の変化が、良好に測定されてい
る。従来方法による本実施例のような測定は、制限視野
法を用いても困難であった。何故なら、第一に、分析部
の中心に分析しない部分があるためである。第二にポス
トイオン化ではイオンの生成される位置と試料表面の位
置関係が崩れるため、制限視野法が使用できないためで
ある。ここではスパッタリング後のイオン化は共鳴イオ
ン化を用いたが、この手法に限らず、非共鳴レーザイオ
ン化、電子衝撃イオン化など他の手法を使用できる。

【００２６】図１に示したの電子源３１は、絶縁物試料
をエッチング又は分析する場合、試料表面のチャージア
ップ現象を防止するためのものであるが、上記分析では
用いていない。同様に、ＣＲＴ２４は試料の像をアナロ
グ的に表示するためのものであり、測定準備中や測定中
のモニタとして使用する。シンチレータ１８、フォトマ
ルチプライア１９、イオン電子変換器２０は、質量分離
しない全イオンで試料の像をＣＲＴ２４に記録するため
のものである。

【００２７】上記の各実施例において、イオンエッチン
グ又はイオンビームによる膜形成を行うためのイオン収
束系と、質量分析をするためのイオン収束系は共通であ
る。また、イオン源１，３によって発生されるそれぞれ
のイオン種の試料１１への照射については、制御装置２
２によって制御される切替手段（図示せず）によってイ
オン種の切替が行われるように構成される。

【００２８】本装置では、以上説明した分析に加えて、
加工断面の分析等にも使用することが可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、次の効果を奏する。質量分析を行う前に分析対象
部分の周縁の非分析部分に前処理を行うように構成した
ため、第１に、微少試料、又は円形や正方形の形状が配
列された任意形状の試料において、エッジ効果がない深
さ方向分析を行うことができる。次に、感度の良いポス
トイオン化法においてもエッジ効果のない深さ方向分析
を行うことができる。

【００３０】収束イオンビーム装置と質量分析計を複合
して構成したため、試料の前処理と分析とを一貫して行
うことができ、且つ前処理の精度を非常に高い精度で行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る収束イオンビーム質量分析複合装
置の一実施例を示す構成図である。

【図２】本発明の方法による第一の試料加工例を示す図
で、Ａ〜Ｃの３つの態様が示され、Ａ〜Ｃのそれぞれで
上側（ａ）が平面図、下側（ｂ）が各平面図に対応して
中心線で切った縦断面図である。

【図３】本発明による方法による分析結果の一例を示す
グラフである。

【図４】本発明の方法による第二の試料加工例を示す縦
断面図である。

【図５】本発明の方法による第三の試料加工例を示す縦
断面図である。

【図６】他の試料を示す図で、（ａ）が一部平面図、
（ｂ）は要部断面図である。

【図７】本発明の方法による第二の分析結果を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１液体金属イオン源２一次イオン偏向器３分析用イオン源４コンデンサレンズ５偏向電極６一次イオンビーム７対物レンズ８ガス供給装置９試料微動装置１０試料台１１試料２１イオン検出器２２制御装置２５エッチング部２６付着膜

フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−184846（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 49/26 G01N 23/225 H01J 49/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試料における分析対象部分の周縁の非分
析部分に対しイオンエッチング又はイオンビームによる
膜形成のいずれかを行い、その後、前記分析対象部分に
対しスパッタリングを行い、スパッタリング粒子の質量
分析を行うとともに、前記非分析部分をイオンエッチン
グ又はイオンビームによる膜形成を行うためのイオン種
と前記質量分析を行うための一次イオン種は互いに異な
るイオン種であることを特徴とする収束イオンビーム質
量分析方法。
【請求項２】試料における分析対象部分の周縁の非分
析部分に対しイオンエッチングを行った後イオンビーム
による膜形成を行い、その後、前記分析対象部分に対し
スパッタリングを行い、スパッタリング粒子の質量分析
を行うことを特徴とする収束イオンビーム質量分析方
法。
【請求項３】請求項２記載の収束イオンビーム質量分
析方法において、前記イオンエッチングは、一次イオン
によるスパッタリング及びイオンビーム活性化ガスによ
る化学的エッチングのいずれかであることを特徴とする
収束イオンビーム質量分析方法。
【請求項４】請求項２記載の収束イオンビーム質量分
析方法において、前記質量分析を行うためのイオンは、
前記スパッタリング粒子中の二次イオンであることを特
徴とする収束イオンビーム質量分析方法。
【請求項５】請求項２記載の収束イオンビーム質量分
析方法において、前記質量分析を行うためのイオンは、
前記スパッタリング粒子中の中性粒子をイオン化して得
たイオンであるを特徴とする収束イオンビーム質量分析
方法。
【請求項６】請求項５記載の収束イオンビーム質量分
析方法において、前記イオン化を行う方法は共鳴イオン
化であることを特徴とする収束イオンビーム質量分析方
法。
【請求項７】請求項２記載の収束イオンビーム質量分
析方法において、前記非分析部分をイオンエッチング又
はイオンビームによる膜形成を行うためのイオン種と前
記質量分析を行うための一次イオン種は互いに異なるイ
オン種であることを特徴とする収束イオンビーム質量分
析方法。
【請求項８】分析対象の試料の表面に対しイオンビー
ムを与えるイオンビーム発生装置と、前記イオンビーム
が与えられた試料の表面から発生する二次イオンに基づ
いて質量分析を行う質量分析装置を備える収束イオンビ
ーム質量分析複合装置において、前記イオンビーム発生
装置は、少なくとも、前記試料の表面における非分析部
分にイオンエッチング又はイオンビームによる膜形成を
行うためのイオンビームを発生するイオン源と、質量分
析用のイオンビームを発生するイオン源を備えることを
特徴とする収束イオンビーム質量分析複合装置。
【請求項９】請求項８記載の収束イオンビーム質量分
析複合装置において、前記イオンエッチング又はイオン
ビームによる前記膜形成を行うためのイオン収束系と、
質量分析をするための一次イオン収束系は共通の収束系
であることを特徴とする収束イオンビーム質量分析複合
装置。
【請求項１０】請求項８記載の収束イオンビーム質量
分析複合装置において、複数の前記イオン源によって発
生されるそれぞれのイオン種の試料への照射について
は、切替手段によって前記イオン種の切替が行われるこ
とを特徴とする収束イオンビーム質量分析複合装置。