JP3297736B2 - 収束イオンビームによる精密断面加工を用いた深さ方向元素分布分析方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、あらゆる形状の固
体表層ならびに固体内部を対象とした微量元素の正確な
深さ方向分布計測を可能とする方法及びその装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の固体表層における二次イオン質量
分析（ＳＩＭＳ）法による深さ方向元素分布計測方法の
概略を、図１に示す。すなわち、試料（１）にイオンビ
ーム（２）をラスター走査によって照射して、試料表面
から発生する二次イオン（３）等を二次イオン質量分析
系によって測定することにより、分析対象である試料の
深さ方向元素分布を計測・解析するものである。このよ
うな深さ方向元素分布計測方法の代表的な従来法として
は、ＳＩＭＳ法やスパッタオージェ電子分光（ＡＥＳ）
法、スパッタＸ線光電子分光（ＸＰＳ）法などが挙げら
れる。

【０００３】従来法においては、スパッタに用いられる
イオンビームの電流密度とスパッタ表面の原子密度なら
びにスパッタ収率を定めて、エッチング深さを定義す
る。このようにして定義されたエッチング深さの関数と
しての各種検出信号強度変化を得、固体表層での深さ方
向元素分布測定を行う。

【０００４】この際の深さ方向分解能（当該分析方法に
よって識別し得る深さ方向の最小距離）は、イオンビー
ム照射に伴う固体表面粗さに大きく依存する。すなわ
ち、図２（Ａ）に示すように、当初分析表面に微少な凸
部（４）が存在すると、イオンビームがラスター走査に
より該凸部をくり返しスパッタした際には、イオン入射
角依存性により、図２（Ｂ）のように凸部は一層突出す
るようになり、このため試料表面粗さが大きくなる。そ
して、試料表面粗さが大きくなるにしたがい、該凸部の
元素分布は測定結果に反映されず、そのため深さ方向分
解能は低下してしまう。すなわち、従来の深さ方向分析
法において、より高い深さ方向分解能を実現するために
は、分析対象表面を常に平滑に保つことが要求される。

【０００５】最近では、イオンビーム照射に伴う試料表
面粗れをできるだけ少なくする目的から、斜入射イオン
ビームの採用やイオンビームの低エネルギー化などが行
われている。この結果、表面から極めて浅い領域での深
さ方向分析においては、３ｎｍ程度の深さ方向分解能で
の高感度元素分布解析が実現されつつある。

【０００６】しかしながら、この従来の深さ方向分析法
における固体表面粗さが、分析深さが深くなるにしたが
い増大するという欠点は依然解決されていない。したが
って、従来法によれば深さ方向分解能は分析深さに依存
して低下するという問題点がある。さらに、あらかじめ
凹凸のある表面や微粒子表面などを分析対象とする際に
は、形状効果の影響により分析表面のスパッタ収率が変
化するため正確な深さ方向分析が困難であるという問題
点もある。同時に、分析表面に直接イオンを照射するた
め、ノックオンミキシングやスパッタ再付着などの影響
により深さ方向分解能が低下するという問題点も残され
ている。また、分析には最低でも数百μｍ² 程度の極め
て広い分析領域が必要となるため、極微小領域での元素
分布解析法として用いるには不都合があった。

【０００７】近年の半導体技術分野に注目すれば、半導
体素子の加速度的な微細化・高集積化が実現されつつあ
る。また、材料開発分野においても高清浄度鋼などのよ
うに材料中に混入する不純物の微小化・低濃度化が強力
に推進され、さらには無機マイクロカプセルなどに代表
されるような粉体材料の微小化・高機能化が行なわれて
いる。以上のような各種材料の開発・評価・分析のため
には、あらゆる形状の固体表面の微小領域に対して適用
可能な深さ方向分析法の開発が必要不可欠となる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本件発明者は、以上のよ
うな問題を解決すべく、あらゆる形状の固体表面の微小
領域に対して適用可能な深さ方向分析法であって、以下
に列挙するような特長を有する「収束イオンビームによ
る精密断面加工を用いた深さ方向元素分布分析方法及び
その装置」を発明した。

【０００９】 数ｎｍ程度の極めて高い深さ方向分解
能での高感度深さ方向分析法の実現 深さ方向分解能が分析深さに依存しない深さ方向分
析法の実現 凹凸のある表面や微粒子表面などに適用可能な深さ
方向分析法の実現 ノックオンミキシングならびにスパッタ再付着など
の影響を極力抑えた深さ方向分析法の実現 数μｍ² 程度の極微小領域を分析対象表面とできる
深さ方向分析法の実現次に、上記のような目的を達成す
るための本発明の構成について説明する。

【００１０】本発明の第１の実施の態様によれば、収束
イオンビーム（２'）により試料を精密断面加工する工
程と、前記精密断面加工により得られた断面から発生す
る微粒子を測定する工程と、前記測定によって得た値を
前記収束イオンビームの深さ方向走査位置の関数として
処理する工程と、を具備することを特徴とする、試料の
深さ方向元素分布分析を行う方法が提供される。ここ
で、精密断面加工時の収束イオンビーム走査方法を高精
度ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査と定義する。高精度ｓｈａｖ
ｅ−ｏｆｆ走査とは、分析対象を完全に含む程度の微小
面積に対して、収束イオンビームのＸ方向走査速度に対
してきわめて遅い速度（好ましくは、１／１０，０００
以下）でＺ方向走査を行う走査方法をいう。なお、Ｘ方
向とは、図３（Ａ）乃至図３（Ｃ）に示すような試料の
幅方向をいい、またＺ方向とは、図３（Ａ）乃至図３
（Ｃ）に示すような試料の深さ方向をいう。

【００１１】また、本発明の第２の実施の態様によれ
ば、凹凸の激しい固体表面や微粒子表面を含む全ての固
体表層において、深さ方向に濃度分布あるいは少なくと
も一つの層（５）を有する試料に対し適用可能且つ有効
な、深さ方向元素分布分析を行う方法であって、前記試
料を深さ方向に切り出すことによって、側断面（８）を
有する薄片（７）を形成する工程と、前記薄片の側断面
に収束イオンビーム（２’）を照射し、かつ該収束イオ
ンビームによる精密断面加工を行う工程と、前記薄片の
精密断面加工により得られた断面（１７）から発生する
微粒子を測定する工程と、該測定の結果を前記収束イオ
ンビームの深さ方向走査位置の関数として処理する工程
と、を具備することを特徴とする、深さ方向元素分布分
析を行う方法。が提供される。

【００１２】第２の実施の態様において、前記薄片
（７）を切り出す工程は、該試料の表面上に第１のイオ
ンビームをラスター走査して、イオンビームエッチング
により前記薄片を形成する粗切断加工工程と、前記薄片
の側断面に沿って第２のイオンビームのｓｈａｖｅ−ｏ
ｆｆ走査を行うことによって、該側断面の表面処理をす
る精密切断加工工程と、を含んでいても良い。なお、ｓ
ｈａｖｅ−ｏｆｆ走査とは、前記高精度ｓｈａｖｅ−ｏ
ｆｆ走査と同様の走査であって、Ｘ方向走査速度に対し
て遅い速度（たとえば、１／１０以下）でＺ方向走査を
行う走査方法をいう。また、前記第２のイオンビームの
ビーム電流及びビーム径は、前記第１のイオンビームの
ビーム電流及びビーム径以下となるように設定しても良
く、たとえば収束イオンビームであっても良い。

【００１３】また、第１及び第２の実施の態様におい
て、前記精密断面加工時の収束イオンビーム走査、すな
わち、高精度ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査の深さ方向の速度
成分ｖ _Ｚを、該高精度ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査の試料幅
方向の速度成分ｖ_Ｘに対して１０００分の１以下の速度
としても良い。また、前記試料の断面積（Ｌ_Ｘ・Ｌ_Ｙ）
は１μｍ² 以下になるように、薄片を形成するようにし
ても良い。また、収束イオンビームの収束特性は高くす
るのが良く、たとえば、ビーム径は１０ｎｍ以下であ
り、ビーム電流は１ｐＡ以上である収束イオンビームを
使用するのが好ましい。また、収束イオンビームの走査
のＸ方向と試料Ｘ方向との精密な機械的位置合わせが行
われるのが好ましく、たとえば、前記精密断面加工時の
収束イオンビーム（２’）走査の摺動方向Ｘ_ｐが、試料
に含まれるすくなくとも一つの層の界面のなす第１の方
向Ｘ_Ｌ（試料薄片幅方向）と一致するように設定されて
も良い。さらに、収束イオンビームのＹ（入射またはビ
ーム軸）方向と試料Ｙ方向との精密な機械的位置合わせ
が行われるのが好ましく、たとえば、前記収束イオンビ
ーム（２’）のビーム軸方向Ｙ_ｐが、試料に含まれるす
くなくとも一つの層の界面のなす第２の方向Ｙ_Ｌ（試料
薄片高さ方向）に対して、負の値となるように設定され
ることにより、精密断面加工により得られた断面の法線
と該界面の法線とのなす角を小さくするように調整が行
われても良い。

【００１４】さらに、本発明の第３の実施の態様によれ
ば、イオン源（９）と、該イオン源に隣接して設けら
れ、該イオン源からのイオンを収束し、収束イオンビー
ム（２’）を形成し、該収束イオンビームを試料に向け
照射する一次イオン光学系（１０）と、該一次イオン光
学系に隣接して設けられ、該試料を保持する試料ステー
ジ（１１）と、該収束イオンビームの試料への照射角度
を制御する試料ステージ回動機構（１２）と、該試料ス
テージに隣接して設けられ、該収束イオンビームによる
精密断面加工により連続的に得られた断面から発生した
微粒子を収集する微粒子輸送光学系（１３）と、該微粒
子輸送光学系（１３）に隣接して設けられ、該微粒子輸
送光学系（１３）で収集された微粒子を受けて、該微粒
子の測定を行う分析装置（１４）と、該収束イオンビー
ムを試料の表面上を走査させるイオンビーム走査手段
と、を具備する深さ方向元素分布分析装置であって、前
記イオンビーム走査手段は、走査の深さ方向の速度成分
（ｖ_Ｚ）が、該走査の試料幅方向の速度成分（ｖ_Ｘ）に
対して１０００分の１以下であるように、収束イオンビ
ーム走査を行う、ことを特徴とする深さ方向元素分布分
析装置が提供される。当該装置において、測定対象とな
る微粒子は二次イオンであってもよく、その場合前記分
析装置には質量分析装置が用いられる。また、測定対象
となる微粒子はオージェ電子あるいは光電子であっても
よく、その場合、前記分析装置は電子分光分析装置を用
いれば良い。

【００１５】また、本発明の別の実施態様によれば、深
さ方向元素分布分析装置は前記断面に対しプローブ（２
０）を照射するプローブ発生器（１９）をさらに具備
し、前記分析装置は該プローブの照射によって該断面か
ら生成される微粒子を測定するように構成しても良い。
該プローブは、たとえば電子ビーム、Ｘ線ビーム、イオ
ンビーム等であり、電子ビームを用いた場合には、精密
断面加工により連続的に得られた断面からオージェ電
子、反射電子、二次電子等が発生し、これらを電子分光
分析装置を用いて測定してもよい。また、Ｘ線ビームを
用いた場合には、精密断面加工により連続的に得られた
断面から光電子等が発生し、これらを電子分光分析装置
を用いて測定してもよい。さらに、イオンビームを用い
た場合には精密断面加工により連続的に得られた断面か
らオージェ電子、二次電子、散乱イオン、二次イオン等
が発生し、これらを電子分光分析装置、散乱イオンエネ
ルギー分析装置、あるいは質量分析装置を用いて測定し
てもよい。

【００１６】なお、本発明は、収束イオンビーム加工機
能と元素分析機能を同時に有する測定装置に適用が可能
である。以下に、適用可能な製品の一例を示す。

【００１７】ＳＩＭＳ装置：二次イオン質量分析装置Ｔ
ＲＩＦＴシリーズ／Ｍｏｄｅｌ６０００シリーズ（アル
バック・ファイ株式会社製）、ＩＭＳ−６Ｆ型二次イオ
ン質量分析計（カメカインスツルメンツ株式会社製）、
二次イオン質量分析装置ＳＩＭＳ４５００（セイコーイ
ンスツルメンツ株式会社製）など。走査イオン顕微鏡装
置：走査イオン顕微鏡ＪＩＢ−２３００（日本電子株式
会社製）、高性能走査イオン顕微鏡ＳＭＩ９２００／９
８００（セイコーインスツルメンツ株式会社製）、集束
イオンビーム加工観察装置ＦＢ−２０００Ａ（株式会社
日立製作所製）など。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照しながら本発
明の実施の形態について説明する。

【００１９】本発明に係る「収束イオンビームによる精
密切断加工を用いた深さ方向分析方法」を実施する工程
を図３（Ａ）から図３（Ｃ）に示す。本実施の形態にお
いては基層（６）上に形成された多層薄膜（５）を有す
る試料を分析対象としているが、分析対象は多層薄膜に
限られず、たとえば、本発明によれば、ある種の薄膜で
外周をコーティングされた、極小微粒子を分析する事も
できる。なお、収束イオンビーム（以下、「ＦＩＢ」と
いう）走査方向を説明するためのＸＹＺ軸を図３（Ａ）
から図３（Ｃ）に付記する。すなわち、Ｘ軸方向は、試
料表面に平行な面に含まれる任意の一方向、Ｙ軸方向は
試料表面に平行な面に含まれ、Ｘ軸方向に対して直角で
ある方向、Ｚ軸方向は該ＸＹ軸を含む平面の法線方向で
ある。

【００２０】始めに、図３（Ａ）に示すように、分析し
ようとする多層薄膜（５）表面を収束イオンビーム
（２）（収束イオンビームとは「何らかの方法でビーム
径を微小にし、且つイオン電流密度を高めたイオンビー
ム」と定義する。たとえば、Ｇａ−ＦＩＢであって、以
下収束イオンビームの代表的な例としてＧａ−ＦＩＢを
用いるものとして、本実施の形態を説明するが、本発明
に用いることのできる収束イオンビームはこれに限られ
ず、試料の材質に応じた他の反応性イオンからなる収束
イオンビームを用いても良い。）のラスター走査により
削り飛ばし、基層（６）上に起立する、多層薄膜（５）
を含む直方体の薄片（以下単に「薄片（７）」という）
を形成するように、多層薄膜試料の粗切断加工を行う。

【００２１】次に、図３（Ｂ）に示すように、試料粗切
断加工工程によって形成された多層薄膜界面を含む薄片
（７）の各側面に対して、十分に収束させたＧａ−ＦＩ
Ｂ（２’）のｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査により、薄片
（７）の側面断面の精密切断加工を行う。これにより、
側面表面の粗さを低減させると共に、試料粗切断加工工
程時にイオンビームのスパッタにより飛散し付着した原
子等を除去して、分析精度を一層向上させることができ
る。

【００２２】次いで、図３（Ｃ）に示すように、精密切
断加工後の試料を、薄片（７）の側面断面のいずれか一
面に収束イオンビーム（２’）が当たるように、該試料
を回転（たとえば、ＸＺ平面について９０゜）させる。
該回転された試料について、該収束イオンビーム
（２’）を照射する面（８）に対して高精度ｓｈａｖｅ
−ｏｆｆ走査を行うことによって該試料の精密断面加工
をおこない、連続的に断面（以下、「ｓｈａｖｅ−ｏｆ
ｆ断面」という）を形成し、該ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面
から発生する二次イオン等を測定して深さ方向分析を行
う。ここで、高精度ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査とは発明者
らが独自に開発したビーム走査方法のことであり、分析
対象を完全に含む程度の微小面積に対して、収束イオン
ビームのＸ方向走査速度に対してきわめて遅い速度（好
ましくは、１／１０，０００以下）でＺ方向走査を行う
ことである。この際、分析対象たる薄片（７）は１回の
面走査でイオンスパッタにより完全に削り飛ばされる必
要があり、したがって本発明の実施においては、収束イ
オンビームのイオン電流密度乃至加速電圧は高精度ｓｈ
ａｖｅ−ｏｆｆ走査速度に応じて、適宜調整されること
が好ましい。

【００２３】高精度ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ分析とは、分析
対象に対し高精度ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査を行いなが
ら、ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面から発生した二次イオン等
を質量分析器等により検出し、二次イオン等の強度をＺ
方向走査位置の関数として記録することにより、ｓｈａ
ｖｅ−ｏｆｆ断面（たとえば収束イオンビーム（２’）
によってスパッタされて形成される薄片（７）頂部の面
をいう）における原子数等に比例した曲線（高精度ｓｈ
ａｖｅ−ｏｆｆプロファイル）を得る分析方法を指すも
のとする。

【００２４】なお、本分析方法において、二次イオンの
代わりにオージェ電子あるいは光電子などを観測しても
良く、その場合には、質量分析器の代わりに電子分光装
置を用いれば良い。本分析法によれば、収束イオンビー
ム（２’）のｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面に対する入射角が
一定に保持され、かつ１回の面走査で分析対象全体をス
パッタするため、形状効果の影響やスパッタ再付着なら
びにノックオンミキシングの影響が排除でき、また、い
かなる形状の固体表面に対しても化学組成の定量性を維
持した深さ方向分析が可能となる。さらに、ｓｈａｖｅ
−ｏｆｆ断面の形状は如何なる深さにおいても相似とな
るため、深さ方向分解能（本分析方法により識別可能な
深さ方向の最小距離をいう）が分析深さに依存しないと
いう利点を有する。

【００２５】また、本実施の形態の変形例によれば、精
密断面加工に用いる収束イオンビーム（２’）とは別個
に、プローブ（２０）をｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面に照射
し、該プローブの照射によって生成される微粒子を測定
し、深さ方向分析を行う。該プローブとしては、電子ビ
ーム、Ｘ線ビーム、イオンビームを用いて良く、これら
によって生成されるオージェ電子、反射電子、二次電
子、光電子、散乱イオン、二次イオン等を測定すること
により、深さ方向分析を行っても良い。

【００２６】上述の本発明の構成と作用より、発明の目
的に挙げた以下の項目に該当する深さ方向分析法が実現
できる。

【００２７】 深さ方向分解能が分析深さに依存しな
い深さ方向分析法の実現 凹凸のある表面や微粒子表面などに適用可能な深さ
方向分析法の実現 ノックオンミキシングならびにスパッタ再付着など
の影響を極力抑えた深さ方向分析法の実現 数μｍ² 程度の極微小領域を分析対象表面とできる
深さ方向分析法の実現次に、本発明に係る深さ方向分析
方法を実施するための装置について、図４を参照しなが
ら説明する。

【００２８】図４において、まずイオン源（９）からイ
オンが生成されると、該イオンは、たとえばコンデンサ
レンズ、対物レンズ、走査電極等から構成される一次イ
オン光学系（１０）により、収束・加速されてイオンビ
ーム（２）または収束イオンビーム（２’）（以下、
「イオンビーム（２）等」という）を形成する。該イオ
ンビーム（２）等はたとえば、走査電極により或いはイ
オン源に設けられた機械的駆動機構等のイオンビーム走
査手段（図示せず）によって、前記粗切断加工時におけ
るラスター走査、精密切断加工時におけるｓｈａｖｅ−
ｏｆｆ走査、及び精密断面加工時における高精度ｓｈａ
ｖｅ−ｏｆｆ走査を行うように走査可能に制御される。

【００２９】前記一次イオン光学系（１０）によって加
速・収束されたイオンビーム（２）等は、試料ステージ
（１１）に保持されている試料に照射される。なお、該
試料ステージ（１１）は、前記薄片（７）の側面断面の
いずれか一面に収束イオンビーム（２’）が当たるよう
に該試料を回転させるための試料ステージ傾斜機構（１
２）を備えている。また、該試料ステージは、固定され
た収束イオンビームに対して、該試料をＸＹ方向（前記
粗切断加工時、精密切断加工時）およびＸＺ方向（前記
精密断面加工時）に自在に摺動可能とする可動機構（図
示せず）を備えていても良い。

【００３０】精密断面加工の際に該収束イオンビーム
（２’）が試料に照射されると、該試料のｓｈａｖｅ−
ｏｆｆ断面から二次イオン等の微粒子（３）が発生す
る。該発生した二次イオン等の微粒子（３）は、たとえ
ば収束レンズ、軸補正電極等から構成される微粒子輸送
光学系（１３）で収集されて、分析装置（１４）に輸送
される。分析装置（１４）で測定されたデータは、図示
しない処理装置において深さ方向（Ｚ方向）の関数とし
て処理され、処理結果は図示しない出力表示装置によっ
て、使用者等に提供される。なお、分析装置（１４）
は、測定対象を二次イオンとする場合においては、質量
分析器を用いれば良く、この場合複数の元素を同時に検
出することが可能なマルチチャンネル・検出器（multic
hannel detector)を用いることは、積層薄膜等の複数の
元素からなる試料の深さ方向分析を行う際に好ましい。
また、二次イオンの代わりにオージェ電子あるいは光電
子を測定して深さ方向分析を行う場合は、質量分析器の
代わりに電子分光器を分析装置（１４）として用いれば
良い。

【００３１】また、本実施の形態の変形例にかかる深さ
方向分析方法を実施するための装置は、精密断面加工を
行う収束イオンビーム（２’）とは別個の、プローブ
（２０）をｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面（１７）に照射する
ためのプローブ発生器（１９）をさらに具備している。
該プローブ発生器（１９）から照射されたプローブ（２
０）によってｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面から発生する微粒
子を測定し、深さ方向分析を行う。該プローブとして
は、電子ビーム、Ｘ線ビーム、イオンビームを用いて良
く、これらによって生成されるオージェ電子、反射電
子、二次電子、光電子、散乱イオン、二次イオン等を測
定する。この変形例の場合、生成される微粒子の種類に
応じて、分析装置（１４）として電子分光分析装置、散
乱イオンエネルギー分析装置、あるいは質量分析装置を
用いても良い。

【００３２】［本発明の効果の評価］本発明の効果の評
価に関して、深さ方向分解能に注目しながらシミュレー
ション計算ならびに実験を行った。図５に多層薄膜試料
に対する深さ方向分析のシミュレーション計算モデル
と、シミュレーションに用いた各種パラメータを示す。
図５は、図３（Ｃ）の一部拡大図に相当し、Ｇａ−ＦＩ
Ｂによる精密切断加工後に被分析多層薄膜界面を含む薄
片（７）に対して、高精度ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ分析法に
よる深さ方向分析を行っている状態を示す模式図であ
る。薄片（７）は、基層（６）上（図５において右側）
に第２層（１６）が積層形成され、第２層（１６）上に
さらに第１層（１５）が積層形成されており、第１層
（１５）の端部には、収束イオンビーム（２’）のスパ
ッタリングにより、第１層（１５）の一部が削り飛ばさ
れて形成されたｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面（１７）があ
る。

【００３３】薄片（７）のＸ方向長さを幅Ｌ_Ｘ（μ
ｍ）、薄片（７）のＹ方向長さを高さＬ _Ｙ（μｍ）とす
る。また、第１層と第２層間の界面のＸ軸方向、Ｙ軸方
向をそれぞれ、Ｘ_Ｌ、Ｙ_Ｌとし、該界面の法線方向をＺ
_Ｌとする。また、被分析層の密度をρ（ｇ／ｃｍ^３）、
その分子量をＭとした。また、収束イオンビーム
（２’）については、そのビーム電流をＩ_ｐ（ｐＡ）、
ビーム径をｄ（μｍ）、ビーム軸方向をＹ_Ｐ、ビームの
高精度ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査時のＸ軸方向の移動方向
をＸ_ｐ、同Ｚ軸方向の移動方向をＺ_ｐとし、ビームの高
精度ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査時のＺ_ｐ方向のビーム走査
速度をｖ_Ｚ（ｎｍ／ｓ）、Ｘ_ｐ方向のビーム走査速度を
ｖ_Ｘ（μｍ／ｓ）とする。さらに、該収束イオンビーム
（２’）による試料に対するスパッタリングのスパッタ
収率をｙ_Ｓ、その有効収率をｙ_Ｕ、スパッタリングによ
り発生した二次イオン等の検出単位時間をｔ（ｓ）とす
る。

【００３４】以上のようなモデルとパラメータを用い
て、深さ方向プロファイルを算出し、各分析条件におけ
る深さ方向分解能を推定した。

【００３５】図５に示すモデルのｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断
面（１７）のＺ軸方向断面形状の拡大図を図６に示す。
ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面（１７）の断面形状は、ビーム
プロファイルをガウス分布と定義したため、ガウス分布
の積分で表現される。すなわち、以下の式：

【００３６】

【数１】

【００３７】（ただし、Ｌ_Ｙｍａｘは、収束イオンビー
ム（２’）によって試料が削り取られるＹ方向限界位置
を表す）によって、ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面形状を表す
曲線をＺ（深さ）の関数として表すことができる。

【００３８】したがって、ビーム位置がＺ_０より浅い位
置（図６において、ビーム中心がＺ _０より右側）では、
第２層に均一に含まれる元素からの二次イオン強度はガ
ウス分布の積分に比例した曲線で増大し、ビーム位置が
Ｚ_０ より深い位置（図６において、ビーム中心がＺ_０
より左側）では一定値Ｉ_s となる。

【００３９】上記シミュレーション計算より得られる多
層薄膜試料に対する深さ方向プロファイルを図７に示
す。以上のようにして計算された、深さ方向プロファイ
ルにおいて、一定となるイオン強度Ｉ_s の１６％と８４
％の強度が予想されるｚ方向（深さ方向）ビーム中心の
位置を算出し、それぞれのビーム中心位置間の距離ΔＺ
をｓｈａｖｅ−ｏｆｆ分析における深さ方向分解能と定
義した。

【００４０】このようにして、算出された深さ方向分解
能の各実験パラメータに対する依存性に関し、さらに検
討を行なった。計算に用いた多層薄膜試料の組成は、第
１層と第２層ともにＳｉＯ₂ とし、計算は第１層と第２
層との界面で行い、深さ方向分解能は第２層の膜から発
生した²⁸Ｓｉ⁺ イオンの強度変化より算出した。

【００４１】図８に、深さ方向分解能ΔＺの、試料の幅
Ｌ_Ｘと高さＬ_Ｙとの積である分析断面積（Ｌ_Ｘ・Ｌ_Ｙ）
に対する依存性を示す。ここで、深さ方向分解能は、分
析断面積が一定であれば、分析断面の幅や高さに関らず
一定となる。深さ方向分解能は、分析断面積が小さいほ
ど良くなることがわかる。現実的なｓｈａｖｅ−ｏｆｆ
深さ方向分析の際の分析断面積は、ＦＩＢの最小ビーム
径に大きく依存するが、１０μｍ² 以下が妥当であるこ
とがわかる。

【００４２】つぎに、図９に深さ方向分解能ΔＺの収束
イオンビーム径に対する依存性を示す。一次イオンビー
ム（収束イオンビーム）のビーム径ｄとビーム電流Ｉ_ｐ
は、それぞれ密接な関係がある。ここでは、本発明に用
いた装置における代表的なｄとＩ_ｐの組み合わせを用い
て計算を行った。また、最近のナノスケール収束イオン
ビームを用いた際の深さ方向分解能を破線で示した。図
９から分かるように、イオンビーム径ｄが小さくなるほ
ど、深さ方向分解能ΔＺが良くなる（小さくなる）こと
がわかる。

【００４３】つぎに、図１０に深さ方向分解能ΔＺの深
さ方向イオンビーム走査速度ｖ_ｚに対する依存性を示
す。なお、深さ方向イオンビーム走査速度ｖ_ｚとは、高
精度ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査における、収束イオンビー
ムの走査速度のＺ軸方向成分である。深さ方向イオンビ
ーム走査速度ｖ_ｚが遅い程、深さ方向分解能ΔＺは良く
なる（小さくなる）傾向がみられる。ただし、深さ方向
イオンビーム走査速度ｖ _ｚが小さくなれば、単位時間当
たりのスパッタ総量が少なくなり、その結果二次イオン
強度が減少する点に注意する必要がある。

【００４４】つぎに、図１１に深さ方向分解能ΔＺの一
次イオンビーム（収束イオンビーム）走査のＸ方向（Ｘ
_ｐ）と界面Ｘ方向（Ｘ_Ｌ）とのなす角θ、ならびに深さ
方向分解能ΔＺの一次イオンビーム入射方向（Ｙ_ｐ）と
界面Ｙ方向（Ｙ_Ｌ）とのなす角φに対する依存性を示
す。なお、方向Ｘ_ｐ、Ｘ_Ｌ、Ｙ_ｐ、Ｙ_Ｌ、角θ、φは、
図５の左上部に図示されているものである。角θに対す
る依存性は、角度がθ＝０°のときに極小値１０．４ｎ
ｍをとり、その前後で直線的に分解能が悪くなってい
る。一方、ビーム入射方向Ｙ_ｐと界面Ｙ方向Ｙ_Ｌとのな
す角φに対する依存性は、角度が負（図５左上部に示さ
れる座標軸のように、Ｙ_ｐがＹ_Ｌに対して反時計回り方
向にずれている場合）のときに極小値を示した。この極
小を与える角度φと深さ方向分解能ΔＺの関係は、実験
条件により変化するが、図１１中に示すような本実験条
件においては角度−０．４°のときに極小となり、深さ
方向分解能ΔＺの値は３ｎｍであった。これは、図６に
示したように、ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面（１７）がビー
ム軸方向に対して実験条件に依存する傾きを有するた
め、ビーム入射方向Ｙ_ｐと界面Ｙ方向Ｙ_Ｌとのなす角φ
が０°では、深さ方向分解能ΔＺが極小にならず、わず
かに負の方向に傾けたときに深さ方向分解能ΔＺが極小
になることを意味する。また、これまでに検討した各実
験条件に比べて、これらの角度が分解能に与える寄与が
桁違いに大きいことがわかり、ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面
（１７）のＸＺ面内回転が可能なビーム回転装置、なら
びにＹＺ面内回転が可能な精密試料傾斜機構を、試料を
保持する試料ステージに設ける事が好ましいことが分か
った。

【００４５】さらに、本件発明に用いた装置における現
状での最適実験条件に基づき、多層薄膜試料に対し、本
件発明にかかる深さ方向分析方法を適用し、その結果を
測定した。用いた多層薄膜試料は、表面から順に１００
ｎｍのＴｉＮ薄膜、５００ｎｍのＡｌ薄膜、１００ｎｍ
のＴｉＮ薄膜、Ｓｉ基板で構成される。このような構成
からなる試料に対して、Ｇａ−ＦＩＢによる薄片化加工
を行った後に、表面からより深い位置にあるＴｉＮ薄膜
に注目しながら本発明に係る深さ方向分析を行なった。
なお分析の際には、ビーム回転装置を用いて一次イオン
ビーム走査のＸ方向を回転させ、試料界面Ｘ方向に修正
した。

【００４６】本発明にしたがって該試料の深さ方向分析
の結果得られたＴｉＮ薄膜の深さ方向プロファイルを図
１２に示す。実験より得られた深さ方向プロファイル
は、シミュレーション計算より予想されるプロファイル
とほぼ一致した。ここで、深さ方向分解能算出法の定義
に基づき、⁴⁸Ｔ_ｉ ⁺ 深さ方向プロファイルより、深さ方
向分解能ΔＺを算出した。実験的定義にしたがうと、深
さ方向分解能ΔＺはピークの立ち上り部分で３０ｎｍ、
立ち下り部分で２０ｎｍであった。同一実験条件（ビー
ム入射Ｙ_ｐと界面Ｙ方向Ｙ_Ｌとのなす角φが０°とした
とき）でのシミュレーションより得られる深さ方向分解
能ΔＺは、１０．４ｎｍである。実験結果より得られた
深さ方向分解能は、シミュレーションで推定される分解
能より、２．０倍大きい（分解能が悪い）ことがわか
る。この原因としては、一次イオンビーム入射方向Ｙ_ｐ
と試料界面Ｙ方向Ｙ_Ｌとの不一致が考えられる。実験で
得られた深さ方向分解能ΔＺとなる時の、一次イオンビ
ーム入射方向Ｙ_ｐと試料界面Ｙ方向Ｙ_Ｌとのなす角φを
シミュレーションより推定すれば、φ＝＋０．１９°と
なる。このことにより、試料を傾斜する際には極めて高
い精度が要求されることがわかる。したがって、本発明
に係るｓｈａｖｅ−ｏｆｆ深さ方向分析をより高精度に
行うためには、試料ステージ回動機構（１２）のような
高精度試料傾斜機構の導入が必要であると考える。

【００４７】以上のシミュレーション計算結果と実験結
果に基づき決定された、以下に括弧付きで示された分析
条件において深さ方向分析を行うことにより、最近のＦ
ＩＢ技術を用いて、本発明に係る深さ方向分析方法を実
行した場合の深さ方向分解能ΔＺは、１．４ｎｍと見積
もられた。この深さ方向分解能値は、発明の目的に挙げ
た「数ｎｍ程度の極めて高い深さ方向分解能での高感度
深さ方向分析法の実現」を十分に満足するものである。

【００４８】 分析断面積をより小さくする。（Ｌ_Ｘ
・Ｌ_Ｙ≦１μｍ² ） 収束特性のより高い収束イオンビームを採用する。
（ビーム径ｄ≦１０ｎｍ，ビーム電流Ｉ_ｐ≧１ｐＡ） 深さ方向走査速度ｖ_Ｚをより低速とする。（ｖ_Ｚ＝
０．１ｎｍ／ｓ） 収束イオンビームと試料との機械的位置合わせを十
分に調整する。（角度θ＝０°，角度φ＝−０．４°）

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、数ｎｍ程度の極めて高
い深さ方向分解能での高感度深さ方向分析法が可能であ
り、また、深さ方向分解能が分析深さに依存しない深さ
方向分析法が実現可能であり、また、凹凸のある表面や
微粒子表面などに適用可能であり、また、ノックオンミ
キシングならびにスパッタ再付着などの影響を極力抑え
ることも可能であり、また、数μｍ² 程度の極微小領域
を分析対象表面とできる深さ方向分析法の実現をする事
が可能である、深さ方向元素分布分析をおこなう方法及
び装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の固体表層における二次イオン質量分析
（ＳＩＭＳ）法による深さ方向元素分布計測方法の概略
を示す概略図。

【図２】イオンビーム照射に伴い固体表面粗さが増大す
ることを示す説明図。

【図３】本発明に係る「収束イオンビームによる精密断
面加工を用いた深さ方向元素分布分析方法」の工程説明
図であって、図３（Ａ）は粗切断加工工程、図３（Ｂ）
は精密切断加工工程、図３（Ｃ）は精密断面加工工程を
それぞれ示す。

【図４】本発明に係る深さ方向分析方法を実施するため
の装置の概略図。

【図５】多層薄膜試料に対する深さ方向分析のシミュレ
ーション計算モデルと、シミュレーションに用いた各種
パラメータを示す説明図。

【図６】図５に示すシミュレーションモデルにおけるｓ
ｈａｖｅ−ｏｆｆ断面のＺ軸方向断面形状の拡大図。

【図７】シミュレーション計算より得られる多層薄膜試
料に対する深さ方向プロファイルを示す図。

【図８】深さ方向分解能ΔＺの、試料の幅Ｌ_Ｘと高さＬ
_Ｙとの積である分析断面積（Ｌ _Ｘ・Ｌ_Ｙ）に対する依存
性を示す図。

【図９】深さ方向分解能ΔＺの収束イオンビーム径に対
する依存性を示す図。

【図１０】深さ方向分解能ΔＺの深さ方向イオンビーム
走査速度ｖ_ｚに対する依存性を示す図。

【図１１】深さ方向分解能ΔＺの、角θ、角φに対する
依存性を示す図。

【図１２】本発明を多層薄膜試料に適用して得られた、
ＴｉＮ薄膜の深さ方向プロファイルを示す図。

【符号の説明】 ２ … 収束イオンビーム ３ … 二次イオン等の微粒子 ５ … 多層薄膜 ６ … 基層 ７ … 薄片 ８ … 収束イオンビームを照射する面 ９ … イオン源 １０ … 一次イオン光学系 １１ … 試料ステージ １２ … 試料ステージ傾斜機構 １３ … 微粒子輸送光学系 １４ … 分析装置 １７ … ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面 １９ … プローブ発生器 ２０ … プローブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 23/225 G01N 23/227

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 収束イオンビーム（２’）を用いて、深
   さ方向の速度成分（Ｖ _Ｚ ）が、該収束イオンビーム走査
   の試料幅方向の速度成分（Ｖ _Ｘ ）に対して１０００分の
   １以下であるようなｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査をすること
   により、試料を完全に削り飛ばしながら試料の深さ方向
   に垂直でノックオンミキシングならびにスパッタ再付着
   の影響の少ないｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面を連続的かつ精
   密に削り出すところの精密断面加工をする工程と、 前記精密断面加工中に発生した微粒子（３）の強度、あ
   るいは他のプローブを用いて前記精密断面加工で得られ
   たｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面から発生させた微粒子の強度
   を測定する工程と、 前記測定によって得た値を前記収束イオンビームの深さ
   方向走査位置の関数として処理する工程と、 を具備することを特徴とする、試料の深さ方向元素分布
   分析を行う方法。
2. 【請求項２】 試料の深さ方向元素分布分析を行う方法
   であって、 前記試料を深さ方向に切り出すことによって、側断面
   （８）を有する薄片（７）を形成する工程と、 前記薄片の側断面に収束イオンビーム（２’）を照射
   し、深さ方向の速度成分（Ｖ _Ｚ ）が、該収束イオンビー
   ムの試料幅方向の速度成分（Ｖ _Ｘ ）に対して１０００分
   の１以下であるようなｓｈａｖｅ−ｏｆｆ走査をするこ
   とにより、ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面を連続的かつ精密に
   削り出すところの精密断面加工を行う工程と、 前記精密断面加工中に発生した微粒子の強度、あるいは
   他のプローブを用いて前記ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面から
   発生させた微粒子の強度を測定する工程と、 該測定の結果を前記収束イオンビームの深さ方向走査位
   置の関数として処理する工程と、 を具備することを特徴とする、深さ方向元素分布分析を
   行う方法。
3. 【請求項３】 請求項2に記載の方法であって、 前記薄片（７）を形成する工程は、 該試料の表面上に第1のイオンビームをラスター走査し
   て、イオンビームエッチングにより前記薄片を形成する
   粗切断加工工程と、 前記薄片の側断面に沿って第2のイオンビームのｓｈａ
   ｖｅ−ｏｆｆ走査を行うことによって、該側断面の表面
   処理をする加工工程と、 を具備することを特徴とする、深さ方向元素分布分析を
   行う方法。
4. 【請求項４】 請求項3に記載の方法であって、 前記第2のイオンビームのビーム電流及びビーム径は、
   前記第1のイオンビームのビーム電流及びビーム径以下
   であることを特徴とする、深さ方向元素分布分析を行う
   方法。
5. 【請求項５】 請求項1ないし請求項4のいずれか一つに
   記載の方法であって、前記精密断面加工時の収束イオン
   ビーム走査の深さ方向の速度成分（Ｖ_Ｚ）は、該収束イ
   オンビーム走査の試料幅方向の速度成分（Ｖ_Ｘ）に対し
   て１０００分の1以下であることを特徴とする、深さ方
   向元素分布分析を行う方法。
6. 【請求項６】 請求項2ないし請求項4のいずれか一つに
   記載の方法であって、前記試料の断面積（Ｌ_Ｘ・Ｌ_Ｙ）
   は１μｍ^２以下であることを特徴とする、深さ方向元素
   分布分析を行う方法。
7. 【請求項７】 請求項1ないし請求項4のいずれか一つに
   記載の方法であって、前記収束イオンビームのビーム径
   （ｄ）は１０ｎｍ以下であり、かつ前記収束イオンビー
   ムのビーム電流（Ｉｐ）は１ｐＡ以上であることを特徴
   とする、深さ方向元素分布分析を行う方法。
8. 【請求項８】 請求項1ないし請求項4のいずれか一つに
   記載の方法であって、該試料が少なくとも1つの層を有
   する場合、前記収束イオンビーム（２’）走査の摺動方
   向（Ｘ_Ｐ）が、前記層の界面のなす第1の方向（Ｘ_Ｌ）
   と一致するように設定されることを特徴とする、深さ方
   向元素分布分析を行う方法。
9. 【請求項９】 請求項1ないし請求項4のいずれか一つに
   記載の方法であって、該試料が少なくとも1つの層を有
   する場合、前記収束イオンビーム（２’）のビーム軸方
   向（Ｙ_Ｐ）が、前記層の界面のなす第2の方向（Ｙ_Ｌ）
   に対して、負の値となるように設定されることにより、
   精密断面加工により得られた断面の法線と該界面の法線
   とのなす角を小さくすることを特徴とする、深さ方向元
   素分布分析を行う方法。
10. 【請求項１０】 イオン源（９）と、 該イオン源に隣接して設けられ、該イオン源からのイオ
    ンを収束し、収束イオンビーム（２’）を形成し、該収
    束イオンビームを試料に向け照射する一次イオン光学系
    （１０）と、 該一次イオン光学系に隣接して設けられ、該試料を保持
    する試料ステージ（１１）と、 該収束イオンビームの試料への照射角度を制御する試料
    ステージ回動機構（１２）と、 該試料ステージに隣接して設けられ、該収束イオンビー
    ムによる精密断面加工により連続的に得られたｓｈａｖ
    ｅ−ｏｆｆ断面から発生した微粒子を収集する輸送光学
    系（１３）と、 該微粒子輸送光学系（１３）に隣接して設けられ、該微
    粒子輸送光学系（１３）で収集された微粒子を受けて、
    該微粒子の強度の測定を行う分析装置(１４)と、 該収束イオンビームを試料の表面上を走査させるイオン
    ビーム走査手段と、を具備する深さ方向元素分布分析装
    置であって、 前記イオンビーム走査手段は、ｓｈａｖｅ−ｏｆｆ断面
    を連続的かつ精密に削り出す必要から走査の深さ方向の
    速度成分（Ｖ_Ｚ）が、該走査の試料幅方向の速度成分
    （Ｖ_Ｘ）に対して１０００分の１以下であるように、収
    束イオンビーム走査を行う、ことを特徴とする深さ方向
    元素分布分析装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の装置であって、前
    記微粒子は二次イオンであり、前記分析装置は質量分析
    装置であることを特徴とする、深さ方向元素分布分析装
    置。
12. 【請求項１２】 請求項１０に記載の装置であって、前
    記微粒子は、オージェ電子であり、前記分析装置は電子
    分光分析装置であることを特徴とする深さ方向元素分布
    分析装置。
13. 【請求項１３】 請求項１０に記載の装置であって、該
    装置は、前記断面に対しプローブ（２０）を照射するプ
    ローブ発生器（１９）をさらに具備し、前記分析装置は
    該プローブの照射によって該断面から生成される微粒子
    の強度を測定することを特徴とする深さ方向元素分布分
    析装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の装置であって、前
    記プローブは電子ビームであり、前記微粒子はオージェ
    電子、反射電子のいずれかであり、前記分析装置は電子
    分光分析装置であることを特徴とする、深さ方向元素分
    布分析装置。
15. 【請求項１５】 請求項１３に記載の装置であって、前
    記プローブはX線ビームであり、前記微粒子は光電子で
    あり、前記分析装置は電子分光分析装置であることを特
    徴とする、深さ方向元素分布分析装置。
16. 【請求項１６】 請求項１３に記載の装置であって、前
    記プローブはイオンビームであり、前記微粒子はオージ
    ェ電子、散乱イオン、二次イオンのいずれかであり、前
    記分析装置は電子分光分析装置、散乱イオンエネルギー
    分析装置、および質量分析装置のいずれかであることを
    特徴とする、深さ方向元素分布分析装置。