JP3664433B2 - Compact time-of-flight secondary ion mass spectrometer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、小型飛行時間型二次イオン質量分析装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometer,SIMS)の一つに、飛行時間型質量分析装置(Time of Flight Mass Spectrometer,TOF−MS)と組み合わせた、飛行時間型二次イオン質量分析装置(以下、TOF−SIMSという)があり、このTOF−SIMSにも、大型のTOF−SIMSと、1m(縦)×1m(横)×1.5m(高さ)といった小型のTOF−SIMSとがある。
【0003】
前記小型TOF−SIMSは、イオンの飛行行程をできるだけ短くなるようにして、その全体構成がコンパクト、小型になるように、例えば図1に示すように構成されている。
【0004】
すなわち、図1は、小型TOF−SIMSの要部の一般的な構成を概略的に示すもので、この図において、1は一次イオン2の発生源で、環状に形成されており、その内部には二次イオン3を検出する検出器4が設けられている。5は一次イオン発生源1の前段側に設けられる試料6の保持台である。7,8は一次イオン発生源1と試料保持台5との間に設けられるパルスイオン光学系、一次イオン加速電極である。9は一次イオン発生源1の前方側に設けられる飛行管、10は一次イオン発生源1の内側に設けられる延長飛行管である。11は一次イオン発生源1から飛行してくる一次イオン2および試料6から飛行してくる二次イオン3をそれぞれ試料6およびイオン検出器4方向に屈折させるるリフレクターである。
【0005】
上記小型TOF−SIMSの動作について、図6を参照しながら説明する。なお、この図では、説明の便宜上、試料6、加速電極8、検出器4を一直線上に配置して示している。
【0006】
従来においては、試料(例えば半導体ウェハ)6をアース電位に保持し、その表面6aに対して、適宜のエネルギー(例えば数keV〜20keV)で加速された一次イオン2を照射し、このとき試料表面1aから放出される二次イオン3を、加速電極(二次イオン引出し電極ともいう)8にパルス電圧を印加することにより、検出器5方向に飛行させるよう構成されている。なお、この図において、12は加速電極8に印加するパルス電圧の発生源、13は電源のオンまたはオフを切り換えるスイッチ、14はスイッチ7を制御する回路である。
【0007】
ところで、従来の小型TOF−SIMSにおいて用いられる一次イオン2としては、Ar(アルゴン)やXe(キセノン)などのイオンビームが用いられるが、図4または図6において符号2Aで示すように、ガウス分布状態の波の束(波束)となっている。この波束状態の一次イオン2を、30nsec(ナノ秒)といったきわめて短い時間内に試料表面6aに照射している。
【0008】
そして、上記TOF−SIMSにおいては、質量数の大きさが例えば16以上の元素の質量分解性能向上の観点から、前記ガウス分布状態の一次イオン2の束(波束)の全てが試料表面6aに到達し終わった時点(図4における符号TE で示す)で、加速電極8に対して、図4において符号(a)で示すように、所定のパルス電圧を印加し、前記一次イオン2の試料6に対する照射に伴って発生した二次イオン3を加速するようにしていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように、一つの波束2Aにおける一次イオン2の全てが試料表面6aに到達した時点TE において、二次イオン3を加速させるためのパルス電圧を加速電極8に印加した場合、例えば質量数の小さいH(水素)やHe(ヘリウム)、B(ボロン)、C(炭素)などの軽元素(図6において符号3Lで示す)は、前記パルス電圧が加速電極8に印加された時点においては、試料表面6aからかなり離れた位置に到達しているため、十分な加速電圧が印加されずほとんど加速されないため、従来の小型TOF−SIMSにおいては、前記軽元素を、図4において曲線Iで示すように、ほとんど検出できなかった。なお、図6において、3Hは質量数が16より大きい元素を示している。
【0010】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、例えば質量数16以下の所謂軽元素を確実に測定することができる小型TOF−SIMSを提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、加速された一次イオンを試料表面に照射し、このとき試料表面から放出される二次イオンを、加速電極にパルス電圧を印加することにより、検出器方向に飛行させるようにした小型飛行時間型二次イオン質量分析装置において、前記加速電極に対するパルス電圧の印加を、前記一次イオンの照射が完了するよりも早い時点で行うようにしている(請求項1)。
【0012】
上記構成の小型TOF−SIMSにおいては、例えば、一次イオンの照射が開始される時点(図3において、符号TB で示す)において、加速電極に対してパルス電圧を印加するようにした場合、前記一次イオンの照射によって発生したH、He、B、Cなどの軽元素に所定の加速電圧が印加されるので、確実に加速され、検出効率が大幅に向上する。
【0013】
そして、前記小型TOF−SIMSにおいて、請求項2に記載のように、加速電極に対するパルス電圧の印加のタイミングを、一次イオンの照射が完了するよりも早い時点と、一次イオンの照射が完了した時点とに切り換えられるようにした場合、軽元素から重元素まで広い範囲にわたって元素や分子の検出が可能になり、検出範囲の広い小型TOF−SIMSを得ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。この発明の小型TOF−SIMSは、基本的な装置の構成は、図1に示したものと変わるところがない。この発明の小型TOF−SIMSが、従来のそれと大きく異なる点は、加速電極8に対するパルス電圧の印加を、一次イオン2の照射が完了するよりも早い時点で行うようにしたことである。図2は、このようにしたときの動作説明図で、この図においても、説明の便宜上、試料6、加速電極8、検出器4を一直線上に配置して示している。
【0015】
例えば、図4において符号(b)で示すように、前記パルス電圧の印加を、一次イオン2の照射が開始される時点TB で行うようにした場合、図2に示すように、一次イオン2の照射によって発生したH、He、B、Cなどの軽元素のイオン3Lに対して所定の加速電圧が印加されることになる。したがって、前記軽元素イオンの加速が確実に行われ、その検出効率が大幅にアップする。
【0016】
図2は、この発明の小型TOF−SIMSにおける検出器4の出力を表すもので、図の横軸は時間を、縦軸は強度を表している。そして、この図から分かるように、この発明の小型TOF−SIMSによれば、従来の小型TOF−SIMSにおいては検出することが困難であったB、Cといった軽元素や、CH、CH2 、CH3 といった分子量が比較的小さい分子をも高感度(確実)に検出することができるに至ったのである。
【0017】
したがって、この発明によれば、図5において、符号IIで示すように、質量数が16以下においても、100%の検出効率を維持できるに至ったのである。
【0018】
上述の実施の形態においては、加速電極8に対するパルス電圧の印加を、一次イオン2の照射が開始される時点TB で行うようにしているが、この発明は、これに限られるものではなく、少なくとも、一次イオン2の照射が完了するまでに行うようにしてあればよい。例えば、図4において符号TM で示す、波束2Aのほぼ中央の時点で行うようにしてもよい。そして、前記パルス電圧の印加の時点が、一次イオン照射開始時点TB に近づくほど、より小さい質量の元素(または分子)に対する加速効率が改善され、一次イオン照射終了時点TE に近づくほど、より小さい質量の元素等の加速効率は落ちる。したがって、検出対象の軽元素や分子の種類に応じて、前記加速電極8に対するパルス電圧の印加タイミングを設定すればよい。
【0019】
そして、前記加速電極8に対するパルス電圧の印加のタイミングを、一次イオン2の照射が完了するよりも早い時点と、一次イオン2の照射が完了した時点とに切り換えられるようにした場合、軽元素から重元素まで広い範囲にわたって元素や分子の検出が可能になり、検出範囲の広い小型TOF−SIMSを得ることができる。
【0020】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の小型TOF−SIMSにおいては、従来のこの種の小型TOF−SIMSにおいては不可能であった軽元素あるいは低分子量の分子の測定が可能になり、特に、半導体分野において重要なボロンなどの金属元素や、有機物評価に重要な役割を担う炭素や炭化水素の検出を行うことができる。したがって、この発明の小型TOF−SIMSを用いることにより、より精度の高い定量分析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の小型飛行時間型二次イオン質量分析装置の要部の構成を概略的に示す図である。
【図2】前記装置の動作を説明するための図である。
【図3】前記装置の検出出力の一例を示す図である。
【図4】波束と電圧印加のタイミングとの関係を示す説明図で、(a)は従来例、(b)はこの発明のものをそれぞれ示している。
【図5】検出効率を説明するための図である。
【図6】従来の装置の動作説明するための図である。
【符号の説明】
2…一次イオン、3…二次イオン、4…検出器、6…試料、6a…試料表面、8…加速電極、TE …一次イオン照射完了時点。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a small time-of-flight secondary ion mass spectrometer.
[0002]
[Prior art]
A time-of-flight secondary ion mass spectrometer (Time of Flight Mass Spectrometer, TOF-MS) combined with a time-of-flight mass spectrometer (Time of Flight Mass Spectrometer, TOF-MS) in one of the secondary ion mass spectrometry (SIMS). Hereinafter, this TOF-SIMS also includes a large TOF-SIMS and a small TOF-SIMS such as 1 m (vertical) × 1 m (horizontal) × 1.5 m (height). .
[0003]
The small TOF-SIMS is configured, for example, as shown in FIG. 1 so that the entire flight configuration is made compact and small by shortening the ion flight stroke as much as possible.
[0004]
That is, FIG. 1 schematically shows a general configuration of a main part of a small-sized TOF-SIMS. In this figure, 1 is a source of
[0005]
The operation of the small TOF-SIMS will be described with reference to FIG. In this figure, for convenience of explanation, the
[0006]
Conventionally, a sample (for example, a semiconductor wafer) 6 is held at a ground potential, and the
[0007]
By the way, as a
[0008]
In the TOF-SIMS, all of the bundles (wave packets) of the
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, when a pulse voltage for accelerating the
[0010]
The present invention has been made in consideration of the above-described matters, and an object thereof is to provide a small-sized TOF-SIMS capable of reliably measuring so-called light elements having a mass number of 16 or less, for example.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, accelerated primary ions are irradiated onto the sample surface, and the secondary ions released from the sample surface at this time are applied with a pulse voltage to the accelerating electrode, thereby detecting the detector direction. In a small time-of-flight secondary ion mass spectrometer that is allowed to fly, the pulse voltage is applied to the accelerating electrode at a time earlier than the completion of irradiation of the primary ions. ).
[0012]
In small TOF-SIMS above configuration, for example, if (3, indicated by reference numeral T B) when the irradiation of the primary ions is started which is adapted in, applies a pulse voltage to the accelerating electrode, wherein Since a predetermined acceleration voltage is applied to light elements such as H, He, B, and C generated by the irradiation of primary ions, acceleration is ensured and detection efficiency is greatly improved.
[0013]
And in said small-sized TOF-SIMS, as described in
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the small-sized TOF-SIMS of the present invention, the basic apparatus configuration is the same as that shown in FIG. The small TOF-SIMS of the present invention is significantly different from the conventional one in that the pulse voltage is applied to the
[0015]
For example, when the application of the pulse voltage is performed at the time T B when the irradiation of the
[0016]
FIG. 2 shows the output of the
[0017]
Therefore, according to the present invention, as shown by reference numeral II in FIG. 5, even when the mass number is 16 or less, 100% detection efficiency can be maintained.
[0018]
In the embodiment described above, the application of the pulse voltage for accelerating
[0019]
When the timing of applying the pulse voltage to the accelerating
[0020]
【The invention's effect】
As described above, in the small TOF-SIMS of the present invention, it is possible to measure light elements or low molecular weight molecules, which is impossible in the conventional small TOF-SIMS of this type. It is possible to detect metal elements such as boron and carbon and hydrocarbons that play an important role in organic substance evaluation. Therefore, by using the small TOF-SIMS of the present invention, more accurate quantitative analysis becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a main part of a small time-of-flight secondary ion mass spectrometer according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the apparatus.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a detection output of the device.
FIGS. 4A and 4B are explanatory diagrams showing the relationship between the wave packet and the timing of voltage application, where FIG. 4A shows a conventional example, and FIG. 4B shows the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining detection efficiency.
FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of a conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
2 ... primary ion, 3 ... secondary ion, 4 ... detector, 6 ... sample, 6a ... sample surface, 8 ... acceleration electrode, TE ... primary ion irradiation completion point.
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