JP6316041B2 - スパッタ中性粒子質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、スパッタ中性粒子質量分析装置に関する。

近年、集束イオンビーム装置と光ビーム発振装置とを用いたスパッタ中性粒子質量分析装置が開発されている。集束イオンビームを用いた光ビームポストイオン化中性粒子質量分析測定では、イオンビームを試料に照射して中性粒子を発生させ、光ビーム光を試料表面に対して水平に入射し単数回のポストイオン化を行っていた。これは２次イオン質量分析装置にポストイオン化用光ビームを搭載し、検出感度を向上させるために設計されたものである。そのため、光ビームの照射タイミングやイオンの引き込みタイミングを最適化しやすいように測定系を単純化している。

このような中性粒子質量分析測定では光ビーム光の出力が小さかったために十分な検出感度を確保するために、試料面上の特定位置で光ビーム光を集束させる必要があった。そのため、光ビーム光が試料に直接接触してバックグラウンドノイズが発生するのを防ぐため、光ビーム光の光軸を試料面と水平で、かつ、一定の距離を離して設計する必要があった。その結果、光ビーム照射タイミングを遅くする必要があり、スパッタ中性粒子群の単位体積あたりの密度が小さくなることから、収率が低下する要因となっていた。

特開２０１１−２３３２４８号公報 特開平５−２５１０３５号公報

東康弘、J.Vac.Soc.Jpn, Vol,44, No.1 (2001) 丸尾哲也、東康弘、Bunseki Kagaku, Vol,45, No.1 (1996) pp31-40 S.Nishinomiya、他5名、Surface and Interface Analysis, Vol,44, (2012) pp641-643 S.Ebata、他7名、Surface and Interface Analysis, Vol,44, (2012) pp635-640 T.Sakamoto、他３名、Surface and Interface Analysis, Vol,45 (2013) pp1309-1312

近年、スパッタ中性粒子質量分析装置による分析対象が微小化しており、分析領域における任意元素の収率を数％以上にすることで、検出感度を向上させることができるスパッタ中性粒子質量分析装置が必要とされてきている。

本発明の実施形態のスパッタ中性粒子質量分析装置は、質量分析の対象とする試料を保持する試料台と、試料台に保持された前記試料にイオンビームを照射して前記試料の隣接領域に中性粒子を発生させるイオンビーム照射装置と、前記隣接領域に位置する中性粒子に光ビームを照射し光励起イオンとする光ビーム照射装置と、前記光励起イオンを取り込んで質量分析を行う質量分析計と、前記光ビームが前記隣接領域を通過した後の光路中に設けられ、前記光ビームの進行方向を前記隣接領域内の異なる経路を通過する方向に変更する光学素子とを備え、前記光学素子は凹面鏡であり、前記凹面鏡は、前記試料の表面上に配置され、前記試料の表面から前記凹面鏡の上部までの高さは、前記隣接領域における前記中性粒子が前記試料の表面に平行な面方向において最大となる位置より低く設定されている。
本発明の実施形態のスパッタ中性粒子質量分析装置は、質量分析の対象とする試料を保持する試料台と、試料台に保持された前記試料にイオンビームを照射して前記試料の隣接領域に中性粒子を発生させるイオンビーム照射装置と、前記隣接領域内で光ビームが第１の集光点（Ｓ１）を形成するように照射し光励起イオンとする光ビーム照射装置と、前記光励起イオンを取り込んで質量分析を行う質量分析計と、前記光ビームが前記隣接領域を通過した後の光路中に設けられ、前記光ビームの進行方向を前記隣接領域を再度通過する方向に変更し、かつ、前記第１の集光点と異なる位置に第２の集光点（Ｓ２）を形成する光学素子とを備え、前記光学素子は凹面鏡であり、前記凹面鏡は、前記試料の表面上に配置され、前記試料の表面から前記凹面鏡の上部までの高さは、前記隣接領域における前記中性粒子が前記試料の表面に平行な面方向において最大となる位置より低く設定されている。

一実施の形態に係るスパッタ中性粒子質量分析装置を模式的に示す説明図。 同スパッタ中性粒子質量分析装置による質量分析過程を示す説明図。 同質量分析過程をイオンビーム照射方向から見た説明図。 同スパッタ中性粒子質量分析装置の光ビーム照射方向（２５°）におけるスパッタ中性粒子の密度を上方から示す説明図。 同スパッタ中性粒子質量分析装置の光ビーム照射方向（２５°）におけるスパッタ中性粒子の密度を側方から示す説明図。 同スパッタ中性粒子質量分析装置の光ビーム照射方向（５５°）におけるスパッタ中性粒子の密度を上方から示す説明図。 同スパッタ中性粒子質量分析装置の光ビーム照射方向（５５°）におけるスパッタ中性粒子の密度を上方から示す説明図。 比較例となるスパッタ粒子質量分析法におけるレーザの光軸と本実施形態における光軸を比較して示す説明図。

図１は一実施形態に係るスパッタ中性粒子質量分析装置１０を模式的に示す説明図、図2はスパッタ中性粒子質量分析装置１０による質量分析過程を示す説明図、図３は質量分析過程をイオンビーム照射方向から見た説明図である。

スパッタ中性粒子質量分析装置１０は、真空チャンバ内等に収容され、分析対象となる試料Ｗを保持する試料台２０と、この試料台２０の上方に配置され、試料Ｗに対しイオンビームＰを照射して中性粒子を発生させるイオンビーム照射装置３０と、試料台２０の直上の近接領域Ｑに光ビームＧを照射する光ビーム照射装置４０と、近接領域Ｑの近傍に配置され、中性粒子を取り込んで質量分析を行う質量分析装置５０と、試料Ｗの上に載置され、光ビームＧの進行方向を変える凹面鏡（光学素子）６０を備えている。

凹面鏡６０は、イオンビームＰが直接照射されない位置にあって、反射面６１を上方に向けて配置されている。また、凹面鏡６０の最も高い外周縁６２の高さＨは、後述する隣接領域Ｌの直径Ｑがある位置よりも低く形成されている。

このように構成されたスパッタ中性粒子質量分析装置１０は、次のようにして質量分析を行う。すなわち、イオンビ−ム照射装置３０からイオンビームＰを発生させ、試料Ｗの表面に衝突させる。この衝突により中性粒子が試料Ｗの表面から放出され、試料台２０の直上の隣接領域Ｌに浮遊する。中性粒子の密度が高く浮遊する隣接領域Ｌは、ほぼ紡錘型をしており、高さ方向のやや上側の直径Ｑが最も大きい部分となっている。

一方、光ビーム照射装置４０から発生した光ビームＧは、隣接領域Ｌ内を浮遊する中性粒子に照射される。中性粒子は光ビームＧの焦点付近において、イオン化され光励起イオンとなる。光ビームＧは近接領域Ｌ内で集光（集光点Ｓ１）するため、光子密度を増加させ、様々な元素を同時にイオン化することが可能となる。光励起イオンは質量分析装置５０内に引き出され、分離された後、電気パルス化されて試料Ｗの組成分析が行われる。

この時、光ビーム照射方向を試料Ｗの法線方向、すなわちイオンビームＰの入射方向に対して９０°未満の角度を成す方向から凹面鏡６０に入射し、光ビームＧの光路とイオンビームＰの光路とを交差するように位置させる。これは後述するように検出感度を高めるためである。

さらに、光ビームＧは、凹面鏡６０の反射面６１で反射されて方向が変わり、隣接領域Ｌに向けて光ビームＧＸとして再照射される。ここでも、イオン化されていない中性粒子に照射されることになり、同様にして質量分析装置５０によって組成分析が行われる。なお、凹面鏡６０を用いることで、集光点を通過して広がった光ビームＧを再び近接領域Ｌ内で集束（集光点Ｓ２）させることができる。これにより光子密度を増加させ、様々な元素を同時にイオン化することが可能となる。

このように構成された本実施の形態に係るスパッタ中性粒子質量分析装置１０では、隣接領域Ｌ内を光ビームＧ及び光ビームＧＸが通過することで、中性粒子がイオン化される機会が２倍に増える。このため、光ビーム光の出力が小さい場合であっても十分な検出感度を確保することが可能となる。

さらに、光ビーム光を試料に平行に照射させる必要が無く、直接接触することにより、バックグラウンドノイズが発生するのを防ぐことができる。

なお、図４Ａはスパッタ中性粒子質量分析装置１０のイオンビーム照射方向（２５°）におけるスパッタ中性粒子の密度を上方から示す説明図、図４Ｂはスパッタ中性粒子質量分析装置１０のイオンビーム照射方向（２５°）におけるスパッタ中性粒子の密度を側方から示す説明図、図５Ａはスパッタ中性粒子質量分析装置１０の光ビーム照射方向（５５°）におけるスパッタ中性粒子の密度を上方から示す説明図、図５Ｂはスパッタ中性粒子質量分析装置１０のイオンビーム照射方向（５５°）におけるスパッタ中性粒子の密度を側方から示す説明図である。なお、SRIM2013 30keV, Gaビームを照射し始めて100nsec後の分布である。

上述したようにイオンビーム照射方向を試料Ｗ表面の法線方向から、２５°及び５５°を成す方向から入射した場合のスパッタ粒子分布を示している。これらの粒子分布から判るように、イオンビームの入射方向を変えてもスパッタ中性粒子の分布傾向はほとんど変わらない。

また、図６は比較例となるスパッタ粒子質量分析法におけるレーザの光軸と本実施形態における光軸を比較して示す説明図である。比較例におけるレーザ照射領域に含まれるスパッタ粒子の数に対して本実施形態によるレーザ照射領域に含まれる粒子数は比較例より増加していることがわかる。なお、図６の本実施形態におけるＭは計算範囲を示している。実際には反射したレーザもあるので７倍、複数回反射するようにできればさらに増える。但し、質量分解能とトレードオフになるので、反射回数は目的に合わせて制御する。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

なお、上述した実施形態においては、進行方向を変えるのは１回であり、近接領域を通
過させるのは２回であるが、光ビームの進行方向の変更を２回以上とすることで、中性粒
子と光ビームとの作用を３回以上としてもよい。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］質量分析の対象とする試料を保持する試料台と、試料台に保持された前記試料にイオンビームを照射して前記試料の隣接領域に中性粒子を発生させるイオンビームと、前記隣接領域に位置する中性粒子に光ビームを照射し光励起イオンとする光ビーム照射装置と、前記光励起イオンを引き出す引き出し電極と、引き出された前記光励起イオンを取り込んで質量分析を行う質量分析計と、前記光ビームが前記隣接領域を通過した後の光路中に設けられ、前記光ビームの進行方向を前記隣接領域を再度通過する方向に変更する光学素子とを備えていることを特徴とするスパッタ中性粒子質量分析装置。
［２］前記光ビームは前記試料の表面の法線方向に対して９０°未満の角度を成す方向から前記光学素子に入射され、該光ビームの光路と前記イオンビームの光路とが交差することを特徴とする請求項１に記載のスパッタ中性粒子質量分析装置。
［３］前記光学素子は凹面鏡であることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ中性粒子質量分析装置。
［４］前記凹面鏡は、前記試料の表面上に配置され、前記試料面から前記凹面鏡の上部までの高さは、前記隣接領域における前記中性粒子群が前記試料の表面に平行な面方向において最大となる位置より低く設定されていることを特徴とする請求項３に記載のスパッタ中性粒子質量分析装置。

１０…スパッタ中性粒子質量分析装置、２０…試料台、３０…イオンビーム照射装置、４０…光ビーム照射装置、５０…質量分析装置、６０…凹面鏡（光学素子）、Ｗ…試料、Ｐ…イオンビーム、Ｑ…近接領域、Ｇ…光ビーム。

Claims (4)

1. 質量分析の対象とする試料を保持する試料台と、
   試料台に保持された前記試料にイオンビームを照射して前記試料の隣接領域に中性粒子を発生させるイオンビーム照射装置と、
   前記隣接領域に位置する中性粒子に光ビームを照射し光励起イオンとする光ビーム照射装置と、
   前記光励起イオンを取り込んで質量分析を行う質量分析計と、
   前記光ビームが前記隣接領域を通過した後の光路中に設けられ、前記光ビームの進行方向を前記隣接領域内の異なる経路を通過する方向に変更する光学素子とを備え、
   前記光学素子は凹面鏡であり、前記凹面鏡は、前記試料の表面上に配置され、前記試料の表面から前記凹面鏡の上部までの高さは、前記隣接領域における前記中性粒子が前記試料の表面に平行な面方向において最大となる位置より低く設定されていることを特徴とするスパッタ中性粒子質量分析装置。
2. 前記光学素子は、前記異なる経路を通過する光ビームについて、前記隣接領域内において集光点が形成されるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ中性粒子質量分析装置。
3. 質量分析の対象とする試料を保持する試料台と、
   試料台に保持された前記試料にイオンビームを照射して前記試料の隣接領域に中性粒子を発生させるイオンビーム照射装置と、
   前記隣接領域内で光ビームが第１の集光点を形成するように照射し光励起イオンとする光ビーム照射装置と、
   前記光励起イオンを取り込んで質量分析を行う質量分析計と、
   前記光ビームが前記隣接領域を通過した後の光路中に設けられ、前記光ビームの進行方向を前記隣接領域を再度通過する方向に変更し、かつ、前記第１の集光点と異なる位置に第２の集光点を形成する光学素子とを備え、
   前記光学素子は凹面鏡であり、前記凹面鏡は、前記試料の表面上に配置され、前記試料の表面から前記凹面鏡の上部までの高さは、前記隣接領域における前記中性粒子が前記試料の表面に平行な面方向において最大となる位置より低く設定されていることを特徴とするスパッタ中性粒子質量分析装置。
4. 前記光ビームは前記試料の表面の法線方向に対して９０°未満の角度を成す方向から前記光学素子に入射され、該光ビームの光路と前記イオンビームの光路とが交差することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスパッタ中性粒子質量分析装置。