JP6331960B2 - Thin film sample pretreatment method and analysis method - Google Patents

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Description

本発明は、試料の前処理方法および分析方法に関する。詳しくは、クラスターイオンビームを利用して試料表面に付着した有機物質を除去する前処理方法および当該前処理方法を用いて試料を分析する方法に関する。   The present invention relates to a sample pretreatment method and an analysis method. Specifically, the present invention relates to a pretreatment method for removing an organic substance attached to a sample surface using a cluster ion beam and a method for analyzing a sample using the pretreatment method.

X線光電子分光法(以下、XPSともいう)は試料にX線を入射し、光電効果によって励起された光電子の運動エネルギーを解析することで、試料表面(たとえば、表面から数nmの深さまでの領域)の元素情報およびその化学結合状態の情報を取得できる分析法である。XPSではLi〜Uまでの幅広い元素について、内殻準位の結合エネルギーを解析することで、試料を構成する元素の化学結合状態分析を行うことができる。さらに相対感度係数を用いることで、試料の半定量的な組成分析も可能である。その結果、XPSは幅広い分野の材料解析に応用されている。   X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter also referred to as XPS) makes X-rays incident on a sample and analyzes the kinetic energy of photoelectrons excited by the photoelectric effect, thereby allowing the sample surface (for example, from the surface to a depth of several nm). This is an analytical method that can acquire elemental information on the region) and information on its chemical bonding state. In XPS, by analyzing the binding energy of the core level for a wide range of elements from Li to U, it is possible to analyze the chemical bonding state of the elements constituting the sample. Furthermore, semi-quantitative composition analysis of the sample is possible by using the relative sensitivity coefficient. As a result, XPS has been applied to material analysis in a wide range of fields.

しかしながら、XPSにより得られる情報は試料の極表面に限られることから試料を構成する元素の情報だけでなく、試料表面に付着した汚染物質の情報も取得してしまうという課題がある。特に大気中などから付着する炭素および酸素から構成される汚染有機物については試料の取扱いに細心の注意を払った場合でも、試料表面に付着している場合が多い。このような汚染有機物は目的とする試料中の元素のピーク強度を減少させてしまう。また、汚染有機物の存在は試料の組成分析結果にも影響し、元素によってはその化学状態に影響する可能性も考えられる。   However, since information obtained by XPS is limited to the extreme surface of the sample, there is a problem that not only information on the elements constituting the sample but also information on contaminants attached to the sample surface is obtained. In particular, contaminated organic substances composed of carbon and oxygen adhering from the atmosphere often adhere to the sample surface even when the sample is handled with great care. Such contaminating organic matter reduces the peak intensity of the element in the target sample. In addition, the presence of contaminating organic matter also affects the composition analysis result of the sample, and depending on the element, the chemical state may be affected.

たとえば、タッチパネル用途などに用いられる酸化物透明導電薄膜では、その電気特性を発現させるうえで酸化物内部の酸素欠損度合いが重要なファクターとなる。したがって、電気特性を議論するには、酸素と金属元素との比や金属元素の化学状態を分析する方法が重要となる。このような酸化物透明導電薄膜は、試料が薄膜であるがために、化学分析的な分析法や蛍光X線法などの手法は適用しにくく、XPSのような情報深さが浅い分析法で分析することが必要となる。   For example, in an oxide transparent conductive thin film used for touch panel applications and the like, the degree of oxygen vacancies inside the oxide is an important factor in expressing its electrical characteristics. Therefore, in order to discuss electrical characteristics, a method of analyzing the ratio between oxygen and metal elements and the chemical state of metal elements is important. Since such a transparent oxide conductive thin film is a thin film, it is difficult to apply a method such as a chemical analysis method or a fluorescent X-ray method, and an analysis method with a shallow information depth such as XPS. It is necessary to analyze.

しかしながら、XPSのような表面敏感な分析法で分析した場合、上述したように、試料表面に付着している有機汚染物の影響を受けて、半定量組成分析結果、とりわけ酸素の半定量分析結果に、試料本来の情報に加えて汚染有機物由来の酸素の情報が含まれてしまい、試料本来の酸素/金属比を評価することが困難であった。   However, when analyzed by a surface sensitive analysis method such as XPS, as described above, it is affected by organic contaminants adhering to the sample surface, and results of semi-quantitative composition analysis, especially oxygen semi-quantitative analysis results. In addition to the information inherent to the sample, information on oxygen derived from contaminating organic substances is included, making it difficult to evaluate the original oxygen / metal ratio of the sample.

試料本来の酸素/金属比を評価するには、試料表面の汚染物質を除去する必要がある。そこで、このような汚染物質の影響を除外して分析を行うため、XPSでは各種前処理方法が用いられている。たとえば、試料をXPS装置内の高真空中で劈開させ、露出した新生面を測定する方法(非特許文献1)や、イオンスパッタリングを用いる方法がある(非特許文献1)。ここでいうイオンスパッタリングとは、装置付属のイオン銃を用い、イオン銃内で低圧力(1×10−3Pa程度)のアルゴン(Ar)ガスに熱フィラメントから放出させた100eV程度のエネルギーの電子を衝突させ、Arを正にイオン化した後、Arイオンを目標物の方向に0.5〜5kVの電圧を引加して加速し、かつ、Arイオンの進行方向と垂直な平面のXY方向に適切な電圧をかけてある一定領域にイオンを収束させて、目標物に衝突させ、スパッタリング現象を起こして試料表面をエッチングし、汚染物質もろとも試料の表層部分を除去する方法である。 In order to evaluate the original oxygen / metal ratio of the sample, it is necessary to remove contaminants on the sample surface. Therefore, in order to perform analysis while excluding the influence of such contaminants, various pretreatment methods are used in XPS. For example, there are a method of cleaving a sample in a high vacuum in an XPS apparatus and measuring an exposed new surface (Non-Patent Document 1) and a method using ion sputtering (Non-Patent Document 1). The ion sputtering referred to here is an electron having an energy of about 100 eV discharged from a hot filament into argon (Ar) gas at a low pressure (about 1 × 10 −3 Pa) using an ion gun attached to the apparatus. And Ar is positively ionized, then Ar ions are accelerated by applying a voltage of 0.5 to 5 kV in the direction of the target, and in the XY direction on a plane perpendicular to the direction of Ar ion travel. In this method, ions are focused on a certain region by applying an appropriate voltage, collide with a target, cause a sputtering phenomenon, etch the sample surface, and remove the surface layer portion of the sample as well as contaminants.

しかしながら、試料をXPS装置内で劈開させる方法では試料がある程度の大きさを有するバルク試料である必要があり、膜厚が数十〜数百nmの薄膜試料には適用できないという問題があった。試料が劈開可能であっても、劈開に要する工程等に時間が掛かり、その結果、分析に時間が掛かるという問題があった。また、イオンスパッタリングを用いる方法では、汚染有機物の除去はできるものの、試料の表面において、選択スパッタにより、試料を構成する酸化物までもが還元され、その結果、スパッタリング前後での酸素/金属比が変化するという問題があった(非特許文献2)。このように、XPSによる分析では、特に薄膜状の試料(たとえば、酸化物透明導電膜)中の試料本来の酸素/金属比を正しく評価することはできないのが現状であった。   However, the method of cleaving the sample in the XPS apparatus has a problem that the sample needs to be a bulk sample having a certain size and cannot be applied to a thin film sample having a film thickness of several tens to several hundreds of nm. Even if the sample can be cleaved, the process required for the cleavage takes time, and as a result, the analysis takes time. In addition, although the method using ion sputtering can remove contaminating organic substances, even the oxide constituting the sample is reduced by selective sputtering on the surface of the sample. As a result, the oxygen / metal ratio before and after sputtering is reduced. There was a problem of changing (Non-Patent Document 2). As described above, in the analysis by XPS, the actual oxygen / metal ratio of a sample in a thin film sample (for example, an oxide transparent conductive film) cannot be evaluated correctly.

日本表面科学会編、「X線光電子分光法」、丸善出版株式会社Japan Surface Science Society, "X-ray photoelectron spectroscopy", Maruzen Publishing Co., Ltd. Journal of Surface Analysis、Vol.10、No.3(2003)、p.230-236Journal of Surface Analysis, Vol. 10, No. 3 (2003), p. 230-236

本発明は、上記の状況を鑑みてなされ、無機物から構成される試料の表面に付着した有機物を試料にダメージを与えることなく除去可能な試料の前処理方法と、当該前処理方法を用いて試料表面の有機物を除去してから試料を分析する方法と、を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above situation, and a sample pretreatment method capable of removing organic matter adhering to the surface of a sample composed of an inorganic material without damaging the sample, and a sample using the pretreatment method It is an object of the present invention to provide a method for analyzing a sample after removing organic substances on the surface.

本発明者は、試料を削るための手法であるスパッタリングを用いながらも、試料にダメージを与えることなく試料の表面に付着した有機物のみを除去するという逆転の発想を行った。すなわち、酸化物等の無機物はほとんどスパッタリングされず、有機物のみがスパッタリングされる手法である。   The present inventor made the reverse idea of removing only the organic matter adhering to the surface of the sample without damaging the sample while using sputtering which is a technique for cutting the sample. That is, it is a technique in which inorganic substances such as oxides are hardly sputtered and only organic substances are sputtered.

この手法を適用するには、単位時間当たりのスパッタリング深さ(スパッタレート)を有機物については大きくし、無機物については小さくすればよい。有機物試料に対する単原子イオンビームのスパッタレートは非常に大きいため、本発明者は、まず、単原子イオンビームを構成する単原子イオンが有するエネルギーを小さくする(たとえば、加速電圧を低くする)ことで、有機物のスパッタレートは大きい値で維持したまま、無機物のスパッタレートを小さくできると考えた。   In order to apply this method, the sputtering depth (sputter rate) per unit time may be increased for organic substances and decreased for inorganic substances. Since the sputtering rate of a monoatomic ion beam on an organic sample is very large, the present inventor first reduces the energy of a monoatomic ion constituting the monoatomic ion beam (for example, lowers the acceleration voltage). It was considered that the sputter rate of the inorganic substance can be reduced while maintaining the sputter rate of the organic substance at a large value.

ところが、実際には、意外にも、加速電圧を低くしても無機物のスパッタレートは比較的大きい値となり、無機物のスパッタレートに対する有機物のスパッタレートを示すスパッタレート比が2以下になるという結果が得られた。すなわち、有機物を除去すると無機物もある程度除去されてしまうという予想外の知見が得られた。   However, actually, surprisingly, even when the acceleration voltage is lowered, the sputtering rate of the inorganic material becomes a relatively large value, and the ratio of the sputtering rate indicating the sputtering rate of the organic material to the sputtering rate of the inorganic material becomes 2 or less. Obtained. In other words, an unexpected finding was obtained that when the organic substance is removed, the inorganic substance is also removed to some extent.

そこで、本発明者は、この知見に基づき、無機物にダメージを与えないということを前提にして検討を行った結果、有機物のスパッタリングに用いられるクラスターイオンビームを用いることで、上記のスパッタレート比を大きくでき、無機物から構成される試料にダメージを与えることなく有機物のみを除去できることを見出し、上記の課題を解決して、本発明を完成させるに至った。   Therefore, the present inventor conducted a study based on this knowledge on the premise that the inorganic material is not damaged, and as a result, by using the cluster ion beam used for sputtering of the organic material, the above-described sputtering rate ratio is increased. The present inventors have found that only an organic substance can be removed without damaging a sample composed of an inorganic substance, and the present invention has been completed by solving the above problems.

すなわち、本発明の第1の態様は、スパッタリングを利用して、無機物から構成される薄膜状の試料を前処理する方法であって、無機物から構成される無機物標準試料のスパッタレートに対する有機物から構成される有機物標準試料のスパッタレートをスパッタレート比とした場合、スパッタレート比が5以上となるスパッタリング条件で薄膜状の試料にアルゴンガスクラスターイオンビームを照射して薄膜状の試料に付着した有機物を選択的に除去することを特徴とする薄膜状の試料の前処理方法である。 That is, the first aspect of the present invention is a method for pretreating a thin film sample composed of an inorganic substance using sputtering, and is composed of an organic substance corresponding to the sputtering rate of an inorganic standard sample composed of an inorganic substance. If the sputtering rate of the organic standard sample that is sputter rate ratio, the sputtering rate ratio as a thin film of the sample by sputtering condition that 5 or more was irradiated with argon gas cluster ion beam deposited in a thin film of the sample organics A thin film-like sample pretreatment method characterized by selectively removing the thin film sample.

上記の第1の態様において、スパッタレート比が200以下であることが好ましい。   In the first aspect, the sputtering rate ratio is preferably 200 or less.

また、本発明の第2の態様は、上記の第1の態様のいずれかに記載の薄膜状の試料の前処理方法により前処理を行った薄膜状の試料を分析することを特徴とする薄膜状の試料の分析方法である。 The thin-film second aspect of the present invention, characterized in that analyzing the thin film of the thin film-shaped sample subjected to pretreatment by the pretreatment method of the sample according to any of the first aspect of the This is a method for analyzing a sample.

上記の第2の態様において、X線光電子分光法を用いて、前処理を行った薄膜状の試料を分析することが好ましい。 Said 2nd aspect WHEREIN: It is preferable to analyze the thin film-shaped sample which performed the pre-processing using X-ray photoelectron spectroscopy.

上記の第2の態様において、薄膜状の試料が金属酸化物を含んでおり、前記金属酸化物における酸素と金属との存在比を分析することが好ましい。 In the second aspect, it is preferable that the thin film sample contains a metal oxide, and the abundance ratio of oxygen and metal in the metal oxide is analyzed.

本発明によれば、無機物から構成される試料の表面に付着した有機物を試料にダメージを与えることなく除去可能な試料の前処理方法と、当該前処理方法を用いて試料表面の有機物を除去してから試料を分析する方法と、を提供することができる。   According to the present invention, a sample pretreatment method capable of removing organic matter adhering to the surface of a sample composed of an inorganic material without damaging the sample, and organic matter on the sample surface is removed using the pretreatment method. And a method for analyzing a sample afterwards.

図1は、本実施形態に係る試料の前処理方法および分析方法の工程図である。FIG. 1 is a process diagram of a sample pretreatment method and analysis method according to this embodiment. 図2(a)は、標準試料の斜視図であり、図2(b)は、遮蔽領域を形成するためのアルミ箔の斜視図であり、図2(c)は、図2(b)に示すアルミ箔により被覆された標準試料の斜視図であり、図2(d)は、図2(c)に示す標準試料をZ軸方向から見た図である。2 (a) is a perspective view of a standard sample, FIG. 2 (b) is a perspective view of an aluminum foil for forming a shielding region, and FIG. 2 (c) is shown in FIG. 2 (b). FIG. 2D is a perspective view of the standard sample shown in FIG. 2C viewed from the Z-axis direction. 図3(a)は、スパッタリングにより凹部が形成された標準試料の斜視図であり、図3(b)は、図3(a)におけるIIIa−IIIa線に沿う標準試料の断面模式図であり、図3(c)は、遮蔽領域が形成されていない標準試料の凹部をX軸方向から見た断面模式図である。FIG. 3 (a) is a perspective view of a standard sample in which a recess is formed by sputtering, and FIG. 3 (b) is a schematic cross-sectional view of the standard sample along the line IIIa-IIIa in FIG. 3 (a). FIG. 3C is a schematic cross-sectional view of the concave portion of the standard sample in which the shielding region is not formed as viewed from the X-axis direction. 図4は、本発明の実施例において、試料の前処理前後の酸化インジウム系薄膜試料の表面のXPSスペクトル(炭素1sスペクトル)を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing XPS spectra (carbon 1s spectra) of the surface of an indium oxide-based thin film sample before and after sample pretreatment in an example of the present invention. 図5は、本発明の実施例において、試料の前処理前後の酸化インジウム系薄膜試料の表面のXPSスペクトル(酸素1sスペクトル)を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing XPS spectra (oxygen 1s spectra) of the surface of an indium oxide thin film sample before and after sample pretreatment in an example of the present invention. 図6は、本発明の実施例において、試料の前処理前後の酸化インジウム系薄膜試料の表面のXPSスペクトル(インジウム3d5/2スペクトル)を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing XPS spectra (indium 3d 5/2 spectrum) of the surface of an indium oxide-based thin film sample before and after sample pretreatment in an example of the present invention.

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
1.試料の前処理方法
1−1 試料
1−2 標準試料
1−3 スパッタレート比算出工程
1−3−1 遮蔽領域形成工程
1−3−2 スパッタリング工程
1−3−3 スパッタリング深さ測定工程
1−3−4 スパッタレート比算出工程
1−4 有機物除去工程
2.試料の分析方法
3.本実施形態の効果
4.変形例
Hereinafter, the present invention will be described in detail in the following order based on embodiments shown in the drawings.
1. Sample pretreatment method 1-1 Sample 1-2 Standard sample 1-3 Sputter rate ratio calculating step 1-3-1 Shielding region forming step 1-3-2 Sputtering step 1-3-3 Sputtering depth measuring step 1- 3-4 Sputter rate ratio calculation step 1-4 Organic matter removal step 2. 2. Sample analysis method Effect of the present embodiment 4. Modified example

(1.試料の前処理方法)
本実施形態に係る試料の前処理方法は、主に、2種類の標準試料を用いてスパッタレート比を算出する工程と、算出したスパッタレート比に基づき試料に付着した有機物を除去する工程と、を含む。当該前処理方法を図1に示す工程図を用いて説明する。
(1. Sample pretreatment method)
The sample pretreatment method according to the present embodiment mainly includes a step of calculating a sputtering rate ratio using two types of standard samples, a step of removing organic substances attached to the sample based on the calculated sputtering rate ratio, including. The pretreatment method will be described with reference to the process diagram shown in FIG.

(1−1 試料)
まず、前処理に供する試料を準備する。試料は無機物から構成されていれば特に制限されないが、本実施形態では、当該試料は金属酸化物から構成される。金属酸化物を構成する金属は、酸化物を形成可能な金属であれば、特に制限されない。また、金属酸化物は、1種の金属から構成される酸化物であってもよいし、2種以上の金属から構成される複合酸化物であってもよい。また、本実施形態では、当該試料は薄膜状試料である。薄膜の厚みの下限は20nmである。薄膜の厚みが下限値よりも小さくなると、後述する試料の分析方法によっては、下地の情報が分析結果に多く含まれてしまい、正確な分析結果が得られない場合があるからである。また、薄膜の厚みの上限は1mmであり、通常は100μm以下である。
(1-1 sample)
First, a sample for pretreatment is prepared. The sample is not particularly limited as long as it is made of an inorganic material, but in this embodiment, the sample is made of a metal oxide. The metal constituting the metal oxide is not particularly limited as long as it is a metal capable of forming an oxide. The metal oxide may be an oxide composed of one kind of metal or a complex oxide composed of two or more kinds of metals. In the present embodiment, the sample is a thin film sample. The lower limit of the thickness of the thin film is 20 nm. This is because if the thickness of the thin film becomes smaller than the lower limit value, depending on the sample analysis method described later, a lot of ground information is included in the analysis result, and an accurate analysis result may not be obtained. Moreover, the upper limit of the thickness of a thin film is 1 mm, and is normally 100 micrometers or less.

なお、当該試料は、後述する試料の分析方法において、XPS分析により化学結合状態、組成比(酸素/金属比)が調べられることになる。このような試料の表面には、通常不可避的に、炭素、酸素、水素等から構成される有機物が付着している。したがって、何ら手当をせずに上記の分析を行うと、これらの有機物中の化学結合に起因するピークが観察されてしまう。また、有機物由来の酸素が試料中の化学結合に起因する組成比の算出にも影響を及ぼしてしまう。   Note that the chemical bond state and composition ratio (oxygen / metal ratio) of the sample are examined by XPS analysis in the sample analysis method described later. An organic substance composed of carbon, oxygen, hydrogen or the like is usually unavoidably attached to the surface of such a sample. Therefore, if the above analysis is performed without any allowance, peaks due to chemical bonds in these organic substances will be observed. In addition, oxygen derived from organic matter also affects the calculation of the composition ratio due to chemical bonds in the sample.

(1−2 標準試料)
続いて、標準試料を準備する。標準試料は、スパッタレートを算出するために用いられる試料であり、本実施形態では、有機物から構成されている標準試料(有機物標準試料)と、無機物から構成されている標準試料(無機物標準試料)と、の2種類の標準試料を用いる。後述するが、スパッタレート(nm/min)は、スパッタリング深さ(nm)をスパッタ時間(min)で除した値として求められる。
(1-2 Standard sample)
Subsequently, a standard sample is prepared. The standard sample is a sample used for calculating the sputtering rate. In this embodiment, the standard sample composed of an organic material (organic standard sample) and the standard sample composed of an inorganic material (inorganic standard sample). And two kinds of standard samples are used. As will be described later, the sputtering rate (nm / min) is obtained as a value obtained by dividing the sputtering depth (nm) by the sputtering time (min).

有機物標準試料を構成する有機物の構造(骨格、置換基、分子量等)は、試料に付着する有機物の構造と異なっていてもよいが、本実施形態では、有機物試料を構成する有機物の構造と同じあるいは類似していることが好ましい。有機物標準試料を構成する有機物の構造を、試料に付着する有機物の構造に近づけることで、有機物標準試料のスパッタレートが、試料に付着した有機物のスパッタレートの近似精度を高めることができる。本実施形態では、有機物標準試料はポリイミド、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の有機高分子材料から構成されている。なお、本明細書において、「類似」とは、たとえば、置換基としてアルキル基が含まれている場合に、アルキル基中の炭素の数が異なる場合等をいう。   The structure (skeleton, substituent, molecular weight, etc.) of the organic substance constituting the organic standard sample may be different from the structure of the organic substance adhering to the sample, but in this embodiment, it is the same as the structure of the organic substance constituting the organic specimen. Or it is preferable that it is similar. By approximating the structure of the organic matter constituting the organic matter standard sample to the structure of the organic matter adhering to the sample, the sputter rate of the organic matter standard sample can increase the approximation accuracy of the sputter rate of the organic matter adhering to the sample. In the present embodiment, the organic standard sample is composed of an organic polymer material such as polyimide or polyethylene terephthalate (PET). In this specification, “similar” means, for example, a case where an alkyl group is included as a substituent and the number of carbons in the alkyl group is different.

無機物標準試料を構成する無機物の構造(組成、結晶構造等)は、有機物標準試料と同様に、試料を構成する無機物の構造と同じあるいは類似していることが好ましいが、無機物は、構造が異なっていても、有機物ほどスパッタレートは変化しないので、無機物標準試料を構成する無機物と、試料を構成する無機物と、は異なっていてもよい。本実施形態では、スパッタレートを測定するために通常用いられる標準試料を用いる。具体的には、Si基板上に成膜されたSiO薄膜、または、Ta基板上に成膜されたTa薄膜からなる標準試料が無機物標準試料として例示される。 The structure (composition, crystal structure, etc.) of the inorganic substance constituting the inorganic standard sample is preferably the same as or similar to the structure of the inorganic substance constituting the sample, like the organic standard sample, but the inorganic substance has a different structure. However, since the sputter rate does not change as much as the organic substance, the inorganic substance constituting the inorganic standard sample and the inorganic substance constituting the sample may be different. In this embodiment, a standard sample that is usually used for measuring the sputtering rate is used. Specifically, a standard sample composed of a SiO 2 thin film formed on a Si substrate or a Ta 2 O 5 thin film formed on a Ta substrate is exemplified as an inorganic standard sample.

上記の標準試料の寸法は、スパッタレートを算出するために用いられる装置に設置可能な大きさであれば、特に制限されない。   The dimension of the standard sample is not particularly limited as long as it is a size that can be installed in an apparatus used for calculating the sputtering rate.

(1−3 スパッタレート比算出工程)
まず、上記の有機物標準試料および無機物標準試料について、クラスターイオンビームを用いた場合のスパッタレートを算出し、算出されたスパッタレートからスパッタレート比を算出する。無機物標準試料については、厚みが既知の標準試料をスパッタリングにより貫通する時間を測定する方法によりスパッタレートを算出してもよい。本実施形態では、少なくとも有機物標準試料については、スパッタレートを正確に算出するために、以下の工程を行うことが好ましい。
(1-3 Sputter rate ratio calculation process)
First, for the organic standard sample and the inorganic standard sample, the sputtering rate when a cluster ion beam is used is calculated, and the sputtering rate ratio is calculated from the calculated sputtering rate. For the inorganic standard sample, the sputtering rate may be calculated by a method of measuring the time required to penetrate a standard sample having a known thickness by sputtering. In this embodiment, at least the organic standard sample is preferably subjected to the following steps in order to accurately calculate the sputtering rate.

(1−3−1 遮蔽領域形成工程S10)
まず、標準試料を、図2(a)に示す試料ホルダーに設置し、試料ホルダー2に保持されている標準試料1の表面に、クラスターイオンビームが照射されスパッタされるスパッタ領域と、クラスターイオンビームが照射されずスパッタされない遮蔽領域と、を形成する。
(1-3-1 Shielding Region Forming Step S10)
First, a standard sample is placed on the sample holder shown in FIG. 2A, and the surface of the standard sample 1 held on the sample holder 2 is irradiated with a cluster ion beam and sputtered, and the cluster ion beam. And a shield region that is not irradiated and sputtered.

遮蔽領域を形成する方法としては、特に制限されず、公知の方法により形成すればよい。本実施形態では、標準試料の表面をマスクすることにより、遮蔽領域を形成する。具体的には、図2(b)に示す所定の範囲が除去された(孔が形成された)膜状の物質で標準試料の表面を覆うことにより、スパッタ領域および遮蔽領域を形成する(図2(c)を参照)。膜状の物質としては、表面汚染が少ない物質であれば特に制限されないが、本実施形態では、入手の容易さ、孔の形成しやすさ等の観点から、アルミ箔が好ましい。   The method for forming the shielding region is not particularly limited, and may be formed by a known method. In the present embodiment, the shielding region is formed by masking the surface of the standard sample. Specifically, a sputter region and a shielding region are formed by covering the surface of the standard sample with a film-like substance from which a predetermined range shown in FIG. 2 (c)). The film-like substance is not particularly limited as long as it is a substance with little surface contamination, but in the present embodiment, aluminum foil is preferable from the viewpoints of availability, ease of forming holes, and the like.

(1−3−2 スパッタリング工程S20)
続いて、スパッタ領域11と遮蔽領域12とが形成された標準試料1を備えた試料ホルダー2を、スパッタリング装置内に導入してスパッタリングを行う。
(1-3-2 Sputtering step S20)
Subsequently, the sample holder 2 including the standard sample 1 in which the sputter region 11 and the shielding region 12 are formed is introduced into the sputtering apparatus to perform sputtering.

図2(c)に示すように、中央に孔4が形成されたアルミ箔3により標準試料1の表面が覆われているため、当該標準試料の表面はスパッタ領域11および遮蔽領域12から構成される。スパッタリング工程S20では、この標準試料にZ軸方向からクラスターイオンビームが照射され、当該標準試料がスパッタリングされることになるが、本実施形態では、図2(c)および(d)に示すように、XY平面においてスパッタ領域11と遮蔽領域12との境界13の少なくとも一部が、スパッタリングに用いるクラスターイオンビームを走査する範囲20(以下、ラスター範囲20ともいう)に含まれている。なお、図2(c)および(d)では、斜線部分がラスター範囲20を示し、当該境界13の全部がラスター範囲20に含まれている場合を示している。   As shown in FIG. 2C, since the surface of the standard sample 1 is covered with the aluminum foil 3 having the hole 4 formed in the center, the surface of the standard sample is composed of the sputter region 11 and the shielding region 12. The In the sputtering step S20, this standard sample is irradiated with a cluster ion beam from the Z-axis direction, and the standard sample is sputtered. In this embodiment, as shown in FIGS. At least a part of the boundary 13 between the sputter region 11 and the shielding region 12 in the XY plane is included in a range 20 (hereinafter also referred to as a raster range 20) for scanning a cluster ion beam used for sputtering. 2C and 2D, the hatched portion indicates the raster range 20, and the entire boundary 13 is included in the raster range 20.

このようにすることにより、後述するスパッタリング深さ測定工程では、スパッタ領域11がスパッタリングされて形成される凹部のスパッタリング深さを精度よく算出することができる。また、スパッタ領域11の最大径(Ds)は、ラスター範囲20の最大径(Dr)の半分以下であることが好ましい。このようにすることにより、スパッタリング深さの測定誤差を小さくすることができる。   By doing in this way, the sputtering depth of the recessed part formed by sputtering the sputter | spatter area | region 11 can be accurately calculated in the sputtering depth measurement process mentioned later. In addition, the maximum diameter (Ds) of the sputter region 11 is preferably less than or equal to half the maximum diameter (Dr) of the raster range 20. By doing in this way, the measurement error of sputtering depth can be made small.

スパッタリング装置は、他の分析装置(たとえば、X線光電子分光装置)に付属の装置であってもよいし、単独の装置であってもよい。   The sputtering apparatus may be an apparatus attached to another analysis apparatus (for example, an X-ray photoelectron spectrometer), or may be a single apparatus.

本実施形態では、スパッタリングに用いるイオンビームとしては、クラスターイオンビームを用いている。これは、無機物から構成される試料に付着している有機物を選択的に除去するという目的を達成するために、無機物標準試料に対するスパッタレートが小さく、かつ有機物標準試料に対するスパッタレートが大きいイオンビームが、クラスターイオンビームであることを本発明者が初めて見い出したからである。すなわち、無機物に関しては構成元素の結合状態が保存され、ダメージ層が生じないような低ダメージでスパッタリング可能なイオンビームでありながら、有機物に関しては元素間の結合を切断し試料表面への付着を解消できる程度のエネルギーを与えることができるという条件を満足するイオンビームである。   In this embodiment, a cluster ion beam is used as the ion beam used for sputtering. In order to achieve the purpose of selectively removing organic substances adhering to a sample composed of an inorganic substance, an ion beam having a low sputter rate for an inorganic standard sample and a large sputter rate for an organic standard sample is used. This is because the present inventor found for the first time that it is a cluster ion beam. In other words, for inorganic materials, the binding state of the constituent elements is preserved, and while the ion beam can be sputtered with low damage so that a damage layer does not occur, for organic materials, bonding between the elements is broken to eliminate adhesion to the sample surface. It is an ion beam that satisfies the condition that it is possible to give as much energy as possible.

上記の条件を満足するか否かは、無機物標準試料のスパッタレートに対する有機物標準試料のスパッタレート(以下、スパッタレート比ともいう)が所定の値以上であるか否かにより判断する。本実施形態では、スパッタレート比は5以上である。上限としては特に制限されないが、市販のXPS装置に付属するアルゴンガスクラスターイオン銃の加速電圧の設定値は、通常、最高で20kVであり、このときのスパッタレート比が200程度であるため、本実施形態では、スパッタレート比の上限は200とする。スパッタレート比が上記の範囲を満足すれば、有機物が無機物よりも非常に除去されやすいため、選択的スパッタリングが可能となる。なお、ここで言う「選択的スパッタリング」は、試料を構成する元素はスパッタリングによりほとんど除去されず、試料表面に付着している有機物がスパッタリングにより除去されることを意味する。したがって、この「選択的スパッタリング」は、試料を構成する元素について、スパッタリングにより除去されやすいものがスパッタリングされ、スパッタリングにより除去されにくいものが試料中に残存することを意味しているのではない。   Whether or not the above conditions are satisfied is determined by whether or not the sputter rate of the organic standard sample with respect to the sputter rate of the inorganic standard sample (hereinafter also referred to as a sputter rate ratio) is a predetermined value or more. In the present embodiment, the sputtering rate ratio is 5 or more. Although the upper limit is not particularly limited, the setting value of the acceleration voltage of the argon gas cluster ion gun attached to the commercially available XPS apparatus is normally 20 kV at the maximum, and the sputtering rate ratio at this time is about 200. In the embodiment, the upper limit of the sputtering rate ratio is 200. If the sputtering rate ratio satisfies the above range, the organic substance is much easier to remove than the inorganic substance, and therefore selective sputtering is possible. Here, “selective sputtering” means that elements constituting the sample are hardly removed by sputtering, and organic substances adhering to the sample surface are removed by sputtering. Therefore, this “selective sputtering” does not mean that the elements constituting the sample that are easily removed by sputtering are sputtered and those that are difficult to remove by sputtering remain in the sample.

このようなスパッタレート比はAr単原子イオンビーム等の単原子イオンビームでは実現できず、クラスターイオンビームのみが実現できる。単原子イオンビームを用いた場合、有機物のスパッタレートは非常に大きくなるが、無機物のスパッタレートもまた比較的に大きくなり、結果として、単原子イオンビームを用いた場合のスパッタレート比(有機物のスパッタレート/無機物のスパッタレート)は意外にも低く、たとえば、2以下になる。このことは本発明者が初めて見い出した知見である。   Such a sputter rate ratio cannot be realized by a monoatomic ion beam such as an Ar monoatomic ion beam, but can be realized only by a cluster ion beam. When a monoatomic ion beam is used, the sputtering rate of organic matter becomes very large, but the sputtering rate of inorganic matter also becomes relatively large, and as a result, the sputtering rate ratio when using a monoatomic ion beam (of organic matter) (Spatter rate / spatter rate of inorganic substance) is unexpectedly low, for example, 2 or less. This is a finding that the present inventors have found for the first time.

スパッタレート比が低い場合には、有機物を除去する際に無機物もダメージを受けてしまうので、有機物のみを除去する選択的スパッタリングを行うことができない。   When the sputtering rate ratio is low, the inorganic material is damaged when the organic material is removed, and therefore selective sputtering that removes only the organic material cannot be performed.

これに対し、クラスターイオンビームは、無機物のスパッタレートが非常に低いままで、有機物のスパッタレートは高くなるため、スパッタレート比を5以上とすることができる。特に、加速電圧を高くすると、無機物のスパッタレートはそれほど大きくならないにもかかわらず、有機物のスパッタレートは急激に大きくなる。その結果、スパッタレート比も急激に大きくなり、選択的スパッタリングにはより有利となる。   On the other hand, in the cluster ion beam, the sputtering rate of the inorganic substance remains very low and the sputtering rate of the organic substance becomes high, so that the sputtering rate ratio can be 5 or more. In particular, when the acceleration voltage is increased, the sputter rate of the organic substance is rapidly increased although the sputter rate of the inorganic substance is not increased so much. As a result, the sputtering rate ratio also increases rapidly, which is more advantageous for selective sputtering.

本発明が規定するスパッタレート比の範囲を、単原子イオンビームでは実現できず、クラスターイオンビームのみが実現できる理由は不明であるが、本発明者は以下のように推測している。すなわち、単原子イオンビームを構成する各イオンが持つエネルギーは大きいため、有機物、無機物のどちらであっても、それらの内部にイオンが入射することにより、構成原子同士の衝突が連続的に生じて、最終的に表面に存在する原子が表面から放出される(スパッタリングされる)。そのため、このような原子同士の衝突が連続的に生じる場合には、有機物であっても無機物であっても、スパッタレートはそれほど変わらないと考えられる。   The reason why the range of the sputtering rate ratio defined by the present invention cannot be realized by a monoatomic ion beam and only a cluster ion beam can be realized is unknown, but the present inventor presumes as follows. In other words, since each ion constituting a monoatomic ion beam has a large energy, even if it is an organic substance or an inorganic substance, collisions between constituent atoms occur continuously when ions enter the inside of them. Finally, atoms present on the surface are released (sputtered) from the surface. Therefore, when such collision between atoms occurs continuously, it is considered that the sputtering rate does not change so much whether it is an organic substance or an inorganic substance.

一方、クラスターイオンビームでは、クラスターが有機物あるいは無機物の表面に衝突した際に、表面に存在する元素間の結合を切断していると考えられる。また、クラスターイオンビームを構成する各イオンが持つエネルギーは、単原子イオンビームを構成する各イオンが持つエネルギーよりも非常に小さい。したがって、クラスターイオンビームによるスパッタリングでは、切断に要するエネルギーが比較的小さい有機物の構成元素間の結合は切断されやすいのに対し、無機物の構成元素間の結合は切断されにくいと考えられる。その結果、有機物のスパッタレートは大きくなるにもかかわらず無機物のスパッタレートは小さく維持できると考えられる。   On the other hand, in the cluster ion beam, when the cluster collides with the surface of the organic or inorganic material, it is considered that the bonds between the elements existing on the surface are broken. The energy of each ion constituting the cluster ion beam is much smaller than the energy of each ion constituting the monoatomic ion beam. Therefore, in the sputtering by the cluster ion beam, it is considered that the bonds between the constituent elements of the organic substance, which require a relatively small energy for cutting, are easily cut, whereas the bonds between the constituent elements of the inorganic substance are difficult to cut. As a result, it is considered that the spatter rate of the inorganic substance can be kept small although the spatter rate of the organic substance becomes large.

クラスターイオンビームとしては、アルゴンガスクラスターイオンビーム(Ar−GCIB)、C60クラスターイオンビーム等が例示されるが、本実施形態ではAr−GCIBを用いる。C60クラスターイオンビームは、炭素原子のクラスターイオンビームであるため、スパッタリング時にC60の一部が試料に残存することがあり、このフラーレン由来の有機物が試料の組成比等に影響を与える可能性があるためである。 The cluster ion beam, argon gas cluster ion beam (Ar-GCIB), but C 60 cluster ion beam and the like, in the present embodiment using Ar-GCIB. C 60 cluster ion beam are the cluster ion beam of carbon atoms, can cause some C 60 during sputtering remaining in the sample, possibility of organic material of the fullerene from influences the composition ratio or the like of the sample Because there is.

また、スパッタレートは、主に、クラスターイオンビームの加速電圧、スパッタリング時間等に依存する。たとえば、加速電圧が高いほど、有機物標準試料のスパッタレートが急激に大きくなる傾向にある。スパッタリング時間が長いほど、スパッタレートが大きくなる傾向にあるが、加速電圧の条件によっては、スパッタリング時間が長くしてもスパッタレートが飽和することもある。   The sputtering rate mainly depends on the acceleration voltage of the cluster ion beam, the sputtering time, and the like. For example, the higher the accelerating voltage, the more rapidly the sputter rate of the organic standard sample tends to increase. As the sputtering time is longer, the sputtering rate tends to increase. However, depending on the condition of the acceleration voltage, the sputtering rate may be saturated even if the sputtering time is increased.

したがって、スパッタレート比を5以上とするには、加速電圧とスパッタリング時間とを制御して、無機物標準試料のスパッタレートを小さく維持することが好ましい。また、スパッタレート比は、上述したように5以上であれば、スパッタリングにより試料表面に付着した有機物を選択的に除去できるが、付着している有機物の種類、量、結合種等に応じて、スパッタレート比を適宜制御することが好ましい。本実施形態では、スパッタレート比を制御するために、加速電圧は2.5〜20kVの範囲内、スパッタリング時間は6秒〜30分の範囲内とすることが好ましい。たとえば、有機物の除去に要する時間を短時間とする場合には加速電圧を高くすることが好ましく、試料へのダメージが少ないことを優先する場合には加速電圧を低くすればよい。   Therefore, in order to set the sputtering rate ratio to 5 or more, it is preferable to keep the sputtering rate of the inorganic standard sample small by controlling the acceleration voltage and the sputtering time. Moreover, if the sputtering rate ratio is 5 or more as described above, the organic matter adhering to the sample surface by sputtering can be selectively removed, but depending on the kind, amount, bond type, etc. of the adhering organic matter, It is preferable to appropriately control the sputtering rate ratio. In this embodiment, in order to control the sputtering rate ratio, the acceleration voltage is preferably in the range of 2.5 to 20 kV, and the sputtering time is preferably in the range of 6 seconds to 30 minutes. For example, it is preferable to increase the acceleration voltage when the time required for removing organic substances is short, and the acceleration voltage may be decreased when priority is given to less damage to the sample.

スパッタリング工程S20では、スパッタリング装置のイオン銃から放出されるAr−GCIBをZ軸方向に加速し、標準試料の表面にAr−GCIBを衝突させて標準試料の表面を構成する原子をはじき飛ばすことにより、当該標準試料がスパッタリングされる。なお、本実施形態では、図2(c)および(d)に示すように、XY平面においてイオンビームを走査する範囲20(ラスター範囲20)内にも遮蔽領域12が含まれるため、標準試料1が実際にスパッタリングされる範囲はラスター範囲20に一致せず、スパッタ領域11のみがスパッタリングされる。   In the sputtering step S20, Ar-GCIB emitted from the ion gun of the sputtering apparatus is accelerated in the Z-axis direction, and Ar-GCIB collides with the surface of the standard sample to repel atoms constituting the surface of the standard sample. The standard sample is sputtered. In the present embodiment, as shown in FIGS. 2C and 2D, the shielding region 12 is also included in the range 20 (raster range 20) in which the ion beam is scanned on the XY plane. The actual sputtering range does not coincide with the raster range 20, and only the sputter region 11 is sputtered.

なお、スパッタレート比を算出する際のスパッタリング条件およびスパッタリング時間は、有機物標準試料と無機物標準試料とに対して同じ条件とする。   The sputtering conditions and the sputtering time for calculating the sputtering rate ratio are the same for the organic standard sample and the inorganic standard sample.

スパッタリング終了後、標準試料を取り出し、アルミ箔を除去する。アルミ箔が除去された標準試料1においては、スパッタ領域のみがスパッタリングにより削られており、図3(a)に示すように、スパッタ領域はクレーター状の凹部14を形成している。   After the sputtering is completed, the standard sample is taken out and the aluminum foil is removed. In the standard sample 1 from which the aluminum foil has been removed, only the sputter region is shaved by sputtering, and as shown in FIG. 3A, the sputter region forms a crater-like recess 14.

(1−3−3 スパッタリング深さ測定工程S30)
スパッタリング深さ測定工程S30では、凹部14の表面の高さと、スパッタリングされていない領域(遮蔽領域12)の高さと、の差(Z軸方向における距離)を測定し、これをスパッタリング深さとする。すなわち、従来のように、厚みが既知の標準試料を貫通させるのに要するスパッタリング時間からスパッタレートを算出するのではなく、実際にスパッタリング深さを測定してスパッタレートを算出する。
(1-3-3 Sputtering depth measurement step S30)
In the sputtering depth measurement step S30, the difference (distance in the Z-axis direction) between the height of the surface of the recess 14 and the height of the non-sputtered region (shielding region 12) is measured, and this is used as the sputtering depth. That is, the sputtering rate is not actually calculated from the sputtering time required for penetrating a standard sample with a known thickness as in the prior art, but the sputtering depth is actually measured to calculate the sputtering rate.

スパッタリング後の標準試料1の凹部14近傍の断面模式図である図3(b)において、凹部14と、スパッタリングされていない領域12(12a)と、の境界13aは、遮蔽領域12とスパッタ領域11との境界13にほぼ一致する。また、図3(b)から明らかなように、スパッタリングにより形成された凹部14と、境界13a近傍のスパッタリングされていない遮蔽領域12aと、は極めて明確に区別することができる。すなわち、凹部14と遮蔽領域12との段差が際立つ。これは、遮蔽領域12とスパッタ領域11との境界13の少なくとも一部がラスター範囲20に含まれるようにした結果、実際にスパッタリングされた領域(凹部14)の近傍に、ラスター範囲20内であったにもかかわらずスパッタリングされていない遮蔽領域12aが存在するからである。   In FIG. 3B, which is a schematic cross-sectional view of the vicinity of the concave portion 14 of the standard sample 1 after sputtering, a boundary 13 a between the concave portion 14 and the non-sputtered region 12 (12 a) is defined as a shielding region 12 and a sputter region 11. It almost coincides with the boundary 13 between. Further, as is apparent from FIG. 3B, the recess 14 formed by sputtering and the non-sputtered shielding region 12a in the vicinity of the boundary 13a can be distinguished very clearly. That is, the step between the recess 14 and the shielding region 12 stands out. This is because at least a part of the boundary 13 between the shielding region 12 and the sputter region 11 is included in the raster region 20, and as a result, within the raster region 20 in the vicinity of the actually sputtered region (recess 14). This is because there is a shielding region 12a that is not sputtered.

これに対し、遮蔽領域が形成されていない場合には、図3(c)に示すように、スパッタリングが予定されている領域(ラスター範囲20に含まれる領域)だけでなく、当該領域の周辺部であってラスター範囲20に含まれていない領域15もスパッタリングされてしまうことがある。有機物はスパッタリングされやすいため、スパッタリングが予定されていない領域、すなわち、ラスター範囲20外の領域もスパッタリングの影響により、その一部がスパッタリングされてしまうことがある。   On the other hand, when the shielding region is not formed, as shown in FIG. 3C, not only the region where sputtering is planned (the region included in the raster range 20) but also the peripheral portion of the region. In addition, the region 15 that is not included in the raster range 20 may be sputtered. Since the organic matter is easily sputtered, a part of the region where sputtering is not scheduled, that is, a region outside the raster range 20 may be sputtered due to the influence of sputtering.

その結果、実際にスパッタリングされた領域と、実際にスパッタリングされなかった領域と、の境界13bは緩やかに傾斜し、これらの領域の区別が曖昧となってしまう。スパッタリング深さを正確に測定するには、スパッタリング深さを測定するための基準点を、スパッタリングされていない領域、すなわち、標準試料の表面に設定する必要があるが、図3(c)では、これが困難となってしまう。そうすると、スパッタリング深さを測定したとしても、測定誤差が大きくなってしまい、その結果、正確なスパッタレートを算出することができない。   As a result, the boundary 13b between the region actually sputtered and the region not actually sputtered is gently inclined, and the distinction between these regions becomes ambiguous. In order to accurately measure the sputtering depth, it is necessary to set a reference point for measuring the sputtering depth in a non-sputtered region, that is, the surface of the standard sample. In FIG. This becomes difficult. Then, even if the sputtering depth is measured, a measurement error becomes large, and as a result, an accurate sputtering rate cannot be calculated.

しかも、標準試料は有機物で構成した場合、剛性が低いため、スパッタリング時に目視できない程度の試料のたるみ等が生じている場合がある。このような標準試料のたるみの影響により、スパッタリングされた領域と、スパッタリングされなかった領域と、をますます区別しにくくなってしまう。場合によっては、スパッタリングにより形成される凹部がどこに形成されたのかが分からなくなってしまう。さらに、ラスター範囲は通常、数百μmから数mmのオーダーであるため、標準試料の表面粗さ、表面うねり等もスパッタリング深さの測定誤差に影響を与える。   In addition, when the standard sample is made of an organic substance, the rigidity is low, so that there may be a case where the sample is slack that cannot be visually observed during sputtering. Due to the influence of the sag of the standard sample, it becomes more difficult to distinguish between the sputtered region and the non-sputtered region. In some cases, it becomes difficult to know where the concave portions formed by sputtering are formed. Further, since the raster range is usually on the order of several hundred μm to several mm, the surface roughness and surface waviness of the standard sample also affect the measurement error of the sputtering depth.

したがって、図3(b)に示すように、凹部14と遮蔽領域12との段差を際立たせることにより、スパッタリング深さを測定するための基準点を、標準試料の表面に確実に設定することができる。そして、凹部14の表面の高さと、遮蔽領域12の表面の高さと、の差から、スパッタリング深さ30を正確に測定することができる。   Therefore, as shown in FIG. 3B, the reference point for measuring the sputtering depth can be reliably set on the surface of the standard sample by making the step between the concave portion 14 and the shielding region 12 stand out. it can. The sputtering depth 30 can be accurately measured from the difference between the surface height of the recess 14 and the surface height of the shielding region 12.

スパッタリング深さを測定する方法としては特に制限されず、公知の測定機器により測定すればよい。本実施形態では、スパッタリング深さは1μm以下であるため、nmレベルの分解能を有する機器により測定することが好ましい。具体的には、白色干渉計、触針式段差計、原子間力顕微鏡等が例示される。   It does not restrict | limit especially as a method of measuring sputtering depth, What is necessary is just to measure with a well-known measuring apparatus. In this embodiment, since the sputtering depth is 1 μm or less, it is preferable to measure with a device having a resolution of nm level. Specifically, a white interferometer, a stylus profilometer, an atomic force microscope, and the like are exemplified.

スパッタリング深さを測定する際には、標準試料の表面(遮蔽領域12)の高さと、凹部14の周縁部の表面の高さと、の差を測定することが好ましい。このようにすることにより、試料全体が傾斜している場合であっても、スパッタリング深さの測定誤差を小さくすることができる。   When measuring the sputtering depth, it is preferable to measure the difference between the height of the surface of the standard sample (shielding region 12) and the height of the surface of the peripheral edge of the recess 14. By doing in this way, even if it is a case where the whole sample inclines, the measurement error of sputtering depth can be made small.

また、スパッタリング深さ測定工程S30では、上述したように、形成された凹部14と遮蔽領域12aとの段差からスパッタリング深さを正確に測定することができる。   Moreover, in sputtering depth measurement process S30, as above-mentioned, sputtering depth can be measured correctly from the level | step difference of the formed recessed part 14 and the shielding area | region 12a.

(1−3−4 スパッタレート比算出工程S40)
スパッタレート比算出工程S40では、まず、上記で測定されたスパッタリング深さを、スパッタリング時間で除す、あるいは、標準試料の厚みを、標準試料を貫通させるのに要した時間で除すことにより、有機物標準試料および無機物標準試料の各スパッタレートを算出する。なお、上記の工程を経て得られるスパッタレートは、正確に測定されたスパッタリング深さを用いて算出されているため、精度が高い。
(1-3-4 Sputter rate ratio calculation step S40)
In the sputtering rate ratio calculating step S40, first, the sputtering depth measured above is divided by the sputtering time, or the thickness of the standard sample is divided by the time required to penetrate the standard sample, The sputter rates of the organic standard sample and the inorganic standard sample are calculated. In addition, since the sputtering rate obtained through the above steps is calculated using the accurately measured sputtering depth, the accuracy is high.

得られた有機物標準試料および無機物標準試料のスパッタレートから、スパッタレート比(有機物標準試料のスパッタレート/無機物標準試料のスパッタレート)を算出する。算出されたスパッタレート比が5未満である場合には、適宜スパッタリング条件を変更して、5以上のスパッタレート比が算出されるまでS10〜S40を繰り返せばよい。   A sputter rate ratio (sputter rate of organic standard sample / sputter rate of inorganic standard sample) is calculated from the sputter rate of the obtained organic standard sample and inorganic standard sample. If the calculated sputtering rate ratio is less than 5, the sputtering conditions may be changed as appropriate, and S10 to S40 may be repeated until a sputtering rate ratio of 5 or more is calculated.

具体的なスパッタレート比として、加速電圧を5kVおよび20kVとしたアルゴンガスクラスターイオン銃を用いた場合の有機物標準試料および無機物標準試料のスパッタレートと、これらのスパッタレートから算出されるスパッタレート比を表1に示す。また、参考のため、加速電圧を0.5kVおよび2kVとしたアルゴン単原子イオン銃を用いた場合の各スパッタレートおよびスパッタレート比も表1に示す。なお、アルゴンガスクラスターイオン銃およびアルゴン単原子イオン銃のどちらについても、有機物標準試料としてポリエチレンテレフタレート(PET)から構成される標準試料を用い、無機物標準試料としてSi基板上にSiOの薄膜が形成された標準試料を用いている。 As specific sputtering rate ratios, the sputtering rates of organic standard samples and inorganic standard samples when using an argon gas cluster ion gun with acceleration voltages of 5 kV and 20 kV, and the sputtering rate ratio calculated from these sputtering rates are as follows: Table 1 shows. For reference, Table 1 also shows each sputtering rate and sputtering rate ratio when using an argon monoatomic ion gun with acceleration voltages of 0.5 kV and 2 kV. For both the argon gas cluster ion gun and the argon monoatomic ion gun, a standard sample composed of polyethylene terephthalate (PET) is used as the organic standard sample, and a thin SiO 2 film is formed on the Si substrate as the inorganic standard sample. Standard samples prepared are used.

表1より、アルゴンガスクラスターイオン銃を用いる場合には、無機物標準試料のスパッタレートが低く、有機物標準試料のスパッタレートのみが高いことが分かる。その結果、スパッタレート比が5以上となり、選択的スパッタリングが可能であることが分かる。特に、加速電圧を高くすることで、スパッタレート比が急激に高くなることも分かる。   From Table 1, it can be seen that when the argon gas cluster ion gun is used, the sputter rate of the inorganic standard sample is low and only the sputter rate of the organic standard sample is high. As a result, it is understood that the sputtering rate ratio is 5 or more, and selective sputtering is possible. In particular, it can be seen that the sputtering rate ratio is rapidly increased by increasing the acceleration voltage.

一方、アルゴン単原子イオン銃を用いる場合には、加速電圧を低くしても高くしても、有機物標準試料のスパッタレートが大きくなるだけでなく、無機物標準試料のスパッタレートもそれに伴い比較的に大きくなっている。その結果、スパッタレート比が低くなり、本発明の範囲を満足しないことが分かる。すなわち、アルゴン単原子イオン銃を用いる場合には、選択的スパッタリングが実現できず、試料にダメージを与えることなく試料表面に付着した有機物を除去することは困難であることが分かる。   On the other hand, when an argon monoatomic ion gun is used, the sputter rate of the organic standard sample is increased not only when the acceleration voltage is lowered or increased, but also the sputter rate of the inorganic standard sample is relatively increased. It is getting bigger. As a result, it can be seen that the sputtering rate ratio is low and does not satisfy the scope of the present invention. That is, it can be seen that when an argon monoatomic ion gun is used, selective sputtering cannot be realized, and it is difficult to remove organic substances attached to the sample surface without damaging the sample.

(1−4 有機物除去工程S50)
有機物除去工程S50では、上記の工程で算出したスパッタレート比(5以上)に基づき設定したスパッタリング条件により、分析対象の試料の前処理(有機物の除去)を行う。本実施形態では、後述するXPS分析を行うためのX線光電子分光装置に付属のアルゴンガスクラスターイオン銃を用いて、試料の表面のスパッタリングを行い、有機物のみを除去する(選択的スパッタリング)。このスパッタリングにより試料の表面に付着している有機物は除去されるものの、試料表面はほとんどスパッタリングされず、ダメージを受けない。したがって、スパッタリング前後で、試料の極表面近傍の元素の化学結合状態はほとんど変化しない。
(1-4 Organic substance removal process S50)
In the organic matter removing step S50, the sample to be analyzed is pretreated (removing the organic matter) under the sputtering conditions set based on the sputtering rate ratio (5 or more) calculated in the above step. In this embodiment, the surface of the sample is sputtered by using an argon gas cluster ion gun attached to an X-ray photoelectron spectrometer for XPS analysis to be described later, and only organic substances are removed (selective sputtering). Although the organic matter adhering to the surface of the sample is removed by this sputtering, the sample surface is hardly sputtered and is not damaged. Therefore, the chemical bonding state of the elements near the extreme surface of the sample hardly changes before and after sputtering.

(2.試料の分析方法)
続いて、上記の試料の前処理により試料表面に付着していた有機物が除去された試料について分析を行う。分析方法としては特に制限されないが、特に、試料の表面を分析する方法であることが好ましい。具体的には、X線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)、オージェ電子分光法(Auger Electron Spectroscopy:AES)、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)等が例示される。本実施形態では、金属酸化物から構成される薄膜状の試料に対し、XPSによる表面分析を行う。
(2. Sample analysis method)
Subsequently, the sample from which the organic matter adhering to the sample surface has been removed by the pretreatment of the sample is analyzed. The analysis method is not particularly limited, but is particularly preferably a method for analyzing the surface of a sample. Specific examples include X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Auger electron spectroscopy (AES), and secondary ion mass spectrometry (SIMS). The In this embodiment, a surface analysis by XPS is performed on a thin film sample made of a metal oxide.

XPS分析では、試料にX線を照射し、光電効果により試料から放出された光電子のエネルギースペクトルを測定する。そして、光電子のエネルギースペクトルを解析することにより、試料を構成する元素の束縛エネルギーが求められる。この束縛エネルギーは、元素およびその結合状態に固有な値を示すため、光電子のエネルギースペクトル中の束縛エネルギーのピーク位置を解析することにより、試料を構成する元素の同定が可能となる。さらに、得られた各ピークを数学的に分割し、ピーク面積を算出することにより、構成元素の存在比を算出することができ、試料の半定量的な組成分析を行うことができる。このとき、上述した前処理により、試料の表面が清浄に保たれた状態で分析を行うことができるので、試料本来の情報のみが反映された分析結果が得られる。したがって、たとえば、試料を構成する金属酸化物中の酸素/金属比を正確に評価することができる。   In XPS analysis, a sample is irradiated with X-rays, and the energy spectrum of photoelectrons emitted from the sample by the photoelectric effect is measured. And the binding energy of the element which comprises a sample is calculated | required by analyzing the energy spectrum of a photoelectron. Since this binding energy shows a value specific to the element and its bonding state, the element constituting the sample can be identified by analyzing the peak position of the binding energy in the energy spectrum of the photoelectrons. Furthermore, by dividing each obtained peak mathematically and calculating the peak area, the abundance ratio of the constituent elements can be calculated, and a semi-quantitative composition analysis of the sample can be performed. At this time, since the analysis can be performed with the surface of the sample kept clean by the pretreatment described above, an analysis result reflecting only the original information of the sample is obtained. Therefore, for example, the oxygen / metal ratio in the metal oxide constituting the sample can be accurately evaluated.

(3.本実施形態の効果)
分析に供される試料の表面には通常有機物が付着している。このような有機物は、XPS等の表面分析に影響を及ぼす。たとえば、有機物由来の酸素が、試料の分析結果の酸素量に含まれてしまい、試料本来の組成比が得られない場合がある。
(3. Effects of the present embodiment)
Organic substances are usually attached to the surface of the sample to be analyzed. Such organic matter affects surface analysis such as XPS. For example, oxygen derived from organic matter may be included in the amount of oxygen in the analysis result of the sample, and the original composition ratio of the sample may not be obtained.

そこで、本実施形態では、試料の表面に付着している有機物のみを除去して試料にはダメージを与えないようにするために、クラスターイオンビームを用いてスパッタリングを行っている。クラスターイオンビームを用いた場合、無機物のスパッタレートを小さく維持することで試料にダメージを与えないようにしつつ、有機物のスパッタレートは大きくすることにより、試料表面に付着した有機物のみを除去することができる。換言すれば、無機物から構成される試料表面に付着した有機物を選択的にスパッタリングすることができる。その結果、このような前処理(選択的スパッタリング)を行った後に試料の表面分析を行うと、化学結合状態、組成比等の情報が、試料本来の情報として得られる。   Therefore, in this embodiment, sputtering is performed using a cluster ion beam in order to remove only organic substances adhering to the surface of the sample and prevent the sample from being damaged. When a cluster ion beam is used, it is possible to remove only organic matter adhering to the sample surface by increasing the spatter rate of the organic matter while keeping the inorganic spatter rate small so as not to damage the sample. it can. In other words, the organic substance adhering to the sample surface composed of an inorganic substance can be selectively sputtered. As a result, when the surface analysis of the sample is performed after such pretreatment (selective sputtering), information such as the chemical bonding state and the composition ratio can be obtained as the original information of the sample.

これは、クラスターイオンビームのみが、スパッタレート比を本発明の範囲内とすることができ、単原子イオンビームを用いた場合には、スパッタレート比を本発明の範囲内とすることはできないという知見を本発明者が初めて見い出したからこそ得られる効果である。   This is because only the cluster ion beam can make the sputtering rate ratio within the range of the present invention, and when using a monoatomic ion beam, the sputtering rate ratio cannot be made within the range of the present invention. This is an effect obtained because the inventor has found out the knowledge for the first time.

また、有機物はスパッタリングにより構成元素が除去されやすいため、スパッタレートを正確に算出することは難しい。そこで、本実施形態では、スパッタレートを算出する際に、標準試料に遮蔽領域とスパッタ領域とを設けてスパッタリングすることにより、スパッタリング深さを精度よく算出することができ、ひいてはスパッタレートを精度よく算出することができる。   In addition, since the constituent elements of organic substances are easily removed by sputtering, it is difficult to accurately calculate the sputtering rate. Therefore, in the present embodiment, when the sputtering rate is calculated, the sputtering depth can be accurately calculated by providing the standard sample with the shielding region and the sputtering region, and the sputtering rate can be accurately calculated. Can be calculated.

(4.変形例)
上記の実施形態では、試料の極表面のみを分析しているが、スパッタリングを利用して深さ方向分析を行ってもよい。
(4. Modifications)
In the above embodiment, only the extreme surface of the sample is analyzed, but the depth direction analysis may be performed using sputtering.

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々に改変することができる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the embodiment mentioned above at all, and can be variously modified within the range which does not deviate from the summary of this invention.

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。   Hereinafter, although this invention is demonstrated based on a more detailed Example, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
酸化インジウム系の酸化物透明導電薄膜試料を、X線光電子分光装置(アルバック・ファイ(株)製 Versa ProbeII)付属の試料ホルダーに両面テープを用いて固定した。そして、試料上の測定位置を決定して、試料の前処理前後での試料の表面近傍において、C1s、O1sおよびIn3d5/2の各スペクトルを得るためにXPS分析を行った。スペクトル取得条件は、X線条件:100μm 25W、測定領域:100μmφ、Tilt Angle:45°、測定室真空度:7.0×10−7Pa、PassEnergy:23.5eVとした。結果を図4〜6および表2に示す。
Example 1
An indium oxide-based oxide transparent conductive thin film sample was fixed to a sample holder attached to an X-ray photoelectron spectrometer (Versa Probe II manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd.) using a double-sided tape. Then, the measurement position on the sample was determined, and XPS analysis was performed in order to obtain each spectrum of C1s, O1s, and In3d 5/2 in the vicinity of the surface of the sample before and after pretreatment of the sample. The spectrum acquisition conditions were as follows: X-ray condition: 100 μm 25 W, measurement region: 100 μmφ, Tilt Angle: 45 °, measurement chamber vacuum: 7.0 × 10 −7 Pa, PassEnergy: 23.5 eV. The results are shown in FIGS.

なお、試料の前処理(有機物の除去)は、装置に付属のアルゴンガスクラスターイオン銃を用いて、以下に示す条件により行った。スパッタリング条件は、Emission:20mA、Ionization:150V、Beam:5kV、Extractor:2.8kV、Focus:86.8%、Objective:50.55%、Magnet:25A、Bend:−100V、Wien Deflection:10.4V、Target Pressure:650kPa、ラスター範囲:2mm×2mm、スパッタリング時間:10分間とした。   Note that sample pretreatment (removal of organic substances) was performed under the following conditions using an argon gas cluster ion gun attached to the apparatus. Sputtering conditions were: Emission: 20 mA, Ionization: 150 V, Beam: 5 kV, Extractor: 2.8 kV, Focus: 86.8%, Objective: 50.55%, Magnet: 25 A, Bend: −100 V, Wien Deflection: 10. 4 V, Target Pressure: 650 kPa, raster range: 2 mm × 2 mm, sputtering time: 10 minutes.

このスパッタリング条件は、表1において、加速電圧が5kVであるアルゴンガスクラスターイオン銃と同じ条件であるため、表1より、有機物(PET)のスパッタ深さ(スパッタレート×スパッタリング時間)は約3.6nm、無機物(SiO)のスパッタ深さは約0.3μmと想定される。 The sputtering conditions in Table 1 are the same as those in the argon gas cluster ion gun having an acceleration voltage of 5 kV. Therefore, from Table 1, the sputtering depth of organic matter (PET) (sputtering rate × sputtering time) is about 3. The sputter depth of 6 nm and inorganic substance (SiO 2 ) is assumed to be about 0.3 μm.

図4より、スパッタリング前後でC1sスペクトルのピークがほぼ消失したことが確認できた。すなわち、前処理(スパッタリング)により、試料の表面に付着していた有機物が除去されたと考えられる。また、図5より、スパッタリング前後で、Inに由来するO1sのピーク強度が大きくなり、かつスパッタリング前にO1sピークの左肩に存在していた炭素と酸素との結合(C−O、C=O)に由来する有機物のピークがなくなったことが確認できた。 From FIG. 4, it was confirmed that the peak of the C1s spectrum almost disappeared before and after sputtering. That is, it is considered that the organic matter adhering to the surface of the sample was removed by the pretreatment (sputtering). Further, from FIG. 5, the peak intensity of O1s derived from In 2 O 3 increases before and after sputtering, and the bond between carbon and oxygen (CO, C, C) present on the left shoulder of the O1s peak before sputtering. It was confirmed that the peak of the organic substance derived from = O) disappeared.

さらに、図6より、スパッタリング前後でIn3d5/2ピークの強度が大きくなったことが確認できた。また、スペクトルの形状には変化はなく、インジウムの還元等が生じず、試料にダメージが生じていないことが確認できた。 Furthermore, it was confirmed from FIG. 6 that the intensity of the In3d 5/2 peak was increased before and after sputtering. Further, it was confirmed that there was no change in the shape of the spectrum, no reduction of indium, etc., and no damage to the sample.

表2より、前処理前には、炭素が検出されており、試料の表面に有機物が付着していることが確認できた。また、前処理後には、前処理前には検出されていた炭素が検出されなくなる一方、酸素およびインジウムの濃度が高くなることが確認できた。これは、図4および5と同様に、前処理により試料表面に付着していた有機物がスパッタリングにより除去されたことを示している。また、前処理前と前処理後とでは、酸素とインジウムとの比が60.6:39.4から58.0:42.0に変化しており、前処理前の酸素とインジウムとの比には、有機物由来の酸素が加味されていたと考えられる。すなわち、試料の前処理を行って有機物を除去することにより、試料である酸化インジウムの組成比(酸素/金属比)として、試料本来の情報が得られることが確認できた。   From Table 2, it was confirmed that carbon was detected before the pretreatment, and organic substances were attached to the surface of the sample. Further, after the pretreatment, it was confirmed that the carbon that had been detected before the pretreatment was not detected, while the oxygen and indium concentrations were increased. This shows that the organic substances adhering to the sample surface by the pretreatment were removed by sputtering, as in FIGS. Further, the ratio of oxygen and indium before and after the pretreatment is changed from 60.6: 39.4 to 58.0: 42.0, and the ratio of oxygen and indium before the pretreatment is changed. It is thought that oxygen derived from organic matter was taken into consideration. That is, it was confirmed that the original information of the sample can be obtained as the composition ratio (oxygen / metal ratio) of indium oxide as the sample by performing pretreatment of the sample to remove the organic matter.

1…標準試料
11…スパッタ領域
12、12a…遮蔽領域
13、13a…境界
14…凹部
3…アルミ箔
4…孔
20…イオンビームを走査する範囲(ラスター範囲)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Standard sample 11 ... Sputtering region 12, 12a ... Shielding region 13, 13a ... Boundary 14 ... Recess 3 ... Aluminum foil 4 ... Hole 20 ... Range which scans an ion beam (raster range)

Claims (5)

スパッタリングを利用して、無機物から構成される薄膜状の試料を前処理する方法であって、
無機物から構成される無機物標準試料のスパッタレートに対する有機物から構成される有機物標準試料のスパッタレートをスパッタレート比とした場合、前記スパッタレート比が5以上となるスパッタリング条件で前記薄膜状の試料にアルゴンガスクラスターイオンビームを照射して前記薄膜状の試料に付着した有機物を選択的に除去することを特徴とする薄膜状の試料の前処理方法。
A method of pretreating a thin film sample composed of an inorganic material using sputtering,
When the sputtering rate of the organic standard sample composed of organic matter with respect to the sputtering rate of the inorganic standard sample composed of inorganic material is defined as the sputtering rate ratio, argon is added to the thin film sample under the sputtering conditions where the sputtering rate ratio is 5 or more. A pretreatment method for a thin film sample characterized by selectively removing organic substances adhering to the thin film sample by irradiation with a gas cluster ion beam.
前記スパッタレート比が200以下であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜状の試料の前処理方法。 2. The thin film sample pretreatment method according to claim 1, wherein the sputtering rate ratio is 200 or less. 請求項1または2に記載の薄膜状の試料の前処理方法により前処理を行った薄膜状の試料を分析することを特徴とする薄膜状の試料の分析方法。 Method for analyzing thin film sample, characterized by analysis of thin-film sample pretreated by the pretreatment method of a thin film-like sample according to claim 1 or 2. X線光電子分光法を用いて、前記前処理を行った薄膜状の試料を分析することを特徴とする請求項3に記載の薄膜状の試料の分析方法。 4. The method for analyzing a thin film sample according to claim 3 , wherein the thin film sample subjected to the pretreatment is analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy. 前記薄膜状の試料が金属酸化物を含んでおり、前記金属酸化物における酸素と金属との存在比を分析することを特徴とする請求項3または4に記載の薄膜状の試料の分析方法。 The method for analyzing a thin film sample according to claim 3 or 4, wherein the thin film sample contains a metal oxide, and an abundance ratio of oxygen and metal in the metal oxide is analyzed.
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