JP6815961B2 - 質量分析装置および質量分析方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、質量分析装置および質量分析方法に関する。

半導体素子の微細化、高集積化に伴い、微小領域における高精度な質量分析が要求されている。そこで、レーザＳＮＭＳ（Sputtered Neutral Mass Spectrometry）が注目されている。レーザＳＮＭＳは、イオンビームの照射によって試料表面から放出された粒子に対してレーザ光を照射する。これにより、粒子はイオン化され、イオン粒子が質量分析される。

レーザＳＮＭＳにより質量分析を行う場合、イオン粒子の検出精度は、レーザ光の照射条件やイオン粒子の質量分析条件等の測定条件に影響される。しかし、測定条件の調整は複雑で熟練した技術を要するため、多くの時間を要する。

特開平７−２８０７５２号公報

短時間で簡易にイオン粒子の検出精度を高めることが可能な質量分析装置および質量分析方法を提供する。

一実施形態によれば、質量分析装置は、ビーム照射部と、レーザ照射部と、質量分析部と、制御部と、を備える。ビーム照射部は、イオンビームを試料へ照射する。レーザ照射部は、試料の上方にレーザ光を照射する。質量分析部は、イオン化された粒子を質量分析する。制御部は、質量分析部の分析結果に基づいて、レーザ照射部および質量分析部の少なくとも一方を制御する。

第１実施形態に係る質量分析装置の構成を模式的に示す図である。 （ａ）はレーザ光の照射状態を示す平面図であり、（ｂ）はレーザ光の照射状態を示す断面図である。 質量分析部の内部構成を概略的に示す図である。 第１実施形態に係る質量分析方法を示すフローチャートである。 （ａ）は照射モードにおけるマススペクトルの一例を示し、（ｂ）は非照射モードにおけるマススペクトルの一例を示す。 測定条件の決定方法を説明するための図である。 第２実施形態に係る質量分析方法を示すフローチャートである。 （ａ）は質量分解能が低いマススペクトルの一例を示し、（ｂ）は質量分解能が高いマススペクトルの一例を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る質量分析装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態に係る質量分析装置１は、ビーム照射部１０と、レーザ照射部２０と、質量分析部３０と、制御部４０と、可変電源５０と、試料台６０と、チャンバ７０と、を備える。

ビーム照射部１０は、イオンビーム２０１を試料１００へ照射する。イオンビーム２０１は、例えば、ガリウムイオンを含んだ収束イオンビーム（ＦＩＢ）である。試料１００は、試料台６０に配置されている。真空状態のチャンバ７０内でイオンビーム２０１が試料１００に照射されると、試料１００はスパッタされ、その表面から粒子が放出される。

レーザ照射部２０は、光源２１と、レンズ部２２と、レンズ駆動部２３と、を有する。光源２１は、レーザ光２０２を放出する。レーザ光２０２は、レンズ部２２で集光されて試料１００の上方に照射される。試料１００から放出された粒子は、レーザ光２０２によってイオン化される。

レンズ駆動部２３は、制御部４０の制御に基づいてのレンズ部２２の位置を調整する。レンズ部２２の位置を調整することによって、レーザ光２０２の光学位置を調整することができる。ここで、レーザ光２０２の光学位置の調整について図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して説明する。

図２（ａ）は、レーザ光２０２の照射状態を示す平面図であり、図２（ｂ）は、レーザ光２０２の照射状態を示す断面図である。

図２（ａ）に示すように、レーザ光２０２の光学位置は、レーザ光２０２の光軸に交差する横方向Ｙと、レーザ光２０２の焦点Ｆを中心とする円周方向Ｒとに調整できる。また、焦点Ｆの位置も、横方向Ｙに直交する方向Ｘに調整できる。さらに、図２（ｂ）に示すように、レーザ光２０２の光学位置は、試料１００に対する高さ方向Ｚと、試料１００に対する傾斜方向Ｔとに調整できる。

レーザ光２０２によりイオン化されたイオン粒子は、質量分析部３０で質量分析される。ここで、図３を参照して、質量分析部３０について説明する。

図３は、質量分析部３０の内部構成を概略的に示す図である。図３に示す質量分析部３０は、イオン粒子の飛行を途中で反転させるリフレクトロン型である。具体的には、質量分析部３０は、引込電極３１と、レンズ電極３２と、第１偏向電極３３と、第２偏向電極３４と、ドリフト電極３５と、Ｒ−ｔｏｐ電極３６と、Ｒ−ｂｏｔ電極３７と、ＭＣＰ（Micro Channel Plate）３８と、を有する。

引込電極３１〜Ｒ−ｂｏｔ電極３７の各々は、イオン粒子の軌道に沿って配置されている。また、これらの電極は可変電源５０に接続されている。可変電源５０は、制御部４０の制御に基づいて、各電極に印加する電圧を調整することができる。

引込電極３１に電圧が印加されると、試料１００と質量分析部３０との間に電界が形成される。この電界によって、イオン粒子は質量分析部３０内へ引き込まれる。引き込まれたイオン粒子は、レンズ電極３２に電圧を印加することによって、集束される。

また、第１偏向電極３３、第２偏向電極３４、およびドリフト電極３５に印加する電圧を可変電源５０で調整することによって、イオン粒子がＭＣＰ３８へ到達できるように軌道調整できる。さらに、Ｒ−ｔｏｐ電極３６およびＲ−ｂｏｔ電極３７に印加する電圧を可変電源５０で調整することによって、イオン粒子のバラつきを変えることができる。

ＭＣＰ３８は、イオン粒子を検出する。これにより、イオン粒子の飛行時間ＴＯＦ（Time Of Flight）を測定することができる。飛行時間ＴＯＦは、イオン粒子の質量に換算できる。したがって、質量分析部３０は、飛行時間に基づいてイオン粒子の質量を検出することによって、試料１００に含まれた材料（元素）を特定することができる。

以下、本実施形態に係る質量分析方法について説明する。図４は、本実施形態に係る質量分析方法を示すフローチャートである。

まず、ビーム照射部１０が、制御部４０の制御に基づいて照射モードになり、イオンビーム２０１を試料１００へ照射する（ステップＳ１）。続いて、レーザ照射部２０が試料１００の上方にレーザ光２０２を照射する（ステップＳ２）。

次に、質量分析部３０が、イオン粒子を質量分析する（ステップＳ３）。質量分析部３０の分析結果は、制御部４０へ出力される。その後、ビーム照射部１０は、制御部４０の制御に基づいて、照射モードからイオンビーム２０１を照射しない非照射モードに切り替わる（ステップＳ４）。

続いて、レーザ照射部２０が、ステップＳ２と同様に、レーザ光２０２を照射する（ステップＳ５）。次に、質量分析部３０は、ステップＳ３と同様に、イオン粒子を質量分析する（ステップＳ６）。ここで、照射モードと非照射モードの各々における質量分析部３０の分析結果の一例について図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して説明する。

図５（ａ）は、照射モードにおけるマススペクトルの一例を示す。図５（ｂ）は、非照射モードにおけるマススペクトルの一例を示す。図５（ａ）および図５（ｂ）において、横軸は、質量ｍと電荷数ｚとの質量電荷比（mass to charge ratio）ｍ／ｚを示し、縦軸はイオン粒子の検出強度(detected intensity)を示す。なお、図５（ａ）および図５（ｂ）における横軸のスケールは、互いに等しい。一方、図５（ａ）における縦軸のスケールは、図５（ｂ）における縦軸のスケールよりも大きい。

ステップＳ２でレーザ照射部２０がレーザ光２０２を照射すると、試料１００の表面から放出した粒子だけでなくチャンバ７０内にごく微量に存在する気体粒子もイオン化される。イオン化された気体粒子は、質量分析部３０内に取り込まれる。そのため、図５（ａ）に示すマススペクトルには、イオン化された気体粒子の検知強度も含まれてしまう。

そこで、本実施形態では、ステップＳ５でイオンビーム２０１を照射することなくレーザ光２０２を照射することによって、イオン化された気体粒子のみを質量分析部３０内に取り込む。その結果、図５（ｂ）に示すマススペクトルには、イオン化された気体粒子の検知強度のみが示される。

ステップＳ６に続いて、制御部４０は、照射モードにおけるイオン粒子の検出強度Ａと、非照射モードにおけるイオン粒子の検出強度Ｂと、の強度比Ａ／Ｂを算出する（ステップＳ７）。例えば、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、および水酸基（ＯＨ）が試料１００に含まれている場合、図５（ａ）に示すマススペクトルでは、３つのピーク値Ａ１、Ａ２、Ａ３が検出される。そのため、制御部４０は、図５（ｂ）に示すマススペクトルからピーク値Ａ１〜Ａ３にそれぞれ対応するピーク値Ｂ１〜Ｂ３を特定し、各ピーク値の強度比Ａ１／Ｂ１〜Ａ３／Ｂ３を算出する。

強度比Ａ／Ｂの算出後、制御部４０は、レンズ駆動部２３および可変電源５０の少なくとも一方を制御することによって、イオン粒子の測定条件を調整する（ステップＳ８）。ステップＳ８では、制御部４０の制御動作によって、レンズ部２２の位置が変わると、レーザ光２０２の照射条件は変更される。また、イオンビーム２０１の照射開始時間からレーザ光２０２の照射開始時間までの遅延時間が変わっても、レーザ光２０２の照射条件は変更される。一方、制御部４０の制御動作によって、質量分析部３０に設けられた電極の印加電圧が変化すると、イオン粒子の軌道における電界強度が変更される。

なお、ステップＳ８では、レンズ部２２を位置調整する場合、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す全てのパラメータについて変更する必要はない。例えば、横方向Ｙ、高さ方向Ｚ、および焦点Ｆの位置調整がイオン粒子の検出に敏感に反応する場合、これらの位置調整を優先的に行ってもよい。

同様に、質量分析部３０に設けられた電極の印加電圧を調整する場合も、全ての電極について印加電圧を調整する必要はない。例えば、レンズ電極３２、第１偏向電極３３、および第２偏向電極３４の印加電圧が、イオン粒子の検出に敏感に反応する場合、これらの電圧調整を優先的に行ってもよい。このように制御部４０の制御動作の優先度を設定することによって、測定時間を短縮することができる。

上述したステップＳ１〜ステップＳ８の動作は、イオン粒子の検出感度を高めるために、測定条件の調整回数が予め設定された上限値に到達するまで行われる（ステップＳ９）。このように制御部４０の制御動作の回数を制限することによって、測定時間を抑制することができる。

調整回数が上限値に到達すると、制御部４０は、各回の調整時に算出した強度比Ａ／Ｂに基づいて測定条件を決定する（ステップＳ１０）。ここで、図６を参照して、測定条件の決定方法について説明する。

図６に示すように、制御部４０は、測定条件を調整するたびに、強度比Ａ／Ｂを頂点とする多角形（図６では三角形）の面積を算出する。この面積が大きくなるにつれて、粒子の検出感度は高くなる。そのため、ステップＳ１０では、制御部４０は、上記多角形の面積が最大となる測定条件を決定する。

以上説明した本実施形態によれば、試料１００に含まれた粒子を質量分析する際、イオンビーム２０１の非照射モードでイオン化された気体粒子を質量分析することで、当該気体粒子の影響を排除している。また、制御部４０が、照射モードおよび非照射モードの強度比Ａ／Ｂに基づいて、試料１００に含まれた粒子の検出に適した測定条件を自動的に決定する。よって、短時間で簡易に粒子の検出精度を高めることが可能となる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。本実施形態では、装置の構成は、上述した質量分析装置１と同様であるので説明を省略する。

上述した質量分析装置１では、質量分析部３０は、イオン粒子の飛行時間ＴＯＦに基づいて質量分析を行う。そのため、例えば、質量数３０のシリコン同位体（^３０Ｓｉ）の水素化物（^３０ＳｉＨ）とリン（Ｐ）のような質量差が小さい複数種のイオン粒子を検出する場合、各イオン粒子の分解能を高める必要がある。

そこで、本実施形態では、図７に示すフローチャートに基づいて質量分析を行う。図７は、本実施形態に係る質量分析方法を示すフローチャートである。

まず、ユーザの操作によって、高質量分解能モードまたは高感度モードが選択される。選択結果は制御部４０に入力される（ステップＳ２１）。高感度モードが選択された場合（ステップＳ２２）、図４に示す第１実施形態で説明したステップＳ１〜ステップＳ１０の動作が行われる。

高質量分解能モードが選択された場合、ユーザの操作によって、測定対象の元素種が選択される。選択結果は制御部４０に入力される（ステップＳ２３）。続いて、ビーム照射部１０が、制御部４０の制御に基づいてイオンビーム２０１を試料１００へ照射する（ステップＳ２４）。続いて、レーザ照射部２０が試料１００の上方にレーザ光２０２を照射する（ステップＳ２５）。次に、質量分析部３０が、イオン粒子を質量分析する（ステップＳ２６）。質量分析部３０の分析結果は、制御部４０へ出力される。

制御部４０は、質量分析部３０の分析結果に基づいてステップＳ２３で選択された元素種に対応するイオン粒子の質量分解能ｒを算出する（ステップＳ２７）。ここで図８（ａ）および図８（ｂ）を参照して質量分解能ｒについて説明する。

図８（ａ）は、質量分解能ｒが低いマススペクトルの一例を示す。一方、図８（ｂ）は質量分解能ｒが高いマススペクトルの一例を示す。図８（ａ）および図８（ｂ）において、横軸は、質量ｍと電荷数ｚとの質量電荷比（mass to charge ratio）ｍ／ｚを示し、縦軸は、ステップＳ２３で選択されたイオン粒子Ｍ１、Ｍ２の検出強度(detected intensity)を示す。なお、図８（ａ）における縦軸および横軸のスケールは、図８（ｂ）における縦軸および横軸のスケールと等しい。

制御部４０は、ｒ＝Ｍ／Δｍに基づいて質量分解能ｒを算出する。Ｍは、検出強度のピーク値に対応する質量電荷比である。Δｍは、いわゆる半値幅である。具体的には、Δｍは、質量電荷比Ｍとピーク値の半値幅である。

図８（ａ）では、イオン粒子Ｍ１、Ｍ２のマススペクトルが重なり合っているので質量分解能ｒは低い。そこで、図８（ｂ）に示すように質量分解能ｒを高めるために、制御部４０は、イオン粒子Ｍ１、Ｍ２の測定条件を調整する（ステップＳ２８）。本実施形態では、制御部４０は、レーザ照射部２０の光源２１を制御して、イオンビーム２０１の照射開始時間からレーザ光２０２の照射開始時間までの遅延時間を変更する。なお、制御部４０は、第１実施形態と同様に、レンズ部２２の位置または質量分析部３０の電極の印加電圧を変更してもよい。

上述したステップＳ２４〜ステップＳ２８の動作は、イオン粒子Ｍ１、Ｍ２の質量分解能ｒを高めるために、測定条件の調整回数が予め設定された上限値に到達するまで行われる（ステップＳ２９）。本実施形態でも、第１実施形態と同様に制御部４０の制御動作の回数を制限することによって、測定時間を抑制することができる。

調整回数が上限値に到達すると、制御部４０は、各回の調整時に算出した質量分解能ｒに基づいて測定条件を決定する（ステップＳ３０）。本実施形態では、制御部４０は、質量分解能ｒが最大となる測定条件を決定する。

以上説明した本実施形態によれば、質量差が小さな複数種のイオン粒子を質量分析する際、質量分解能ｒが高くなるように測定条件が自動的に決定される。よって、上記イオン粒子の検出精度を、短時間で簡易に高めることが可能となる。

なお、特許請求の範囲に記載された質量分析装置において、制御部は、制御動作を行うたびに、照射モードにおける粒子の検出強度と、非照射モードにおける粒子の検出強度との強度比を算出し、強度比に基づいて粒子の測定条件を決定してもよい。

また、上記質量分析装置において、制御部は、制御動作を行うたびに、強度比を頂点とする多角形の面積を算出し、算出した面積に基づいて測定条件を決定してもよい。

また、上記質量分析装置において、制御動作の優先度が予め設定されていてもよい。

また、上記質量分析装置において、制御動作の回数の上限が予め設定されていてもよい。

また、上記質量分析装置において、制御部は、質量分解能に基づいて粒子の測定条件を決定してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０ ビーム照射部、２０ レーザ照射部、３０ 質量分析部、４０ 制御部、

Claims (4)

1. イオンビームを試料へ照射するビーム照射部と、
   前記試料の上方にレーザ光を照射するレーザ照射部と、
   イオン化された粒子を質量分析する質量分析部と、
   前記質量分析部の分析結果に基づいて、前記レーザ照射部および前記質量分析部の少なくとも一方を制御する制御動作を行う制御部と、
   を備え、
   前記ビーム照射部は、前記イオンビームを照射する照射モードと、前記イオンビームを照射しない非照射モードとを繰り返し、
   前記制御部は、前記照射モードと前記非照射モードの各々における前記分析結果に基づいて前記制御動作を行う、質量分析装置。
2. 前記質量分析部は、前記粒子の軌道に沿って配置された電極を有し、
   前記制御部は、前記制御動作で、前記電極に印加される電圧を制御する、請求項１に記載の質量分析装置。
3. 前記レーザ照射部は、前記レーザ光を集光するレンズ部を有し、
   前記制御部は、前記制御動作で、前記レンズ部の位置、または前記イオンビームの照射開始時間から前記レーザ光の照射開始時間までの遅延時間を制御する、請求項１または２に記載の質量分析装置。
4. イオンビームを試料へ照射する照射モードと、前記イオンビームを前記試料へ照射しない非照射モードとを繰り返し、
   前記試料の上方にレーザ光を照射し、
   前記レーザ光でイオン化された粒子を質量分析し、
   前記照射モードと前記非照射モードの各々における前記粒子の分析結果に基づいて、前記レーザ光の照射条件と前記粒子の質量分析条件との少なくとも一方を制御する、質量分析方法。

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