JPH03145046A - 大立体角静電分析器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体産業分野をはじめ材料科学分野におい
て、高エネルギーイオンビームを利用して、電子デバイ
ス、機能薄膜を分析する装置の機能、構造を向上させる
技術に関する。

（従来の技術） 膨大な量の情報をコンピュータで処理する場合、記憶容
量を増大し、処理速度を高速化することが求められる。

そのためには、ＩＣの高集積化がＬＳＩからＶＬＳ　Ｉ
へ、また３次元ＩＣへと開発が進められている。これに
伴って、個々の素子やその配線等は極微小化し、多層化
し、表面から極めて浅い領域が活性層として使われつつ
ある。さらに、分子線エピタキシーなどの原子層レベル
の成膜技術が昨今注目されるようになってきている。

このようなＩＣの開発、プロセス研究においては、表面
および表面皮下における深さ方向の構造観察や組成評価
が極めて重要であり、そのためには、高エネルギー（Ｍ
ｅＶ）イオンビームによるラザフォード後方散乱法（Ｒ
ＢＳ）や粒子励起Ｘ線法（ＰＩＸＥ）を利用した分析手
法が非常に有効である。

ＲＢＳ法は、ＭｅＶ９１域のエネルギーをもつイオンが
試料中で後方散乱されてくる過程が、試料中の元素の原
子核によるクーロン弾性散乱であることを利用したもの
である。弾性散乱（ビリヤード散乱）では、エネルギー
保存が成立ち、散乱されたイオンのエネルギーは衝突し
た試料中の元素の質量を反映したもので、この量をもち
いて試料の組成分析が可能となる。イオンの入射エネル
ギーＥ０が散乱後の已に変わるパラメータはカイネマテ
ィク因子にと呼ばれ次式で与えられる。

ここに、Ｍ、は入射イオンの質量、Ｍｔは試料の標的原
子核の質量、θは散乱角度である。

カイネマティク因子には、標的原子核の質量Ｍ！の関数
であるとともに、散乱角度θの関数である。

さらに実際には、衝突が試料表面で起こる場合、イオン
がそこに行きつくまで、そこから抜は出てくるまでに、
試料媒質中の電子によるエネルギー損失を受け、さらに
数％程度エネルギーが下がる。この僅かなずれが元素の
深さ方向の分布の情報を与える。従って、これらイオン
情報を検出する分析器のエネルギー分解能が高いほど、
試料表面の深さ方向の分解能が高い分析が可能となるわ
けである。

第６図は、従来のＲＢＳ測定装置と分析器との構成配置
を示す、真空槽（１）内で数ＭｅＶのバンプグラフ型な
どの加速器で発生させた陽子またはヘリウムの入射イオ
ンビーム（２）が直径１ｍｍ程度の２組の上下流スリッ
ト（３）（４）で０．０１度程度の拡がり角にコリメー
トされ、２軸ゴニオメータ（５）上の試料（６）に照射
される。試料から後方散乱されたイオン（７）のビーム
は、通常、シリコン表面障壁型の半導体検出器（８）で
検出され、アンプ（９）で増幅されたあと、マルチチャ
ネル波高分析器（１０）によりエネルギー分析される。

半導体検出器（８）（ＳＳＤ）は、ｐ−ｎ接合からなる
ダイオードに逆電圧を印加しておくと、通常空乏層にキ
ャリヤがないので電流が流れないが、放射線が入射して
空乏層に電子・正孔対が生じたときのみキャリヤができ
て電流が流れる、という現象を利用したものである。

ＲＢＳ測定には、普通、表面障壁型と呼ばれる、ｎ型半
導体の表面に薄く金などの金属を蒸着してメタル−半導
体結合をつくったものが使われる０表面の不感層の厚さ
を極めて薄くできる０表面の不感層の厚さを極めて薄く
できるので、飛程の短いイオンの検出に通している。そ
のエネルギー分解能は１５〜２０ｋｅＶであり、２０〜
３Ｑｎｍの深さ分解能に対応する。イオンのエネルギー
をＩＭｅＶと仮定すると、エネルギー分解能ΔＥ／Ｅは
２Ｘ１０””程度でしかない、半導体検出器（８）の形
状は、感受面積１０〜１００ｍｍ”のコイン型と、中央
に孔があいたアニユラ−型がある。

ＲＢＳ測定の散乱イオン（７）の検出には通常半導体検
出器（８）が使用され、その深さ分解能は２０〜３０ｎ
ｍであるが、表層構造をさらに詳しく調べるにはエネル
ギー分解能をさらによくする必要があり、そのための従
来技術としてはトロイダル静電型分析器（ＴＥＡ）が知
られている。第７図はオランダのＦＯＭ研究所で開発さ
れたトロイダル分析器を示す。

この分析器では、入射イオンビーム（２）がゴニオメー
タ（５）上の試料（６）に入射され、試料からの後方散
乱イオン（７）は散乱角３０度にわたってトロイダル静
電型分析器の電極（１１）に捕らえられる。電極（１１
）は後方散乱イオンを同一曲率半径で曲げてスリット（
１２）、マイクロチャネルプレート（１３）を経て、散
乱角度割にポジションセンシティブな検出器（１４）で
検出し、その位置情報を波高に置き換える電子回路（１
５）を経て、マルチチャネル波高分析器（１０）に記録
する。エネルギー弁別はトロイダル電極（１１）に±２
０ＫＶ高圧電ａｉ（１６）からかける電圧を掃引するこ
とで行う。表面構造の分析には、エネルギー掃引や散乱
角度割の２次元データをラザフォード散乱の角度依存性
補正のため複雑な集計換算を行い、組成、構造情報を抽
出する。

このトロイダル静電型分析器（ＴＥＡ）では、ＲＢＳの
後方散乱イオンを静電場で偏向してエネルギー分離する
ので、分離能が比で得られる特徴があり０分解能ΔＥ／
Ｅが４Ｘ１０−３程度でＳＳＤに較べて１桁良くなる。

尚、第７図中、（８゛）は補助併用する半導体検出器、
（１７）はマイクロチャネルプレート用電源を示す。

（発明が解決しようとする問題点） 第６図のＲＢＳ法装置に用いるＳＳＤ半導体検出器（８
）では、エネルギー分解能が精々１５ｋｅＶ程度で、Ｒ
ＢＳ分析による深さ方向のスケールに換算して約２０　
ｎｍＬかないため、原子層エピタキシー膜などの解析の
必要に対応できない。

また、コイン型検出器を用いて１７ｏ＠以下の角度に設
置する場合でも、感受面が円形状をしているため、ある
程度幅をもって散乱角度の異なるイオンを同時に取り込
まざるを得なくなる。そのため、検出器を試料に近付は
立体角を大きくとって検出イオンの数をかせぐが、この
ことと、エネルギー分解能をあげることとが両立しない
。

また、第７図のトロイダル静電分析器では、大きな立体
角をもつものの、散乱角の異なるイオンを同時に捕える
ように検出窓が開かれ、捕えられたイオンの散乱角度を
読み取れるような電子回路となっている０表面構造を分
析するためには、検出イオン毎にラザフォード散乱の角
度依存性の補正をデータ解析において行う必要がある。

またイオンの散乱角度を読み取るための高価な電子回路
系も必要とする。

また第７図のトロイダル静電分析器の構造では一方向の
集束性しか期待できない。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、高エネルギーイオンビームを利用して、ラダ
フォード後方散乱法（ＲＢＳ）により試料表面の構造、
組成分析をする前記第６図および第７図の装置の前記問
題点を解決するためになされたものである。

本発明のＲＢＳ法の散乱イオンの検出器は、大立体角静
電分析器として、次のようにｔＳ威される。

（Ｉ）試料表面から散乱された散乱イオンを散乱イオン
のエネルギーの大きさに応じて偏向する１対の同心球面
電極に導入させる。

（ｎ）該同心球面電極から出てくる散乱イオンのうち特
定のエネルギーを持つイオンを通過させるスリットを設
け、該スリットを通過したイオンを検出するイオン検出
器を設けて検出器を構成する。この場合同心球面電極は
その中心が測定試料上流のビーム軸上にくるよう配置し
、スリットは上記中心からみて試料と反対側（上流側）
のビーム軸上に開口中心を持ち、入射イオンビームと散
乱イオンの両者が通過できるようにビーム軸に対して傾
けて配置する。

（作用） 本発明のように配置すると、同心球面電極で挟まれた空
間の窓は入射ビーム軸上の試料と交叉する一点を中心と
した、入射ビーム軸から測って一定角度の円環の一部と
−敗し、大立体角でしかも散乱角度一定のイオンのみを
捕獲することのできる検出系が実現される。

本発明による同心球型静電分析器は、イオン軌道の２方
向集束性を持ち、その集束点はイオン発射点と球面芯と
一直線になる性質（Ｂａｒｂｅｒ則）を持っている。す
なわち本発明では試料表面の同一点から発射された散乱
イオンで、本分析器の同心球面電極の窓の中に入ったも
のはすべて、再び入射スリット軸上で一点に集束するこ
とになる。（ただし、正確にはエネルギーの異なるイオ
ンは分散し、線に拡がることになる。

〉この特質により分析器に入ったイオンは殆ど１００％
捕獲でき、しかもスリットでのエネルギー弁別の分解能
をあげることができる。従って本発明では２重収束作用
をもった光学系となり、イオン輸送効率、エネルギー分
解能の高い検出系とすることができる。

こうして従来半導体検出器に比べて一桁以上高いエネル
ギー分解能が得られる。

（実施例） 第１図は本発明の１実施例の大立体角静電分析器の平面
図を示し、第２図はその斜視図を示す。

真空槽内で、数ＭｅＶのパンデグラーフ型などの加速器
で発生させた陽子またはヘリウムの入射イオンビーム（
２０）はスリット（２１）の中央をすり抜けて、ゴニオ
メータ（２２）の上の試料（２３）に照射される。試料
（２３）で後方散乱されて角度（θ）方向に出る後方散
乱イオン（２４）は中心（０）を入射イオンビーム（２
０）軸上に置く半径（Ｒ２）の同心球面電極の外側トロ
イダル電極（２５）と半径（ＲＩ）の内側トロイダル電
極（２６）との間の間隙窓（２７）に入る。これら電極
はそれからの電磁界が入射イオンビーム（２０）等に影
響することのないよう設置電位シールドケース（２８）
に囲われており、そして外側電極（２５）には＋Ｖ　ｏ
　／　２、内側電極（２６）には−Ｖ。

／２の電位がかけられる。

その結果、特定エネルギーのイオンのみが電極半径と同
じ軌道半径を描くように偏向させられて反対側に出る。

反対側には前記スリット（２１）が電極中心（０）から
みて試料（２３）と反対側のビーム（２０）軸上の上流
に開口中心を持つよう配置され電極間隙窓（２７）から
出てきた特定散乱イオンがスリット（２１）で切り出さ
れて、イオン検出器（２９）で検出され、アンプ（３０
）で増幅されたあと、マルチチャネルスケーラにて記録
される。

トロイダル電極（２５）（２６）に印加する電圧ｖＯを
少しづつ変えては、マルチチャネルスケーラのチャネル
を切り替える操作を繰り返してエネルギースペクトルを
得る。

試料（２２）とビーム軸（２０）の交点、トロイダル電
極（２５）（２６）の半径の中心（０）およびスリット
（２１）の開口中心は、ビーム軸に一致した直線上に配
置されるので、Ｂａｒｂｅｒ則より２方向集束性が戒り
立つ、すなわち、ビームオブテイクスの第３図の平面図
、第４図の垂直面図に示すように、試料（２３）の同一
点から発射された散乱イオン（２４）で間隙窓（２７）
の中に入ったものはすべて、再びスリット上に集束する
ことになる。この特質により本発明の静電分析器に入っ
た後方散乱イオンは殆ど１００％捕獲でき、しかもスリ
・ント（２１）でのエネルギー弁別の分解能が向上する
。

本発明の実施を可能とする数値の１例を示せば、次のと
おりである。

同心球面電極の中心平衡軌道は、第５図の各部寸法に基
づいてｍγ。ω”　−６Ｅ、より求められ、（１）−Ｖ
／　Ｔ　ｏ　、Ｅ−２Ｖ　ｏ／　ｄ　（ただし、Ｖ；イ
オン速度、ＶｏＨ電極間電圧、ｄ；電極間隔）より ｍ　　　　ｖ　　　　　　２Ｖ。

ｅ　　　Ｔｏ　　　　　ｄ 変形して、 ｅＶ。

で測るとして約ＩＭｅＶと仮定し、また電極としてｒｏ
　＝３００ｍｍＳ　ｄ−３ｍｍとおくと、電極電圧とし
てｌ０ＫＶが必要となるが、これは実現可能である。

１ＭｅＶで散乱してくるイオンは最悪の条件であり、殆
どの応用ではそれ以下であるので実現性はある。ただ電
極間の電界６ＫＶ／ｍｍとするには、設計製作上の細心
の注意を払えばよい。

分解能については上記数値条件で、ビーム径、スリット
幅１ｍｍが確保できれば１．６　Ｘ　１０−”が保証さ
れる。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、ＲＢＳ法分析に関し、
散乱角度一定の大立体角のイオン検出面積を実現でき、
２重収束作用をもった光学系となり、イオン輸送効率、
エネルギー分解能の高い検出系を実現でき、半導体検出
器に比べて１桁以上高いエネルギー分解能が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の大立体角静電分析器の平面
図、第２図はその斜視図、第３図はそのビームオプティ
クスの平面図、第４図はその垂直面図、第５図はその各
部数値指摘図、第６図は従来のＲＢＳ測定装置の構成国
、第７図は従来のトロイダル静電型分析器の１例の斜視
図である。 （１）・・・真空槽、（２）・・・入射イオンビーム、
（３）（４）　　・・・スリット、（５）・・・ゴニオ
メータ、（６）・・・試料、（７）・・・後方散乱イオ
ン、（８）　　（８’）・・・半導体検出器、（９）・
・・アンプ、（ｌＯ）・・・マルチチャネル波高分析器
、（ｌｌ）・・・トロイダル静電型分析器、（１２）・
・・スリット、（１３）・・・マイクロチャネルプレー
ト、（１４）・・・ポジションセンシティブ検出器、（
１５）・・・電子回路、（１６〉・・・高圧電源、（１
７）・・・マイクロチャネルブレー用電源、（２ｏ）・
・・入射イオンビーム、（２１）　　・・・スリット、
（２２）・・・ゴニオメータ、（２３）　　・・・試料
、（２４）・・・後方散乱イオン、（２５）・・・外側
トロイダル電極、（２６）・・・内側トロイダル電極、
（２７）・・・間隙窓、（２８）・・・設置電位シール
ドケース、（２９）・・・イオン検出器、（３ｏ）・・
・アンプ、（θ）・・・角度、（０）　・・・中心、（
Ｒ１）（Ｒ１）・・・電極半径。 第３図 ２５　（２６） ３ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 高エネルギーイオンビームを利用して、ラザフォード後
   方散乱法（ＲＢＳ法）による試料表面の構造、組成分析
   する装置の散乱イオンの検出器に関して、 I ）該検出器は、試料表面から散乱された散乱イオン
   を散乱イオンのエネルギーの大きさに応じて偏向する１
   対の同心球面電極と、該同心球面電極から出てくる散乱
   イオンのうち特定のエネルギーを持つイオンのみを通過
   させるスリットと、該スリットを通過したイオンを検出
   するイオン検出器とから構成されており、 II）該同心球面電極は、その中心が測定試料上流のビー
   ム軸上にくるように配置し、 III）該スリットは、該中心からみて試料と反対側（上
   流側）のビーム軸上に開口中心を持ち、入射イオンビー
   ムと散乱イオンの両者が通過できるようにビーム軸に対
   して傾けて配置した、 ことを特徴とする散乱イオンエネルギーの大立体角静電
   分析器。