JPH0378955A - Method and device for inspection of solid surface - Google Patents

Method and device for inspection of solid surface

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JPH0378955A
JPH0378955A JP1214360A JP21436089A JPH0378955A JP H0378955 A JPH0378955 A JP H0378955A JP 1214360 A JP1214360 A JP 1214360A JP 21436089 A JP21436089 A JP 21436089A JP H0378955 A JPH0378955 A JP H0378955A
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solid surface
surface inspection
ion beam
laser
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JP1214360A
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Japanese (ja)
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Hiroshi Doi
土井 紘
Michiro Mamada
儘田 道郎
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To provide possibility of sensing impurity contained in a specimen in a ultra-micro amount by irradiating the object area of the specimen with two types of laser beam together with a primary ion beam. CONSTITUTION:In the attitude to allow the optical axes to intersect, different types of laser beam source 13a, laser beam source 13b, laser beam source 13c are arranged on the surface of a specimen 6 in its position to be inspected where irradiation is made with primary ion beam 4 and primary electron beam 4a, and this position of specimen 6 to be inspected is irradiated with laser beam 14a, laser beam 14b, and laser beam 14c emitted from these sources. This provided ultra-high sensitivity and precision sensing of the type of secondary ions 11 generated from the object inspection part of specimen 6 by irradiation with the primary ion beam 4, primary electron beam 4a, and laser beams 14a, 14b, and 14c.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体表面検査技術に関し、特に、二次イオン
質量分析による半導体集積回路素子の製造プロセスにお
ける超極微量不純物元素の検出および不純物元素の化合
物状態の検出によるプロセス評価を行う固体表面検査技
術に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to solid surface inspection technology, and in particular to the detection of ultratrace impurity elements in the manufacturing process of semiconductor integrated circuit devices by secondary ion mass spectrometry and the detection of impurity elements. This paper relates to solid surface inspection technology for process evaluation by detecting the state of compounds.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体集積回路素子の製造プロセスにおいては、素子の
高集積化、微細化などに伴って、ppmおよびppt程
度以下の超極微量の不純物元素の存在、および数ppm
程度の化合物の存在が素子の性能や歩留りなどに大きく
影響するに至っており、微小領域に限らず、数10μm
2の領域に右ける超極微量不純物元素の高感度検出右よ
びそれら元素の化合物状態の検出が必須となっている。
In the manufacturing process of semiconductor integrated circuit devices, as devices become more highly integrated and miniaturized, the presence of ultra-trace amounts of impurity elements of less than ppm and ppt, and the presence of impurity elements of several ppm.
The presence of compounds of only a few tens of micrometers has come to have a great effect on device performance and yield, and is not limited to minute areas, but
High-sensitivity detection of ultra-trace impurity elements in the 2nd region and detection of compound states of these elements are essential.

このような要請に呼応すべく近年では、次のような二次
イオン質量分析゛装置ならびにレーデ光利用による極微
量元素検出技術などが用いられるに至っている。
In response to such demands, in recent years, the following secondary ion mass spectrometers and techniques for detecting trace elements using radar light have come into use.

それらの概要は、次の通りである。すなわち二次イオン
質量分析装置では、試料の検査部位に一次イオンビーム
を照射し、その際、試料表面でスパッタされた二次粒子
の中でイオン化した粒子、二次電子、オージェ電子など
の二次粒子を質量分析したりエネルギー分析したりして
、試料表面自体の元素分析や化合物状態を測定すること
により、試料の特定の部位の表面および断面方向におけ
る超極微量不純物元素の存在やそれらの分布などを把掘
して、実際の試料で半導体集積回路素子の電気的動作不
良原因の解明やこれら素子の作製条件の最適値などの判
定などを実施しようとするものである。
Their outline is as follows. In other words, in a secondary ion mass spectrometer, a primary ion beam is irradiated onto the inspection area of a sample, and at that time, secondary particles such as ionized particles, secondary electrons, and Auger electrons are detected among the secondary particles sputtered on the sample surface. By mass spectrometry and energy analysis of particles to measure the elemental analysis and compound state of the sample surface itself, we can determine the presence and distribution of ultratrace impurity elements on the surface and cross-sectional direction of specific parts of the sample. The aim is to use actual samples to clarify the causes of electrical malfunctions in semiconductor integrated circuit devices and to determine the optimal values for the manufacturing conditions for these devices.

たとえば、半導体集積回路素子では、サブミクロンの大
きさの領域における不純物の検出で不良品の解析が必要
となる。そのような微小部になると、一般に分析部位の
面積に検出感度がほぼ逆比例するので、通常の二次イオ
ン質量分析装置でも、ppmのオーダーの不純物でさえ
検出することが困難となる。そのため、不良品と良品と
の比較をしても有意差がでないこともある。その対策と
してできる限り広い面積の試料を模擬のものとして作製
しそれを分析して評価する方法をとっている。
For example, in semiconductor integrated circuit devices, it is necessary to analyze defective products by detecting impurities in submicron-sized regions. When it comes to such minute parts, detection sensitivity is generally inversely proportional to the area of the analysis site, making it difficult to detect even impurities on the order of ppm even with a normal secondary ion mass spectrometer. Therefore, even if a defective product is compared with a non-defective product, there may be no significant difference. As a countermeasure, we create a simulated sample with as wide an area as possible and analyze and evaluate it.

しかし、実際の試料(素子)の微小部について分析を行
わなければ、不良原因が解明できないことが多くなりつ
つある。
However, it is increasingly becoming impossible to determine the cause of failures without analyzing the minute parts of the actual sample (device).

なふ、従来の二次イオン質量分析装置については、株式
会社講談社1976年8月1日第8刷発行、染野檀、安
盛岩雄編「表面分析」などの文献に概要が記載されてい
る。
Regarding the conventional secondary ion mass spectrometer, an outline is described in documents such as "Surface Analysis" edited by Dan Someno and Iwao Yasumori, published by Kodansha Co., Ltd., August 1, 1976, 8th edition.

一方、超極微量不純物の中で、Si単結晶中にFeが含
有した場合について、Feの新しい検出方法として、ア
メリカ合衆国アルゴンヌ国立研究所(^rgonne 
National Laboratory)の研究者達
が開発した光イオン化方法(エレクトロニクス・ウィー
ク (ε1ectronics Week) ;Dec
ember  17 。
On the other hand, among the ultra-trace impurities, a new detection method for Fe in the case where Fe is contained in a Si single crystal has been proposed at the Argonne National Laboratory in the United States.
Photoionization method developed by researchers at the National Laboratory (Electronics Week) ; Dec
ember 17.

1984、 P22.24または、走査電子顕微鏡(S
canning Electron Miocrosc
opy) 、  1986 。
1984, P22.24 or scanning electron microscope (S
canning Electron Miocrosc
opy), 1986.

1、P21.22参照)がある。この方法では、試料に
Ar+イオンを照射した時、スパッタされた中性粒子(
Neutrals )に対して、まず、グイ・レーザ(
Dye La5er)を照射して励起した上で、さらに
エキシマ・レーザ(巳xcimer La5er)を照
射して、所望の不純物をイオン化しようとする方法であ
る。ここでは、主成分元素Siにグイ・レーザやエキシ
マ・レーザを照射しても励起もイオン化も起きない条件
を選びかつ不純物元素Feのみを選択的にイオン化でき
るために、これらイオンを質量分離せずに全イオンの形
で検出する方法がとられている。
1, see page 21.22). In this method, when a sample is irradiated with Ar+ ions, sputtered neutral particles (
Neutrals), first of all, Gui Laser (
This is a method in which desired impurities are ionized by irradiating and exciting a laser (dye La5er) and then irradiating with an excimer laser (excimer La5er). Here, we selected conditions in which neither excitation nor ionization occurs even when the main component element Si is irradiated with the Gouy laser or excimer laser, and only the impurity element Fe can be selectively ionized, so these ions are not mass-separated. A method is used to detect all ions in the form of all ions.

このような方法をとれば、市販されている二次イオン質
量分析計(S I M S ; 5econdary 
ran Mass Spectrometry)よりも
感度で4桁高くなることを報告している。この方法は、
共鳴型イオン化分析法(RI S ; Re5onan
ce Ionizat+on 5pectroscop
y)と呼ばれ、特定な分析対象元素Feのみを選択的に
イオン化できるので、イオンの検出は上記全イオン検出
の形で行われるが、Feのみを励起させかつイオン化し
、主成分元素ないしFe以外の元素は励起やイオン化を
させないような条件にするには、グイ・レーザやエキシ
マ・レーザの波長およびその半値幅を狭(した鋭いレー
デ光が必要となる。前記文献ではグイ・レーザとしては
Nb−Y−Alガーネット型で302.065nm。
If such a method is adopted, a commercially available secondary ion mass spectrometer (SIMS;
It has been reported that the sensitivity is four orders of magnitude higher than that of ran mass spectrometry. This method is
Resonance ionization spectrometry (RIS; Re5onan
ce Ionizat+on 5pectroscope
y), which can selectively ionize only a specific element to be analyzed, Fe, so ion detection is performed in the form of all ion detection described above, but only Fe is excited and ionized, and the main component element or Fe In order to create conditions that do not excite or ionize other elements, it is necessary to use a Gouy laser or excimer laser with a narrow wavelength and a sharp radar beam with a narrow half-value width. Nb-Y-Al garnet type, 302.065 nm.

エキシマ・レーデはXe−C1型で308nmに精密に
同調させておくことが必要であると記載されている。す
なわち、Fe以外の元素についても、その元素特有の励
起波長とイオン化波長に精密な調整を行うことが必要と
なる。
It is stated that the excimer lede is of the Xe-C1 type and needs to be precisely tuned to 308 nm. That is, for elements other than Fe as well, it is necessary to precisely adjust the excitation wavelength and ionization wavelength unique to that element.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

ところが、上記のような従来の二次イオン質量分析装置
(S I M S ; 5econdary Ion 
Mass Spectrometer)の場合、分析箇
所に最適のイオン化条件となりかつ最大の二次イオン電
流が得られるように、一次イオン種(Ch  、C−0
−、G。
However, the conventional secondary ion mass spectrometer (SIMS;
Mass Spectrometer), the primary ion species (Ch, C-0
-,G.

等)の選択、入射角の選択、電流密度の選択、二次イオ
ン種(正イオン、負イオンないしは化合物イオン等)の
選択等を′行っても、現状の装置ではイオン化効率に限
度があるために、検出すべき不純物の量が少ない時には
、目的とする元素を検出することは不可能である。勿論
、イオン化効率を高める手段としては、これまで利用し
ていなかった中性粒子を電子で衝撃する方法や光照射す
る方法などが数多く試みられてきた。しかし、増加する
イオン量は数10%程度であり、数桁向上させることが
できず、何か新しい高感度イオン化法の開発が必要とな
った。
etc.), the incident angle, the current density, and the secondary ion species (positive ions, negative ions, compound ions, etc.), there is a limit to the ionization efficiency with current equipment. In addition, when the amount of impurities to be detected is small, it is impossible to detect the target element. Of course, many attempts have been made to increase the ionization efficiency, including bombarding neutral particles with electrons and irradiating them with light, which have not been used so far. However, the amount of ions increased by only a few tens of percent, and an improvement of several orders of magnitude could not be achieved, necessitating the development of a new high-sensitivity ionization method.

また、従来のレーザ光照射による共鳴型イオン化分析法
(RI S ; Re5onance Ionizat
ion 5pectroscopy)では、Si単結晶
中のFeをイオン化する時には、グイ・レーザとして3
02.065nmの波長のものを、エキシマ・レーデと
しては303nmの波長のものを選択かつ精密に同調さ
せれば問題ないが、もし、その精密調整の波長が僅かに
ずれた時には、Feイオンの他に、主成分のSiもイオ
ン化する確率が生じるので、文献で示された全イオン検
出法による検出技術では問題となる。また、一次イオン
としてAr= イオンを照射した時にも、この照射によ
り主成分のSiがイオン化する確率もあり、このSi゛
イオンとFe”イオンとの区別を全イオン検出技術で行
うことは非常に困難である。さらに、S1単結晶中のF
e以外の不純物について、この不純物に十二分に同調し
た波長のレーザ光を選定することは難しく、特定な不純
物以外にも複数以上の元素が同時にイオン化してしまう
ので、これらイオンを何らかの方法で区別する方法がな
ければ、たとえイオン化効率が著しく高くなっても、検
出感度の向上に寄与できないという問題がある。
In addition, conventional resonance ionization analysis method (RIS) using laser beam irradiation is used.
ion 5pectroscopy), when ionizing Fe in a Si single crystal, a 3G laser is used.
There is no problem if you select and precisely tune the wavelength of 02.065 nm to the wavelength of 303 nm for excimer radar, but if the precisely adjusted wavelength deviates slightly, then Fe ions and other In addition, there is a possibility that the main component, Si, will also be ionized, which poses a problem with the detection technique based on the all-ion detection method shown in the literature. Furthermore, even when Ar= ions are irradiated as primary ions, there is a probability that Si, the main component, will be ionized due to this irradiation, and it is extremely difficult to distinguish between Si' ions and Fe' ions using all-ion detection technology. Furthermore, F in the S1 single crystal
For impurities other than e, it is difficult to select a laser beam with a wavelength sufficiently tuned to this impurity, and multiple elements other than the specific impurity will be ionized at the same time. If there is no way to differentiate, there is a problem that even if the ionization efficiency becomes significantly high, it will not be able to contribute to the improvement of detection sensitivity.

そこで、本発明の目的は、試料に超極置台まれる不純物
を検出することが可能な固体表面検査方法を提供するこ
とにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a solid surface inspection method capable of detecting impurities contained in a super-polarized sample.

本発明の他の目的は、試料に超極置台まれる不純物を検
出することが可能な固体表面検査装置を提供することに
ある。
Another object of the present invention is to provide a solid surface inspection device capable of detecting impurities contained in a sample in a super-polar position.

本発明のさらに他の目的は、多様な検査を的確に実施す
ることが可能な固体表面検査装置を提供することにある
Still another object of the present invention is to provide a solid surface inspection device that can accurately perform various inspections.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、次の通りである。
A brief overview of typical inventions disclosed in this application is as follows.

すなわち、本発明になる固体表面検査方法は、試料の目
的領域に対する一次イオンビームの照射によって発生す
る二次イオンおよび二次電子の少なくとも一方を検出し
て当該試料の目的領域における物質の分布状態を知る固
体表面検査方法であって、試料の目的領域に一次イオン
ビームとともに2種以上のレーザ光を照射するようにし
たものである。
That is, the solid surface inspection method of the present invention detects at least one of secondary ions and secondary electrons generated by irradiation of a target region of a sample with a primary ion beam, and detects the distribution state of substances in the target region of the sample. This is a known solid surface inspection method in which a target area of a sample is irradiated with two or more types of laser light along with a primary ion beam.

また、本発明になる固体表面検査装置は、試料を支持す
る試料台と、試料の目的領域に一次イオンビームを照射
する一次イオンビーム照射系と、試料から発生する二次
イオンを観測する二次イオン質量分析系とからなる固体
表面検査装置であって、一次イオンビームとともに試料
の目的領域に2種以上のレーザ光を照射するレーザ光源
を備えたものである。
The solid surface inspection device of the present invention also includes a sample stage that supports a sample, a primary ion beam irradiation system that irradiates a target area of the sample with a primary ion beam, and a secondary ion beam irradiation system that observes secondary ions generated from the sample. This is a solid surface inspection device consisting of an ion mass spectrometry system, and is equipped with a laser light source that irradiates a target area of a sample with two or more types of laser light along with a primary ion beam.

〔作用〕[Effect]

上記した本発明の固体表面検査方法によれば、たとえば
、一次イオンビームの照射時刻と2種以上のレーザ光の
各々の照射時刻の差の制御と、二次イオンおよび二次電
子の少な(とも一方の検出時刻と各照射時刻との差の制
御とを組み合わせることにより、後述のような理由で、
試料から二次イオンとともにスパッタリングされる中性
粒子のイオン化が促進され、レーザ光を照射された中性
粒子は90%程度までイオン化させることが可能となり
、それらイオンを約90%近く質量分析部に導くことが
できるので、中性粒子の約80%を質量分析することが
できる。
According to the solid surface inspection method of the present invention described above, for example, it is possible to control the difference between the irradiation time of the primary ion beam and the irradiation time of each of two or more types of laser beams, and to control the amount of secondary ions and secondary electrons (both By combining the control of the difference between one detection time and each irradiation time, for the reasons described later,
The ionization of neutral particles that are sputtered together with secondary ions from the sample is promoted, and it becomes possible to ionize up to about 90% of the neutral particles irradiated with laser light, and approximately 90% of these ions are transferred to the mass spectrometer. About 80% of the neutral particles can be analyzed by mass spectrometry.

これにより、試料の主成分の構成元素は勿論、微量不純
物や0. OO1ppbオーダーの超極微量不純物まで
も解明することができる。
As a result, not only the constituent elements of the main components of the sample but also trace impurities and 0. It is possible to elucidate even ultra-trace impurities on the order of OO1 ppb.

この結果、たとえば、それら超極微量不純物や微量不純
物が関与する半導体集積回路素子のプロセス関連の不良
原因を解明したり、プロセス条件を設定する基礎データ
を得ることができる。
As a result, for example, it is possible to elucidate the causes of process-related failures of semiconductor integrated circuit devices involving ultra-trace impurities and trace impurities, and to obtain basic data for setting process conditions.

また、上記した本発明の固体表面検査装置によれば、た
とえば、レーザ光源として、目的の極超微量不純物の中
性粒子を励起する特定波長の共鳴線ないしは当該究明線
程度に強い光を放出するか、または2種類以上の波長の
レーデ光の各々の発振時間が相関関係本持つように制御
可能なレーザ光源を用いることにより、後述のような理
由で、試料から二次イオンとともにスパッタリングされ
る中性粒子のイオン化が促進され、レーザ光を照射され
た中性粒子は90%程度までイオン化させることが可能
となり、それらイオンを約90%近く質量分析部に導く
ことができるので、中性粒子の約80%を質量分析する
ことができる。
Further, according to the solid surface inspection apparatus of the present invention described above, for example, as a laser light source, it emits light as strong as the resonance line or the resonance line of a specific wavelength that excites the target neutral particles of ultra-trace impurities. Alternatively, by using a laser light source that can be controlled so that the oscillation times of Raded light of two or more wavelengths have a correlation, it is possible to reduce the amount of time that is sputtered from the sample together with secondary ions for the reasons described below. The ionization of neutral particles is promoted, and the neutral particles irradiated with laser light can be ionized to about 90%, and nearly 90% of these ions can be guided to the mass spectrometer. Approximately 80% can be analyzed by mass spectrometry.

これにより、試料の主成分の構成元素は勿論、微量不純
物や0.001 p p bオーダーの超極微量不純物
までも解明することができる。
This makes it possible to elucidate not only the constituent elements of the main components of the sample but also trace impurities and ultra-trace impurities on the order of 0.001 p p b.

また、試料の目的領域に電子ビームを照射する電子ビー
ム照射系と、当該目的領域から発生する荷電粒子を検出
して画像を構成する画像観察手段とを備えるとともに、
特定の元素の検出強度を監視するモニタ手段を備えるこ
となどにより、特定の元素がある検出強度に到達した時
点で計測を停止したり、当該時点から所望の時間または
所望の深さまで計測作業を継続したり、他の測定部位や
別の試料への検査作業の移行を行うことが可能となり、
多層構造を呈する半導体集積回路装置などの試料に対す
る多様な検査を的確に遂行することができる。
Further, it includes an electron beam irradiation system that irradiates a target region of the sample with an electron beam, and an image observation means that detects charged particles generated from the target region and configures an image,
By providing a monitor that monitors the detection intensity of a specific element, it is possible to stop measurement when a certain detection intensity of a specific element is reached, or continue measurement work from that point until a desired time or desired depth. or transfer the inspection work to another measurement site or another sample.
Various tests can be accurately performed on samples such as semiconductor integrated circuit devices exhibiting a multilayer structure.

この結果、たとえば、それら超極微量不純物や微量不純
物が関与する半導体集積回路素子のプロセス関連の不良
原因を解明したり、プロセス条件を設定する基礎データ
を迅速かつ正確に得ることができる。
As a result, for example, it is possible to elucidate the causes of process-related defects in semiconductor integrated circuit devices involving ultra-trace impurities and trace impurities, and to quickly and accurately obtain basic data for setting process conditions.

すなわち、中性粒子をイオン化するのに必要なエネルギ
ーは電離電圧とも呼ばれ、第12図(a)および(b)
に示されるように、元素により大きく異なるが数ev〜
20数evである。なお、同図は、実験化学便覧編集委
員全編;実験化学便覧(新版)、共立出版株式会社(昭
和54年10月、22版)の419頁から421頁に子
細された種々の元素のイオン化電圧の値を原子番号順に
図にしたものである。同図から、イオン化電圧の大きさ
は、周期律の様に変化しているのがわかる。つまり、第
1族のアルカリ金属、第2族のアルカリ土類金属の元素
のイオン化電圧は小さく、第3族、第4属と次第に大き
くなり、第8族の希ガス類で極大値となる傾向にある。
In other words, the energy required to ionize neutral particles is also called ionization voltage, and is shown in Figures 12 (a) and (b).
As shown in , it varies greatly depending on the element, but it is several ev ~
It is about 20 ev. The same figure shows the ionization voltages of various elements detailed on pages 419 to 421 of the complete editorial committee of Experimental Chemistry Handbook: Experimental Chemistry Handbook (new edition), Kyoritsu Publishing Co., Ltd. (October 1978, 22nd edition). This is a diagram showing the values of , in order of atomic number. From the figure, it can be seen that the magnitude of the ionization voltage changes like a periodic law. In other words, the ionization voltage of Group 1 alkali metals and Group 2 alkaline earth metal elements is small, gradually increases in Groups 3 and 4, and tends to reach its maximum value in Group 8 noble gases. .

光の波長λ(nm)とそのエネルギーE(ev)との間
では、式(1)の関係がある。
The relationship shown in equation (1) exists between the wavelength λ (nm) of light and its energy E (ev).

すなわち、123.9nmの波長の光のもつエネルギー
は約IQevである。従って、第12図に示される数多
くの元素がイオン化されることになる。
That is, the energy of light with a wavelength of 123.9 nm is approximately IQev. Therefore, many of the elements shown in FIG. 12 will be ionized.

一方、1Qev以上のイオン化電圧の元素でも約1Qe
vに励起状態があれば、その状態で再び光照射を受ける
ことになれば、約20evまでの元素がイオン化できる
。しかし、1Qev付近に励起状態がない元素は、2度
光照射を受けてもイオン化されないことになる。この実
例を、Si単結晶中のFeを検出する場合について第1
3図を参照しながら説明する。Si単結晶中に含有する
Feを検出する時に、まず3key−Ar”イオンを照
射すると、S1試料表面がスパッタして、SiとFeの
中性粒子が放出する。これら中性粒子は基底状態ないし
はそれに近い状態にある。この粒子に302.065n
mのグイ・レーザを照射すると、丁度4.10 e v
に相当するエネルギーを受けて、Feは励起状!!lF
e” になるが、Slは基底状態ないしはそれに近い状
態のままである。
On the other hand, even for elements with an ionization voltage of 1Qev or more, about 1Qe
If v has an excited state, if it is exposed to light again in that state, elements up to about 20 ev can be ionized. However, an element that does not have an excited state around 1 Qev will not be ionized even if it is irradiated with light twice. This example will be described in the first section for detecting Fe in a Si single crystal.
This will be explained with reference to FIG. When detecting Fe contained in a Si single crystal, first irradiation with 3key-Ar" ions causes the S1 sample surface to sputter and release neutral particles of Si and Fe. These neutral particles are in the ground state or The state is close to that.This particle has 302.065n
When irradiated with a Gui laser of m, exactly 4.10 e v
Receives energy equivalent to , Fe becomes excited! ! lF
e'', but Sl remains in the ground state or a state close to it.

次に、エキシマ・レーザからの308nmの光を照射し
てやると、Feのイオン化卒位7.83 e vよりも
高いエネルギー状態となり(4,10ev+4.02 
ev=s、12 ev) 、 Fe”がFe”イオンと
なる。Siは、いずれにしても基底状態ないしはそれに
近い状態であり、g、osevのイオン化電圧の81で
もイオン化させることができないい。
Next, when irradiated with 308 nm light from an excimer laser, the ionization of Fe becomes a higher energy state than 7.83 ev (4.10 ev + 4.02 ev).
ev=s, 12 ev), Fe'' becomes Fe'' ion. In any case, Si is in the ground state or a state close to it, and cannot be ionized even at an ionization voltage of 81 g, osev.

従って、分析対象元素の励起単位のエネルギーに相当す
る波長の光を照射した後、別の光を照射し、両者の励起
エネルギの総和でイオン化電圧を越えれば、この元素を
イオン化させることができる。Si単結晶中の鉄を検出
する時には、前記したように、最初302.65nmの
波長のグイ・レーザを使い、次に308nmの波長のエ
キシマ・レーザを使用した例を述べた。ここで、鉄の共
鳴線には上記302.065nm以外にも371.99
36nm、430.7904nm、438.3547T
1m、440.4752nm等が存在するので、それに
相当するグイ・レーザを使っても、エキシマ・レーザの
波長をその総和が鉄のイオン化電圧7g3evを少しで
もオーバーしてやれば、鉄の元素はイオン化して、質量
分析後に検出することができる。
Therefore, if the element to be analyzed is irradiated with light of a wavelength corresponding to the excitation unit energy, then another light is irradiated, and the sum of both excitation energies exceeds the ionization voltage, the element can be ionized. As described above, when detecting iron in a Si single crystal, a Gouy laser with a wavelength of 302.65 nm is first used, and then an excimer laser with a wavelength of 308 nm is used. Here, the iron resonance line includes 371.99 nm in addition to the above 302.065 nm.
36nm, 430.7904nm, 438.3547T
1m, 440.4752nm, etc. exist, so even if you use a corresponding Gouy laser, if the sum of the excimer laser wavelengths exceeds the ionization voltage of iron, 7g3ev, even by a little, the iron element will be ionized. , can be detected after mass spectrometry.

一方、鉄以外にも、半導体集積回路装置で素子特性の不
良を招(金属や重金属として、Cu、Mo、W等が極微
量でも混入すると大問題となる。
On the other hand, in addition to iron, the presence of metals and heavy metals such as Cu, Mo, and W, even in minute amounts, can cause defects in device characteristics in semiconductor integrated circuit devices, causing a serious problem.

それらを検出するには、グイ・レーザの波長を各金属の
励起準位(共鳴準位)にほぼ近いものを選び、波長の微
調整を行うようにすればよい。たとえば、Cuでは51
0.55nm、327.40nm、324.75nm、
296.12nm、Moでは553.30nm、379
.80nm、317.O3nm。
To detect them, the wavelength of the Gouy laser can be selected to be approximately close to the excitation level (resonance level) of each metal, and the wavelength can be finely adjusted. For example, 51 for Cu
0.55nm, 327.40nm, 324.75nm,
296.12 nm, 553.30 nm for Mo, 379
.. 80 nm, 317. O3nm.

313.26nm、281.62nmSWでは430゜
21nm、429.46nm、400.88nm、29
4.70nm、286.61nmなどである。そして、
エキシマ・レーデの波長として、各元素のイオン化電圧
Cuニア、68evSFaニア、83ev。
313.26nm, 281.62nmSW: 430°21nm, 429.46nm, 400.88nm, 29
4.70 nm, 286.61 nm, etc. and,
The ionization voltage of each element is CuNia, 68evSFaNia, and 83ev as the excimer Rede wavelength.

Moニア、06ev、、W:8.levからグイ・レー
ザの光のエネルギーを差し引いた値よりも大きなエネル
ギーのものを選択すればよい。
Monia, 06ev, W: 8. It is sufficient to select one having an energy greater than the value obtained by subtracting the energy of the light of the Gouy laser from lev.

現在利用可能なレーデ光の波長としては約10Qnm〜
1.OOOnmの範囲であり、かつ出力も強力なものか
ら手軽なものまで、種々の大きさで、色々の形のものが
続々作られてきている。特に最近のレーザ核融合の世界
・規模での研究やレーザによる超微細加工技術のニーズ
と発展に伴い、小型で、高密度で、短波長から長波長ま
での非常に優れたグイ・レーザ、エキシマ・レーザが開
発され市販され、ないしは試作されて稼働中であるので
、それらの中から、中性粒子の励起とイオン化に適した
ものを選択することができる。
The wavelength of currently available LED light is approximately 10Qnm~
1. Various sizes and shapes are being manufactured one after another, ranging from those with outputs that are in the OOOnm range and powerful to those that are easy to use. In particular, with the recent worldwide research on laser fusion and the need for and development of ultra-fine processing technology using lasers, we have developed a compact, high-density, extremely excellent GUI laser and excimer that can operate from short to long wavelengths.・Since lasers have been developed and are commercially available, or prototypes have been made and are in operation, it is possible to select one suitable for excitation and ionization of neutral particles.

光衝撃による粒子のイオン化は、イオン衝撃、電子衝撃
、放射線衝撃等の場合のように、物の物理的衝突とは異
なり、電磁波によるものである。
Ionization of particles by light bombardment is due to electromagnetic waves, unlike the physical collision of objects, as in the case of ion bombardment, electron bombardment, radiation bombardment, etc.

そのため、イオン化すべき粒子の近傍に荷電粒子が存在
したり、強電場が印加されたりしても、それらから悪影
響を受けることは殆どない。また、光は光速度と速いた
めに、スパッタされた中性粒子を複数の光子で衝撃する
ことも可能である。そして、光照射された粒子が励起状
態となりさらに電離状態に遷移したり、−度で電離状態
に遷移したすする時間は、元素の種類、化合物の種類に
より異なるので一概には言えないが10−”sec程度
と、一次イオンビームや、二次イオンビームの移動速度
(10−”sec程度)と比較して非常に短い。
Therefore, even if charged particles exist in the vicinity of particles to be ionized or a strong electric field is applied, there is almost no adverse effect from them. Furthermore, since light has the speed of light, it is possible to bombard sputtered neutral particles with multiple photons. The time it takes for the irradiated particles to become excited and then transition to an ionized state, or to transition to an ionized state at -degrees, varies depending on the type of element and compound, so it cannot be stated unconditionally. The moving speed of the primary ion beam and the secondary ion beam (about 10-" seconds) is very short.

また、試料表面をイオンで衝撃した時、スパッタされた
中性粒子は、例え二次イオンの引き出し電場(界浸レン
ズなどの組み合わせによる電場)が印加されていてもそ
の影響を受けないため、長い時間試料表面の近傍に滞ま
る。それらは、レー、ザ光の照射により電離するとはじ
めて、この引き出し電場により導き出され質量分析に供
することとなり、的確なイオン化を行うことができる。
In addition, when the sample surface is bombarded with ions, the sputtered neutral particles are not affected even if a secondary ion extraction electric field (an electric field in combination with an immersion lens, etc.) is applied. It stays near the sample surface for some time. Only after they are ionized by laser or laser light irradiation are they guided by this extraction electric field and subjected to mass spectrometry, allowing for accurate ionization.

さらに、一次イオンビームとしては、目的対象以外の元
素であれば、o2 、o−、c、  、cイオン等(現
在S IMSでは用いられているイオン)を使用すれば
、これらのイオン照射により固体試料表面の元素をAr
”イオン照射の時より多くイオン化させる(イオン化効
率が大きい)ことができるし、また、中性粒子の生成効
率も多くしたり、少なくしたりすることができる。これ
らのイオン種やエネルギー、ないしは負イオン等の選択
は分析対象とする元素の種類に最適の組合せを決定する
ことができ・る。
Furthermore, if the primary ion beam is an element other than the target, o2, o-, c, c ions, etc. (the ions currently used in SIMS) can be used to irradiate solids by irradiating these ions. The elements on the sample surface are Ar
``It is possible to ionize more (higher ionization efficiency) than with ion irradiation, and it is also possible to increase or decrease the generation efficiency of neutral particles. When selecting ions, etc., it is possible to determine the optimal combination for the types of elements to be analyzed.

〔実施例1〕 第1図は、本発明の一実施例である固体表面検査装置の
構成の一例を示す平面図である。
[Embodiment 1] FIG. 1 is a plan view showing an example of the configuration of a solid surface inspection apparatus that is an embodiment of the present invention.

周知のx−Yテーブル機構や回転テーブル機構などによ
って垂直面内における平行移動や回転移動などが自在な
試料台5の上には、たとえば種々のパターンが形成され
た半導体ウェハや半導体ペレットなどの試料6が載置さ
れている。
Samples such as semiconductor wafers and semiconductor pellets on which various patterns are formed are placed on the sample stage 5, which can be freely moved in parallel or rotationally in a vertical plane using a well-known x-y table mechanism or rotary table mechanism. 6 is placed.

試料台5の側方には、水平面内において、試料台5に載
置された試料6に対して所定の角度に軸を傾斜させ、か
つ一次イオン質量分析器/一次電子エネルギー分析器3
を挟む位置に荷電粒子源1aおよび荷電粒子源1bが設
けられている。
On the side of the sample stage 5, a primary ion mass spectrometer/primary electron energy analyzer 3 whose axis is inclined at a predetermined angle with respect to the sample 6 placed on the sample stage 5 in the horizontal plane is installed.
A charged particle source 1a and a charged particle source 1b are provided at positions sandwiching therebetween.

そして、各々から発生するイオン群2aまたは電子群2
bを一次イオン質量分析器/一次電子エネルギー分析器
3に通過させることにより、所望の元素のイオンを選択
して構成される一次イオンビーム4および一次電子ビー
ム4aを形成する構造となっている。
Then, ion group 2a or electron group 2 generated from each
b is passed through a primary ion mass spectrometer/primary electron energy analyzer 3, thereby forming a primary ion beam 4 and a primary electron beam 4a composed of selected ions of a desired element.

この荷電粒子源1a、lbは、たとえばデュオプラズマ
トロンのような気体放電型イオン銃、熱陰極型電子銃、
冷陰極型電子銃、剣山型陰極型電子銃、電界放出型イオ
ン銃、電界放出型電子銃などの組合せで構成されている
These charged particle sources 1a, lb include, for example, a gas discharge type ion gun such as a duoplasmatron, a hot cathode type electron gun,
It consists of a combination of cold cathode electron guns, Tsurugi cathode electron guns, field emission ion guns, field emission electron guns, etc.

一方、荷電粒子源1a、lbから一次イオン質量分析器
/一次電子エネルギー分析器3を経て試料台5に載置さ
れた試料6に至る一次イオンビーム4および一次電子ピ
ーム4aの経路には、一次イオン質量分析器/一次電子
エネルギー分析器3、静電型ないし電磁型の集束レンズ
8、一次粒子用オリフイス7、図示しない荷電粒子走査
用偏向器、軸調整用偏向器等が順次゛配設されており、
試料60表面に対して、例えば数100人〜数100μ
mの大きさに集束した一次イオンビーム4および一次電
子ビーム4aが、静止したり、走査したりするように構
成されている。
On the other hand, the paths of the primary ion beam 4 and primary electron beam 4a from the charged particle sources 1a and lb to the sample 6 placed on the sample stage 5 via the primary ion mass spectrometer/primary electron energy analyzer 3 include primary An ion mass spectrometer/primary electron energy analyzer 3, an electrostatic or electromagnetic focusing lens 8, an orifice 7 for primary particles, a charged particle scanning deflector (not shown), an axis adjustment deflector, etc. are arranged in this order. and
For example, several 100 to several 100 microns for the surface of 60 samples.
The primary ion beam 4 and primary electron beam 4a, which are focused to a size of m, are configured to stand still or scan.

上記軸調整用偏向器等は一次イオンビーム4および一次
電子ビーム4aを前述のように集束させる際に発生する
各種収差が除去または低減されるように6電極レンズ、
8電極レンズ、4電極レンズ等で構成されている。
The above-mentioned axis adjustment deflector etc. include a 6-electrode lens so that various aberrations that occur when focusing the primary ion beam 4 and the primary electron beam 4a as described above are removed or reduced.
It is composed of an 8-electrode lens, a 4-electrode lens, etc.

また、図示しない前記軸調整偏向器の前段には、それぞ
れ一次イオンビーム4よりも磁場の影響を受けやすい一
次電子ビーム4aの各種収差を補正する図示しない磁場
型の電子ビーム補正器が配置されている。
In addition, a magnetic field-type electron beam corrector (not shown) for correcting various aberrations of the primary electron beam 4a, which is more susceptible to the influence of magnetic fields than the primary ion beam 4, is arranged upstream of the axis adjustment deflector (not shown). There is.

さらに、この場合、試料60表面で一次イオンビーム4
および一次電子ビーム4aが照射される検査部位に光軸
を交差させる姿勢で各種のレーザ光源13a、レーザ光
源13b、レーザ光源13Cが配置されており、各々か
ら放射されるレーザ光14a、レーザ光14b、レーザ
光14Gが試料6の検査部位に照射される構造となって
いる。
Furthermore, in this case, the primary ion beam 4 on the surface of the sample 60
Various laser light sources 13a, laser light sources 13b, and laser light sources 13C are arranged in such a manner that their optical axes intersect with the inspection area to be irradiated with the primary electron beam 4a, and laser light 14a and laser light 14b are emitted from each of them. The structure is such that the laser beam 14G is irradiated onto the inspection site of the sample 6.

なお、本実施例のように直接的に試料60表面を照射す
る方法の他に、プリズム、レンズ等を通過させたり、鏡
等を利用して任意の光路を設定してもよい。
In addition to the method of directly irradiating the surface of the sample 60 as in this embodiment, an arbitrary optical path may be set by passing the light through a prism, a lens, or the like, or by using a mirror or the like.

また、試料台5が収容される図示しない試料室雰囲気は
超高真空が維持されているので、外部からレーザ光14
a、14b、14cを照射するには、真空域と大気とを
隔絶する図示しない窓を透過させる方法で可能である。
In addition, since the atmosphere in the sample chamber (not shown) in which the sample stage 5 is housed is maintained at an ultra-high vacuum, the laser beam 14 is emitted from the outside.
A, 14b, and 14c can be irradiated by passing through a window (not shown) that separates the vacuum region from the atmosphere.

大気中のレーザ発振は、通常多く実験が行われているよ
うに、実験を行う人々は労働安全基準に準じた安全メガ
ネを着用する必要があるが、特に装置に組み込む時の特
殊の問題は生じていない。
Laser oscillation in the atmosphere is commonly carried out in many experiments, and those conducting the experiment must wear safety goggles that comply with occupational safety standards, but special problems arise especially when incorporating laser oscillation into equipment. Not yet.

試料6の近傍には、一次イオンビーム4および一次電子
ビーム4aの照射、ならびにレーザ光14a、14b、
14cの照射によって発生する二次イオン11を高い効
率で引き出すための電界を形成する界浸レンズ9および
界浸レンズ10が設けられており、試料6に接する界浸
レンズ9は、当該試料6を試料台5に固定する固定金具
を兼ねている。
Near the sample 6, primary ion beam 4 and primary electron beam 4a are irradiated, and laser beams 14a, 14b,
A field immersion lens 9 and a field immersion lens 10 are provided to form an electric field for extracting the secondary ions 11 generated by the irradiation of the sample 14c with high efficiency. It also serves as a fixture for fixing to the sample stage 5.

さらに、界浸レンズ系によって引き出された二次イオン
11の経路には、当該二次イオン11を捕捉する静電レ
ンズ15、αスリット16、トロイダル電場/球面電場
形成器17、βスリット18、電磁場形成器19、トロ
イダル電場/球面電場形成器23を経て二次′イオン2
4を直接ファラデーカップ25で検出したりまたは二次
電子に変換して増幅する二次電子増倍管26、さらには
二次イオン24の状態を可視化する二次元形二次電子増
倍管27.蛍光物質28などからなる二次イオン質量分
析系Mが設けられている。
Furthermore, the path of the secondary ions 11 extracted by the immersion lens system includes an electrostatic lens 15 that captures the secondary ions 11, an α slit 16, a toroidal electric field/spherical electric field generator 17, a β slit 18, and an electromagnetic field. The secondary ions 2 pass through the generator 19 and the toroidal electric field/spherical electric field generator 23.
4 directly with a Faraday cup 25 or converted into secondary electrons and amplified, and a two-dimensional secondary electron multiplier 27 that visualizes the state of the secondary ions 24. A secondary ion mass spectrometry system M consisting of a fluorescent substance 28 and the like is provided.

これらにより、一次イオンビーム4および一次電子ビー
ム4a(おもに絶縁物試料を帯電せずに安定に分析する
ためにイオンビームと電子ビームを同時ないしはほぼ同
時に試料の同じ部位に照射するので、電子ビーム発生源
は図示されていないものも含む)、およびレーザ光14
a、14b。
As a result, the primary ion beam 4 and the primary electron beam 4a (mainly insulator samples are irradiated to the same part of the sample at the same time or almost simultaneously in order to stably analyze the sample without being charged, so the electron beam is generated sources (including those not shown), and laser light 14
a, 14b.

14cの照射によって試料6の目的の検査部位から発生
する二次イオン11の種別を超高感度で精密に検出可能
になっている。
The type of secondary ions 11 generated from the target inspection site of the sample 6 by the irradiation with the rays 14c can be detected with ultra-high sensitivity and precision.

また、一次イオンビーム4または一次電子ビーム4aが
試料6に対する走査と同期した図示しない陰極線管の輝
度変調信号として、目的の二次イオン24の検出強度を
反映した信号増幅器29や信号増幅器30の出力を入力
することにより、試料6の表面の特定元素に関する強度
分布を画像として描画させることができるようになって
いる。
In addition, the output of the signal amplifier 29 or signal amplifier 30 that reflects the detection intensity of the target secondary ions 24 is output as a brightness modulation signal of a cathode ray tube (not shown) synchronized with the scanning of the primary ion beam 4 or the primary electron beam 4a with respect to the sample 6. By inputting , the intensity distribution regarding a specific element on the surface of the sample 6 can be drawn as an image.

また、二次イオンの信号検出として、二次元位置検出器
と電子計算機とを接続させて信号の処理や記録をするこ
とにより、測定後に、二次元の元素の強度分布像や深さ
方向への濃度分布像も描画することができ、それら画像
の観察ができるようになる。
In addition, for signal detection of secondary ions, by connecting a two-dimensional position detector and a computer to process and record the signal, it is possible to obtain a two-dimensional elemental intensity distribution image and depth direction after measurement. Concentration distribution images can also be drawn and these images can be observed.

また、特に図示しないが、試料6の近傍に同心円筒型エ
ネルギー分析器のようなものを配置し、一次イオンビー
ム4または一次電子ビーム4aの照射により試料6の表
面から放出された二次電子12Hのエネルギーを分析す
ることにより、AES (Auger Electro
n 5pectroscopy ) 、E S CA(
Electron  IEnergy 5pectro
scopy for Chemical^nalysi
s )等の情報やレーデ光14a、14b。
Although not particularly shown, a concentric cylindrical energy analyzer or the like is arranged near the sample 6, and secondary electrons 12H emitted from the surface of the sample 6 by irradiation with the primary ion beam 4 or the primary electron beam 4a are used. By analyzing the energy of AES (Auger Electro
n5pectroscopy), ESC A(
Electron IEnergy 5pectro
Scopy for Chemical^nalysi
information such as s) and the radar lights 14a, 14b.

14Cの照射による二次電子12aのエネルギー分析で
P E S (Photoelectron 5pec
troscopy)  と呼ばれるように、0.1%以
上舎まれる元素についてその含有量と化合物や化学結合
状態の推定をも実施できるようになっている。
P E S (Photoelectron 5pec
troscopy), it is now possible to estimate the content, compounds, and chemical bonding states of elements that are present at 0.1% or more.

また、上述の各部は、所望の真空度に排気される真空容
器内に収容されている。
Further, each of the above-mentioned parts is housed in a vacuum container that is evacuated to a desired degree of vacuum.

以下、本実施例の固体表面検査装置の作用を図面を引用
しながら詳細に説明する。
Hereinafter, the operation of the solid surface inspection apparatus of this embodiment will be explained in detail with reference to the drawings.

まず、荷電粒子源1aまたは1bから放出したイオン群
2aまたは電子群2bを一次イオン質量分析器/一次電
子エネルギー分析器3で単色にしテ形成される一次イオ
ンビーム4および一次電子ビーム4aを、図示しないレ
ンズ系、偏向系、軸調整レンズ系などで調整しながら所
望の大きさに集束して試料6に照射する。
First, the primary ion beam 4 and the primary electron beam 4a formed by monochromating the ion group 2a or the electron group 2b emitted from the charged particle source 1a or 1b by the primary ion mass analyzer/primary electron energy analyzer 3 are shown in the figure. The sample 6 is irradiated with the beam focused to a desired size while adjusting the beam using a lens system that does not cover the beam, a deflection system, an axis adjustment lens system, etc.

この時、試料6の表面から二次粒子として、二次電子1
2aや電荷を持たない中性粒子12さらには二次イオン
11が放出され、二次イオン11は二次イオン質量分析
系Mで質量分離することにより、試料表面を構成する元
素の同定を行うことができる。
At this time, secondary electrons 1
2a, uncharged neutral particles 12, and secondary ions 11 are emitted, and the secondary ions 11 are mass-separated by a secondary ion mass spectrometry system M to identify the elements constituting the sample surface. I can do it.

特にこの際、検出できるのは主成分元素から、元素の種
類によりイオン化効率が異なるために検出できる最小量
つまり検出感度は異なるが、ppt  (10−” )
のオーダーの不純物までである。
In particular, in this case, it is possible to detect from the main component element, and since the ionization efficiency differs depending on the type of element, the minimum amount that can be detected, that is, the detection sensitivity differs, but ppt (10-")
impurities on the order of .

ここでは、元素分析ならびに化合物の構成元素の組合せ
を明らかにすることができる。一方、第12図に図示さ
れていないが、二次電子12aのエネルギー分析(オー
ジェ電子エネルギー分析)を行うことにより、元素分析
と同時に元素の結合状態を知ることができる。ここでは
0.1%〜100%までの元素の同定をすることができ
る。そして、二次イオン質量分析と二次電子のエネルギ
ー分析と情報の複合化により実際の試料6の表面の化合
物や元素の結合状態が鮮明になる。特にここで、高感度
の分析技術を駆使すれば、良品と不良品とで混入する不
純物に有意差を検出することができる。しかし、両者で
有意差がないような場合には、更に高感度分析を行うこ
とが必要となる。
Here, elemental analysis and the combination of constituent elements of the compound can be revealed. On the other hand, although not shown in FIG. 12, by performing energy analysis (Auger electron energy analysis) of the secondary electrons 12a, it is possible to know the bonding state of the elements at the same time as the elemental analysis. Here, elements can be identified from 0.1% to 100%. By combining secondary ion mass spectrometry, secondary electron energy analysis, and information, the bonding state of compounds and elements on the surface of the actual sample 6 becomes clear. In particular, if highly sensitive analytical techniques are used here, it is possible to detect significant differences in impurities mixed in between non-defective products and defective products. However, if there is no significant difference between the two, it is necessary to conduct an even more sensitive analysis.

そこで、本実施例の場合には、上述のように、試料6に
一次イオンビーム4を照射したとほぼ同時か少し後にレ
ーザ光14a、14bおよび14Cなどを照射する。す
ると、上記した単なる一次イオンビーム4または−′次
電子ビーム4aの照射により放出した二次イオン11に
加えて、中性粒子12がレーデ光14a、14b、14
cなどの光励起作用を受は光イオン化されて二次イオン
11となったものがほぼ同時に界浸レンズにより試料表
面から電場で引き出されたのち二次イオン質量分析器で
分析され検出されることになる。
Therefore, in the case of this embodiment, as described above, the sample 6 is irradiated with the laser beams 14a, 14b, 14C, etc. almost simultaneously or a little later than the irradiation with the primary ion beam 4. Then, in addition to the secondary ions 11 emitted by the irradiation with the primary ion beam 4 or the -' electron beam 4a, the neutral particles 12 are emitted by the Radhe beams 14a, 14b, 14.
The secondary ions 11 that undergo photoexcitation such as c are photoionized and are extracted almost simultaneously from the sample surface by an electric field using an immersion lens, and then analyzed and detected by a secondary ion mass spectrometer. Become.

その結果、レーザ光14a、14b、14cの照射によ
り中性粒子12がイオン化して二次イオン11となった
ものが、たとえばSi単結晶に微置台まれるFeの場合
では、Ar” イオンを3keVで照射し、グイ・レー
ザの波長を302.065nmに微調整し、エキシマ・
レーザを308nmの波長とした時、約10000倍増
加させることができ、1μmφの分析領域とか数110
0nの薄膜においてもSi単結晶中のFeを10−@の
オーダーまで検出することができる。
As a result, the neutral particles 12 are ionized and become secondary ions 11 by the irradiation with the laser beams 14a, 14b, and 14c. The wavelength of the Gouy laser was finely adjusted to 302.065 nm, and the excimer
When the laser wavelength is 308 nm, it can be increased approximately 10,000 times, and the analysis area of 1 μmφ or several 110
Even in a 0n thin film, Fe in the Si single crystal can be detected up to the order of 10@-.

この時、分析領域を100μmφに拡大すれば、10−
” のオーダーのFeを検出することができるようにな
る。
At this time, if the analysis area is expanded to 100 μmφ, 10-
” can now be detected.

そして、一次イオンビーム4を二次元方向に走査して、
それと同期させて陰極線管の輝度変調信号として、信号
増幅器29ないし30からの信号を利用すれば、試料表
面上の二次元的な元素分布を測定することができる。特
に、良品と不良品とで不純物の分布に差が出てくれば、
不良箇所を特定することができる。
Then, the primary ion beam 4 is scanned in a two-dimensional direction,
By using signals from the signal amplifiers 29 and 30 as brightness modulation signals of the cathode ray tube in synchronization with this, it is possible to measure the two-dimensional elemental distribution on the sample surface. In particular, if there is a difference in the distribution of impurities between good and defective products,
Defective locations can be identified.

また、一次イオンビーム4を試料表面に照射することは
、その表面は時時刻々イオンスパッタリング現象を利用
するので、時間的な二次イオンの強度の変化が、深さ方
向への元素の強度の変化や化合物の組成の変化に対応し
た情報を得ることができる。
In addition, irradiating the sample surface with the primary ion beam 4 utilizes the ion sputtering phenomenon from time to time on the surface, so that temporal changes in the intensity of secondary ions are caused by changes in the intensity of elements in the depth direction. Information corresponding to changes and changes in the composition of compounds can be obtained.

第1図の構成の固体表面検査装置において、Sl単結晶
中に含有する微量不純物としてFeの分析を行った例を
次に述べる。Feが極微量含有するSi単結晶試料6に
対して一次イオンビーム4として02  イオンを照射
すると、たとえば第2図に示されるように試料6の表面
がスパッタされる。ここで、スパッタされた二次粒子の
中で正イオンは直ちに電場により引き出され(図示され
ていない)、一方、中性粒子12には試料6の近傍にゆ
っくり移動した時に、グイ・レーザを発生するレーザ光
源13aを作動させレーザ光14aをこの中性粒子12
に照射すると第13図に示したように、Si粒子とFe
粒子の中で、Fe粒子のみが302.06571mの波
長の光で励起する(Fe*)。二〇Fe0の状態では、
電場の影響を受けずに、そこにとどまる。このFe” 
にエキシマ・レーザを発生するレーザ光源13bを動作
させレーザ光14bを照射してやると、3Q3nmの波
長の光で第13図で説明したようにFe” イオンとな
る。このFe“イオンは電場により引き出されて二次イ
オン質量分析系の方へ移動する。ただし、Si粒子は、
これら両レーザ光を照射してもイオン化されないので、
Fe” イオンの分析の際には、レーザ光照射による増
加分はあっても、Si0イオンの増加分は無いので、F
e” イオン検出の際の障害はなかった。
An example in which Fe was analyzed as a trace impurity contained in an Sl single crystal using the solid surface inspection apparatus having the configuration shown in FIG. 1 will be described below. When a Si single crystal sample 6 containing a trace amount of Fe is irradiated with 02 ions as the primary ion beam 4, the surface of the sample 6 is sputtered, as shown in FIG. 2, for example. Here, the positive ions among the sputtered secondary particles are immediately drawn out by an electric field (not shown), while the neutral particles 12 generate a Goo laser when they slowly move near the sample 6. The laser light source 13a is activated to emit laser light 14a to the neutral particles 12.
As shown in Figure 13, Si particles and Fe
Among the particles, only Fe particles are excited by light with a wavelength of 302.06571 m (Fe*). In the state of 20Fe0,
It remains there, unaffected by the electric field. This Fe”
When the laser light source 13b that generates an excimer laser is operated to irradiate the laser beam 14b, the light with a wavelength of 3Q3 nm becomes Fe'' ions as explained in FIG. 13. These Fe'' ions are extracted by the electric field. and move toward the secondary ion mass spectrometry system. However, Si particles are
Even if these two laser beams are irradiated, it will not be ionized, so
When analyzing Fe" ions, there is an increase due to laser beam irradiation, but there is no increase in Si0 ions, so F
There were no problems during ion detection.

第3図は、第1図の構成の固体表面検査装置で第2図に
例示される現象を利用して、S1単結晶中のFeの含有
量を表面から深さ方向への変化を測定した様子を示す線
図である。同図からppt(10−12”)のオーダー
までのFeが検出できていることがわかる。また同図で
(I)の二点鎖線は従来のS IMS単独で計測した時
の最小検出濃度を示し、[II]の三点鎖線は従来のレ
ーザ光照射で二次イオンを全イオンで検出した時の最小
検出濃度を示しているので、本発明の方式では、従来の
方式より少なくとも一桁高感度が達成できていることが
わかる。この測定例では、一次イオンの分析領域では4
00μmφを使用したが、分析領域を1μmφにした時
゛は分析面積に逆比例して検出感度は低くなる。ただし
、この場合でも、本発明の方式では、従来のどの方法よ
りも一桁以上高感度が達成できている。
Figure 3 shows how the Fe content in the S1 single crystal was measured from the surface to the depth direction using the phenomenon illustrated in Figure 2 using the solid surface inspection device configured as shown in Figure 1. It is a diagram showing the situation. It can be seen from the figure that Fe up to the order of ppt (10-12") can be detected. Also, in the figure, the two-dot chain line (I) indicates the minimum detectable concentration when measured by conventional SIMS alone. The three-dot chain line [II] indicates the minimum detection concentration when all secondary ions are detected by conventional laser beam irradiation. It can be seen that the sensitivity has been achieved.In this measurement example, in the primary ion analysis region, the sensitivity is 4.
00 μmφ was used, but when the analysis area is set to 1 μmφ, the detection sensitivity becomes lower in inverse proportion to the analysis area. However, even in this case, the method of the present invention is able to achieve a sensitivity that is one order of magnitude higher than any of the conventional methods.

第13図、第2図、第3図ではSi単結晶中のFe高感
度で検出できることを示した。この装置では、鉄以外の
元素についてもその元素特有の励起準位に対応するエネ
ルギーのレーザ光を利用すれば、次の段階でエキシ、マ
・レーザと組合せることにより、鉄と同様高感度検出つ
まり超極微量不純物の検出が可能となる。また、励起準
位が近い元素が混在していても、最終的に二次イオン質
量分析部で元素毎に分離することができるので、従来の
全イオン検出の場合に比較すると、それほど問題となら
ない。
FIG. 13, FIG. 2, and FIG. 3 show that Fe in a Si single crystal can be detected with high sensitivity. This device can detect elements other than iron with the same high sensitivity as iron by using a laser beam with energy corresponding to the excitation level unique to that element. In other words, it becomes possible to detect ultra-trace amounts of impurities. Furthermore, even if elements with similar excited levels are mixed together, each element can be separated in the secondary ion mass spectrometer, so this is not as much of a problem as compared to conventional all-ion detection. .

また、グイ・レーザの波長を変化させて、二次イオンの
強度変化に注目すれば、注目する元素についての励起準
位を実験的に測定できるので、未知試料の元素同定が迅
速に実行できるようになる。
In addition, by changing the wavelength of the Gouy laser and paying attention to changes in the intensity of secondary ions, it is possible to experimentally measure the excitation level of the element of interest, making it possible to quickly identify elements in unknown samples. become.

検出感度が、従来の高感度分析装置よりも1桁以上、場
合によっては4桁近くも向上できたので、極微量不純物
の混入により動作特性の不良を招いていたような素子の
不良原因の解明がなされ、その不良防止対策も鮮明とな
ってきて、再発も防止できるようになった。
Detection sensitivity has been improved by more than one order of magnitude, and in some cases nearly four orders of magnitude, compared to conventional high-sensitivity analyzers, making it possible to elucidate the cause of failures in elements where trace impurity contamination causes poor operating characteristics. Measures have been taken to prevent these defects, and recurrence can now be prevented.

なお、第1図で、レーデ光源13a、13b。In addition, in FIG. 1, the Rede light sources 13a and 13b.

13cとして、気体放電型、固体レーザ発振型ないしは
小型化したシンクロトロン放射光光源が使用され、これ
らの選択は分析対象物に対応して、単一種類ないしは数
種類を組合せても同様の効果が得られている。
As 13c, a gas discharge type, solid-state laser oscillation type, or miniaturized synchrotron synchrotron radiation light source is used, and the selection of these depends on the analyte, and similar effects can be obtained by using a single type or a combination of several types. It is being

また、第1図の構成で、一次イオン照射系、二次イオン
質量分析計を水平に配置しても、垂直に配置しても良い
。例えば、各部分を水平に配置した時の利点では、真空
排気系を上記装置の下側にすれば床から機械構造物を支
えることができたり、装置本体からベローズ等で重力を
利用して防諜ゴムを介して支えることができるので、垂
直に組み立てた時より背の低い装置となり、排気速度を
大きくできること、試料交換の高速化が達成できる特徴
がある。また、垂直に配置した時には、背の高い装置と
なるが、既製のレーザ光源の利用を加味すれば、それら
が機械的に安定に組み立てられれば、床面積を小さくで
きる特徴が生じる。さらに、水平に配置させた時には、
試料の表面が垂直になっているので、その表面に付着し
ていた異物は重力により除去され易いので高い精度の分
析ができる。同時に、荷電粒子源1a、lbの内部でも
種々の粒子や異物が発生するが、重力により粒子の発生
部のオリフィス付近に付着してもすぐはがれ落ちるため
に、オリフィスがふさがらないので、粒子源を数年間に
亘って安定に動作させることができた。
Further, in the configuration shown in FIG. 1, the primary ion irradiation system and the secondary ion mass spectrometer may be arranged horizontally or vertically. For example, the advantage of arranging each part horizontally is that if the vacuum exhaust system is placed below the device, mechanical structures can be supported from the floor, and bellows etc. Since it can be supported through rubber, the device is shorter than when assembled vertically, and has the characteristics of being able to increase pumping speed and speed up sample exchange. Furthermore, when placed vertically, the device becomes tall, but if you take into account the use of off-the-shelf laser light sources and can assemble them mechanically and stably, the floor space can be reduced. Furthermore, when placed horizontally,
Since the surface of the sample is vertical, foreign matter adhering to the surface is easily removed by gravity, allowing highly accurate analysis. At the same time, various particles and foreign substances are generated inside the charged particle sources 1a and lb, but even if they adhere to the orifice area of the particle generation part due to gravity, they will quickly fall off, so the orifice will not be blocked, so the particle source cannot be closed. It was able to operate stably for several years.

〔実施例2〕 第4図は、前記第1図の構成の固体表面検査装置に、一
次イオンビーム4の照射時刻と2種類のレーザ光14a
、14bの照射時刻とのタイミングを調節したり、二次
電子の検出、二次イオンの検出時間等との時間差をタイ
マーとゲート回路などで調節するタイミング発生器37
を付加したものである。
[Embodiment 2] FIG. 4 shows the irradiation time of the primary ion beam 4 and two types of laser beams 14a, which are applied to the solid surface inspection apparatus having the configuration shown in FIG.
A timing generator 37 that adjusts the timing with the irradiation time of , 14b, and the time difference with the detection time of secondary electrons, secondary ions, etc. using a timer, a gate circuit, etc.
is added.

すなわち、同図において、一次イオンビーム4または一
次電子ビーム4aの経路およびレーザ光14a、14b
の光路、さらには二次イオン21の経路には、それぞれ
一次粒子ビーム遮断器31およびレーザ光遮断器32a
、レーザ光遮断器32b、さらには二次イオンビーム遮
断器33が介設されており、それぞれ、タイミング発生
器37からのイオン0N10FF信号34および光0N
10FF信号35a、光ON / OF F信号35b
に次イオン0N10FF信号36によって相互に同期し
た開閉動作を行うようになっている。
That is, in the figure, the path of the primary ion beam 4 or the primary electron beam 4a and the laser beams 14a, 14b are
A primary particle beam interrupter 31 and a laser beam interrupter 32a are provided in the optical path of
, a laser beam interrupter 32b, and a secondary ion beam interrupter 33 are interposed, and each receives an ion 0N10FF signal 34 from a timing generator 37 and an optical 0N beam interrupter 33.
10FF signal 35a, optical ON/OFF signal 35b
Then, mutually synchronized opening and closing operations are performed by the next ion 0N10FF signal 36.

また、本実施例2の場合には、二次電子12aを検出す
る二次電子検出器38が設けられており、この二次電子
検出器38に入射する二次電子12aの経路には、同じ
く二次電子ON / OF F信号40によって同期し
て動作する二次電子遮断器39が介設されている。
Further, in the case of the second embodiment, a secondary electron detector 38 for detecting the secondary electrons 12a is provided, and the path of the secondary electrons 12a incident on the secondary electron detector 38 is similarly A secondary electronic circuit breaker 39 is provided which operates synchronously with the secondary electronic ON/OFF signal 40.

そして、たとえば、第5図に示されるタイミングチャー
トのようにして、一次イオンビーム4の照射時刻と2種
類のレーザ光14a、14bの照射時刻とのタイミング
を調節したり、二次電子12aの検出、二次イオン21
の検出時間等との時間差をタイマーとゲート回路などで
調節することで、試料6の中に舎まれる超極微量不純物
に起因するものの信号Sと、試料室雰囲気の残留ガス成
分によるバックグランド雑音や他の雑音(B+N)の比
S/ (B+N)の向上が約−桁計られることが本発明
者らによって確認されている。
For example, the timing of the irradiation time of the primary ion beam 4 and the irradiation time of the two types of laser beams 14a and 14b may be adjusted as shown in the timing chart shown in FIG. , secondary ion 21
By adjusting the time difference between the detection time and the like using a timer, gate circuit, etc., the signal S caused by ultra-trace impurities contained in the sample 6 and the background noise caused by residual gas components in the sample chamber atmosphere can be adjusted. The present inventors have confirmed that the ratio S/(B+N) of other noises (B+N) is improved by about -0.

〔実施例3〕 第6図は、本発明のさらに他の実施例である固体表面検
査装置の構成の一例を模式的に示す斜視図である。
[Embodiment 3] FIG. 6 is a perspective view schematically showing an example of the configuration of a solid surface inspection apparatus which is still another embodiment of the present invention.

本実施例3の場合には、一次イオンビーム4および一次
電子ビーム4aの経路に設けられた一次粒子偏向器41
の一次粒子走査信号42による走査の制御と、二次イオ
ン11や二次電子12aの検出信号とを制御計算機46
によって同期して検出し、二次イオン11や二次電子1
2aの検出信号の強度を輝度変調信号45として、走査
信号43を介して一次走査信号42に同期している陰極
線管44に人力することで、二次電子像(SEM像)、
二次イオン像(SIM像)、三次元イオン像などの観察
画像6aを構成して観察するようにしたものである。
In the case of the third embodiment, a primary particle deflector 41 provided in the path of the primary ion beam 4 and the primary electron beam 4a
A control computer 46 controls the scanning by the primary particle scanning signal 42 and the detection signals of the secondary ions 11 and secondary electrons 12a.
secondary ions 11 and secondary electrons 1
By manually inputting the intensity of the detection signal 2a as a brightness modulation signal 45 to the cathode ray tube 44 which is synchronized with the primary scanning signal 42 via the scanning signal 43, a secondary electron image (SEM image),
An observation image 6a such as a secondary ion image (SIM image) or a three-dimensional ion image is constructed and observed.

これにより、たとえば任意の目的元素の分布画像を容易
構築することができ、検査結果を視覚的に鮮明に把渥で
きるという効果がある。
This has the effect that, for example, a distribution image of an arbitrary target element can be easily constructed, and test results can be clearly understood visually.

また、特に図示しないが、制御計算機46に適宜フロッ
ピィ−ディスクなどの不揮発性記憶媒体を接続して、得
られた画像を随時、退避させて保存して再利用するよう
にしてもよい。
Although not particularly shown, a non-volatile storage medium such as a floppy disk may be connected to the control computer 46 as appropriate, so that the obtained images can be saved and reused at any time.

〔実施例4〕 第7図は、本発明のさらに他の実施例である固体表面検
査装置の構成の一例を模式的に示す説明図である。
[Embodiment 4] FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing an example of the configuration of a solid surface inspection apparatus which is still another embodiment of the present invention.

すなわち、実施例1においては二次イオン質量分析系M
として扇形磁場を中心とした二重収束型質量分析計を示
したが、本実施例4の場合には、その代わりに四重極型
質量分析器47を中心としたものである。
That is, in Example 1, the secondary ion mass spectrometry system M
Although a double convergence type mass spectrometer centered on a fan-shaped magnetic field is shown as an example, in the case of the fourth embodiment, a quadrupole type mass spectrometer 47 is used instead.

本実施例4において前記実施例1の場合と同様の効果を
得ることができる。
In the fourth embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained.

〔実施例5〕 第8図は、本発明のさらに他の実施例である固体表面検
査装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。
[Embodiment 5] FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing an example of the configuration of a solid surface inspection apparatus which is still another embodiment of the present invention.

本実施例5の場合には、二次イオン11の単位距離の飛
行に要する時間が当該イオンの質量に依存することを利
用して、当該二次イオン11を弁別する飛行時間型質量
分析方式としたものである。
In the case of the fifth embodiment, the time-of-flight mass spectrometry method is used to discriminate the secondary ions 11 by utilizing the fact that the time required for the flight of the secondary ions 11 over a unit distance depends on the mass of the ions. This is what I did.

すなわち、一次イオンビーム4の経路には一次粒子高速
遮断器48が介設されており、当該一次粒子高速遮断器
48は、タイミング発生器50からの一次粒子高速遮断
信号49によって開閉動作が制御されている。
That is, a primary particle high speed circuit breaker 48 is interposed in the path of the primary ion beam 4, and the opening/closing operation of the primary particle high speed circuit breaker 48 is controlled by a primary particle high speed circuit breaker 49 from a timing generator 50. ing.

また、タイミング発生器50の制御のタイミングを示す
タイミングパルス51は、二次イオン強度信号53とと
もに高速信号記録装置52に入力されている。
Further, a timing pulse 51 indicating the control timing of the timing generator 50 is inputted to a high-speed signal recording device 52 together with a secondary ion intensity signal 53.

そして、一次粒子高速遮断器48を所定の時間だけ開い
た時刻と、二次イオン強度信号の検出時刻との時間差に
所定の補正をほどこして、予め知られている所定の距離
を、トロイダル電場/球面電場形成器17を通過したエ
ネルギー選択後の二次イオン20が飛行するのに要した
時間を知り、当該二次イオン20を構成する元素を分析
するものである。
Then, a predetermined correction is applied to the time difference between the time when the primary particle high-speed circuit breaker 48 is opened for a predetermined time and the time when the secondary ion intensity signal is detected, and a predetermined distance known in advance is The time required for the energy-selected secondary ions 20 to fly after passing through the spherical electric field generator 17 is known, and the elements constituting the secondary ions 20 are analyzed.

本実施例5においても、前記実施例1の場合と同様の効
果を得ることができる。
In the fifth embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained.

〔実施例6〕 第9図は、本発明のさらに他の実施例である固体表面検
査装置の構成の一例を示す説明図である。
[Embodiment 6] FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of a solid surface inspection apparatus which is still another embodiment of the present invention.

本実施例6の場合、レーザ光源13aおよび13bは、
希望する特定波長を共鳴線ないし共鳴線並みに強い光を
放出することの可能なもので構成されており、両者は、
駆動信号55および駆動信号56によって、前述の実施
例2におけるタイミング発生器37と連動するレーザ光
源駆動システム54によって同期して制御されることに
より、発振波長ないしは発振時間が相関関係を持って制
御されるとともに、試料6に対するレーザ光14aおよ
び14bの照射のタイミングや、二次電子12aや二次
イオン11の検出のタイミングとも同期して制御される
ようになっている。
In the case of the sixth embodiment, the laser light sources 13a and 13b are
It is composed of a material that can emit light at a resonance line or as strong as a resonance line at a desired specific wavelength, and both of them are
The oscillation wavelength or oscillation time is controlled in a correlated manner by being synchronously controlled by the laser light source drive system 54 that works with the timing generator 37 in the second embodiment described above using the drive signal 55 and the drive signal 56. At the same time, it is controlled in synchronization with the timing of irradiating the sample 6 with the laser beams 14a and 14b and the timing of detecting the secondary electrons 12a and secondary ions 11.

こうして、レーザ光源t3aおよび13bの発振波長な
いしは発振時間の相関関係を分析対象元素の励起準位に
対応して最適条件の選択するものである。たとえば、気
体・レーザ光源ではガスの種類、ガス圧、ガス種の混合
比、励起の周波数、出力等をレーザ光源駆動システム5
4によって自在に調整することができる。
In this way, the optimum conditions are selected for the correlation between the oscillation wavelengths or oscillation times of the laser light sources t3a and 13b in accordance with the excitation level of the element to be analyzed. For example, for gas/laser light sources, the laser light source drive system 5
4 can be freely adjusted.

これにより、発生する中性粒子12の中から目的の分析
元素のみを選択的に励起してイオン化できるので、検出
感度をより向上させることができる。
This makes it possible to selectively excite and ionize only the target analysis element from among the generated neutral particles 12, thereby further improving detection sensitivity.

〔実施例7〕 第10図は、本発明のさらに他の実施例である固体表面
検査装置の構成の一例を示す説明図である。
[Embodiment 7] FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of a solid surface inspection apparatus which is still another embodiment of the present invention.

本実施例の場合には、二次イオン11の検出結果によっ
て、検査の進行状況などを監視することにより、たとえ
ば−個の試料6の内部の多数の検査部位や複数の試料6
の連続検査を行うなどの多様な検査作業を可能にしたも
のである。
In the case of this embodiment, by monitoring the progress of the inspection based on the detection results of the secondary ions 11, for example, a large number of inspection sites inside the - samples 6 and a plurality of sample 6
This makes it possible to carry out a variety of inspection tasks, such as continuous inspection.

すなわち、試料台5は、試料台駆動信号発生器57から
の試料台駆動信号58および試料台位置検出信号59に
よって、周知の閉ループ制御によって移動量などが精密
に制御される試料台駆動機構60によってx、y、z方
向に3次元的に変位が制御されている。
That is, the sample stand 5 is moved by a sample stand drive mechanism 60 whose movement amount is precisely controlled by well-known closed loop control using a sample stand drive signal 58 from a sample stand drive signal generator 57 and a sample stand position detection signal 59. Displacement is controlled three-dimensionally in the x, y, and z directions.

この試料台駆動信号発生器57は、電磁場駆動信号63
および電磁場強度信号64を介して電磁場形成器19を
制御することにより、検出されるイオン種の選択などを
行うタイミング発生器37に連動して制御動作を行うよ
うになっている。
This sample stage drive signal generator 57 generates an electromagnetic field drive signal 63
By controlling the electromagnetic field generator 19 via the electromagnetic field strength signal 64, the control operation is performed in conjunction with the timing generator 37, which selects the ion species to be detected.

そして、たとえば、検査中における特定の元素の二次イ
オン11の変化を監視して、当該元素に関する測定値が
予め設定されている所定の値に到達した時点で、二次イ
オン11の分析の停止および試料台5の移動を行わ゛せ
るなどの制御動作を行うことにより、試料台5に載置さ
れている複数の試料6を順次自動的に検査する操作を実
現するようになっている。
For example, changes in the secondary ions 11 of a specific element during the test are monitored, and when the measured value of the element reaches a predetermined value, the analysis of the secondary ions 11 is stopped. By performing control operations such as moving the sample stage 5, an operation for automatically sequentially inspecting a plurality of samples 6 placed on the sample stage 5 is realized.

一例として、4層(A、B、C,D層膜)からなる試料
6の深さ分析を高感度で試みるとともに、試料6の表面
内の多数点の分析を順次自動的に進める場合の動作は次
のようになる。
As an example, an operation is performed when depth analysis of a sample 6 consisting of four layers (layers A, B, C, and D) is attempted with high sensitivity, and analysis of multiple points on the surface of the sample 6 is automatically proceeded sequentially. becomes as follows.

試料6を試料台駆動機構60でx、y、z方向に適宜移
動して最初の検査部位を位置決めした後、一次イオンビ
ーム4の照射による検査を開始する。
After the sample 6 is appropriately moved in the x, y, and z directions by the sample stage drive mechanism 60 to position the first inspection site, inspection by irradiation with the primary ion beam 4 is started.

そして、適宜、電磁場形成器19を制御して、A。Then, by controlling the electromagnetic field generator 19 as appropriate, A.

B、C,Dの各膜中に含有する元素Si、P、0等につ
き測定する。そして、たとえば00などの二次イオン1
1の検出値に着目して監視し、当該検出値が、所定のし
きい値を超えたことを認識して、たとえば0層とD層と
の境界を検知し、当該検査部位における検査の完了を認
識して、一次イオンビーム4の照射を停止し、試料台駆
動機構60を適宜駆動することで、予め設定されている
次の検査部位の一次イオンビーム4に対する位置決め操
作を行う。
The elements Si, P, 0, etc. contained in each film of B, C, and D are measured. And a secondary ion 1 such as 00
Focusing on and monitoring the detected value of No. 1, recognizing that the detected value exceeds a predetermined threshold, detecting the boundary between layer 0 and layer D, for example, and completing the test at the relevant test site. By recognizing this, the irradiation of the primary ion beam 4 is stopped, and the sample stage drive mechanism 60 is appropriately driven, thereby performing a positioning operation for the next preset inspection site with respect to the primary ion beam 4.

たとえば、第11図の測定例では、表面から深さ分析を
行っていると0+イオンの強度が2X102 になった
後、約40秒間してこの試料の測定を中止し、次の検査
部位または試料に移る。
For example, in the measurement example shown in Figure 11, when depth analysis is performed from the surface and the intensity of 0+ ions reaches 2X102, measurement of this sample is stopped after about 40 seconds and the next inspection site or sample is analyzed. Move to.

このように、たとえば半導体集積回路素子などの試料6
における多層膜構造を検査する際、ある特定元素を検出
した時点で計測を中止したり、その時点から希望する時
間ないしは厚さまで測定したり、ないしは別の測定点や
別の試料6の検査に移行させることも可能となり、試料
6を複数個並べて、分析の順序を予め決めてお(ことに
より、大部分コンピュータに測定やデータの解析を行わ
せることができるなど、多様な検査を行うことができる
という効果がある。
In this way, for example, a sample 6 such as a semiconductor integrated circuit element, etc.
When inspecting a multilayer film structure, it is possible to stop measurement when a certain specific element is detected, measure from that point to a desired time or thickness, or move to another measurement point or another sample 6. This makes it possible to perform a variety of tests, such as arranging multiple samples 6 and predetermining the order of analysis. There is an effect.

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。
Although the invention made by the present inventor has been specifically explained above based on Examples, it goes without saying that the present invention is not limited to the Examples and can be modified in various ways without departing from the gist thereof. Nor.

以上の説明では、主として本発明者によってなされた発
明をその背景となった利用分野である半導体集積回路素
子の製造プロセスの評価に用いられる2次イオン質量分
析技術を用いた固体表面検査技術に適用した場合につい
て説明したが、それに限定されるものではなく、数10
%の構成元素からI Q−12オーダーまでの超極微量
不純物元素の検出することが必要とされる技術に広く適
用できる。
In the above explanation, the invention made by the present inventor will mainly be applied to solid surface inspection technology using secondary ion mass spectrometry technology used for evaluating the manufacturing process of semiconductor integrated circuit devices, which is the field of application that formed the background of the invention. Although we have explained the case where
It can be widely applied to techniques that require the detection of ultratrace impurity elements ranging from 10% to IQ-12 order.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
A brief explanation of the effects obtained by typical inventions disclosed in this application is as follows.

すなわち、本発明になる固体表面検査装置によれば、試
料の目的領域に対する一次イオンビームの照射によって
発生する二次イオンおよび二次電子の少なくとも一方を
検出して当該試料の目的領域における物質の分布状態を
知る固体表面検査方法であって、前記試料の目的領域に
前記一次イオンビームとともに2種以上のレーザ光を照
射するようにしたので、たとえば、一次イオンビームの
照射時刻と2種以上のレーザ光の各々の照射時刻の差の
制御と、二次イオンおよび二次電子の少なくとも一方の
検出時刻と各照射時刻との差の制御とを組み合わせるこ
とにより、試料から二次イオンとともにスパッタリング
される中性粒子のイオン化が促進され、レーザ光を照射
された中性粒子は90%程度までイオン化させることが
可能となり、それらイオンを約90%近く質量分析部に
導くことができるので、中性粒子の約80%を質量分析
することができる。
That is, according to the solid surface inspection device of the present invention, at least one of secondary ions and secondary electrons generated by irradiation of a target region of a sample with a primary ion beam is detected, and the distribution of substances in the target region of the sample is detected. This is a solid surface inspection method for determining the state of a solid surface, in which the target area of the sample is irradiated with two or more types of laser beams together with the primary ion beam. By combining the control of the difference between each irradiation time of light and the control of the difference between the detection time of at least one of secondary ions and secondary electrons and each irradiation time, it is possible to detect The ionization of neutral particles is promoted, and the neutral particles irradiated with laser light can be ionized to about 90%, and nearly 90% of these ions can be guided to the mass spectrometer. Approximately 80% can be analyzed by mass spectrometry.

これにより、試料の主成分の構成元素は勿論、微量不純
物やO,OO1p p bオーダーの超極微量不純物ま
でも解明することができる。
This makes it possible to elucidate not only the constituent elements of the main components of the sample but also trace impurities and ultra-trace impurities on the order of O, OO1p p b.

この結果、たとえば、それら超極微量不純物や微量不純
物が関与する半導体集積回路素子のプロセス関連の不良
原因を解明したり、プロセス条件を設定する基礎データ
を得ることができる。
As a result, for example, it is possible to elucidate the causes of process-related failures of semiconductor integrated circuit devices involving ultra-trace impurities and trace impurities, and to obtain basic data for setting process conditions.

また、本発明になる固体表面検査装置によれば、試料を
支持する試料台と、前記試料の目的領域に一次イオンビ
ームを照射する一次イオンビーム照射系と、前記試料か
ら発生する二次イオンを観測する二次イオン質量分析系
とからなる固体表面検査装置であって、前記一次イオン
ビームとともに前記試料の目的領域に2種以上のレーザ
光を照射するレーザ光源を備えているので、たとえば、
レーザ光源として、目的の極超微量不純物の中性粒子を
励起する特定波長の共鳴線ないしは当該究明線程度に強
い光を放出するか、または2種類以上の波長のレーザ光
の各々の発振時間が相関関係を持つように制御可能なレ
ーザ光源を用いることにより、試料から二次イオンとと
もにスパッタリングされる中性粒子のイオン化が促進さ
れ、レーデ光を照射された中性粒子は90%程度までイ
オン化させることが可能となり、それらイオンを約90
%近く質量分析部に導くことができるので、中性粒子の
約80%を質量分析することができる。
Further, according to the solid surface inspection apparatus of the present invention, there is provided a sample stage that supports a sample, a primary ion beam irradiation system that irradiates a target area of the sample with a primary ion beam, and a secondary ion beam that is generated from the sample. The solid surface inspection apparatus includes a secondary ion mass spectrometry system for observation, and includes a laser light source that irradiates the target area of the sample with two or more types of laser light together with the primary ion beam, so that, for example,
As a laser light source, it emits a resonance line of a specific wavelength that excites the target neutral particles of ultra-trace impurities, or a light as strong as the resonance line, or the oscillation time of each laser beam of two or more wavelengths is set. By using a laser light source that can be controlled to have a correlation, the ionization of neutral particles that are sputtered from the sample together with secondary ions is promoted, and the neutral particles that are irradiated with Rade light are ionized to about 90%. This makes it possible to reduce these ions to about 90
Since approximately 80% of the neutral particles can be guided to the mass spectrometer, approximately 80% of the neutral particles can be subjected to mass spectrometry.

これにより、試料の主成分の構成元素は勿論、微量不純
物や0.001 p p bオーダーの超極微量不純物
までも解明することができる。
This makes it possible to elucidate not only the constituent elements of the main components of the sample but also trace impurities and ultra-trace impurities on the order of 0.001 p p b.

また、試料の目的領域に電子ビームを照射する電子ビー
ム照射系と、当該目的領域から発生する荷電粒子を検出
して画像を構成する画像観察手段とを備えるとともに、
特定の元素の検出強度を監視するモニタ手段を備えるこ
となどにより、特定の元素がある検出強度に到達した時
点で計測を停止したり、当該時点から所望の時間または
所望の深さまで計測作業を継続したり、他の測定部位や
別の試料への検査作業の移行を行うことが可能となり、
多層構造を呈する半導体集積回路装置などの試料に対す
る多様な検査を的確に遂行することができる。
Further, it includes an electron beam irradiation system that irradiates a target region of the sample with an electron beam, and an image observation means that detects charged particles generated from the target region and configures an image,
By providing a monitor that monitors the detection intensity of a specific element, it is possible to stop measurement when a certain detection intensity of a specific element is reached, or continue measurement work from that point until a desired time or desired depth. or transfer the inspection work to another measurement site or another sample.
Various tests can be accurately performed on samples such as semiconductor integrated circuit devices exhibiting a multilayer structure.

この結果、たとえば、それら超極微量不純物や微量不純
物が関与する半導体集積回路素子のプロセス開運の不良
原因を解明したり、プロセス条件を設定する基礎データ
を迅速かつ正確に得ることができる。
As a result, for example, it is possible to elucidate the causes of failures in the process of semiconductor integrated circuit devices that involve ultra-trace impurities and trace impurities, and to quickly and accurately obtain basic data for setting process conditions.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明の一実施例である固体表面検査装置の
構成の一例を示す説明図、 第2図は、中性粒子のレーザ光照射によるイオン化のプ
ロセスの一例を模式的に示す説明図、第3図は、実施例
1の固体表面検査装置による測定結果の一例を示す線図
、 第4図は、本発明の実施例2である固体表面検査装置の
構成の一例を模式的に示す平面図、第5図は、その制御
動作の一例を示すタイミングチャート、 第6図は、本発明の実施例3である固体表面検査装置の
構成の一例を模式的に示す斜視図、第7図は、本発明の
実施例4である固体表面検査装置の構成の一例を模式的
に示す平面図、第8図は、本発明の実施例5である固体
表面検査装置の構成の一例を模式的に示す平面図、第9
図は、本発明の実施例6である固体表面検査装置の構成
の一例を模式的に示す平面図、第10図は、本発明の実
施例7である固体表面検査装置の構成の一例を模式的に
示す平面図、第11図は、実施例7の固体表面検査装置
における測定結果の一例を示す線図、 第12図(a)および(5)は、本発明の固体表面検査
装置の動作原理の一例を説明する線図、第13図は、本
発明の固体表面検査装置の動作原理の一例を説明する模
式図である。 la、lb・・・荷電粒子源、2a・・・イオン群、2
b・・・電子群、3・・・一次イオン質量分析器/一次
電子エネルギー分析器、4・・・一次イオンビーム、4
a・・・一次電子ビーム、5・・・試料台、6・・・試
料、6a・・・観察画像、7・・・一次粒子用オリフイ
ス、8・・・集束レンズ、9.10・・・界浸レンズ、
11・・・二次イオン、12・・・中性粒子、12a・
・・二次電子、13a、13b、13c・・・レーザ光
源、14a、14b、14C・・・レーザ光、15・・
・静電レンズ、16・・・αスリット、17・・・トロ
イダル電場/球面電場形成器、18・・・βスリット、
19・・・電磁場形成器、20・・・二次イオン、23
・・・トロイダル電場/球面電場形成器、24・・・二
次イオン、25・・・ファラデーカップ、26・・・二
次電子増倍管、29.30・・・信号増幅器、31・・
・一次粒子ビーム遮断器、32a・・・レーザ光遮断器
、32b・・・レーザ光゛遮断器、33・・二次イオン
ビーム遮断器、34・・・イオン0N10’FF信号、
35a・・・光0N10FF信号、35b・・・光0N
10FF信号、36・・二次イオンON10 F F信
号、37・・・タイミング発生器、38・・・二次電子
検出器、39・・・二次電子遮断器、40・・・二次電
子0N10FF信号、41・・・一次粒子偏向器、42
・・・一次粒子走査信号、43・・・走査信号、44・
・・陰極線管、45・・・輝度変調信号、46・・・制
御計算機、47・・・四重種型質量分析器、48・・・
一次粒子高速遮断器、49・・・一次粒子高速遮断信号
、50・・・タイミング発生器、51・・・タイミング
パルス、52・・・高速信号記録装置、53・・・二次
イオン強度信号、54・・・レーザ光源駆動システム、
55・・・駆動信号、56・・・駆動信号、57・・・
試料台駆動信号発生器、58・・・試料台駆動信号、5
9・・・試料台位置検出信号、60・・・試料台駆動機
構、63・・・電磁場駆動信号、64・・・電磁場強度
信号、M・・・二次イオン質量分析系。 100       200 表面からの深さ(人) 00 ! セ 、\ ポl1lF田 ! セ フ\ザ朦田i
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of a solid surface inspection device that is an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing an example of the process of ionizing neutral particles by laser beam irradiation. Fig. 3 is a diagram showing an example of the measurement results by the solid surface inspection device of Example 1, and Fig. 4 is a diagram schematically showing an example of the configuration of the solid surface inspection device of Example 2 of the present invention. FIG. 5 is a timing chart showing an example of the control operation; FIG. 6 is a perspective view schematically showing an example of the configuration of the solid surface inspection apparatus according to the third embodiment of the present invention; FIG. FIG. 8 is a plan view schematically showing an example of the configuration of a solid surface inspection apparatus according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a schematic plan view showing an example of the configuration of a solid surface inspection apparatus according to a fifth embodiment of the present invention. Plan view shown in Figure 9
10 is a plan view schematically showing an example of the configuration of a solid surface inspection apparatus according to Embodiment 6 of the present invention, and FIG. 10 is a schematic plan view showing an example of the configuration of a solid surface inspection apparatus according to Embodiment 7 of the present invention. FIG. 11 is a diagram showing an example of the measurement results of the solid surface inspection device of Example 7, and FIGS. 12(a) and (5) are the operation of the solid surface inspection device of the present invention. A diagram illustrating an example of the principle, FIG. 13 is a schematic diagram illustrating an example of the operating principle of the solid surface inspection apparatus of the present invention. la, lb...Charged particle source, 2a...Ion group, 2
b...Electron group, 3...Primary ion mass analyzer/primary electron energy analyzer, 4...Primary ion beam, 4
a... Primary electron beam, 5... Sample stage, 6... Sample, 6a... Observation image, 7... Orifice for primary particles, 8... Focusing lens, 9.10... immersion lens,
11...Secondary ion, 12...Neutral particle, 12a.
...Secondary electrons, 13a, 13b, 13c...Laser light source, 14a, 14b, 14C...Laser light, 15...
・Electrostatic lens, 16... α slit, 17... Toroidal electric field/spherical electric field generator, 18... β slit,
19... Electromagnetic field generator, 20... Secondary ion, 23
...Toroidal electric field/spherical electric field generator, 24...Secondary ion, 25...Faraday cup, 26...Secondary electron multiplier, 29.30...Signal amplifier, 31...
- Primary particle beam interrupter, 32a... Laser beam interrupter, 32b... Laser beam interrupter, 33... Secondary ion beam interrupter, 34... Ion 0N10'FF signal,
35a...light 0N10FF signal, 35b...light 0N
10FF signal, 36...Secondary ion ON10FF signal, 37...Timing generator, 38...Secondary electron detector, 39...Secondary electron breaker, 40...Secondary electron 0N10FF Signal, 41... Primary particle deflector, 42
...Primary particle scanning signal, 43...Scanning signal, 44.
... Cathode ray tube, 45 ... Brightness modulation signal, 46 ... Control computer, 47 ... Quadruple seed mass spectrometer, 48 ...
Primary particle high speed circuit breaker, 49... Primary particle high speed cutoff signal, 50... Timing generator, 51... Timing pulse, 52... High speed signal recording device, 53... Secondary ion intensity signal, 54...Laser light source drive system,
55... Drive signal, 56... Drive signal, 57...
Sample stage drive signal generator, 58... Sample stage drive signal, 5
9... Sample stage position detection signal, 60... Sample stage drive mechanism, 63... Electromagnetic field drive signal, 64... Electromagnetic field strength signal, M... Secondary ion mass spectrometry system. 100 200 Depth from surface (people) 00! Se,\Pol1lF田! Sef\The Akeda i

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、試料の目的領域に対する一次イオンビームの照射に
よって発生する二次イオンおよび二次電子の少なくとも
一方を検出して当該試料の目的領域における物質の分布
状態を知る固体表面検査方法であって、前記試料の目的
領域に前記一次イオンビームとともに2種以上のレーザ
光を照射する固体表面検査方法。 2、前記一次イオンビームの照射時刻と2種以上の前記
レーザ光の各々の照射時刻の差の制御と、前記二次イオ
ンおよび二次電子の少なくとも一方の検出時刻と前記各
照射時刻との差の制御とを組み合わせることにより、前
記試料から前記二次イオンとともにスパッタリングされ
る中性粒子に舎まれる目的の超極微量不純物のイオン化
を促進するようにした請求項1記載の固体表面検査方法
。 3、試料を支持する試料台と、前記試料の目的領域に一
次イオンビームを照射する一次イオンビーム照射系と、
前記試料から発生する二次イオンを観測する二次イオン
質量分析系とからなる固体表面検査装置であって、前記
一次イオンビームとともに前記試料の目的領域に2種以
上のレーザ光を照射するレーザ光源を備えたことを特徴
とする固体表面検査装置。 4、目的の前記超極微量不純物の種類に応じて、前記レ
ーザ光源として、気体放電型、固体レーザ発振型または
小型のシンクロトロン放射光光源のうちの一種または複
数を組み合わせて使用することを特徴とする請求項3記
載の固体表面検査装置。 5、前記レーザ光源が、目的の前記極超微量不純物の中
性粒子を励起する特定波長の共鳴線ないしは当該究明線
程度に強い光を放出するか、または2種類以上の波長の
レーザ光の各々の発振時間が相関関係を持つように制御
可能なレーザ光源であることを特徴とする請求項3また
は4記載の固体表面検査装置。 6、前記試料の目的領域に電子ビームを照射する電子ビ
ーム照射系と、当該目的領域から発生する荷電粒子を検
出して画像を構成する画像観察手段とを備え、特定の極
微量不純物元素のイオンおよび二次電子の少なくとも一
方の検出強度に基づく前記試料の観察画像を構成するよ
うにしたことを特徴とする請求項3または4記載の固体
表面検査装置。 7、前記二次イオン質量分析系として、扇形磁場形成手
段を中心とした2重収束型質量分析系、四重極型質量分
析系または飛行時間型質量分析系のいずれかを用いたこ
とを特徴とする請求項3、4、5または6記載の固体表
面検査装置。 8、特定の元素の検出強度を監視するモニタ手段を備え
、特定の前記元素がある検出強度に到達した時点での計
測の停止、当該時点から所望の時間または所望の深さま
での計測、他の測定部位や別の試料への検査作業の移行
を可能にした請求項3、4、5、6または7記載の面体
表面検査装置。 9、前記試料台の平面を鉛直方向に設定するとともに、
前記一次イオンビーム照射系および二次イオン質量分析
系の軸を含む平面が水平になるようにした請求項3、4
、5、6、7または8記載の固体表面検査装置。
[Claims] 1. Solid surface inspection that detects at least one of secondary ions and secondary electrons generated by irradiating a target area of a sample with a primary ion beam to determine the state of distribution of substances in the target area of the sample. A method for inspecting a solid surface, the method comprising irradiating a target region of the sample with the primary ion beam and two or more types of laser beams. 2. Controlling the difference between the irradiation time of the primary ion beam and the irradiation time of each of the two or more types of laser beams, and the difference between the detection time of at least one of the secondary ions and secondary electrons and each of the irradiation times. 2. The solid surface inspection method according to claim 1, wherein ionization of ultra-trace impurities intended to be contained in neutral particles sputtered from the sample together with the secondary ions is promoted by combining the control with the above control. 3. a sample stage that supports a sample; a primary ion beam irradiation system that irradiates a target area of the sample with a primary ion beam;
A solid surface inspection device comprising a secondary ion mass spectrometry system for observing secondary ions generated from the sample, the laser light source irradiating a target area of the sample with two or more types of laser light together with the primary ion beam. A solid surface inspection device characterized by comprising: 4. Depending on the type of the target ultratrace impurity, one or more of a gas discharge type, a solid-state laser oscillation type, or a small synchrotron radiation light source is used as the laser light source in combination. 4. The solid surface inspection device according to claim 3. 5. The laser light source emits a resonance line of a specific wavelength that excites the target neutral particles of the ultra-trace impurity, or a light as strong as the resonance line, or each laser light source has two or more wavelengths. 5. The solid surface inspection apparatus according to claim 3, wherein the laser light source is controllable so that the oscillation times of the oscillation times are correlated with each other. 6. Equipped with an electron beam irradiation system that irradiates the target region of the sample with an electron beam, and an image observation means that detects charged particles generated from the target region and forms an image, and detects ions of specific trace impurity elements. 5. The solid surface inspection apparatus according to claim 3, wherein the observation image of the sample is constructed based on the detected intensity of at least one of secondary electrons and secondary electrons. 7. The secondary ion mass spectrometry system is characterized by using one of a double convergence type mass spectrometry system, a quadrupole type mass spectrometry system, or a time-of-flight type mass spectrometry system centered on a fan-shaped magnetic field forming means. The solid surface inspection device according to claim 3, 4, 5 or 6. 8. Equipped with a monitoring means for monitoring the detection intensity of a specific element, and capable of stopping measurement when a certain detection intensity of the specific element is reached, measuring from that point to a desired time or desired depth, and other methods. 8. The facepiece surface inspection device according to claim 3, wherein the inspection work can be transferred to a measurement site or another sample. 9. Setting the plane of the sample stage in the vertical direction,
Claims 3 and 4, wherein a plane including the axes of the primary ion beam irradiation system and the secondary ion mass spectrometry system is horizontal.
, 5, 6, 7 or 8.
JP1214360A 1989-08-21 1989-08-21 Method and device for inspection of solid surface Pending JPH0378955A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015137992A (en) * 2014-01-24 2015-07-30 株式会社島津製作所 MALDI ion source

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015137992A (en) * 2014-01-24 2015-07-30 株式会社島津製作所 MALDI ion source

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