JPH07151711A - Method and device for surface analysis - Google Patents
Method and device for surface analysisInfo
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- JPH07151711A JPH07151711A JP6259214A JP25921494A JPH07151711A JP H07151711 A JPH07151711 A JP H07151711A JP 6259214 A JP6259214 A JP 6259214A JP 25921494 A JP25921494 A JP 25921494A JP H07151711 A JPH07151711 A JP H07151711A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、表面分析方法および装
置に関する。より詳細には、試料表面を構成する元素の
種類およびその結合状態を評価するとともに、試料表面
を1原子層ごとに除去して深さ方向の分布を、特に表面
の数原子層について分析可能な方法およびその方法を実
現する装置に関する。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a surface analysis method and apparatus. More specifically, it is possible to evaluate the types of elements constituting the sample surface and their bonding states, and to analyze the distribution in the depth direction by removing the sample surface for each atomic layer, especially for several atomic layers on the surface. The present invention relates to a method and an apparatus for implementing the method.
【0002】[0002]
【従来の技術】加速したイオンビームを試料に入射し、
散乱されて戻ってくるイオンのエネルギ分布を測定し、
試料を分析する方法をイオン散乱分光法という。イオン
散乱分光法の中でも、keV 程度の低エネルギイオンを使
用する低速イオン散乱分光(以下LEISSと記す)
と、MeV 程度の高エネルギイオンを使用するラザフォー
ド後方散乱分光(以下RBSと記す)とが代表的であ
る。2. Description of the Related Art An accelerated ion beam is incident on a sample,
Measure the energy distribution of the scattered and returning ions,
The method of analyzing a sample is called ion scattering spectroscopy. Among ion scattering spectroscopy, slow ion scattering spectroscopy using low energy ions of about keV (hereinafter referred to as LEISS)
And Rutherford backscattering spectroscopy (hereinafter referred to as RBS) using high-energy ions of about MeV.
【0003】LEISSもRBSも薄膜の元素分析およ
び結合状態・結晶性の解析に使用されるが、特にLEI
SSの場合は、試料表面の1原子層の結合状態・結晶性
の解析に有効である。それに対し、RBSでは、試料表
面から内部にわたっての元素分析、結晶性の評価が可能
であるが、かなり厚い部分の平均値しか得られない。従
って、従来、試料内部の詳細な解析を行う場合には、試
料表面をArイオンを使用したスパッタリングまたは反応
性イオンエッチング等でエッチングし、LEISS法等
の表面分析方法で分析を行うことを繰り返して評価して
いた。Both LEISS and RBS are used for elemental analysis and bonding state / crystallinity analysis of thin films, and especially LEI.
In the case of SS, it is effective for analyzing the bond state and crystallinity of one atomic layer on the sample surface. On the other hand, with RBS, elemental analysis and crystallinity evaluation from the sample surface to the inside are possible, but only the average value of a considerably thick portion can be obtained. Therefore, conventionally, when performing a detailed analysis of the inside of the sample, the sample surface is etched by sputtering using Ar ions or reactive ion etching, and the analysis is repeated by a surface analysis method such as the LEISS method. I was evaluating.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方法で試料の内部を解析する場合、以下のような問
題があった。まず、試料表面をエッチングする場合に、
エッチングされる厚さを原子層単位の精度で制御するこ
とが極めて困難である。従って、試料表面から数原子層
の厚さの詳細な元素の分布を解析することは、ほとんど
不可能である。また、エッチングにより露出した試料表
面は、ポテンシャルが高いアクティブな状態であり、装
置内の残留ガスと容易に結合するので汚染されやすい。
従って、表面処理後の分析の際に汚染物質の影響が無視
し得ない。さらに、エッチングにより、原子配列が破壊
されたり、エッチングに用いたガス成分またはエッチン
グされた物質が表面に残留していることがある。これら
も解析の精度を下げる要因となる。However, when the inside of the sample is analyzed by the above-mentioned conventional method, there are the following problems. First, when etching the sample surface,
It is extremely difficult to control the etched thickness with the accuracy of the atomic layer unit. Therefore, it is almost impossible to analyze the detailed distribution of elements having a thickness of several atomic layers from the sample surface. Further, the sample surface exposed by etching is in an active state with a high potential, and is easily bonded to the residual gas in the device, so that it is easily contaminated.
Therefore, the influence of contaminants in the analysis after surface treatment cannot be ignored. Further, due to etching, the atomic arrangement may be destroyed, or the gas component used for etching or the etched substance may remain on the surface. These also reduce the accuracy of analysis.
【0005】そこで本発明の目的は、上記従来技術の問
題点を解決した、試料の原子配列を乱したり、汚染を発
生することなく、表面から1原子層ごとに深さ方向の元
素分析、結合状態解析等が可能な表面分析方法および装
置を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art by elemental analysis in the depth direction for each atomic layer from the surface without disturbing the atomic arrangement of the sample or causing contamination. An object of the present invention is to provide a surface analysis method and apparatus capable of analyzing binding states and the like.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、低エネ
ルギのイオンビームを試料に入射し、散乱されたイオン
のエネルギ分布を測定し、試料を分析する方法におい
て、高真空下で、質量の小さい希ガスイオンを試料に入
射し、試料表面を分析する過程と、質量の大きい希ガス
イオンを試料に入射し、試料表面を1原子層分の厚さご
とにスパッタエッチングして除去する過程と、再び質量
の小さい希ガスイオンを試料に入射し、試料表面を分析
する過程とを含むことを特徴とする表面分析方法が提供
される。According to the present invention, a method of injecting a low energy ion beam into a sample, measuring the energy distribution of scattered ions, and analyzing the sample is described. A process of injecting small rare gas ions into the sample and analyzing the sample surface, and a process of injecting large mass rare gas ions into the sample and removing the sample surface by sputter etching for each atomic layer thickness. And a step of again injecting a rare gas ion having a small mass into the sample to analyze the sample surface, the surface analysis method is provided.
【0007】本発明の方法では、質量の異なる2種以上
の希ガスイオンのビームを試料に入射して分解能の異な
る分析を行うことが好ましく、例えば、質量の大きい希
ガスイオンのビームを試料に入射し、試料表面をスパッ
タエッチングする際に、試料表面で散乱された希ガスイ
オンのエネルギ分布を測定し、試料表面の分析も行うこ
とが好ましい。また、本発明の方法では、希ガスイオン
ビームの径を細く、例えば1mm程度に集束して分析を行
うことが好ましい。また、希ガスイオンビームを試料に
対して相対的に走査しながら分析を行うことが好まし
く、さらに、希ガスイオンビームの入射角を変化させな
がら分析を行うことが好ましい。In the method of the present invention, it is preferable that two or more kinds of rare gas ion beams having different masses are incident on a sample to perform analysis with different resolutions. For example, a beam of a large mass rare gas ion is used as a sample. It is preferable to measure the energy distribution of the rare gas ions scattered on the sample surface when the sample is incident and sputter-etch the sample surface, and analyze the sample surface. Further, in the method of the present invention, it is preferable that the diameter of the rare gas ion beam is made small, for example, focused to about 1 mm for analysis. Further, it is preferable to perform the analysis while scanning the rare gas ion beam relative to the sample, and it is further preferable to perform the analysis while changing the incident angle of the rare gas ion beam.
【0008】本発明の方法においては、希ガスイオンを
試料に入射させる各過程を、1×10-9Torr以上の超高真
空下で行うことが好ましく、それぞれの希ガスイオンを
1keV以下のエネルギで試料に入射して分析およびスパ
ッタエッチングを行うことが好ましい。In the method of the present invention, each step of injecting rare gas ions into the sample is preferably carried out under an ultrahigh vacuum of 1 × 10 -9 Torr or more, and each rare gas ion has an energy of 1 keV or less. It is preferable to perform analysis and sputter etching by injecting into the sample.
【0009】一方、本発明では、内部を高真空に排気可
能な真空チャンバと、該真空チャンバに備えられ、質量
の異なる2種以上の希ガスイオンの所定のエネルギに加
速したイオンビームを前記真空チャンバ内の試料に所定
の角度で入射させることが可能に構成されたイオン源
と、前記試料で散乱されたイオンのエネルギ分布を測定
する測定手段とを備えることを特徴とする表面分析装置
が提供される。本発明の装置は、さらに、イオンビーム
を所定の径に集束する手段を備え、前記測定手段が所定
の角度範囲に散乱されたイオンのエネルギ分布を測定可
能に構成されていることが好ましい。On the other hand, according to the present invention, a vacuum chamber capable of evacuating the interior to a high vacuum, and an ion beam provided in the vacuum chamber and accelerated to a predetermined energy of two or more kinds of rare gas ions having different masses are used for the vacuum. Provided is a surface analysis device comprising: an ion source configured to be incident on a sample in a chamber at a predetermined angle; and a measuring unit for measuring an energy distribution of ions scattered by the sample. To be done. It is preferable that the apparatus of the present invention further comprises means for focusing the ion beam to a predetermined diameter, and the measuring means is configured to be capable of measuring the energy distribution of the ions scattered in the predetermined angular range.
【0010】[0010]
【作用】本発明の方法は、質量の小さい希ガスイオンの
ビームを低エネルギで試料に入射して散乱するイオンに
より表面の分析を行い、質量の大きい希ガスイオンのビ
ームを同じく低エネルギで加速して試料に入射して表面
の1原子層を除去し、新たに露出した試料表面を再度質
量の小さい希ガスイオンの低エネルギのビームを利用し
て分析するところにその主要な特徴がある。本発明の方
法では、試料の表面から1原子層ごとに深さ方向の元素
分析、結合状態分析が可能である。According to the method of the present invention, a beam of a rare gas ion having a small mass is incident on a sample at a low energy and the surface is analyzed by the ions scattered, and a beam of a rare gas ion having a large mass is also accelerated at a low energy. The main feature is that the single atomic layer on the surface is removed by being incident on the sample, and the newly exposed sample surface is analyzed again using a low energy beam of a rare gas ion having a small mass. According to the method of the present invention, it is possible to perform elemental analysis and bond state analysis in the depth direction for each atomic layer from the surface of the sample.
【0011】本発明の方法では、精度の高い分析を行う
ために質量の異なる2種以上の希ガスイオンのビームを
試料に入射して分解能の異なる分析を行うことが好まし
い。この場合、上記のスパッタエッチングの際に、質量
の大きい希ガスイオンで分析を同時に行うことも好まし
い。本発明の方法において、質量の小さい希ガスイオン
としては、例えばHeイオンが好ましく、イオンビームの
エネルギは1keV 以下が好ましい。この希ガスイオンの
質量およびイオンビームのエネルギは、試料をできるだ
け傷めずに試料表面のみの1原子層の元素分析、結合状
態分析を行うことができるように選択する。Heイオンビ
ームを1keV 以下のエネルギで試料に入射した場合に
は、試料表面をほとんど傷めることなく表面の元素分
析、結合状態分析を行うことができる。In the method of the present invention, in order to perform highly accurate analysis, it is preferable that two or more kinds of rare gas ion beams having different masses are incident on the sample to perform analysis with different resolutions. In this case, it is also preferable to simultaneously perform analysis with rare gas ions having a large mass during the above-described sputter etching. In the method of the present invention, as the rare gas ions having a small mass, for example, He ions are preferable, and the ion beam energy is preferably 1 keV or less. The mass of the rare gas ions and the energy of the ion beam are selected so that the elemental analysis and the bond state analysis of one atomic layer only on the sample surface can be performed without damaging the sample as much as possible. When the He ion beam is incident on the sample with energy of 1 keV or less, elemental analysis and bond state analysis of the surface can be performed with almost no damage to the sample surface.
【0012】一方、本発明の方法では、質量の重い希ガ
スイオンとして、例えばNeを使用することが好ましく、
イオンビームのエネルギは、やはり1keV 以下が好まし
い。Neイオンビームを1keV 以下のエネルギで試料に入
射した場合には、試料表面の1原子層しか影響を及ぼさ
ないのでスパッタエッチングされる領域もこの範囲に留
まる。この希ガスイオンの質量およびイオンビームのエ
ネルギは、試料表面を精密にエッチングできるよう、す
なわち、試料表面から1原子層ごとはぎとるようにエッ
チングできるよう選択すればよい。従って、加速エネル
ギを制限することにより、質量の大きいArイオンを使用
することも可能である。On the other hand, in the method of the present invention, it is preferable to use, for example, Ne as the rare gas ion having a large mass,
The energy of the ion beam is still preferably 1 keV or less. When the Ne ion beam is incident on the sample at an energy of 1 keV or less, only one atomic layer on the sample surface is affected, and thus the sputter-etched region also stays within this range. The mass of the rare gas ions and the energy of the ion beam may be selected so that the sample surface can be precisely etched, that is, one atomic layer can be stripped from the sample surface. Therefore, it is possible to use Ar ions having a large mass by limiting the acceleration energy.
【0013】さらに本発明の方法では、上記の分析およ
びスパッタエッチングのそれぞれの過程を1×10-9Torr
以上の超高真空下で実施することが好ましい。これは、
それぞれの過程において、イオンビームの照射および検
出を超高真空下で行えば、残留ガスによる散乱を抑制で
きるのと、特にスパッタエッチングにより新たに露出し
たポテンシャルの高い試料表面の汚染を防止することが
できるためである。また、本発明の方法では、分析の際
に、希ガスイオンビームの径を例えば1mm程度に細く集
束することが好ましく、試料表面の例えば5×5mm2 程
度の範囲を希ガスイオンビームで走査することが好まし
い。さらに、希ガスイオンビームの入射角を例えば±20
°程度変更しながら分析を行うことが好ましい。これに
より、試料表面の極めて微小な領域(二次元的にも三次
元的にも)を逃すことなく正確に分析することが可能に
なり、スパッタエッチングにより新たに露出した表面の
面積が微小であっても、分析可能である。Further, in the method of the present invention, the steps of the above analysis and sputter etching are performed at 1 × 10 -9 Torr.
It is preferable to carry out under the above ultra-high vacuum. this is,
In each process, if the irradiation and detection of the ion beam is performed under ultra-high vacuum, it is possible to suppress the scattering due to the residual gas, and especially to prevent the contamination of the surface of the sample having a high potential newly exposed by the sputter etching. Because you can. Further, in the method of the present invention, it is preferable that the diameter of the rare gas ion beam is narrowly focused to, for example, about 1 mm during the analysis, and the range of about 5 × 5 mm 2 on the sample surface is scanned with the rare gas ion beam. It is preferable. Furthermore, the incident angle of the rare gas ion beam is, for example, ± 20.
It is preferable to perform the analysis while changing the degree. This enables accurate analysis without missing extremely small areas (two-dimensionally and three-dimensionally) on the sample surface, and the surface area newly exposed by sputter etching is very small. However, it can be analyzed.
【0014】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the following disclosure is merely examples of the present invention and does not limit the technical scope of the present invention.
【0015】[0015]
【実施例】図1に、本発明の方法を実現する本発明の表
面分析装置の概略図を示す。図1の装置は、排気口10を
備え、例えば1×10-9Torr以下の圧力まで超高真空に排
気可能な真空チャンバ1と、この真空チャンバ1の側面
に装着されたイオン銃2および検出器3を備える。ま
た、真空チャンバ1の上部には、マニピュレータ6が備
えられ、マニピュレータ6上には、加熱用ヒータ7を備
えた試料ホルダ5が取り付けられている。マニピュレー
タ6は、基板をx、yおよびzの3方向(即ち、図面の
紙面に平行な2方向および紙面に対して垂直な方向)に
移動可能で、且つ基板を2軸(マニピュレータ6の軸に
平行な軸および紙面に対して垂直な軸)を中心に傾斜さ
せることができる。イオン銃2は、2種以上の希ガスを
導入する2個以上の希ガス導入孔20を備え、内部で希ガ
スを電離することにより発生した希ガスイオンをビーム
にして発射する。イオン銃2には、レンズおよび偏向電
極等の電子光学的手段21が備えられ、また、イオン銃2
の位置、角度も調整可能に構成されている。このような
構成のイオン銃2とマニピュレータ6とにより、イオン
ビームを所定の径に集束し、所定の角度で試料4の所定
の位置に照射することが可能である。試料4は必要に応
じて、試料ホルダ5に備えられた加熱用ヒータ7により
加熱される。本発明の装置のイオン銃としては、例え
ば、当業者に周知の差動式イオン銃等が好ましい。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a schematic view of a surface analysis apparatus of the present invention which realizes the method of the present invention. The apparatus shown in FIG. 1 is equipped with an exhaust port 10 and is capable of evacuating to an ultrahigh vacuum up to a pressure of 1 × 10 −9 Torr or less, an ion gun 2 mounted on the side surface of the vacuum chamber 1, and a detection chamber. A vessel 3 is provided. Further, a manipulator 6 is provided on the upper part of the vacuum chamber 1, and a sample holder 5 having a heater 7 for heating is attached on the manipulator 6. The manipulator 6 can move the substrate in three directions x, y, and z (that is, two directions parallel to the paper surface of the drawing and a direction perpendicular to the paper surface), and the substrate can be moved in two axes (the axes of the manipulator 6). It can be tilted about a parallel axis and an axis perpendicular to the paper surface. The ion gun 2 has two or more rare gas introduction holes 20 for introducing two or more kinds of rare gases, and emits a rare gas ion generated by ionizing the rare gas inside into a beam. The ion gun 2 is provided with an electro-optical means 21 such as a lens and a deflection electrode.
The position and angle of are also adjustable. With the ion gun 2 and the manipulator 6 having such a configuration, it is possible to focus the ion beam to a predetermined diameter and irradiate the sample 4 at a predetermined position at a predetermined angle. The sample 4 is heated by the heating heater 7 provided in the sample holder 5 as needed. As the ion gun of the device of the present invention, for example, a differential ion gun or the like well known to those skilled in the art is preferable.
【0016】一方、検出器3は、位置および角度が調整
可能に構成されており、試料4の表面で所定の角度に散
乱されたイオンのエネルギ分布を分析可能に構成されて
いる。検出器3としては、やはり当業者に周知の円筒鏡
型エネルギ分析器等が好ましい。On the other hand, the detector 3 is constructed so that its position and angle can be adjusted, and the energy distribution of the ions scattered at a predetermined angle on the surface of the sample 4 can be analyzed. The detector 3 is preferably a cylindrical mirror type energy analyzer or the like well known to those skilled in the art.
【0017】上記のように構成された本発明の表面分析
装置では、超高真空に排気した真空チャンバ1内で試料
4の表面に所定の角度で質量の小さい希ガスイオンをイ
オン銃2により低エネルギに加速して照射する。試料4
の表面で、散乱されたイオンのエネルギ分布を検出器3
で分析することにより試料表面の1原子層厚の元素分
析、結合状態分析を行う。In the surface analysis apparatus of the present invention configured as described above, the ion gun 2 reduces the rare gas ions having a small mass at a predetermined angle on the surface of the sample 4 in the vacuum chamber 1 evacuated to an ultrahigh vacuum. Irradiate with accelerated energy. Sample 4
The energy distribution of the scattered ions on the surface of the detector 3
The elemental analysis and bond state analysis of the thickness of one atomic layer on the surface of the sample are performed by the analysis.
【0018】また、イオン銃2から、質量の大きい希ガ
スイオンを試料4の表面に照射し、分解能の異なる分析
を行うとともに表面の1原子層を除去し、新たな原子層
を露出させ、この原子層に今度は質量の小さい希ガスイ
オンを照射して分析を行う。もちろん、加速エネルギを
調整することにより、質量の大きい希ガスイオンで分析
のみを行うこともできるし、スパッタエッチングによる
試料表面の1原子層の除去のみを行うこともできる。こ
れらの操作を繰り返せば、試料の表面から原子層単位
の、元素分析、結合状態分析、結晶構造分析を深さ方向
に行うことができる。また、希ガスイオンビームを走査
しながら分析を行ったり、希ガスイオンビームの入射角
を変更しながら分析を行うことにより、試料表面の微小
な部分も逃さずに分析を行うことができる。これによ
り、スパッタエッチングを行う部分を試料表面の極小さ
い面積に限定しても、上記の分析を正確に行うことが可
能である。Further, the surface of the sample 4 is irradiated with a large amount of rare gas ions from the ion gun 2 to perform analyzes with different resolutions, one atomic layer on the surface is removed, and a new atomic layer is exposed. The atomic layer is then irradiated with rare gas ions with a small mass for analysis. Of course, by adjusting the acceleration energy, it is possible to perform analysis only with rare gas ions having a large mass, or to remove only one atomic layer on the sample surface by sputter etching. By repeating these operations, elemental analysis, bond state analysis, and crystal structure analysis can be performed in the depth direction from the surface of the sample in atomic layer units. Further, by performing the analysis while scanning the rare gas ion beam or by changing the incident angle of the rare gas ion beam, it is possible to perform the analysis without missing a minute portion of the sample surface. As a result, the above-mentioned analysis can be performed accurately even if the portion where sputter etching is performed is limited to an extremely small area on the sample surface.
【0019】上記本発明の表面分析装置を使用して、本
発明の方法で、Y1Ba2Cu3O7-X酸化物超電導体薄膜表面
の終端面の分析を行った。Y1Ba2Cu3O7-Xは、ペロブス
カイト構造の結晶構造を有する二次結晶であることが知
られている。試料としたのは、SrTiO3基板上に反応性
共蒸着法により成膜された厚さ 100nmのほぼ単結晶のY
1Ba2Cu3O7-X薄膜である。この薄膜が形成されたSrTiO
3基板を超高真空搬送路を経由して図1に示した真空チ
ャンバ1の試料ホルダ5に固定した。Using the surface analyzer of the present invention, the termination surface of the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 -X oxide superconductor thin film surface was analyzed by the method of the present invention. Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X is known to be a secondary crystal having a crystal structure of a perovskite structure. The sample used was a substantially single crystal Y film with a thickness of 100 nm formed on the SrTiO 3 substrate by the reactive co-evaporation method.
1 Ba 2 Cu 3 O 7-X thin film. SrTiO formed with this thin film
The three substrates were fixed to the sample holder 5 of the vacuum chamber 1 shown in FIG. 1 via the ultrahigh vacuum transfer path.
【0020】次に、真空チャンバ1内を1×10-10Torr
まで排気し、イオン銃2から0.5keVのHeイオンビームを
試料に照射して表面の分析を行った。図2(a)に分析結
果を示す。図2(a)のグラフは、散乱したHeイオンのエ
ネルギ分布(スペクトル)を示すグラフである。図2
(a)のグラフからわかるように、試料のY1Ba2Cu3O7-X
薄膜の表面は、Cu原子およびO原子に対応するエネルギ
の散乱イオンが多い。これにより、試料のY1Ba2Cu3O
7-X薄膜の最上層は、Cu−O面であることがわかった。Next, the inside of the vacuum chamber 1 is set to 1 × 10 -10 Torr.
It was evacuated to, and the surface was analyzed by irradiating the sample with a He ion beam of 0.5 keV from the ion gun 2. The analysis results are shown in FIG. The graph of FIG. 2A is a graph showing the energy distribution (spectrum) of scattered He ions. Figure 2
As can be seen from the graph in (a), the sample Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X
The surface of the thin film has many scattered ions with energies corresponding to Cu atoms and O atoms. As a result, the sample Y 1 Ba 2 Cu 3 O
The top layer of the 7-X thin film was found to be the Cu-O plane.
【0021】続いて、イオン銃2から0.5keVのNeイオン
ビームをドーズ量約1014/cm2で試料に照射し、試料表
面の1原子層(Cu−O面)を一部除去し、新たな原子層
を露出させた。この試料に再度0.5keVのHeイオンを照射
して表面の分析を行った。分析結果を図2(b)に示す。
図2(b)のグラフは、2回目の分析で散乱したHeイオン
のエネルギ分布(スペクトル)を示すグラフである。図
2(b)のグラフからわかるように、この新たに露出した
表面においてもCu原子およびO原子に対応するエネルギ
の散乱イオンが多いが、Cu原子に対応するエネルギの散
乱イオンが減少し、Baに対応するエネルギの散乱イオン
が増加している。Next, the sample was irradiated with a 0.5 keV Ne ion beam from the ion gun 2 at a dose of about 10 14 / cm 2 to partially remove one atomic layer (Cu-O surface) on the sample surface. Exposed atomic layer. This sample was irradiated again with He ions of 0.5 keV to analyze the surface. The analysis results are shown in Fig. 2 (b).
The graph of FIG. 2B is a graph showing the energy distribution (spectrum) of He ions scattered in the second analysis. As can be seen from the graph in Fig. 2 (b), scattered ions with energies corresponding to Cu atoms and O atoms are also large on this newly exposed surface, but scattered ions with energies corresponding to Cu atoms decrease and Ba The scattered ions of the energy corresponding to are increasing.
【0022】再び、イオン銃2から0.5keVのNeイオンビ
ームをドーズ量約1014/cm2で試料に照射し、試料表面
の1原子層をさらに除去し、新たな原子層を露出させ
た。この試料に再度0.5keVのHeイオンを照射して表面の
分析を行った。分析結果を図2(c)に示す。図2(c)のグ
ラフは、3回目の分析で散乱したHeイオンのエネルギ分
布(スペクトル)を示すグラフである。図2(c)のグラ
フからわかるように、この新たに露出した表面において
はBa原子に対応するエネルギの散乱イオンが最も多い。
この結果、試料のY1Ba2Cu3O7-X薄膜の第2層はBaで構
成されていることがわかった。Again, the sample was irradiated with a 0.5 keV Ne ion beam from the ion gun 2 at a dose of about 10 14 / cm 2 to further remove one atomic layer on the surface of the sample and expose a new atomic layer. This sample was irradiated again with He ions of 0.5 keV to analyze the surface. The analysis results are shown in FIG. 2 (c). The graph in FIG. 2C is a graph showing the energy distribution (spectrum) of He ions scattered in the third analysis. As can be seen from the graph in FIG. 2 (c), scattered ions with an energy corresponding to Ba atoms are the most on this newly exposed surface.
As a result, it was found that the second layer of the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X thin film of the sample was composed of Ba.
【0023】Y1Ba2Cu3O7-X酸化物超電導体のCu−O面
には、以下の3種類の終端があることが知られている: (1) Cu(1)−Oチェーン (2) c方向に沿ってY原子上にあるCu(2)−O2面 (3) Ba原子上にあるCu(2)−O2面 また、本発明者等は、成膜しただけ(as-deposited)の
Y1Ba2Cu3O7-X酸化物超電導薄膜の表面のO原子に対応
するエネルギの散乱イオンが、500 ℃、5分間の熱処理
を行うと減少することを確認した。以上から、試料のY
1Ba2Cu3O7-X薄膜の表面の下層にはBaが存在し、酸素が
容易に失われるので、試料のY1Ba2Cu3O7-X薄膜の表面
は、Cu−Oチェーンで終端されていることがわかった。It is known that the Cu-O face of a Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X oxide superconductor has the following three types of terminations: (1) Cu (1) -O chain (2) Cu (2) -O 2 surface on Y atom along c direction (3) Cu (2) -O 2 surface on Ba atom Further, the present inventors only formed a film ( It was confirmed that the number of scattered ions having energy corresponding to O atoms on the surface of the as-deposited Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X oxide superconducting thin film was reduced by heat treatment at 500 ° C. for 5 minutes. From the above, the sample Y
Since Ba exists in the lower layer of the surface of the 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X thin film and oxygen is easily lost, the surface of the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X thin film of the sample has a Cu-O chain structure. I found that it was terminated with.
【0024】上記の分析の間、真空チャンバ1内の圧力
は、1×10-10Torrに維持され、各工程は、連続して実
行された。During the above analysis, the pressure in the vacuum chamber 1 was maintained at 1 × 10 -10 Torr and each step was carried out continuously.
【0025】 上記本発明の方法を積層膜の作製に適用
すると、下層の薄膜の表面状態が場所により部分的に異
なる積層膜が作製可能である。例えば、SrTiO3薄膜上
に上層の薄膜を積層する場合に、Sr−O層上に上層の薄
膜を成膜する場所と、Ti−O層上に上層の薄膜を成膜す
る場所とを選択できる。また、Y1Ba2Cu3O7-X酸化物超
電導薄膜上に上層の薄膜を成膜する場合には、 Cu(1)−
Oチェーン、Ba面およびCu(2)−O2面のいずれかの上に
上層の薄膜を成膜するかを任意に選択できる。When the method of the present invention is applied to the production of a laminated film, it is possible to produce a laminated film in which the surface condition of the lower thin film is partially different depending on the location. For example, when stacking an upper thin film on a SrTiO 3 thin film, a place for forming the upper thin film on the Sr—O layer and a place for forming the upper thin film on the Ti—O layer can be selected. . In addition, when forming an upper thin film on the Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-X oxide superconducting thin film, Cu (1)-
It is possible to arbitrarily select whether to form the upper thin film on any of the O chain, the Ba surface, and the Cu (2) -O 2 surface.
【0026】[0026]
【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
試料表面を1原子層ごとに深さ方向の分析が可能な方法
およびその方法を実現する装置が提供される。本発明の
方法に従えば、エネルギおよび質量が小さいイオンビー
ムを照射して分析を行うので、試料表面をほとんど傷め
ずに正確な分析を行うことができる。また、比較的エネ
ルギが小さいイオンにより試料表面を除去するので、1
原子層ずつ精密に除去することができる。さらに、超高
真空下で連続的に処理を行うので、ポテンシャルの高い
新たに露出した表面を汚染させずに正確な分析が可能で
あり、また、この表面を利用した積層膜の形成等が可能
である。As described above, according to the present invention,
Provided are a method capable of analyzing the surface of a sample for each atomic layer in the depth direction, and an apparatus for realizing the method. According to the method of the present invention, since the analysis is performed by irradiating the ion beam having a small energy and a small mass, it is possible to perform an accurate analysis with almost no damage to the sample surface. Further, since the sample surface is removed by the ions having relatively small energy, 1
Can be precisely removed atomic layers at a time. Furthermore, since the treatment is continuously performed under ultra-high vacuum, accurate analysis is possible without contaminating the newly exposed surface with high potential, and it is also possible to form a laminated film using this surface. Is.
【図1】本発明の方法を実施する本発明の表面分析装置
の一例の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of an example of the surface analysis apparatus of the present invention for carrying out the method of the present invention.
【図2】本発明の装置を使用して本発明の方法で行った
分析結果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the results of analysis performed by the method of the present invention using the apparatus of the present invention.
1 真空チャンバ 2 イオン銃 3 検出器 4 試料 5 試料ホルダ 6 マニピュレータ 7 ヒータ 10 排気口 1 vacuum chamber 2 ion gun 3 detector 4 sample 5 sample holder 6 manipulator 7 heater 10 exhaust port
Claims (11)
し、散乱されたイオンのエネルギ分布を測定し、試料を
分析する方法において、高真空下で、質量の小さい希ガ
スイオンを試料に入射し、試料表面を分析する過程と、
質量の大きい希ガスイオンを試料に入射し、試料表面を
1原子層分の厚さごとにスパッタエッチングして除去す
る過程と、再び質量の小さい希ガスイオンを試料に入射
し、試料表面を分析する過程とを含むことを特徴とする
表面分析方法。1. A method of injecting a low-energy ion beam into a sample, measuring the energy distribution of scattered ions, and analyzing the sample, in which a rare gas ion with a small mass is injected into the sample under high vacuum. , The process of analyzing the sample surface,
A process of injecting rare gas ions with a large mass into the sample and removing the sample surface by sputter etching for each atomic layer thickness, and again injecting a rare gas ion with a small mass into the sample to analyze the sample surface And a surface analysis method.
ビームを試料に入射して分解能の異なる分析を行うこと
を特徴とする請求項1に記載の表面分析方法。2. The surface analysis method according to claim 1, wherein beams of two or more kinds of rare gas ions having different masses are incident on the sample to perform analysis with different resolutions.
を試料に入射し、試料表面をスパッタエッチングする際
に、試料表面で散乱されたこの希ガスイオンのエネルギ
分布を測定し、試料表面の分析も行うことを特徴とする
請求項1または2に記載の表面分析方法。3. Analysis of the sample surface by measuring the energy distribution of the rare gas ions scattered on the sample surface when the beam of the large-mass rare gas ions is incident on the sample and the sample surface is sputter-etched. The surface analysis method according to claim 1 or 2, which is also performed.
して分析を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれ
か1項に記載の表面分析方法。4. The surface analysis method according to claim 1, wherein the rare gas ion beam is focused with a small diameter for analysis.
相対的に走査して分析を行うことを特徴とする請求項1
〜4のいずれか1項に記載の表面分析方法。5. The analysis is performed by scanning the rare gas ion beam relative to a sample.
5. The surface analysis method according to any one of 4 to 4.
入射角を変化させながら分析を行うことを特徴とする請
求項1〜4のいずれか1項に記載の表面分析方法。6. The surface analysis method according to claim 1, wherein the analysis is performed while changing the incident angle of the rare gas ion beam with respect to the sample.
過程を、1×10-9Torr以上の超高真空下で行うことを特
徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の表面分析
方法。7. The method according to claim 1, wherein each step of injecting the rare gas ions into the sample is performed under an ultrahigh vacuum of 1 × 10 −9 Torr or more. Surface analysis method.
下のエネルギで試料に入射して分析および/またはスパ
ッタエッチングを行うことを特徴とする請求項1〜5の
いずれか1項に記載の表面分析方法。8. The surface analysis according to claim 1, wherein each of the rare gas ions is incident on a sample at an energy of 1 keV or less to perform analysis and / or sputter etching. Method.
と、該真空チャンバに備えられ、質量の異なる2種以上
の希ガスイオンの所定のエネルギに加速したイオンビー
ムを前記真空チャンバ内の試料に所定の角度で入射させ
ることが可能に構成されたイオン源と、前記試料で散乱
されたイオンのエネルギ分布を測定する測定手段とを備
えることを特徴とする表面分析装置。9. A vacuum chamber whose inside can be evacuated to a high vacuum, and an ion beam which is provided in the vacuum chamber and is accelerated to a predetermined energy of two or more kinds of rare gas ions having different masses. A surface analysis apparatus, comprising: an ion source configured to be incident on the sample at a predetermined angle; and a measuring unit that measures an energy distribution of ions scattered by the sample.
る手段を備え、前記測定手段が所定の角度範囲に散乱さ
れたイオンのエネルギ分布を測定可能に構成されている
ことを特徴とする請求項7に記載の表面分析装置。10. A means for focusing the ion beam to a predetermined diameter is provided, and the measuring means is configured to be capable of measuring the energy distribution of the ions scattered in a predetermined angular range. 7. The surface analysis device according to 7.
軸方向に変更可能で、且つ前記試料の傾斜角を異なる2
軸を中心に変更可能であるマニピュレータを備えること
を特徴とする請求項7または8に記載の表面分析装置。11. The position of the sample is set to 3 of x, y and z.
It can be changed in the axial direction and the tilt angle of the sample is different.
The surface analysis device according to claim 7, further comprising a manipulator that can be changed about an axis.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6259214A JPH07151711A (en) | 1993-09-29 | 1994-09-29 | Method and device for surface analysis |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26570993 | 1993-09-29 | ||
JP5-265709 | 1993-09-29 | ||
JP6259214A JPH07151711A (en) | 1993-09-29 | 1994-09-29 | Method and device for surface analysis |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07151711A true JPH07151711A (en) | 1995-06-16 |
Family
ID=26544023
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6259214A Withdrawn JPH07151711A (en) | 1993-09-29 | 1994-09-29 | Method and device for surface analysis |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH07151711A (en) |
-
1994
- 1994-09-29 JP JP6259214A patent/JPH07151711A/en not_active Withdrawn
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