JPH10282024A - レーザイオン化中性粒子質量分析装置および分析方法 - Google Patents

レーザイオン化中性粒子質量分析装置および分析方法

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JPH10282024A
JPH10282024A JP9090468A JP9046897A JPH10282024A JP H10282024 A JPH10282024 A JP H10282024A JP 9090468 A JP9090468 A JP 9090468A JP 9046897 A JP9046897 A JP 9046897A JP H10282024 A JPH10282024 A JP H10282024A
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JP
Japan
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sample
ion beam
laser
frequency
mass spectrometer
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JP9090468A
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English (en)
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Hiroyasu Shichi
広康 志知
Satoshi Osabe
敏 長部
Keiichi Kanebori
惠一 兼堀
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】微細な領域を高空間分解能で分析することがで
きるレーザイオン化中性粒子質量分析装置および分析方
法を提供する。 【解決手段】パルス状のイオンビームを試料に照射し
て、試料から放出される中性粒子にレーザビームを照射
して発生した光励起イオンを検出することによって、試
料を分析するレーザイオン化中性粒子質量分析装置にお
いて、イオンビームがパルス的に照射される毎に、レー
ザビームが中性粒子に照射されるように同期させ、上記
照射の周期を電源周波数もしくはその整数倍となるよう
に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はパルス状のイオンビ
ームを試料に照射して、試料から放出される中性粒子に
レーザビームを照射して発生した光励起イオンを検出す
るレーザイオン化中性粒子質量分析装置および分析方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、イオンビームを試料に照射して試
料から放出される二次イオンを検出する二次イオン質量
分析法は固体の表面分析で、最も高感度な分析法として
広く用いられてきた、しかし分析対象の半導体デバイス
の高密度化や高性能化により、更に高感度な分析法が求
められている。この要求を満たすことができる有力な候
補として、イオンビーム照射によって試料から放出され
る中性粒子にレーザビームを照射してイオンを発生さ
せ、これを検出するレーザイオン化中性粒子質量分析法
が期待されている。
【0003】レーザイオン化中性粒子質量分析法が従来
の二次イオン質量分析法に比較して高感度な分析が期待
できるのは次の理由による。すなわち二次イオンの発生
割合が多くとも1%程度であるのに対して、99%以上
は中性粒子であり、これを効率良くイオン化できれば、
大幅な感度向上が期待できるのである。現在では、レー
ザビーム照射によるイオン化率をほぼ100%にできる
ことがわかってる。
【0004】従来のレーザイオン化中性粒子質量分析装
置の例は、特開平6−119905 号公報に記載のレーザイオ
ン化中性粒子質量分析装置がある。従来の装置の原理に
ついて図2を用いて説明する。まず一次イオン源1から
イオンビーム2が引き出され、一組の静電偏向板および
アパーチャで構成されるイオンビームパルス化機構(図
示略)、互いに直交する二組の静電偏向板8で構成され
るイオンビーム走査機構9およびイオンビームレンズ1
0を通して試料12に照射される。そして試料12から
放出された中性粒子13にレーザビーム15を照射する
ことによってイオン化した光イオン16を質量分析計1
7によって検出する。
【0005】一般に、試料表面元素の二次元分布を得る
場合には、イオンビーム2に対し、図3に示すような走
査信号電圧を二組の静電偏向板8に印加することによっ
て、試料12上を走査させる。そしてイオンビーム2の
試料12上の走査点に対応して、光イオン強度を測定す
れば、試料表面元素の二次元分布を高感度で得ることが
できる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このような装置で、微
細な領域を高空間分解能で分析する場合には、イオンビ
ームは微細に集束して試料に照射する。すなわち、分析
の空間分解能はイオンビーム径に比例する。しかし、従
来の装置では装置が振動したり、静電偏向板に印加する
走査信号電圧に含まれるノイズについて、十分には考慮
されていなかった。従来この問題が考慮されていなかっ
たのは、ビームの細束化技術が未熟で、最小ビーム径が
せいぜい100nm程度であったことに起因しており、
上記の装置振動や、走査信号電圧に含まれるノイズの影
響が、一般には50nm以下で、ビーム径に比べて小さ
かったからである。
【0007】しかし、最近の極微小部分析に対する要求
の高まりに伴う、ビーム細束化技術の発達で、50nm
未満のビームが得られるようになって、この課題が顕在
化してきた。すなわち、装置が振動したり、静電偏向板
に印加する電圧のノイズによってイオンビームが微細に
振動することはイオンビーム径が拡がることと同等であ
り、その拡がり量がビーム径と同等あるいは大きいよう
な状況では、従来の装置ではイオンビームをいくら微細
に集束しても、分析の空間分解能には限界が生じてしま
うのである。
【0008】本発明の目的は、より高空間分解能で分析
することができるレーザイオン化中性粒子質量分析装置
および分析方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明はイオンビームを照射して、試料を分析する
イオンビーム照射装置において、イオンビームのビーム
径を50nm未満にして試料に照射し、レーザイオン化
中性粒子質量分析装置の電源周波数をレーザビームの繰
り返し周波数とほぼ同じにすること、あるいはイオンビ
ームのビーム径を50nm未満にして試料に照射し、レ
ーザビームの繰り返し周波数を商用交流電源の周波数と
ほぼ同じにすることを特徴とするレーザイオン化中性粒
子質量分析装置とする。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図1を
用いて説明する。本装置は周波数50Hzである商用交
流電源で動作させる。本装置は次のように動作させる。
まず一次イオン源1から引き出されたイオンビーム2
は、パルス電圧電源3,一組の静電偏向板4およびアパ
ーチャ5で構成されるイオンビームパルス化機構6,走
査電源7および互いに直交する二組の静電偏向板8で構
成されるイオンビーム走査機構9およびイオンビームレ
ンズ10を通過して、最後に試料台11上の試料12に
照射される。ここで、イオンビーム2はイオンビームレ
ンズ10によってビーム径30nmに細束化されてい
る。
【0011】次に試料12から放出された中性粒子13
にレーザ装置14から放出されたレーザビーム15を照
射することによって発生した光イオン16を質量分析計
17によって検出する。そしてイオンビームの試料上の
走査点に対応して、光イオン強度を測定すれば、試料表
面元素の二次元分布を高感度で得ることができる。また
得られた二次元分布像より、空間分解能を測定すること
ができる。
【0012】ここで、イオンビームパルス化機構6とレ
ーザ装置14は互いに同期を取って動作するように、コ
ンピュータ18によって制御する。すなわちイオンビー
ムがパルス的に照射される毎に、試料12から放出され
る中性粒子13にレーザビーム15が照射されるように
レーザ装置14を制御する。この装置で、まずレーザビ
ーム15の照射繰り返し周波数を、40Hzに設定し
て、試料表面元素の二次元分布を得る実験を行った。し
かしビーム径を30nmに細束化したにもかかわらず、
空間分解能は約50nmの分析結果しか得られなかっ
た。
【0013】そこで、空間分解能に影響をおよぼす可能
性のある装置の振動および走査電源7から供給される走
査信号電圧に含まれるノイズを詳しく調べた。装置の振
動振幅の周波数解析スペクトルの一例を図4に示す。こ
のスペクトルから装置の電源周波数と同一の50Hzの
振動成分が最も多いことが分かった。これは装置に組み
込まれているモータなどが、電源周波数の50Hzに同
期して振動することから、この微小な振動が装置に伝達
したものと考えられる。この振動はイオンビーム照射系
や試料台にも伝わり、ビーム径の拡大と同じ効果を生
み、空間分解能の劣化を引き起こしていたことが分かっ
た。また、走査電源7から供給される走査信号電圧に含
まれるノイズにも同様に、50Hz成分が最も多く含ま
れ、空間分解能の劣化を引き起こしていたことが分かっ
た。
【0014】そこで、高い空間分解能での極微小部分析
を実現するため、次のような考察および実験を行った。
すなわち、イオンビームはレーザビームと同期して試料
にパルス的に照射されている。ある瞬間のイオンビーム
試料照射位置は、装置振動や走査信号電圧に含まれるノ
イズの振幅に比例した量だけある基準位置から変位す
る。イオンビームの繰り返し周波数が50Hz以外の場
合、イオンビームパルス照射ごとにこの変位量がランダ
ムになるため、ビーム径があたかも大きくなったと同じ
効果を生み、空間分解能の劣化を引き起こす。しかし、
微小振動や電源ノイズと同じ周波数の場合、この変位量
は常に一定に保たれ、分析領域全体が一定方向に変位す
るのみで空間分解能の劣化を引き起こさない。
【0015】以上の考察を確認するため、レーザビーム
照射繰り返し周波数つまりイオンビーム照射繰り返し周
波数を、10Hzから90Hzまで、連続的に変化させ
て、空間分解能を測定した。その結果、本装置の電源周
波数の50Hzのときのみ、空間分解能が、イオンビー
ム径とほぼ同じ30nmが得られた、そして、その他の
周波数では50nm程度に留まることが分かった。また
イオンビームの径を100nmから徐々に、小さくして
いく実験により、イオンビーム径が50nm未満になる
と、空間分解能のレーザビーム照射周波数依存性が顕著
になることが確かめられた。
【0016】以上のように、レーザビームの繰り返し周
波数すなわちイオンビーム照射繰り返し周波数を、装置
の電源周波数と同じくすることによって、ほぼイオンビ
ーム径の空間分解能で二次元分析することが可能になっ
た。
【0017】この実施例の分析応用として、レーザ装置
14はエキシマレーザ励起の色素レーザを用い、またイ
オンビーム2は液体金属イオン源から放出されたガリウ
ムイオンビームを用い、イオンビーム径を30nmに調
整したところ、振動振幅が最大50nm程度観察されて
いたにもかかわらず、シリコンウエハ上の鉄の平面的な
分布を空間分解能30nmで分析することができた。
【0018】なお、微小振動や走査信号電圧に含まれる
ノイズを詳しく調べると、電源周波数の整数倍の周波数
成分が、場合によっては最も大きくなることが分かっ
た。この場合にはレーザビーム照射周波数を電源周波数
の整数倍に設定すればよい。
【0019】また、以上の例とは逆に、レーザビーム照
射周波数を任意に設定し、装置の電源周波数を、レーザ
ビーム照射周波数と同じ周波数、あるいは整数分の一の
周波数に変換して、装置を動作させてもよい。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、微細な領域を高空間分
解能で分析するのに好適なレーザイオン化中性粒子質量
分析装置および分析方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す装置の説明図。
【図2】従来の装置の説明図。
【図3】イオンビームの走査信号電圧の一例を示す波形
図。
【図4】振動波形の周波数解析スペクトル図。
【符号の説明】
1…一次イオン源、2…イオンビーム、3…パルス電圧
電源、4…一組の静電偏向板、5…アパーチャ、6…イ
オンビームパルス化機構、7…走査電源、8…静電偏向
板、9…イオンビーム走査機構、10…イオンビームレ
ンズ、11…試料台、12…試料、13…中性粒子、1
4…レーザ装置、15…レーザビーム、16…光イオ
ン、17…質量分析計、18…コンピュータ。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】パルス状のイオンビームを試料に照射し、
    上記試料から放出される中性粒子にレーザビームを照射
    し、発生した光励起イオンを検出し、上記試料を分析す
    るレーザイオン化中性粒子質量分析装置において、上記
    イオンビームのビーム径を50nm未満にして上記試料
    に照射し、上記レーザイオン化中性粒子質量分析装置の
    電源周波数をレーザビームの繰り返し周波数とほぼ同じ
    にすることを特徴とするレーザイオン化中性粒子質量分
    析装置。
  2. 【請求項2】パルス状のイオンビームを試料に照射し、
    上記試料から放出される中性粒子にレーザビームを照射
    し、発生した光励起イオンを検出し、上記試料を分析す
    るレーザイオン化中性粒子質量分析装置において、上記
    イオンビームのビーム径を50nm未満にして上記試料
    に照射し、上記レーザイオン化中性粒子質量分析装置の
    電源周波数をレーザビームの繰り返し周波数をレーザビ
    ームの繰り返し周波数のほぼ整数分の一の周波数にする
    ことを特徴とするレーザイオン化中性粒子質量分析装
    置。
  3. 【請求項3】パルス状のイオンビームを試料に照射し、
    上記試料から放出される中性粒子にレーザビームを照射
    し、発生した光励起イオンを検出し、上記試料を分析す
    るレーザイオン化中性粒子質量分析装置において、上記
    イオンビームのビーム径を50nm未満にして上記試料
    に照射し、上記レーザビームの繰り返し周波数を商用交
    流電源の周波数とほぼ同じにすることを特徴とするレー
    ザイオン化中性粒子質量分析装置。
  4. 【請求項4】パルス状のイオンビームを試料に照射し、
    上記試料から放出される中性粒子にレーザビームを照射
    し、発生した光励起イオンを検出し、上記試料を分析す
    るレーザイオン化中性粒子質量分析装置において、上記
    イオンビームのビーム径を50nm未満にして上記試料
    に照射し、上記レーザビームの繰り返し周波数を商用交
    流電源の周波数のほぼ整数倍の周波数と同じにすること
    を特徴とするレーザイオン化中性粒子質量分析装置。
  5. 【請求項5】パルス状のイオンビームを試料に照射し、
    上記試料から放出される中性粒子にレーザビームを照射
    し、発生した光励起イオンを検出し、上記試料を分析す
    るレーザイオン化中性粒子質量分析装置において、上記
    イオンビームのビーム径を50nm未満にして上記試料
    に照射し、上記レーザイオン化中性粒子質量分析装置の
    電源周波数をレーザビームの繰り返し周波数とほぼ同じ
    にすることを特徴とするレーザイオン化中性粒子質量分
    析方法。
  6. 【請求項6】パルス状のイオンビームを試料に照射し、
    上記試料から放出される中性粒子にレーザビームを照射
    し、発生した光励起イオンを検出し、上記試料を分析す
    るレーザイオン化中性粒子質量分析装置において、上記
    イオンビームのビーム径を50nm未満にして上記試料
    に照射し、上記レーザイオン化中性粒子質量分析装置の
    電源周波数をレーザビームの繰り返し周波数のほぼ整数
    分の一の周波数にすることを特徴とするレーザイオン化
    中性粒子質量分析方法。
  7. 【請求項7】パルス状のイオンビームを試料に照射し、
    上記試料から放出される中性粒子にレーザビームを照射
    し、発生した光励起イオンを検出し、上記試料を分析す
    るレーザイオン化中性粒子質量分析装置において、上記
    イオンビームのビーム径を50nm未満にして上記試料
    に照射し、上記レーザビームの繰り返し周波数を商用交
    流電源の周波数とほぼ同じにすることを特徴とするレー
    ザイオン化中性粒子質量分析方法。
  8. 【請求項8】パルス状のイオンビームを試料に照射し、
    上記試料から放出される中性粒子にレーザビームを照射
    し、発生した光励起イオンを検出し、上記試料を分析す
    るレーザイオン化中性粒子質量分析装置において、上記
    イオンビームのビーム径を50nm未満にして上記試料
    に照射し、上記レーザビームの繰り返し周波数を商用交
    流電源の周波数のほぼ整数倍の周波数と同じにすること
    を特徴とするレーザイオン化中性粒子質量分析方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100583768B1 (ko) 2004-07-07 2006-05-26 한국과학기술원 광압을 이용한 입자빔 집속장치
KR100748617B1 (ko) 2006-10-13 2007-08-10 한국표준과학연구원 검출한계를 개선한 가스크로마토그래프―질량분석기
WO2010013921A3 (ko) * 2008-07-31 2010-05-06 케이맥(주) 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100583768B1 (ko) 2004-07-07 2006-05-26 한국과학기술원 광압을 이용한 입자빔 집속장치
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WO2010013921A3 (ko) * 2008-07-31 2010-05-06 케이맥(주) 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기
US8395117B2 (en) 2008-07-31 2013-03-12 K-Mac Spectrophotometer using medium energy ion

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