KR20000033909A - 질량분석분광장치와 그 분석방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질량분석분광장치와 그 분광분석방법에 관한 것으로서, 특히 조사되어지는 샘플과 에너지분석기 사이에 전자구름발생장치를 설치하여 샘플에서 방출되는 이차 이온의 수를 증가시키므로서 질량분석의 검출 한계를 향상시키도록 하여 준정량분석이 가능하도록한 반도체소자의 도판트(dopant)나 불순물 등의 극미량 성분을 분석하기 위한 이차이온 질량분석기와 그 분석방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 질량분석분광장치는 입자로 이루어진 샘플과, 샘플에서 일차이온을 포함하는 소정의 입자들을 분리시키는 스퍼터링장치와, 분리된 입자들을 이온화시켜 이차이온을 발생시키는 이온화장치와, 이차이온중 소정의 영역의 에너지를 갖는 이차이온을 선택적으로 가속시키는 에너지 분석기와, 에너지 분석기를 통과한 이차이온 성분을 분석하는 질량분석기와, 질량분석기를 통과한 상기 이차이온을 검출하는 검출기를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따른 질량분광분석방법은 입자로 이루어진 샘플을 스퍼터링시켜 샘플에서 일차이온을 포함하는 소정의 입자들을 분리시키는 단계와, 분리된 입자들을 이온화시켜 이차이온을 발생시키는 단계와, 이차이온중 소정의 영역의 에너지를 갖는 이차이온을 선택적으로 가속시키는 단계와, 에너지 분석기를 통과한 이차이온 성분을 분석하는 단계와, 질량분석기를 통과한 이차이온을 검출하여 검출된 이차이온의 시그널 수를 표준시료로 부터 구한 RSF(relative sensitivity factor)값과 비교 적용하여 농도로 준정량화하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

질량분석분광장치와 그 분석방법

본 발명은 질량분석분광장치와 그 분석방법에 관한 것으로서, 특히 조사되어지는 샘플과 에너지분석기 사이에 전자구름발생장치를 설치하여 샘플에서 방출되는 이차 이온의 수를 증가시키므로서 질량분석의 검출 한계를 향상시키도록 하여 준정량분석이 가능하도록한 반도체소자의 도판트(dopant)나 불순물 등의 극미량 성분을 분석하기 위한 이차이온 질량분석분광기와 그 분석방법에 관한 것이다.

종래의 이차이온질량분광분석(Secondary Ion Mass Spectrometry, 이하 SIMS라 칭함)은 분석하고자하는 시료의 샘플에 일차이온(primary ion beam)을 조사하여(irradiate) 샘플로 부터 스퍼터링(sputtering)되는 입자중 이온 형태로 방출되는 원자는 전체 방출 입자수의 수 퍼센트 미만이며 그 중 대부분(약 70-90%)은 중성 상태로 이차 방출된다.

이차이온질량분석분광기는 이러한 이차 이온을 검출하여 그 이온들의 질량을 계산하므로서 샘플의 성분을 분석하는 기기이다. 이때, 샘플인 시료표면에 분포하는 성분의 농도는 표준시료를 사용하여 표준시료로 부터 얻은 상대치(Relative Sensitivity Factor, 이하 RSF라 칭함)를 적용하여 시료 성분의 농도를 정량화한다.

따라서, 보다 정확한 성분분석을 위해서는 이차 이온의 발생 갯수가 클 수록 유리하다.

도 1은 종래기술에 따른 이차이온질량분석분광기의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 질량분석기(3)와 분석대상인 샘플(1) 사이에 에너지 분석기(2)가 위치하며, 질량분석기(3,mass analyzer)는 다시 검출기(4, detector)와 연결되어 있다.

이와 같은 이차이온질량분석기를 이용하여 시료인 샘플(1)의 성분분석방법은 다음과 같다.

먼저, 분석하고자 하는 시료인 샘플(1)에 일차이온빔(a)을 조사하여 샘플(1)의 표면을 스퍼터링(sputtering)시킨다.

이때, 샘플(1)로 부터 스퍼터링되어 떨어져 나온 입자들은 중성입자, 전자, 이차이온, 분자 등 아주 다양하며 이중 분석에 사용되는 입자는 전기적 극성을 띈 이차 이온이다. 이때, 스퍼터링된 전체 입자중 이차이온이 차지하는 비율은 5 내지 10%이다.

스퍼터링된 이차 이온들은 에너지 분석기에서 가속되어 질량분석기(3) 집속된 다음, 다시 검출기(4)로 보내져 검출된다. 이때, 질량분석기(3)에서는 이차 이온의 성분을 분석하고, 검출기(4)에서는 검출된 이온들의 시그널 수를 표준시료로 부터 구한 RSF값과 비교 적용하여 농도로 정량화하므로서 샘플의 분석을 완료한다.

상술한 종래 기술에 따른 질량분석분광장치와 그 분석방법은 일차이온빔을 샘플에 조사하여 스퍼터링된 대부분의 입자들이 중성입자로 구성되어 있기 때문에 이들을 전기적으로 제어할 수 없기 때문에 소량의 이차이온만이 검출기에 디텍트되어 검출프로세스에 기여하므로 검출한계를 향상시키기 곤란한 문제점이 있고, 또한, 각각의 엘레먼트들의 이온화 확률이 서로 상이하므로 표준시료를 사용하지 않고 농도로 정량화하기 곤란한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 조사되어지는 샘플과 에너지분석기 사이에 전자구름발생장치를 설치하여 샘플에서 방출되는 이차 이온의 수를 증가시키므로서 질량분석의 검출 한계를 향상시키도록 하여 준정량분석이 가능하도록한 반도체소자의 도판트(dopant)나 불순물 등의 극미량 성분을 분석하기 위한 이차이온 질량분석분광기와 그 분석방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질량분석분광장치는 입자로 이루어진 샘플과, 샘플에서 일차이온을 포함하는 소정의 입자들을 분리시키는 스퍼터링장치와, 분리된 입자들을 이온화시켜 이차이온을 발생시키는 이온화장치와, 이차이온중 소정의 영역의 에너지를 갖는 이차이온을 선택적으로 가속시키는 에너지 분석기와, 에너지 분석기를 통과한 이차이온 성분을 분석하는 질량분석기와, 질량분석기를 통과한 상기 이차이온을 검출하는 검출기를 포함하여 이루어진다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질량분석방법은 입자로 이루어진 샘플을 스퍼터링시켜 샘플에서 일차이온을 포함하는 소정의 입자들을 분리시키는 단계와, 분리된 입자들을 이온화시켜 이차이온을 발생시키는 단계와, 이차이온중 소정의 영역의 에너지를 갖는 이차이온을 선택적으로 가속시키는 단계와, 에너지 분석기를 통과한 이차이온 성분을 분석하는 단계와, 질량분석기를 통과한 이차이온을 검출하여 검출된 이차이온의 시그널 수를 표준시료로 부터 구한 RSF(relative sensitivity factor)값과 비교 적용하여 농도로 준정량화하는 단계를 포함하여 이루어진다.

도 1은 종래기술에 따른 이차이온질량분석기의 개략도

도 2는 본 발명에 따른 이차이온질량분석기의 개략도

도 3은 본 발명에 따른 전자구름 발생장치의 개략도

본 발명은 샘플과 에너지 분석기 사이에 중성원자들을 이온화 시키기 위한 전자구름을 발생시키는 전자구름발생장치를 설치하여 시료인 샘플의 표면으로 부터 스퍼터링된 많은 중성 원자들을 충분히 이온화시켜 검출한계를 향상시키도록 하였다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 전자구름 발생장치의 개략도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 전자구름 발생장치는 서로 마주보고 있는 "ㄱ"자 형태로 된 두개의 필라멘트(1,2)에 전원공급장치(3)로 각각 반대의 극성을 갖는 적당한 전압을 인가하여 전자구름을 두 필라멘트(1,2)의 전기장 영역에 가두어 둔다. 따라서 샘플에서 스퍼터링되어 나온 중성 원자들이 에너지 분석기로 들어가기 전에 이 전자구름을 통과하면서 이온화되어 종래의 이차이온질량분석기에서 보다 월등히 많은 이차이온을 생성시키므로서 검출기에서의 감도 향상 뿐만 아니라 정량분석에도 커다란 기여를 하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 이차이온질량분석분광기의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 질량분석기(24)와 분석대상인 샘플(21) 사이에 에너지 분석기(23)가 위치하며, 에너지 분석기(23)와 샘플(21) 사이에 전자구름 발생장치(22)가 설치되어 있다. 이때, 에너지 분석기(23)는 이온들을 가속시키는 역할을 하며 전자구름발생장치(22)는 전기한 바와 같이 중성 원자들을 이온화시키는 역할을 수행한다.

질량분석기(24,mass analyzer)는 다시 검출기(25, detector)와 연결되어 있다.

이와 같은 이차이온질량분석분광기를 이용하여 시료인 샘플(21)의 성분분석방법은 다음과 같다.

먼저, 분석하고자 하는 시료인 샘플(21)에 일차이온빔(c)을 조사하여 샘플(21)의 표면을 스퍼터링(sputtering)시킨다. 이때, 샘플(21)로 부터 스퍼터링되어 떨어져 나온 입자들(d)은 중성입자, 전자, 이차이온, 분자 등 아주 다양하며 이중 분석에 사용되는 입자는 전기적 극성을 띈 이차 이온이다. 이때, 스퍼터링된 전체 입자중 이차이온이 차지하는 비율은 5 내지 10%이다. 따라서 70-90%에 이르는 중성 원자들을 이온화시켜 분석장치의 검출 한계를 향상시킬 필요가 있다.

그다음, 스퍼터링된 입자들(d)을 전자구름발생장치(22)를 통과시켜 중성원자들을 이온화시킨다. 이때, 전자구름발생장치(22)를 통과하여 나온 이차 이온들은 전체 스퍼터링 입자들(d)의 70-90%에 이르게 되어 검출한계 향상 및 정량분석에 큰 기여를 하게 된다.

그리고, 전자구름장치(22)를 통과한 스퍼터링된 이차 이온들은 에너지 분석기(23)에서 소정의 에너지 레벨을 갖는 이차 이온들만 선택적으로 가속되어 질량분석기(24)에서 집속된 다음, 다시 검출기(25)로 보내져 검출된다. 이때, 질량분석기(24)에서는 이차 이온의 성분을 분석하고, 검출기(25)에서는 질량분석기를 통과한 이차이온들을 검출하여, 검출된 이온들의 시그널 수를 표준시료로 부터 구한 RSF(relative sensitivity factor)값과 비교 적용하여 농도로 준정량화하므로서 샘플의 분석을 완료한다.

따라서, 본 발명은 이차이온질량분광분석에 있어서 에너지 분석기 앞단에서 전자구름을 이용하여 시료 표면으로 부터 스퍼터링된 입자들을 이온화 시켜 검출 한계를 향상시키고, 또한, 상이한 이온화 확률을 갖는 엘레멘트들을 거의 다 이온화시키므로서 준정량분석을 할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 입자로 이루어진 샘플과,

   상기 샘플에서 일차이온을 포함하는 소정의 입자들을 분리시키는 스퍼터링장치와,

   분리된 상기 입자들을 이온화시켜 이차이온을 발생시키는 이온화장치와,

   상기 이차이온중 소정의 영역의 에너지를 갖는 이차이온을 선택적으로 가속시키는 에너지 분석기와,

   상기 에너지 분석기를 통과한 이차이온 성분을 분석하는 질량분석기와,

   상기 질량분석기를 통과한 상기 이차이온을 검출하는 검출기를 포함하여 이루어진 질량분석분광장치.
2. 청구항 1 에 있어서, 상기 스퍼터링장치는 이온빔발생장치인 것이 특징인 질량분석분광장치.
3. 청구항 1 에 있어서, 상기 이온화장치는 전자구름을 전기장영역에 가두어 놓은 전자구름발생장치인 것이 특징인 질량분석분광장치.
4. 입자로 이루어진 샘플을 스퍼터링시켜 상기 샘플에서 일차이온을 포함하는 소정의 입자들을 분리시키는 단계와,

   분리된 상기 입자들을 이온화시켜 이차이온을 발생시키는 단계와,

   상기 이차이온중 소정의 영역의 에너지를 갖는 이차이온을 선택적으로 가속시키는 단계와,

   상기 에너지 분석기를 통과한 이차이온 성분을 분석하는 단계와,

   상기 질량분석기를 통과한 상기 이차이온을 검출하여 검출된 상기 이차이온의 시그널 수를 표준시료로 부터 구한 RSF(relative sensitivity factor)값과 비교 적용하여 농도로 준정량화하는 단계로 이루어진 질량분광분석방법.
5. 청구항 4 에 있어서, 상기 이차이온을 발생시키는 단계는,

   분리된 상기 입자들을 전자구름을 통과시키는 단계를 더 포함하여 이루어진 것이 특징인 질량분광분석방법.
6. 청구항 5 에 있어서, 상기 전자구름은 전기장 영역내에 상기 전자구름을 가둘 수 있는 전자구름발생장치내에 형성되어 있는 것이 특징인 질량분광분석방법.