KR20020088559A - 이차이온 질량분석기 - Google Patents

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Abstract

이차이온 질량분석기를 제공한다. 이 이차이온 질량분석기는 일차 이온빔의 충격에 의해 발생한 스퍼터링 빔 중 이차이온 빔만을 선택하기 위한 정전기 에너지 분석기와, 상기 정전기 에너지 분석기를 통과한 이차이온 빔에 자기장을 걸어주어 고유질량에 따른 궤적의 변화를 주는 질량 분석기와, 상기 질량분석기를 통과한 고유질량이 다른 복수개의 이차이온빔을 동시에 검출하는 복수개의 검출기를 가진다.

Description

이차이온 질량분석기{SECONDARY ION MASS SPECTROMETRY}
본 발명은 이차이온 질량분석기(SIMS;secondary ion mass spectrometry)에 관한 것으로서, 더 구체적으로 복수개의 성분을 동시에 분석할 수 있는 마그네틱 섹터형 이차이온 질량분석기(Magnetic sector type SIMS)에 관한 것이다.
이차이온 질량분석기는 일차이온 펄스(primary ion pulse)가 시료에 입사되었을 때, 시료 표면의 원자에서 에너지 전이에 의해 방출되는 이차이온(secondary ion)의 질량 및 전하를 이용하여 원소의 성분을 알아내는 장비이다.
이차이온 질량분석기(SIMS)에는 질량분석기의 종류에 따라 4극자형 질량분석기(Q-SIMS;Quadrupole type SIMS), 자기 섹터형 질량분석기(M-SIMS;Mgnetic sectortype SIMS) 및 비행시간형 질량분석기(TOF-SIMS;Time of Flight type SIMS) 등이 있다. Q-SIMS는 원통형의 평행한 4개의 극자에 DC와 RF를 가해주어 고유질량에 따라 이온들을 분리시킴으로써 원하는 이온을 검출한다. Q-SIMS의 경우 분해능이 낮은 문제점이 있으나 가격이 싸고, 절연물질성분 분석에 유리하다. TOF-SIMS는 SIMS내에 장치된 정전기 에너지 분석기를 통과한 후, 검출기에 도달하는데 걸리는 이온의 비행시간을 이용하여 성분을 분석한다. TOF-SIMS는 검출되는 고유질량의 범위가 넓고, 분해능이 우수한 반면, 최초 입사되는 일차이온빔의 양이 적기 때문에 깊이에 따른 성분분석을 하는데 시간이 많이 걸리는 단점을 가지고 있다. 마지막으로 M-SIMS는 이차이온빔의 진행방향과 수직하게 자기장을 걸어주어 이차이온의 고유질량에 따른 궤적의 변화를 이용하여 성분을 분석한다. M-SIMS의 경우 분해능이 높고, 측정되는 고유질량의 범위도 높은 잇점이 있는 반면, 가격이 비싸고 시료에 고전압이 걸리기 때문에 전하의 축적으로 인하여 절연물질의 성분분석이 어렵다.
이차이온 질량분석기(SIMS;secondary ion mass spectroscopy)에 의한 표면분석은 10KeV 부근의 에너지를 가지는 이온 펄스를 사용하여 시료의 표면에 충돌시키는 스퍼터링 과정이 필요하다. 따라서, 스퍼터링비(sputtering rate)를 낮추면 아주 얕은 표면의 원소를 분석할 수 있고, 깊이에 따른 성분 프로파일(profile)을 얻을 수 있다. 또한, 이차이온의 질량을 분석하므로 검출한계(detection limit)가 수소에서 우라늄까지 거의 모든 원소를 ppm 내지 ppb수준으로 정밀분석이 가능하다.
그러나, 이차이온 질량분석기는 일차이온 펄스를 사용하여 시료를 깎으면서 성분을 분석하고, 펄스를 한번 가할 때 하나의 원소만을 검출할 수 있다. 이로 인하여, 얇은 박막을 분석할 경우 시료의 소모로 검출되는 원소의 수가 제한 될 수 밖에 없다.
도 1은 종래의 이차이온 질량분석기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 이차이온 질량분석기의 분석과정은 이온발생장치(11)에서 발생한 일차이온 빔(1)을 샘플(10)에 입사시켜 스퍼터링 빔(2)을 발생시킨다. 상기 스퍼터링 빔(2)은 이차이온(secondary ion), 이차전자(secondary electron), Auger전자 및 중성입자 등을 포함하고 있다. 상기 스퍼터링 빔(2)은 정전기 에너지 분석기(electrostatic energy analyzer;12)에서 분리되어 이차이온 빔(secondary ion beam)만 선택된다. 상기 이차이온 빔은 질량 분석기(mass spectrometer;13)를 통과하는 과정에서 고유질량에 따라 서로 다른 궤적을 가진다. 마지막으로 상기 질량분석기(13)을 통과하는 동안 궤적의 차이를 가진 이차이온빔을 검출하여 성분원소를 분석한다.
도 2는 도 1의 종래의 이차이온 질량분석기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 이차이온 질량분석기는 일차이온 빔(primary ion beam)의 충격에 의해 시료에서 발생한 스퍼터링 빔(2)을 정전기 에너지 분석기에 몰입시키기 위한 입사슬릿(S1) 및 필드 애퍼쳐(field aperture;3)를 가진다. 상기 필드 애퍼쳐(3)와 소정 간격을 두고, 스퍼터링 빔(2)에 포함된 이차이온 빔(secondary ion beam)을 선택하기 위한 정전기 에너지 분석기(4)가 위치한다. 상기 정전기 에너지 분석기(4)의 후단에 이차 이온빔의 에너지를 일정범위 내로 한정하기 위한 에너지 슬릿(energy slit;S2)이 위치한다. 상기 에너지 슬릿(S2)과 일정간격을 두고 자기장에 의해 이온빔의 경로 변화를 주기위한 자기 섹터(magnetic sector;5)와 상기 자기 섹터(magnetic sector;5)를 통과한 특정 질량의 이차이온 빔(B2)만을 선택하는 방출슬릿(S3)으로 구성된다.
종래의 이차이온 질량분석기는 하나의 방출 슬릿(S3)을 통과한 이차이온을 검출하는 검출기를 가지고 있음으로 인해 매 일차이온 펄스 당 한가지 고유질량을 가진 원소만을 검출할 수 있다. 따라서, 복수개의 원소를 측정하기 위해서는 시료에 수회의 펄스를 가하여야 하므로, 시료의 소모에 의해서 얇은 박막에서 복수개의 원소를 측정하는데 한계가 있다.
본 발명의 목적은, 상술한 종래의 이차이온 질량분석기의 문제점을 해결하기 위하여 하나의 일차이온 펄스에서 복수개의 원소를 검출할 수 있는 구조를 가지는 이차이온 질량분석기를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 이차이온 질량분석기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 종래의 이차이온 질량분석기를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이차이온 질량분석기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이차이온 질량분석기를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 정전기 에너지 분석기, 질량분석기 및 검출기를 포함한다. 상기 에너지 분석기는 일차 이온빔의 충격에 의해 발생한 스퍼터링 빔 중 이차이온 빔만을 선택한다. 상기 질량분석기는 상기 정전기 에너지 분석기를 통과한 이차이온 빔에 자기장을 걸어주어 고유질량에 따른 궤적의 변화가 일어나도록 한다. 상기 검출기는 상기 질량분석기를 통과한 고유질량이 다른 복수개의 이차이온빔을 동시에 검출할 수 있도록 복수개로 구성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 본 발명은 이하 예시되는 실시예에 한정하지 않는다. 오히려 여기서 예시되는 실시예는 본 발명의 청구범위를 명확하고, 이해하기 쉽도록 설명되어지는 것에 불과하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상 내에서 본 발명의 기술분야에 속하는 당업자에 의해 변형되거나 더 구체화될 수 있음은 명백하다.
도 3은 본 발명에 따른 이차이온 질량분석기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이차이온 질량분석기의 구조는 이온 발생장치에서 질량분석기까지는 일반적인 이차이온 질량분석기의 구조와 동일하다. 이온발생장치(11)에서 일차이온 빔(1)을 발생시켜 샘플(10)에 조사(irradiation)한다. 상기 일차이온 빔(1)은 펄스의 형태로 대략 10KeV 안팍의 에너지를 가진다. 상기 이온발생장치(11)는 산소(O2) 및 세슘(Cs)이온 건(ion gun)을 포함하고 있다. 이차이온 질량분석기를 사용하여 원소를 분석할 때, 상기 산소 이온 건(Oxygen ion gun) 또는 세슘 이온 건(Cesuim ion gun)을 선택적으로 사용하여 일차이온 빔(1)을 발생시킨다. 일반적으로 전자친화도가 낮은 원소, 예컨대 붕소(B;boron), 나트륨(Na) 및 알루미늄(Al) 등을 검출할 경우 산소 이온 건을 사용하고, 전자친화도가 높은 원소, 예컨대 탄소(C), 인(P) 및 비소(As) 등을 검출할 경우, 세슘 이온 건을 사용하는 것이 바람직하다
상기 일차이온 빔(1)의 펄스를 샘플에 가해주면, 펄스의 에너지에 의해 샘플(10) 표면의 원자에서 이차이온(secondary ion), 이차 전자(secondary electron), Auger전자(auger electron) 및 중성입자(neutral particle)를 포함하는스퍼터링 빔(2)이 발생한다.
상기 스퍼터링 빔(2)은 정전기 에너지 분석기(electrostatic energy analyzer;12)를 통과하는 동안 이차이온 빔(secondary ion beam) 만이 선택되어 질량분석기(mass spectrometer;13)로 진행한다. 상기 정전기 에너지 분석기(12)는 입사되는 스퍼터링 빔(2)과 수직한 방향으로 전기장을 걸어주어 정전기력에 의해 전하를 가지는 입자를 원운동 시킨다. 이 때, 전하를 띄는 입자들은 질량에 따라 특정 궤적을 가지는 원운동을 한다. 따라서, 전기장의 크기 및 입자의 회전 반경등을 계산하여 이차 이온 빔 만을 선택적으로 상기 정전기 에너지 분석기(12)를 통과하도록 할 수 있다.
상기 정전기 에너지 분석기(12)를 통과한 이차이온 빔은 질량 분석기(13)를 통과하는 동안 고유질량에 따라 원소마다 특정의 궤적을 가지게 된다. 상기 질량 분석기(13)을 통과하면서 특정 궤적을 가지는 이차이온 빔은 상기 질량 분석기(13)와 일정간격을 두고 배치되어 있는 복수개의 슬릿을 통과하여 검출기에 검출된다. 따라서, 본 발명의 특징은 질량분석기(13)을 통과한 이차이온을 검출하기 위한 복수개의 검출기를 가지는 것이다. 따라서, 종래의 이차이온 검출기와는 달리 매 펄스당 복수개 서로다른 고유질량을 가지는 원소를 검출할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 질량 분석기의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 그러나, 본 실시예는 하나의 예시적인 것에 불과하다. 본 실시예에서 일차이온을 발생하기 위한 이온발생장치, 정전기 에너지 분석기 및 질량분석기는 종래의 이차이온 질량분석기의 구조와 동일하다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이차이온 질량분석기는 일차이온 빔의 충돌에 의하여 방사된 스퍼터링 빔(2)을 몰입하기 위한 입사슬릿(S1), 상기 입사슬릿(S1)과 일정거리를 두고 배치된 필드 애퍼쳐(field aperture) 및 상기 필드 애퍼쳐를 통과한 스퍼터링 빔(2)에서 이차이온 빔만을 선택하기 위한 정전기 에너지 분석기(4)를 포함한다. 또한, 상기 정전기 에너지 분석기(4)의 후면에 일정거리를 두고 배치된 에너지 슬릿(S2), 자기 섹터(magnetic sector)(5) 및 복수개의 슬릿을 가지는 격판(diaphragm)(S4)을 포함한다.
일차이온 빔(primary ion beam)에 의해 스퍼터링된 스퍼터링 빔(2)에는 이차이온(secondary ion), 이차 전자(secondary electron), Auger전자(auger electron) 및 중성이온들이 포함되어 있다. 일차이온 빔의 충돌에 의해 방사된 스퍼터된 입자들(2) 중에서 상기 입사슬릿(S1) 및 상기 필드 애퍼쳐(field aperture)에 의해 일방향의 스퍼터된 입자들(2)만이 상기 정전기 에너지 분석기(4)로 진행된다. 상기 정전기 에너지 분석기(4)는 상술한 바와 같이 스퍼터된 입자들(2)에서 이차이온 빔(secondary ion beam)만을 선택하여 에너지 슬릿(S2)으로 진행시킨다. 상기 에너지 슬릿(S2)는 상기 정전기 에너지 분석기(4)를 통과한 이차이온 빔 중 일정 영역의 에너지 범위를 가지는 이차이온 빔만을 선택하여 질량 분석의 해상도(resolution)을 높여준다. 상기 에너지 슬릿(S2)을 통과한 이차이온 빔(B)은 질량 분석기(5)에 도달하게 되고, 상기 질량 분석기(5)를 통과하는 동안 자기장에 의하여 이차이온 빔(B)을 구성하는 원소의 고유질량에 따라 궤도가 분리되어 복수개의 이온 빔(B1,B2,B3)로 나누어 진다. 상기 질량 분석기(5)를 통과하는 동안 궤도가 분리된 각각의 이온 빔은 격판(S4)에 설치된 슬릿들을 통과한다. 상기 슬릿들을 통과한 이온 빔들(B1,B2,B3)은 각 슬릿의 후면에 설치된 검출기(도시안함)에서 동시에 검출할 수 있다. 본 발명의 특징은 복수개의 검출기를 사용하여 동시에 다양한 고유질량을 가지는 이차이온을 검출할 수 있는데 있다. 따라서, 여러가지 성분을 분석하기 위하여 시료에 많은 이온 펄스를 가해줄 필요가 없이 한 번의 펄스를 사용하여 다른 고유질량을 가지는 이차이온을 검출할 수 있다.
본 발명이 상술한 구체적 실시예에 의해 설명되어 있어도 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다. 따라서, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당분야에 통상의 지식을 가진자에 의하여 가능함은 명백하다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 매 펄스마다 복수개의 원소를 검출할 수 있는 구조를 가진 이차이온 질량분석기(SIMS;secondary ion mass spectroscopy)를 제공함으로써, 깊이에 따른 복수개의 원소 프로파일 동시에 얻을 수 있고, 얇은 박막에서 복수개의 원소들의 성분을 분석할 수 있다.

Claims (4)

  1. 일차 이온빔의 충격에 의해 발생한 스퍼터링 빔 중 이차이온 빔만을 선택하기 위한 정전기 에너지 분석기;
    상기 정전기 에너지 분석기를 통과한 이차이온 빔에 자기장을 걸어주어 고유질량에 따른 궤적의 변화를 주는 질량 분석기;및
    상기 질량분석기를 통과한 고유질량이 다른 복수개의 이차이온빔을 동시에 검출하는 복수개의 검출기를 포함하는 이차이온 질량분석기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 질량분석기와 상기 복수개의 검출기 사이에,
    상기 각각의 이차이온 빔을 통과시키는 복수개의 슬릿을 가지는 격판이 더 형성된 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 슬릿은 상기 검출기와 같은 수로 설치되고, 각각의 슬릿을 통과한 이차이온 빔은 각각 다른 검출기에서 검출되는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 격판은 3개의 슬릿을 가지는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기.
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