KR20100099111A

KR20100099111A - 액체 금속 이온원, 이차 이온 질량 분석기, 이차 이온 질량 분석법 및 그 사용

Info

Publication number: KR20100099111A
Application number: KR20107010314A
Authority: KR
Inventors: 펠릭스 콜머; 피터 훼르스터; 안드레아스 뒤팅
Original assignee: 이온-토프 테크놀로지스 게엠베하
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-09-10
Also published as: CN101878515A; EP2056333A1; US8410425B2; US20100237234A1; KR101506693B1; EP2056333A8; CA2703476A1; EP2056333B1; WO2009056236A1; JP5611046B2; US20130216427A1; CA2703476C; CN101878515B; JP2011501367A; US8525125B1

Abstract

본 발명은 액체 금속 이온원, 이차 질량 스펙트림 및 이에 대응하는 분석법 및 그 사용에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 완화형 SIMS(G-SIMS) 방법에 따른 질량 분석법에 관한 것이다.
이런 목적을 위해, 원자량 ≥190u의 제1 금속과 원자량 ≤90u의 제2 금속을 포함하는 액체 금속 이온원이 사용된다.
본 발명에 따르면, G-SIMS 방법에 있어서 두 타입의 이온 중 한 타입은 일차 이온빔으로부터 교대로 여과되고 질량-순 일차 이온빔으로서 목표물로 안내된다.

Description

액체 금속 이온원, 이차 이온 질량 분석기, 이차 이온 질량 분석법 및 그 사용{LIQUID METAL ION SOURCE, SECONDARY ION MASS SPECTROMETER,SECONDARY ION MASS SPECTROMETRIC ANALYSIS METHOD AND ALSO USES THEREOF}

본 발명은 액체 금속 이온원, 이차 이온 질량 분석기, 이차 이온 질량 분석법 및 그 사용에 관한 것이다.

이차 이온 질량 분석은 특히 소위 말하는 정적 이차 이온 질량 분석기(SSIMS; static secondary ion mass spectrometry)로 실행된다. 따라서, 에너지 농후 일차 이온빔(energy-rich primary ion beam)은 분석할 기판 표면 상으로 조사된다. 일차 이온빔이 기판 상에 충돌할 때, 그 일차 이온빔은 후속하여 분석될 물질에서 나오는 소위 말하는 이차 이온과 부딪친다. 이러한 분석으로부터 기판 표면의 물질을 측정할 수 있다. 상기 표면 상으로 특정 물질의 분포에 관한 정보를 얻기 위해, 상기 일차 이온빔은 그 표면을 스캔할 수 있다. 깊이 정보를 얻기 위해, 상기 빔은 상기 표면의 특정 부위 상으로 조사되어 시간의 경과 중에 그 표면을 제거함으로써 더 깊은 층을 노출시켜 분석할 수 있다. 또한, 상기 표면 스캐닝을 깊이 프로파일 분석(depth profile analysis)과 조합시키는 것도 가능하다.

종래의 정적 이차 이온 질량 분석법은 예컨대, 독일 공보 DE 103 39 346 A1에 개시되어 있다.

이차 이온 질량 분석 중 완화형 이차 이온 질량 분석(Gentle SIMS 혹은 G-SIMS)이라는 전술한 방법이 표면 분석을 위해 얼마간 유용되어 왔다. 이 분석은 예컨대, 어플라이드 표면 사이언드(Appplied Surface Science) 161(2000) 제465-480면 I.S. Gilmore 등의 저서 "정적 SIMS: towards unfragmented mass spectra-the G-SIMS procedure"에 설명되어 있다.

이러한 G-SIMS라는 방법은 I.S. Gilmore에 의해 1999년에 소개되었다. G-SIMS 방법은 TOF(time-of-flight mass spectrometry)-SIMS 스펙트럼의 복잡성을 줄이는 데 적용된다. 그 이유는 TOF-SIMS 스펙트럼은 많은 수의 이차 이온 라인/피크를 갖기 때문이다. 이러한 이차 이온 질량 분석 스펙트럼은 도 1에 도시되어 있다. 여기서 시험된 폴리카보네이트 샘플에 대한 특정 라인(characteristic line)에 추가하여, 이러한 스펙트럼은 예컨대, 다환방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons)와 같은 많은 수의 강한 비특정 신호를 갖는다. 이러한 스펙트럼의 종래의 해석은 실험적인 경험을 전제로 한다. 스펙트럼 라이브러리는 이러한 해석에 추가적인 도움을 제공한다. 그러나 충격 조건(bombardment condition)은 TOF-SIMS 스펙트럼의 상대적인 피크 강도에 지대한 영향을 주기 때문에, 동일한 물질의 스펙트럼들은 현저하게 서로 편향될 수 있다. 일차 이온원 수의 증가에 따라 그리고 상이한 충격 조건의 사용에 따라 스펙트럼 라이브러리의 구성이 점진적으로 더 어렵게 된다.

도 2에는 G-SIMS 방법을 적용한 후 도 1과 동일한 TOF-SIMS 스펙트럼이 도시되어 있다. 상기 스펙트럼이 매우 간략화되어 있다는 것을 명백히 알 수 있다. 특징적인 피크는 강조되는 반면에 비특정 분열(non-specific fragments)은 억제된다. 이는 종래의 TOF-SIMS 스펙트럼에 비해 분자 그룹의 식별과 스펙트럼 해석을 현저하게 쉽게 만든다. 따라서, G-SIMS 알고리즘의 적용은 전문가로 하여금 신속한 대책을 수립할 수 있도록 해주며, 신뢰성 있는 데이터 해석을 달성하기 위한 추가 정보를 제공한다. 또한, 미숙한 사용자가 상기 데이터의 해석에 더욱 쉽게 접근할 수 있도록 해준다.

상기 G-SIMS 스펙트럼은 충격 조건에 대해 단지 낮은 의존성을 갖기 때문에, 스펙트럼 라이브러리의 구성은 G-SIMS 절차에 있어서 종래의 전술한 TOF-SIMS에 비해 실질적으로 더 쉽게 된다.

전술한 G-SIMS 방법은 매우 상이한 분열 거동을 갖는 2개의 스펙트럼이 존재하는 것을 전제로 한다. 이러한 분열 거동은 사용될 이차 이온의 에너지와 질량에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. 분열 거동에 대한 일차 이온 질량의 영향이 특히 중요하다. 그 이유는 일반적으로 일차 이온의 질량이 증가함에 따라 분열이 감소하기 때문이다. 이와 대조적으로, 가장 강한 분열은 경량의 고에너지 원자의 일차 이온을 선택함으로써 달성될 수 있다. 큰 중량의 단원자 혹은 다원자 충격 입자를 선택한느 것에 의해, 방사 스펙트럼은 일반적으로 더 높은 질량으로 교환되고 상기 분열은 현저하게 감소한다. 따라서, 특징이 없는 단편 피크는 샘플-특정 분자 신호에 비해 변화된 충격 조건에 더욱 현저하게 반응한다.

본 명세서에서 언급할 수 있는 것보다 더 상세하게 설명된 I.S. Gilmore 등에 의한 전술한 공보에서 언급되는 G-SIMS 방법에 있어서, 현저하게 상이한 분열 거동을 지닌 2개의 스펙트럼은 감소한다. 적절한 정상화 이후, 상기 스펙트럼들은 분할되기 때문에 양자 스펙트럼에서 현저하게 상이하게 되는 신호들은 억제된다. 양자 스펙트럼에서 단지 소규모의 차이만 갖는 신호들은 유사하게 증폭된다. 양자 스펙트럼의 몫의 거듭제곱의 후속 상승은 전술한 영향을 다시 현저하게 증가시킨다.

G-SIMS 방법은 사실 중시되지만, 실제상의 라이브러리 사용에서는 단지 한정된 승인에서 시작되어야 한다. 이는 특히, 이러한 방법에서 실험적인 복잡성이 매우 높다는 사실에 귀속한다. 그 이유는 매우 상이한 분열 거동을 필요로 하는 스펙트럼은 상이한 분석 공급원을 사용함으로써만 달성할 수 있기 때문이다.

다른 한편, 원칙적으로 일련의 상이한 중량의 원자의 일차 이온(Ar, Ne, Xe)과 또 다원자의 일차 이온(SF₅)을 생성할 수 있는 가스 이온원을 이용할 수 있다. 그러나, 일차 이온의 상이한 종들 사이의 변화는 이러한 가스 공급원을 이용할 경우 매우 복잡해진다. 더욱이, 이러한 공급원은 획득 가능한 측면 해상도(lateral resolution)와 질량 해상도에 있어서 단지 제한된 작업만을 수행한다.

그 대안으로, 다수의 상이한 일차 이온원(예컨대, Ga 혹은 SF₅를 갖는 공급원)들이 동시적으로 작동될 수 있다. 그러나, 이는 고도의 기술적인 비용을 필요로 하고, 이러한 G-SIMS의 획득 가능한 작업은 사용될 공급원의 가장 약한 부위에 의해 제한된다. 요구된 스펙트럼은 여기서 단지 연속하여 얻어질 수 있기 때문에 일시적인 복잡성은 매우 높아지게 된다.

또한 Au 혹은 Bi를 갖는 상업적으로 이용 가능한 클러스트 공급원이 방사체 물질(emitter material)로서 제안되어 왔다. 이러한 공급원의 방사 스펙트럼은 원자 및 강한 다원자 종 모두를 갖는다. 그러나, 이러한 공급원을 갖는 분열에서 요구되는 강력한 변화를 얻을 수 없다는 것이 곧 밝혀졌다. 그 이유는 분석 종으로서 클러스터를 사용하는 것이 실제로 G-SIMS 절차의 성공적인 응용에 요구되는 바와 같이 스펙트럼의 낮은 분열의 원인을 초래하기 때문이다. 그러나 이러한 경우, 최대 분열은 원자 종의 사용에 의해 달성되는데, 다시 말해서 단원자의 일차 이온빔에서 다량의 Au 혹은 Bi과, 일차 이온빔으로서 클러스터의 사용하는 것과 일차 이온빔으로서 다원자의 일차 이온을 사용하는 것 사이의 분열에서의 획득 가능한 변화가 충분하지 않다는 것 때문에 분열은 상대적으로 낮아진다.

G-SIMS 방법의 성공적인 수행에 적합한 일차 이온원은 지금까지 공지된 바가 없었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이차 이온 질량 분석에서 유리하게 사용할 수 있는 신규의 이온원을 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 목적은 이차 이온 질량 분석기와 이차 이온 질량 분석법을 제공하는 데 있다.

상기 목적은 청구항 1 혹은 청구항 3에 따른 액체 금속 이온원에 의해, 청구항 14에 따른 상기 이차 입자 질량 분석기에 의해, 그리고 청구항 21에 따른 이차 입자 질량 분석법에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 액체 금속 이온원, 본 발명에 따른 이차 입자 질량 분석기, 그리고 본 발명에 따른 이차 입자 질량 분석법 및 그 사용의 바람직한 변형예가 상기 청구항들의 종속항으로 개시되어 있다.

본 발명은 상이하게 여과된 일차 이온빔을 교대로 생성하는 이차 입자 질량 분석법을 제공한다. 따라서 일차 이온원은 원자량 ≥190u의 제1 중금속의 단원자 혹은 다원자 이온과 원자량 ≤90u의 제2 경금속의 단원자 이온을 생성하는 데 사용된다. 본 발명에 따르면, 각각 광범위하게 혹은 철저하게 질량-순(mass-pure) 여과된 일차 이온빔은 필터 장치(여과될 이온 종의 질량과 전하에 따라 여과)에 의해 상기 일차 이온빔에서 여과된다. 이렇게 여과된 일차 이온빔은 상기 제1 금속의 단원자 혹은 다원자 이온이나 상기 제2 금속의 이온 중 어느 하나를 포함한다. 이러한 방법으로, 2개의 일차 이온빔이 동일한 이온원으로부터 번갈아 제공될 수 있고, 여과 후, 동일하거나 유사한 가속 전압이 상이하게 여과된 일차 이온빔에 사용될 경우라도 분석될 샘플의 매우 상이한 분열에 영향을 준다. 본 발명에 따른 이러한 방법에 의해, 종래의 정적 이차 이온 질량 분석기에 추가하여 최근에 개발한 Gentle SIMS을 또한 실시할 수 있다. 특히, 이러한 방법은 예컨대, 이온원의 교체와 같은 일시적인 손실 없이 2개의 매우 상이하게 분열된 스펙트럼들을 측정하고 후속하여 평가할 수 있다는 요구 조건을 이상적으로 충족시킨다. 따라서, 이러한 방법에 사용되는 일차 이온원은 경량의 원자 일차 이온에서부터 상이한 하전 상태의 중량의 다원자 일차 이온까지의 범위를 총 망라하게 된다.

본 발명에 따른 분석법을 이용하는 G-SIMS 분석에 있어서, 그 분석법을 기술하면 다음과 같다.

액체 금속 이온원은 2개의 상이한 금속 M1과 M2의 일차 이온을 방사한다. 분석을 위해 사용한 금속 종 M1의 이온은 질량 >190u, 단원자 혹은 다원자로 이루어진다. 사용된 금속 종 M2의 이온은 질량 <90u, 단원자로 이루어진다.

G-SIMS 분석에 있어서, 금속 M1 혹은 M2의 소정 타입의 순 이온빔으로 표면을 먼저 분석한다. 따라서 일차 이온 조사량(dose)은 낮게 유지되어 표면에 주목할 만한 손상이 발생하지 않는다(정적 충격 범위). 후속하여, 이전에 사용하지 않은 금속 종 M1 혹은 M2을 이용하여 표면을 분석한다. 일차 이온 타입들 사이의 교환은 복수 회에 걸쳐 실시할 수 있다.

M1 및 M2를 이용한 분석에 의해 생성된 이차 이온 스펙트럼은 G-SIMS 방법에 따라 계속해서 처리된다. G-SIMS을 적용함으로써, 2개의 이차 이온 스펙트럼이 조합되어 G-SIMS 스펙트럼을 형성한다.

금속 M1와 M2 간의 신속하고 반복적인 교환이 발생할 가능이 있기 때문에, G-SIMS 스펙트럼은 분석 중에 미리 생성될 수 있다.

바람직하게는, 제2 금속은 액체 금속 이온원에서 평상의 혹은 농축 주 동위 원소가 액체 금속 이온원의 방사 스펙트럼에서의 제2 금속의 총 비율의 ≥80%, 양호하게는 ≥90%, 더욱 양호하게는 ≥95%를 갖게 되는 그러한 동위 분포(isotopic distribution)를 갖는다.

여과 이전에 액체 금속 이온원으로부터 방사된 일차 이온빔에서 제1 금속과 제2 금속으로부터의 혼합된 클러스터의 비율은 전체 방사 스펙트럼에 대해 의도적으로 ≤10%로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 액체 금속 이온원 및/또는 방사된 일차 이온빔의 제1 금속의 이온, 특히 비스무스 이온의 비율은 ≥50%, 양호하게는 ≥90%로 하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 비스무스, 금 및 납 혹은 이들의 혼합물인 금속들 중 하나가 제1 금속으로 적합할 수 있다.

액체 금속 이온원 및/또는 액체 금속 이온원에 의해 방사된 일차 이온빔의 제2 금속의 이온, 특히 망간 이온의 비율은 여과 이전에 ≥0.5%, 양호하게는 ≥2%로 하는 것이 바람직하다. 액체 금속 이온원 및/또는 액체 금속 이온원의 여과 이전에 상기 방사된 일차 이온빔의 ≤50%, 양호하게는 ≤10%를 상한치로 한정하는 것이 바람직하다.

이와 동시에, 액체 금속 이온원의 금속 합금 및/또는 일차적으로 방사된 일차 이온빔에서 상기 제2 금속, 특히 망간의 이온 비율과 함께 제1 금속의 이온 특히 비스무스 이온의 비율은 여과 이전에 ≥90%, 양호하게는 ≥95%, 더욱 양호하게는 ≥98%로 하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 비스무스, 금 및 납 혹은 이들의 혼합물인 금속들 중 하나가 금속으로 적합할 수 있다.

일반적으로, 낮은 원자량의 금속이 제2 금속으로 바람직하게 사용되며, 높은 원자량의 제1 금속의 금속 용해도는 ≥1%이며 좁은 동위 분포를 갖는다. 낮은 원자량의 제2 금속의 선택에서 있어서 더 바람직한 선택 기준은 이온빔 생성 중에 높은 원자량의 제1 금속과의 혼합 클러스터가 단지 미량 혹은 전혀 없도록 형성하는 데 있다.

상기 제2 금속으로는 원자량 ≤90u이며 특히 아래의 금속 혹은 이들의 혼합물, 즉, 리튬, 베릴늄, 붕소, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 규소, 칼륨, 칼슘, 스칸듐, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 비소, 셀렌, 루비듐 및 이트륨을 채택하는 것이 적합하다.

비스무스는 ≥190u의 높은 원자량의 제1 금속으로서 특히 바람직하게 사용되며, 다수의 비스무스 이온 타입들 중 하나가 특히 바람직하고, 그 질량은 대략 혹은 정확하게 1회 혹은 수회 하전된 단원자 비스무스 이온의 배수이며, 질량-순 여과된 일차 이온빔으로서 일차 이온빔으로부터 여과된다. 망간은 제2 금속으로 특히 바람직하다는 것으로 입증되었고, 높은 분열로 여과된 일차 이온빔으로부터 여과하기 위해 상기 망간을 ≤90u의 낮은 원자량의 제2 금속으로 이용할 수 있다.

제1 금속으로 비스무스를 사용하면, 일차 이온빔은 여과 및 선택 이후, ≥190의 원자량의 제1 중량 금속의 이온, 바람직하게는 단일 타입의 비스무스 이온 Bi_n ^p+를 포함하는데, 여기서 n≥2 및 p≥1이며 n, p는 정수이고, 여과된 일차 이온빔은 Bi₃ ⁺ 이온 혹은 Bi₃ ² ⁺ 이온을 포함하거나 혹은 이러한 이온 모두를 포함한다.

생성된 이차 입자의 분석은 자기 섹터 필드(magnetic sector field) 질량 분석기, 4극자 질량 분석기 혹은 TOF 질량 분석기를 이용하여 바람직하게 실시될 수 있으며, 예컨대 스캐닝에 의한 샘플 표면의 이미지와, 샘플 표면의 깊이 프로파일 양자 혹은 이들의 조합은 본 발명에 따른 액체 금속 이온원들 중 하나 혹은 본 발명에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 정적 이차 이온 질량 분석을 위해 측정될 수 있다. 이는 또한 본 발명에 따른 방법에 적용될 수 있으며, 특히 G-SIMS 방법을 채택할 경우에 적용된다.

본 발명에 따른 방법들 중 몇몇 예들이 계속해서 주어질 것이다. 이들 예는 아래의 도면에 도시되어 있다.

본 발명의 일차 이온원은 G-SIMS 방법의 성공적인 수행에 적합할 수 있다.

도 1은 일차 이온 종으로서 10keV 에너지의 아르곤 이온으로 기록한 폴리카보네이트의 TOF-SIMS 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 2는 일차 이온 종으로서 10keV 에너지의 칼슘 이온과 10keV 에너지의 아르곤 이온으로 기록한 폴리카보네이트의 G-SIMS 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 3은 더 낮은 질량 범위에서 BiMn 방사체의 방사 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 4는 일차 이온 종으로서 25keV 에너지의 망간 이온과 25keV 에너지의 Bi₃ 이온을 갖는 BiMn 액체 금속 이온원으로 기록한 폴리카보네이트의 G-SIMS 스펙트럼을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 실시예에 있어서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 95%의 비스무스와 5%의 망간을 함금으로 포함하는 비스무스 액체 금속 이온 클러스터 공급원을 사용하였다.

본 발명에 따르면, 비스무스 클러스터 공급원이 이상적으로 적합한 것으로 밝혀졌는데, 그 이유는 중량 및 강도 높은 클러스터이고 S-SIMS 방법 혹은 G-SIMS 방법의 스펙트럼에서 분열을 변화시키기 위한 상이한 하전 상태이기 때문이다. 그러나 분열에서 최대한도로 획득 가능한 변화는 순수 비스무스 클러스터 공급원을 사용할 때 여전히 너무 낮다.

따라서, 본 발명의 실시예에 있어서, 가능한 한 경량의 합금 성분을 비스무스 방사체에 첨가하였고, 상기 합금 성분은 더 낮은 질량 범위의 방사 스펙트럼에서 원자 일차 이온을 방사한다. 여기서 첨가 원소는 일련의 경계 조건을 기초로 하여 선택하였다.

경량의 합금 성분으로서 망간을 사용하였다. 비스무스와 마찬가지로 망간은 오로지 단일 동위 원소를 가지며 원칙적으로 비스무스와의 합금을 형성한다. 상기 망간은 최소한 몇 퍼센트까지 비스무스에 용해 가능하고, 방사체의 방사 스펙트럼에서 망간의 비율은 액체 금속 이온원의 합금에서 정량적인 비율과 실질적으로 일치한다. 이는 측정 중에 망간의 농축 및 고갈 진행을 방지한다. 또한, 비스무스와 망간을 포함하는 혼합 클러스터의 농도는 단지 낮아진다. 이는 희망하는 원자 종의 획득 가능한 농도가 혼합 클러스트의 형성에 의해 감소하는 것을 방지하며, 방사된 비스무스 클러스트의 유용성은 혼합 비스무스-망간 클러스터의 존재에 의해 제한된다.

도 3에는 본 발명에 따른 비스무스 망간 방사체의 방사 스펙트럼이 도시되어 있다. 이는 기대된 비율을 명백하게 보여주는데, 그 이유는 약 4%의 망간 방사에 비해 약 96%의 비스무스 방사의 농도는 합금의 정량적 조성에 대한 측정 정밀도 범위에 속하기 때문이다.

도 3에는 원자 이온으로서 특히 Mn⁺ 혹은 Mn² ⁺로서 망간이 실질적으로 방사되는 것으로 도시되어 있다. 상위 질량 범위에서 비스무스 클러스트와의 질량 간섭이 드물게 일어난다. 낮은 망간의 추가량으로 인해, 방사된 비스무슨 클러스터의 농도는 비스무스와 망간을 포함하는 어떤 가능한 혼합 클러스트에 의해 거의 감소되지 않는다. 비스무스 클러스터에 대해 도 3에 사용된 공급원에서 발생하는 손실은 또한 비스무스 클러스터 공급원으로서 작동하기에 별로 대단치 않다.

도 4에는 전술한 BiMn 액체 금속 이온원으로 기록한 폴리카보네이트의 G-SIMS 스펙트럼이 도시되어 있다. 따라서, 일차 이온 종으로서 Mn⁺ 이온과 Bi₃ ⁺ 이온을 사용하였고, Mn⁺ 이온(25keV)의 질량-순 일차 이온빔과 Bi₃ ⁺ 이온(25keV)의 질량-순 일차 이온빔이 필터 변수를 변경함으로써 생성된 BiMn의 일차 이온빔으로부터 교대로 생성된다. 도 2에 있어서, 고유의 참조 스펙트럼에 대한 질량 135u의 특징적인 피크의 우세는 도 2에 도시된 바와 같이 다시 한번 즉시 현저하게 증가한다.

본 발명에 따른 BiMn 방사체로 얻은 결과는 전적으로 긍정적이다. 얻어진 G-SIMS 스펙트럼은 성공적인 G-SIMS 스펙트럼을 평가할 수 있는 모든 기준을 충족시킨다. 이는 폴리카보네이트의 경우를 예를 들면, 총 스펙트럼에서 질량 135u의 특징적인 피크 우세가 된다.

따라서, 상기 도면은 본 발명에 따른 액체 금속 이온원과 특히 본 발명에 따른 질량 분석법이 질량 분석, 특히 G-SIMS 법에 현저하게 적합할 수 있다는 것을 또한 실험적으로 보여준다.

이러한 타입 예컨대, BiMn 방사체의 혼합형 방사체의 근본적인 장점은, 특히 정적 SIMS 방법과 G-SIMS 방법에 추가하여 이차 이온 질량 분석을 단지 하나의 공급원으로 그리고 작동 수단을 교체할 필요 없이 실시할 수 있다는 사실에 있다.

더욱이, 본 발명에 따른 액체 이온원과 본 발명에 따른 방법은 원칙적으로 G-SIMS 방법에 사용하는 것과 관련한 추가의 몇몇 장점을 발휘한다.

본 발명에 다른 액체 금속 이온원, 분석기 및 방법은 질량 여과를 위해 상이한 종의 상이한 TOF를 사용한다. TOF 질량 여과는 이제 상이한 일차 이온 종들 사이의 거의 임의의 신속한 교환을 허용한다. 선택적인 생성으로 인해, 스펙트럼의 질량 보정은 일차 종들을 전환할 때 유지된다. 따라서, 그 보정은 심지어 몇 회의 분석 사이클 이후에서조차 G-SIMS 스펙트럼을 연속적으로 직접 계산 및 표시할 수 있는 선행 조건을 제공한다. 따라서 상이한 일차 이온으로 샘플의 유사 동시 분석(quasi simultaneous analysis)이 가능할 수 있다. 상이한 공급원을 이용한 복잡한 연속적인 분석은 더 이상 필요 없게 된다. 심지어 샘플 표면의 TOF-SIMS 이미지는 G-SIMS 이미지로서 적어도 2개의 이미지가 벌써 통과한 후 이러한 방법으로 제공될 수 있다. 상기 유사 동시 분석은 G-SIMS, 예컨대 유기 표면의 깊이 프로파일링을 위해 지금까지 상상도 할 수 없는 추가의 작동 모드를 실시할 수 있도록 해준다.

특히 깊이 프로파일링 혹은 표면의 그리드 스캐닝에 있어서, 이러한 샘플 표면은 특정 공급원으로부터 일차 이온 종들 중 하나로 샘플의 분석을 먼저 시험하는 종래 기술에 따른 방법에서 충격 동안 대규모로 변하였다. 이온원의 다른 이온 종들로의 교환 후 실시된 동일 샘플 표면의 후속적인 분석은 반드시 개선된 결과를 도출하게 되는데, 그 이유는 이러한 이차 이온 종을 위한 샘플 표면을 단지 개선된 형태로 이용할 수 있기 때문이다. 본 발명에 따른 방법으로 이용하면, 동일 상태에서 동일한 표면의 특성짖기는 개개의 일차 이온 종들 사이의 신속한 전환과 나아가 유사 동시 분석을 기초로 하여 가능할 수 있다.

Claims

합금으로 비스무스를 포함하는 액체 금속 이온원에 있어서,
상기 합금은 원자량 ≤90u, 비스무스 ≥1%의 용해도, 동위 원소를 미량 혹은 전혀 없거나 좁은 동위 분포를 갖고, 이온빔 생성 동안 비스무스와의 혼합 클러스터가 미량 혹은 전혀 없도록 형성하는 제2 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항에 있어서,
상기 합금은 제2 금속으로서 망간을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
합금으로 비스무스를 포함하는 액체 금속 이온원에 있어서,
상기 합금은 제2 금속으로서 망간을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 금속의 평상의 혹은 농축 주 동위 원소는 액체 금속 이온원에서 상기 제2 금속의 총 비율의 ≥80%, 양호하게는 ≥90%, 더욱 양호하게는 ≥95%를 갖는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비스무스와 상기 제2 금속은 이온빔 생성 중에 전체 방사 스펙트럼에 대해 ≤10%, 양호하게는 ≤5%의 비스무스와 제2 금속을 포함하는 혼합 클러스터를 형성하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
액체 금속 이온원에 의해 생성된 일차 이온빔에서 상기 제2 금속의 비율은 상기 합금에서 제2 금속의 정량적인 비율과 실질적으로 일치하거나 그것과 동일한 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금에서 상기 비스무스의 함량은 ≥50%, 양호하게는 ≥90%인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금에서 상기 제2 금속의 함량은 ≥0.5%, 양호하게는 ≥2%인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금에서 상기 제2 금속의 함량은 ≤50%, 양호하게는 ≤10%인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금에서 상기 비스무스와 상기 제2 금속의 합은 ≥90%, 양호하게는 ≥95%, 더욱 양호하게는 ≥98% 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금은 비스무스를 포함하는 저융점 합금인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금은 순수 비스무스의 융점보다 낮은 혹은 ≤270℃ 융점을 갖는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 합금은 아래의 금속 즉, Ni, Cu, Zn, Sc, Ga, Mn 및/또는 Se 중 하나 이상을 갖는 제2 금속과 비스무스의 합금인 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원.
샘플의 투사를 위한 일차 이온빔과 이차 입자 생성물을 생성하는 액체 금속 이온원을 이용하여 이차 이온 및/또는 재이온화된 중성의 이차 입자와 같은 이차 입자의 분석을 위한 이차 입자 질량 분석기에 있어서,
액체 금속 이온원으로서 선행항들 중 어느 한 항에 따른 액체 금속 이온원을 구비하며,
필터 장치를 더 구비하는데, 상기 필터 장치를 이용하여 상기 액체 금속 이온원에 의해 방사된 일차 이온빔으로부터 그 질량이 대략 혹은 정확하게 1회 혹은 수회 하전된 단원자 비스무스 이온의 배수인 다수의 비스무스 이온 타입들 중 두 타입은 질량-순 여과된 일차 이온빔으로서 여과되고 또 상기 제2 금속의 다수의 이온 타입으로부터 여과된 일차 이온빔은 질량-순 여과된 일차 이온빔으로서 여과되는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석기.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 질량-순 여과된 비스무스 이온빔은 타입 Bi_n ^p ⁺의 이온만을 포함하는데, 여기서 n≥2 및 p≥1이며 n, p는 각각 정수이고, 양호하게는 Bi₃ ⁺ 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석기.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
질량-순 이온빔으로 여과된 상기 이온은 아래의 타입 즉, Bi₂ ⁺, Bi₃ ⁺, Bi₄ ⁺, Bi₅ ⁺, Bi₆ ⁺, Bi₇ ⁺, Bi₃ ² ⁺, Bi₅ ² ⁺, 혹은 Bi₇ ² ⁺ 중 한 타입에 속하는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석기.
제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 금속 이온원에 의해 방사된 일차 이온빔에서 비스무스 이온 비율은 ≥50%, 양호하게는 ≥90%인 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석기.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 금속 이온원에 의해 방사된 일차 이온빔에서 제2 금속의 이온 비율은 ≥0.5%, 양호하게는 ≥2%인 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석기.
제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 금속 이온원에 의해 방사된 일차 이온빔에서 제2 금속의 이온 비율은 ≤50%, 양호하게는 ≤10%인 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석기.
제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 금속 이온원에 의해 방사된 일차 이온빔에서 비스무스 이온과 제2 금속 이온의 합은 ≥90%, 양호하게는 ≥95%, 더욱 양호하게는 ≥98% 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석기.
분석될 샘플의 분석을 위한 이차 입자 질량 분석법으로, 상기 분석될 샘플의 표면은 일차 이온빔으로서 조사되는 이차 입자 질량 분석법에 있어서,
제1 금속의 단원자 혹은 다원자 이온과 제2 금속의 단원자 이온을 포함하는 일차 이온빔을 생성하고, 상기 제1 금속의 이온은 원자량 ≥190u이며 상기 제2 금속의 이온은 원자량 ≤90u이고, 이들 이온은 교대로 여과되는데, 제1 금속의 다수의 이온 타입들 중 한 타입은 질량-순 여과된 일차 이온빔으로서 일차 이온빔으로부터 여과되는 반면에 제2 금속의 다수의 이온 타입들 중 한 타입은 질량-순 여과된 일차 이온빔으로서 여과되며, 이차 입자 스펙트럼은 제1 금속의 이온을 포함하는 여과된 일차 이온빔으로 측정되고, 이차 입자 스펙트럼은 제2 금속의 이온을 포함하는 여과된 일차 이온빔으로 측정되는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
선행항에 있어서,
상기 방사된 일차 이온빔에서 제1 금속의 이온과 제2 금속 이온의 합은 ≥90%, 양호하게는 ≥95%, 더욱 양호하게는 ≥98% 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
선행항에 있어서,
상기 제1 금속은 비스무스, 금 혹은 납 중 하나인 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
선행항에 있어서,
상기 제2 금속은 리튬, 베릴늄, 붕소, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 규소, 칼륨, 칼슘, 스칸듐, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 비소, 셀렌, 루비듐 및 이트륨 중 하나인 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
선행항에 있어서,
상기 분석 빔은 일차 이온빔의 생성을 위해 제1 금속과 제2 금속을 포함하는 금속 합금을 구비하는 액체 금속 이온원에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
선행항에 있어서,
상기 제2 금속은 상기 제1 금속에서 ≥1%의 용해도를 가지며, 동위 원소를 미량 혹은 전혀 없거나 좁은 동위 분포를 갖고, 이온빔 생성 동안 상기 제1 금속과의 혼합 클러스터를 미량 혹은 전혀 없도록 형성하는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
다원자 비스무스 이온과 제2 금속의 이온을 포함하는 일차 이온빔이 생성되며, 상기 제2 금속은 원자량 ≤90u, 비스무스 ≥1%의 용해도, 동위 원소를 미량 혹은 전혀 없거나 좁은 동위 분포를 갖고, 이온빔 생성 동안 비스무스와의 혼합 클러스터를 미량 혹은 전혀 없도록 형성하며,
상기 이온들은 교대로 여과되는데, 그 질량이 대략 혹은 정확하게 1회 혹은 수회 하전된 단원자 비스무스 이온 Bi₁ ^p ⁺의 배수인 다수의 비스무스 이온 타입들 중 한 타입은 질량-순 여과된 일차 이온빔으로서 여과되고 또 상기 제2 금속의 다수의 이온 타입들 중 한 타입은 질량-순 여과된 일차 이온빔으로서 여과되고,
이차 입자 스펙트럼은 비스무스를 포함하는 여과된 일차 이온빔으로 측정되고, 이차 입자 스펙트럼은 제2 금속을 포함하는 여과된 일차 이온빔으로 측정되는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 금속은 망간인 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
다원자 비스무스 이온과 제2 금속의 이온을 포함하는 일차 이온빔이 생성되고, 상기 제2 금속은 망간이며,
상기 이온들은 교대로 여과되는데, 그 질량이 대략 혹은 정확하게 1회 혹은 수회 하전된 단원자 비스무스 이온 Bi₁ ^p ⁺의 배수인 다수의 비스무스 이온 타입들 중 한 타입은 질량-순 여과된 일차 이온빔으로서 여과되고 또 망간의 다수의 이온 타입들 중 한 타입은 질량-순 여과된 일차 이온빔으로서 여과되고,
이차 입자 스펙트럼은 비스무스를 포함하는 여과된 일차 이온빔으로 측정되고, 이차 입자 스펙트럼은 망간을 포함하는 여과된 일차 이온빔으로 측정되는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 금속의 평상의 혹은 농축 주 동위 원소는 방사 스펙트럼에서 상기 제2 금속의 총 비율의 ≥80%, 양호하게는 ≥90%, 더욱 양호하게는 ≥95%를 갖는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비스무스와 상기 제2 금속은 이온빔 생성 중에 전체 방사 스펙트럼에 대해 ≤10%, 양호하게는 ≤5%의 비스무스와 제2 금속을 포함하는 혼합 클러스터를 형성하는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사된 일차 이온빔에서 상기 비스무스 이온의 비율은 ≥50%, 양호하게는 ≥90%인 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사된 일차 이온빔에서 상기 제2 금속의 이온의 비율은 ≥0.5%, 양호하게는 ≥2%인 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사된 일차 이온빔에서 상기 제2 금속의 이온의 비율은 ≤50%, 양호하게는 ≤10%인 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사된 일치 이온빔에서 상기 비스무스와 상기 제2 금속의 이온의 합은 ≥90%, 양호하게는 ≥95%, 더욱 양호하게는 ≥98% 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
비스무스 이온을 포함하는 여과된 일차 이온빔은 타입 Bi_n ^p ⁺의 이온을 포함하는데, 여기서 n≥2 및 p≥1이며 n, p는 각각 정수이고, 양호하게는 Bi₃ ⁺ 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
선행항에 있어서,
상기 일차 이온빔 및/또는 여과된 일차 이온빔은 1가 혹은 2가의 Bi_n 이온을 포함하는데, 여기서 n≥3이면서 정수이고, 양호하게는 Bi₃ ⁺혹은 Bi₃ ² ⁺ 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 분석 빔은 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 액체 금속 이온원에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
2개의 이차 입자 스펙트럼은 G-SIMS 방법(Getle-SIMS)에 따라 평가되고, 샘플의 이차 입자 스펙트럼이 생성되는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 생성된 이차 입자의 분석은 자기 섹터 필드 질량 분석기, 4극자 질량 분석기 및/또는 TOF 질량 분석기를 이용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
샘플 표면의 질량 분석 이미지 및/또는 샘플 표면의 깊이 프로파일이 측정되는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
제21항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
샘플 혹은 분석된 표면은 유기 물질을 갖는 것을 특징으로 하는 이차 입자 질량 분석법.
샘플 및/또는 표면의 분석을 위한 선행항들 중 어느 한 항에 따른 액체 금속 이온원, 질량 분석기 및/또는 분석법의 사용.
선행항에 있어서, 상기 샘플 혹은 표면은 유기 물질을 갖는 것을 특징으로 하는 액체 금속 이온원, 질량 분석기 및/또는 분석법의 사용.