KR960000808B1 - Secondary ion mass analyzer - Google Patents

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삼성전자주식회사
김광호
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    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode

Abstract

The secondary ion mass spectrometry including a first ion generator, a first ion filter, a first ion beam controller, a second ion generator, a spectrometer, and a detector is characterized in that a first ion emission direction regulating unit is arranged in the first ion beam regulating unit and installed in front of a lens right before a sample.

Description

이차 이온 질량분석기Secondary ion mass spectrometer

제1도는 종래 기술에 따른 2차 이온질량분석기의 1차 이온 조절부를 나타내는 단면도,1 is a cross-sectional view showing a primary ion control unit of the secondary ion mass spectrometer according to the prior art,

제2도는 본 발명에 따른 2차 이온 질량분석기의 1차 이온 조절부를 나타내는 단면도,2 is a cross-sectional view showing a primary ion control unit of the secondary ion mass spectrometer according to the present invention;

제3도는 본 발명에 따른 2차 이온 질량분석기의 개략적인 단면도,3 is a schematic cross-sectional view of a secondary ion mass spectrometer according to the present invention,

제4도는 이중 전자식의 자기장 형성에 따른 1차 이온빔의 기본 동작원리를 나타내는 개념도,4 is a conceptual diagram showing the basic operating principle of the primary ion beam in accordance with the formation of a dual electromagnetic magnetic field,

제5도는 불순물 이온주입 시료의 깊이와 이온농도 분포와의 관계를 나타내는 특성도이다.5 is a characteristic diagram showing the relationship between the depth of the impurity ion implantation sample and the ion concentration distribution.

산업상의 이용분야Industrial use

본 발명은 2차 이온 질량분석기(Secondary Ion Mass Spectrometry : SIMS)에 관한 것으로, 특히 1차 이온(Primary ion) 조절부(Column) 장치내에 자기장의 크기와 방향을 변화시킬 수 있는 전자석을 이중으로 부착함으로써, 시료에 대한 입사 1차 이온빔의 입사각도 조절이 가능한 2차 이온 질량분석기에 관한 것이다.The present invention relates to Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS), in particular attaching a double electromagnet that can change the size and direction of the magnetic field in the primary ion (Column) device Therefore, the present invention relates to a secondary ion mass spectrometer capable of adjusting an incident angle of an incident primary ion beam to a sample.

종래의 기술 및 문제점Conventional Techniques and Problems

2차 이온 질량분석기는 표면분석 장비중 가장 뛰어난 원소 검출감도(Detection snsitivity)와 깊이 분해능(depth resolution)을 가지고 있는 특히, 깊이에 따른 미량 불순물 분석(trace element depth profiling)에 독보적인 위치를 차지하고 있다.Secondary ion mass spectrometers have a unique position in trace element depth profiling, especially with the highest detection snsitivity and depth resolution. .

이러한 2차 이온 질량분석에 관한 일반적인 기술은 “Method of Surface Analysis", 1989, Cambridge University press, p231에 이미 공지된 바 있다.General techniques for such secondary ion mass spectrometry have already been known in the "Method of Surface Analysis", 1989, Cambridge University press, p231.

2차 이온 질량분석기(SIMS)의 검출한계(detection limit)는 주기율표 전 원소 범위에 걸쳐 ppm-ppb 수준으로 정밀분석이 가능하지만 분석시료의 주성분 물질(Main matrix) 분석에는 적용하기 어렵다. 이는 SIMS 검출범위가 극미량 분석에 맞추어져 있기 때문에 검출원소수가 많으면 변화상태를 보기 힘들고, 물질의 조성비 변화에 따라 이온화율이 변해 원소검출 강도가 영향을 받기 때문이다.The detection limit of the secondary ion mass spectrometer (SIMS) can be precisely analyzed at the ppm-ppb level over the entire range of the periodic table, but it is difficult to apply to the analysis of the main matrix of the sample. This is because the SIMS detection range is adapted to the trace amount analysis, so it is difficult to see the change state when the number of elements is large, and the ionization intensity is affected by the change in the composition ratio of the material, thereby affecting the element detection intensity.

이러한 SIMS는 미량 불순물의 경우에도 원소의 이온화율이 시료 주성분 원소(Matrix Element)가 바뀜에 따라 큰폭으로 변화하기 때문에 2개층 이상 다층막 시료의 경우, 불순물 농도 측정값이 실제분포와 달리 층마다 다르게 나타나게 된다. 이와 같은 현상으로 인해 불순물 농도의 정량화가 어렵게 되므로 정량화를 위해서는 표준시료가 있어야만 하는 문제점이 있었다.In the case of trace impurities, the SIMS has a large change in the ionization rate of the element due to the change of the matrix element. Therefore, in the case of two or more multilayered membrane samples, the impurity concentration measurement value is different for each layer unlike the actual distribution. do. This phenomenon makes it difficult to quantify the impurity concentration, there was a problem that a standard sample must be present for quantification.

그러나, 분석을 해야하는 각각의 박막에 대해 동일조건의 표준시료를 모두 제작하는 것은 불가능하므로, 이러한 2차 이온 질량분석기(SIMS)의 단점을 보완한 형태로서 스퍼터 중성원소 질량분석기(Sputtered Neutral Mass Spectrometry : SNMS)가 개발되었고, 이에는 전자총(Electron gun)이나 레이저(Laser)를 사용하는 방법이 있으며, 최근에는 SIMS에 아무런 장비를 덧붙이지 않고도 미량 불순물원소 분석에 적용할 수 있을뿐 아니라, 정량화 개선 효과를 가져오는 CsX+가 개발되었다.However, it is impossible to fabricate all the standard samples under the same conditions for each thin film to be analyzed. As such, a sputtered neutral mass spectrometer was used to compensate for the disadvantages of the secondary ion mass spectrometer (SIMS). SNMS) has been developed, and there is a method using an electron gun or a laser, and recently, it can be applied to trace impurity element analysis without adding any equipment to SIMS, and to improve the quantification effect. CsX + was developed to import.

주성분 원소(Matrix) 조성비 분석에 있어, SIMS 분석방법에는 깊이에 따른 불순물 분포를 보는 다이나믹(dynamic) 방법과 불순물 분포를 맵핑(mapping)하는 이메징(imaging)방법, 그리고 표면의 불순물 종류를 조사하는 스태틱(static)방법이 있다. 그러나, 이러한 분석 방법은 뛰어난 검출감도로 인해 불순물 종류는 모두 조사할 수 있으나 원소별 분포비를 알 수 없는 단점을 가지고 있었다.In MAS composition ratio analysis, SIMS analysis includes dynamic method to see impurity distribution by depth, imaging method to map impurity distribution, and surface impurity types. There is a static method. However, these analytical methods have the disadvantage of not knowing the distribution ratio of each element due to excellent detection sensitivity.

이에대해 CsX+SNMS는 SIMS는 불가능했던 시료 주성분 조성분석에 적용할 수 있으며, 10ppm의 검출한계, 불순물 분석을 통한 다이나믹 레인지(dynamic range)는 104까지 확보할 수 있다.On the other hand, CsX + SNMS can be applied to the analysis of the principal component composition, which is impossible for SIMS, and the detection limit of 10 ppm and the dynamic range through impurity analysis can be obtained up to 10 4 .

그러나, 이러한 CsX+SNMS 등의 2차 이온 질량분석기(SIMS)에는 시료의 입사빔에 대한 각도가 고정되어 있어, 입사 이온빔의 입사각이 일정하게 되어 일정각도를 기울려 입사시키므로 시료표면 식각시 시료가 평평하게 깍아지지 않고 톱니모양으로 깍기게 된다. 이에따라 불순물 이온 주입시료의 깊이별 농도 분석시(Concentration depth profile) 톱니모양의 불균일면 형성으로 인한 2차 이온 발생량(Secondary Ion Yield)의 변화로 정확한 분석이 어려운 문제점이 있었다.However, the secondary ion mass spectrometer (SIMS) such as CsX + SNMS has a fixed angle with respect to the incident beam of the sample, and thus the incident angle of the incident ion beam becomes constant, so that the sample is inclined at a predetermined angle so that the sample is flat when the surface is etched. It will not be sharpened but will be sawed in a jagged shape. Accordingly, there was a problem that accurate analysis was difficult due to the change of secondary ion yield due to the formation of a tooth-shaped non-uniform surface in the concentration depth profile analysis of the impurity ion implantation sample.

이러한 종래의 2차 이온 질량분석기에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.This conventional secondary ion mass spectrometer will be described in detail with reference to the drawings.

제1도는 종래 2차 이온 질량분석기에 따른 1차 이온빔 조절부(A)를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a primary ion beam control unit A according to a conventional secondary ion mass spectrometer.

제1도에 도시된 바와 같이, 상기한 종래의 1차 이온빔 조절부는 1차 이온 발생장치로부터 가속된 1차 이온(1)과, 빔경로 제한기(Limitor)(2,4), 빔차단 슬릿(Slit)(6), 이온전류를 재기 위한 페러데이컵(Faradaycup)(12), 그리고 스티그메이터(Stigma tor)(7), 이중 디플렉터(Double deflector)(8), 세개의 전자기 렌즈(Lens)(3,5,9)로 구성되어 있으며, 이는 제3도에 표시된 바와 같이 시료(11)와 2차 이온 추출부(10)에 연결되어 있다.As shown in FIG. 1, the conventional primary ion beam controller includes primary ions 1 accelerated from the primary ion generator, beam path limiters 2 and 4, and beam blocking slits. (Slit) (6), Faradaycup (12) for measuring the ion current, and Stigma tor (7), Double deflector (8), three electromagnetic lenses (Lens) (3, 5, 9), which is connected to the sample 11 and the secondary ion extracting section 10 as shown in FIG.

이러한 종래 2차 이온 발생 장치의 동작원리를 제1도 및 제3도를 참조하여 설명하면 아래와 같다.The operation principle of the conventional secondary ion generating device is described below with reference to FIGS. 1 and 3.

세슘이온 발생기(21) 혹은 산소이온 발생기(22)에서 만들어진 1차 이온이 일정한 에너지로 가속되어 1차 이온 필터(23)를 거쳐 1차 이온 조절부(A)로 들어간다. 이때 이온빔(1)은 빔경로 제한기(2)의 중심으로 통과한 것만 첫번째 전자기 렌즈(3)에 접속된다.Primary ions produced by the cesium ion generator 21 or the oxygen ion generator 22 are accelerated to a constant energy and enter the primary ion control unit A through the primary ion filter 23. At this time, only the ion beam 1 passing through the center of the beam path restrictor 2 is connected to the first electromagnetic lens 3.

그후, 한 번더 빔경로 제한기(4)와 전자기 렌즈(5)를 지나 집속된 빔은 스티그메이터(7)에 의해 찌그러짐이 바로 잡히고 이중 디플렉터(8)에서 스캐닝된다. 이때 페러데이 컵(12)을 사용해 이온빔 전류를 잴 수 있다.Then, once more, the beam focused past the beam path restrictor 4 and the electromagnetic lens 5 is corrected by the stirrer 7 and scanned in the double deflector 8. At this time, the Faraday cup 12 can be used to measure the ion beam current.

스캐닝된 빔은 시료(11)에 입사하기전 한번더 전자기 렌즈(9)로 접속되어 2차 이온 추출부(10)를 지나 시료에 도달한다.The scanned beam is connected to the electromagnetic lens 9 once again before entering the sample 11 and passes through the secondary ion extracting section 10 to reach the sample.

이때, 시료의 입사빔에 대한 각도는 고정되어 있으므로 입사빔(1)과 시료(11)면의 각도는 일정하며, 시료에서 발생하는 2차 이온을 가속하기 위해 시료(11)와 2차 이온 추출부(10) 사이에는 4.5kV의 전압을 걸어준다.At this time, the angle of the incident beam (1) and the surface of the sample 11 is constant because the angle of the incident beam is fixed, and the sample 11 and the secondary ion extraction to accelerate the secondary ions generated in the sample A voltage of 4.5 kV is applied between the units 10.

그러나, 상기한 2차 이온 질량분석기는 2차 이온 가속을 위한 고전압 때문에 시료표면과 이차이온 추출부(10)사이의 거리를 일정하게 유지해야 하므로, 입사이온에 대한 시료의 각도를 변화시킬 수 없어 입사이온빔(1)의 입사각이 일정하게 된다.However, the secondary ion mass spectrometer needs to maintain a constant distance between the sample surface and the secondary ion extractor 10 due to the high voltage for secondary ion acceleration, and thus cannot change the angle of the sample with respect to the incident ion. The incident angle of the incident ion beam 1 becomes constant.

이 경우, 일정각도를 기울여서 입사시키므로 시료표면 식각시 시료가 평평하게 깍이지 않고 톱니모양으로 깍이게 되어 불순물 이온주입 시료의 깊이별 농도 분석시 톱니모양의 불균일면 형성으로 인한 2차 이온 발생량(secondary ion yield) 변화로 정확한 분석이 어려운 결점이 있었다.In this case, since the sample is inclined at a certain angle, the sample is not flattened in the case of etching the sample surface, but it is sharpened in the form of a sawtooth. Changes in ion yield have made flaws difficult to accurately analyze.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 질량분석기는, 2차 이온 경로가 고정되어 있고 시료에 대한 빔경로 각도도 직각으로 불변하여 시료에 입사하는 1차 이온 입사각이 입사빔 자체로만 변화가 가능한 경우, 입사 1차 이온 조절부에 자기장의 크기와 방향을 변화시킬 수 있는 전자석을 이중으로 부착함으로써, 상기 전자석에 자기장을 걸지 않을시에는 원래의 각도를 유지하는 것이 가능하게 되고, 자기장을 걸어줄 경우에는 이온빔 입사각을 변화시킬 수 있도록 하여 시료를 기울일 수 없는 분석장치에 적용할 수 있을뿐 아니라 시료표면 식각시 생기는 톱니모양의 불균일면을 평평하게 할 수 있다.As described above, in the mass spectrometer according to the present invention, when the secondary ion path is fixed and the beam path angle with respect to the sample is also changed at right angles, the incident angle of the primary ion incident on the sample can be changed only by the incident beam itself. By attaching a double electromagnet that can change the size and direction of the magnetic field to the primary ion control unit, it becomes possible to maintain the original angle when the magnetic field is not applied to the electromagnet. By changing the angle of incidence, it can be applied to an analytical device that can not tilt the sample, and it is possible to flatten the sawtooth non-uniform surface generated during etching of the sample surface.

또한, 종래 불순물 이온 주입시료의 깊이 분석을 할 경우, 시료가 깍임에 따라 생긴 톱니모양의 골에서 입사 1차 이온과 골을 형성한 부위의 각도가 직각에 가까와질 경우, 2차 이온 발생수가 증가하기 때문에 이온빔 농도차가 발생하여, 농도분포에 변화가 나타났었다. 이에반해 본 발명에서는 각 시료별 최적 식각 각도로 입사 1차 이온빔을 입사 시켜줌으로써 톱니모양의 골이 형성되지 않아 2차 이온 발생량의 변화가 없게되어 농도분포 분석 정밀성을 높일 수 있는 2차 이온 질량분석기를 제공할 수 있게 된다.In addition, in the depth analysis of a conventional impurity ion implantation sample, the number of secondary ions is increased when the angle of the incident primary ions and the valleys formed in the sawtooth-shaped bones generated by the cutting of the sample approaches the right angle. As a result, an ion beam concentration difference occurred, and a change in concentration distribution appeared. On the other hand, in the present invention, the secondary ion mass spectrometer can improve the concentration distribution analysis accuracy by not changing the secondary ion generation amount by not forming a tooth-shaped bone by injecting the incident primary ion beam at the optimum etching angle for each sample. Can be provided.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 입사 1차 이온 조절부에 자기장의 크기와 방향을 변화시킬 수 있는 전자석을 부가하여, 입사 1차 이온의 시료에 대한 입사각 변화가 가능한 2차 이온 질량분석기를 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention adds an electromagnet capable of changing the size and direction of the magnetic field to the incident primary ion control unit, and thus the secondary ion mass capable of changing the incident angle of the incident primary ion to the sample. We want to provide an analyzer.

발명의 구성Composition of the Invention

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 1차 이온 발생부, 1차 이온 필터, 1차 이온빔 조절부인 빔경로 제한기, 전자기렌즈, 빔차단 슬릿, 스티그메이터, 이중 디플렉터, 페러데이컵과 2차 이온 발생부(시료실), 분광계 및 검출계를 포함하는 2차 이온 질량분석기에 있어서, 상기 2차 이온 발생부 상부에 위치하는 전자기 렌즈와 이중 디플렉터 사이에 두개의 전자기석이 구비된 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is the primary ion generating unit, the primary ion filter, the primary ion beam control unit beam path limiter, electromagnetic lens, beam blocking slit, stigmatizer, double deflector, Faraday Cup and 2 A secondary ion mass spectrometer including a secondary ion generator (sample chamber), a spectrometer, and a detector, wherein two electromagnetic stones are provided between an electromagnetic lens and a double deflector positioned above the secondary ion generator. do.

작용Action

본 발명은 상술한 바와 같이 입사 1차 이온의 시료에 대한 입사각 조절이 가능하므로 불순물 이온 주입시료의 SIMS 분석시 입사빔을 시료표면 90℃ 가까이 주사하면 시료표면 식각시 생기는 톱니모양의 불균일면이 줄어들어 2차 이온 발생량에 대한 정확한 깊이별 농도 분석을 할 수 있을 뿐 아니라, 각 시료별 최적식각 각도로 1차 이온빔을 입사시켜 줌으로써 시료표면 수평각에 가깝게되어 시료식각 속도를 조절하여 분석 정밀성을 높일수 있게 된다.According to the present invention, the angle of incidence of the incident primary ions can be adjusted. Thus, when scanning the incident beam near 90 ° C. during the SIMS analysis of the impurity ion implantation sample, the jagged non-uniform surface generated during the etching of the sample surface is reduced. In addition to accurate concentration analysis of secondary ion generation, the first ion beam is incident at the optimal etching angle for each sample, which is closer to the horizontal angle of the sample surface, thereby improving the accuracy of analysis by adjusting the sample etching rate. .

실시예Example

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제2도는 본 발명에 의한 2차 이온 질량분석기의 1차 이온빔 조절부를 나타내는 단면도이며, 제3도는 본 발명에 의한 1차 이온빔 조절부를 포함하는 2차 이온 질량분석기의 개략적인 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a primary ion beam control unit of the secondary ion mass spectrometer according to the present invention, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a secondary ion mass spectrometer including the primary ion beam control unit according to the present invention.

제3도에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 2차 이온 질량분석기는 대략 1차 이온 발생부, 1차 이온필터, 1차 이온빔 조절부(A), 2차 이온 발생부(시료실), 분광계(B), 검출계로 구분될 수 있다. 여기서 질량분석을 위한 핵심부인 분광계(B)는 전기적으로 순간 전환이 가능한 정전기 에너지 분광기(27), 두방향의 출구를 가진 질량분해용 자기 분광기(30)등으로 이루어져 있으며, 검출계는 상기 자기 분광기의 각 출구에 연결된 두개의 질량 선택 슬릿과 두개의 정전기 분광기로 대략 구성된다.As shown in FIG. 3, the secondary ion mass spectrometer according to the present invention has approximately a primary ion generator, a primary ion filter, a primary ion beam control unit A, a secondary ion generator (sample chamber), and a spectrometer. (B), it can be divided into a detection system. Here, the spectrometer (B), which is the core for mass spectrometry, consists of an electrostatic energy spectrometer (27) capable of electrical instantaneous switching, a magnetic spectrometer (30) having a bidirectional outlet, and the detection system includes the magnetic spectrometer. It is roughly composed of two mass select slits and two electrostatic spectrometers connected to each outlet of.

본 발명의 요지를 내포하고 있는 1차 이온빔 조절부(A)는 2차 이온 질량분석기의 시료(11)와 2차 이온 추출부(10)에 연결되어 있으며, 이는 제2도를 참조로 하여 설명한다.The primary ion beam control unit A, which includes the gist of the present invention, is connected to the sample 11 and the secondary ion extracting unit 10 of the secondary ion mass spectrometer, which will be described with reference to FIG. do.

상기 제2단면도는 가속된 1차 이온(1)과 빔경로 제한기(Limitor(2,4), 빔차단 슬릿(Slit)(6), 이온전류를 재기 위한 페러데이컵(Faraday cup)(12), 스티그메이터(Stigmator)(7), 이중 디플렉터(Doubleldeflector)(8), 세개의 전자기 렌즈(Lens)(3,5,9)로 된 기본적 구성에 상기 전자기 렌즈(9)와 이중 디플렉터(8) 사이에 두개의 전자기석(13,14)이 포함되어 있다.The second cross-sectional view includes accelerated primary ions 1 and beam path limiters (Limitor (2,4), beam blocking slit (6), Faraday cup 12 for measuring ion current). In the basic configuration consisting of a Stigmator (7), a Double Deflector (8), and three Electron Lenses (3, 5, 9), the electromagnetic lens (9) and the Double Deflector (8). ), Two electromagnets 13 and 14 are included between them.

이러한 본 발명에 따른 2차 이온 발생장치의 기본 동작원리를 설명하면 아래와 같다.Referring to the basic operation principle of the secondary ion generating device according to the present invention as follows.

세슘이온 발생기(21) 혹은 산소이온 발생기(22)에서 만들어진 1차 이온이 일정한 에너지로 가속되어 1차 이온 필터(23)를 거쳐 1차 이온 조절부(A)로 들어간다. 이때 이온빔(1)은 빔경로 제한기(2)의 중심으로 통과한 것만 첫번째 전자기 렌즈(3)에 접속된다.Primary ions produced by the cesium ion generator 21 or the oxygen ion generator 22 are accelerated to a constant energy and enter the primary ion control unit A through the primary ion filter 23. At this time, only the ion beam 1 passing through the center of the beam path restrictor 2 is connected to the first electromagnetic lens 3.

그후 한번 더 빔경로 제한기(4)와 전자기 렌즈(5)를 지나 집속된 빔은 스티그메이터(7)에 의해 찌그러짐이 바로 잡히고 이중 디플렉터(8)에서 스캐닝된다. 이때 페러데이컵(12)을 사용해서 이온빔 전류를 잴 수 있다.The beam that is then focused once more through the beam path restrictor 4 and the electromagnetic lens 5 is straightened by the stigmatizer 7 and scanned in the double deflector 8. At this time, the Faraday cup 12 can be used to measure the ion beam current.

이중 디플렉터(8)에 의해 스캐닝된 빔은 다시 두개의 전자기석(13,14)에 의해 입사빔 방향이 조절된다.The beam scanned by the double deflector 8 is again adjusted in the incident beam direction by two electromagnets 13 and 14.

우선, 두개의 전자기석(13,14)에 의해 입사빔방향이 조절되는 원리에 대하여 설명하다.First, the principle that the incident beam direction is controlled by the two electromagnets 13 and 14 will be described.

먼저, 전하를 디는 입자가 자기장내에 입사하는 경우를 생각해보자. 상기 전하기 자기장내에 입사하게 되면, 플레밍의 왼속법칙에 따라 운동방향, 자기장 모두에 수직인 방향으로 힘을 받게 된다.First, consider the case where the charged particles enter the magnetic field. When the charge enters the magnetic field, Fleming's left law The force is applied in the direction perpendicular to both the direction of movement and the magnetic field.

제1도에 도시된 전자기석(13,14)의 자기장 방향을 종이에 대해 수직하게 들어가는 방향 또는 나가는 방향으로 조정하여 이온빔의 방향을 조정할 수 있으며, 자기장의 크기를 변화시키면 이온빔 입사각의 크기를 변화시킬 수 있다.The direction of the ion beam can be adjusted by adjusting the direction of the magnetic field of the electromagnets 13 and 14 shown in FIG. 1 in the direction of entering or exiting perpendicular to the paper, and by changing the size of the magnetic field, the size of the incident angle of the ion beam can be changed. Can be.

상기 이온빔의 방향과 입사각의 크기를 변화시키는 원리는 제4도(a) 및 (b)에 도시된 도면을 참조로하여 설명한다.The principle of changing the direction of the ion beam and the magnitude of the incident angle will be described with reference to the drawings shown in FIGS. 4A and 4B.

제4도(a)의 경우는 자기장이 종이에 대해 수직하게 들어가는 방향()인 경우이고, 제4도(b)는 자기장이 종이에 대해 수직하게 나오는 방향(⊙)인 경우를 도시해 놓은 것으로서, 제4도(a)인 경우, 전하를 띤 입자(이온)가 방향으로 움직이면 이때 힘은 자기장과 이온이 움직이는 방향 각각에 수직인방향으로 움직이면 이때 힘은 자기장과 이온이 움직이는 방향 각각에 수직인방향으로 힘을 받게 되므로 자기장 내부에서 원운동을 하며 휘게되고, 또한 제4도(b)의 경우 즉, 자기장이 종이에 대해 수직하게 나오는 방향인 경우에도 전하를 띤 입자(이온)가방향으로 움직이면 이때도 역시 힘은 자기장과 이온 각각에 수직인방향으로 힘을 받게된다. 단, 제4도(a)와 (b)의 경우 작용하는 힘의 방향은 서로 반대방향이다.In case of FIG. 4 (a), the direction in which the magnetic field enters perpendicular to the paper ( (B) shows a case in which the magnetic field is perpendicular to the paper (⊙). In case of FIG. 4 (a), the charged particles (ions) are oriented. , The force is perpendicular to each of the magnetic field and the direction Direction, the force is perpendicular to each of the directions It is bent in a direction because it is subjected to a force in the direction, and also in the case of Figure 4 (b), that is, the charged particles (ions) even in the direction of the magnetic field perpendicular to the paper Direction, the force is also perpendicular to the magnetic field and the ion Will receive force in the direction. However, in the case of FIGS. 4A and 4B, the directions of the forces acting in opposite directions are different from each other.

그러므로 상부에 있는 일차이온 방향 조절용 전자석(13)과 하부에 있는 1차 이온 방향 조절용 전자식(14)에 자기장을 서로 반대되는 방향으로 걸어주면, 예컨대 상부 전자석(13)은 종이에 대해 수직으로 들어가는 방향으로, 전하를 띤 입자는방향으로 움직일 경우, 각각에 대하여 수직인 방향으로 힘을 받으므로 자기장 내부에서 원운동을 하며 a방향을 따라 휘게 된다.Therefore, if the magnetic field is applied to the primary ion direction adjusting electromagnet 13 on the upper side and the primary ion direction adjusting electromagnet 14 on the lower side in opposite directions, for example, the upper electromagnet 13 enters perpendicular to the paper. The charged particles In the case of movement in the direction, the force is applied in a direction perpendicular to each other, so that it is circular in the magnetic field and bent along the a direction.

다시 하부 전자석(14)에 상부 전자석(13)와 반대방향의 자기장, 즉 종이에 대하여 수직으로 나오는 방향으로 자기장을 걸어주어 전하를 띤 입자가 동일하게방향으로 움직일 경우, 힘의 방향도 반대가 되어 원래의 위치로 가면서 방향이 a'으로 꺽어지게 된다.The magnetic field in the opposite direction to the upper electromagnet 13, i.e., perpendicular to the paper, is applied to the lower electromagnet 14 so that the charged particles are the same. When moving in the direction, the direction of the force is reversed and the direction is bent to a 'as it returns to its original position.

이때 상기 전자석에 있어서 상·하부 전자식의 자기장 방향을 이와 반대로 설정해주어도 동일한 원리에 의해 b에 b'으로 꺽어지게 된다(제2도 참조).At this time, even if the magnetic field directions of the upper and lower electromagnetic types in the electromagnet are set to the opposite direction, the magnetic field is bent to b 'by b in the same principle (see FIG. 2).

이때 상술한 바와 같은 전자기 방식(Magnetic Sector) SIMS는 이차이온 가속전압 때문에 시료가 2차 이온빔 진행방향에 수직으로 유지되어야 하므로 시료를 기울여서 입사이온 각도를 조절할 수는 없으며 단, 시료에 입사하는 1차 이온 입사각은 입사빔 자체로만 변화가 가능하다.At this time, the electromagnetic SIMS as described above, because the sample must be maintained perpendicular to the secondary ion beam traveling direction because of the secondary ion acceleration voltage, it is not possible to adjust the incident ion angle by tilting the sample. The ion incident angle can only be changed by the incident beam itself.

그러나, 본 발명에 의한 SIMS는 자기장을 걸지 않으시에는 원래의 각도를 유지하는 것이 가능하게 되고, 자기장을 걸어줄 경우에는 이온빔 입사각을 변화시킬 수 있게 된다.However, the SIMS according to the present invention can maintain the original angle when the magnetic field is not applied, and can change the incident angle of the ion beam when the magnetic field is applied.

한편, 두개의 전자기석에 의해 입사빔 방향이 조절된 1차 이온빔(1)이 입사된후 시료표면(11)에서는 스퍼터링(Sputtering) 현상이 일어나 2차 이온이 발생하게 되며, 이때 시료에서 발생하는 2차 이온을 가속하기 위해서 시료(11)와 2차 이온 추출부(10) 사이에 4.5kV의 가속전압을 걸어준다.Meanwhile, after the primary ion beam 1 whose incident beam direction is controlled by the two electromagnets is incident, a sputtering phenomenon occurs on the sample surface 11 to generate secondary ions. In order to accelerate the secondary ions, an acceleration voltage of 4.5 kV is applied between the sample 11 and the secondary ion extracting unit 10.

상기 전압으로 가속된 2차 이온은 다이나믹 트랜스퍼(24), 드랜스 옵티칼 시스템(25), 그리고 입사슬릿(26)을 지나 정전기분해기(27)로 들어가서 에너지별 분해가 된다.The secondary ions accelerated to the voltage pass through the dynamic transfer 24, the dense optical system 25, and the incident slit 26 to enter the electrolytic decomposer 27 to be decomposed by energy.

계속해서 에너지 슬릿(28)과 스팩트로 미터 렌즈(29)를 지나 전자석 분해기(자기 질량분석기)(30)에서 질량분해된 후 슬릿(31)과 프로젝션 렌즈(32)를 지난다.Subsequently, it passes through the energy slit 28 and the spectrometer lens 29, and is mass-resolved in an electromagnetizer (magnetic mass spectrometer) 30, and then passes through the slit 31 and the projection lens 32.

상기 프로젝션 렌즈를 통과한 2차 이온은 정전기분석기(33)에 의해 채널 플레이트(36), 플로레슨트 스크린(37)쪽으로 나가 2차 이온상을 보여주거나 또는 전자 증배관(34)이나 페러데이컵(35)으로 나가 이온갯수(이온 전류량)가 검출기에 기록된다.The secondary ions passing through the projection lens exit the channel plate 36 and the florescence screen 37 by the electrostatic analyzer 33 to show the secondary ion image, or the electron multiplier 34 or Faraday cup ( Go to 35) and the number of ions (ion current amount) is recorded in the detector.

한편, 제5(a)도 및 제5(b)도는 불순물 이온 주입시료의 깊이에 따른 상대적인 이온농도 분포를 나타내는 특성도로서, 제5(a)도는 시료표면 분석영역에 톱니모양의 골이 형성된 경우를, 제5(b)도는 이에따른 종래의 이온 농도분포(실선)와 본 발명에 의한 이온 농도분포(점선)을 함께 도시해 놓은 것이다.5 (a) and 5 (b) are characteristic charts showing relative ion concentration distributions according to the depth of impurity ion implantation samples, and FIG. 5 (a) is a jagged bone formed in the sample surface analysis region. 5 (b) shows the conventional ion concentration distribution (solid line) and the ion concentration distribution (dashed line) according to the present invention.

상기 도면에서 알 수 있듯이 종래 기술의 방법으로 불순물 이온 주입시료를 깊이 분석할 경우, 예컨대 시료의 각도가 60℃로 고정된 경우에는 제5(a)도와 같이 분석영역에 톱니모양의 골이 생겨 이온빔 농도가 제5(b)도와 같이 A점을 기준으로 변화하게 된다. 이는 시료가 깍임에 따라 생긴 톱니모양의 골에서 입사 1차 이온과 골을 형성한 부위의 각도가 직각에 가까워짐에 따라 2차 이온 발생수가 증가하기 때문에 나타난 현상이다. 즉, 상기 분석영역의 마루부분에 60℃로 1차 이온빔을 시료에 입사시켰을 경우, 박막(시료)의 계면과 입사빔이 만나는 각도가 박막의 접선성분을 기준으로 고려할 때 직각에 가깝게 되어 그래프(1)의 영역과 같은 형태의 곡선을 형성하게 되고, 동일한 각도로 골에 입사시켰을 경우, 입사빔과 박막의 계면이 이루는 각도가 박막의 계면 즉, 시료에 거의 수평하게 되어 2차 이온의 개수가 많아지게 되므로 A-B 구간(2)인 영역과 같은 형태의 곡선을 형성하게 된다. 이와 같은 톱니모양이 반복 배열되므로 제5(b)도의 불균일면이 반복되어 나타나므로 분석 정밀성을 높힐 수 없게 된다.As can be seen from the figure, when the impurity ion implantation sample is deeply analyzed by the method of the prior art, for example, when the angle of the sample is fixed at 60 ° C., sawtooth-shaped bone is formed in the analysis region as shown in FIG. The concentration is changed based on the point A as shown in FIG. 5 (b). This phenomenon occurs because the number of secondary ions generated increases as the angle between the incident primary ions and the site where the bone is formed is closer to the right angle in the sawtooth-shaped bone generated by the cutting of the sample. That is, when the primary ion beam is incident on the floor of the analysis region at 60 ° C. in the sample, the angle between the interface of the thin film (sample) and the incident beam is close to the right angle when considering the tangent component of the thin film. When a curve having the same shape as the region of 1) is formed and the bone is incident at the same angle, the angle formed between the incident beam and the thin film interface is substantially horizontal to the thin film interface, that is, the sample, so that the number of secondary ions is increased. Since the number is increased, a curve having the same shape as that of the AB section 2 is formed. Since the sawtooth is arranged repeatedly, the nonuniform surface of FIG. 5 (b) is repeatedly displayed, and thus the analysis precision cannot be improved.

이에대해, 본 발명을 적용한 장치로 분석하게 되면 골이 형성되지 않으므로 90℃로 입사시키는 경우 박막(시료)계면과 입사빔이 형성되는 각이 박막의 계면 즉, 시료에 거의 수평하게 되어 2차 이온의 갯수가 많아지므로 종래 (1),(2)와 같은 2차 이온 발생량의 차이가 생기지 않고 (1)구간에서도 (2)구간의 형태로써 이온 농도가 관측되므로(점선의 형태) 농도분포의 변화가 없고 검출농도도 종래에 비해 상대적으로 높게되므로 각 깊이에 따른 성분의 농도분포 분석이 용이하게 된다.On the other hand, the analysis using the apparatus to which the present invention is applied does not result in the formation of bones. Therefore, when incident at 90 ° C., the angle at which the thin film (sample) interface and the incident beam are formed is almost horizontal to the interface of the thin film, that is, the sample. Since the number of s increases, the concentration of secondary ions does not occur as in (1) and (2), and the ion concentration is observed in the form of section (2) even in section (1) (dotted form). There is no detection concentration is relatively high compared to the prior art, it is easy to analyze the concentration distribution of the components according to each depth.

Claims (7)

1차 이온 발생부, 1차 이온 필터, 1차 이온빔 조절부, 2차 이온 발생부, 분광계, 검출계를 포함하는 이차 이온 질량분석기에 있어서, 상기 1차 이온빔 조절부 내에 제1 및 제2전자식으로 구성된 1차 이온 입사 방향 조정 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 2차 이온 질량분석기.In a secondary ion mass spectrometer including a primary ion generator, a primary ion filter, a primary ion beam controller, a secondary ion generator, a spectrometer, and a detector, a first and a second electronic type in the primary ion beam controller Secondary ion mass spectrometer, characterized in that the primary ion incident direction adjusting means composed of. 제1항에 있어서, 제1 및 제2전자식으로 구성된 상기 1차 이온 입사 방향 조정수단은 시료 바로 앞에 있는 집속용 렌즈 앞에 부착하는 것을 특징으로 하는 2차 이온 질량분석기.The secondary ion mass spectrometer of claim 1, wherein the primary ion incident direction adjusting means composed of the first and second electrons is attached in front of the focusing lens in front of the sample. 이온 발생기로부터 만들어져 가속된 1차 이온의 경로를 제한하는 제1 및 제2빔 경로 제한기, 상기 제1 및 제2빔 경로 제한기 하단에 각각 형성되어 이온빔중 빔경로 제한기의 중심으로 통과한 빔만 집속시키는 제1 및 제2전자기렌즈, 빔차단 슬릿 렌즈를 지나 집속된 빔의 찌그러짐을 바로 잡는 스티그메이터, 상기 스티그메이터를 거친 빔을 스캐닝하는 이중디플렉터, 이온빔 전류를 재기 위한 페러데이컴, 상기 이중디플렉터에 의해 스캐닝된 빔의 입사빔 방향을 조절하는 제1 및 제2전자석, 및 상기 제1 및 제2전자석 다음에 형성되어 입사빔을 시료에 집속시키기 위한 제3전자기렌즈로 구성됨을 특징으로 하는 2차 이온 질량분석기의 1차 이온비 조절장치.First and second beam path restrictors, which are formed from an ion generator and restrict the paths of the accelerated primary ions, are formed at the bottom of the first and second beam path limiters, respectively, and pass through the center of the beam path limiter in the ion beam. First and second electromagnetic lenses focusing only the beam, a stirrer for correcting the distortion of the focused beam past the beam-blocking slit lens, a double deflector for scanning the beam passing through the stigmat, a Faradaycom for measuring the ion beam current, And first and second electromagnets for adjusting the incident beam direction of the beam scanned by the double deflector, and third electromagnet lenses formed after the first and second electromagnets to focus the incident beam on a sample. Primary ion ratio controller of secondary ion mass spectrometer. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2전자석은 자기장을 걸어주지 않을 때 원래의 입사각으로 1차 이온의 입사될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 2차 이온 질량분석기의 1차 이온빔 조절장치.4. The apparatus of claim 3, wherein the first and second electromagnets are configured to be incident of primary ions at their original angle of incidence without applying a magnetic field. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2전자석은 자기장 방향을 변화시킴으로서 자기장을 걸어주지 않을때보다 시료표면에 대한 입사각을 크게 만들거나 작게 만들어 줄 수 있는 것을 특징으로 하는 2차 이온 질량분석기의 1차 이온빔 조절장치.The secondary ion mass spectrometer of claim 3, wherein the first and second electromagnets can make the incident angle to the sample surface larger or smaller than when the magnetic field is not applied by changing the direction of the magnetic field. Primary ion beam control device. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2전자석은 자기장의 크기를 변화시킴으로써 입사각 크기변화를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 2차 이온 질량분석기의 1차 이온빔 조절장치.The apparatus of claim 3, wherein the first and second electromagnets can adjust an incident angle size change by changing a magnitude of a magnetic field. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2전자석은 방향이 달라진 입사빔을 접속용 렌즈의 일정위치에 집중시키기 위해서 서로 반배방향의 자기장을 걸어준 뒤 전자석의 자기장 크기를 간격에 맞도록 조절하는 것을 특징으로 하는 2차 이온 질량분석기의 1차 이온빔 조절장치.The method of claim 3, wherein the first and second electromagnets adjust magnetic field sizes of the electromagnets according to intervals by applying magnetic fields in a half-fold direction to focus the incident beams having different directions at a predetermined position of the connection lens. Primary ion beam control device of a secondary ion mass spectrometer, characterized in that.
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