SU1755333A1

SU1755333A1 - Масс-спектрометр с одновременным анализом отрицательных и положительных ионов

Info

Publication number: SU1755333A1
Application number: SU904799418A
Authority: SU
Inventors: Николай Витальевич Коненков; Александр Борисович Толстогузов
Original assignee: Научно-исследовательский технологический институт
Priority date: 1990-03-07
Filing date: 1990-03-07
Publication date: 1992-08-15

Abstract

Использование: относитс к аналитическому приборостроению и может быть применено при анализе твердых тел с высокой чувствительностью и разрешающей способностью методом вторично-ионной масс- спектрометрии. Сущность изобретени 1 спектрометр содержит ионную пушку 1, квадрупольный энергетический фильтр 2 вторичных ионов, образец 3, входные линзы 4, диафрагмы 5, квадрупольные фильтры 6 масс, выходные диафрагмы 7, детектор 8 положительных вторичных ионов, детектор 9 отрицательных вторичных ионов. Вторичные ионы, выбитые из образца под воздействием первичного пучка, в квадрупольном энергетическом фильтре 2 раздел ютс по знаку и направл ютс в противоположно расположенные квадрупольные фильтры 6 масс. 1 ил.

Description

(Л

С

$а

Ги

UR

-ч

СП СЛ СО CJ

со

Изобретение относитс к технике масс- спектрометрии вторичных ионов (МСВИ) и может быть использовано дл элементного анализа поверхности твердых тел, в частности полупроводниковых структур, с высокой информативностью, разрешающей способностью и чувствительностью.

Известно устройство, содержащее ионную пушку, энергетический фильтр вторичных ионов, входную линзу, квадрупольный фильтр масс (КФМ).

Недостатком устройства вл етс недостаточна информативность, обусловленна невозможностью одновременного анализа положительных и отрицательных ионов, а также одновременной визуализации в ионах и электронах зоны анализа в процессе измерений.

Наиболее близким к предлагаемому вл етс масс-спектрометр вторичных ионов, содержащий источник ионов, энергетический фильтр, входную линзу, квадрупольный масс-спектрометр и детектор ионов.

Недостатком известного масс-спектрометра вл етс недостаточна информативность , обусловленна невозможностью одновременного анализа положительных и отрицательных ионов и одновременной визуализации в ионах и электронах исследуемой области в процессе анализа.

Цель изобретени - повышение информативности ,

Указанна цель достигаетс тем, что масс-спектрометр вторичных ионов, содержащий ионную пушку, энергетический фильтр, первую входную линзу, первый квадрупольный фильтр масс и первый детектор ионов, снабжен последовательно расположенными второй входной линзой, вторым квадрупольным фильтром масс и вторым детектором ионов, а энергетический фильтр выполнен в виде квадрупольного конденсатора, размещенного между исследуемым объектом и ионной пушкой, причем перва и втора входные линзы размещены с боковых сторон квадрупольного конденсатора напротив друг друга.

Суть изобретени состоит в использовании геометрических и ионно-оптических свойств квадрупольного конденсатора, позвол ющих осуществить нормальное падение первичного пучка ионога на поверхность мишени (образца), одновременную сепарацию по энерги м вторичного ионного пучка, его пространственное разделение в зависимости от знака вторичного иона и направить пучки положительных и отрицательных ионов на входы квадрупольных масс-спектрометров .

На чертеже схематично показан масс- спетрометр вторичных ионов.

На чертеже обозначено: 1 -ионна пушка; 2 - кэадрупольный энергетический

фильтр вторичных ионов; 3 - образец (мишень ); 4 - входные двухэлементные иммерсионные цилиндрические линзы; 5 - входные диафрагмы квадрупольных фильтров масс; 6 - квадрупольные фильтры масс;

7- выходные диафрагмы; 8-детектор положительных вторичных ионов и система регистрации; 9 - детектор отрицательных ионов и система регистрации.

Выбор конструкции масс-спектрометра

вторичных ионов и его элементов осуществл лс из следующих соображений.

Квадрупольный конденсатор представл ет собой четыре круглых стержн радиуса R, располагаемых таким образом, чтобы радиус RO вписанной между четырьм вершинами электродов окружности составл л 1 , 15 RO. С целью уменьшени его размера электроды конденсатора 2 могут быть выполнены в виде четвертей цилиндров. При подаче на

противоположные электроды конденсатора 2 потенциалов ± Uk в межэлектродном пространстве создаетс электрическое поле с распределением потенциала р в первом приближении вида:

йо-2-у2),

Ко

5

0

5

0

5

гдех, у- координаты оси, проход щие через противоположные вершины электродов.

Анализ показывает, что квадрупольный конденсатор 2 в этом случае может выполн ть роль фильтра по энерги м вторичных ионов, а также обеспечивать пространственное разделение пучка ионов в зависимости от их знака. Максимум пропускани энергетического фильтра 2 соответствует энерги м ионов, равным 0,803 eUk, где е - зар д иона.

Вторичные ионы, вылета из мишени 3, в зависимости от знака зар да иона после прохождени фильтра 2 приближенно отклон ютс на углы ± 90° от первоначального направлени вылета. Это позвол ет расположить два квадрупольных фильтра 6 масс на одной оси дл одновременной регистрации вторичных ионов разного знака.

На фиг.1 схематично показаны траектории ионов 11 и 12 дл случа , когда их энерги равна 0,803 ионы влетают в фильтр 3 по оси падающего первичного пучка 10.

Использование в качестве энергетического фильтра квадрупольного конденсатора позвол ет обеспечить нормальное

падение первичного пучка 10 ионов на образец 3 и осуществить сбор вторичных ионов по нормали к образцу 3, что повышает эффективность и локальность сбора вторичных ионов.

На выходах квадрупольного энергетического фильтра 2 устанавливают иммерси- онные двухэлементные линзы 4 с цилиндрическими электродами 3, обеспечивающие минимум аббераций в режиме ускорени вторичных ионов. Указанные линзы А служат дл фокусировки вторичных ионов на входную диафрагму диаметром 0,5R0, где RO - радиус окружности, вписанной между вершинами электродов КФМ.

После линзы 4 следуют квадруиольные фильтры б масс. На выходах КФМ устанавливаютс выходные диафрагмы 7 диаметром и детекторы 8 и 9 ионов дл детектировани и регистрации положительных ионов и отрицательных ионов.

Таким образом, предлагаемый масс- спектрометр вторичных ионов позвол ет обеспечить одновременный анализ отрицательных и положительных частиц.

Масс-спектрометр может работать в нескольких режимах.

Рассмотрим режим одновременного анализа положительных и отрицательных ионов. Такой режим особенно важен при исследовании образцов неизвестного состава , например при анализе загр знений полупроводниковых пластин. Так как образец в процессе анализа подвергаетс разрушению под действием ионного пучка, то провести одновременные измерени положительных и отрицательных ионов в одной и той же точке в обычных приборах практически невозможно.

В случае одновременного анализа отрицательных и положительных ионов потенциал подложки Un 0. При энергии Ui, соответствующей максимуму распределени вторичных ионов пс энерги м, устанав- ливагот значени потенциалов на электродах энергетического фильтра 2 приближенно равные ,8Ui с учетом того, что за нулевой потенциал выбираетс точка рождени иона. В этом случае через энергетический фильтр 2 пройдет основна масса ионов при типовой полосе пропускани А эВ. Далее вторичные ионы ускор ютс и фо кусируютс на вход КФМ 6, работающих в промежуточной области стабильности траекторий зар женных частиц уравнени Матье, позвол ющей за счет уменьшени времени юстироьки ионов осуществить масс-анализ ионов с высокими

транспортными энерги ми, вплоть до 1300 эВ при разрешающей способности fi . Дл того, чтобы повысить пропускание КФМ с целью снижени вли ни краевых

полей, потенциал Ug квадрупольного фильтра масс устанавливаетс в пределах - 200-- 1000 В при анализе положительных ионов и + 200-1000 В при анализе отрицательных ИОНОР. В этом случае транспортна энерги

иона имеет значение e(Ui+ Ug)1300 эВ и обеспечиваетс разрешающа способность R 1 ft при хорошей эффективности сбора вторичных ионов.

Рассмотрим второй режим работы мзссспектрометра вторичных ионов, когда эффективность сбора и транспортировки вторичных положительных (в случае отрицательных ионов все знаки потенциалов элементов измен ютс на противоположные)

ионов близка к единице. Этот режим необходим при поиске следов элементов на пределе чувствительности прибора. В этом случае потенциал подложки (мишени 3) устанавливаетс в пределах Un 200-1000 В,

потенциал экрана квадрупольного конденсатора 2 Уэ 0, потенциалы электродов энергетического фильтра 2 Uk + 0,8Un.

Из услови , что потенциал точки рождени иона равен Up,выбираем режим питани иммерсионной линзы 4. Потенциал Ug фильтра 6 масс устанавливаетс равным В этом случае практически все ионы вт нуты в энергетический фильтр 2, транспортированы через него и квадрупольный

фильтр 6 масс без потерь при высоких транспортных энерги х e(Un+Ui).

Рассмотрим режим одновременного получени микроизображений участков поверхности в положительных ионах с заданным m/l и во вторичных электронах, возбуждаемых первичным пучком ионов В этом случае масс-спектрометр вторичных ионов работает при потенциалах, соответствующих режиму одновременной регистрации положительных и отрицательных монов, приведенных выше. При этом стержни КФМ, предназначенного дл сепарации отрицательных ионов, заземл ютс . При этом случае через КФМ проход т отрицательные

частицы независимо от величины е/т Так как коэффициент ионно-электронной эмиссии при бомбардировке поверхности твердых тел ионами с энерги ми в диапазоне 1-15 кэВ значительно превосходит коэффициент ионно-ионной эмиссии, то основной вклад в поток вторичных отрицательных ч - стиц дают электроны. При этом система ре- гистрации масс-спектрометра вторичных ионов регистрирует изменение интенсивности сигнала в зависимости места нахождени сканирующего первичного ионного пучка 10 на поверхности микроучастка исследуемого образца 3 с последующим кодированием и запоминанием полученной информации с помощью ЭВМ, т.е. предлагаемый масс-спектрометр обеспечивает одновременное получение двух изображений одного и того же микроучастка.

Изображение во вторичных электронах дает топографию исследуемого участка, так как коэффициент ионно-электронной эмиссии в значительной степени зависит от этого фактора. Изображение, получаемое в положительных ионах, дает картину распределе- ни элемента с заданным т/е по поверхности исследуемого участка, т.е. дает элементный контраст. Совмещение двух микроизображений, осуществл емое с помощью ЭВМ, дает возможность получени полной информации как о рельефе микроучастка , так и о распределении данного элемента , что важно при анализе обьектов с высокой степенью интеграции, например, больших и сверхбольших интегральных микросхем (БИС и СБИС).

Claims

Формула изобретени Масс-спектрометр с одновременным анализом отрицательных и положительных ионов, содержащий источник первичного пучка и два включающих энергетические фильтры канала разделени и регистрации соответственно отрицательных и положительных ионов, отличающийс тем, что, с целью повышени чувствительности и достоверности анализа, энергетические фильтры выполнены в виде квадрупольного конденсатора, одна из осей которого совпадает с ионно-оптической осью источника первичного пучка, при этом каналы разделени и регистрации расположены на одной оси.