JP2001242106A - オージェ電子分光装置およびオージェ電子分光分析法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超高真空雰囲気ではなく、高真空雰囲気でオ
ージェ分析が行えるオージェ電子分光装置を提供するこ
と。 【解決手段】 中央制御装置３７は、分析点を含む所定
領域上でのイオンビーム走査をイオンビーム照射系制御
装置３２に指示する。また、中央制御装置３７は、分析
点のオージェ分析の開始を電子ビーム照射系制御装置１
１および電子分光器制御装置１６に指示する。この結
果、分析点上に堆積する汚染物質がイオンビーム照射に
よって除去されながら、分析点の元素分析が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、表面分析装置で
あるオージェ電子分光装置およびオージェ電子分光分析
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】 オージェ電子分光装置は、試料に電子
線を照射し、その電子線照射により試料から放出される
オージェ電子を電子分光器で検出して試料分析を行うも
のである。

【０００３】このオージェ電子の放出深さは、電子線が
試料内で広がる深さよりも浅いため、オージェ電子分光
装置を用いれば、試料最表面（数ｎｍから数１０ｎｍの
深さ）の元素分析を行うことができる。また、電子銃と
してフィールドエミッション（ＦＥ）電子銃を用いれ
ば、分析領域の大きさを数１０ｎｍ程度と小さくするこ
とができる。

【０００４】このようなオージェ電子分光装置において
は、ガスが試料表面に吸着したり、ガス分子が電子線に
よって重合して試料表面に被膜が形成されたりして、試
料表面に汚染物質が堆積しないように、超高真空雰囲気
中で試料の分析が行われている。

【０００５】一方、試料の元素分析を行う別の装置とし
て電子プローブマイクロアナライザがあり、電子プロー
ブマイクロアナライザは、試料に電子線を照射し、その
電子線照射により試料から放出される特性Ｘ線をＸ線検
出器で検出して試料分析を行うものである。この電子プ
ローブマイクロアナライザは、これまで、半導体集積回
路の製造工程でウエハに混入するゴミの分析に用いられ
てきた。

【０００６】ところで、最近では、ウエハ上に形成され
る配線の微細化に伴なって、半導体集積回路の製造工程
でウエハに混入する１μｍ以下の小さなゴミが問題とな
っている。しかし、上述した電子プローブマイクロアナ
ライザにおいては、検出される特性Ｘ線の放出深さは１
μｍ以上と大きいので、複数の元素が検出された場合、
それらの元素がゴミ中に含まれるものか、それともゴミ
が付着している配線中に含まれるものか判断できず、ゴ
ミの元素分析を正確に行えなかった。

【０００７】そこで、現在、このような１μｍ以下の小
さなゴミでも正確に元素分析が行える装置として、オー
ジェ電子分光装置が電子プローブマイクロアナライザに
代わって注目されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、オー
ジェ電子分光装置においては、たとえば１０^-8Ｐａオー
ダーの超高真空に排気された試料室にウエハを導入する
のに、予備排気室で十分な排気が必要なので、試料室へ
のウエハ導入に時間がかかる。このため、単位時間あた
りに分析できるウエハの数は限られてしまう。

【０００９】また、オージェ電子分光装置においては、
試料室を超高真空とするために、試料室内で使用できる
材料が限定されたり、また、試料室内では潤滑剤の使用
も非常に限定されてしまう。そのため、半導体分析用の
オージェ電子分光装置を製作しようとすると、ウエハを
載せる試料ステージやウエハ搬送システムの製作に高度
な技術が必要であると同時に、非常にコストの高い装置
となってしまう。

【００１０】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
ので、その目的は、超高真空雰囲気ではなく、高真空雰
囲気でオージェ分析が行えるオージェ電子分光装置を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】 この目的を達成する本
発明のオージェ電子分光装置は、試料室に配置された試
料に電子線を照射し、その電子線照射により試料から放
出されるオージェ電子を検出して試料分析を行うように
したオージェ電子分光装置において、前記試料室を高真
空に排気するための排気手段と、前記試料にイオンビー
ムを照射するためのイオンビーム照射手段を備え、試料
上のオージェ分析点に電子線を照射しながらイオンビー
ムを前記分析点に照射して、オージェ分析時に前記分析
点上に堆積する汚染物質をイオンビーム照射によって除
去するようにしたことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】 以下、図面を用いて本発明の実
施の形態について説明する。

【００１３】図１は、本発明のオージェ電子分光装置の
一例を示した図である。

【００１４】まず、図１のオージェ電子分光装置の構成
について説明する。

【００１５】図１において、１は試料室チャンバであ
る。この試料室チャンバ１の内部、すなわち試料室２に
は試料ステージ３が配置されており、試料ステージ３は
ｘ，ｙおよびｚ軸方向に移動可能に構成されている。４
は、試料ステージ３上にセットされたウエハ（試料）で
ある。

【００１６】前記試料室２は、排気装置５によりたとえ
ば１０^-2Ｐａ〜１０^-7Ｐａオーダーの高真空に排気され
ている。

【００１７】前記試料室チャンバ１の上壁には電子ビー
ム照射系６が取り付けられており、電子ビーム照射系６
は、ＦＥ電子銃７と集束レンズ８と偏向器９と対物レン
ズ１０を備えている。これらの電子ビーム照射系６の各
構成要素は、電子ビーム照射系制御装置１１によって制
御されるように構成されている。Ｏ₁は電子ビーム照射
系６の光軸であり、光軸Ｏ₁はｚ軸に平行である。

【００１８】また、試料室チャンバ１の上壁には電子分
光器１２が取り付けられており、電子分光器１２は、イ
ンプットレンズ１３とアナライザ１４と検出器１５から
成っている。これらの電子分光器１２の各構成要素は、
電子分光器制御装置１６によって制御されるように構成
されている。インプットレンズ１２の光軸Ｏ₂は、前記
電子ビーム照射系の光軸Ｏ₁に対してθ₁傾斜していると
共に、点Ｑで光軸Ｏ₁と交わっている。そして、この点
Ｑはインプットレンズ１３のフォーカス点となってい
る。

【００１９】さらに、試料室チャンバ１の上壁にはイオ
ンビーム照射系（イオンビーム照射手段）１７が取り付
けられている。イオンビーム照射系１７の光軸Ｏ₃は、
前記電子ビーム照射系６の光軸Ｏ₁に対してθ₂傾斜して
いると共に、前記点Ｑで光軸Ｏ₁と交わっている。

【００２０】前記イオンビーム照射系１７の構成につい
て説明すると、イオンビーム照射系１７は、上から順
に、ガスイオン銃１８、集束レンズ１９、アパーチャ２
０、対物レンズ２１および偏向器２２を備えている。

【００２１】２３は前記ガスイオン銃１８の真空容器で
あり、ガス貯蔵室２４に貯えられたアルゴンガスはガス
流量調整弁２５を介して真空容器２３に導入される。真
空容器２３内のガス圧力は圧力測定器（図示せず）で測
定されており、この圧力測定器に接続されたガス流量調
整器（図示せず）は、真空容器２３内のガス圧力が所定
圧力に維持されるように前記ガス流量調整弁２５を制御
する。

【００２２】真空容器２３内には、電子を発生させるた
めのフィラメント２６、イオン化室２７、およびイオン
化室２７で生成された陽イオンを引き出すための引出電
極２８が配置されている。

【００２３】前記フィラメント２６は、エミッション電
流量制御部２９に接続されると共に、エミッション電源
３０を介して前記イオン化室２７に接続されている。ま
た、イオン化室２７は、イオン加速電源３１を介して接
地電位に保たれた引出電極２８に接続されている。

【００２４】このようなガスイオン銃１８においては、
エミッション電流量制御部２９によりフィラメント２６
が加熱されると共に、フィラメント２６の電位がイオン
化室２７に対して負の電位となるようにエミッション電
源３０が制御されるので、フィラメント２６で発生した
熱電子はイオン化室２７の方に加速されてイオン化室に
進入する。このため、イオン化室２７のアルゴンガスは
電子の照射を受けてイオン化し、イオンが生成される。

【００２５】そして、イオン化室２７の電位が引出電極
２８に対して正の電位（たとえば数ｋＶ）となるように
イオン加速電源３１が制御されると、イオン化室２７で
生成された陽イオンは引出電極２８の方に加速される。
その後、引出電極２８を通過したイオンビームは集束レ
ンズ１９で集束され、アパーチャ２０を通過したイオン
ビームは対物レンズ２１で集束される。

【００２６】イオンビーム照射系１７の各構成要素は、
イオンビーム照射系制御装置３２によって制御されるよ
うに構成されており、前記集束レンズ１９は、集束レン
ズ電源３３と集束レンズ電源制御部３４を介してイオン
ビーム照射系制御装置３２に接続されている。また、前
記偏向器２２は、偏向器電源３５と偏向器電源制御部３
６を介してイオンビーム照射系制御装置３２に接続され
ている。

【００２７】３７は中央制御装置であり、中央制御装置
３７は、電子ビーム照射系制御装置１１、電子分光器制
御装置１６、イオンビーム照射系制御装置３２および指
示手段３８に接続されている。

【００２８】また、前記試料室チャンバ１は、仕切扉３
９を介して予備排気チャンバ４０に接続されており、こ
の予備排気チャンバ４０の内部、すなわち予備排気室４
１は排気装置４２により排気されるように構成されてい
る。そして、ウエハ搬送システム４３が前記予備排気チ
ャンバ４０に取り付けられている。このウエハ搬送シス
テム４３は、予備排気室４１と試料室２間でウエハを搬
送するためのものである。

【００２９】４４は、試料室２に配置された２次電子検
出器であり、２次電子検出器４４の出力信号は表示装置
４５に送られるように構成されている。

【００３０】以上、図１の装置構成について説明した
が、次にこの装置の動作について説明する。

【００３１】まず、オペレータは、予備排気室４１のウ
エハ搬送システム４３にウエハ４を装着する。その後、
予備排気室４１が排気装置４２により排気される。この
予備排気室４１の排気時間は超高真空装置ほど長くなく
て良く、たとえば超高真空装置では１５分程かかるとこ
ろを、１分程度で良い。

【００３２】そして予備排気が終わると、仕切扉３９が
開けられ、ウエハ４はウエハ搬送システム４３により試
料ステージ３上にセットされる。図１は、そのセットさ
れた状態を示している。

【００３３】このようにして、ウエハ４が試料ステージ
３にセットされると、オペレータは、指示手段３８によ
り２次電子像の取得を指示する。その指示を受けた中央
制御装置３７は、２次電子像の取得を電子ビーム照射系
制御装置１１に指示する。

【００３４】すると、電子ビーム照射系制御装置１１
は、ウエハ４上の所定領域が、細く絞られた電子線で２
次元的に走査されるように、電子ビーム照射系６の各構
成要素を制御する。この電子線走査によりウエハ４から
２次電子が発生し、その２次電子は２次電子検出器４４
により検出される。そして、ウエハ４の前記所定領域の
２次電子像が表示装置４５の画面上に表示される。

【００３５】オペレータは、その２次電子像から分析し
たいオージェ分析点ａを決め、分析点ａが前記画面の中
央に来るように、すなわち分析点ａが装置分析位置であ
る前記点Ｑ上に位置するように、試料ステージ３の位置
を調整する。

【００３６】このようにして、分析点ａが装置の分析位
置に位置したら、オペレータは、指示手段３８により分
析開始を指示する。この指示を受けた中央制御装置３７
は、まず、分析点ａの表面汚染層の除去をイオンビーム
照射系制御装置３２に指示する。

【００３７】すると、イオンビーム照射系制御装置３２
は、イオン銃からイオンビームが射出されるようにガス
イオン銃１８を制御すると共に、イオン銃１８で発生し
たイオンビームがウエハ４上に集束するようにレンズ系
を制御する。さらに、イオンビーム照射系制御装置３２
は偏向器電源制御部３６を制御し、偏向器電源制御部３
６は、イオンビームを、前記分析点ａを含むウエハの所
定領域ｆ上で２次元的に走査させる為の偏向信号を偏向
器電源３５に送る。この結果、細く絞られたイオンビー
ムは、分析点ａを含むウエハの所定領域ｆ上を２次元的
に走査する。

【００３８】このような分析点ａを含む領域へのイオン
ビーム照射により、分析点ａ上に汚染層が形成されてい
ても、その汚染層はイオン衝撃によって除去される。

【００３９】次に、中央制御装置３７は、上述した、分
析点ａを含む所定領域ｆ上でのイオンビーム走査の続行
をイオンビーム照射系制御装置３２に指示する。この結
果、細く絞られたイオンビームは、継続して、分析点ａ
を含む所定領域ｆ上を２次元的に走査する。

【００４０】また、中央制御装置３７は、分析点ａのオ
ージェ分析の開始を電子ビーム照射系制御装置１１およ
び電子分光器制御装置１６に指示する。すると、電子ビ
ーム照射系制御装置１１は、細く絞られた電子線が分析
点ａを照射するように、電子ビーム照射系６の各構成要
素を制御する。この結果、細く絞られた電子線は分析点
ａを照射する。また、電子分光器制御装置１６は、電子
分光器１２に対してオージェ分析を開始させる。この分
析点ａのオージェ分析は所定時間行われ、その分析の
後、電子ビームおよびイオンビームの照射は停止され
る。

【００４１】さて、図２は、分析点ａのまわりのウエハ
表面を示したものである。図２に示すように、分析点ａ
は、配線上に付着した１μｍ以下のゴミｂの中心に決め
られており、直径１０〜２０ｎｍ程度の電子線が分析点
ａを照射している。また、直径５０μｍ程度のイオンビ
ームが、前記所定領域ｆ上を２次元的に走査している。

【００４２】ところで、図２に示した場合と異なって、
オージェ分析時に分析点ａにイオンビームが照射されな
いと、試料室２は超高真空に排気されていないので、分
析点ａ上に短時間で汚染物質が堆積する。その結果、ゴ
ミｂの元素分析が行えなくなる。

【００４３】しかし、図１の装置においては、その汚染
物質の堆積を除去するのに十分であって、ウエハや配線
やゴミをほとんどエッチングしない電流密度のイオンビ
ームが、オージェ分析時に分析点ａに照射されているの
で、汚染物質を除去しながらゴミｂの元素分析を行うこ
とができる。

【００４４】なお、上述した、汚染物質の堆積を除去す
るのに必要なイオンビーム電流密度は、その装置におい
て予め実験により求められており、その電流密度情報は
前記イオンビーム照射系制御装置３２に記憶されてい
る。そして、イオンビーム照射系制御装置３２は、その
電流密度情報に基づいて集束レンズ電源制御部３４を制
御し、集束レンズ電源制御部３４は、その電流密度が得
られるように集束レンズ電源３３を制御する。

【００４５】また、図１の装置においては、オージェ分
析中に、数１００ｋｅＶから数ｋｅＶ程度のイオンビー
ムが分析点ａを含む領域ｆに照射されるが、このような
エネルギーのイオンビームを試料に照射しても、オージ
ェ電子はほとんど試料から発生しない。このため、図１
の装置において電子分光器１２で検出されるオージェ電
子は、分析点ａへの電子線照射によって発生したもので
あり、図１の装置においては、試料にイオンビームを照
射しながらオージェ分析を行っても、分析点の元素分析
を正確に行うことができる。

【００４６】以上、図１の装置について説明したが、こ
の装置においては、試料室を超高真空状態にしなくても
オージェ分析が正確に行える。そして、図１の装置にお
いては、試料室を高真空状態に保てばよいので、予備排
気時間は従来よりもかなり短くなって、試料室へのウエ
ハ導入時間は従来よりもかなり短縮される。この結果、
単位時間あたりに従来よりも多くのウエハを分析でき
る。

【００４７】また、図１のオージェ電子分光装置におい
ては、試料室を超高真空としなくてすむので、試料室内
で使用する材料や、試料室での潤滑剤の使用などは従来
のオージェ電子分光装置のように限定されない。このた
め、従来よりも容易かつ安く装置を製作することができ
る。

【００４８】なお、本発明は上記例に限定されるもので
はない。

【００４９】たとえば、上記例では、数１００ｋｅＶか
ら数ｋｅＶのイオンビームが試料に照射されるが、それ
よりも小さいエネルギーのイオンビームを試料に対して
照射するようにしても良い。

【００５０】また、上記例では、オージェ分析時にイオ
ンビームが試料上で２次元的に走査されるが、イオンビ
ームを走査させずに、分析点を含む領域にイオンビーム
を固定して照射するようにしても良い。

【００５１】また、図１の装置において、試料エッチン
グのために試料にイオンビームを照射するようにしても
良い。その場合、試料エッチングを行いながら深さ方向
のオージェ分析を行う時には、イオンビーム照射によっ
てオージェ電子が発生しないようなエネルギーのイオン
ビームを試料に照射し、かつ、上述した汚染物質の除去
時の電流密度より大きい電流密度のイオンビームを試料
に照射するようにすれば良い。一方、単に試料エッチン
グを行う場合には、試料がエッチングされやすいよう
に、さらにエネルギーの高いイオンビームを試料に照射
するようにすれば良い。

【００５２】また、光学顕微鏡を用いて試料像を得、そ
の光学顕微鏡像を用いて分析点を決めるようにしても良
い。

【００５３】また、電子分光装置として、ＣＭＡ（円筒
鏡型アナライザ）を用いるようにしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のオージェ電子分光装置の一例を示し
た図である。

【図２】 図１の装置におけるオージェ分析を説明する
ために示した図である。

【符号の説明】

１…試料室チャンバ、２…試料室、３…試料ステージ、
４…ウエハ、５…排気装置、６…電子ビーム照射系、７
…電子銃、８…集束レンズ、９…偏向器、１０…対物レ
ンズ、１１…電子ビーム照射系制御装置、１２…電子分
光器、１３…インプットレンズ、１４…アナライザ、１
５…検出器、１６…電子分光器制御装置、１７…イオン
ビーム照射系、１８…ガスイオン銃、１９…集束レン
ズ、２０…アパーチャ、２１…対物レンズ、２２…偏向
器、２３…真空容器、２４…ガス貯蔵室、２５…ガス流
量調整弁、２６…フィラメント、２７…イオン化室、２
８…引出電極、２９…エミッション電流量制御部、３０
…エミッション電源、３１…イオン加速電源、３２…イ
オンビーム照射系制御装置、３３…集束レンズ電源、３
４…集束レンズ電源制御部、３５…偏向器電源、３６…
偏向器電源制御部、３７…中央制御装置、３８…指示手
段、３９…仕切扉、４０…予備排気チャンバ、４１…予
備排気室、４２…排気装置、４３…ウエハ搬送システ
ム、４４…２次電子検出器、４５…表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G001 AA03 AA05 AA09 BA07 BA09 CA03 EA04 FA06 GA06 GA09 GA11 HA09 HA13 JA11 JA14 KA01 LA11 PA01 PA07 RA04 RA05 RA20 4M106 AA01 AA10 BA02 CA41 CB21 DH01 DH33 DJ20 DJ21 5C033 RR01 RR03 RR08 5C034 AA02 AA04 AA09 AB02 AB04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料室に配置された試料に電子線を照射
   し、その電子線照射により試料から放出されるオージェ
   電子を検出して試料分析を行うようにしたオージェ電子
   分光装置において、前記試料室を高真空に排気するため
   の排気手段と、前記試料にイオンビームを照射するため
   のイオンビーム照射手段を備え、試料上のオージェ分析
   点に電子線を照射しながらイオンビームを前記分析点に
   照射して、オージェ分析時に前記分析点上に堆積する汚
   染物質をイオンビーム照射によって除去するようにした
   ことを特徴とするオージェ電子分光装置。
2. 【請求項２】 前記汚染物質を除去するのに必要なイオ
   ンビーム電流密度の情報を記憶する記憶手段と、その記
   憶された情報に基づいて前記イオンビーム照射手段を制
   御する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のオ
   ージェ電子分光装置。
3. 【請求項３】 前記イオンビーム照射手段は、オージェ
   分析時と試料エッチング時で、試料へのイオンビーム照
   射条件を変えるように構成されていることを特徴とする
   請求項１記載のオージェ電子分光装置。
4. 【請求項４】 前記試料室は、１０^-2Ｐａ〜１０^-7Ｐａ
   オーダーの高真空に排気されることを特徴とする請求項
   １から３の何れかに記載のオージェ電子分光装置。
5. 【請求項５】 試料室を高真空に排気するための排気手
   段と、前記試料室に配置される試料にイオンビームを照
   射するためのイオンビーム照射手段を備えたオージェ電
   子分光装置を用意し、試料上のオージェ分析点に電子線
   を照射しながらイオンビームを前記分析点に照射して、
   オージェ分析時に前記分析点上に堆積する汚染物質をイ
   オンビーム照射によって除去するようにしたことを特徴
   とするオージェ電子分光分析法。