JPH08287864A - Mass analysis device and method of analysis - Google Patents

Abstract

PURPOSE: To provide depth mass analysis at excellent resolution at a high sensitivity and in a short time by controlling scan speed of an ion beam on a sample surface corresponding to action of a light source of a light beam. CONSTITUTION: An ion beam 2 from an ion source 1 is supplied through an ion beam pulse mechanism comprising an electrostatic deflection plate 4 and an aperture 5 to be pulses to be radiated through a scan mechanism 9 provided with two sets of electrostatic deflection plates 8 facing each other and a lens 10 to a sample 11 to scan it. A laser beam from a laser 13 is then radiated to neutral particles 12 generated from the sample surface for light excitation. The neutral particles 12 are thus ionized to be detected by a mass analyzer 15. In this mass analysis device, a scan power source 7 of the ion beam scan mechanism 9 is set in such a way that its frequency is changeable at a high speed, and it is controlled corresponding to action of the laser 13 for pulse radiation. Pulsation of the ion beam 2 is controlled through a computer 16 corresponding to a scan range of it.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、質量分析装置及び質量
分析方法、特にパルス状のイオンビームを試料に照射し
て、試料から放出される中性粒子にレーザビームを照射
して発生した光励起イオンを検出することによって、試
料を分析するレーザイオン化中性粒子質量分析装置およ
び分析方法に係り、検出感度の向上、分析時間の短縮、
及び深さ分解能の向上に好適な質量分析装置並びに質量
分析方法、及びこれを応用した半導体素子の製造方法に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mass spectroscope and a mass spectrometric method, and more particularly to photoexcitation generated by irradiating a sample with a pulsed ion beam and irradiating a neutral particle emitted from the sample with a laser beam. The present invention relates to a laser ionization neutral particle mass spectrometer and an analysis method for analyzing a sample by detecting ions, which improves detection sensitivity and shortens analysis time.
The present invention also relates to a mass spectrometer and a mass spectrometry method suitable for improving depth resolution, and a semiconductor element manufacturing method to which the same is applied.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来イオンビームを試料に照射して試料
から放出される二次イオンを検出する二次イオン質量分
析法は固体の表面分析において、最も高感度な分析法と
して広く用いられてきた。しかしながら分析対象の半導
体デバイスの高密度化や高性能化により、更に高感度な
分析法が求められている。この要求を満たすことができ
る有力な候補として、イオンビーム照射によって試料か
ら放出される中性粒子にレーザビームを照射してイオン
を発生させてこれを検出するレーザイオン化中性粒子質
量分析法が期待されている。レーザイオン化中性粒子質
量分析法が従来の二次イオン質量分析法に比較して高感
度な分析が期待できるのは次の理由による。すなわち二
次イオンの発生確立が多くとも１％程度であるのに対し
て、９９％以上は中性粒子でありこれを効率良くイオン
化できれば、大幅な感度向上が期待できるのである。現
在では、レーザビーム照射によるイオン化率をほぼ１０
０％にできることがわかってる。2. Description of the Related Art Conventionally, a secondary ion mass spectrometric method for irradiating a sample with an ion beam and detecting secondary ions emitted from the sample has been widely used as the most sensitive analytical method in the surface analysis of solids. . However, due to the higher density and higher performance of the semiconductor device to be analyzed, a more sensitive analysis method is required. As a promising candidate that can meet this requirement, laser ionization neutral particle mass spectrometry is expected, in which neutral particles emitted from a sample by ion beam irradiation are irradiated with a laser beam to generate ions and detect the ions. Has been done. The reason why the laser ionization neutral particle mass spectrometry can expect highly sensitive analysis compared with the conventional secondary ion mass spectrometry is as follows. That is, the probability of secondary ion generation is about 1% at most, whereas 99% or more are neutral particles, and if these can be efficiently ionized, a significant improvement in sensitivity can be expected. Currently, the ionization rate by laser beam irradiation is about 10
I know it can be 0%.

【０００３】ところで、従来ではレーザイオン化中性粒
子質量分析法で、深さ方向に分析する場合には、イオン
ビームは静電偏向器などで偏向され試料上を二次元に走
査されている。このような従来のレーザイオン化中性粒
子質量分析装置の例としては、特開平６−１１９９０５
号公報に記載のレーザイオン化中性粒子質量分析装置が
ある。従来の装置の原理について図２を用いて説明す
る。まず一次イオン源１からイオンビーム２が引き出さ
れ、一組の静電偏向板４およびアパーチャ５で構成され
るイオンビームパルス化機構６、互いに直交するする二
組の静電偏向板８で構成されるイオンビーム走査機構９
およびイオンビームレンズ１０を通して試料１１に照射
される。そして試料１１から放出された中性粒子１２に
レーザビーム１４を照射することによってイオン化して
質量分析計１５によって検出する。一般に、深さ方向分
析をする場合には、イオンビーム２を、図３に示すよう
な鋸歯状波電圧を二組の静電偏向板８に印加することに
よって試料上を走査させる。その結果試料上には図４に
示すようなクレータ１９が形成される。また一般にイオ
ンビーム２には強度分布が存在する。図９にはイオンビ
ーム断面の強度分布の一例を示す。図４に示したクレー
タ１９の側壁部は図９の強度分布に比例した形になる。
すなわち、側壁はイオンビーム２の照射方向に対してゆ
るやかな傾きを持った面になる。したがってクレータ１
９の側壁部から発生する信号には、表面から浅い位置か
ら深い位置までの信号が混在することになる。このため
深さ分解能のよい分析を行なうには、クレータ１９の底
の平坦部分のみから得られた信号を検出する必要があ
る。By the way, conventionally, in the case of performing analysis in the depth direction by laser ionization neutral particle mass spectrometry, the ion beam is deflected by an electrostatic deflector or the like to scan the sample two-dimensionally. An example of such a conventional laser ionization neutral particle mass spectrometer is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-119905.
There is a laser ionization neutral particle mass spectrometer described in the publication. The principle of the conventional device will be described with reference to FIG. First, an ion beam 2 is extracted from a primary ion source 1, and is composed of an ion beam pulsing mechanism 6 composed of a set of electrostatic deflection plates 4 and an aperture 5, and two sets of electrostatic deflection plates 8 orthogonal to each other. Ion beam scanning mechanism 9
And the sample 11 is irradiated through the ion beam lens 10. Then, the neutral particles 12 emitted from the sample 11 are ionized by irradiating them with the laser beam 14 and detected by the mass spectrometer 15. Generally, in the case of depth direction analysis, the sample is scanned by applying the sawtooth wave voltage as shown in FIG. 3 to the electrostatic deflection plates 8 of two sets as shown in FIG. As a result, a crater 19 as shown in FIG. 4 is formed on the sample. Generally, the ion beam 2 has an intensity distribution. FIG. 9 shows an example of the intensity distribution in the cross section of the ion beam. The side wall of the crater 19 shown in FIG. 4 has a shape proportional to the intensity distribution of FIG.
That is, the side wall is a surface having a gentle inclination with respect to the irradiation direction of the ion beam 2. Therefore crater 1
The signals generated from the side wall portion 9 include signals from a shallow position to a deep position from the surface. Therefore, in order to perform an analysis with good depth resolution, it is necessary to detect a signal obtained only from the flat portion of the bottom of the crater 19.

【０００４】またイオンビームを照射して、上記のクレ
ータを形成させるような加工技術においては、従来で
は、特開昭６０−１３６３１５号公報に示されるように
試料材質の違いによるスパッタ率の差などの理由により
加工しにくい個所に対しては、より多く加工されるよう
に、イオンビーム電流や加速電圧、繰り返し走査回数、
走査速度を照射場所に応じて変化させて照射することが
行われていた。Further, in the processing technique for forming the above-mentioned crater by irradiating with an ion beam, conventionally, as shown in JP-A-60-136315, there is a difference in sputtering rate due to a difference in sample material. For areas that are difficult to process for reasons such as, the ion beam current, acceleration voltage, number of repeated scans,
Irradiation was performed by changing the scanning speed according to the irradiation location.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】レーザイオン化中性粒
子質量分析法において、レーザビーム照射によるイオン
化率を高めるためには、高出力のレーザ装置が必要であ
るが、１００％近いイオン化効率を得るためには、パル
スレーザ装置を用いることが、現状では必須となってな
っている。しかし、パルスレーザ装置の性能上、レーザ
ビーム照射の繰返し数はせいぜい１００Ｈｚから１ｋＨ
ｚに限られており、従来の装置では、この限られたパル
スレーザビーム照射の繰り返しを有効活用するという点
で十分には考慮されていなかった。すなわち、既に述べ
たように深さ分析をする場合には、イオンビームを走査
してできたクレータの平坦部分のみから得られた信号を
検出する。つまりイオンビームがクレータの側壁を照射
しているときにレーザビームを照射しても、得られた信
号は捨てることになる。一般に平坦部と側壁の影響ので
る部分との面積的な割合は平坦部が１に対して、側壁部
は９程度である。したがってパルスイオンビームとレー
ザビーム照射を走査領域全域で同じ周期で照射すると９
割のレーザビーム照射が無駄になることになる。この結
果、従来のレーザイオン化中性粒子質量分析装置および
分析方法ではイオンビームを走査して深さ方向分析する
場合、レーザビーム照射が有効利用されず、検出感度が
低下したり、分析時間が長くなるといった問題が生じ
る。In laser ionization neutral particle mass spectrometry, a high-power laser device is required to increase the ionization rate by laser beam irradiation, but in order to obtain an ionization efficiency close to 100%. At present, it is essential to use a pulse laser device. However, due to the performance of the pulse laser device, the repetition rate of laser beam irradiation is at most 100 Hz to 1 kHz.
However, the conventional apparatus has not sufficiently considered the limited repetition of pulsed laser beam irradiation. That is, when the depth analysis is performed as described above, the signal obtained from only the flat portion of the crater formed by scanning the ion beam is detected. That is, even if the laser beam is irradiated while the ion beam is irradiating the sidewall of the crater, the obtained signal is discarded. Generally, the area ratio between the flat portion and the portion affected by the side wall is about 1 for the flat portion and about 9 for the side wall portion. Therefore, if the pulsed ion beam and the laser beam are irradiated at the same cycle over the entire scanning region,
Irradiation of a laser beam is wasted. As a result, in the conventional laser ionization neutral particle mass spectrometer and analysis method, when the ion beam is scanned and the depth direction analysis is performed, the laser beam irradiation is not effectively used, the detection sensitivity is lowered, and the analysis time is long. The problem arises that

【０００６】本発明の目的は、検出感度が高く、分析時
間が短かく、かつ深さ分解能が良い深さ分析が可能な質
量分析装置及び質量分析方法、特にレーザイオン化中性
粒子質量分析装置および分析方法を提供することにあ
る。An object of the present invention is to provide a mass spectrometer and a mass spectrometry method capable of performing depth analysis with high detection sensitivity, short analysis time, and good depth resolution, particularly a laser ionization neutral particle mass spectrometer. To provide an analysis method.

【０００７】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、試料の分析又は検査すべき表面にイオンビームを走
査しながら照射するイオンビーム照射手段と、この試料
表面とイオンビーム照射手段のイオンビーム出射部分と
の間の空間に試料表面に略平行な光ビームを間歇的に照
射する光照射手段と、この空間のイオンを質量電荷比毎
に分離して（質量分離して）検出する質量分析手段とで
構成される質量分析装置及びこれを用いた質量分析方法
において、試料表面に照射されるイオンビームの走査速
度を光ビームの照射に対応して変化させ、又は光ビーム
をイオンビームの試料表面上での走査位置に対応して照
射する。試料の分析又は検査すべき表面の質量分析は、
この表面の全域又は局所的な領域に対して行なうが、い
ずれの場合もこれらの（質量分析の対象である）領域に
イオンビームを走査しながら照射する。本発明では、こ
れらのイオンビームが照射される領域をイオンビームの
走査位置により、周辺部分（イオンビーム走査領域と非
走査領域との境界に沿った部分）と中央部分（周辺部分
に包囲された部分）とに分け、イオンビームが走査され
る部分に応じてイオンビームの走査速度又は光ビーム照
射のタイミングを調整する。In order to solve the above-mentioned problems, an ion beam irradiation means for irradiating a surface of a sample to be analyzed or inspected with an ion beam while scanning, and the sample surface and the ions of the ion beam irradiation means Light irradiation means for intermittently irradiating a space between the beam emitting portion and a light beam substantially parallel to the sample surface, and a mass for detecting (separating by mass) ions in this space by mass-to-charge ratio In a mass spectroscope comprising an analyzing means and a mass spectrometric method using the same, the scanning speed of the ion beam with which the sample surface is irradiated is changed according to the irradiation of the light beam, or Irradiate according to the scanning position on the sample surface. Analysis of the sample or mass spectrometry of the surface to be inspected
The whole area or a local area of this surface is processed, but in any case, these areas (which are targets of mass analysis) are irradiated while being scanned with an ion beam. In the present invention, the region irradiated with these ion beams is surrounded by the peripheral portion (the portion along the boundary between the ion beam scanning region and the non-scanning region) and the central portion (peripheral portion) depending on the scanning position of the ion beam. The scanning speed of the ion beam or the timing of irradiating the light beam is adjusted according to the portion where the ion beam is scanned.

【０００８】このために本発明では、イオン源並びに
イオン源から発生したイオンビームを試料に照射する第
１のイオン光学系（通常、イオンビームを試料の表面上
で走査するための偏向電極を含む）とからなるイオンビ
ーム照射装置と、イオンビーム照射装置のイオンビー
ム出射部（第１のイオン光学系の出口に相当）と試料表
面との間の空間に試料表面に略平行な光ビームを照射す
る光源を有する光照射装置と、この空間よりイオンを
取り込む第２のイオン光学系を空間側に備えた質量分析
計と、試料を載置するための試料ホルダと、試料表
面上におけるイオンビームの走査速度を光ビームを照射
する光源の動作に対応して制御する第１のイオン光学系
の制御装置、又はイオンビームの走査位置に対応してイ
オンビームの走査速度を変換し且つ光ビーム照射を制御
する制御装置とから、質量分析装置を構成する。第１の
イオン光学系はイオンビームをパルス化する電極を有
し、この電極の動作をイオンビームの試料表面における
走査領域に対応して制御してもよい。光源として光ビー
ムを間歇的（望ましくはパルス状）に照射するものを用
いるとよい。またこの光源の動作に対応して第２のイオ
ン光学系による質量分析計へのイオンを取り込むことが
望ましい。上述のイオンビーム照射領域の設定は、例え
ば第１のイオン光学系の制御装置を用いて行ない、同時
にこの領域における周辺部分と中心部分を指定する。To this end, the present invention includes an ion source and a first ion optical system for irradiating a sample with an ion beam generated from the ion source (generally, a deflection electrode for scanning the surface of the sample with the ion beam is included. ) And an ion beam irradiation device (corresponding to the exit of the first ion optical system) of the ion beam irradiation device and the space between the sample surface and a beam of light substantially parallel to the sample surface Light irradiation device having a light source, a mass spectrometer equipped with a second ion optical system that captures ions from this space on the space side, a sample holder for mounting a sample, and an ion beam on the sample surface. A first ion optical system controller that controls the scanning speed in accordance with the operation of a light source that emits a light beam, or converts the scanning speed of the ion beam in accordance with the scanning position of the ion beam. And from a control unit for controlling the light beam irradiation to form a mass spectrometer. The first ion optical system may have an electrode for pulsing the ion beam, and the operation of this electrode may be controlled corresponding to the scanning region of the sample surface of the ion beam. It is preferable to use a light source that emits a light beam intermittently (preferably in a pulse form). Further, it is desirable that the ions are taken into the mass spectrometer by the second ion optical system corresponding to the operation of the light source. The above-mentioned ion beam irradiation area is set by using, for example, the controller of the first ion optical system, and at the same time, the peripheral portion and the central portion in this area are designated.

【０００９】さらに具体的な手段として、上述の光照射
装置としてパルスレーザ装置を用い、パルス状のイオン
ビームを試料に照射して、試料から放出される中性粒子
にレーザビームを照射して発生した光励起イオンを検出
して試料を分析するレーザイオン化中性粒子質量分析装
置および分析方法で、パルス状のイオンビームを試料面
上で平面的に走査して分析する場合について説明する。
イオンビーム照射領域の走査面の中央部分と周辺部分
（中央以外の部分）とで走査速度を変化させる手段によ
り、中央部分でのイオンビームパルス照射の繰り返し周
波数より、周辺部分でのイオンビームパルス照射の繰り
返し周波数が高くなるようにし、さらに中央部分ではイ
オンビームパルス照射に同期させてレーザを照射する。
パルス状のレーザビーム照射の繰り返し周波数を一定と
した場合、パルス状のイオンビーム照射はこの照射領域
の中央部分ではレーザビーム照射と略同じ繰り返し周波
数で、周辺部分ではレーザビーム照射よりも高い繰り返
し周波数で行なうとよい。この時、パルス状のイオンビ
ームを異なる周波数で駆動するイオンビームパルス制御
装置を用い、イオンビームの走査に対応してイオンビー
ムパルス制御装置の駆動周波数を切り換えても、駆動周
波数の異なる複数のイオンビームパルス制御装置を用
い、各装置を切り換えて使用してもよい。また、レーザ
ビームの照射の間に周辺部分の全てをイオンビームによ
り照射するのが望ましい。As a more concrete means, a pulse laser device is used as the above-mentioned light irradiation device, the sample is irradiated with a pulsed ion beam, and the neutral particles emitted from the sample are irradiated with the laser beam. In the laser ionization neutral particle mass spectrometer and analysis method for detecting a photoexcited ion and analyzing a sample, a case will be described in which a pulsed ion beam is planarly scanned on a sample surface for analysis.
Ion beam pulse irradiation in the peripheral part from the repetition frequency of ion beam pulse irradiation in the central part by means of changing the scanning speed between the central part and the peripheral part (the part other than the central part) of the scanning surface of the ion beam irradiation area The repetition frequency is increased, and the central portion is irradiated with laser in synchronization with ion beam pulse irradiation.
When the repetition frequency of the pulsed laser beam irradiation is constant, the pulsed ion beam irradiation has a repetition frequency almost the same as that of the laser beam irradiation in the central part of this irradiation region, and a repetition frequency higher than that of the laser beam irradiation in the peripheral part. You can do it in. At this time, even if the drive frequency of the ion beam pulse control device is switched in response to the scanning of the ion beam by using the ion beam pulse control device that drives the pulsed ion beam at different frequencies, a plurality of ions with different drive frequencies A beam pulse control device may be used, and each device may be switched and used. Further, it is desirable to irradiate the entire peripheral portion with the ion beam during the irradiation of the laser beam.

【００１０】[0010]

【作用】本発明による質量分析装置及び質量分析装置の
機能について、光照射手段にレーザ光源を用い、イオン
ビーム及び光ビームの照射を夫々パルス化して行なうレ
ーザイオン化中性粒子質量分析装置を例に以下に説明す
る。With respect to the functions of the mass spectrometer and the mass spectrometer according to the present invention, a laser ionization neutral particle mass spectrometer which uses a laser light source as a light irradiating means and performs pulsed irradiation of an ion beam and a light beam is taken as an example. This will be described below.

【００１１】パルス状のイオンビームを試料に照射する
場合、イオンビームのパルス幅を一定にしておけば、パ
ルスイオンビームの繰り返し周波数を変えても、各場所
におけるスパッタ速度は変化しない。すなわち、繰り返
し周波数を変化させることは、二つのパルスイオンビー
ム照射間の待ち時間を変化させるだけの意味を持つ。と
ころで、パルスイオンビームの各照射位置を、繰り返し
周波数変化前後で同じとすると、繰り返し周波数の変化
は走査速度の変化に他ならない。しかしながらこの場
合、パルスイオンビームの繰返し周波数を走査の途中で
変化させても、すなわち走査速度を変えても、均質な材
質の試料でも場所によるスパッタ速度の違いが生じるこ
となく底面が平坦なクレータを得ることができる。この
点は、従来の技術（特開昭６０−１３６３１５号公報に
開示）である材質の違いに対応してスパッタ速度を制御
する走査速度制御技術とは根本的に異なる。本発明は、
イオンビームの照射領域において光照射によりイオン化
して分析を行なうに望ましい部分（上述の中央部分）と
それ以外の部分（上述の周辺部分）とにおいて、イオン
ビームの走査速度を変化させ、同時に光照射と中央部分
へのイオンビーム照射とを対応させて行なうものであ
る。従って、本発明はイオンビーム照射と光照射と併せ
て光励起イオンを効率よく発生でき、イオンビーム照射
や光照射の空振り、即ち２つの照射のタイミングのずれ
による光励起イオンの不生成や分析に望ましくない部分
での光励起イオン生成というような分析作業の無駄が解
消できる。次に、深さ分析する場合には、上記のクレー
タの平坦部分、つまり走査面の中央部分のみから得られ
た信号を検出すればよい。したがってイオンビームがク
レータの側壁を照射しているときには、少なくともレー
ザビーム照射の繰返し周波数よりも早い繰返し周波数で
パルスイオンビームを照射し、さらに走査面の中央部分
ではレーザビーム照射の周波数と同じ周波数でパルスイ
オンビームを照射すれば、レーザ照射を分析に必要な時
に照射する割合を大きくすることができる。中央部分以
外の、即ちイオンビームの照射領域と非照射領域の境界
に沿った所謂周辺部分については、イオンビームの照射
による切削のみ行ない、レーザ照射はしない。周辺部分
の底面は平坦性に欠ける（深さ方向の広がり、即ち傾斜
を有する）から、試料分析の深さ方向の分解能を低下さ
せるからである。When a sample is irradiated with a pulsed ion beam, if the pulse width of the ion beam is kept constant, the sputter rate at each location does not change even if the repetition frequency of the pulsed ion beam is changed. That is, changing the repetition frequency only has the meaning of changing the waiting time between two pulsed ion beam irradiations. By the way, if the irradiation positions of the pulsed ion beam are the same before and after the change of the repetition frequency, the change of the repetition frequency is nothing but the change of the scanning speed. However, in this case, even if the repetition frequency of the pulsed ion beam is changed during scanning, that is, even if the scanning speed is changed, even if the sample is made of a homogeneous material, a crater with a flat bottom surface does not cause a difference in sputtering speed depending on the location. Obtainable. This point is fundamentally different from the conventional technique (disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-136315) which is a scanning speed control technique for controlling the sputtering speed in accordance with the difference in material. The present invention
In the irradiation region of the ion beam, the scanning speed of the ion beam is changed at the same time as the portion (the above-mentioned central portion) and the portion (the above-mentioned peripheral portion) which are desired to be ionized and analyzed by light irradiation, and at the same time the light irradiation is performed. And ion beam irradiation to the central portion are performed in correspondence with each other. Therefore, the present invention can efficiently generate photoexcited ions in combination with ion beam irradiation and photoirradiation, and is not desirable for non-generation or analysis of photoexcited ions due to a missed ion beam irradiation or photoirradiation, that is, a timing shift between two irradiations. Waste of analytical work such as photoexcited ion generation in a part can be eliminated. Next, in the case of depth analysis, a signal obtained only from the flat portion of the crater, that is, the central portion of the scanning surface may be detected. Therefore, when the ion beam irradiates the side wall of the crater, the pulsed ion beam is irradiated at a repetition frequency that is at least higher than the repetition frequency of the laser beam irradiation, and at the same frequency as the laser beam irradiation frequency in the central portion of the scanning surface. By irradiating with a pulsed ion beam, it is possible to increase the ratio of laser irradiation when necessary for analysis. Except for the central portion, that is, the so-called peripheral portion along the boundary between the ion beam irradiation region and the non-irradiation region, only cutting by ion beam irradiation is performed, and laser irradiation is not performed. This is because the bottom surface of the peripheral portion lacks flatness (spreads in the depth direction, that is, has an inclination), and therefore the resolution of the sample analysis in the depth direction is reduced.

【００１２】[0012]

【実施例】【Example】

＜実施例１＞以下本発明の一実施例を図１を用いて説明
する。まず一次イオン源１から引き出されたイオンビー
ム２は、パルス電圧電源３、一組の静電偏向板４および
アパーチャ５で構成されるイオンビームパルス化機構
６、少なくとも２種類の周波数を高速で可変できる走査
電源７および互いに直交する二組の静電偏向板８で構成
されるイオンビーム走査機構９およびイオンビームレン
ズ１０を通過して、最後に試料１１に照射される。そし
て試料１１から放出された中性粒子１２にレーザ装置１
３から放出されたレーザビーム１４を照射することによ
って、これをイオン化して質量分析計１５によって検出
する。ここで、イオンビームパルス化機構６、イオンビ
ーム走査機構９およびレーザ１３は互いに同期を取って
働くように、コンピュータ１６によって制御されてい
る。<Embodiment 1> An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. First, the ion beam 2 extracted from the primary ion source 1 is a pulse voltage power supply 3, an ion beam pulsing mechanism 6 composed of a set of electrostatic deflection plates 4 and an aperture 5, and at least two kinds of frequencies can be varied at high speed. After passing through an ion beam scanning mechanism 9 and an ion beam lens 10 which are composed of a scanning power source 7 and two sets of electrostatic deflection plates 8 which are orthogonal to each other, the sample 11 is finally irradiated. The laser device 1 is applied to the neutral particles 12 emitted from the sample 11.
By irradiating the laser beam 14 emitted from No. 3, this is ionized and detected by the mass spectrometer 15. Here, the ion beam pulsing mechanism 6, the ion beam scanning mechanism 9 and the laser 13 are controlled by the computer 16 so as to operate in synchronization with each other.

【００１３】この実施例において、深さ方向分析する場
合を説明する。レーザ装置１３はエキシマレーザーを用
い、繰返し周波数１００Ｈｚとした。またイオンビーム
はＡｒイオンビームを用い、パルス幅は０．５マイクロ
秒とした。さらにイオンビーム２はデジタル走査した。
またイオンビームパルス繰り返し周波数は、１００Ｈｚ
制御装置１８と１ＭＨｚ制御装置１９を高速に切り換え
ることによって、任意の走査位置で２種類の周波数を選
択できるようにした。ただしＸおよびＹ方向の単位パル
ス毎の移動量は一定である。したがってイオンビームパ
ルス繰り返し周波数を変えることは、実効的にイオンビ
ームの走査速度が変化することになる。図５にイオンビ
ーム走査平面図を示す。イオンビーム走査は図中のＯ点
より開始して、図中の矢印の方向に順番に移動する。そ
して図中Ｅ点で一回の走査は終わり、次に再度Ｏ点に戻
ることになる。この例ではＸ軸方向，Ｙ軸方向には各々
１００点で走査し、その中央部分の３０点×３０点をイ
オンビーム２が試料１１を照射する場合に検出した光励
起イオンを積算して深さ分析する。そしてイオンビーム
２が走査面中央の３０点×３０点を照射しているとき
は、イオンビームパルスの繰返し周波数は１００Ｈｚと
して、中央部以外の点を照射してしているときは周波数
１ＭＨｚとした。この周波数変化に伴い、イオンビーム
パルス化機構６のパルス発生周波数も変化させる。ただ
しイオンビームパルス幅は一定に保ったままである。ま
た走査面中央の３０点×３０点では、イオンビーム２が
照射された後すぐにレーザビーム１４が照射され、光励
起イオンが効率よく生成されるようにするように制御す
る。これらの一連の制御は、コンピュータ１６によって
あらかじめプログラミングしておく。このようにした場
合、図５のＡ点からＢ点までが、信号を検出する必要が
なくて最も多くイオンビームパルスが照射される時間で
あるが、この実施例の場合で、この間は７０７０回イオ
ンビームパルスが照射される。これを１ＭＨｚで繰り返
すと、約７ミリ秒で終了する。これは１００Ｈｚのパル
ス間隔である１０ミリ秒よりも短いため、Ａ点でイオン
ビーム照射後にレーザビームを照射した後、次のレーザ
ビーム照射を、Ｂ点でイオンビーム照射後に行なうこと
が可能になる。図５のＣ点からＤ点まではさらに短い時
間でパルスイオン照射を終了させることができる。つま
りイオンビーム２が走査面の中央部以外の点を照射して
いる間は、一つの無駄なレーザ照射もないようにするこ
とができ、レーザビーム照射はすべてパルスイオンビー
ムが走査面中央の３０点×３０点を照射する場合に費や
されることになる。この分析を全て１００Ｈｚの繰り返
し周波数で行なうとすると、全てのレーザビームパルス
数に対して、９％のレーザビームパルスしか走査面中央
での分析に使用されない。言い替えれば、同じ分析時間
内に限れば、周波数切り換えを行なうことによって、切
り換えをしない場合に比べて、全ての光励起イオン強度
の積算値は、約１１倍になり、その分感度が高くなる。
また同じ分析感度を得ようとすれば、分析時間を短くす
ることになる。この関係は必ずしも、走査面の中央部以
外で一つの無駄なレーザビーム照射もないという場合に
限られる訳でなく、走査面の中央部以外では、走査面の
中央部に比べて、少なくとも早い繰返し周波数でパルス
イオンビームを照射すればよい。In this embodiment, the case of analyzing in the depth direction will be described. The laser device 13 uses an excimer laser and has a repetition frequency of 100 Hz. An Ar ion beam was used as the ion beam, and the pulse width was 0.5 microsecond. Further, the ion beam 2 was digitally scanned.
The ion beam pulse repetition frequency is 100 Hz
By switching the control device 18 and the 1 MHz control device 19 at high speed, two kinds of frequencies can be selected at any scanning position. However, the amount of movement per unit pulse in the X and Y directions is constant. Therefore, changing the ion beam pulse repetition frequency effectively changes the scanning speed of the ion beam. FIG. 5 shows a plan view of the ion beam scanning. The ion beam scanning starts from the point O in the figure, and moves sequentially in the direction of the arrow in the figure. Then, one scan ends at point E in the figure and then returns to point O again. In this example, 100 points are scanned in each of the X-axis direction and the Y-axis direction, and the photoexcited ions detected when the ion beam 2 irradiates the sample 11 is integrated at 30 points × 30 points in the central portion of the scanning points. analyse. When the ion beam 2 irradiates 30 points × 30 points at the center of the scanning surface, the repetition frequency of the ion beam pulse is 100 Hz, and when irradiating points other than the central portion, the frequency is 1 MHz. . Along with this frequency change, the pulse generation frequency of the ion beam pulsing mechanism 6 is also changed. However, the pulse width of the ion beam remains constant. Further, at 30 points × 30 points in the center of the scanning surface, the laser beam 14 is irradiated immediately after the ion beam 2 is irradiated, and control is performed so that photoexcited ions are efficiently generated. These series of controls are programmed in advance by the computer 16. In this case, the time from point A to point B in FIG. 5 is the time when the ion beam pulse is most irradiated without the need to detect a signal, but in the case of this embodiment, 7070 times during this time. An ion beam pulse is emitted. When this is repeated at 1 MHz, it ends in about 7 milliseconds. Since this is shorter than 10 milliseconds which is a pulse interval of 100 Hz, it becomes possible to irradiate the laser beam after the ion beam irradiation at the point A and then perform the next laser beam irradiation after the ion beam irradiation at the point B. . From point C to point D in FIG. 5, pulsed ion irradiation can be completed in a shorter time. That is, while the ion beam 2 is irradiating a point other than the central portion of the scanning surface, it is possible to prevent a single useless laser irradiation, and all the laser beam irradiation is a pulsed ion beam 30 at the center of the scanning surface. It will be spent when irradiating points x 30 points. If this analysis is all performed at a repetition frequency of 100 Hz, then only 9% of the laser beam pulses are used for analysis at the center of the scan plane for all laser beam pulse numbers. In other words, within the same analysis time, by performing frequency switching, the integrated value of all photoexcited ion intensities is about 11 times higher than that without switching, and the sensitivity is correspondingly higher.
If the same analysis sensitivity is to be obtained, the analysis time will be shortened. This relationship is not necessarily limited to the case where there is no useless laser beam irradiation other than the central portion of the scanning surface, and at least other than the central portion of the scanning surface, the repetition is faster than the central portion of the scanning surface. The pulsed ion beam may be applied at a frequency.

【００１４】本実施例によれば、イオンビームパルスの
繰返し数は途中切り換えたが、イオンビームパルス幅は
一定に保ったため、走査面の各点におけるイオンビーム
電流密度は一定である。したがって試料１１には、図４
に示したような底面が平坦なクレータが形成される。こ
こでイオンビーム２が走査面中央の３０点×３０点を照
射しているときは、この平坦な底面からの信号に限られ
るため、深さ分解能のよい分析が可能になる。図６に本
深さ方向分析によって得られたシリコン中のボロンの深
さ方向プロファイルを示す。また本実施例では、イオン
ビーム走査面のＸ、Ｙ座標に対応して、各々の座標の光
励起イオン強度をＣＲＴ上の輝度もしくは色の識別によ
って表した画像によって、試料１１の元素の分布を調べ
ることもできる。このように本実施例では、検出感度が
高く、分析時間が短かく、かつ深さ分解能が良い深さ分
析や二次元元素分析が可能となる。According to this embodiment, the number of repetitions of the ion beam pulse was switched midway, but the ion beam pulse width was kept constant, so the ion beam current density at each point on the scanning surface was constant. Therefore, the sample 11 is shown in FIG.
A crater with a flat bottom is formed as shown in FIG. Here, when the ion beam 2 irradiates 30 points × 30 points at the center of the scanning surface, the signal is limited to this flat bottom surface, so that analysis with good depth resolution is possible. FIG. 6 shows a depth direction profile of boron in silicon obtained by the depth direction analysis. Further, in this embodiment, the distribution of the elements of the sample 11 is examined by an image showing the photoexcited ion intensity of each coordinate corresponding to the X and Y coordinates of the ion beam scanning surface by the brightness or color identification on the CRT. You can also As described above, in this embodiment, it is possible to perform depth analysis and two-dimensional elemental analysis with high detection sensitivity, short analysis time, and good depth resolution.

【００１５】また本実施例で、イオンビームパルス幅を
１マイクロ秒とすると、走査面の周辺部（中央部以外）
のパルス繰返し周波数が１ＭＨｚであるから、実効的に
イオンビームは試料に対して連続的に照射されることに
なる。したがって走査面の中央部ではイオンビームをパ
ルス化して、周辺部ではイオンビームを連続照射すれば
よい。この方法でイオンビームの走査によって形成され
るクレータ底面に平坦部を作るには、走査面の各走査点
上のイオンビーム電流密度が一定になるように、イオン
ビームパルス幅およびイオンビームパルス繰返し周波数
を設定すればよい。Further, in this embodiment, assuming that the pulse width of the ion beam is 1 microsecond, the peripheral portion (other than the central portion) of the scanning surface is
Since the pulse repetition frequency of 1 is 1 MHz, the sample is effectively irradiated with the ion beam continuously. Therefore, the ion beam may be pulsed at the central portion of the scanning surface, and the ion beam may be continuously irradiated at the peripheral portion. To create a flat part on the bottom surface of the crater formed by scanning the ion beam with this method, the ion beam pulse width and the ion beam pulse repetition frequency should be adjusted so that the ion beam current density at each scanning point on the scanning surface becomes constant. Should be set.

【００１６】＜実施例２＞本実施例では、イオンビーム
を外周から中心に向かうように走査する。図７にこの時
のイオンビーム走査平面図を示す。イオンビーム走査は
図中のＯ点より開始して、図中の矢印の方向に順番に移
動する。そして図中Ｅ点で一回の走査は終わる。次にイ
オンビームを中心Ｅ点から外周に向けて走査して、図中
Ｏ点で次ぎの走査が終わる。この例ではＸ軸方向，Ｙ軸
方向の走査点数は各々１００点で、その中央部分の３０
点×３０点をイオンビーム２が試料１１を照射する場合
に検出した光励起イオンを積算して深さ分析する。そし
てイオンビーム２が走査面中央の３０点×３０点を照射
しているときは、イオンビームパルスの繰返し周波数は
５０Ｈｚとして、中央部以外の点を照射してしていると
きは周波数１ＭＨｚとした。この周波数変化に伴い、イ
オンビームパルス化機構６のパルス発生周波数も変化さ
せる。ただしイオンビームパルス幅は一定に保ったまま
である。また走査面中央の３０点×３０点では、イオン
ビーム２が照射された後すぐにレーザビーム１４が照射
され、光励起イオンが効率よく生成されるようにするよ
うに制御する。これらの一連の制御は、コンピュータ１
６によってあらかじめプログラミングしておく。この実
施例で得られる効果は、実施例１で得られる効果と同等
であるが、さらに、この実施例では実施例１に比べて、
１回の走査中で１回しか周波数を切り換える必要がな
く、走査制御が単純になる利点がある。<Embodiment 2> In this embodiment, the ion beam is scanned from the outer circumference toward the center. FIG. 7 shows a plan view of the ion beam scanning at this time. The ion beam scanning starts from the point O in the figure, and moves sequentially in the direction of the arrow in the figure. Then, one scan ends at point E in the figure. Next, the ion beam is scanned from the center point E toward the outer periphery, and the next scan ends at point O in the figure. In this example, the number of scanning points in the X-axis direction and the number of scanning points in the Y-axis direction are 100 points, respectively, and 30 points in the central portion are
Photoexcited ions detected when the ion beam 2 irradiates the sample 11 at 30 points × 30 points are integrated to perform depth analysis. When the ion beam 2 is irradiating 30 points × 30 points at the center of the scanning surface, the repetition frequency of the ion beam pulse is 50 Hz, and when irradiating points other than the central portion, the frequency is 1 MHz. . Along with this frequency change, the pulse generation frequency of the ion beam pulsing mechanism 6 is also changed. However, the pulse width of the ion beam remains constant. Further, at 30 points × 30 points in the center of the scanning surface, the laser beam 14 is irradiated immediately after the ion beam 2 is irradiated, and control is performed so that photoexcited ions are efficiently generated. These series of controls are performed by the computer 1.
Program in advance with 6. The effect obtained in this embodiment is equivalent to the effect obtained in the first embodiment, but further, in this embodiment, as compared with the first embodiment,
It is necessary to switch the frequency only once during one scan, which is an advantage that the scan control is simple.

【００１７】＜実施例３＞図８に本発明の分析装置を半
導体などの製造装置に接続して用いた例を示す。本発明
のレーザイオン化中性粒子質量分析装置２０に搬送経路
２１を接続した。搬送経路内は真空排気しておく。搬送
経路２１の別の端部はイオン注入装置２２に接続した。
半導体素子は、本実施例で示したイオン注入装置などに
よって、ドーパントが導入され、そのドーパント量によ
って電気的性質が制御されている。従来イオン注入量は
イオン電流量と注入時間によって管理されていたが、実
際の不純物量は不明であった。本実施例では半導体製造
プロセスの途中で、イオン注入装置２２からレーザイオ
ン化中性粒子質量分析装置２０に半導体基板又は半導体
素子を搬送してイオン注入量を直接分析することによっ
てイオン注入量をモニターする。半導体基板又は半導体
素子を搬送、即ち試料としての抽出する工程は、製造ラ
インにある全てのロットに行なっても、ランダムサンプ
リングしてもよい。イオン注入量が所定量に達していな
いに場合は、試料をイオン注入装置２２に戻してイオン
注入を追加する。この際ウエハの搬送が、真空搬送され
るため搬送時に表面の改質が生じず、追加処理が可能と
なった。今回、本発明のレーザイオン化中性粒子質量分
析装置２０は従来のレーザイオン化中性粒子質量分析装
置に比べ高感度であり、かつ従来に比べ約１／１０の短
時間で正確にイオン注入量を測定することができ、プロ
セスモニターが実現できた。また本発明では表面汚染の
有無や熱拡散後の不純物分布のモニターにも応用するこ
とができる。さらにウエハのプロセス履歴情報をウエハ
上の素子構造以外の微小位置に特定元素を使って書き記
しておけば、これを本発明のレーザイオン化中性粒子質
量分析装置で情報を読み取ることによってプロセスの進
行を管理することができる。本実施例による質量分析結
果の半導体装置製造工程へのフィードバックにより、い
ずれの場合も従来に比べ、高感度な分析が短時間で行な
えるため製造期間の短縮やコスト低減ができた。<Embodiment 3> FIG. 8 shows an example in which the analyzer of the present invention is used by being connected to a manufacturing apparatus such as a semiconductor. A transport path 21 was connected to the laser ionization neutral particle mass spectrometer 20 of the present invention. The inside of the transfer path should be evacuated. The other end of the transport path 21 was connected to the ion implantation device 22.
A dopant is introduced into the semiconductor element by the ion implantation apparatus or the like shown in this embodiment, and the electrical properties are controlled by the amount of the dopant. Conventionally, the ion implantation amount was controlled by the ion current amount and the implantation time, but the actual impurity amount was unknown. In the present embodiment, during the semiconductor manufacturing process, the ion implantation amount is monitored by carrying the semiconductor substrate or semiconductor element from the ion implantation device 22 to the laser ionization neutral particle mass spectrometer 20 and directly analyzing the ion implantation amount. . The step of transporting the semiconductor substrate or the semiconductor element, that is, the step of extracting it as a sample may be performed for all lots on the manufacturing line or may be randomly sampled. When the amount of ion implantation has not reached the predetermined amount, the sample is returned to the ion implantation device 22 and ion implantation is added. At this time, since the wafer was transferred in vacuum, the surface was not modified during the transfer, and additional processing was possible. This time, the laser ionization neutral particle mass spectrometer 20 of the present invention has higher sensitivity than the conventional laser ionization neutral particle mass spectrometer, and the ion implantation amount can be accurately measured in a short time of about 1/10 of the conventional one. It was possible to measure and a process monitor was realized. The present invention can also be applied to monitor the presence or absence of surface contamination and the distribution of impurities after thermal diffusion. Furthermore, if the process history information of the wafer is written in a minute position other than the element structure on the wafer by using a specific element, the progress of the process can be progressed by reading the information with the laser ionization neutral particle mass spectrometer of the present invention. Can be managed. By feeding back the results of mass spectrometry to the semiconductor device manufacturing process according to this example, a highly sensitive analysis can be performed in a short time as compared with the conventional case, so that the manufacturing period and cost can be shortened.

【００１８】本実施例のレーザイオン化中性粒子質量分
析装置２０の具体的な構成の一例を図１０に示す。図示
された質量分析装置は、イオン源３０、偏向電極と円
板電極との組合せでイオンビーム２をパルス化するビー
ムブランキング電極３１、イオンビーム２を試料１１表
面で走査するビーム走査電極３２、並びにイオンビーム
２を集束するためのイオンレンズ３３からなるイオンビ
ーム照射手段と、試料１１表面に略平行なレーザ光３
６を照射するレーザ光源３５からなる光照射手段と、
イオンレンズ４１、メッシュ電極４２、検出器４３、並
びに検出信号増幅器４４を備え、試料１１表面へのイオ
ンビーム２により発生した中性粒子にレーザ光３６を照
射して得られるイオンを分析するための飛行時間型質量
分析計４０からなる質量分析手段と、試料搬送ロッド
３８付き試料ホルダ３７を筐体４５に設けて構成されて
いる。筐体４５には、搬送路４８も設けられ、その端部
はイオン注入装置２２に接続される。レーザイオン化中
性粒子質量分析装置においては、試料１１表面に対する
イオンビーム２及びレーザ光３６のアラインメントを保
つことが重要である。そこで、筐体４５は真空ポンプ
（ターボ分子ポンプ）４６からの振動を除去するために
除振台４７に搭載され、またイオン注入装置２２からの
振動を除去するために搬送路４８には振動吸収用ベロー
ズが設けられている。FIG. 10 shows an example of a specific configuration of the laser ionization neutral particle mass spectrometer 20 of this embodiment. The illustrated mass spectrometer includes an ion source 30, a beam blanking electrode 31 for pulsing the ion beam 2 with a combination of a deflection electrode and a disc electrode, a beam scanning electrode 32 for scanning the surface of the sample 11 with the ion beam 2, In addition, an ion beam irradiation means including an ion lens 33 for focusing the ion beam 2 and a laser beam 3 that is substantially parallel to the surface of the sample 11.
A light irradiating means comprising a laser light source 35 for irradiating 6;
An ion lens 41, a mesh electrode 42, a detector 43, and a detection signal amplifier 44 are provided to analyze the ions obtained by irradiating the neutral particles generated by the ion beam 2 on the surface of the sample 11 with the laser light 36. A housing 45 is provided with a mass analysis unit including a time-of-flight mass spectrometer 40 and a sample holder 37 with a sample transport rod 38. A transport path 48 is also provided in the housing 45, and its end is connected to the ion implantation device 22. In the laser ionization neutral particle mass spectrometer, it is important to maintain the alignment of the ion beam 2 and the laser beam 36 with respect to the surface of the sample 11. Therefore, the housing 45 is mounted on a vibration isolation table 47 to remove the vibration from the vacuum pump (turbo molecular pump) 46, and the carrier path 48 absorbs the vibration to remove the vibration from the ion implantation device 22. Bellows are provided.

【００１９】質量分析装置の制御は、電子計算機５０並
びに制御ユニット５１により行なわれる。電子計算機５
０には、試料１１表面において分析又は検査すべき領域
が入力される。このデータは分析領域指定信号５２とし
て制御ユニット５１に送信される。分析領域における上
述の中心部分と周辺部分の指定は、オペレータが電子計
算機５０に入力しても、分析領域指定信号５２に基づき
制御ユニット５１で自動指定することもできる。制御ユ
ニット５１は、一定のパルス間隔でレーザ光３６を発射
するレーザ光源３５に動作開始信号５３を送り、レーザ
光源よりレーザ光発射時刻を読み取る。このレーザ光発
射時刻に基づき、制御ユニット５１は走査信号５４をビ
ーム走査電極３２に送り、レーザ光３６の発射に対応さ
せて且つ走査領域（中心部分又は周辺部分）に応じて走
査速度を変えてイオンビーム２の試料１１表面における
走査を行なわせる。これと並行して、制御ユニット５１
はビームブランキング電極３１にイオンビームパルスの
周波数制御信号５５を送り、試料１１表面におけるイオ
ンビーム２の走査領域及び走査速度に対応させて、イオ
ンビーム２のパルスの周波数を中心部分で低く、周辺部
分で高く設定する。また、周波数制御信号５５は、中心
部分でのイオンビーム２照射とレーザ光３６の発射との
マッチングを取るように制御ユニット５１からビームブ
ランキング電極３１に送信される。一方、質量分析手段
のメッシュ電極４２並びに検出信号増幅器４４は、レー
ザ光源３５からトリガ信号５６を受けることにより、パ
ルス状のレーザ光３６の発射に対応して動作する。メッ
シュ電極４２には、通常飛行時間型質量分析計４０への
イオン３９の進入を遮るような電位が印加しておくが、
レーザ光３６の照射後、所定の時間だけ印加電位を変化
することで、飛行時間型質量分析計４０へイオン３９を
進入させ、質量の異なるイオンを検出器４３に到達する
までの飛行時間で分離して検出する。印加電位を変える
時間は短いほどイオンの質量電荷比に対する分解能は向
上するが、感度はその分低下する。従って印加電位を変
える時間の設定は、分析すべき試料や分析条件に応じて
適宜設定するとよい。検出器４３で検出されたイオンの
検出信号は、検出信号増幅器４４で増幅され、レーザ光
３６の照射パルス毎に増幅信号５７は電子計算機５０に
送信され、ここに記憶され、場合によっては分析データ
の処理が行なわれる。The mass spectrometer is controlled by the electronic computer 50 and the control unit 51. Electronic computer 5
In 0, an area to be analyzed or inspected on the surface of the sample 11 is input. This data is transmitted to the control unit 51 as the analysis area designation signal 52. The above-mentioned designation of the central portion and the peripheral portion in the analysis area can be automatically designated by the control unit 51 on the basis of the analysis area designation signal 52 even if the operator inputs them to the electronic computer 50. The control unit 51 sends an operation start signal 53 to the laser light source 35 that emits the laser light 36 at constant pulse intervals, and reads the laser light emission time from the laser light source. Based on this laser light emission time, the control unit 51 sends a scanning signal 54 to the beam scanning electrode 32, changes the scanning speed in response to the emission of the laser light 36 and according to the scanning region (central portion or peripheral portion). The ion beam 2 is caused to scan the surface of the sample 11. In parallel with this, the control unit 51
Sends a frequency control signal 55 of the ion beam pulse to the beam blanking electrode 31 to make the frequency of the pulse of the ion beam 2 low in the central part and in the peripheral region in accordance with the scanning region and the scanning speed of the ion beam 2 on the surface of the sample 11. Set higher in the part. Further, the frequency control signal 55 is transmitted from the control unit 51 to the beam blanking electrode 31 so as to match the irradiation of the ion beam 2 at the central portion with the emission of the laser beam 36. On the other hand, the mesh electrode 42 and the detection signal amplifier 44 of the mass spectrometric means operate in response to the emission of the pulsed laser light 36 by receiving the trigger signal 56 from the laser light source 35. The mesh electrode 42 is normally applied with a potential that blocks the entry of the ions 39 into the time-of-flight mass spectrometer 40.
After irradiation with the laser beam 36, the applied potential is changed for a predetermined time to allow the ions 39 to enter the time-of-flight mass spectrometer 40 and separate ions having different masses by the flight time until reaching the detector 43. And detect. The shorter the time for changing the applied potential, the higher the resolution with respect to the mass-to-charge ratio of the ions, but the lower the sensitivity. Therefore, the time for changing the applied potential may be appropriately set according to the sample to be analyzed and the analysis conditions. The detection signal of the ions detected by the detector 43 is amplified by the detection signal amplifier 44, and the amplification signal 57 is transmitted to the electronic calculator 50 for each irradiation pulse of the laser light 36, stored therein, and in some cases, analysis data. Is processed.

【００２０】[0020]

【発明の効果】本発明によれば、検出感度が高く、分析
時間が短かく、かつ深さ分解能が良い深さ分析が可能な
レーザイオン化中性粒子質量分析装置および分析方法が
提供される。According to the present invention, there is provided a laser ionization neutral particle mass spectrometer and analysis method capable of performing depth analysis with high detection sensitivity, short analysis time, and good depth resolution.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の実施例１及び２による質量分析装置の
構成図。FIG. 1 is a configuration diagram of a mass spectrometer according to first and second embodiments of the present invention.

【図２】従来の装置の構成図。FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional device.

【図３】従来のイオンビームの走査制御信号を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a conventional ion beam scanning control signal.

【図４】本発明のイオンビーム走査によってできたクレ
ータの断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view of a crater formed by ion beam scanning according to the present invention.

【図５】本発明の実施例１によるイオンビーム走査平面
図。FIG. 5 is a plan view of an ion beam scanning according to the first embodiment of the present invention.

【図６】本発明による深さ分析例。FIG. 6 is an example of depth analysis according to the present invention.

【図７】本発明の実施例２によるイオンビーム走査平面
図。FIG. 7 is an ion beam scanning plan view according to a second embodiment of the present invention.

【図８】本発明の実施例３によるレーザイオン化中性粒
子質量分析装置を半導体製造装置に接続した構成を示す
ブロック図。FIG. 8 is a block diagram showing a configuration in which a laser ionization neutral particle mass spectrometer according to a third embodiment of the present invention is connected to a semiconductor manufacturing apparatus.

【図９】イオンビーム断面の強度分布の一例を示す図。FIG. 9 is a diagram showing an example of an intensity distribution of a cross section of an ion beam.

【図１０】本発明の実施例３による質量分析装置の構成
図。FIG. 10 is a configuration diagram of a mass spectrometer according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１…一次イオン源、２…イオンビーム、３…パルス電圧
電源、４…一組の静電偏向板、５…アパーチャ、６…イ
オンビームパルス化機構、７…少なくとも２種類の周波
数を高速で可変できる走査電源、８…互いに直交する二
組の静電偏向板、９…イオンビーム走査機構、１０…イ
オンビームレンズ、１１…試料、１２…中性粒子、１３
…レーザ、１４…レーザビーム、１５…質量分析計、１
６…コンピュータ、１７…１００Ｈｚ制御装置、１８…
１ＭＨｚ制御装置、１９…クレータ ２０…レーザイオン化中性粒子質量分析装置、２１…搬
送経路、２２…イオン注入装置。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Primary ion source, 2 ... Ion beam, 3 ... Pulse voltage power supply, 4 ... One set of electrostatic deflection plates, 5 ... Aperture, 6 ... Ion beam pulsing mechanism, 7 ... At least 2 types of frequency variable at high speed Possible scanning power source, 8 ... Two sets of electrostatic deflection plates orthogonal to each other, 9 ... Ion beam scanning mechanism, 10 ... Ion beam lens, 11 ... Sample, 12 ... Neutral particles, 13
… Laser, 14… Laser beam, 15… Mass spectrometer, 1
6 ... Computer, 17 ... 100 Hz control device, 18 ...
1 MHz control device, 19 ... crater 20 ... Laser ionization neutral particle mass spectrometer, 21 ... Transport path, 22 ... Ion implantation device.

フロントページの続き (72)発明者 兼堀 恵一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内Front page continued (72) Inventor Keiichi Kanehori 1-280 Higashi Koikekubo, Kokubunji, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】イオン源と、該イオン源から発生したイオ
ンビームを試料に照射し且つ該イオンビームを該試料表
面上で走査するための偏向電極を含む第１のイオン光学
系と、該試料を載置するための試料ホルダと、該第１の
イオン光学系と該試料表面との間の空間に該試料表面に
略平行な光ビームを照射する光源と、該空間よりイオン
を取り込む第２のイオン光学系を該空間側に備えた質量
分析計と、該試料表面上におけるイオンビームの走査速
度を該光源の動作に対応して制御する該第１のイオン光
学系の制御装置とからなることを特徴とする質量分析装
置。1. A first ion optical system including an ion source, a deflection electrode for irradiating a sample with an ion beam generated from the ion source and scanning the ion beam on the surface of the sample, and the sample. A sample holder for mounting a sample, a light source for irradiating a space between the first ion optical system and the sample surface with a light beam substantially parallel to the sample surface, and a second for capturing ions from the space A mass spectrometer having the ion optical system on the space side, and a controller for the first ion optical system that controls the scanning speed of the ion beam on the sample surface in accordance with the operation of the light source. A mass spectrometer characterized by the above. 【請求項２】上記第１のイオン光学系は上記イオンビー
ムをパルス化する電極を有し、上記第１のイオン光学系
の制御装置は上記イオンビームによる上記試料表面の走
査領域に対応して該パルス化電極の動作を制御すること
を特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。2. The first ion optical system has an electrode for pulsing the ion beam, and a controller of the first ion optical system corresponds to a scanning region of the sample surface by the ion beam. The mass spectrometer according to claim 1, wherein the operation of the pulsed electrode is controlled. 【請求項３】上記光源は光ビームをパルス状に照射する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の質量分
析装置。3. The mass spectrometer according to claim 1, wherein the light source emits a light beam in a pulsed form. 【請求項４】上記第２のイオン光学系は上記光源の動作
に対応して上記質量分析計にイオンを取り込むことを特
徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の質
量分析装置。4. The mass spectrometer according to claim 1, wherein the second ion optical system incorporates ions into the mass spectrometer in response to the operation of the light source. apparatus. 【請求項５】イオンビームを試料の表面上に間歇的に照
射し且つ走査するイオンビーム照射手段と、該試料を該
イオンビーム照射位置に保持する試料保持手段と、該試
料表面と該イオンビーム照射手段との間の空間に該試料
表面に略平行な光ビームを間歇的に照射する光照射手段
と、該空間のイオンを分析する質量分析手段とからな
り、上記イオンビーム照射手段は上記イオンビームの走
査に対応して上記イオンビームの間隔を変化させ、且つ
上記光ビーム照射に対応して上記イオンビーム照射を制
御するイオンビーム照射制御手段を有することを特徴と
する質量分析装置。5. An ion beam irradiation means for intermittently irradiating and scanning an ion beam on the surface of the sample, a sample holding means for holding the sample at the ion beam irradiation position, the sample surface and the ion beam. The space between the irradiation means comprises a light irradiation means for intermittently irradiating a light beam substantially parallel to the sample surface, and a mass spectrometric means for analyzing ions in the space. A mass spectroscope comprising: an ion beam irradiation control unit that changes an interval between the ion beams in response to beam scanning and controls the ion beam irradiation in response to the light beam irradiation. 【請求項６】イオンビームを試料の表面上に照射し且つ
走査するイオンビーム照射手段と、該試料を該イオンビ
ーム照射位置に保持する試料保持手段と、該試料表面と
該イオンビーム照射手段との間の空間に該試料表面に略
平行な光ビームを間歇的に照射する光照射手段と、該空
間のイオンを分析する質量分析手段とからなり、上記イ
オンビーム照射手段は上記イオンビームの走査に対応し
て上記イオンビームの走査速度を変換するイオンビーム
照射制御手段を有し、上記光照射手段は上記イオンビー
ムの走査に対応して光ビーム照射を制御する光照射制御
手段を有することを特徴とする質量分析装置。6. Ion beam irradiation means for irradiating and scanning the surface of a sample with an ion beam, sample holding means for holding the sample at the ion beam irradiation position, the sample surface and the ion beam irradiation means. And a mass spectrometric means for analyzing ions in the space. The ion beam irradiation means scans the ion beam. Corresponding to the ion beam irradiation control means for converting the scanning speed of the ion beam, and the light irradiation means has a light irradiation control means for controlling the light beam irradiation corresponding to the scanning of the ion beam. Characteristic mass spectrometer. 【請求項７】上記光照射手段はパルス状の光を照射する
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の質量分
析装置。7. The mass spectrometer according to claim 5, wherein the light irradiating means irradiates pulsed light. 【請求項８】上記イオンビーム照射手段はパルス状にイ
オンビームを照射することを特徴とする請求項５乃至請
求項７のいずれか一に記載の質量分析装置。8. The mass spectrometer according to claim 5, wherein the ion beam irradiation means irradiates the ion beam in a pulsed manner. 【請求項９】上記イオンビーム照射制御手段は上記パル
ス状のイオンビームを異なる周波数で駆動するイオンビ
ームパルス制御装置を有し、且つ上記イオンビームの走
査に対応して該イオンビームパルス制御装置の駆動周波
数を切り換えることを特徴とする請求項８に記載の質量
分析装置。9. The ion beam irradiation control means has an ion beam pulse control device for driving the pulsed ion beam at different frequencies, and the ion beam pulse control device of the ion beam pulse control device corresponds to scanning of the ion beam. The mass spectrometer according to claim 8, wherein the drive frequency is switched. 【請求項１０】上記光照射手段はレーザ光源を有するこ
とを特徴とする請求項５乃至請求項９のいずれか一に記
載の質量分析装置。10. The mass spectrometer according to claim 5, wherein the light irradiation means has a laser light source. 【請求項１１】試料の表面にイオンビームを照射する領
域を設定し、該照射領域にイオンビーム照射装置を用い
てイオンビームを走査しながら照射し、該イオンビーム
照射装置と該試料表面との間の空間に該試料表面に略平
行な光ビームを間歇的に照射し、且つ該空間のイオンを
質量分離して検出する質量分析方法において、上記光ビ
ームの照射に対応して上記イオンビームの走査速度を変
化させることを特徴とする質量分析方法。11. An area for irradiating an ion beam is set on a surface of a sample, and the irradiation area is irradiated with an ion beam while scanning with an ion beam irradiating device, and the irradiation between the ion beam irradiating device and the sample surface is performed. In a mass spectrometric method of intermittently irradiating a space with a light beam substantially parallel to the sample surface, and mass-separating and detecting ions in the space, in response to irradiation of the light beam, A mass spectrometric method characterized by changing a scanning speed. 【請求項１２】試料の表面にイオンビームを照射する領
域を設定し、該照射領域にイオンビーム照射装置を用い
てイオンビームを走査しながら照射し、該イオンビーム
照射装置と該試料表面との間の空間に該試料表面に略平
行な光ビームを間歇的に照射し、且つ該空間のイオンを
質量分離して検出する質量分析方法において、上記照射
領域における上記イオンビームの走査位置に対応して上
記光ビームを照射することを特徴とする質量分析方法。12. A region for irradiating an ion beam is set on a surface of a sample, and the irradiation region is irradiated with an ion beam while being scanned by using an ion beam irradiating device. In a mass spectrometric method of intermittently irradiating a space with a light beam substantially parallel to the surface of the sample, and mass-separating and detecting ions in the space, corresponding to a scanning position of the ion beam in the irradiation region. And irradiating with the above-mentioned light beam. 【請求項１３】パルス状のイオンビームを試料表面の所
定の領域に走査しながら照射して、該試料表面から放出
される中性粒子にパルス状のレーザビームを照射して発
生したイオンを検出することにより該試料を分析する質
量分析方法において、上記パルス状のイオンビームを上
記所定の領域の中央部分と周辺部分とで走査速度を変化
させ、且つ該パルス状のイオンビームの繰り返し周波数
を該中央部分より該周辺部分で高くして走査し、上記レ
ーザビームは該中央部分でのイオンビームパルス照射時
に該イオンビームパルス照射に対応させて照射すること
を特徴とする質量分析方法。13. A ion beam generated by irradiating a pulsed ion beam while scanning a predetermined region on the sample surface and irradiating the neutral particles emitted from the sample surface with the pulsed laser beam is detected. In the mass spectrometry method for analyzing the sample by changing the scanning speed of the pulsed ion beam between the central portion and the peripheral portion of the predetermined region, the repetition frequency of the pulsed ion beam is A mass spectrometric method, characterized in that scanning is performed at a higher position in the peripheral portion than in the central portion, and the laser beam is irradiated corresponding to the ion beam pulse irradiation at the time of ion beam pulse irradiation in the central portion. 【請求項１４】上記イオン検出は、上記レーザビーム照
射に対応して行なうことを特徴とする請求項１３に記載
の質量分析方法。14. The mass spectrometric method according to claim 13, wherein the ion detection is performed corresponding to the laser beam irradiation. 【請求項１５】上記パルス状のレーザビーム照射の繰り
返し周波数を一定とし、上記パルス状のイオンビーム照
射は上記所定の領域の中央部分では該レーザビーム照射
と略同じ繰り返し周波数で、周辺部以外では該レーザビ
ーム照射よりも高い繰り返し周波数で、夫々行なうこと
を特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の質量分
析方法。15. The repetition frequency of the pulsed laser beam irradiation is constant, and the pulsed ion beam irradiation has substantially the same repetition frequency as the laser beam irradiation in the central portion of the predetermined region, and except the peripheral portion. 15. The mass spectrometric method according to claim 13, wherein the mass spectrometric method is performed at a repetition frequency higher than that of the laser beam irradiation. 【請求項１６】上記イオンビームによる上記所定の領域
の周辺部分の照射は、上記レーザビームの照射の間に該
周辺部分の全てを照射することを特徴とする請求項１３
乃至請求項１５のいずれか一に記載の質量分析方法。16. The irradiation of the peripheral portion of the predetermined region with the ion beam is performed by irradiating the entire peripheral portion during the irradiation of the laser beam.
16. The mass spectrometric method according to claim 15. 【請求項１７】上記イオンビームの走査を上記所定の領
域の最も外側の位置から該領域の中心位置に向かうか、
又は該中心位置から該最も外側の位置に向かうようにし
たことを特徴とする請求項１３乃至請求項１５のいずれ
か一に記載の質量分析方法。17. The scanning of the ion beam is directed from the outermost position of the predetermined region to the center position of the region,
Alternatively, the mass spectrometric method according to any one of claims 13 to 15, characterized in that the mass spectroscopic method is performed from the central position toward the outermost position. 【請求項１８】イオンビームを試料表面の所定の領域に
走査しながら照射して、該試料表面から放出される中性
粒子にレーザビームを間歇的に照射して発生したイオン
を検出することにより該試料を分析する質量分析方法に
おいて、上記所定の領域において上記イオンビームを中
央部分で連続的に、周辺部分でパルス状にして夫々走査
しながら照射し、該中央部分でのイオンビーム照射時に
上記レーザビームを照射することを特徴とする質量分析
方法。18. A method for irradiating an ion beam while scanning a predetermined region of a sample surface, and intermittently irradiating a neutral particle emitted from the sample surface with a laser beam to detect ions generated. In the mass spectrometric method for analyzing the sample, the ion beam is continuously irradiated in the central portion in the predetermined region and pulsed in the peripheral portion, and the irradiation is performed while scanning the ion beam. A mass spectrometric method comprising irradiating a laser beam. 【請求項１９】半導体素子の製造工程において、半導体
基板又は半導体素子を試料として任意に抽出する第１の
工程と、該試料の検査すべき領域を有する表面とイオン
ビーム照射装置のイオンビーム出射部とが対向するよう
に該試料を配置する第２の工程と、該検査すべき領域に
イオンを走査しながら照射し、該イオンビーム出射部と
該検査すべき領域を有する試料表面との間の空間に該試
料表面に略平行な光ビームを間歇的に照射し、且つ該空
間のイオンを質量分離し検出して分析する第３の工程
と、該第３の工程での分析結果を基づき該半導体素子の
製造工程を評価し、且つ該半導体素子の製造工程にフィ
ードバックをかける第４の工程からなり、上記第３の工
程は上記イオンビームの走査速度を光ビームの照射に対
応して変化させて行なうことを特徴とする半導体素子の
製造方法。19. In a process of manufacturing a semiconductor element, a first step of arbitrarily extracting a semiconductor substrate or a semiconductor element as a sample, a surface of the sample having a region to be inspected, and an ion beam emitting part of an ion beam irradiation apparatus. And a second step of arranging the sample so that they are opposed to each other, and irradiating the region to be inspected with ions while scanning, and between the ion beam emitting part and the sample surface having the region to be inspected. A third step of intermittently irradiating a space with a light beam substantially parallel to the surface of the sample, and mass-separating and detecting the ions in the space to analyze, and based on the analysis result of the third step, It comprises a fourth step of evaluating the manufacturing process of the semiconductor device and feeding back the manufacturing process of the semiconductor device. The third process changes the scanning speed of the ion beam in accordance with the irradiation of the light beam. Line The method of manufacturing a semiconductor device characterized Ukoto. 【請求項２０】半導体素子の製造工程において、半導体
基板又は半導体素子を試料として任意に抽出する第１の
工程と、該試料の検査すべき領域を有する表面とイオン
ビーム照射装置のイオンビーム出射部とが対向するよう
に該試料を配置する第２の工程と、該検査すべき領域に
イオンを走査しながら照射し、該イオンビーム出射部と
該検査すべき領域を有する試料表面との間の空間に該試
料表面に略平行な光ビームを間歇的に照射し、且つ該空
間のイオンを質量分離し検出して分析する第３の工程
と、該第３の工程での分析結果を基づき該半導体素子の
製造工程を評価し、且つ該半導体素子の製造工程にフィ
ードバックをかける第４の工程からなり、上記第３の工
程は上記光ビームを上記イオンビームの走査位置に対応
して照射することを特徴とする半導体素子の製造方法。20. A first step of arbitrarily extracting a semiconductor substrate or a semiconductor element as a sample in a semiconductor element manufacturing step, a surface of the sample having an area to be inspected, and an ion beam emitting section of an ion beam irradiation apparatus. And a second step of arranging the sample so that they are opposed to each other, and irradiating the region to be inspected with ions while scanning, and between the ion beam emitting part and the sample surface having the region to be inspected. A third step of intermittently irradiating a space with a light beam substantially parallel to the surface of the sample, and mass-separating and detecting the ions in the space to analyze, and based on the analysis result of the third step, It comprises a fourth step of evaluating the manufacturing process of the semiconductor device and giving feedback to the manufacturing process of the semiconductor device. The third process is to irradiate the light beam corresponding to the scanning position of the ion beam. To The method of manufacturing a semiconductor device according to symptoms.