Microsoft PowerPoint - SISS SIMS基礎講座 D-SIMS.ppt [互換モード]

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かげたつまつかた
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1 SIMS 基礎講座 D-SIMS( ダイナミック SIMS) について 2016 年 7 月 20 日アメテック ( 株 ) カメカ事業部三輪司郎

2 内容 1. D-SIMSとは? (Static SIMSとの違い応用分野 ) 2. D-SIMS 装置の構成簡単な構造原理 ( 質量分析計イオン源 ) 3. 応用例 4. まとめ

3 内容 1. D-SIMSとは? (Static SIMSとの違い応用分野 ) 2. D-SIMS 装置の構成簡単な構造原理 ( 質量分析計イオン源 ) 3. 応用例 4. まとめ

4 D-SIMS とは? CAMECA Instrument Japan K.K. D-SIMS (Dynamic SIMS) Static SIMS (ToF-SIMS) 1 次イオン照射量多い (>1e13 ions) 少ない (<1e13 ions) 試料破壊されるほとんど破壊されないイオン種 O Cs Ar,Ga,Au,Bi 化学的に活性不活性目的不純物高感度分析表面化学情報 ( 主として有機物 ) 1 次イオン 2 次イオン Si 表面の原子数 =1E15cm-2 照射イオン量が増えると原子ミキシングにより下層の原子が表面移動する 10~20nm X 線材料の結合も乱れてくる

5 1 次イオン照射とイオン注入効果 1 次イオンもエネルギーを持つ注入効果あり D-SIMS 分析時にイオン照射量を増やすとスパッタリングイオン注入バランスするそれ以前 ( 初期効果 ) では2 次イオン発生が安定しない O 2+, 10keV, 垂直入射 Cs 2+, 10keV, 垂直入射

6 D-SIMS の特徴高感度分析 ppm~ppb オーダの検出感度の分析が可能元素分析水素をはじめ周期律表の全ての元素の分析が可能 CAMECA Instrument Japan K.K. 深さ方向分析元素の深さ方向分布測定が可能 (µm オーダから nm オーダの範囲 ) 面内分析二次イオン像から面内の元素分布を知ることが可能同位体分析ミクロンオーダの領域での同位体比測定可能

7 Si 中の各元素検出下限 ( カメカ社セクター SIMS 典型例 ) MATRIX ELEMENT DETECTION LIMIT (at/cm 3 ) Hも含めた周期律表にあるほとんどの元素は ppm オーダーの検出下限で分析できる (5E16 = 1ppm 5E13 = 1ppb) Si 100 at.% = at/cm 3 H C N O B F Al P Cr Fe Ni Cu As Ag Pb

8 D-SIMS はどのような分野で使われているか半導体産業 IC の性能向上故障原因原子力産業安全利用生体科学生命の謎がわかる SIMS 地球科学惑星の起源がわかる data-point error ellipses are 材料科学材料組成不純物解析 UO/U

9 内容 1. D-SIMSとは? (Static SIMSとの違い応用分野 ) 2. D-SIMS 装置の構成簡単な構造原理 ( 質量分析計イオン源 ) 3. 応用例 4. まとめ

10 SIMS 装置の構成 O, Cs, Ar, Ga, Bi. 四重極セクター磁場 ToF イオン源エネルギーアナライザー質量分析計検出器装置制御電源試料移動機構試料導入室分析室真空ポンプデータ取り込み解析用コンピュータ

11 実際の SIMS 装置 ADEPT1010 IMS 7f CAMECA Instrument Japan K.K.

12 各元素の正負二次イオンの発生し易さの違い正の二次イオン負の二次イオン一次イオン :O 2 + 一次イオン :Cs + 二次イオン強度 ( カウント /10-9 C) 10 7 二次イオン強度 ( カウント /10-9 C) O 2+ Cs + を使い分けることで全元素の高感度分析が可能となる

13 イオン源について D-SIMS では主として O あるいは Cs イオン源を利用 O イオン源デュオプラズマトロン (Cameca, Phi) 最も一般的なイオン源電子線衝撃 (Ion-ToF) 簡単な構造のイオン源シングルプラズマ ( 旧 Atomika) RF(Cameca WF, NS50L) 大電流が得られる Cs イオン源 Cs イオン源表面電離型金属ソース ( 旧 Cameca, Phi, Atomika) 化合物ソース - 熱脱離 (Cameca) - 酸化還元 (Ion-ToF) 2 つのイオン源を利用することで全元素を高感度分析可能デュオプラズマトロンイオン源 IMS-7f

14 Cs イオン源の構造金属 Cs ソースヒーター Cameca Micro-beam Cs source W filament Cs 蒸気多孔質 W (1100 ) Cs ソース ( 炭酸セシウム ) W 板 (1100 ) Phi Cameca GICタイプ実際のセシウムアイオナイザーイオン化部の大きさ Cameca <Phi <GIC

15 O イオン源 (Duoplasmatron) の構造カソード Gas (O 2, Ar, N2, etc.) カソード中間電極アノード中間電極コイルアノードカソード / アノード間でアーク放電プラズマ発生中間電極 ( 正負イオン ) 正イオンと負イオン分離 : 効率アップカメカ社のSIMSでは中間電極を左右に移動させることができ高密度の負イオンを引き出すことができる

16 質量分析計の種類と特徴まとめ D-SIMS では主としてセクター磁場あるいは四重極質量分析計を利用四重極 (Q-pole) 型セクター磁場 (Sector) 型飛行時間 (TOF) 型モード Dynamic Dynamic Static (& Dynamic) 質量分析能低い (<2000) 高い (>10,000) 高い (>10,000) 特徴低エネルギー一次イオン 1 次イオン入射角が可変装置が比較的小型超高真空高感度高質量分解能制限視野分析絶対感度が高い全質量ピークの同時検出重いイオン (m/z>1,000) の分析が可能問題点質量分解能が不足感度不足 ( 特に High Mass 領域 ) ( 半 ) 絶縁物分析が苦手装置が大型高額一次イオンビームの電圧の低下が困難装置調整が難しいデータの解釈が難しい深さ方向の分析のスループットが低い応用薄膜 MOS Gate dielectrics MOS (Shallow)Junction 深さ方向分析 (μm 以上 ) イオン注入プロファイル高分子の分析 ( 有機 ) 汚染の評価 ( Shallow Depth Profile)

17 セクタ磁場型 SIMS の質量分析計 CAMECA Instrument Japan K.K. Field Aperture ( 角度分布視野を制限 ) ESA マグネット Entrance Slit ( レンズ収差を除去 ) Energy Slit ( エネルギー幅を制限 ) Exit Slit 検出器に入る二次イオンを選別

18 エネルギーアナライザー (ESA) CAMECA Instrument Japan K.K. マグネットによる二次イオンの質量分離ローレンツ力を利用した質量分離同一エネルギーの二次イオン分離する二次イオンの質量 : < < マグネット磁場 (B) 中の荷電粒子のローレンツ半径 E M r 2 q B 出口スリット軌道曲率半径 R (IMS 3~7f では 117 mm IMS1270/80 では 585 mm) 二次イオン ( ) の運動エネルギーを ESA により単一化二次イオンだけが出口スリットを通過するようにマグネットの磁場を設定だけが出口スリットを通過して検出器へ検出器へ

19 二重収束質量分析計 (Double Focus Mass Analyzer) ESA 高エネルギーイオン半径大マグネットスペクトロメータフィールドアパーチャレンズ低エネルギーイオン半径小入口スリット ESAのエネルギーの分散があるマグネットでは質量分散ありこれらは等価であるスペクトロメータレンズにより ESA で発散したイオンの軌道を内側にかえる調整出口スリット検出器へマグネット部の回転半径の差により出口の一点にフォーカスする幅広いエネルギーでイオンの質量分離可能 = 高感度分析

21 内容 1. D-SIMSとは? (Static SIMSとの違い応用分野 ) 2. D-SIMS 装置の構成簡単な構造原理 ( 質量分析計イオン源 ) 3. 応用例 4. まとめ

23 セクター SIMS 高質量分解能モードを利用した分析 Si 中のP 濃度高感度分析 Si 中のPは N 型不純物として重要な元素 31 P( 質量数 31) と 31 SiH( 質量数 30のSi+ 1 H) との質量が重なり検出下限が悪くなる問題がある = 質量干渉効果高質量分解能モードによる測定が必要セクター磁場型 SIMSでは質量分解能をあげることで僅かな質量の違いを分離して測定することが可能 (M/ M > ) 31 P: vs 30 Si: H: = となりの質量が異なる ( 質量欠損 ) 質量分解能 M/ M = 3957 : 質量欠損とは原子核中の陽子のクーロン反発力に逆らい原子核を維持するため質量の一部をそのエネルギーとして失うこと (E=mc 2 )

24 高質量分解能モードを利用したP 高感度分析 Pを含むSiの高分解能質量スペクトル Hを大量に含むアモルファスSi 中のP 分析 Profile obtained with LMR (quad) M M 25,000 4 つのピークを分離して分析

25 Cameca IMS-6f による高感度分析例 CAMECA Instrument Japan K.K. Conc, atom/cm3 1e17 1e16 1e15 Arsenic - 75As dose = 7.0e12at/cm2 Rp=0.3u 75As 28Si Conc, atom/cm3 1e18 1e17 1e16 Phosphorus - 31P dose = 9e12at/cm2 Rp=0.3u 31P 1e nm/s 1e nm/s 1e13 DL 1E13 at/cm 3 DL 1E13at/cm Depth, nm 1e14 DL 1E14at/cm 3 DL 1E14 at/cm Depth, nm 1e18 1e17 Boron - 11B dose = 1.0e13at/cm2 11B 28Si 11B 28Si 1e19 Hydrogen 1H dose = 1.0e14at/cm2 Rp=0.3u Conc, atom/cm3 1e16 1e15 1e14 DL 1E13 at/cm 3 1e13 Rp=0.3u DL 1E13at/cm Depth, nm Conc, atom/cm3 1e18 1e17 1H, 25 nm/sec DL 5E16at/cm Depth, nm

26 電子デバイス分野 SIMS 分析例 :GaN 系 LED Intensity (a.u.) Al H C O In 1.E+21 1.E+20 1.E+19 1.E+18 1.E+17 Concentration (at/cm 3 ) 0 1.E Depth (nm) 材料膜中へのH, C, O 混入は特性に大きく影響する SIMSではこれらの元素を高感度に検出できるそれぞれの元素の検出限界 : DL H DL C DL O (at/cm 3 ) (at/cm 3 ) (at/cm 3 ) 4.0E E E+16

27 材料科学分野 SIMS 分析例 : ポリシリコン Mg, Al, K, Ca, Ti, Cu 走査イオン像 Anal. Cond. : Cs +, 15 kev Sample : Poly- Silicon Large field of view (500 x 500 µm 2 ) Lateral resolution of few µm 2

28 原子力分野 SIMS 分析例 : 環境測定通常の同位体比微粒子の SIMS 分析 Cs 同位体の分析 35% enriched Uranium Isotope Pattern マススペクトルによる解析濃縮原料の判別

29 SIMS 分析時に注意する点 1 次イオンイオン種エネルギー入射角度 2 次イオン極性イオン種 ( 単原子クラスター ) CAMECA Instrument Japan K.K. マトリックス効果母材元素により 2 次イオンの生成効率が変化定量に影響大気ガス分析残留ガスの影響で BG が高い : 測定に工夫が必要絶縁物分析電子線による帯電中和

30 不純物 X ( 濃度 M) 材料 A 不純物 X ( 濃度 M) 材料 B SIMS における Matrix 効果とは CAMECA Instrument Japan K.K. 分析例 : AlGaInP/GaAs 中の B 濃度分布 Boron Ion counts GaAs 11B AlGaInP 31P AlGaInP LD 27Al Boronはイオン注入されているので本来連続的に変化桁以上 2 次イオン強度異なる 10 5 Al, P Ion Counts 同じ条件で SIMS で分析 2 次イオン強度 I A I B SIMS 分析では母材ごとに標準試料必要 Seconds

31 まとめ SIMS は高感度な表面分析法であり各種材料開発研究に役立つ手法です D-SIMS は Cs O などの化学活性なイオンの DC ビームによるスパッタリングを利用するためより高感度分析が可能ですイオン顕微鏡モード高質量分解能モードなど多彩な機能がありそれらうまく利用することで高度な材料評価が可能ですしかしながらマトリックス効果などデータ解釈する上での問題に気をつける必要があります

化学結合が推定できる表面分析　Ｘ線光電子分光法

化学結合が推定できる表面分析　Ｘ線光電子分光法 1/6 ページユニケミー技報記事抜粋 No.39 p1 (2004) 化学結合が推定できる表面分析 X 線光電子分光法加藤鉄也 ( 技術部試験一課主任 ) 1. X 線光電子分光法 (X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS) とは物質に X 線を照射すると物質からは X 線との相互作用により光電子オージェ電子特性 X 線などが発生する X 線光電子分光法ではこのうち物質極表層から発生した光電子