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そよまきい
7 years ago
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1 計測フロンティア研究部門クラスターSIMSによるシャロードーパント測定イオンビーム源巨大分子金属クラスター錯体質量分析計二次イオン Ir4(CO)1 分子量二次イオン質量分析 SIMS 藤原幸雄近藤貢二寺西義一野中秀彦齋藤直昭藤本俊幸黒河明一村信吾富田充裕* 産業技術総合研究所計測フロンティア研究部門 *東芝研究開発センター

2 0. 発表の概要金属クラスター錯体 ( Ir 4 (CO) 1 : 分子量 ) を用いたイオン源を開発しその特性を調べ SIMS 分析を実施 Boron 多層デルタ Silicon 試料において 1nm 未満 (0.9nm) の深さ分解能を実証 ( ビームエネルギー :5 kev ) クラスターイオンビーム照射を用いた Cluster SIMS は有用である

3 目次 ( 0 概要 ) 1 はじめに - クラスター SIMS とは -SIMS 分析の課題金属クラスター錯体イオン源の特性 3 Boron 多層デルタSi 試料のSIMS 分析 4 表面荒れ ( リップル ) の問題 5 まとめ

4 1-1. 二次イオン質量分析法 (SIMS) SIMS : 表面分析手法の一つ - 深さ方向も含めた 3 次元の濃度分析 - 高感度 (ppm~ppb) 課題 : 半導体デバイスの薄膜化の進展に伴い深さ分解能の更なる向上 (sub-nm レベル ) イオンビーム源クラスターイオン源 Ir 4 (CO) 1 の利用質量分析計二次イオン分析試料 Boron 多層デルタ Si 試料の SIMS 分析

5 1-. 表面分析法の比較分析方法 SIMS Cluster SIMS XPS (ESCA) AES EPMA RBS 二次イオン質量分析法 (Secondary Ion mass spectrometry) クラスター SIMS X 線光電子分光法 (X-ray photoelectron spectroscopy) オージェ電子分光法 (Auger electron spectroscopy) 電子プローブマイクロアナリシス ( Electron probe micro analysis) ラザフォード後方散乱分光法 (Ratherford backscattering) 励起プローブイオン (O + Cs + Ga + ) クラスターイオン (Au 3 + 等 ) X 線電子など電子 He + など検出信号二次イオン二次イオン光電子オージェ電子特性 X 線散乱 He + 面分解能 100nm~ 100nm~ 数十 μm~ 10nm~ 数百 nm~ 1mm~ 検出感度 ppm~ppb ( 高感度 ) ppm~ppb ( 高感度 ) 0.1% 0.1% 0.1% 軽元素 (B,C): 10% 重元素 : 数十 ppm その他全元素 (H~U) 同位体分析微量元素深さ方向 3 次元分析分子種も分析 (~ 10,000 Da) 低ダメージ分析化学状態絶縁体や有機物の分析も可能 (H Heを除くLi 以上 ) 元素分析 (H He を除く Li 以上 ) 元素分析 (WDX で B 以上 EDX で Na 以上 ) 非破壊定量性が良い面分解能や感度はおおよその目安装置や分析条件で大きく変わりうる

6 1-3. SIMS 分析の応用分野計測フロンティア研究部門 ( 医療診断 ) 半導体 ( 創薬 ) 半導体セラミックス化学工業セラミックス化学工業鉄鋼鉄鋼 SIMS ( 1970 年頃 ~ 現在 ) クラスター SIMS ( 000 年頃 ~ 現在 )

7 ご参考クラスター SIMS による生体試料イメージング他の表面分析法と異なり SIMS は質量分析の側面を持つ他の質量分析法 (MALDI 等 ) と相補的な応用が拡大中 m/z 83 赤 m/z 771 青 m/z 89 緑クラスターイオンの利点 ( Cluster SIMS ) 1 高分子量域の二次イオン強度が飛躍的に増大低分子量域においても二次イオン強度が向上 3サンプルのダメージが比較的小さい有機物や生体試料等に対しても 3 次元分析が可能ラットの脳の SIMS 分析クラスター + 飛行時間型 (TOF-MS) +SIMS Imaging ( or 3D) Mass Spectrometry Amy V. Walker, Anal. Chem. 80 (008) p8865.

8 1-4. 代表的なイオン種 (1) 従来の原子 ( 分子 ) イオン O + (3 u) Ar + (40 u) Ga + (69 u) Cs + (133 u) () 近年 SIMS に用いられているクラスターイオン SF 5+ (146 u) Au 3+ (591 u) C 60+ (70 u) (3) ガスクラスターイオン帯電液滴 Ar n z+ (MW 40 n 個 ) [ 100H + (H O) ] 100+ Fujimoto et al., Surf. Interface Anal. 37 (005) 164. 金属クラスター錯体 : 化学的に合成された大きな分子 Ir 4 (CO) 1 ( MW ) ( MW ) ( MW 59. ) ( MW 431. ) ( MW 4750 ) 利点 :1 コンパクトクラスターサイズの分布が狭い

9 1-5. クラスターイオンの比較イオンビーム化される物質状態イオンのサイズ ( 分子量 ) 計測フロンティア研究部門イオン化法価数構成原子分析材料 (SIMS) SF 6 気体分子量 146 u 電子衝撃 +1 S : 3 u F : 19 u Au 3 Bi 3 液体金属分子量 591 u 分子量 67 u 電界脱離 +1 Au : 197 u Bi : 09 u ( 無機有機 ) ( 無機 ) 有機 C 60 固体分子量 70 u 昇華電子衝撃 Ir 4 (CO) 1 固体分子量 1105 u 昇華電子衝撃 +1 C : 1 u 有機 +1 Ir : 19 u C : 1 u O : 16 u 無機有機ガスクラスター (Ar n など ) 気体 Ar : 40 u n : 数百 ~ 数万 10 4 ~10 6 u 断熱膨張電子衝撃 +1 ~+ 程度 Ar : 40 u 有機帯電液滴 ( (H O) H ) 液体分子量 ~10 6 u ( 直径 ~ 10nm) エレクトロスプレー +100 程度 H : 1 u O : 16 u 有機 Ir 4 (CO) 1 : 無機 (Si 系 ) ならびに有機材料の SIMS 分析にて有用性を実証済み

10 目次 ( 0 概要 ) 1 はじめに - クラスター SIMS とは -SIMS 分析の課題金属クラスター錯体イオン源の特性 3 Boron 多層デルタSi 試料のSIMS 分析 4 表面荒れ ( リップル ) の問題 5 まとめ

11 1-6. スパッタリングの機構入射イオンは試料原子と衝突を繰り返し運動エネルギーを与えながら減速する試料原子同士も衝突を繰り返す ( 衝突カスケード ) 表面結合エネルギーよりも大きい場合には真空中に放出されるイオンビームスパッタされる粒子 (a) 中性粒子 (b) 正イオン (c) 負イオンターゲット材料スパッタリング収率 : 入射イオン 1 個あたりの放出される試料原子数 [atoms/ion]

12 1-7.SIMS 分析の課題半導体中の深さプロファイル測定表面の 1~ 原子層からスパッタされた二次イオンを質量分析入射イオンは試料の深くまで侵入 ( SIMS 的には無駄 & 好ましくない ) 課題 1 : 表面荒れ課題 : ミキシングトレードオフ的ビームエネルギー低下が有効 ( = 飛程を短くする ) 一次イオンビーム低エネルギー化の問題 (1) スパッタ率の低下 () ビーム電流値の低下 Boron 層分析試料の断面図クラスターイオンビームの長所飛程が短い ( 低ミキシング ) スパッタリング率が高いラテラルスパッタ ( 表面荒れ抑制 ) クラスターイオンの長所 : SIMS 用一次イオンビームとして期待

13 1-8. 低エネルギー化の問題点 (1) スパッタ率の低下 Ar + Xe + ビーム O + ビーム 150 ev( チャンピオンデータ ) Blank et al., JAP 50 (1979) p1519. Clegg et al., JVST. A14 (1996) p645.

14 1-9. 低エネルギー化の問題点 () イオンビーム電流の低下イオンビームの最大電流密度加速電圧の 1.5 乗で増加 ( 空間電荷制限電流 ) J si = 4 9 ε d 0 q m 1 V 3 加速電圧電流密度空間電荷制限電流 J V 1.5 加速電圧加速電圧を 1/100 1/ /1000 1/1000 に低下に低下イオン生成部イオンビームイオン加速部加速電圧ビーム電流の低下 & スパッタ率の低下により分析の長時間化 & 感度低下

15 1-10. クラスターイオンビームの特徴 (1) クラスターイオンは衝突した瞬間にバラバラに砕けエネルギーは個々の粒子に分配される電荷 q 加速電圧 V + + (1) 質量が m 1 m m 3. m n-1 m n から構成されるクラスターの場合 1 + イオンビーム ( m m + m + + m + m ) v qv + 3 n 1 n = 1... m v = () 質量 m 1 の粒子が n 個の場合粒子 1 個あたりのエネルギーは 1 1 m v 1 = qv n 1 1 粒子あたりのエネルギーは 1/n に低下 (= 実質的に低エネルギー化 ) エネルギーの低い多数の粒子を同時かつ高密度に照射可能クラスターイオン照射の利点 : 高いスパッタ率 ( Y n で増大 ) 低損傷 etc.) qv +

16 1-11. クラスターイオンビームの特徴 () 加速電圧が同じ場合でも照射効果が著しく異なるモノマーイオンビーム + ( 例えば Ar 10keV ) クラスターイオンビーム + ( 例えば Ar + ) + 表面近傍のみ分析試料エネルギー付与の領域大きく異なる密度分析試料深くまで侵入 ( 飛程が長い ) Mixing の悪影響が大きい SIMS 的には短所侵入深さは浅い ( 飛程が短い ) Mixing の影響は小スパッタ率は大 SIMS 的には長所

17 減衰長 λd [nm] 質量 [u] 計測フロンティア研究部門 1-1. SIMS 深さ分解能の Mass 依存性 Ne + O + Mass 依存性 ( 1keV, 5.5 o ) Ar + ( 原子量 131 u) Kr + Xe + SF 5 + ( 分子量 17 u) 減衰長 λd [nm] より重く構成原子数の多い Ir 4 (CO) 1 ( 分子量 ) を用いた 1 イオンビーム化の実証ならびに高精度 SIMS の実現を目指す ( 目標 :0.1nm 台の深さ分解能 ) Energy 依存性 Xe SF5+ SF 5 + ( 分子量 17 u) エネルギー [ev] Xe + ( 原子量 131 u) ( 5.5 o ) ( K. Iltgen et al., J. Vac. Sci. Technol. A15, 460 (1997) )

18 1-13. シャロードーパント分析の課題イオン注入の影響が定常化するまでの深さ ( 遷移領域 ) イオン注入された原子の深さ方向の濃度分布の変化スパッタ表面での濃度変化 Ion beam Atomic fraction Sputtering depth スパッタ表面 1/(1+Y) 表面における注入原子の濃度遷移領域 ( 飛程の倍程度 ) 1/(1+Y) Depth direction スパッタ時間遷移領域ではスパッタリング速度と二次イオン化率が変化分析が難しい遷移領域の影響を抑制する観点からもクラスターイオンビームが有利 ( 理由 : 1 飛程が短いスパッタ率 Y が高い ) 極浅領域の高精度分析

19 章のまとめ SIMS 深さプロファイル分析における課題 - ミキシング - 表面荒れ - 遷移領域 (at シャロードーパント ( 極浅不純物 ) 分析 ) クラスターイオン照射は - スパッタ率が高い - 実質的に低エネルギー入射 (at 高加速電圧 ) クラスター SIMS は課題を解決できるものと期待

20 目次 ( 0 概要 ) 1 はじめに - クラスター SIMS とは -SIMS 分析の課題金属クラスター錯体イオン源の特性 3 Boron 多層デルタSi 試料のSIMS 分析 4 表面荒れ ( リップル ) の問題 5 まとめ

21 -1. 金属クラスター錯体 (Ir 4 (CO) 1 ) 米国 Strem 社製 ( 約 3 万円 /g )

22 -. 金属クラスター錯体イオン源の構造 Feedthrough Fujiwara et al., Jpn. J. Appl. Phys. 45 (006) 6000 Insulator Cylindrical filament Reservoir Extraction electrode Wien Filter Einzel Lens Target Grid Heater Ground electrode Mass Analyzer Ionization chamber Conventional ion source 金属クラスター錯体 ( Ir 4 (CO) 1 ) をルツボに充填し 160 程度に加熱して昇華電子衝撃によりイオン化し Wien Filter (E B) を用いて質量分離

23 -3. イオン源の特性 - Ir 4 (CO) 1 - Beam current [na] Wien-Filter 電圧依存性 Ir 4 (CO) + 7 Ir 4 (CO) + 1 Ir + 4 Ir 4 (CO) + 7 Anode : kv Filament:.55A Grid : 135V Ext : -40V Temp : 16 o C E = B Wien-filter volatage [V] qv m Aperture current [na] WienFilter 電圧を調整 : Ir 4 (CO) 7+ を主成分とするビーム生成ビーム電流の変化 : 時間ビーム電流の安定性 Ir 4 (CO) Aperture current [na] Time [hour] Temperature [oc] Average rate of current change: -0. [%/hour] Anode : 3kV Lens :.05kV Filament:.6A Grid : 135V Ext : -80V Deflector X: -4V Deflector Y: -43V Temperature [ o C]

24 -4. スパッタリング率 Ir 4 (CO) 7+ - Sputtering yield [silicon atoms/ion] スパッタリング率のエネルギー依存性 Ir4(CO)7+ SF5+ Ar+ デポジション発生 Ir 4 (CO) Ion-beam energy [kev] Ar + の 0 倍以上! SF 5 + Ar + 高いスパッタ率 1 10keV : 高スパッタリング率同じ所に同時かつ高密度で入射する効果 ( non-linear effect ).5keV : デポジションなぜデポジションが起こるのか? Fujiwara et al., J. Appl. Phys. 100 (006)

25 -5. HR-RBS 結果 (Ir 4 (CO) 垂直 ) 酸素吹き付け有り ( Torr) スパッタ深さ 0nm Ir の飛程 (6.7nm) Ir 4 (CO) 10keV は 1 Ir (1.99 kev) : 4 個 C (0.1 kev) : 7 個 3 O (0.17 kev) : 7 個 ( Torr ) Concentration [%] C Silicon Iridium Oxygen Carbon O Si Ir 表面近傍に Caron 0 Ir は Si/SiO に偏析 Fujiwara et al., J. Appl. Phys. 10 (007) Depth [nm]

26 -6. 考察 - デポジション機構 - 計測フロンティア研究部門デポジションの発生表面上の carbon が重要スパッタリングのしきい値の変化 Eth [ev] Ir C O Silicon target Iridium target Carbon target (A) ターゲットが Silicon の場合 ( 計算値 ) (B) ターゲットが Carbon の場合 ( 計算値 ) Sputtering yield [silicon atoms/ion] Ir*4+C*7+O*7 Ir C O Ir 4 (CO) 7 C Ir O Beam energy of Ir 4 (CO) 7 + [kev] 表面上の carbon によりスパッタリング率が低下それによりさらに一層 carbon がデポジション ( 質量分離により Ir 4+ (MW 768.8) のみを選択しある程度抑制可能 ) Sputtering yield [silicon atoms/ion] Ir*4+C*7+O*7 Ir C O kevではマイナス Ir 4 (CO) 7 C Ir O Beam energy of Ir 4 (CO) 7 + [kev]

27 -7. 材料との相互作用 ( モデル ) (a) In high energy region High sputtering yield Before bombardment After bombardment (b) In middle energy region Sputtering > Deposition Before bombardment After bombardment (c) In low energy region Sputtering < Deposition Before bombardment After bombardment (10keV 程度に相当 ) 各原子がスパッタリングに十分なエネルギーを有している (3keV 程度に相当 ) Ir のように重い原子はスパッタリングに十分なエネルギーを持つが C や O はスパッタに寄与しない ( むしろデポジション ) しかし全体としてはスパッタリング (kev 程度に相当 ) Ir のように重い原子のスパッタリング効果も低下し C のデポジションの影響が支配的となるデポジションが発生 Fujiwara et al., JAP. 100 (006)

28 目次 ( 0 概要 ) 1 はじめに - クラスター SIMS とは -SIMS 分析の課題金属クラスター錯体イオン源の特性 3 Boron 多層デルタSi 試料のSIMS 分析 4 表面荒れ ( リップル ) の問題 5 まとめ

29 3-1.SIMS 実験 SIMS 装置 (ATOMIKA 4000) に取り付け実験 ( 東芝殿との共同実験 ) 金属クラスター錯体イオン源酸素イオン銃金属クラスター錯体イオン源はコンパクト既存の SIMS 装置に容易に取り付け可能

30 3-. Ir 4 (CO) 7+ : Si 基板の SIMS 深さ分析イオン源分析試料の断面図 ( 多層の Boron 層を有する Si 基板 ) Ir 4 (CO) B + 二次イオン質量分析 (SIMS) 二次イオン nm 0nm 0nm 0nm 質量分析器 1nm 未満の深さ分解能 ( 0.9nm ) ビームエネルギー :5keV 入射角度 45 o 酸素吹き付け有り Tomita et al., Appl. Phys. Lett. 89 (006) Boron 層 Si 基板 11 B Secondary Ion Intensity [cps] 11 B Secondary Ion Intensity [cps] (A) O + ビームの場合 10 1 ビームエネルギー :10keV 入射角度 : 60 o Apparent depth [nm] (B) Ir 4 (CO) 7+ ビームの場合ビームエネルギー :10keV 入射角度 : 60 o Apparent Depth [nm]

31 3-3. 深さ分解能 (λ d ) のまとめ角度依存性 ( 酸素吹き付け有り ) エネルギー依存性 Decay length (1/e) [nm] keV 6keV 5keV 4keV 3keV 4keV 3keV 6keV 5keV ベスト条件 5keV, 45 o 10keV Incident angle [deg] Decay length (1/e) [nm] Ir4(CO)7+@45o, without O flooding Ir4(CO)7+@45o, with O flooding 酸素吹き付け無し酸素吹き付け有り 4keV 以下では逆に悪化 Beam energy [kev] 酸素吹き付け有り条件: 5keVまではエネルギーを低下することでしかし 4keV 以下では悪化酸素吹き付け無し : 単調に変化深さ分解能 λd は向上 M. Tomita et al, NIM B 58 (007) p4.

32 3-4. 深さ分解能の悪化要因考えられる要因 SiO のバッファー効果の低下初期条件 Boron delta layer 酸素吹き付けによる SiO 化 Si Si Si Si Si 深さ方向への膨張 SiO SiO SiO SiO SiO Carbonによる SiO 化の阻害 Carbon layer 酸素ガスの吹き付け効果 (10-4 Pa) による SiO 化 ( = 深さ方向への膨張 ) 深さ分解能の向上 ( バッファー効果 ) しかし表層の C の存在により SiO の形成が阻害 SiO 層のバッファ効果の低減ミキシングが増大 ( 深さ分解能の劣化 ) M. Tomita et al, NIM B 58 (007) p4. SiO x SiO x SiO x SiO x SiO x Fujiwara et al., Appl. Sur. Sci. 55 (008) p916

33 目次 ( 0 概要 ) 1 はじめに - クラスター SIMS とは -SIMS 分析の課題金属クラスター錯体イオン源の特性 3 Boron 多層デルタSi 試料のSIMS 分析 4 表面荒れ ( リップル ) の問題 5 まとめ

34 計測フロンティア研究部門 4-1 表面荒れ-10keV 垂直入射Si基板を10keV 垂直入射で 7μmスパッタリングした後のAFM測定 Teranishi et al., Jpn. J. Appl. Phys. 45 (006) 558 Produced crater RMS = 0.3 nm 10keV 垂直入射の場合には周期構造は観察されない

35 4-. 実験結果斜め入射 (45 o ) - (1).5keV () 3keV (3) 5keV 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm ( リップル波長 = 50 nm ) ( リップル波長 = 45 nm ) ( リップル波長 = 8 nm ) ナノレベルの周期構造 ( リップル ) 形成が確認された ( 従来のイオンビーム照射とは異なり ) Ir 4 (CO) 7+ の場合 : 入射エネルギーの低下とともにリップル波長が増大する傾向 Fujiwara et al., Jpn. J. Appl. Phys. 46 (007) L854

36 ご参考クレーターのサイズ - 文献から - MD シミュレーション C 60 Ag Z. Postawa et al., J. Phys. Chem. B 108 (004) 7831 クレーターの直径は数 nm 程度と予想される表面荒れ( リップル ) 形成の興味深い点クレーターサイズよりもはるかに大きな周期構造が形成されうる

37 ご参考リップル形成モデル (BH モデル ) Bradley & Harper, JVST A. 6 (1988) 390. ビームの入射 h R t ( x t) = h cos( q x ωt) e, 0 c R q の最大値 ( = q c ) G. Carter, J. Phys. D. 34 (001) R1. q あるいは Euler s formula を用いてここで h : 表面の高さ q c : 波数 ω : 角周波数 R ( q x t ) Rt ( ) e i c ω + x, t = h R(q,t) : Exponential amplification rate f a n 4 ( q, t) = Y ( θ ) Γ( θ ) q D q スパッタ率の curvature 依存性による荒れ増大の項 h 第 1 項 0 T 第項 ( q の関数 ) 表面拡散による平滑化の項荒れ増大の項と平滑化の項のバランス成長する q c が選択される

38 4-3. 表面荒れ (RMS) -Ir 4 (CO) 7+ - 入射角度依存性エネルギー依存性酸素分圧依存性 RMS surface roughness [nm] Ir4(CO)7+@10keV Ir4(CO)7+@5keV O+@10keV O+@5keV Ar+@10keV Ir 4 (CO) Ir 4 (CO) RMS surface roughness [nm] Without oxygen flooding 入射角度 45 RMS surface roughness [nm] keV Incident angle [deg] Beam energy [kev] 0 1.0E E E E E E-05 Gas pressure [Torr] Ir 4 (CO) + 7 照射による表面粗さ (RMS) は 1 入射角度の増大エネルギーの低下 3 酸素分圧の増大に伴い増大するスパッタリング率の低下による Dose 量の増大と Ir や C の濃度上昇に起因 Fujiwara et al., JJAP. 46 (007) L854

39 4-4. リップル形成のモデル -Ir 4 (CO) 7+ - Ir 4 (CO) 7 + Ir 4 (CO) 7 + Ir 4 (CO) 7 + Ir 4 (CO) 7 + スパッタ率の角度依存性入射角度が垂直に近いスパッタリング率が小注入された Ir C O の成分大スパッタが一層遅くなる入射角度が大きいスパッタリング率が大 Ir C O の成分は少ないスパッタ速度は速い Wittmaack, NIM 18 (1983) 307. 表面近傍が Ir C O 成分の多い領域と少ない領域に相分離スパッタリングによる表面荒れ (= リップル形成 ) がさらに増長 ( 対策イオンビームを垂直に入射することで抑制可能 ) Fujiwara et al., JJAP. 46 (007) L854

40 4-5.4 章 ( 表面荒れ ) のまとめ Ir 4 (CO) 7+ イオン照射でも斜め照射の場合には表面荒れ ( リップル ) が形成されるリップル形成はイオンビームを垂直入射することで抑制されるクラスター SIMS においても表面荒れ ( リップル ) が問題となりうるため注意が必要である

41 5-1. 全体のまとめ金属クラスター錯体 ( Ir 4 (CO) 1 : 分子量 ) を用いたイオン源を開発し SIMS 分析を実施 Boron 多層デルタ Si 試料で 1nm 未満 (0.9nm) の深さ分解能を実証 ( ビームエネルギー :5 kev ) クラスターイオンビームを用いた Cluster SIMS は有用である

42 5-. 今後の課題新規のクラスターイオン源の開発 (1) 揮発性 (or スパッタされやすい ) 元素から構成されるクラスターイオンの利用 ( デポジションの抑制 ) () ビーム径の縮小 ( 面分解能の向上 ) (3) 電流値の増大など真空中におけるエレクトロスプレーを用いた帯電液滴ビーム源を研究開発中

43 ご静聴ありがとうございました

44 Appendix 計測フロンティア研究部門

45 ご参考各構成原子のエネルギー Estimated effective kinetic energy of each atom constituting the metal-cluster-complex ions ratio 10keV 9keV 8keV 7keV 6keV 5keV 4keV 3keV kev 1keV Ir 4 (CO) 7 + Ir C O Heavier atoms constituting metal-cluster-complex ions such as iridium have higher kinetic energy, whereas lighter atoms such as carbon and oxygen possess lower kinetic energy. Large mass difference results in large energy difference!

46 ご参考スパッタリングの計算式スパッタリングのしきい値の計算式 E E Y th s = M M 1 M 1 + o (, 0 ) ( ) Eth 1 E E = = Q s 1 th α ε, ε = a L S n 0 n E0 E0 E M M + M a M Surface binding energy ( Sublimation energy ): (1) Si : 4.63 ev () Ir : 6.94 ev (3) C : 7.37 ev スパッタリング率の計算式 L 0 (3) 1 Z1 Z e Q M1 M E = 1.633Z1 Z ( Z1 + Z ) s M1 + M π = 1 = ab Z Z Z Z 0.5ln( ε ) ε = (6) ε ε ε ( ) (1) M 0.05 ( M M ) () M, 1 (5) (4) [Reference] - Eckstein W, et al. J. Nucl. Instr. and Meth. B. 1993; 83: Bohdansky J. Nucl. Instr. and Meth. B. 1984; : Garcia-Rosales C, et al. J. Nucl. Mater. 1994; 18: 8.

47 ご参考スパッタリング率 (Y n ) スパッタリング率は n で増大する Y n ( Au n : n は個数 ) H.H. Andersen et al., PRL 80 (1998) 5433.

48 ご参考スパッタリング率の元素依存性 Ar 400 ev Ne 400 ev Laegreid et al., JAP 3 (1961) p365.

49 ご参考二次イオン化率の元素依存性二次イオン質量分析法 ( 丸善株式会社 1999)

50 ご参考拡張 BH モデル R BH モデルを基にいろいろな人が拡張中 f a n ( q, t) = Y ( θ ) Γ( θ ) q D q D f q F( E) d cos θ q F d q T I f n r s スパッタ率の curvature 依存性による荒れの項表面拡散による平滑化の項結晶表面 : 表面拡散が大きく寄与アモルファス表面 : 粘性流が大きく寄与照射誘起表面拡散による平滑化の項 (Makeev, APL (1997) Ballistic 表面拡散による平滑化の項 Carter, PRB (1996) 反応性イオンビーム ( O +, N + ) は化合物を作り現象が複雑なため上手く定式化されていない Viscous flow による平滑化の項 Umback, PRL (001) Viscous flow に熱応力を入れたもの Alkemade, PRL (006)

51 ご参考イオンビームと材料との相互作用ビームエネルギー : イオンビームの重要なパラメータ加速電圧で制御可能イオンのエネルギー高低 ( 数十 kev 以上 ) + ( 数十 ev~ 数十 kev ) + ( ~ 数十 ev ) + 入射イオンイオン注入スパッタリング ( たたき出し ) デポジション ( 堆積 ) 応用分野半導体加工 SIMS 分析表面改質新材料

52 ご参考クラスターイオンビームの場合シングルイオンビーム低エネルギーの場合電流値が低下することは避けられない ( プロセス速度が非常に遅くなり工学的な利用には問題 ) クラスターイオンビームクラスターのエネルギーは個々の粒子に分配されるためエネルギーの低い多数の粒子を同時かつ高密度に入射可能 ( 大電流化と等価でありプロセス速度が非常に速い ) 極浅イオン注入例 : デカボラン (B 10 H 14 ) 高いスパッタリング率高速デポジション Layer-by-layer スパッタリング ( 堆積 ) 表面平坦化 ( ラテラルスパッタリング )

53 ご参考イメージング質量分析 -MALDI 法との比較 - ナノ材料 ( 無機有機半導体 ) から医学創薬試料までを高精度に分析イメージング質量分析 SIMS ( クラスター ) SIMS 質量分析 MALDI ( マトリクス支援レーザー脱離イオン化 ) (3 次元 ) ( 次元 ) SIMS : 深さ方向の質量情報も取得可能 ( 3 次元イメージング質量分析 ) 分析可能な分子量面分解能 vs. 分子量 m/z 10 6 タンパク質医療 10 5 目標 MALDI 元素有機半導体細胞のサイズ ( 約 10μm~) 目標 1 SIMS( 従来タイプ ) 面分解能 SIMS( クラスター ) [μm] SIMS: MALDI よりも面分解能に優れるしかし課題もある課題 : クラスターイオンビーム源の開発より大きいクラスター高集束性大電流化目標 1 の実現 ( 面分解能 < 1μm 分子量 > 1 万 )

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