SIMS のアーティファクトについて ナノサイエンス株式会社 永山進 1 artifact( アーティファクト ) とは? 辞書を調べると Artifact ( 考古学 ), 人工品 人工遺物 ( 先史時代の単純な器物 宝石 武器など ) 出土品 Artifact ( 技術的なエラー ), 技術的な側面から入り込むデーターにおける望ましくない変化 ( 測定や解析の段階で発生したデータのエラーや解析のゆがみ ) 2 1
ION INTENSITY(a.u.) Artifacts in SIMS SIMS のアーティファクトを理解することがとても重要な理由は? SIMS データは視覚的に単純で理解しやすい ( 自己解釈に陥りやすい ) 沢山のアーティファクトを含む 間違った結論を導く可能性! 3 SIMS artifact 単純な構造の試料 : Au/GaAs 基板中の Au 分布 3000 A Au 1.E+06 1.E+05 GaAs 1.E+04 1.E+03 Au GaAs 1.E+02 1.E+01 1.E+00 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 DEPTH (um) 4 2
ION INTENSITY(a.u.) ION INTENSITY(a.u.) SIMS Artifact: マトリクス効果 単純な構造の試料 : Au/GaAs 基板中の Au 分布 (by 酸素ビーム ) 1.E+06 1.E+05 Au+ (oxygen bombardment) 1.E+04 1.E+03 Au GaAs 1.E+02 1.E+01 Au in GaAs 50 times more than pure Au!!?? 1.E+00 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 DEPTH (um) 5 SIMS Artifact: マトリクス効果 単純な構造の試料 : Au/GaAs 基板中の Au 分布 1.E+06 1.E+05 1.E+04 Au + (oxygen bombardment) Au+ (>80ev, oxygen bombardment) Au- (Cs bombardment) AuCs+ (Cs bombardment) 1.E+03 Au GaAs 1.E+02 1.E+01 1.E+00 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 DEPTH (um) 6 3
マトリクス効果の補正 低減 マトリクス効果の補正 マトリクス元素による規格化 材料毎の濃度校正 など マトリクス効果の低減 酸素照射法 ポストイオン化 MCs + など V40-142 すべての測定点における正確な深さと濃度を示すためには すべての測定ポイントの各点について 組成に対応したスパッタ速度と RSF 変化の補正を行う必要がある PCOR-SIMS SM Point by point Correction of Sputter Rate and RSF changes with respect to the composition Copyright 2015 Evans Analytical Group 4
C,Si CONCENTRATION (atoms/cc) Al CONCENTRATION (group III atom fraction) GaAs/AlAs DBR 10 20 Al 1 10 19 C (PCOR-SIMS) 0.1 10 18 C (routine SIMS) 0.01 10 17-3 10 200 300 400 500 600 DEPTH (nm) スパッタリングに関連するアーティファクト イオンが放出されるスパッタリング表面の分解能が深さ方向分布の分解能に影響 5
CONCENTRATION (atoms/cc) 2um Secondary Ion Intensity (a.u.) 荒い表面 (Rough Surface) n-gan が上向きの GaN チップ * 表面に凹凸有り n-gan n-gan Submount InGaN Active region p-gan Ag mirror 11 表面凹凸の影響を受けた分布 1E+21 1E+21 1E+20 1E+20 1E+19 1E+18 1E+17 1E+19 1E+18 1E+17 Mg Si Al-> Ga-> In-> 1E+16 1E+16 1E+15 1E+15 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 DEPTH (microns) 12 6
2um 製品調査 研磨による GaN チップ表面の平坦化 Rough surface Smooth surface n-gan n-gan Submount Submount 13 エピ層の平坦化 研磨による GaN チップ表面の平坦化 n-gan InGaN Active region p-gan Ag mirror 14 7
ION INTENSITY (a.u.) Ag SIMS profile on GaN From the polished surface Si-doped Si-doped InGaN InGaN QW/AlGaN/GaN 15 金属層の分析 p-side metal (after solder and Au removal) p- 電極 n- 電極 : p- 電極 : Au/Pt/Au/Pt/Ti/semi 1E+06 1E+05 1E+04 1E+03 Ti Ga Au Pt 1E+02 1E+01 1E+00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 DEPTH (microns) 16 8
ION INTENSITY (a.u.) クレータの表面荒れ リップル形成 コーン形成 表面荒れは主に多結晶材料でみられ 特に金属材料で顕著にみられる 単結晶材料でも分析深さが深くなると荒れが生じる 17 エピ層の分析 P- 電極除去後の分析 1E+07 p-side after all metals removal 1E+06 GaAs/AlGaAs/AlGaAs/InGaP QW/AlGaAs/GaAs 1E+05 1E+04 1E+03 Al P Ga As In 1E+02 1E+01 1E+00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 DEPTH (microns) 18 9
CONCENTRATION (atoms/cc) Secondary Ion Intensity (a.u.) 表面荒れの影響 表面荒さの異なる場所の分布 ( 同一試料 ) 平坦な表面 凹凸のある表面 SIMS アーティファクト : 欠陥の影響 Al2O3 基板直上の GaN 層側にみられる酸素の分布は 実際の分布? 1E+21 1E+21 1E+20 1E+20 (a) 拡散 1E+19 1E+18 1E+19 1E+18 O Si Ga-> (b) (c) コンタミ アーティファクト 1E+17 1E+17 1E+16 1E+16 1E+15 1E+15 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 DEPTH (microns) 答え : (c) 20 10
Concentration 欠陥の影響 A B ピンホール : 転位 1 2 3 1 2 A 3 B Depth 21 表面近傍におけるアーティファクト * 大気成分由来の表面汚染 *SIMS トランジェント領域 22 11
CONCENTRATION (atoms/cm3) Secondary Ion Intensity (a.u.) 表面におけるアーティファクト 微小パーティクル ピット 大気成分元素由来の汚染 パーティクルやピットを含むと SIMS ビームのエネルギーによって表面汚染成分が試料中に打ち込まれる ( ノックオン効果 ), その影響深さはビーム照射条件や試料表面状態に依存 : 1nm~10nm 或いは更に深くまで影響する 23 GaN 中の C, O の分布 1E+21 1E+21 1E+20 表面領域 1E+20 1E+19 1E+19 1E+18 1E+17 1E+18 1E+17 C O Al-> In-> 1E+16 1E+16 1E+15 1E+15 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 DEPTH (microns) 12
C CONCENTRATION (atoms/cc) Al CONCENTRATION (group III atom fraction) GaN HEMT 構造中の C, O の分布 表面近傍の拡大 低加速エネルギー条件使用 Surface CHOx 1.0E18 AlGaN AlN Al GaN C PCOR-SIMS SM 0.400 0.350 8.0E17 0.300 6.0E17 Al 0.250 0.200 4.0E17 C 0.150 2.0E17 C 0.100 C 0.050 0 0.000 0 10 20 30 40 50 60 DEPTH (nm) 26 13
GaAs 系 3 接合太陽電池 AR 1E6 InGaP top cell 1E5 Tunnel Junctions Solar Cell GaAs(In) middle cell Ge bottom cell Buffer 1E4 1E3 1E2 Al P Ga As In 1E1 1E0 0 1 2 3 4 5 6 7 DEPTH (microns) Applied Microanalysis Labs / FILE: 1414G1A 27 メモリー効果 ( 再付着 ) Background due to Memory effect Electrode Sample 28 14
濃度 Ge Bottom Cell Ge 基板中への As の拡散 As 異なる成長温度における GaAs エピ層から Ge 基板中への As の拡散分布 ( メモリー効果を低減するために GaAs エピ層を事前に除去 ) 29 定量化 検出下限 深さ分解能 深さ 30 15
トレードオフ SIMS 深さ方向分析における 3 つの重要な事柄 : - 検出下限 - 深さ方向分解能 - 定量化 分析条件のセッティングはこの 3 条件とトレードオフの関係である 最適な分析条件の選択は分析目的で決まる 31 上手な SIMS 分析のためには お客様の問題の理解 適切な分析条件の選択 ( 検出下限 深さ分解能, 定量化 ) 分析の一貫性 アーティファクトをフィルタリングすることで意味のある情報を抽出 装置性能を最大限に引き出す ( コストと品質のトレードオフ ) 32 16