Масс-спектрометр с одновременным анализом отрицательных и положительных ионов

 

Использование: относится к аналитическому приборостроению и может быть применено при анализе твердых тел с высокой чувствительностью и разрешающей способностью методом вторично-ионной массспектрометрии. Сущность изобретения1 спектрометр содержит ионную пушку 1, квадрупольный энергетический фильтр 2 вторичных ионов, образец 3, входные линзы 4, диафрагмы 5, квадрупольные фильтры 6 масс, выходные диафрагмы 7, детектор 8 положительных вторичных ионов, детектор 9 отрицательных вторичных ионов. Вторичные ионы, выбитые из образца под воздействием первичного пучка, в квадрупольном энергетическом фильтре 2 разделяются по знаку и направляются в противоположно расположенные квадрупольные фильтры 6 масс. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧГСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 Н 01 J 49/42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4799418/21 (22) 07.03,90 (46) 15.08,92. Бюл, № 30 (71) Научно-исследовательский технологический институт (72) Н,В.Коненков и А.Б,Толстогузов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 4538194, кл. Н 01 J 49/42. 1988, Заявка Японии

¹ 59-13151, кл. H 01 J 49/42, 1984. (54) МАСС-СПЕКТРОМЕТР С ОДНОВРЕМЕННЫМ АНАЛИЗОМ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ

И ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ (57) Использование: относится к аналитическому приборостроению и может быть применено при анализе твердых тел с высокой Ы 1155333 А1 чувствительностью и разрешающей способностью методом вторично-ионной массспектрометрии, Сущность изобретения: спектрометр содержит ионную пушку 1, квадрупольный энергетический фильтр 2 вторичных ионов, образец 3, входные линзы

4, диафрагмы 5, квадрупольные фильтры 6 масс, выходные диафрагмы 7. детектор 8 положительныx вторичных ионов, детектор

9 отрицательных вторичных ионов. Вторичные ионы, выбитые из образца под воздействием первичного пучка, в квадрупольном энергетическом фильтре 2 разделяются по знаку и направляются в противоположно расположенные квадрупольные фильтры 6 масс, 1 ил.

1755333

Изобретение относится к технике массспектрометрии вторичных ионов (MCBl1) и может быть использовано для элементного анализа поверхности твердых тел, в частности полупроводниковых структур, с высокой информативностью, разрешающей способностью и чувствительностью, Известно устройство, содержащее ионную пушку, энергетический фильтр вторичных ионов, входную линзу, квадрупольный фильтр масс (КФМ), Недостатком устройства является недостаточная информативность, обусловленная невозможностью одновременного анализа положительных и отрицательных ионов, а также одновременной визуализации в ионах и электронах зоны анализа в процессе измерений.

Наиболее близким к предлагаемому является масс-спектрометр вторичных ионов, содержащий источник ионов, энергетический фильтр, входную линзу, квадрупольный масс-спектрометр и детектор ионов..

Недостатком известного масс-спектрометра является недостаточная информативность, обусловленная невОзможностью одновременного анализа положительных и отрицательных ионов и одновременной визуализации в ионах и электронах исследуемой области в процессе анализа.

Цель изобретения — повышение информативности, указанная цель достигается тем, что масс-спектрометр вторичных ионов, содержащий ионную пушку. энергетический фильтр, первую входную линзу, первый квадрупольный фильтр масс и первый детектор ионов, снабжен последовательно расположенными второй входной линзой, вторым квадрупольным фильтром масс и вторым детектором ионов, а энергетический фильтр выполнен в виде квадрупольного конденсатора, размещенного между исследуемым объектом и ионной пушкой, причем первая и вторая входные линзы размещены с боковых сторон квадрупольного конденсатора напротив друг друга.

Суть изобретения состоит в использовании геометрических и ионно-оптических свойств квадрупольного конденсатора, позволяющих осуществить нормальное падение первичного пучка ионов на поверхность мишени (образца), одновременную сепарацию по энергиям вторичного ионного пучка, его пространственное разделение в зависимости от знака вторичного иона и направить пучки положительных и отрицательных ., ионов на входы квадрупольных масс-спектрометров.

На; 1 — ионная пушка; 2 — квадрупольный энергетический

5 ; 3 — образец (ми10 ю= — (-у)

Оk 2 2

Во

На чертеже схематично показан массспетрометр вторичных ионов, ше н ь); 4 — входн ые двухэлементн ые иммерсионные цилиндрические линзы; 5— входные диафрагмы квадрупольных фильт-. ров масс; 6 — квадрупольные фильтры масс;

7 — выходные диафрагмы; 8 — детектор положительных вторичных ионов и система регистрации; 9 — детектор отрицательных ионов и система регистрации.

Выбор конструкции масс-спектрометра вторичных ионов и его элементов осуществлялся из следующих сообра>кений, Квадрупольный конденсатор представляет собой четыре круглых стержня радиуса

R, располагаемых таким образом, чтобы радиус Я > вписанной между четырьмя вершинами электродов окружности составлял 1;15

Ra. С целью уменьшения его размера электроды конденсатора 2 могут быть выполнены в виде четвертей цилиндров, При подаче на противоположные электроды конденсатора

2 потенциалов ч- Ug в межэлектродном пространстве создается электрическое поле с распределением потенциала р в первом приближении вида: где х, у- координаты оси, проходящие через противоположные вершины электродов.

Анализ показывает, что квадрупольный конденсатор 2 в этом случае может выполнять роль фильтра по энергиям вторичных ионов, а также обеспечивать пространственное разделение пучка ионов в зависимости от их знака. Максимум пропускания энергетического фильтра 2 соответствует энергиям ионов, равным 0,803 eUk, где е— заряд иона.

Вторичные ионы, вылетая из мишени 3, в зависимости от знака заряда иона после прохождения фильтра 2 приближенно отклоняются на углы +.90 отпервоначального направления вылета. Это позволяет распбложить два квадрупольных фильтра 6 масс на одной оси для одновременной регистрации вторичных ионов разного знака.

На фиг.1 схематично показаны траектории ионов 11 и 12 для случая, когда их энергия равна 0,803 еО ; ионы влетают в фильтр

3 по оси падающего первичного пучка 10, Использование в качестве энергетического фильтра квадрупольного конденсатора позволяет обеспечить нормальное

1755333 цилиндрическими электродами 3, обеспечивающие минимум аббераций в режиме уско- 10

20

40

45 рождения иона. В этом случае через энергетический фильтр 2 пройдет основная масса 50 падение первичного пучка 10 ионов на образец 3 и осуществить сбор вторичных ионов по нормали к образцу 3, что повышает эффективность и локальность сбора вторичных ионов, На выходах квадрупольного энергетического фильтра 2 устанавливают иммерсионные доухэлементные линзы 4 с рения вторичных ионов. Укаэанные линзы 4 служат для фокусировки вторичных ионов на входную диафрагму диаметром 0,58>, где Ro — радиус окружности, вписанной между вершинами электродов КФМ.

После линзы 4 следуют квадрупольные фильтры 6 масс. На выходах КФМ устанавливаются выходные диафрагмы 7 диаметром и детекторы 8 и 9 ионов для детектирования и регистрации положительных ионов и отрицательных ионов.

Таким образом, предлагаемый массспектрометр вторичных ионов позволяет обеспечить одновременный анализ отрицательных и положительных частиц, Масс-спектрометр может работать в нескольких режимах, Рассмотрим ре>ким одновременного анализа положительных и отрицательных ионов, Такой режим особенно важен при исследовании образцов неизвестного состава, например при анализе загрязнений полупроводниковых пластин. Так как образец в процессе анализа подвергается разрушению под действием ионного пучка, то провести одновременные измерения положительных и отрицательных ионов в одной и той же точке в обычных приборах практически невозможно.

В случае одновременного анализа отрицательных и положительных ионов потенциал подложки Un= О. При энергии Ц, соответствующей максимуму распределения вторичных ионов по энергиям, устанавливают значения потенциалов на электродах энергетического фильтра 2 приближенно равные Бк=0,80. с учетом того, что за нулевой потенциал выбирается точка ионов при типовой полосе пропускания

Л Е"-3 — 4 эВ. Далее вторичные ионы ускоряются и фокусируются на вход КФМ 6, работающих в промежугочной области стабильности траекторий заряженных частиц уравнения Матье, позволяющей за счет уменьшения времени юстировки ионов осуществить масс-анализ ионов с высокими

35 транспортными энергиями, вплоть до 1300 эВ при разрешающей способности В=1,и .

Для того, чтобы повысить пропускание

КФМ с целью снижения влияния краевых полей, потенциал 0 квадрупольного фильтра масс устанавливается в пределах - 2001000 В при анализе положительных ионов и

+ 200-1000 В при анализе отрицательных ионов, В этом случае транспортная энергия иона имеет значение e(Ui+ 0 )<1300 эВ v. обеспечивается разрешающая способность

R 1,и при хорошей эффективности сбора вторичных ионов, Рассмотрим второй режим работы массспектрометра вторичных ионов, когда эффективность сбора и транспортировки вторичных положительных(в случае отрицательных ионов все знаки потенциалов элементов изменяются на противоположные) ионов близка к единице. Этот режим необходим при поиске следов элементов на пределе чувствительности прибора. В этом случае потенциал подложки (мишени 3) устанавливается в пределах 0,=200-1000 В, потенциал экрана квадрупольного конденсатора 2 U> =О, потенциалы электродов энергетического фильтра 2 0i=+ 0,8Un, Из условия, что потенциал точки ро>кдения иона равен Ц,выбираем режим питания иммерсионной линзы 4. Потенциал Ug фильтра 6 масс устанавливается равным

Ug=0, В этом случае практически все ионы втянуты в энергетический фильтр 2, транспортированы через него и квадрупольный фильтр 6 масс без потерь при высоких транспортных энергиях е(0 +0).

Рассмотрим режим одновременного получения микроизображений участков поверхности в положительных ионах с заданным m/i и во вторичных электронах, возбуждаемых первичным пучком ионов. В этом случае масс-спектрометр вторичных ионов работает при потенциалах, соответствующих режиму одновременной регистрации положительных и отрицательных ионов, приведенных выше, При этом стерн ни

КФМ, предназначенного для сепарации отрицательных ионов, заземля ются. При этом случае через КФМ проходят отрицательные частицы независимо от величины е/m. Так как коэффициент ионно-электронной эмиссии при бомбардировке поверхности твердых тел ионами с энергиями в диапазоне

1 — 15 кэВ значительно превосходит коэффициент ионна-ионной эмиссии, то основной вклад в поток вторичных отрицательных частиц дают электроны. При этом система регистрации масс-спектрометра вторичных ионов регистрирует изменение ийтенслвно1755333

Составитель Н,Катинова

Редактор Т.Лазоренко Техред М.Моргентал Корректор A.Îñàóëåíêî

Заказ 2896 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 сти сигнала в зависимостмб1 места нахождения сканирующего первичного ионного пучка 10 на поверхности микроучастка исследуемого образца 3 с последующим кодированием и запоминанием полученной 5 информации с помощью ЭВМ, т.е, предлагаемый масс-спектрометр обеспечивает одновременное получение двух изображений одного и того же микроучастка.

Изображение во вторичных электронах 10 дает. топографию исследуемого участка, так как коэффициент ионно-электронной эмиссии в значительной степени зависит от этого . фактора. Изображение, получаемое в положительных ионах, дает картину распределе- 15 ния элемента с заданным m/e no поверхности исследуемого участка, т.е. дает элементный контраст. Совмещение двух микроизображений, осуществляемое с помощью 3ВМ, дает возможность получения 20 полной информации как о рельефе микроучастка, так и о распределении данного элемента, что важно при анализе обьектов с высокой степенью интеграции, например, больших и сверхбольших интегральных микросхем (БИС и СБИС), Формула изобретения

Масс-спектрометр с одновременным анализом отрицательных и положительных ионов, содержащий источник первичного пучка и два включающих энергетические фильтры канала разделения и регистрации соответственно отрицательных и положительных ионов, отличающийся тем; что, с целью повышения чувствительности и достоверности анализа, энергетические фильтры выполнены в виде квадрупольного конденсатора, одна из осей которого совпадает с ионно-оптической осью источника первичного пучка, при этом каналы разделения и регистрации расположены на одной оси,