Масс-спектрометр с одновременным анализом отрицательных и положительных ионов Советский патент 1992 года по МПК H01J49/42 

(Л

С

Использование: относится к аналитическому приборостроению и может быть применено при анализе твердых тел с высокой чувствительностью и разрешающей способностью методом вторично-ионной масс- спектрометрии. 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.

$а

Ги

UR

-ч

СП СЛ СО CJ

со

Изобретение относится к технике масс- спектрометрии вторичных ионов (МСВИ) 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 ионога 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 чертеже схематично показан масс- спетрометр вторичных ионов.

На чертеже обозначено: 1 -ионная пушка; 2 - кэадрупольный энергетический

фильтр вторичных ионов; 3 - образец (мишень); 4 - входные двухэлементные иммерсионные цилиндрические линзы; 5 - входные диафрагмы квадрупольных фильтров 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 соображений.

Квадрупольный конденсатор представляет собой четыре круглых стержня радиуса R, располагаемых таким образом, чтобы радиус RO вписанной между четырьмя вершинами электродов окружности составлял 1 , 15 RO. С целью уменьшения его размера электроды конденсатора 2 могут быть выполнены в виде четвертей цилиндров. При подаче на

противоположные электроды конденсатора 2 потенциалов ± Uk в межэлектродном пространстве создается электрическое поле с распределением потенциала р в первом приближении вида:

йо-2-у2),

Ко

5

0

5

0

5

гдех, 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° от первоначального направления вылета. Это позволяет расположить 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 ионы влетают в фильтр 3 по оси падающего первичного пучка 10.

Использование в качестве энергетического фильтра квадрупольного конденсатора позволяет обеспечить нормальное

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 иммерси- онные двухэлементные линзы 4 с цилиндрическими электродами 3, обеспечивающие минимум аббераций в режиме ускорения вторичных ионов. Указанные линзы А служат для фокусировки вторичных ионов на входную диафрагму диаметром 0,5R0, где RO - радиус окружности, вписанной между вершинами электродов КФМ.

После линзы 4 следуют квадруиольные фильтры б 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 масс- спектрометр вторичных ионов позволяет обеспечить одновременный анализ отрицательных и положительных частиц.

Масс-спектрометр может работать в нескольких режимах.

Рассмотрим режим 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 0. При энергии Ui, соответствующей максимуму распределения вторичных ионов пс энергиям, устанав- ливагот значения потенциалов на электродах энергетического фильтра 2 приближенно равные ,8Ui с учетом того, что за нулевой потенциал выбирается точка рождения иона. В этом случае через энергетический фильтр 2 пройдет основная масса ионов при типовой полосе пропускания А эВ. Далее вторичные ионы ускоряются и фо кусируются на вход КФМ 6, работающих в промежуточной области стабильности траекторий заряженных частиц уравнения Матье, позволяющей за счет уменьшения времени юстироьки ионов осуществить масс-анализ ионов с высокими

транспортными энергиями, вплоть до 1300 эВ при разрешающей способности fi . Для того, чтобы повысить пропускание КФМ с целью снижения влияния краевых

полей, потенциал Ug квадрупольного фильтра масс устанавливается в пределах - 200-- 1000 В при анализе положительных ионов и + 200-1000 В при анализе отрицательных ИОНОР. В этом случае транспортная энергия

иона имеет значение e(Ui+ Ug)1300 эВ и обеспечивается разрешающая способность R 1 ft при хорошей эффективности сбора вторичных ионов.

Рассмотрим второй режим работы мзссспектрометра 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 Un 200-1000 В,

потенциал экрана квадрупольного конденсатора 2 Уэ 0, потенциалы электродов энергетического фильтра 2 Uk + 0,8Un.

Из условия, что потенциал точки рождения иона равен Up,выбираем режим питания иммерсионной линзы 4. Потенциал Ug фильтра 6 масс устанавливается равным 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 e(Un+Ui).

Рассмотрим режим одновременного получения микроизображений участков поверхности в положительных ионах с заданным m/l 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 монов, приведенных выше. При этом стержни КФМ, предназначенного для сепарации отрицательных ионов, заземляются. При этом случае через КФМ проходят отрицательные

частицы независимо от величины е/т Так как коэффициент ионно-электронной эмиссии при бомбардировке поверхности твердых тел ионами с энергиями в диапазоне 1-15 кэВ значительно превосходит коэффициент ионно-ионной эмиссии, то основной вклад в поток вторичных отрицательных чя- стиц дают электроны. При этом система ре- гистрации масс-спектрометра вторичных ионов регистрирует изменение интенсивности сигнала в зависимости места нахождения сканирующего первичного ионного пучка 10 на поверхности микроучастка исследуемого образца 3 с последующим кодированием и запоминанием полученной информации с помощью ЭВМ, т.е. предлагаемый масс-спектрометр обеспечивает одновременное получение двух изображений одного и того же микроучастка.

Изображение во вторичных электронах 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- ния элемента с заданным т/е по поверхности исследуемого участка, т.е. дает элементный контраст. Совмещение двух микроизображений, осуществляемое с помощью ЭВМ, дает возможность получения 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.