几种新型号二次离子质谱仪采用的新技术

几种新型号二次离子质谱仪采用的新技术 

本文简要叙述法国CAMECA公司,德国IONTOFGmbH 公司新型的NanoSIMS50 IMSWFIMSSCUITRATOFSIMSIV 型二次离子质谱的特色,着重介绍这些仪器改进过的和新增加的 仪器部件的原理、性能及功用。关键词 二次离子质谱 飞行时间二次离子质谱 离子图像 75mm(若需要也可以升级到 300mm300mm);(2)IMSWF 的样品装载和传送用的是全自动的机器 

引言

尽管二次离子质谱(SecandaryIONMassSpec2 trometry,SIMS)在定量分析及谱线识别方面存在的缺点还没有完全克服,但它在轻元素(包括 氢、氦)、微量元素浓度、微量元素深度分布、微区同位素丰度1 为了适应时代发展的要求,的。本文从各种 SIMS 代表性的新仪器或新技术加以介绍如法国 CAMECA 公司的 NanoSIMS50,IMSWF,IMSSCULTRA 型SIMS,专门生产飞行时间SIMS(TimeofFlightSIMS,TOFSIMS) 的德国IONTOFGmbH 公司的TOFSIMSIV。这4 种仪器除具有一般SIMS 仪器所具备的特性外,还 各有各的特色。其中NanoSIMS50 是一种全新的磁式双聚焦以探针扫描方式成像的特别适合于 超精细微小区域的同位素(或元素)检测的 SIMS,它的特点是:(1)可以很高的灵敏度和质量分 辨率对小到50nm 的微小区域进行成分分析;(2)可以同时检测5 个微量同位素(元素)并已在生 物学、地质学、航空航天、新材料、半导体、纳米科技等方面获得应用2,3;IMSWF 和IMSSCULTRA 都是针对半导体材料半导体工艺的分析需要而开发4,5 的。它们都是既可以扫描成像又可以 直接成像的 SIMS。它们共同的特点是:(1)可以进行超薄薄层深度分析,在做常规深度分析时 溅射速率高(特别适合做半导体材料的检测);(2)可以对大到 300mm300mm 的晶片进行分 析;(3)分析精度高,重复性好,对操作人员的知识技能和经验要求不高,以至于在无人照看的 情况下也能自动分析。 它们之间的主要差别有:(1)IMSWF 允许分析的样品的最大尺寸为300mm300mm 而IMSSCULTRA 的最大样品尺寸仅为75mm 而IMSSCULTRA;TOFSIMSIV 是TOFSI 像,,其中一,另一个用来对新溅。根据报道,其特色为:(1)质量范围宽(1～10000amu);(2)可以进行表面有机分析,静态 SIMS 分析;(3)可以进行超薄薄层深度分析;该仪器已被用于失效分析、表面化学元素和分子在大面 积范围内的分布(mapping)分析、表面有机玷污分析、掺杂剂深度分析等。下面根据我们最近 收集到的资料对上述四种新型SIMS 的改进过的和新开发出来的仪器部件的原理、性能及功用 作一介绍。 NANOSIMS50型二次离子质谱仪 

111 小束斑离子枪和短工作距离的二次离子接收 透镜的新设计 由于 SIMS 的空间分辨率和二次离子传输接收效率直接决定 SIMS 仪器可以检测的最小面积和最低的浓度,而扫描成像 SIMS 的空间分辨率、二次离子(SecandaryIonIs)的传递、接收效率 分别与一次离子(PremaryIonIp)的束斑直径和二次离子接收透镜的工作距离有关,为了进一 步提高SIMS 的灵敏度和分辨率,CAMECA 公司在最新的NanoSIMS50 中对Ip 的入射方向和浸没 透镜的工作距离做了改进:(1)把原来的Ip 倾斜入射改成垂直入射(即用来激发样品的Ip Ip激发出来的Is 同轴);(2)把接收二次离子的浸没透镜的第一个电极到样品表面的垂直距离 缩短到0.4mm。Ip 垂直入射的优点是可缩小Ip 的束斑直径,增加Ip 离子束的亮度(Ip 离子流 密度)从而达到检测小尺寸凹坑坑底的成分,减小仪器扫描成像失真度的目的。其缺点是Ip 的极性不39 现代仪器 能相同,即 Ip 为正时 只能为正而不能为负。通常的极性搭 二五年?第一期 就地测量坑深的方法 但把此技术成功地用于商品化的SIMS 仪器上据我们所知 CAMECA 公司还是第一 家。这种检测系统工作原理是外差式激光干涉法。图1就地坑深测量系统的 原理示意图,从中可以看出,当一束激光束被分光器(splitter)分成两束后,其中第一束(测量 光束)被聚焦在待测溅射坑底,第二束(参考光束)被聚焦到未被溅射过的样品表面。经过反射 准直后此两束光被送到检测器中检测。 根据检测得到的两束光的相位差及相位差与溅射坑深之间的关系计算出溅射坑深。该装置的 测量 范围为1nm～10m 其分辨率优于 1nm。该项ZL技术现已作为 IMSWF IMSSCULTRA的任选给用户使用,它的优点是可以方便适时地给出与浓度配为Ip 为Cs 为负;Ip为O2 为正。浸没透镜工作距离的缩短可以增加Is的接收效率,提高仪器的灵敏度。现在在成分图 像方面 NanoSIMS50 的最小束斑直径(对 Cs 而言)已缩小到 50nm,在此时一次离子流强度可达 01310212A。在质谱方面由于采用了这种特殊设计,当质量分辨率M/M 由3500 上升到6000 和9000 时,它的二次离子传输效率仅从100%分别下降到55%和20%。

112 二次离子接受器由 单种离子接收改为多种离子同时接收 由于 SIMS 工作时它的一次离子束一直在刻蚀着样品,因此只有在同一时刻检测到的两个同位 素的丰度(强度)比才是样品同一深度的真实的同位素丰度比,否则测出的只能是分别来自样 品不同深度处的两个同位素的丰度比。度的两同位素的丰度比,理,,相应。用多种离子接收器 来检测来自样品同一深度处的多种同位素(或元素)在其它质谱(如火花源质谱)中并不罕见, 但在SIMS 中就不多见了。CAMECA 公司在NANOSIMS50 型SIMS 仪器上就采用了这种技术,它可 以同时检测样品的 种同位素(或元素)的丰度或同位素分布图像,这就为这种仪器在地质生物方面的同位素示踪、同位素年代测定打下基础3。 溅射坑深测量系统示意图9

212 能用于超浅深度和超薄薄层检测的离子枪 IMSWF和IMSSCULTRA 型SIMS 21在线就地溅射坑 深测量系统的引入 随着科技的不断发展,半导体工艺对SIMS 结注入和超薄层深度分析方面提出越来越高的要求,而满足这种要求的关键是减少一次离子的轰击能量。为了满足超浅、超薄薄层材料检测的要求,CAMECA 公司对新的IMSWF,IMSSCULTRA 仪器上的两个离子枪(其中一个 Cs O2)离子枪的标称入射角(由枪的几何尺寸决定的入射 角)为60,另 )进行改进设一个O2 离子枪的标称入射角为36 计。在以60角入射的Cs 离子枪中,一次离子的引出电极和聚焦透镜的外侧电极即整个一次 离子柱 (wholeprimarycolumn)的电压均可根据需要改变(floating) 从而使它既可以以低能量轰击样品(轰击能量值等于离子源阳极电位与样品电位之差)又可保 证一次离子束束流密度即离子枪的亮度,一次离子束束斑直径(与一次离子束在离子柱内的能 量有关)和二次离子束在质谱计中的传输效率(与二次离子的引出电压即样品电压有关)满足 工作要求。在 能够测出微小区域内包括微量成分在内的所有成分随深度变化的曲线(即深度分析),是 SIMS 最重的优点。而即时就地准确测出溅射坑深是把SIMS 深度分析测得的浓度———溅射时间关 系曲线转换成浓度———溅射深度关系曲线的关键和前提。长期以来,由于一般 SIMS 仪器无 就地溅射坑深测量系统,因此人们只能根据事后测出的溅射坑深在一次离子束刻蚀速度恒定 不变的假定条件下,把溅射时间坐标平均地转化为溅射深度坐标。由于浓度和溅射坑深分开测 量,溅射速率可以随多种因素变化,因此这样的测定既不方便又不准确。为彻底改变这种状 况,CAMECA 公司把在线就地溅射坑深测量系统引入到SIMS。虽然早在20 多年前就有人介绍过 激光干涉仪另一个以36入射的O2 离子枪中,当Ip 极性相同(均为正)时,二次离子的引出电压即样品电位相对于一次离子源的阳极电位来说本来就具有减速作用。因此只要把一次离子的引处的空间电荷),同时按常规的方法调节好离子源和样品的电压值及它们的电位差值(等于所需的轰击能量),就可以 在实现低能轰击的同时保证一次离子的密度、束斑直径和二次离子的传输效率。为了在低能 轰击样品时,一次离子不被二次离子的引出电场所反射,CAMECA 公司对仪器浸没透镜又进行改 进,使仪器在样品被轰击处形成无场空间以减少二次离子引出电场对一次离子的作用。由于对 仪器作如此的改进,IMSWF 和IMS,SCULTRA 的一次离子的最小轰击能量可达250eV(最大轰击能 量为10keV)从而使这两种SIMS 在超浅层深度分析方面的能力明显提高,仪器的深度分辨率明 显改善4。

213 同心旋转(EucentricRotating)作(常称漏氧),减小样品被溅射时的择优取向 效应,提高仪器的深度分辨率。但由于垂直入射和向样品表面喷氧会降低一次离子的剥蚀速率, 而垂直入射并非每种 SIMS 仪器均可以采用,因此上述几种方法的应用都存在着这样那样的限 制。为全面解决这个问题 CAMECA 公司研制成功一种可以使样品在被分析的同时能以 60rpm/min的转速同心旋转的样品架,并把此种新的样品架安装在 IMSWF,IMSSCULTRA 上供用 户使用。实验结果表明这种新型的样品架在消除或减少溅射坑底粗糙度,减小样品择优溅射效 应,提高仪器的深度分辨率方面是有明显效果的10。作为一个例子,图2 显示不用和用同心旋 转样品台检测在Au(900nm)/Ti(100nm)/Si(衬底)金属层中注入B 的深度分布曲线11。从中可以看出该装置的效果是明显的。 仪器评介 

214 可装戴300mm300mm 薄片样品进样系统 由于半导体集成电路是 SIMS 最最重要的应用领域,而这领域一大特点就是被测样品多是尺寸 较大的薄片,为满足这方面的需求 CAMECA 公司让自己的 IMSWF 的进样系统可容纳的薄片样品 最大尺寸为 300mm300mm(IMSSCULTRA 可容纳的薄片样品的最大尺寸为 75mm75mm,在升级 之后也可达300mm300mm),这样的进样系统对于半导体集成电路的分析是比较适合的4。 TOFSIMSIV型SIMS样品冷却为满足易挥发样品的检测和测定样品表面成分在各种温度下的变化情况,IONGmbH 公司利用飞 行时间MS,在TOFSIMS)。为(2130～ 600SI 分析低熔点金属样品和挥发性样品及研究表 面成分随温度的变化创造条件6。

312 能平行检测所有同位素的丰度比 由于飞行时间质量分析器是根据飞过同一段距离需要不同的时间来区分不同离子的质量,因 此能平行检测所有质量的离子是TOFSIMSIV 具有的特征。利用此特征,就可以平行检测样品同 一深度所有同位素的丰度比。 

314 超浅深度和超薄薄层检测离子枪和300300mm 薄片样品进样系统 为满足半导体集成电路在超浅超薄深度分析和大尺寸薄片样品检测方面的需要,IONTOFGmbH 公司根据飞行时间质谱计的特殊原理和结构对TOFSIMSIV 的溅射用离子枪和进样系统进行改 进设计,使其最低的一次离子轰击能量可达 200eV,进样系统可以容纳的最大的薄片样品尺寸 为300300mm。 与过去的那些老的 SIMS 仪器相比,上述几种新型的 SIMS 虽然性能上有很大的改进,但由于这 些仪器的价格比较贵,因此根据实际工作需要做好调研,选好仪器型号和仪器的附件就显得格 外重要。