幾種新型號二次離子質譜儀采用的新技術
本文簡要敘述法國CAMECA公司,德國IONTOFGmbH 公司新型的NanoSIMS50 IMSWFIMSSCUITRATOFSIMSIV 型二次離子質譜的特色,著重介紹這些儀器改進過的和新增加的 儀器部件的原理、性能及功用。關鍵詞 二次離子質譜 飛行時間二次離子質譜 離子圖像 75mm(若需要也可以升級到 300mm300mm);(2)IMSWF 的樣品裝載和傳送用的是全自動的機器
引言
盡管二次離子質譜(SecandaryIONMassSpec2 trometry,SIMS)在定量分析及譜線識別方面存在的缺點還沒有完全克服,但它在輕元素(包括 氫、氦)、微量元素濃度、微量元素深度分布、微區同位素豐度1 為了適應時代發展的要求,的。本文從各種 SIMS 代表性的新儀器或新技術加以介紹如法國 CAMECA 公司的 NanoSIMS50,IMSWF,IMSSCULTRA 型SIMS,專門生產飛行時間SIMS(TimeofFlightSIMS,TOFSIMS) 的德國IONTOFGmbH 公司的TOFSIMSIV。這4 種儀器除具有一般SIMS 儀器所具備的特性外,還 各有各的特色。其中NanoSIMS50 是一種全新的磁式雙聚焦以探針掃描方式成像的特別適合于 超精細微小區域的同位素(或元素)檢測的 SIMS,它的特點是:(1)可以很高的靈敏度和質量分 辨率對小到50nm 的微小區域進行成分分析;(2)可以同時檢測5 個微量同位素(元素)并已在生 物學、地質學、航空航天、新材料、半導體、納米科技等方面獲得應用2,3;IMSWF 和IMSSCULTRA 都是針對半導體材料半導體工藝的分析需要而開發4,5 的。它們都是既可以掃描成像又可以 直接成像的 SIMS。它們共同的特點是:(1)可以進行超薄薄層深度分析,在做常規深度分析時 濺射速率高(特別適合做半導體材料的檢測);(2)可以對大到 300mm300mm 的晶片進行分 析;(3)分析精度高,重復性好,對操作人員的知識技能和經驗要求不高,以至于在無人照看的 情況下也能自動分析。 它們之間的主要差別有:(1)IMSWF 允許分析的樣品的最大尺寸為300mm300mm 而IMSSCULTRA 的最大樣品尺寸僅為75mm 而IMSSCULTRA;TOFSIMSIV 是TOFSI 像,,其中一,另一個用來對新濺。根據報道,其特色為:(1)質量范圍寬(1～10000amu);(2)可以進行表面有機分析,靜態 SIMS 分析;(3)可以進行超薄薄層深度分析;該儀器已被用于失效分析、表面化學元素和分子在大面 積范圍內的分布(mapping)分析、表面有機玷污分析、摻雜劑深度分析等。下面根據我們最近 收集到的資料對上述四種新型SIMS 的改進過的和新開發出來的儀器部件的原理、性能及功用 作一介紹。 NANOSIMS50型二次離子質譜儀
111 小束斑離子槍和短工作距離的二次離子接收 透鏡的新設計 由于 SIMS 的空間分辨率和二次離子傳輸接收效率直接決定 SIMS 儀器可以檢測的最小面積和最低的濃度,而掃描成像 SIMS 的空間分辨率、二次離子(SecandaryIonIs)的傳遞、接收效率 分別與一次離子(PremaryIonIp)的束斑直徑和二次離子接收透鏡的工作距離有關,為了進一 步提高SIMS 的靈敏度和分辨率,CAMECA 公司在最新的NanoSIMS50 中對Ip 的入射方向和浸沒 透鏡的工作距離做了改進:(1)把原來的Ip 傾斜入射改成垂直入射(即用來激發樣品的Ip Ip激發出來的Is 同軸);(2)把接收二次離子的浸沒透鏡的第一個電極到樣品表面的垂直距離 縮短到0.4mm。Ip 垂直入射的優點是可縮小Ip 的束斑直徑,增加Ip 離子束的亮度(Ip 離子流 密度)從而達到檢測小尺寸凹坑坑底的成分,減小儀器掃描成像失真度的目的。其缺點是Ip 的極性不39 現代儀器 能相同,即 Ip 為正時 只能為正而不能為負。通常的極性搭 二五年?第一期 就地測量坑深的方法 但把此技術成功地用于商品化的SIMS 儀器上據我們所知 CAMECA 公司還是第一 家。這種檢測系統工作原理是外差式激光干涉法。圖1就地坑深測量系統的 原理示意圖,從中可以看出,當一束激光束被分光器(splitter)分成兩束后,其中第一束(測量 光束)被聚焦在待測濺射坑底,第二束(參考光束)被聚焦到未被濺射過的樣品表面。經過反射 準直后此兩束光被送到檢測器中檢測。 根據檢測得到的兩束光的相位差及相位差與濺射坑深之間的關系計算出濺射坑深。該裝置的 測量 范圍為1nm～10m 其分辨率優于 1nm。該項ZL技術現已作為 IMSWF IMSSCULTRA的任選給用戶使用,它的優點是可以方便適時地給出與濃度配為Ip 為Cs 為負;Ip為O2 為正。浸沒透鏡工作距離的縮短可以增加Is的接收效率,提高儀器的靈敏度。現在在成分圖 像方面 NanoSIMS50 的最小束斑直徑(對 Cs 而言)已縮小到 50nm,在此時一次離子流強度可達 01310212A。在質譜方面由于采用了這種特殊設計,當質量分辨率M/M 由3500 上升到6000 和9000 時,它的二次離子傳輸效率僅從100%分別下降到55%和20%。
112 二次離子接受器由 單種離子接收改為多種離子同時接收 由于 SIMS 工作時它的一次離子束一直在刻蝕著樣品,因此只有在同一時刻檢測到的兩個同位 素的豐度(強度)比才是樣品同一深度的真實的同位素豐度比,否則測出的只能是分別來自樣 品不同深度處的兩個同位素的豐度比。度的兩同位素的豐度比,理,,相應。用多種離子接收器 來檢測來自樣品同一深度處的多種同位素(或元素)在其它質譜(如火花源質譜)中并不罕見, 但在SIMS 中就不多見了。CAMECA 公司在NANOSIMS50 型SIMS 儀器上就采用了這種技術,它可 以同時檢測樣品的 種同位素(或元素)的豐度或同位素分布圖像,這就為這種儀器在地質生物方面的同位素示蹤、同位素年代測定打下基礎3。 濺射坑深測量系統示意圖9
212 能用于超淺深度和超薄薄層檢測的離子槍 IMSWF和IMSSCULTRA 型SIMS 21在線就地濺射坑 深測量系統的引入 隨著科技的不斷發展,半導體工藝對SIMS 結注入和超薄層深度分析方面提出越來越高的要求,而滿足這種要求的關鍵是減少一次離子的轟擊能量。為了滿足超淺、超薄薄層材料檢測的要求,CAMECA 公司對新的IMSWF,IMSSCULTRA 儀器上的兩個離子槍(其中一個 Cs O2)離子槍的標稱入射角(由槍的幾何尺寸決定的入射 角)為60,另 )進行改進設一個O2 離子槍的標稱入射角為36 計。在以60角入射的Cs 離子槍中,一次離子的引出電極和聚焦透鏡的外側電極即整個一次 離子柱 (wholeprimarycolumn)的電壓均可根據需要改變(floating) 從而使它既可以以低能量轟擊樣品(轟擊能量值等于離子源陽極電位與樣品電位之差)又可保 證一次離子束束流密度即離子槍的亮度,一次離子束束斑直徑(與一次離子束在離子柱內的能 量有關)和二次離子束在質譜計中的傳輸效率(與二次離子的引出電壓即樣品電壓有關)滿足 工作要求。在 能夠測出微小區域內包括微量成分在內的所有成分隨深度變化的曲線(即深度分析),是 SIMS 最重的優點。而即時就地準確測出濺射坑深是把SIMS 深度分析測得的濃度———濺射時間關 系曲線轉換成濃度———濺射深度關系曲線的關鍵和前提。長期以來,由于一般 SIMS 儀器無 就地濺射坑深測量系統,因此人們只能根據事后測出的濺射坑深在一次離子束刻蝕速度恒定 不變的假定條件下,把濺射時間坐標平均地轉化為濺射深度坐標。由于濃度和濺射坑深分開測 量,濺射速率可以隨多種因素變化,因此這樣的測定既不方便又不準確。為徹底改變這種狀 況,CAMECA 公司把在線就地濺射坑深測量系統引入到SIMS。雖然早在20 多年前就有人介紹過 激光干涉儀另一個以36入射的O2 離子槍中,當Ip 極性相同(均為正)時,二次離子的引出電壓即樣品電位相對于一次離子源的陽極電位來說本來就具有減速作用。因此只要把一次離子的引處的空間電荷),同時按常規的方法調節好離子源和樣品的電壓值及它們的電位差值(等于所需的轟擊能量),就可以 在實現低能轟擊的同時保證一次離子的密度、束斑直徑和二次離子的傳輸效率。為了在低能 轟擊樣品時,一次離子不被二次離子的引出電場所反射,CAMECA 公司對儀器浸沒透鏡又進行改 進,使儀器在樣品被轟擊處形成無場空間以減少二次離子引出電場對一次離子的作用。由于對 儀器作如此的改進,IMSWF 和IMS,SCULTRA 的一次離子的最小轟擊能量可達250eV(最大轟擊能 量為10keV)從而使這兩種SIMS 在超淺層深度分析方面的能力明顯提高,儀器的深度分辨率明 顯改善4。
213 同心旋轉(EucentricRotating)作(常稱漏氧),減小樣品被濺射時的擇優取向 效應,提高儀器的深度分辨率。但由于垂直入射和向樣品表面噴氧會降低一次離子的剝蝕速率, 而垂直入射并非每種 SIMS 儀器均可以采用,因此上述幾種方法的應用都存在著這樣那樣的限 制。為全面解決這個問題 CAMECA 公司研制成功一種可以使樣品在被分析的同時能以 60rpm/min的轉速同心旋轉的樣品架,并把此種新的樣品架安裝在 IMSWF,IMSSCULTRA 上供用 戶使用。實驗結果表明這種新型的樣品架在消除或減少濺射坑底粗糙度,減小樣品擇優濺射效 應,提高儀器的深度分辨率方面是有明顯效果的10。作為一個例子,圖2 顯示不用和用同心旋 轉樣品臺檢測在Au(900nm)/Ti(100nm)/Si(襯底)金屬層中注入B 的深度分布曲線11。從中可以看出該裝置的效果是明顯的。 儀器評介
214 可裝戴300mm300mm 薄片樣品進樣系統 由于半導體集成電路是 SIMS 最最重要的應用領域,而這領域一大特點就是被測樣品多是尺寸 較大的薄片,為滿足這方面的需求 CAMECA 公司讓自己的 IMSWF 的進樣系統可容納的薄片樣品 最大尺寸為 300mm300mm(IMSSCULTRA 可容納的薄片樣品的最大尺寸為 75mm75mm,在升級 之后也可達300mm300mm),這樣的進樣系統對于半導體集成電路的分析是比較適合的4。 TOFSIMSIV型SIMS樣品冷卻為滿足易揮發樣品的檢測和測定樣品表面成分在各種溫度下的變化情況,IONGmbH 公司利用飛 行時間MS,在TOFSIMS)。為(2130～ 600SI 分析低熔點金屬樣品和揮發性樣品及研究表 面成分隨溫度的變化創造條件6。
312 能平行檢測所有同位素的豐度比 由于飛行時間質量分析器是根據飛過同一段距離需要不同的時間來區分不同離子的質量,因 此能平行檢測所有質量的離子是TOFSIMSIV 具有的特征。利用此特征,就可以平行檢測樣品同 一深度所有同位素的豐度比。
314 超淺深度和超薄薄層檢測離子槍和300300mm 薄片樣品進樣系統 為滿足半導體集成電路在超淺超薄深度分析和大尺寸薄片樣品檢測方面的需要,IONTOFGmbH 公司根據飛行時間質譜計的特殊原理和結構對TOFSIMSIV 的濺射用離子槍和進樣系統進行改 進設計,使其最低的一次離子轟擊能量可達 200eV,進樣系統可以容納的最大的薄片樣品尺寸 為300300mm。 與過去的那些老的 SIMS 儀器相比,上述幾種新型的 SIMS 雖然性能上有很大的改進,但由于這 些儀器的價格比較貴,因此根據實際工作需要做好調研,選好儀器型號和儀器的附件就顯得格 外重要。