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SIMS基礎講座

D-

SIMS（ダイナミックSIMS）について

2016年7月20日

1. D-SIMSとは？

（

_{Static SIMSとの違い、応用分野）}

2. D-SIMS装置の構成、簡単な構造・原理

（質量分析計、イオン源）

3. 応用例

4. まとめ

☆ 内容 ☆

☆ 内容 ☆

1. D-SIMSとは？

（

_{Static SIMSとの違い、応用分野）}

2. D-SIMS装置の構成、簡単な構造・原理

（質量分析計、イオン源）

3. 応用例

4. まとめ

D-SIMSとは？

D-SIMS

(Dynamic SIMS)

Static SIMS

_(ToF-SIMS)

Si表面の原子数

＝１E15cm-2

1次イオン照射量

多い

(>1e13 ions)

少ない

(<1e13 ions)

イオン種

O、Cs

Ar,Ga,Au,Bi…

目的

不純物高感度分析

表面化学情報

（主として有機物）

10～20nm

X線

2次イオン

１次イオン

試料破壊される

ほとんど破壊されない

化学的に活性

不活性

・照射イオン量が増えると原子ミキシング

により下層の原子が表面移動する

・材料の結合も乱れてくる

1次イオン照射とイオン注入効果

スパッタリング

イオン注入

1次イオンもエネルギーを持つ→注入効果あり

O

₂+

_{, 10keV, 垂直入射}

Cs

₂+

, 10keV, 垂直入射

D-SIMS分析時に、イオン照射量を増やすと

バランスする

それ以前（初期効果）では

2次イオン発生が安定しない

D-SIMSの特徴

 元素分析

 高感度分析

ppm～ppbオーダの検出感度の分析が可能

 深さ方向分析

元素の深さ方向分布測定が可能

(µmオーダからnmオーダの範囲) 。

 面内分析

二次イオン像から面内の元素分布を知ることが可能。

 同位体分析

ミクロンオーダの領域での同位体比測定可能

水素をはじめ周期律表の全ての元素の分析が可能。

MATRIX

ELEMENT

DETECTION

LIMIT

(at/cm

3

)

Si

100 at.% =

5 10

22at/cm3

H

C

N

O

B

7 10

16

3 10

16

5 10

14

6 10

16

1 10

13

F

5 10

15

Al

1 10

14

P

1 10

14

Cr

2 10

13

Fe

5 10

14

Ni

3 10

14

Cu

8 10

14

As

5 10

13

Ag

5 10

14

Pb

1 10

14 (5E16 = 1ppm 5E13 = 1ppb)

Si中の各元素検出下限 （カメカ社セクターSIMS典型例）

Hも含めた周期律表にあ

るほとんどの元素は、

ppm

オーダーの検出下限で分

析できる。

D-SIMSはどのような分野で使われているか

半導体産業

_生体科学

IC

の性能向上・故障原因

生命の謎がわかる

材料組成、不純物解析

材料科学

0.4 0.6 0.8 1.0 6 7 8 9 10 UO/U

data-point error ellipses are 68.3

地球科学

惑星の起源がわかる

原子力産業

安全利用

☆ 内容 ☆

1. D-SIMSとは？

（

_{Static SIMSとの違い、応用分野）}

2. D-SIMS装置の構成、簡単な構造・原理

（質量分析計、イオン源）

3. 応用例

4. まとめ

SIMS装置の構成

・四重極

・セクター磁場

・

ToF

分析室

真空

ポンプ

試料

導入室

試料移動機構

イオン

源

エネルギー

アナライザー

質量分析計

検出器

装置制御

電源

データ取り込み

解析用

コンピュータ

実際の

_SIMS装置

IMS 7f

各元素の正、負二次イオンの発生し易さの違い

正の二次イオン

一次イオン：O

₂+

10

7

10

1

二次イオン強度（カウント

/10

-9

C

）

負の二次イオン

一次イオン：

Cs

+

10

7

10

1

二次イオン強度（カウント

/10

-9

C

）

O

₂+

_{、 Cs}

+

_{を使い分けることで全元素の高感度分析が可能となる}

イオン源について

・デュオプラズマトロン（Cameca, Phi）

最も一般的なイオン源

・電子線衝撃（Ion-ToF）

簡単な構造のイオン源

・シングルプラズマ（旧Atomika）

・RF（Cameca WF, NS50L）

大電流が得られる

O

イオン源

D-SIMSでは、主としてOあるいはCsイオン源を利用

Cs

イオン源

表面電離型

・金属ソース（旧Cameca, Phi, Atomika）

・化合物ソース

-熱脱離（Cameca）

-酸化還元（Ion-ToF）

Csイオン源

デュオ

プラズマトロン

イオン源

2

つのイオン源を利用することで

全元素を高感度分析可能

Csイオン源の構造

金属

Cs

ソース

Cameca Micro-beam Cs source

W板（1100℃）

多孔質W

（1100℃）

ヒーター

Cs蒸気→

GICタイプ

Cameca

Phi

実際のセシウムアイオナイザー

イオン化部の大きさ

Cameca ＜Phi ＜GIC

Csソース（炭酸セシウム）

W filament →

Oイオン源（Duoplasmatron）の構造

中間電極

→正イオンと負イオン分離：効率アップ

↓

プラズマ発生

（正、負イオン）

Gas (O

₂

, Ar, N2, etc.)

カソード

中間電極

コイル

アノード

カソード/アノード間でアーク放電

+

-

+

+

-←カソード

←アノード

中間電極→

※カメカ社のSIMSでは、中間電極を左右に移動させることができ

高密度の負イオンを引き出すことができる

質量分析計の種類と特徴まとめ

四重極

（Q-pole）型

セクター磁場

（Sector）型

飛行時間

（TOF）型

モード

Dynamic

Dynamic

Static (& Dynamic)

質量

分析能

低い（＜2000）

高い（＞10,000）

高い（＞10,000）

特 徴

・

低エネルギー

一次イオン

・1次イオン

入射角が可変

・装置が比較的小型

・

超高真空

・高感度

・

高質量分解能

・

制限視野分析

・ 絶対感度が高い

・ 全質量ピークの同時検出

・

重いイオン（m/z＞1,000）

の

分析が可能

問題点

・質量分解能が不足

・感度不足（特にHigh Mass

領域）

・

(半)絶縁物分析が苦手

・装置が大型、

高額

・一次イオンビームの電圧の

低下が困難

・

装置調整が難しい

・ データの解釈が難しい

・ 深さ方向の分析のスループッ

トが低い

応用

・ 薄膜 MOS Gate

dielectrics

・ MOS （Shallow）Junction

・ 深さ方向分析（μm以上）

・ イオン注入プロファイル

・ 高分子の分析

・（有機）汚染の評価

(・ Shallow Depth Profile)

Energy Slit

（エネルギー幅を制限）

Entrance Slit

（レンズ収差を除去）

Exit Slit

検出器に入る二次イオンを選別

Field Aperture

（角度分布、視野を制限）

セクタ磁場型SIMSの質量分析計

ESA

マグネット

マグネットによる二次イオンの質量分離

磁場（B）中の荷電粒子のローレンツ半径

 二次イオン（

●

●

●

）の運動エネルギーを

ESAにより単一化

出口スリット

分離する二次イオンの質量：

●

<

●

<

●

マグネット

●

●

●

 “

●

“だけが出口スリットを通過して検出器へ

同一エネルギーの二次イオン

●

●

●

 二次イオン“

●

“だけが出口スリットを通過するようにマグネット

の磁場を設定

エネルギー

アナライザー

（

ESA）

検出器へ

B

q

M

E

r







2

ローレンツ力を利用した質量分離

軌道曲率半径R （IMS 3～7f では117 mm、IMS1270/80では585 mm）

二重収束質量分析計（Double Focus Mass Analyzer）

ESAのエネルギーの分散がある

出口スリット

マグネット

●

これらは等価である

マグネットでは、質量分散あり

スペクトロメータ

レンズ

ESA

検出器へ

高エネルギーイオン

低エネルギーイオン

→半径大

→半径小

入口スリット

フィールドアパーチャ

スペクトロメータレンズにより

ESAで発散した

イオンの軌道を内側にかえる

マグネット部の回転半径の差により

出口の一点にフォーカスする

調整

幅広いエネルギーでイオンの質量分離可能

_{=高感度分析}

☆ 内容 ☆

1. D-SIMSとは？

（

_{Static SIMSとの違い、応用分野）}

2. D-SIMS装置の構成、簡単な構造・原理

（質量分析計、イオン源）

3. 応用例

4. まとめ

セクターSIMS高質量分解能モードを利用した分析

質量分解能

M/∆M = 3957

31

_{P: 30.973764 vs}

30

_{Si:29.973763+}

1

_{H:1.0078252 = 30.9815882}

となり

0.0078242

の質量が異なる

(質量欠損)

※ ： 質量欠損とは、原子核中の陽子のクーロン反発力に逆らい原子核を

維持するため質量の一部をそのエネルギーとして失うこと（

E=mc

2

）

セクター磁場型

SIMSでは、質量分解能をあげることで、僅か

な質量の違いを分離して測定することが可能（

M/∆M >

10000 ）

Si中のP濃度高感度分析

・ Si中のPは、N型不純物として重要な元素

・

31

_{P(質量数31)と}

31

_{SiH(質量数30のSi+}

1

_{H)との質量が重なり}

検出下限が悪くなる問題がある。＝

質量干渉効果

高質量分解能モードによる測定が必要

4つのピークを

分離して分析

Pを含むSiの高分解能質量スペクトル

高質量分解能モードを利用したP高感度分析

Hを大量に含むアモルファスSi中のP分析

000

,

25



M

M

Cameca IMS-6f による高感度分析例

DL 1E13 at/cm3 DL 1E14 at/cm3 DL 1E13 at/cm3 -11B Rp=0.3u 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Depth, nm 1e13 1e14 1e15 1e16 1e17 C onc , at om /c m 3 75As 28Si 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Depth, nm 1e14 1e15 1e16 1e17 1e18 C onc , at om /c m 3 31P 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Depth, nm 1e13 1e14 1e15 1e16 1e17 1e18 C onc , a tom/ cm3 11B 28Si 11B 28Si 1H, 25 nm/sec 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Depth, nm 1e17 1e18 1e19 Conc, atom/cm3 1H DL 5E16at/cm3 -75As _-31P 13.5 nm/s 13.5 nm/s dose = 1.0e14at/cm2 dose = 1.0e13at/cm2 dose = 9e12at/cm2 dose = 7.0e12at/cm2 Rp=0.3u Rp=0.3u Rp=0.3u

Arsenic

Phosphorus

Boron

Hydrogen

DL 1E13at/cm3 DL 1E13at/cm3 DL 1E14at/cm3

1.E+16

1.E+17

1.E+18

1.E+19

1.E+20

1.E+21

0 20 40 60 80 100 120

0

100

200

300

400

Co

n

cen

tr

a

tio

n

 (a

t/

cm

3

)

In

te

n

si

ty

 (a

.u

.)

Depth (nm)

C 

H 

 Al

O 

 In 

■

材料膜中への

H, C, O 混入は、特性に大きく影響する

■

SIMSでは、これらの元素を高感度に検出できる

■

それぞれの元素の検出限界

:

DL H

DL C

DL O

(at/cm

3

)

(at/cm

3

)

(at/cm

3

)

4.0E+17

1.0E+17

8.0E+16

Mg, Al, K, Ca, Ti, Cu

走査イオン像

Anal. Cond.

: Cs

+

, 15 keV

Sample : Poly- Silicon

■

Large field of view

(500 x 500 µm

2

₎

■

Lateral resolution of

few µm

2

微粒子の

SIMS分析

原子力分野SIMS分析例：環境測定

35% enriched Uranium

Isotope Pattern

通常の同位体比

マススペクトルによる解析

↓

濃縮原料の判別

Cs同位体の分析

SIMS分析時に注意する点



2次イオン



1次イオン

イオン種、エネルギー、入射角度

 マトリックス効果

母材元素により2次イオンの生成効率が変化→定量に影響

 大気ガス分析

残留ガスの影響で

BGが高い：測定に工夫が必要

 絶縁物分析

電子線による帯電中和

極性、イオン種（単原子、クラスター）

SIMSにおけるMatrix効果とは

材料A

同じ条件でSIMSで分析

2次ｲｵﾝ強度

I

A

≠ I

B

材料B

不純物X

（濃度M）

不純物X

（濃度M）

0 1000 2000 3000 Seconds 100 101 102 103 104 105 106 B or on I on count s 103 104 105 106 107 A l, P I on C ount s 11B 31P_ 27Al2_ AlGaInP LD

分析例：

_{AlGaInP/GaAs中のB濃度分布}

Boronは、イオン注入さ

れているので本来連続

的に変化

1桁以上2次ｲｵﾝ強度異

なる

GaAs

AlGaInP

SIMS分析では、母材ごと

に標準試料必要

SIMSは、高感度な表面分析法であり、各種材料

開発・研究に役立つ手法です。

D-SIMSは、Cs、Oなどの化学活性なイオンの

DCビームによるスパッタリングを利用するためより

高感度分析が可能です。

イオン顕微鏡モード、高質量分解能モードなど多彩

な機能があり、それらうまく利用することで高度な材

料評価が可能です。

しかしながら、マトリックス効果などデータ解釈す

る上での問題に気をつける必要があります。

まとめ