[发明专利]用于使用二次离子质谱的半导体计量和表面分析的系统和方法

说明书

公开了用于使用二次离子质谱(SIMS)的半导体计量和表面分析的系统和方法。在实例中，二次离子质谱(SIMS)系统包括样品台。一次离子束被引导至样品台。提取透镜对准样品台。配置提取透镜为从样品台上的样品发射的二次离子提供低提取场。磁扇区光谱仪沿着SIMS系统的光学路径耦合到提取透镜。磁扇区光谱仪包括耦合到磁扇区分析仪(MSA)的静电分析仪(ESA)。

相关申请的引用

本申请要求于2015年2月10日提交的美国临时申请No.62/114,521的权益，其全部内容通过引用并入本文。本申请还要求于2015年2月10日提交的美国临时申请No.62/114,519的权益，其全部内容通过引用并入本文。本申请还要求于2015年2月10日提交的美国临时申请No.62/114,524的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的实施方式在半导体计量领域，并且具体而言是使用二次离子质谱(SIMS)的半导体计量和表面分析的系统和方法。

背景技术

二次离子质谱(SIMS)是通过用聚焦的一次离子束溅射样本的表面并收集和分析喷射(弹射，ejected)的二次离子来用于分析固体表面和薄膜的组成的技术。用质谱仪测量这些二次离子的质量/电荷比来确定表面至1至2纳米的深度的元素、同位素或分子组成。由于不同材料之间电离概率的变化很大，尽管使用标准可以进行定量，但通常将SIMS认为是定性技术。SIMS是最敏感的表面分析技术，其中元素检测限范围为从百万分率到十亿分率。

通常，SIMS需要具有低于10^-4Pa的压强的高真空。需要高真空以确保二次离子在它们到达检测器的途中不会与背景气体碰撞(即，与仪器的尺寸相比，检测器内的气体分子的平均自由路径必须是大的)，并且还可防止在测量期间通过吸附背景气体颗粒而可能发生的表面污染。

在SIMS分析中采用三种基本类型的离子枪。在一种类型中，通常用双等离子管或由电子电离产生气态元素的离子，例如稀有气体(⁴⁰Ar⁺，Xe⁺)、氧(¹⁶O^-，¹⁶O²⁺，¹⁶O^2-)，或者甚至电离的分子，如SF5⁺(由SF₆产生)或C₆₀⁺(富勒烯)。这种类型的离子枪是容易操作的，并产生大致聚焦的但高电流的离子束。第二种源类型是表面电离源，产生¹³³C_s⁺一次离子。铯原子蒸发通过多孔钨塞，并在蒸发过程中被电离。取决于枪设计，可获得精细聚焦或高电流。第三种源类型是液态金属离子枪(LMIG)，用金属或金属合金操作，它们在室温或略高于室温下是液态。液态金属覆盖钨尖端并在强电场的影响下发射离子。虽然镓源能够以元素镓操作，但最近开发的金、铟和铋的源使用降低其熔点的合金。LMIG提供具有适度强度的紧密聚焦的离子束(小于50纳米)，并且还能够产生短脉冲离子束。因此，它通常用于静态SIMS设备。

离子种类和离子枪的选择分别取决于所要求的电流(脉冲或连续)、所需的一次离子束的束尺寸和待分析的样品。由于正二次离子的产生概率的增加，氧一次离子通常用于研究电正性元素，而当研究电负性元素时，通常使用铯一次离子。对于静态SIMS中的短脉冲离子束，最常采用LMIG来分析。在元素深度剖析(profiling)期间，LMIG可与氧枪或铯枪组合，或在分子深度剖析期间与C₆₀⁺或气体簇离子源组合。