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RBSはこんな用途に便利な手法です

ラザフォード後方散乱分析(Rutherford Backscattering Spectrometry:以下RBS)は、He等の軽いイオンをMeV程度の高エネルギーに加速して固体に照射し、固体元素の原子核により後方側に散乱されたイオンのエネルギーを測定することで、固体中に含まれる原子の組成、量、深さ方向分布を調べることが可能な手法です。EAGの「バブルチャート」、及び、「各種分析手法と情報深さの関係」より、RBSの観察領域は1cm角程度の領域が必要であり、深さ方向の情報としては、表層より1um程度までの、いわゆる薄膜の分析に適していることが分かります。 またRBS分析の特徴としては、①非破壊で深さ方向の組成分析が可能、②定量に標準試料が不要、 ③結晶性(研磨ダメージ、イオン注入ダメージ、結晶欠陥、格子不整合)評価が可能なことが上げられます。 薄膜中の組成を正確に定量できることから、金属膜、半導体膜、絶縁膜などの分析に応用されています。
更に、RBS装置では前方散乱を用いてHの分析を行うことができます(HFS(ERDA))。

RBS(及びHFS)で分析に用いられる材料を下記に示します。材料の組成調査に加えて、成膜中に取り込まれるArやCl等の不純物も高感度に検出可能です。

■ 薄膜材料(RBS)
炭素系、酸化物/窒化物系材料 DLC, TaC, IGZO, STO, HfO, TiN, TaNなど
太陽電池系材料 a-Si:H, CIGS など
化合物半導体 III-V, AlGaN, AlGaInN, SiGe など
合金・金属系材料 GST, PZT, SBT, AlCu, TiW, PtMn, IrMn, NiPtなど
シリサイド TiSi, CoSi, NiSi, WSi, PtSi,など
イオン注入ドーズ量評価 Si基板中のAs注入、Si基板中のSb注入など

RBSによる分析事例

Si基板上に成膜したTaN膜の組成分析事例を下記に示します。
TaとNの組成比は、それぞれTa : 44atomic%。N : 55atomic%程度であることが分かります。
また、膜中より0.7atomic%程度のArを検出しております。

■ RBSによるTaN膜分析
RBSによるTaN膜分析

Si基板中に注入されたSnのイオン注入量評価の分析事例を下記に示します。
Snスペクトルの面積密度より、Snのイオン注入は、「6.1E13 atoms/cm2」であることが分かります。
RBSでは構成原子の物理量(散乱確率)がほぼ完全に分かっているため、標準試料を用いることなく絶対定量が可能であるため、イオン注入量の評価に応用されています。

■ RBSによるSnイオン注入試料分析
RBSによるSnイオン注入試料分析

RBSは標準試料が不要なため、イオン注入試料の正確なドーズ量を求める事が可能

イオン注入によってSi基板中に生じたダメージについて、イオン注入後とアニール後で比較した分析事例を下記に示します。イオン注入後の試料では、結晶中にダメージが生じているため、後方散乱量(図中青のスペクトル)が大きい結果を示しています。一方、イオン注入試料にアニールを行うことで、後方散乱強度(図中赤のスペクトル)が低下しています。後方散乱への寄与が少なくなったことから、結晶状態が回復しているようすが分かります。

■ イオン注入によるSi基板のダメージ 分析例
イオン注入によるSi基板のダメージ 分析例

イオン注入後の試料とアニール処理を行った試料のチャネリングスペクトルを比較することで、アニール処理による結晶性の回復状態を評価することができる

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