DE19738409A1

DE19738409A1 - Vorrichtung zur wellenlängen-dispersiven Analyse von Fluoreszenzstrahlung

Info

Publication number: DE19738409A1
Application number: DE1997138409
Authority: DE
Inventors: Heinrich Schwenke; Joachim Knoth; Harald Schneider; Peter Dr Beaven
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2017-09-04
Also published as: DE19738409B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur wellenlängen dispersiven Analyse von Fluoreszenzstrahlung, die von einer Probenoberfläche, insbesondere von einer zu untersuchenden Waferoberfläche, emittiert wird, nachdem auf die Probenoberfläche primäre Strahlung gerichtet worden war, wobei die Fluoreszenzstrahlung auf einen Multilayer-Röntgenspiegel geleitet wird, dessen emit tierte Strahlen auf einen Detektor gegeben werden.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art zur wellenlän gen-dispersiven Analyse von Fluoreszenzstrahlung, die auf einer Probe infolge der Beaufschlagung der Probe mit Röntgenstrahlung, Elektronenstrahlung oder aber auch anderer geeigneter Strahlung erzeugt wird, werden für viele Zwecke der Spurenanalyse verwendet. Ein besonderes Anwendungsgebiet derartiger Vorrichtungen, auf die allerdings die Anwendung keineswegs beschränkt ist, ist beispielsweise der spurenanalytische Nachweis von Kontaminationen von Waferoberflächen, wobei die Wafer bekannterweise zur Herstellung von Halbleitern für vielfältigsten Anwendungszwecke dienen. Derartige Vorrichtungen werden insbesondere zum Nachweis von Kontaminationen durch leichte Elemente auf Waferober flächen verwendet.

Grundsätzlich gilt, daß bei wellenlängen-dispersiver Analyse von Fluoreszenzstrahlung als Folge primärer Röntgenstrahlung, die auf einer Probe einfallen, zwei miteinander in Konflikt stehende Forderungen zu erfüllen sind. Ein Analysator dafür sollte möglichst effizient sein, d. h. er sollte einen möglichst großen Teil der von einem Objekt ausgehenden Strahlung erfassen und er sollte außerdem eine möglichst hohe Auflösung erreichen. Derzeit sind nur zwei Klassen wellenlängen-dispergieren der Elemente gebräuchlich, nämlich natürliche Kristalle, an deren Struktur Bragg-Reflexion eintritt, oder soge nannte Multilayer-Röntgenspiegel, die Bragg-Interferen zen durch die Totalreflexion von Röntgenstrahlen an künstlich hergestellten dünnen Schichten erzeugen. Analysatoren auf der Basis natürlicher Kristalle zeich nen sich in der Regel durch eine gute Energieauflösung bei geringer Intensität aus, wohingegen Multilayerspie gel eine wesentlich höhere Effizienz aufweisen, die jedoch auf Kosten der Auflösung geht.

Die eingangs geschilderte Gattung der Vorrichtung umfaßt die im Stand der Technik gebräuchliche Gattung der Vorrichtung mit einem Multilayer-Röntgenspiegel. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird beispielsweise eine Probenfläche von wenigen cm² mit geeigneter primärer Röntgenstrahlung bestrahlt. Die resultierende Fluores zenzstrahlung wird unter einem Winkel von etwa 45°, bezogen auf die Probenoberfläche, ggf. unter Zwischen schaltung eines geeigneten Kollimators, auf den Multi layerspiegel gelenkt. Der Auftreffwinkel der Fluores zenzstrahlung auf dem Multilayerspiegel bestimmt die Wellenlänge der reflektierten Strahlung, welche einen Detektor beispielsweise in Form eines Zählrohres trifft. Dieser Winkel wird durch Drehung des Multilayerspiegels in kleinen Winkelschritten verändert, so daß mittels des Detektors ein Spektrum der Fluoreszenzintensität als Funktion des Reflexionswinkels bzw. der Wellenlänge schrittweise aufgenommen werden kann.

Wie oben erwähnt, ist die Verwendung eines Multilayer spiegels als Röntgenspiegel dahingehend problematisch, daß sie zwar eine wesentlich höhere Effizienz aufweisen, die damit erreichbare Auflösung jedoch nachteiligerweise begrenzt ist bzw. nicht die Höhe erreicht, die für die gattungsgemäßen Analysen wünschenswert, in vielen Fällen sogar unabdingbar erforderlich sind.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sowohl die Intensitätsausbeute als auch das Auflö sungsvermögen entscheidend verbessert bzw. erhöht wird, wobei die Vorrichtung mit verhältnismäßig einfachen Mitteln realisiert werden können soll, um diese auch kostengünstig realisieren zu können und somit auch kostengünstig ansetzen zu können, insbesondere auch unmittelbar am Ort der durchzuführenden Analyse von Proben.

Gelöst wir die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der Reflexionswinkel α, unter dem die Fluoreszenzstrah lung von der Probenoberfläche emittiert wird, « 45° ist, daß der Multilayer-Röntgenspiegel durch ein Paar voneinander beabstandeter Multilayerspiegel gebildet wird und daß der Detektor durch einen ortsabhängigen Detektor gebildet wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß die erfindungsgemäße Lösung eine für die wellenlängen-dispersive Analysetechnik an sich ungewöhnliche Kombination von aufeinander abgestimmten Maßnahmen ist, nämlich eine vom Üblichen abweichende Geometrie sowie zwei Multilayerspiegel und der Einsatz eines ortsauflösenden Detektors. Dadurch wird es erfin dungsgemäß vorteilhafterweise möglich, gleichzeitig zwei einander normalerweise widersprechende Ziele zu errei chen, nämlich eine wesentliche Erhöhung der Auflösung und eine signifikante Verkürzung der Meßzeit pro Probe.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung liegt der Reflexionswinkel α im Bereich von 3° bis 0,05°, je nach der Art der zu untersuchenden Probe, wobei mit diesem Winkelintervall bei den zu untersu chenden Proben sehr gute Analyseergebnisse erreicht worden sind.

Ganz besonders gute Analyseergebnisse sind mit einem Reflexionswinkel erreicht worden, der im wesentlichen 1° groß ist. Bei diesem Reflexionswinkel und der erfin dungsgemäßen Anordnung konnte eine Auflösung, die mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung bei 31 eV lag, auf 19 eV gesteigert werden.

Obwohl nicht zwingend erforderlich, kann es für be stimmte Ausgestaltungen der Vorrichtung aber vorteilhaft sein, die Multilayerspiegel parallel voneinander zu beabstanden, obwohl dieses ggf. für bestimmte Reflexi onsparameter, die eingestellt werden sollen, nicht erforderlich ist.

Bei einer noch anderen vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind die Länge der Multilayerspiegel und ihr Abstand voneinander derart wählbar, daß mehr als zwei Reflexionen der darauf einfallenden Fluoreszenzstrahlen erzeugbar sind. So können beispielsweise anstelle von zwei Reflexionen an den Multilayerspiegeln vier Refle xionen oder mehr stattfinden, bevor die Fluoreszenz strahlen den ortsempfindlichen Detektor treffen. Bei dieser vorteilhaften Anordnung wird die Auflösung noch einmal gesteigert, allerdings auf Kosten der Empfind lichkeit im Vergleich zu einer Anordnung mit zwei Reflexionen. Untersuchungen haben gezeigt, daß bei vier Reflexionen anstelle von zwei Reflexionen die Auflösung um mehr als das doppelte bei dem vorangegangenen Bei spiel, und zwar von 31 eV auf 14 eV, gesteigert werden konnte.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus führungsbeispiels sowie anhand von in diesem Zusammen hang angestellten Modellrechnungen beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur wellenlängen dispersiven Analyse von Fluoreszenzstrahlung, wie sie bisher im Stand der Technik bekannt ist und so auch in vielen Fällen verwendet wird,

Fig. 2 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 in Form einer graphischen Darstellung das Ergebnis einer Modellrechnung nach dem soge nannten "ray-tracing"-Verfahren unter der Annahme, daß eine zu analysierende Probe unter dem Einfluß der Primärstrahlung zwei monoener getische Fluoreszenzlinien gleicher Intensität aussendet,

Fig. 4 in Form einer graphischen Darstellung das Ergebnis einer Modellrechnung für die erfin dungsgemäße Lösung, gerechnet für dieselben Fluoreszenzlinien bei gleicher Primärintensi tät, Probengröße und Zusammensetzung wie beim Beispiel von Fig. 3 und

Fig. 5 das Ergebnis der erfindungsgemäßen Lösung, gerechnet für dieselben Fluoreszenzlinien bei gleicher Primärintensität, Probengröße und Zusammensetzung, bei der jedoch das Multilayer spiegelpaar derart bemessen ist, daß anstelle von zwei Reflexionen, wie gemäß der Darstellung von Fig. 4, vier Reflexionen an den Multilayer spiegeln stattfinden, bevor die Fluoreszenz strahlen den ortsempfindlichen Detektor errei chen, zur Darstellung der nochmaligen Erhöhung der Auflösung von 31 eV auf 14 eV.

Die im Stand der Technik bekannte Vorrichtung 10 wird anhand des in Fig. 1 dargestellten schematischen Aufbaus erläutert. Die erfindungsgemäße Lösung gemäß Fig. 2 wird dann nachfolgend anhand der Darstellungen der Fig. 1 und 2 erläutert.

Die Vorrichtung 10 zur wellenlängen-dispersiven Analyse von Fluoreszenzstrahlung 11, die von einer Probenober fläche 15 herrührt, weist folgenden Aufbau auf. Von einer Röntgenstrahlungsquelle 13, die beispielsweise eine Röntgenröhre, aber auch eine sonstige beliebige geeignete Strahlungsquelle sein kann, wird Strahlung (Primärstrahlung) auf eine Probe 14 gegeben. Diese Probe 14 besteht beispielsweise aus einem Wafer, wie er zur Herstellung von elektronischen Halbleiterbauelementen verwendet wird. Mittels der Vorrichtung 10 soll auf der Oberfläche der Probe 14, beispielsweise in Form des Wafers, eine mögliche Kontamination der Probenoberfläche 15 mit leichten Elementen erfaßt bzw. analysiert werden. Die auf die Probe 14 einfallende Röntgenstrahlung 12 wird nach der Reflexion auf der Probenoberfläche 15 als Fluoreszenzstrahlung 11 unter einem Winkel von etwa 45°, bezogen auf die Probenoberfläche 15, über einen Kolli mator 16, beispielsweise in Form eines sogenannten Soller-Kollimators, auf einen Multilayer-Röntgenspiegel gelenkt. Der Auftreffwinkel der Fluoreszenzstrahlung 11 auf dem Multilayerspiegel 17 bestimmt die Wellenlänge der reflektierten Fluoreszenzstrahlung 110, die nach folgend einen Detektor 18 erreicht, der beispielsweise in Form eines Zählrohres ausgebildet ist. Dieser Winkel wird durch Drehung des Multilayerspiegels 17 in kleinen Winkelschritten verändert, so daß mittels des Detektors 18 ein Spektrum der Fluoreszenzintensität als Funktion des Reflexionswinkels bzw. der Wellenlänge schrittweise aufgenommen werden kann, vgl. auch Fig. 3.

Die erfindungsgemäße Lösung gemäß Fig. 2 geht von einem Grundaufbau der Vorrichtung 10 aus, wie er vorangehend im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben worden ist.

Ein gravierender Unterschied bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gegenüber der aus Fig. 1 bekannten ist der, daß der Reflexionswinkel α, unter dem die Fluores zenzstrahlung 11 von der Probenoberfläche 15 emittiert wird, « 45° ist, d. h. beispielsweise im Bereich von 1° gewählt ist. Ein weiterer wesentlicher Unterschied der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gegenüber der in Fig. 1 dargestellten ist der, daß der Multilayer-Röntgenspiegel durch ein Paar voneinander beabstandeter Multilayer spiegel 17, 170 gebildet wird und daß schließlich als weiterer wesentlicher Unterschied gegenüber dem Stand der Technik die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 einen Detektor 18 aufweist, der durch einen ortsabhängigen Detektor gebildet wird, wobei dieser beispielsweise durch einen CCD-Detektor (charge coupled device) gebil det wird.

Wichtig bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist, daß, anders als bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1, die Multilayerspiegel 17, 170 für die gesamte Messung fest angeordnet sind, d. h. keine Drehung des Multilayerspie gelpaars 17, 170 erforderlich ist. Durch die Verwendung eines ortsabhängigen Detektors ist es möglich, die Wellen der bei einer Messung anfallenden reflektierten Fluoreszenzstrahlen 110 in einem ausgewählten Wellen längenbereich in einem Meßzyklus simultan auslesen zu können. So wurden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 beispielsweise Steigerungen der Zählrate um den Faktor 4 (= 18/4,5) erreicht.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Ergebnisse von Modell rechnungen nach dem "ray-tracing"-Verfahren. Dabei wird angenommen, daß eine Probe 14 unter dem Einfluß der Röntgenstrahlung 12 (Primärstrahlung) zwei monoenerge tische Fluoreszenzlinien gleicher Intensität aussendet, in diesem Beispiel mit einer Energie von 1,49 keV (Al Ka) bzw. 1,46 keV. Die 1,46 keV-Linie ist fiktiv. Sie wurde eingeführt, um den Einfluß einer nur um 30 eV versetzen Linie zu verdeutlichen. Für eine Anordnung gemäß Fig. 1 (Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik) zeigt Fig. 3 als Ergebnis derartiger Rechnungen die Röntgenintensität am Detektor, die als Funktion des Winkels zwischen Fluoreszenzstrahlung 11 und dem Multi layerspiegel erhalten wird. Jedes Kreissymbol steht für die Röntgenintensität, die in einer bestimmten Meßzeit für einen bestimmten Winkel des Spiegels gemessen wird. Die Rechnung simuliert den Meßvorgang, bei dem der Spiegel sukzessive in ausreichend kleinen Schritten verdreht wird und bei dem für jeden Winkel die Zahl der Fluoreszenzstrahlen 110 registriert wird, die den Detektor 18 in einer bestimmten Meßzeit treffen.

Fig. 4 zeigt das Ergebnis der erfindungsgemäß vorge schlagenen Lösung, wie er mit einer Vorrichtung 10 gemäß Fig. 2 erreicht wird, gerechnet für dieselben Fluores zenzlinien bei gleicher Primärintensität, Probengröße und Zusammensetzung. Es wurde der gleiche Multilayer spiegel 17, wenn auch in doppelter Ausführung 17, 170, eingesetzt wie in der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Im Gegensatz zur herkömmlichen Technik gemäß der Vorrich tung nach Fig. 1 wird die Fluoreszenzintensität als Funktion des Reflexionswinkels nicht durch eine Drehung des Multilayerspiegels 17, 170 gewonnen, sondern es wird die Ortsauflösung des in Form eines CCD-Detektors ausgebildeten Detektors 18 bei einer festen Winkelein stellung des Multilayerspiegelpaares 17, 170 zur Win keldiskriminierung benutzt.

Vergleicht man die Fig. 3 und 4 miteinander, so ergibt sich, daß die Auflösung gemäß der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sich von 31 eV auf 19 eV gestei gert hat. Auch die Effektivität der erfindungsgemäßen Lösung ist gegenüber der durch die im Stand der Technik bekannte Vorrichtung gemäß Fig. 1 erreichbaren erheblich verbessert. Fig. 3 zeigt zwar eine um den Faktor 4,5 erhöhte Zählrate pro Winkelintervall im Vergleich zu Fig. 4, es werden jedoch 18 Messungszyklen gleicher Dauer zur Analyse des ausgewählten Wellenlängenbereichs benötigt. Die Positionen des ortsempfindlichen Detektors 18 gemäß der erfindungsgemäßen Lösung werden hingegen in einem Zyklus simultan ausgelesen, so daß im Ergebnis eine Steigerung der Zählrate um den Faktor 4 (= 18/4,5) erreicht wird.

Wie schon erwähnt, kann die Länge 171 der Multilayer spiegel 17, 170 und ihr Abstand 172 voneinander derart gewählt werden, daß mehr als zwei Reflexionen der darauf einfallenden Fluoreszenzstrahlen 110 erzeugbar sind, worauf die Fluoreszenzstrahlen 11 dann auf den ortsem pfindlichen Detektor 18 treffen. In dieser Anordnung wird die Auflösung noch einmal gesteigert, allerdings auf Kosten der Empfindlichkeit im Vergleich zur Anord nung mit zwei Reflexionen. Die Ergebnisse der Modell rechnung für die die Vielfachreflexion sind in Fig. 5 wiedergegeben. Die Intensität entspricht in diesem Falle der der Normalanordnung mit Kollimator 16 und Einfach reflexion am einfachen Multilayerspiegel 17 gemäß Fig. 1 ohne ortsauflösenden Detektor, die Auflösung ist jedoch um mehr als das doppelte, und zwar von 31 eV auf 14 eV, gesteigert.

Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

11

Fluoreszenzstrahlung

110

reflektierte Fluoreszenzstrahlung

12

Strahlung (Primärstrahlung)

13

Röntgenquelle

14

Probe

15

Probenoberfläche

16

Kollimator

17

Multilayerspiegel

170

Multilayerspiegel

171

Länge des Multilayerspiegels

172

Abstand der Multilayerspiegel

18

Detektor

Claims

1. Vorrichtung zur wellenlängen-dispersiven Analyse von Fluoreszenzstrahlung, die von einer Probenoberfläche, insbesondere von einer zu untersuchenden Waferoberflä che, emittiert wird, nachdem auf die Probenoberfläche primäre Strahlung gerichtet worden war, wobei die Fluoreszenzstrahlung auf einen Multilayer-Röntgenspiegel geleitet wird, dessen emittierte Strahlen auf einen Detektor gegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionswinkel α, unter dem die Fluoreszenzstrahlung (11) von der Probenoberfläche (15) emittiert wird, « 45° ist, daß der Multilayer-Röntgenspiegel durch ein Paar voneinander beabstandeter Multilayerspiegel (17, 170) gebildet wird und daß der Detektor (18) durch einen ortsabhängigen Detektor gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionswinkel α im Bereich von 3° bis 0,05° liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionswinkel α im wesentlichen 1° groß ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Multilayerspiegel (17, 170) parallel voneinander beabstandet sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (171) der Multilayerspiegel (17, 170) und ihr Abstand (172) voneinander derart wählbar sind, daß mehr als zwei Reflexionen der einfallenden Fluoreszenzstrahlen (11) erzeugbar sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsabhängige Detektor (18) durch einen CCD-Detektor gebildet wird.