JP2005512050A - Ｘ線トポグラフィシステム - Google Patents

Abstract

【解決手段】 Ｘ線トポグラフィシステムは、シリコンウェーハなどの試料の限られた領域に当たるＸ線ビームを生成するＸ線発生器を含む。ソリッドステート検出器は、試料を透過した後のビームまたは試料で反射した後のビームを遮るように位置決めされる。検出器は、前記限られた領域のデジタル画像を生成するためにビーム領域と適合する画素アレイを有する。Ｘ線発生器と試料の間の相対的段階運動によって一連のデジタル画像が作成され、それらが組み合わされる。任意的に選択される実施形態においては、画像の重複を回避するために平行ビームを生成するＸ線光学素子が介在されるか、画像重複の影響がソフトウェアによって除去される。

Description

本発明は、例えば半導体の生産に使用されるシリコン単結晶ウェーハまたはブールの結晶構造を検査する際に使用されるＸ線トポグラフィシステムに関する。

例えば、高速熱アニールプロセスにおいて核となるスリップバンドなどの傷を検出するために、Ｘ線によってシリコンウェーハを検査することは知られている。そのような検査は、これまで、フィルムに露光するラングカメラによって行なわれてきた。従来技術のプロセスは、カメラシステムのサイズの大きさ、検査できるウェーハのサイズの制限および処理時間の長さ（典型的には、８インチ即ち２００ｍｍウェーハで約１時間）等の多くの欠点があった。

本発明の１つの目的は、典型的には直径３００ｍｍまでの大きな試料を検査することができ、また検査を典型的には５〜１５分で迅速に行うことができるＸ線トポグラフィシステムを提供することである。

従って、本発明は、試料位置の方に向けられたＸ線ビームを生成するＸ線発生器と、試料位置で試料によって屈折されたＸ線を受けるように位置決めされた検出器とを含み、検出器が、ビーム領域に対応する画素アレイを有する電子Ｘ線検出器を含むことを特徴とするＸ線トポグラフィシステムを提供する。

Ｘ線ビームは、最大２０ミリラジアンの比較的大きな発散を有することができる。

本発明の１つの形態においては、Ｘ線光学素子がＸ線発生器と試料位置の間に配置され、前記ビームを受け取ってＸ線を実質的に平行なビームとして透過するために配置される。

別の更に高い解像度の形態においては、Ｘ線光学素子は使用されず、像の任意の許容できない重複がソフトウェアによって除去または補償される。

検出器は、試料を透過した屈折Ｘ線を受けるように位置決めされてもよい。或は、検出器は、試料から反射した屈折Ｘ線を受け取るように位置決めされてもよい。

Ｘ線発生器は、１００μｍ以下の光源スポットサイズを生成するように適応されることが好ましく、またターゲットから２０ｍｍ未満に出口窓を有することが好ましい。

システム解像度が約２５μｍ以上であり、検出器が、試料位置から５〜１０ｍｍに配置されていることが好ましい。

Ｘ線光学素子は、出力ビームが実質的に平行になるように、互いに僅かな角度で設定された幾つかのＸ線反射プレートを含むロブスターアイ（lobster eye）光学素子であることが好ましい。典型的には、プレートは、厚さ約１５０μｍであり、金で被覆されている。

検出器は、電荷結合素子が適切であり、デジタルＣＣＤが最も好ましい。

また、本発明は、前に定義されたようなＸ線トポグラフィシステムと、システムと検査する試料との間で相対段階的運動を生成するステッピング手段と、連続する段階の間で検出器の画素データを読み出す画像処理手段とを含み、段階のサイズがビーム領域とスペクトルプロファイルの関数であるＸ線トポグラフィ装置を提供する。

本発明のその他の特徴および利点は、次の説明と特許請求の範囲から明らかになるであろう。

次に、本発明の実施形態を図面を参照して説明するが、これは例示に過ぎない。

ウェーハ検査システムの実施形態
図１〜図３の実施形態は、特に、直径３００ｍｍまでのＳｉウェーハ内のスリップバンド検出に適している。

図１を参照すると、シリコンウェーハ１０が、Ｘ線発生器１２、Ｘ線光学要素１４および全体を１６で示した検出器を含むトポグラフィシステムによって検査される。

Ｘ線発生器１２は、ダーラム（Durham）のBede plc of Bowburn社によるMicrosource[登録商標]Ｘ線発生器が最も適切であり、これは、ＷＯ９８／１３８５３号の発明である。簡単に述べると、Microsource[登録商標]発生器は、１００μｍ以下のターゲット上にスポットＸ線源を生成するように構成された外部集束コイルを備えた真空Ｘ線管と、Ｘ線射出窓がターゲットの５〜１０ｍｍ以内にある構成とを含む。Microsource[登録商標]発生器は、Ｘ線光学素子を小さなターゲットスポットの近くに配置することができ、同時に狭発散ビームを光学素子に送ることができるので、特に、本発明での使用に適している。

Ｘ線光学要素１６は、発生器１２からの僅かに発散するＸ線を受け入れ、平行Ｘ線の領域を出力として提供する任意の適切な要素である。この実施形態において使用される好ましい要素は、 「ロブスターアイ（lobster eye）」光学素子であり、このタイプのＸ線光学素子は従来技術においても説明されているが、Ｘ線天文学での使用に関してだけのものである。

図３に示したように、ロブスターアイ光学素子１４は、鏡面反射板として働きかつ点光源から各反射板の中点までの半分の点から正確に半径方向に分岐（divergent）するように取り付けられた一連のフラットプレート１８を含む。好ましい実施形態において、Ｘ線は、銅Ｋ放射（copper K radiation）であり、プレート１８は、金が被覆され、厚さ約１５０μｍ、面積６×３０ｍｍおよび平均反射率８０％を有する。上記の厚さに適応する実際上の最大数である合計１４枚のプレートを使用すると、約（１＋１４）ｘ０．８＝１２の理論利得が得られる。

図１に戻り、ロブスターアイ光学素子１４からの出力は、ウェーハ１０に入射する実質的に平行なビーム２０である。屈折しないビーム２０ａは、ビームストップ２２によって遮られる。屈折したビーム２０ｂは、以下に説明する電子検出器要素２４に入射する。

より具体的には、ビーム２０は、約２ｍｒの発散を有し、長さ約３０ｍｍの幾つかのストライプに分割される。各ストライプは、多色であり、像に縞Ｋα１，Ｋα２ができる（図２を参照）。従って、１つのストライプからの像が二重になる。

通常のラングトポグラフィ法においては、ビームを通して試料と写真乾板とが共に平行移動される。欠陥は２回観察され、１回はＫα１ビームによるもの、後は、プレートが平行移動された後のＫα２ビームによるものである。大きなウェーハにおいては試料からフィルムまでの距離が少なくとも５０ｍｍであり、Ｋα１とＫα２の間の発散が約２．５ｘ１０-3なので、像は二重になり（５０ｘ２．５ｘ１０-3＝０．１２５ｍｍ）、Ｋα１ビームだけを選択するために、単なる絞りではなくスリットが使用される。

本構成においては、ウェーハ１０が静止しているとき像は二重にならず、Ｋα２とＫβの強度が弱くなるだけであり、像の増加を伴うことなく、制動放射から他の成分が生じる。これは、実際には、白色放射線トポグラフのスペクトル減少部分（spectrally-reduced segment）である。

次に、ウェーハ１０を１段階平行移動すると、そのとき試料のビームに当たっている部分の忠実な像が得られる。勿論、フィルム検出器を用いてこの像を第１の像に重ねることもできる。しかしながら、電子検出器要素２４を使用することにより、連続した段階から得られる像を記憶してウェーハ１０全体の像を電子的に生成することができる。

ウェーハ１０全体がビームの全体で均一に走査されている限り、ビーム中の強度プロファイルがどのようになっているかは重要ではない。光学素子１４の基本的要件は、できるだけ強いビームが元の直接ビームと平行に反射／散乱されることである。発生器１２が、「点」（後で考察するような）光源を提供することがきわめて望ましい。図２の平面と垂直な線光源は、コマ収差（coma）を同じ方向に発生させ、図２の平面およびウェーハと平行な線光源は、成分Ｋα１とＫα２とから二重像を発生させる。

解像度と光源サイズの問題に移ると、通常の解像度ｄの式は、次の通りである。
ｄ＝ｈｂ／ａ
ここで、ａとｂは、図２に定義されている通りであり、ｈは、図面と垂直な方向の光源の寸法である。図１の構成において、Microsource[登録商標]Ｘ線源の寸法により、ａが７５ｍｍ以上に決定され、ｂは、簡単に１５ｍｍと決定することができる。

Ｘ線トポグラフィ作成装置は、慣例的に、解像度１μｍの目標を達成するように努力されてきており、これは、学術的研究には望ましい場合があるが、きわめて長い（日数）露光および処理時間を必要とする。可能な露光（potential exposure）は解像度の二乗に比例して減少するので、ターゲット解像度を低くすることによってゲインをきわめて高くすることができる。

半導体材料の検査と品質管理に使用するために、分離した転移（dislocations）を観察する必要はあるが、それらの相互作用の詳細を観察する必要はない。我々は、これに十分な解像度は２５μｍであり、実際には１００μｍまで使用できるとの結論に至った。

或は、Ｘ線源と試料の間の距離を約２０５ｍｍに増加させることもでき、この場合、幾何学解像度は約１μｍに高まり、電子検出器の画素サイズによってのみ制限される。

解像度２５μｍを目指すには、Ｘ線源スポットが１２５μｍでなければならない。光学素子への結合を考慮すると、スポットサイズは１００μｍに制限されるが、Microsource[登録商標]発生器を１００Ｗで運転でき、検出器画面上で２０μｍの解像度を提供できる。

異なるビームＫα１、Ｋα２およびＫβから複数の像が生じる可能性が依然としてあるが、これは、これらのビームが試料から僅かに異なる角度で回折するためである。しかしながら、検出器がウェーハの１０ｍｍ以内にあり、ぶれ（burring）が、許容できる２５μｍ程度である場合は、試料と検出器の距離を２〜５ｍｍにすることができる。

試料と検出器の距離がより大きい場合は、システムの幾何学的配置によって、試料内の対象部位の像が検出器において拡大される。図４を参照すると、反射幾何学的配置（図４ａ）の場合のシステムの入射面での幾何学倍率ｍ１は、次の式で与えられる。
ｍ１＝（ａ＋ｂ）／ａ
ここで、ａは光源と試料の距離、ｂは試料と検出器の距離である。試料と検出器と間の距離に関わらず、倍率は１よりも大きい、即ち、対象部位の像は、対象部位自体よりも大きい。

透過幾何学的配置の場合（図４ｂ）、入射面での幾何学的倍率は、次の通りである。
ｍ１＝（ａ−ｂ）／ａ
この幾何学的配置において、倍率は、試料と検出器間の距離が光源と試料間の距離の２倍よりも大きいときだけ、即ちｂ＞２ａのときだけ１よりも大きい。倍率の符号は、ｂ＞ａのときは負であり、これは、単に、対象部位の像が鏡像であることを意味する。

反射幾何学的配置と透過幾何学的配置の両方で、入射面に垂直な倍率ｍ２は、次の通りである。
ｍ２＝（ａ＋ｂ）／ａ
従って、試料から検出器までの距離を光源から試料までの距離に対して調整することによって、システム倍率を、前述のような光源サイズにより課される解像度の限界内で変化させることができる。

前述の実施形態とベンチマーク測定値に関して、我々は、銅ターゲット上で１００Ｗを使用して８インチ（２００ｍｍ）Ｓｉウェーハを検査する露光時間が５〜１０分内になることを算出した。これと対照的に、既知のシステムにおいては、光源とウェーハ間の距離が２．５ｍで、フィルム上に像を捕らえ、光源出力が１５ｋＷで、露光時間が１時間である。また、既知のシステムは、写真フィルム処理を必要とする。

次に検出器１６を検討すると、基本的要件は、画素アレイに受けたＸ線強度を表す電気信号出力を提供する検出器であることである。好ましい検出器は、例えば２０００×２００画素の長方形構成のデジタルＣＣＤ検出器である。そのような検出器としては、２４〜７．５μｍの解像度のものが入手可能である。 この横縦比の検出器を使用することにより、検出器をウェーハに極めて接近させて配置することができる。これよりも複雑でない代替品は、Photonic Science Hires 社の高解像度検出器であり、これは、約１２×１５ｍｍで解像度３０μｍ、または６×７．５ｍｍで解像度１５μｍを得るように構成することができる。

ウェーハ検査装置の実施形態
次に図５に移り、前述のシステムを組み込んだウェーハ検査用の装置を概略的に示す。装置４０は、既知の方式でサーボモータ（図示せず）によって直交軸に沿って駆動されるＸＹテーブル４２、Microsource[登録商標]コントローラ４４、連動コントローラ４６、およびサーボモータコントローラ４８を含む。装置４０は、典型的には約幅６５０ｍｍ×高さ７５０ｍｍの小型の寸法のものである。

反射によるブール検査の実施形態
以上、本発明を、主に透過での動作を参照して説明した。本発明は、ウェーハ、或いは図６に示したようにブール５０に対して、反射モードで同様に使用することができる。Ｓｉブールは、典型的には、直径３００ｍｍ×長さ約１ｍである。ブール５０と検査システム１０，１２，１４の間で回転方向と軸方向の段階的な相対運動を生成するサーボモータ駆動装置を設けることによって、ブールの全体または選択部分だけを検査することができる。この場合も、要件は、対象領域を横切って検出器を段階的に移動させることによりデジタル値を得ることである。各段階での画像データを読み出し、その画像データを使用して、検査する領域全体の画像が構成されることを理解されよう。典型的には、各画素の値は、画像全体を画面に表示できるか印刷できるようになるまで、対応するメモリ位置に記憶される。画像強度を正規化しかつ別々の段階からの画像を組み合せるために、市販の画像処理ソフトウェアの使用が必要になるであろう。

Ｘ線光学素子のないシステムの実施形態
次に、図７に移り、本発明の改良した形態を考察する。図７は、図１と類似しており、類似部分は類似の参照数字で示されている。しかしながら、図７においては、ロブスターアイ光学素子１４のようなＸ線光学素子は省略されている。この結果、試料１０に達するＸ線ビーム２０は、前の実施形態よりも発散が大きく、試料で屈折した放射はより広いスペクトルレンジを有するようになる。光学素子を使用するとき、発散を事実上約２ｍｒに制限できる。光学素子を使用しないとき、発散はＸ線源の性質と動作条件に依存するが、典型的には、最大で２０ｍｒの比較的大きな発散が使用される。

そのような構成の１つの例において、Microsource[登録商標]発生器が銅陽極と共に使用された。Ｘ線撮像システムは、それぞれ公称サイズ３０ｘ３０μｍの５１２ｘ５１２の画素のPhotonic Science社の撮像装置であった。これは、１２８メガバイトのＲＡＭを備えた７００ＭＨｚ Pentium III ベースのＰＣに接続され、PCVisionのフレームグラバーが使用された。

図８は、シリコンウェーハのエッジ領域を検査する図７の構成から得られた１つの画像を表す。これは、Ｓｉ（００１）試料からの１１５すれすれ入射ブラッグ反射による２本の回折縞を示す。左と右の縞はそれぞれ、Ｋα１回折縞とＫα２回折縞である。試料の縁が湾曲しているため、縞は下部が曲がっている。欠陥は、Ｋα１縞の上端から約２／３まで明るい白の領域として見える。

図１〜図６の実施形態において、光学素子が存在することによるＫα１とＫα２の回折縞は十分に接近しており、殆どの目的では、単一画像として扱われる。この実施形態において、これは、あまり重要でない用途においては許容されることがあるが、そうでない場合は、検出器によって作成された画像がソフトウェアで処理されることがある。

試料と検出器間の距離が既知の場合は、前述のように倍率ｍは分かっている。従って、検出器における異なるビームＫα１、Ｋα２およびＫβの分離は、試料での分離と同じではない。補正しない場合、これにより像のスペクトルぶれ（spectral blurring）が生じる。しかしながら、平面状試料の場合には、この影響は、画像を（入射面における）一次元で１／ｍに縮小することによって完全に補正することができる。

代替として、若しくは試料に曲がりまたは歪みがある場合は、Ｋα１とＫα２の像をソフトウェアで分離し、後で説明するように解像度と強度を維持するように処理することができる。

以上の説明は、各段階で試料を１回露光したと仮定した。しかしながら、現在利用可能な電子Ｘ線検出器は、そのような動作を可能にするほど十分に感度が高くなく、信号対雑音比が許容できなくなる。６０Ｈｚで５２５ラインまたは５０Ｈｚで６２５ラインなどの従来のラスタ走査で動作するＣＣＤ検出器などの検出器を使用すると便利である。このケースにおいては、同一試料領域についての多数のフレームを統合しなければならず、即ち各画素の累積和をとらなければならない。利用可能な技術を用いた場合、試料の次の領域に進む前に１０〜２０００のフレームを統合しなければならない。

ソフトウェアの例
次に、より幅広い形式の多数のフレームを統合できるソフトウェアの１つの例を説明する。

画像の統合
この例は、図９に示され更に以下のように説明されるアルゴリズムを使用する。（<>内の文字は、プログラムソースコード内に定義されている変数を指す）

１． ３２ビット浮動小数点画像（<im_expose>）と８ビット（バイト）画像（<im_temp>）を作成することによってルーチンが初期設定される。PCVisionカードのチャネル０に接続すると仮定したＸ線撮像システムがビデオソースとして選択される。

２． Ｘ線撮像システムから単一フレームを取得し、バイト画像<im_temp>とする（スナップする）。

３． グレースケール露光タイプが選択された場合は、ステップ４に進む。２値しきい値露光タイプが選択された場合は、現行フレーム<im_temp>を２レベル（２値）画像に変換する。指定されたしきい値よりも低い<im_temp>内の画素値はゼロ（黒）に設定され、しきい値を超える画素値は２５５（白）に設定される。

４． 現行フレーム<im_temp>を統合画像<im_expose>に加える。オーバフローの問題を回避するために、３２ビット浮動小数点画像を使用して統合画像を記憶する。画像<im_temp>が、画素ごとに<im_expose>に加算される。得られた画像に、倍率、この場合は１．０が掛けられる。

５． <Frames>変数で指示された数のフレームが統合されるまで、ステップ２〜４を繰り返す。

６． 最後に、３２ビット浮動小数点画像<im_expose>を８ビットバイト画像に変換する。３２ビット画像フォーマットと８ビット画像フォーマットとの間での変換を行うために、画素値が、０〜２５５の範囲の値にマップされるようにスケーリングされる。このスケーリングは、３つの方法で達成することができる。即ち、ａ）<im_expose>を統合フレーム数で割る方法、ｂ）最小および最大の画素値に基づいて自動的に行う方法、ｃ）オフセットを加算すると共に倍率を掛ける方法である。後者の場合、０〜２５５の範囲から外れている値が切り取られる。０よりも小さい画素値は０に設定され、２５５を超える値は２５５に設定される。

７． 最終的に得られた８ビット統合画像を、指定された名前でディスクファイルに保存する。

８． 統合画像をメインプログラムウィンドウに表示する。

統合画像の結合
前節で記載したアルゴリズムに従って取得された統合画像は、試料上の位置（χ１，γ１）と（χ２，γ２）それぞれからのＫα１とＫα２回折縞を含む。Tileコマンドは、拡張領域にわたる分布を結合する（「Tile」は「Stitch」としても知られている） 。

Tileアルゴリズムを理解するために、我々は、画像内の画素の位置と、画像内の対象方形領域（ＲＲＯＩ：rectangular region of interest）の位置とサイズを記述するために使用される座標空間を定義しなければならない。また、試料上の空間座標を画像またはＲＲＯＩ内の画素座標にマップする変換を定義することも重要である。

図１０を参照すると、画像の原点は、座標（０，０）を有し、画像の左上角にある画素を指す。画像の水平側はＸで表され、画像の垂直側はＹで表される。従って、主画像の右下角の画素は、座標（Ｘ，Ｙ）を有する。

ＲＲＯＩの原点は、その親画像の原点に対して座標（ｘ，ｙ）を有する。ＲＲＯＩの水平方向の広がりはｄｘで表され、垂直方向の広がりはｄｙで表される。従って、ＲＲＯＩの右下角の画素は、その親画像の原点に対して座標（ｘ＋ｄｘ，ｙ＋ｄｙ）を有する。

図１０は、画像の座標とＲＲＯＩの座標の関係を示す。画像内のワールド座標（ｘ，ｙ）とＲＲＯＩ座標（ｘ，ｙ）の間の変換に使用される式は、次のように表される。
ｘ＝（ｘ−ｘ0）／ｄｘ
ｙ＝（ｙ−ｙ0）／ｄｙ
ここで、（ｘ0，ｙ0）は、ワールド座標で表した原点であり、ｄｘとｄｙは、それぞれｘ（水平）方向とｙ（垂直）方向のＸ線撮像カメラの画素寸法である。ここで、我々は、ｘ方向とｙ方向の意味が画像内のものと等しいと仮定した。画像とＲＲＯＩ両方の画素座標は、ｘ座標が左から右（水平方向）に大きくなるように配置される。ｙ座標は、上から下（垂直方向）に大きくなる。

Tileコマンドによって使用されるアルゴリズムを図１１に示し、以下のように更に詳しく説明する（<>内の文字は、プログラムソースコード内で定義されている変数を指す）。

１． ３２ビット浮動小数点画像（<im_tile>）と、この画像内の対象方形領域（ＲＲＯＩ）（<rroi_tile>）を作成することによりルーチンが初期設定される。ビデオソースとして、PCVisionカードのチャネル０に接続する仮定したＸ線撮像システムを選択した。

２． ユーザが選択した ．ｉｎｉ ファイルから、原点（<OriginX>、<OriginY>）と、ワールド座標でそれぞれ<ScaleX>と<ScaleY>によって表された水平方向と垂直方向の画素サイズを読み出す。

３． 位置（<ｘ>，<ｙ>）と<dx>と<dy>で表された水平方向と垂直方向の寸法とをそれぞれ ．ｉｎｉ ファイルから読み出す。これらの値は、ワールド単位（典型的にはｍｍ）である。また、このワールド位置と関連した統合画像ファイルの名前を読み出す。

４． 一時的８ビット画像<im_temp>を作成し、ステップ３で得たファイルをこの画像に読み込む。

５． 一時画像<rroi_temp>内にＲＲＯＩを作成する。<rroi_temp>の開始位置とサイズは、回折縞の１つまたは両方を含むように選択される。

６． 画素ごとに<im_temp>から一定の値を減算する。この一定の値は、何れの回折縞からも遠い領域内の平均画素値、即ち背景画素値である。

７． 式１．１に従ってＲＲＯＩ<rroi_tile>を移動させる。<rroi_tile>のサイズを<rroi_temp>のサイズと合うように調整する。

９． ＲＲＯＩ<rroi_temp>をトポグラフＲＲＯＩ<rroi_tile>に加える。オーバフローの問題を回避するために、３２ビット浮動小数点画像を使用してトポグラフを記憶する。画像<rroi_temp>が、画素ごとに<rroi_tile>に加算される。得られた画像に倍率を掛ける。この場合、倍率は１．０に設定される。

１０． 一時画像<im_temp>とＲＲＯＩ<rroi_temp>を削除する。

１１． ユーザが選択した ．ｉｎｉ ファイル内の全ての統合ファイルの処理が完了するまでステップ３〜９を繰り返す。

１２． ３２ビット浮動小数点画像<im_tile>を８ビットバイト画像に変換する。３２ビット画像フォーマットと８ビット画像フォーマットとの間での変換を行うために、画素値が、０〜２５５の範囲の値にマップされるようにスケーリングされる。このスケーリングは、次の３つの方法で達成することができる。即ち、ａ）<im_expose>を統合したフレームの数で割る方法、ｂ）最小および最大の画素値に基づいて自動的に行う方法、ｃ）オフセットを加えると共に倍率を掛ける方法である。後者の場合、依然として０〜２５５の範囲から外れている値は切り取られる。０よりも小さい画素値は０に設定され、２５５よりも大きい画素値は２５５に設定される。

１３． 最終的に得られた８ビット統合画像を、ディスクファイルに指定された名前で保存する。

１４． 画像<im_tile>および関連したＲＲＯＩ<rroi_tile>を削除する。

１５． 最後に、統合画像をメインプログラムウィンドウに表示する。

ExposeとTileの例
図１２と図１３は、前述のExposeおよびTileコマンドを使って作成された選択した反射トポグラフを示す。従来のＸ線トポグラフィとの比較を容易にするために、トポグラフは全て反転されている。白い領域は、Ｘ線を弱く回折する領域であり、黒い領域は、強く回折する領域である。

図１２と図１３は、Ｋα１とＫα２両方の回折縞を使って作成された反射トポグラフを示す。統合画像は、水平間隔０．１ｍｍで収集され、各画像において２５０フレームが統合された（これは、１画像当たり約１２秒の取得時間に相当する）。公称値０．３０ｍｍの代わりに０．２８ｍｍの画素サイズを使用した。これにより、最も鮮明なトポグラフが得られた。

図１２に示したトポグラフを作成するために使用した統合画像を取得するとき、回折縞が垂直になるように試料を正確に位置決めした。図１３に示した統合画像のケースでは、そのような位置決めは行わなかった。このケースでは、我々は、回折縞が垂直方向から数度傾いていることがすぐに分かる。これは、試料の傾斜（χ軸）が入射Ｘ線ビームに対して不適切に調整されたためであった。平坦な試料の場合は、回折縞が垂直になるように試料を位置合わせすることは容易である。しかしながら、巨視的に見て曲がっているかまたは歪んでいる試料は、回折縞が垂直方向に対して傾斜することがある。実際にそのような場合は、Ｋα１とＫα２の放射が重ならないので、最終的に得られたトポグラフが、ぼやけたりゴースト画像を含んだりする。図１３に、この影響の人為的な例を示す。このトポグラフは、これらの縞が垂直方向から数度ずれるようにχ軸が調整された状態でＫα１とＫα２の両方の回折縞を使用して作成された。

位置合わせが不適切な試料或いは巨視的に見て曲がっている試料からのトポグラフのぶれを除去するために、強度が低い成分を阻止する金属フィルタを設けることによってＫα１回折縞だけを使用してトポグラフを作成できることは当然である。

例えば、ニッケル金属は、Ｘ線発生器内で銅ターゲットを使って生成された放射のＫβ成分を除去する働きをする。フィルタは、Ｘ線発生器とロブスターアイ光学素子の間に取り付けられる。しかしながら、これを行うと、我々は、利用できる強度の１／３、即ちＫα２回折縞に含まれる強度を無駄にすることになる。更に、この手順は、トポグラフの形状歪（傾斜（slanting））を修正しない。これは、図１３でも明らかである。

ＫαおよびＫα２画像の追加
利用可能な強度の全てを使用してぶれや形状歪のないトポグラフを作成するために、我々は、前述の基本Tileアルゴリズムに対する以下のような修正を提案する。

１． 各統合画像内のＲＲＯＩをＫα１回折縞だけを含むように定義した状態で、基本Tileアルゴリズムを使用してトポグラフを生成する。

２． ステップ１を繰り返すが、Ｋα２回折縞だけを含むようにＲＲＯＩを定義する。

３． ステップ１と２で作成したトポグラフにアフィン変換を実行して、Ｋα１とＫα２の画像を互いの上にマップする。

４． 変換したＫα１およびＫα２トポグラフを相互に加える。

ここで、アフィン変換は、まだ指定されていない平行移動、回転および切断画像処理操作の一般名称である。

回折縞が垂直方向に対して傾斜している角度αを決定し修正するために、我々は、以下のような簡単な手法を提案する。まず、我々は、統合画像の上部と下部の数パーセントに２つのＲＲＯＩを定義する。次に、これらのＲＲＯＩを水平軸に投影し、即ち、画素値を画像内の水平線に沿って加算する。画像の上部と下部における最大画素値のｘ位置（サブピクセルの精度を得るために投影をピーク関数に当てはめる）を一次方程式（２つの点を通る直線）に当てはめてαを決定することができる。この手順を、最終的なトポグラフを構成する全ての統合画像について繰り返す。次に、画像を、αの値をゼロに修正する別のアフィン変換によって切断し、その後で段階的統合を実行する。

変形
以上の実施形態を変形することができる。

実質的に平行な出力が得られれば、ロブスターアイ光学素子以外のＸ線光学素子を使用することができる。例えば、放物線状反射（parabolic specular）または多層の光学素子、詳細には放物線状グレーデッド多層（parabolic graded multilayer）を使用することができるが、これらは、ロブスターアイ光学素子よりも高価である可能性が高い。

光学素子の両側のアパーチャは、ノングレーデッド多層板を使用することによって拡張でき、或いは、雲母などの結晶反射板を使用することによって更に拡張できる。

現在のロブスターアイ光学素子の実際上の限界は、幅３０ｍｍであると考えられる。Microsource[登録商標]発生器は、５０ｍｍの距離で全アパーチャを４０〜４５ｍｍにすることができ、従って、より広い光学素子を作成できれば、露光をそれに比例して減少できる。

また、前述の光学素子よりも複雑でない光学素子を使用した場合、幾分性能は下がるものの、実用的な性能を提供できる。２つのプレートだけのロブスターアイ光学素子でも、利得が２．６倍になり、８インチウェーハの処理時間が２０〜２５分になる。

Microsource[登録商標]Ｘ線発生器の使用は、２つの理由のために好ましい。１つは、光学素子をＸ線源のきわめて近くに配置できることである。もう１つは、測定のニーズに応じて解像度とスループットのバランスを変更するために、機械的変更なしにパワーとＸ線源のサイズを電子的に制御できることである。また、後者の要素は、比較的低い解像度で試料を走査して何らかの矛盾のある領域を検出し、次にその領域をより詳細に検査することを可能にする。

しかしながら、本発明は、Microsource[登録商標]発生器の使用に限定されず、Ｘ線を生成する他の手段を使用することができる。

Ｓｉのスリップバンドの検出を参照して説明したが、本発明は、ＣａＦ2などのＥＵＶ光学材料並びにＳｉＣおよびＩＩＩ−Ｖ族結晶内の欠陥検出など、他の材料でも有用である。

本発明の範囲内で他の変形および改良を行うことができる。

発明を実施する１つのシステムを示す概略側面図である。 図１のシステムの動作を示す図である。 図１の１つの構成要素をより詳細に示す図である。 本発明の装置において遭遇する可能性のある幾何学的拡大効果を示す図である。 図１のシステムを含む装置の概略図である。 装置の代替形態を示す図である。 Ｘ線光学素子のない変形したシステムを示す図である。 本発明を実施するシステムによって得られる像の例を示す図である。 本発明の１つの形態において使用されるアルゴリズムの流れ図である。 像を結合する際に使用される幾何学的座標を示す図である。 像を結合する際に使用されるアルゴリズムの流れ図である。 統合画像の例を示す図である。 統合画像の例を示す図である。

Claims (17)

1. 試料位置に向けられたＸ線のビームを生成するＸ線発生器と、
   試料位置にある試料によって屈折されたＸ線を受けるように位置決めされた検出器とを含み、
   検出器が、検出器におけるビーム領域に対応する画素のアレイを有する電子Ｘ線検出器を含むＸ線トポグラフィシステム。
2. ビームが、最大２０ミリラジアンの発散を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線トポグラフィシステム。
3. Ｘ線発生器と試料位置の間に配置され、前記ビームを受け、Ｘ線を実質的に平行なビームとして透過するＸ線光学素子を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＸ線トポグラフィシステム。
4. 検出器が、試料を透過して屈折されたＸ線を受けるように位置決めされたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＸ線トポグラフィシステム。
5. 検出器が、試料から反射された屈折Ｘ線を受け取るように位置決めされたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＸ線トポグラフィシステム。
6. 検出器における幾何学的倍率が、試料と検出器間の距離と光源と試料間の距離との関係を調整することによって調整可能であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＸ線トポグラフィシステム。
7. Ｘ線発生器が、１００μｍ以下の光源スポットサイズを生成するように適応され、ターゲットから２０ｍｍ未満に出口窓を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＸ線トポグラフィシステム。
8. システム解像度が、１５〜１００μｍ、好ましくは約２５μｍであり、検出器が、試料位置から５〜３０ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍに配置されたことを特徴とする請求項７に記載のＸ線トポグラフィシステム。
9. Ｘ線光学素子が、多くの平行なＸ線反射板を含むロブスターアイ（lobster eye）光学素子であることを特徴とする請求項３に記載のＸ線トポグラフィシステム。
10. 板が、厚さ約１５０μｍでありかつ金で被覆されていることを特徴とする請求項９に記載のＸ線トポグラフィシステム。
11. 検出器が、電荷結合素子であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のＸ線トポグラフィシステム。
12. 請求項１から１１のいずれかによるＸ線トポグラフィシステムと、システムと検査試料との間で相対段階的運動を生成するステッピング手段と、連続した段階の間で検出器の画素データを読み出す画像処理手段とを含み、段階のサイズがビーム領域の関数であることを特徴とするＸ線トポグラフィ装置。
13. ステッピング手段が、Ｘ線発生器と検出器に対して移動可能なＸＹテーブルと、ＸＹテーブルを直交する方向に段階的に移動させるように配列された１対のサーボモータとを含むことを特徴とする請求項１２に記載のＸ線トポグラフィ装置。
14. ステッピング手段が、ブール（boule）をＸ線発生器と検出器に対して回転させかつ軸方向に平行移動させるように配置されたブール搬送装置と、ブール搬送装置を回転方向と平行移動方向に段階的に移動させるように配置された１対のサーボモータとを含むことを特徴とする請求項１２に記載のＸ線トポグラフィ装置。
15. 画像処理手段が、各段階から出力された画素データを記憶する手段と、連続する段階からのデータを結合して合成画像を形成する手段とを含むことを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載のＸ線トポグラフィ装置。
16. 検出器がラスタ走査で動作し、各段階の画像が、複数の走査フレームを統合することによって導出されることを特徴とする請求項１２から請求項１５のいずれか１項に記載のＸ線トポグラフィ装置。
17. Ｘ線ビームが、検出器において画像の重複（doubling）を生成するのに十分な発散を有し、画像処理手段が、前記画像重複の影響を除去するように機能することを特徴とする請求項１２から請求項１６のいずれか１項に記載のＸ線トポグラフィ装置。