JP2009133658A - 全反射蛍光ｘ線分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】円板状の試料の縁近傍の周辺部における任意の測定部位について正確な分析ができる全反射蛍光Ｘ線分析装置を提供する。
【解決手段】全反射蛍光Ｘ線分析装置１は、円板状の試料の表面Ｓａに微小な入射角度θで１次Ｘ線１４を入射させ、発生する蛍光Ｘ線１５の強度を検出器１６で測定する。検出器１６に対する試料Ｓの初期位置を検知する初期位置検知手段２０と、試料の表面Ｓａにおける測定部位５２を検出器１６の視野Ｆ内に移動させるステージ２１と、初期位置検知手段２０で検知した初期位置ならびにステージ２１による移動の方向および量に基づいて、検出器１６の視野Ｆ内における測定部位５２の測定面積Ｍ_１を算出し、算出した測定部位の測定面積Ｍ_１および測定した測定強度Ｉ_２に基づいて、単位面積Ｍ_０あたりの測定強度Ｉ_２×（Ｍ_０／Ｍ_１）を算出する算出手段３１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、円板状の試料における縁近傍の周辺部を測定する全反射蛍光Ｘ線分析装置に関する。

全反射蛍光Ｘ線分析装置は半導体製造プロセスの品質管理分析において、ウェーハ、ガラス基板などの分析に用いられている。ウェーハの縁近傍の周辺部は半導体製造プロセスにおいて汚染し易いために、チップの製造には使用されていなかったが、ウェーハが大径化する一方で、超小型のマイクロチップが製造されており、ウェーハの縁近傍の周辺部が利用できれば、その領域だけで数千個のマイクロチップを製造することができる。そのため、ウェーハの縁近傍の周辺部をできるだけ有効に利用するために、ウェーハの縁の数ミリ手前までの領域を測定してウェーハの縁近傍の周辺部の汚染を調べることができる全反射蛍光Ｘ線分析装置がある（参照、特許文献１）。

また、ウェーハの大径化にともなってウェーハを水平にして台に載置した場合、台からはみ出す縁近傍の周辺部はわずかに下方にたれ下がるようにたわむ、そのため、ウェーハの表面への１次Ｘ線の入射角度をウェーハの測定位置によって補正する全反射蛍光Ｘ線分析装置がある（参照、特許文献２）。この装置では、補正にあたり、各測定位置での蛍光Ｘ線の測定強度を用いており（中心強度補正と呼ばれる）、測定位置がウェーハの縁近傍の周辺部にあるときは、縁近傍の周辺部での測定強度が必要となる。
特開２００２−５８５８号公報 特開２００６−２１４８６８号公報

しかし、これらの従来の技術では、ウェーハなどの円板状の試料の縁近傍の周辺部における任意の測定部位について正確な分析ができない。ステージで試料の縁を検出器の視野内に移動させると、図４Ｂに示すように、検出器の視野Ｆの一部分しか試料Ｓが占めず、斜線で示された測定部位５２からの蛍光Ｘ線しか測定することができず、図４Ａに示すような検出器の全視野Ｆを占める測定部位についての測定強度と整合しなくなるからである。

本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたもので、ウェーハなどの円板状の試料の縁近傍の周辺部における任意の測定部位について正確な分析ができる全反射蛍光Ｘ線分析装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の全反射蛍光Ｘ線分析装置は、円板状の試料の表面に微小な入射角度で１次Ｘ線を入射させ、発生する蛍光Ｘ線の強度を検出器で測定する全反射蛍光Ｘ線分析装置であって、前記検出器に対する試料の初期位置を検知する初期位置検知手段と、前記初期位置から試料を移動させることにより、試料の表面における任意の測定部位を前記検出器の視野内に移動させるステージと、前記初期位置検知手段で検知した初期位置ならびに前記ステージによる移動の方向および量に基づいて、前記検出器の視野内における前記測定部位の面積を算出し、その算出した測定部位の面積および前記検出器で測定した測定強度に基づいて、単位面積あたりの測定強度を算出する算出手段とを備えている。

本発明の全反射蛍光Ｘ線分析装置によれば、検出器の視野内における測定部位の面積を算出し、その算出した測定部位の面積および検出器で測定した測定強度に基づいて、単位面積あたりの測定強度を算出するので、ウェーハなどの円板状の試料の縁近傍の周辺部における任意の測定部位について正確な分析ができる。

本発明の全反射蛍光Ｘ線分析装置においては、前記ステージが、試料の傾きを変化させることにより前記入射角度を変化させる入射角度調整手段を有し、試料表面から均一に発生する基準Ｘ線について、試料の表面における基準となる基準部位での測定強度に任意の測定部位での測定強度が合致するように、前記入射角度調整手段に前記任意の測定部位での入射角度を変化させる制御手段を備え、その制御手段が、前記合致させる両測定強度として、前記算出手段が算出した単位面積あたりの測定強度を用いることが好ましい。

この好ましい構成によれば、試料の縁近傍の周辺部における任意の測定部位について、正確な測定強度を得て、１次Ｘ線の入射角度を適切に補正できる。

以下、本発明の実施形態である全反射蛍光Ｘ線分析装置について説明する。図１に示すように、この全反射蛍光Ｘ線分析装置１は、シリコンウェーハなどの円板状の試料の表面Ｓａに、Ｘ線管１１からのＸ線１２を分光素子１３で単色化して１次Ｘ線１４として微小な入射角度θ、例えば０．０５°で照射するＸ線源６と、載置された試料Ｓを回転、移動させるＸＹθステージ２２および試料Ｓの傾きを調整するスイベルステージ２３を備えるステージ２１と、試料Ｓから発生する蛍光Ｘ線１５の強度を測定するＳＳＤなどの検出器１６と、検出器１６に対する試料Ｓの初期位置を検知する初期位置検知手段２０を構成するビームセンサ２４と、初期位置検知手段２０で検知した初期位置ならびにステージ２１による移動の方向および量に基づいて、検出器１６の視野内における測定部位の面積を算出し、その算出した測定部位の面積および検出器１６で測定した測定強度に基づいて、単位面積あたりの測定強度を算出する算出手段３１を有し、入射角度調整手段であるスイベルステージ２３を制御する制御手段３０とを備える。

図２に示すように、ビームセンサ２４は、帯状のラインビームＬを照射する照射部２４ａと、照射部２４ａに対向する位置に配置されてラインビームＬを線状に受光する受光部２４ｂとで構成され、試料Ｓの縁近傍の周辺部がラインビームＬの一部を遮光するような位置に配置されている。図示したビームセンサ２４は照射部２４ａと受光部２４ｂとが一体として示されているが、別体であってもよい。ステージ２１は、既に知られた位置決め装置（参照、特開平８−１６１０４９号公報）を用いており、ＸＹθステージ２２は試料Ｓを載置する試料台２２ａと試料台２２ａを駆動する駆動部２２ｂで構成されている。

図３に示すように、検出器１６の視野Ｆは試料の表面Ｓａの高さにおいて円形で所定の視野面積を有し、ステージ２１の初期状態において、検出器１６の視野Ｆの中心２５と試料台２２ａの中心とは合致している。試料台２２ａは検出器１６の視野Ｆの中心２５を原点（０、０）として空間に固定されたＸＹ座標において、試料Ｓの方位を変化させずにＸＹ方向に移動でき、自身の中心（回転軸）まわりにφ方向に回転できる。試料Ｓは、初期状態の試料台２２ａの中心に試料Ｓの中心５１が合致するように、かつ、初期状態の試料台２２ａの所定方向、例えばＹ方向に試料ＳのノッチＮ方向（試料Ｓの中心５１からノッチＮへの方向）が合致するように、ロボットハンド（図示なし）により試料台２２ａに載置される。しかし、通常、これらは完全には合致せず、わずかながらずれる。このようにずれて載置される試料Ｓについて、検出器１６に対する初期位置が、ビームセンサ２４を用いて以下のように検知される。

制御手段３０によりステージ２１を制御して、試料Ｓを載置した試料台２２ａを３６０度回転させると、回転角に応じて、つまり試料台２２ａの中心と試料Ｓの中心５１とのずれおよびノッチＮの切欠きに応じて、ビームセンサ２４の受光量（Ｌｂ（図２）の長さ）が変化する。試料Ｓの寸法形状は既知であるので、この回転角に応じた受光量変化から、初期状態の試料台２２ａの中心つまり検出器１６の視野の中心２５に対する試料Ｓの中心５１およびノッチＮの位置が、制御手段３０により求められる。これが、検出器１６に対する試料Ｓの初期位置であり、ビームセンサ２４、ステージ２１および制御手段３０が初期位置検知手段２０を構成する。

ステージ２１は、制御手段３０から指令を受け、載置した試料Ｓを初期位置から試料Ｓの方位を変化させずにＸＹ方向に移動させることにより、試料Ｓの表面における任意の測定部位を検出器１６の視野Ｆ内に移動させる。制御手段３０が有する算出手段３１は、前記初期位置検知手段２０で検知した試料Ｓの初期位置ならびに前記ステージ２１による試料Ｓの移動の方向および量に基づいて、検出器１６に対する試料Ｓの移動後の位置を算出する。そして、その算出した検出器１６に対する試料Ｓの移動後の位置、前記試料Ｓの所定寸法形状および前記試料表面の高さにおける検出器１６の視野Ｆの所定寸法形状に基づいて、検出器１６の視野Ｆ内における試料表面の面積つまり測定部位の面積を算出する。測定部位が例えば試料Ｓの中心部で検出器１６の視野Ｆのすべてを占める場合には、視野面積と測定部位の面積は等しいが、測定部位が試料Ｓの縁近傍の周辺部で検出器１６の視野Ｆの一部しか占めない場合には、視野面積よりも測定部位の面積は小さい。算出手段３１は、さらに、算出した測定部位の面積および検出器１６で測定した測定強度に基づいて、単位面積あたりの測定強度を算出する。ここで、単位面積は、視野面積でもよいし、視野面積とは無関係の値、例えば１ｃｍ^２でもよい。

また、ステージ２１は、入射角度調整手段としてスイベルステージ２３を有し、試料の傾きを変化させることにより前記入射角度θを変化させる。そして、制御手段３０は、前述の中心強度補正を行うべく、試料表面から均一に発生する基準Ｘ線について、試料の表面における基準となる基準部位での測定強度に任意の測定部位での測定強度が合致するように、入射角度調整手段に前記任意の測定部位での入射角度を変化させる。ここで、制御手段３０は、前記合致させる両測定強度として、前記算出手段３１が算出した単位面積あたりの基準Ｘ線の測定強度を用いる。

本実施形態の全反射蛍光Ｘ線分析装置１の動作について説明する。まず、１次Ｘ線の入射角度の補正について説明する。試料Ｓを試料台２２ａに載置すると、前記したように、試料Ｓの初期位置が前記初期位置検知手段２０により求められる。すなわち、図３に示すように、例えば、検出器１６の視野Ｆの中心２５をＸＹ座標の原点（０、０）とすると、試料Ｓの初期位置である試料Ｓの中心５１の座標（ｘ_０、ｙ_０）が求められる。この視野Ｆの中心２５を中心とする部位、すなわち初期位置の試料台２２ａの中心を中心とする試料部位を、試料の表面Ｓａから均一に発生する基準Ｘ線５について試料の表面Ｓａにおける基準となる基準部位５０とし、この基準部位５０に１次Ｘ線１４の入射角度θが適切になるようにスイベルステージ２３によりステージ角度を調整して、試料の表面Ｓａから均一に発生する基準Ｘ線５である、例えばＳｉ−Ｋα線の基準強度Ｉ_０を測定する。この場合、基準部位５０は試料Ｓの中心５１の近傍部位であるので、その測定面積は検出器１６の視野Ｆの面積Ｍ_０と同じである。この視野面積Ｍ_０を単位面積とする。ステージ角度の調整は、前記した特開平８−１６１０４９号公報によって既に知られている方法によって調整される。

次に、図４Ａに示すように制御手段３０からの指令によりステージ２１の駆動部２３が、試料Ｓの方位を変化させずに試料台２２上の試料ＳをＸ方向にｘ_１、Ｙ方向にｙ_１の距離を移動させて、例えば試料Ｓの中心近傍部位である所望の測定部位５３を検出器１６の視野Ｆに配置する。このとき、移動後の試料Ｓの中心５１はＸＹ座標（ｘ_０＋ｘ_１、ｙ_０＋ｙ_１）の位置になる。算出手段３１により、この試料Ｓの中心５１の座標（ｘ_０＋ｘ_１、ｙ_０＋ｙ_１）、試料の寸法形状、例えばシリコンウェーハの半径および検出器の視野寸法形状、例えば円形視野Ｆの半径に基づいて試料Ｓの中心近傍部位である測定部位５３の測定面積が算出される。この場合、測定部位５３は試料Ｓの中心近傍であるので、その測定面積は検出器１６の視野Ｆの面積Ｍ_０と同じである。

試料Ｓの中心近傍部位である測定部位５３に１次Ｘ線１４を照射して、Ｓｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_１を測定しながらスイベルステージ２３に入射角度θを変化させて、測定部位５３での単位面積Ｍ_０あたりのＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_１を、基準部位５０で得られた単位面積Ｍ_０あたりのＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_０に合致させ、そのときのステージ角度θ_１を制御手段３０に記憶する。

次に、図４Ｂに示すように制御手段３０からの指令によりステージ２１が、試料Ｓの初期位置から試料Ｓの方位を変化させずにＸ方向にｘ_２、Ｙ方向にｙ_２の距離を移動させて、試料Ｓの縁近傍の周辺部である所望の測定部位５２を検出器１６の視野Ｆに配置する。このとき、検出器の視野Ｆの一部分しか試料Ｓが占めず検出器１６の視野面積Ｍ_０より小さいが、算出手段３１により試料Ｓの中心５１の座標（ｘ_０＋ｘ_２、ｙ_０＋ｙ_２）を用いて前記と同様にして、斜線で示された測定部位５２の測定面積Ｍ_１が算出される。この測定部位５２に１次Ｘ線１４を照射して、Ｓｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_２を測定しながらスイベルステージ２３に入射角度θを変化させて、測定部位５２での単位面積Ｍ_０あたりのＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_２×（Ｍ_０／Ｍ_１）を、基準部位５０で得られた単位面積Ｍ_０あたりのＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_０に合致させ、そのときのステージ角度θ_２を制御手段３０に記憶する。

本実施形態の全反射蛍光Ｘ線分析装置１によれば、検出器の視野Ｆの一部分しか試料Ｓが占めないような縁近傍の周辺部における測定部位５２について、正確な単位面積Ｍ_０あたりの基準Ｘ線５の測定強度Ｉ_２×（Ｍ_０／Ｍ_１）を得ることによって、１次Ｘ線の入射角度θを適切に補正することができる。

次に、円板状の試料Ｓの分析対象元素を測定する場合について説明する。前記と同様にして、ステージ２１で試料Ｓを移動させて所望の測定部位を検出器１６の視野Ｆ内に配置する。検出器１６の視野Ｆのすべてを占める測定部位５３の場合には、算出手段３１により算出される測定面積は検出器１６の視野Ｆの面積Ｍ_０と同じ面積となる。次に、この測定部位５３に１次Ｘ線１４を照射して、ステージ角度を記憶したステージ角度θ_１に設定して試料Ｓから発生する蛍光Ｘ線１５の強度を測定する。測定部位５３が検出器１６の視野Ｆのすべてを占めているので、算出手段３１により算出される測定面積は検出器１６の視野Ｆの面積Ｍ_０と同じ面積となり、試料Ｓより発生する分析対象元素の蛍光Ｘ線１５の単位面積Ｍ_０あたりの強度Ｋ_０を検出器１６により測定し、その測定強度Ｋ_０を用いて定量分析値を求める。

検出器１６の視野Ｆの一部しか占めない測定部位５２の場合には、算出手段３１により算出される測定面積は前記Ｍ_１となる。次に、検出器１６の視野Ｆの一部しか占めない測定部位５２に１次Ｘ線を照射して、ステージ角度を記憶したステージ角度θ_２に設定して試料Ｓから発生する分析対象元素の蛍光Ｘ線１５の強度Ｋ_１を測定し、算出手段３１で単位面積Ｍ_０あたりの蛍光Ｘ線１５の測定強度Ｋ_１×（Ｍ_０／Ｍ_１）を算出する。この単位面積Ｍ_０あたりの蛍光Ｘ線１５の測定強度Ｋ_１×（Ｍ_０／Ｍ_１）を用いて定量分析値を求める。

本実施形態の全反射蛍光Ｘ線分析装置１によれば、検出器１６の視野Ｆ内における測定部位５２、５３の面積を算出し、その算出した測定部位５２、５３の面積および検出器１６で測定した蛍光Ｘ線１５の測定強度に基づいて、単位面積Ｍ_０あたりの蛍光Ｘ線１５の測定強度を算出するので、シリコンウェーハなどの円板状の試料Ｓの縁近傍の周辺部における検出器１６の視野Ｆの一部しか占めない任意の測定部位についても正確な分析ができる。円板状の試料Ｓで汚染が発生しやすい縁近傍の周辺部、例えば円板状の試料Ｓの縁に沿った数ミリの領域をも測定して、汚染部位の特定をすることができる。

本実施形態では、基準Ｘ線５であるＳｉ−Ｋα線の強度を、基準部位５０である初期位置の試料台２２ａの中心を中心とする試料部位で１次Ｘ線１４の入射角度θ（図１）が適切になるようにステージ角度を調整して基準強度Ｉ_０を測定しているが、基準部位は円板状の試料Ｓのたわみが生じない試料の表面Ｓａの他の位置であってもよい。基準Ｘ線５として試料Ｓであるシリコンウェーハから発生するＳｉ−Ｋα線を用いたが、試料Ｓに均一に分布する主成分元素に限らず、試料Ｓに形成された膜に均一に分布する元素からの蛍光Ｘ線を用いてもよい。

なお、１次Ｘ線の入射角度の補正については、以下のように、測定部位の面積を単位面積とすることもできる。視野面積Ｍ_０を単位面積とした場合と同様にして、基準部位５０のＳｉ−Ｋα線の基準強度Ｉ_０を測定する。基準部位５０の面積は視野面積Ｍ_０と同じである。

前記と同様にして、図４Ａに示す測定部位５３について、測定面積Ｍ_０が算出される。測定部位５３のＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_１を測定しながらスイベルステージ２３に入射角度θを変化させて、測定部位５３での単位面積Ｍ_０あたりのＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_１を、基準部位５０で得られた単位面積Ｍ_０あたりのＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_０に合致させる。

前記と同様にして、図４Ｂに示す斜線で示された測定部位５２の測定面積Ｍ_１が算出される。算出手段３１で基準部位５０の単位面積Ｍ_１あたりのＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_０×（Ｍ_１／Ｍ_０）を算出する。測定部位５２のＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_２を測定しながらスイベルステージ２３に入射角度θを変化させて、測定部位５２での単位面積Ｍ_１あたりのＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_２を、算出した基準部位５０の単位面積Ｍ_１あたりのＳｉ−Ｋα線の強度Ｉ_０×（Ｍ_１／Ｍ_０）に合致させる。

本例によれば、検出器の視野Ｆの一部分しか試料Ｓが占めないような縁近傍の周辺部における測定部位５２のＳｉ−Ｋα線の測定強度Ｉ_２を、算出した基準部位５０の単位面積Ｍ_１あたりのＳｉ−Ｋα線の強度Ｉ_０×（Ｍ_１／Ｍ_０）に合致させるので、１次Ｘ線の入射角度θを適切に補正することができる。

本発明の実施形態である全反射蛍光Ｘ線分析装置の概略図である。 同装置のビームセンサと試料台上の試料位置との関係を示した配置図である。 同装置の試料の初期位置を示す図である。 同装置の試料の中心近傍部位の測定面積を示す図である。 同装置の試料の縁近傍の周辺部の測定部位の測定面積を示す図である。

符号の説明

１ 全反射蛍光Ｘ線分析装置
５ 基準Ｘ線（Ｓｉ−Ｋα線）
１４ １次Ｘ線
１５ 蛍光Ｘ線
１６ 検出器（ＳＳＤ）
２０ 初期位置検知手段
２１ ステージ
２３ 入射角度調整手段（スイベルステージ）
２４ ビームセンサ
３０ 制御手段
３１ 算出手段
５０ 基準部位
Ｓ 試料

Claims (2)

1. 円板状の試料の表面に微小な入射角度で１次Ｘ線を入射させ、発生する蛍光Ｘ線の強度を検出器で測定する全反射蛍光Ｘ線分析装置であって、
   前記検出器に対する試料の初期位置を検知する初期位置検知手段と、
   前記初期位置から試料を移動させることにより、試料の表面における任意の測定部位を前記検出器の視野内に移動させるステージと、
   前記初期位置検知手段で検知した初期位置ならびに前記ステージによる移動の方向および量に基づいて、前記検出器の視野内における前記測定部位の面積を算出し、その算出した測定部位の面積および前記検出器で測定した測定強度に基づいて、単位面積あたりの測定強度を算出する算出手段とを備えた全反射蛍光Ｘ線分析装置。
2. 請求項１において、
   前記ステージが、試料の傾きを変化させることにより前記入射角度を変化させる入射角度調整手段を有し、
   試料表面から均一に発生する基準Ｘ線について、試料の表面における基準となる基準部位での測定強度に任意の測定部位での測定強度が合致するように、前記入射角度調整手段に前記任意の測定部位での入射角度を変化させる制御手段を備え、
   その制御手段が、前記合致させる両測定強度として、前記算出手段が算出した単位面積あたりの測定強度を用いる全反射蛍光Ｘ線分析装置。
   
   
   
   
   
   
   

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