JP2012013606A

JP2012013606A - 蛍光ｘ線分析装置および方法

Info

Publication number: JP2012013606A
Application number: JP2010151828A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Kita; 広明喜多; Hiroshi Kobayashi; 寛小林
Original assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: KR101277379B1; JP4914514B2; TWI388821B; WO2012002030A1; CN102959387B; EP2589956A4; EP2589956B1; CN102959387A; TW201221947A; US20130101085A1; KR20130019030A; EP2589956A1; US8644450B2

Abstract

【課題】結晶構造が回転対称の試料だけでなく、回転対称でない試料であっても、簡単に精度のよい分析をすることができるコンパクトな蛍光Ｘ線分析装置を提供する。
【解決手段】本発明の蛍光Ｘ線分析装置は、結晶構造を有する試料Ｓが載置される試料台８と、試料Ｓに１次Ｘ線２を照射するＸ線源１と、試料Ｓからの２次Ｘ線４を検出する検出手段７と、試料台８を回転させる回転手段１１と、試料台８を平行移動させる平行移動手段１２と、試料Ｓの回転角度とその角度で発生する２次Ｘ線４の強度とを対応させて取得した回折パターンに基づいて、隣り合う間隔が１８０°未満であって、回折Ｘ線を回避できる回避角度を少なくとも３つ選択するための選択手段１７とを備え、制御手段１５が、試料台８、回転手段１１および平行移動手段１２が当該装置の他の構造物と干渉しない回避角度に試料Ｓを設定するように回転手段１１を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体電子回路素子に用いられる単結晶ウエーハ（単結晶シリコンウエーハ、単結晶ガリウム砒素ウエーハ等）や、単結晶シリコンウエーハの測定面全域に電極膜等を付着してなるモニターウエーハのような、結晶構造を有する試料の蛍光Ｘ線分析において、検出器に入射する特定波長の回折Ｘ線の強度を容易に最小限に抑えて、正確な分析のできる装置および方法に関するものである。

従来、例えば、シリコンウエーハの表面層の分析には、試料表面に１次Ｘ線を照射して、試料表面から発生する２次Ｘ線の強度を検出して分析している。単結晶シリコンウエーハの測定面に、アルミ（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）および銅（Ｃｕ）からなる配線膜を局部的に形成してなる半導体基板について、その配線膜の膜厚、成分濃度などの品質のチェックを行う場合、一般に、その半導体基板と同一の工程を経て、単結晶シリコンウエーハの測定面全域に配線膜を付着してなるモニターウエーハを用い、その試料に１次Ｘ線を照射し、試料から発生する２次Ｘ線を検出して分析する蛍光Ｘ線分析装置が使用されている。

試料の蛍光Ｘ線分析に先立って、試料を試料上の所定点まわりに１８０°（度）以上回転させながら、この試料に１次Ｘ線を照射して、試料から発生する蛍光Ｘ線および回折Ｘ線を含む２次Ｘ線を検出し、得られた２次Ｘ線強度が最小値を示す回転方向位置に試料を位置決めし、この状態で、試料を、その測定面に平行な面内で互いに直交するＸＹ方向に移動させて、試料の測定面全域の分析を行なう蛍光Ｘ線分析方法がある（特許文献１）。また、結晶構造を有する試料が固定される試料台と、試料に１次Ｘ線を照射するＸ線源と、試料から発生する２次Ｘ線が入射される検出器と、試料表面の任意の位置に１次Ｘ線を照射させるように試料台を移動させる平行移動手段と、試料表面に垂直な軸を中心に試料台を回転させる回転手段と、試料で回折されて検出器に入射する回折Ｘ線の強度の総和が所定値以下となるような、理論計算により求められた最適の試料の回転角度範囲内に、試料が設定されるように回転手段を制御する制御手段とを備える全反射蛍光Ｘ線分析装置がある（特許文献２）。

特開平５−１２６７６８号公報特開平１０−２８２０２２号公報

特許文献１に記載の蛍光Ｘ線分析方法では、結晶構造が１８０°回転対称の試料を測定しているので、２次Ｘ線強度が最小値を示す回転角度に試料を位置決めし、試料の右側半分の領域を測定した後、試料を１８０°回転させて試料の左側半分の領域を右側半分の領域に設定して試料の全領域を測定している。しかし、この方法では、２次Ｘ線強度が最小値を示す試料の回転角度と、その角度と１８０°対称な角度の２方向に設定されており、それ以外の回転角度に設定することはできない。そのため、図７に示すような結晶構造が回転対称でない試料の場合、試料の右側半分の領域を測定した後、試料を１８０°回転させて左側半分の領域を右側半分の領域に設定して試料を測定すると、回折Ｘ線を回避することができないため、精度のよい分析をすることができなかった。また、回折Ｘ線を回避する回避角度として、必ずしも２次Ｘ線強度が最小値を示す角度が最適な角度ではないことによっても、精度のよい分析をすることができなかった。

特許文献２に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置では、理論計算により回折Ｘ線の強度の総和が所定値以下となるような最適の回転角度範囲に試料を設定している。しかし、１次Ｘ線が照射されたときに試料から発生する２次Ｘ線の回折パターンに関して、装置で実際に検出される回折パターンと理論計算された回折パターンとは必ずしも一致せず、精度のよい分析をすることができなかった。ここで、試料の回転角度と、その回転角度において試料から発生する２次Ｘ線の強度とを対応させた図を回折パターンと称している。

そこで、本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたもので、大きな設置スペースを必要としないコンパクトな装置によって、結晶構造が回転対称の試料だけでなく、結晶構造が回転対称でない試料であっても、簡単に精度のよい分析をすることができる蛍光Ｘ線分析装置および方法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、本発明の蛍光Ｘ線分析装置は、結晶構造を有する試料が載置される試料台と、試料に１次Ｘ線を照射するＸ線源と、試料から発生する２次Ｘ線を検出する検出手段と、試料測定面に垂直な軸を中心に試料台を回転させる回転手段と、前記回転手段が停止した状態で試料測定面の半分の任意の位置に１次Ｘ線を照射させるように試料台を平行移動させる平行移動手段と、試料を試料の所定点のまわりに前記回転手段によって３６０°回転させながら前記Ｘ線源から１次Ｘ線を照射させ、試料から発生して前記検出手段に入射する２次Ｘ線の強度を試料の回転角度と対応させた回折パターンとして表示手段に表示させ、その回折パターンを記憶する制御手段と、測定者が、前記表示手段に表示された回折パターンに基づいて、隣り合う間隔が１８０°未満の角度であって、回折Ｘ線を回避できる回避角度を少なくとも３つ選択するための選択手段とを備え、前記制御手段が、前記選択手段によって選択された回避角度を記憶し、試料の測定点に応じて、その記憶した回避角度の中から、前記試料台、回転手段および平行移動手段が当該装置の他の構造物と干渉しない回避角度を読み出して、その回避角度に試料を設定するように前記回転手段を制御する。

本発明の蛍光Ｘ線分析装置によれば、測定者が、隣り合う間隔が１８０°未満の角度であって、回折Ｘ線を回避できる回避角度を少なくとも３つ容易に選択でき、選択された回避角度の中から、試料台、回転手段および平行移動手段が当該装置の他の構造物と干渉しない回避角度に、試料が設定されるので、大きな設置スペースを必要としないコンパクトな装置によって、結晶構造が回転対称の試料だけでなく、結晶構造が回転対称でない試料であっても、簡単に精度のよい分析をすることができる。

本発明の蛍光Ｘ線分析装置は、前記表示手段が、前記選択手段によって選択された回避角度の位置を示す回避角度マークを、前記制御手段に記憶された回折パターンおよび／または試料の測定面画像とともに表示するのが好ましい。この場合には、選択された試料の回避角度マークが回折パターンおよび／または試料の測定面画像とともに表示されるので、選択した回避角度位置、および隣り合う間隔が１８０°未満であるか否かを測定者が容易に視認することができる。

本発明の蛍光Ｘ線分析方法は、本発明の蛍光Ｘ線分析装置を用い、隣り合う間隔が１８０°未満の角度であって、回折Ｘ線を回避できる回避角度を少なくとも３つ選択し、制御手段により回避角度を設定された試料について、その測定面に平行な面内で移動させて試料の測定面全域を分析する。

本発明の蛍光Ｘ線分析方法によれば、コンパクトな装置を用いて、結晶構造が回転対称の試料だけでなく、結晶構造が回転対称でない試料であっても、簡単に精度のよい分析をすることができる。

本発明の蛍光Ｘ線分析方法は、前記表示手段に、前記選択手段を用いて選択した回避角度の位置を示す回避角度マークを、前記制御手段に記憶された回折パターンおよび／または試料の測定面画像とともに表示させるのが好ましい。この場合には、選択された試料の回避角度マークが回折パターンおよび／または試料の測定面画像とともに表示されるので、選択した回避角度位置、および隣り合う間隔が１８０°未満であるか否かを測定者が容易に視認することができる。

本発明の実施形態の蛍光Ｘ線分析装置を示す概略図である。同装置による試料の平行移動可能な領域を示す図である。同装置によって測定した試料の回折パターンを示す図である。同装置の回避角度の設定画面を示す図である。同装置で測定する試料の測定点を示す図である。同装置において、試料が回避角度の方向１に設定されている図である。同装置において、試料が回避角度の方向２に設定されている図である。同装置において、試料が回避角度の方向３に設定されている図である。結晶構造が回転対称でない試料の回折パターンを示す図である。

以下、本発明の実施形態の蛍光Ｘ線分析装置について説明する。まず、蛍光Ｘ線分析装置の構成について、図面にしたがって説明する。図１に示すように、この分析装置は、モニターウエーハなどの試料Ｓに向けて１次Ｘ線２を照射するＸ線管などのＸ線源１と、１次Ｘ線２の照射によって試料Ｓから発生する蛍光Ｘ線および回折Ｘ線を含んだ２次Ｘ線４を、たとえばＬｉＦ分光結晶などの分光素子によって分光し、その２次Ｘ線４の強度を検出する検出手段７と、試料Ｓを載置する試料台８と、この試料台８を試料Ｓの測定面に垂直な軸を中心に回転させる、この実施形態では試料Ｓの中心点Ｏ（図２）周りに回転させる回転手段１１と、この回転手段１１を回転可能に支持した状態で、試料Ｓの測定面の任意の位置に１次Ｘ線２を照射させるように測定面に平行な面内で互いに直交するＸＹ方向（図２）に移動させる平行移動手段１２とを備えている。検出手段７は測定元素毎に設けられた固定型のゴニオメータである。

平行移動手段１２のストロークは、Ｘ方向またはＹ方向の一方については、試料Ｓの直径分ではなく、半径分のストロークで移動できるようにしている。例えば、１次Ｘ線２の照射点が図２に示した試料Ｓの中心点Ｏにある場合、平行移動手段１２によって試料Ｓを＋Ｘ方向および±Ｙ方向に移動させることにより、試料Ｓの右側半分２１（ハッチングした領域）の所望の測定点を１次Ｘ線２の照射点へ移動することができる。次に、平行移動手段１２によって試料Ｓの中心点Ｏを１次Ｘ線２の照射点に移動させ、回転手段１１によって試料Ｓを１８０°回転させ、平行移動手段１２によって同様に試料Ｓを移動させることによって試料Ｓの左側半分２２（ハッチングのない領域）の所望の測定点を１次Ｘ線２の照射点へ移動することができる。このように、本実施形態の装置では、試料ＳのＸ方向の移動を試料Ｓの半径分の移動に制限することによって装置を小型化している。

本実施形態の蛍光Ｘ線分析装置は、さらに、図１の制御手段１５、表示手段１６および選択手段１７を備えている。制御手段１５は、試料Ｓを試料Ｓの中心点Ｏのまわりに回転手段１１によって上から見て時計方向に３６０°回転させながらＸ線源１から１次Ｘ線２を照射させ、試料Ｓから発生して検出手段７に入射する２次Ｘ線（回折Ｘ線）４の強度を試料Ｓの回転角度と対応させた回折パターンを表示手段１６に表示させ、その回折パターンを記憶する。なお、試料Ｓの回転方向は上から見て反時計方向であってもよい。

測定者は、選択手段１７によって表示手段１６に表示された回折パターンに基づいて、隣り合う間隔が１８０°未満の角度であって、回折Ｘ線を回避できる回避角度を少なくとも３つ選択する。試料ＳのＸ方向の移動は当該装置の小型化のために構造的に試料Ｓの半径分に制限されているので、制御手段は、試料Ｓの測定点の位置に応じて回転手段１１を制御して、選択された少なくとも３つの回避角度の中から、試料台８、回転手段１１および平行移動手段１２が当該装置の他の構造物と干渉しない回避角度に試料Ｓを設定する。表示手段１６は、さらに、選択手段１７によって選択された試料Ｓの回避角度を示す回避角度マークを、制御手段１５に記憶されている回折パターンおよび／または試料Ｓの測定面画像とともに表示することができる。

次に、本実施形態の蛍光Ｘ線分析装置の動作とともに、本発明の実施形態の蛍光Ｘ線分析方法について説明する。試料Ｓの蛍光Ｘ線分析に先立って、試料Ｓの３６０°の回折パターンを取得する。

すなわち、図１に示す試料台８に試料Ｓを載置し、回転手段１１によって試料台８および試料Ｓを、試料Ｓの中心点Ｏの周りに３６０°回転させながら、試料ＳにＸ線源１から１次Ｘ線２を照射し、試料Ｓから発生する蛍光Ｘ線および回折Ｘ線を含んだ２次Ｘ線４を検出手段７により検出する。これによって、回折パターンが制御手段１５に記憶されるとともに、図３に示すように表示手段１６に表示される。タングステン測定用の固定ゴニオメータによって測定されたＷ−Ｌα線とチタン測定用の固定ゴニオメータによって測定されたＴｉ−Ｋα線の回折パターンを図３に示している。

次に、測定者が、表示手段１１に表示された回避角度の設定画面である図４に示された回折パターンの中から、回折Ｘ線の強度が低く、近接する角度位置において急激な強度増加を示さない、回折Ｘ線を回避できる回避角度を、選択手段１７によって例えば３つ選択する。このとき、選択された回避角度の隣り合う間隔が１８０°未満になるように、例えば、７０°、１８０°、２９０°を選択し、選択手段１７によって選択した回避角度を、方向１（θ１）、方向２（θ２）、方向３（θ３）として登録する。登録されると制御手段１５がその回避角度を測定条件として記憶する。また、登録されると、図４の下欄に示すように、表示手段１６に表示された回折パターン上の回避角度７０°、１８０°、２９０°のそれぞれの位置に赤色縦線、青色縦線、緑色縦線の回避角度マークが表示され、測定面画像の回避角度７０°、１８０°、２９０°のそれぞれの位置に赤色半径、青色半径、緑色半径の回避角度マークが表示される。回避角度マークは回折パターンと測定面画像の両方に表示されてもよいし、どちらか一方であってもよい。

このように、選択された回避角度マークが回折パターン上や試料Ｓの測定面画像に表示されるので、選択した回避角度の隣り合う間隔が１８０°未満になっているか、否かを容易に視認することができる。さらに、隣り合う間隔が１８０°を超えている場合には、登録することができない。このように、隣り合う間隔が１８０°未満の回避角度に確実に設定できるようになっている。選択される回避角度は、少なくとも３つ必要で４つ以上であってもよい。なお、隣り合う間隔が１８０°に設定された場合には、試料Ｓが１８０°回転対称であると見なし、特許文献１に記載されている方法で測定することができる。

次に、図５に示す試料Ｓの測定点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの測定を開始すると、制御手段１５が測定条件に記憶されている回避角度の中から方向１に登録されている回避角度θ１（７０°）を読み出して、回転手段１１を制御して試料Ｓを回転させて図６Ａに示す回避角度θ１に設定する。これにより、試料Ｓは回折Ｘ線を回避できる回避角度θ１に設定される。次に、制御手段１５によって平行移動手段１２が制御され、試料ＳがＸＹ方向に移動されて、測定点Ａは１次Ｘ線２の照射点に設定される。試料Ｓの測定点ＡにＸ線源１から１次Ｘ線２が照射され、試料Ｓから発生する２次Ｘ線４を検出手段７により検出する。このようにＸＹ方向に移動させれば、試料Ｓの回転方向位置は変化しないで、回避角度位置に保たれるから、回折Ｘ線によるノイズの影響が排除され、Ｓ／Ｎ比が改善される。したがって、低含有量の元素であっても、精度のよい分析を行なうことができる。

図６Ａに示す回避角度θ１では、次の測定点Ｂは試料Ｓの左側半分にあるため、平行移動手段１２によって移動できない。そのため、制御手段１５は試料台８、回転手段１１および平行移動手段１２が本装置の他の構造物と干渉しないように、平行移動手段１２によって試料Ｓの中心点Ｏを１次Ｘ線２の照射点に移動させ、方向２の回避角度θ２（１８０°）に試料Ｓを回転手段１１によって回転させて、図６Ｂに示す回避角度θ２に設定させる。次に、制御手段１５によって平行移動手段１２が制御され、試料ＳがＸＹ方向に移動されて、測定点Ｂは１次Ｘ線２の照射点に設定される。試料Ｓの測定点ＢにＸ線源１から１次Ｘ線２が照射され、試料Ｓから発生する２次Ｘ線４を検出手段７により検出する。次の測定点Ｃは試料Ｓの右側半分にあるので、測定点Ｂと同様に平行移動手段１２によってＸＹ方向に移動させて測定する。

図６Ｂに示す回避角度θ２では、次の測定点Ｄは試料Ｓの左側半分にあるため、平行移動手段１２によって移動できない。そのため、制御手段１５は試料台８、回転手段１１および平行移動手段１２が本装置の他の構造物と干渉しないように、平行移動手段１２によって試料Ｓの中心点Ｏを１次Ｘ線２の照射点に移動させ、方向３の回避角度θ３（２９０°）に試料Ｓを回転手段１１によって回転させて、図６Ｃに示す回避角度θ３に設定させる。次に、制御手段１５によって平行移動手段１２が制御され、試料ＳがＸＹ方向に移動されて、測定点Ｄは１次Ｘ線２の照射点に設定される。試料Ｓの測定点ＤにＸ線源１から１次Ｘ線２が照射され、試料Ｓから発生する２次Ｘ線４を検出手段７により検出する。

このように、回折Ｘ線を回避できる回避角度が測定条件として記憶されているので、同様の結晶構造を有する試料Ｓを分析する場合には、記憶されている測定条件を読み出して測定することができ、試料Ｓ毎に回折Ｘ線を回避できる回避角度を選択することなく、簡単、迅速に測定することができる。また、従来技術のように１つの方向とその回転対称の方向のみで測定する場合に比べて、測定する分析線（例えば、Ｗ−Ｌα線、Ｔｉ−Ｋα線など）毎に回避角度を選択できるので、適切に回折Ｘ線を回避できる回避角度で測定することができる。測定する分析線のすべてにおいて同じ回避角度を選択した場合には、同じ回避角度ですべての測定元素を同時に測定することができるので、回折Ｘ線を回避した多元素同時測定を容易にすることができる。

本発明の実施形態の蛍光Ｘ線分析装置または方法によれば、大きな設置スペースを必要としないコンパクトな装置によって、結晶構造が回転対称の試料だけでなく、結晶構造が回転対称でない試料であっても、簡単に精度のよい分析をすることができる。

本実施形態の装置では、固定型のゴニオメータを配して同時に多元素を分析する多元素同時型の波長分散型蛍光Ｘ線分析装置について説明したが、走査型のゴニオメータを配した波長分散型蛍光Ｘ線分析装置でもよく、エネルギー分散型の蛍光Ｘ線分析装置であってもよい。また、上面照射型の蛍光Ｘ線分析装置であっても、下面照射型の蛍光Ｘ線分析装置であってもよい。

１Ｘ線源
２１次Ｘ線
４２次Ｘ線
７検出手段
８試料台
１１回転手段
１２平行移動手段
１５制御手段
１６表示手段
１７表示手段
Ｓ試料

１Ｘ線源
２１次Ｘ線
４２次Ｘ線
７検出手段
８試料台
１１回転手段
１２平行移動手段
１５制御手段
１６表示手段
１７選択手段
Ｓ試料

Claims

結晶構造を有する試料が載置される試料台と、
試料に１次Ｘ線を照射するＸ線源と、
試料から発生する２次Ｘ線を検出する検出手段と、
試料測定面に垂直な軸を中心に試料台を回転させる回転手段と、
前記回転手段が停止した状態で試料測定面の半分の任意の位置に１次Ｘ線を照射させるように試料台を平行移動させる平行移動手段と、
試料を試料の所定点のまわりに前記回転手段によって３６０°回転させながら前記Ｘ線源から１次Ｘ線を照射させ、試料から発生して前記検出手段に入射する２次Ｘ線の強度を試料の回転角度と対応させた回折パターンとして表示手段に表示させ、その回折パターンを記憶する制御手段と、
測定者が、前記表示手段に表示された回折パターンに基づいて、隣り合う間隔が１８０°未満の角度であって、回折Ｘ線を回避できる回避角度を少なくとも３つ選択するための選択手段とを備え、
前記制御手段が、前記選択手段によって選択された回避角度を記憶し、試料の測定点に応じて、その記憶した回避角度の中から、前記試料台、回転手段および平行移動手段が当該装置の他の構造物と干渉しない回避角度を読み出して、その回避角度に試料を設定するように前記回転手段を制御する蛍光Ｘ線分析装置。
請求項１に記載の蛍光Ｘ線分析装置において、
前記表示手段が、前記選択手段によって選択された回避角度の位置を示す回避角度マークを、前記制御手段に記憶された回折パターンおよび／または試料の測定面画像とともに表示する蛍光Ｘ線分析装置。
請求項１に記載の蛍光Ｘ線分析装置を用い、
隣り合う間隔が１８０°未満の角度であって、回折Ｘ線を回避できる回避角度を少なくとも３つ選択し、
前記制御手段により回避角度を設定された試料について、その測定面に平行な面内で移動させて試料の測定面全域を分析する蛍光Ｘ線分析方法。
請求項３に記載の蛍光Ｘ線分析方法において、
前記表示手段に、前記選択手段を用いて選択した回避角度の位置を示す回避角度マークを、前記制御手段に記憶された回折パターンおよび／または試料の測定面画像とともに表示させる蛍光Ｘ線分析方法。