JP2905659B2 - X-ray apparatus and evaluation analysis method using the apparatus - Google Patents

X-ray apparatus and evaluation analysis method using the apparatus

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JP2905659B2 JP3791793A JP3791793A JP2905659B2 JP 2905659 B2 JP2905659 B2 JP 2905659B2 JP 3791793 A JP3791793 A JP 3791793A JP 3791793 A JP3791793 A JP 3791793A JP 2905659 B2 JP2905659 B2 JP 2905659B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、X線を利用した金属、
半導体、誘電体等の各種単結晶材料、多層膜、デバイス
等の三次元、非破壊、非接触の評価解析用X線装置およ
び該装置を用いた試料の評価解析方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal utilizing X-rays,
The present invention relates to an X-ray apparatus for three-dimensional, non-destructive, non-contact evaluation analysis of various single crystal materials such as semiconductors and dielectrics, multilayer films, devices, and the like, and a method for evaluating and analyzing a sample using the apparatus.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、金属や半導体等を原子オーダー
で、非破壊、非接触により評価解析する方法としてX線
を利用した方法がある。例えば、格子定数の精密測定方
法としてボンド法、結晶の完全性評価方法として二結晶
法や四結晶法、組成分析方法として蛍光X線分析法など
がある。
2. Description of the Related Art At present, there is a method using X-rays as a method for non-destructively and non-contactly evaluating and analyzing metals, semiconductors and the like in atomic order. For example, there are a bonding method as a method for precisely measuring the lattice constant, a two-crystal method and a four-crystal method as a method for evaluating crystal integrity, and a fluorescent X-ray analysis method as a composition analysis method.

【0003】上記のX線を用いた方法により得られる評
価解析情報は、X線が侵入したすべての領域の平均情報
である。即ち、従来のX線分析法ではX線と物質との相
互作用の弱さを反映して、該X線の侵入深さは10μm
以上にも達するため、10μmの深さの平均分析結果し
か得ることができない。そのため、試料の深さ方向の情
報を得るには、X線の侵入深さの異なる幾つかの反射を
用いて、数回にわたる測定を行うか、あるいはX線源と
して、連続波長光源であるシンクロトロン放射光を用い
るなどの方法を取る。
The evaluation analysis information obtained by the above-mentioned method using X-rays is the average information of all the regions where X-rays have entered. That is, in the conventional X-ray analysis method, the penetration depth of the X-ray is 10 μm, reflecting the weak interaction between the X-ray and the substance.
Because of the above, only an average analysis result at a depth of 10 μm can be obtained. Therefore, in order to obtain information in the depth direction of the sample, measurement may be performed several times using several reflections at different penetration depths of the X-ray, or a synchro- nous which is a continuous wavelength light source may be used as the X-ray source. Take a method such as using tron radiation.

【0004】一方、X線以外の方法としては、電子顕微
鏡等により微小領域を原子オーダーで観察する評価解析
方法も多用されている。しかし、該観察方法では試料の
作製が繁雑であり、深さ方向の観察をするためには試料
の断面切断を行い、千オングストローム以下の薄片状試
料をつくらなければならない。また、走査型トンネル顕
微鏡は非破壊で原子レベルの表面観察ができるが、試料
の深さ方向には何ら情報を得ることはできない。
On the other hand, as a method other than X-rays, an evaluation and analysis method of observing a minute region in an atomic order by an electron microscope or the like is also frequently used. However, the preparation of the sample is complicated in the observation method, and in order to observe in the depth direction, the cross section of the sample must be cut to produce a flaky sample of 1,000 angstroms or less. The scanning tunneling microscope can observe the surface at the atomic level in a non-destructive manner, but cannot obtain any information in the depth direction of the sample.

【0005】また、微量元素の評価解析装置として広く
用いられているものに、二次イオン質量評価解析器(S
IMS)やオージェ電子分光法(AES)があるが、ど
ちらもイオンによって試料表面を削り取りながら、深さ
方向の評価解析を行う方法である。
A secondary ion mass evaluation analyzer (S) is widely used as a trace element evaluation analyzer.
IMS) and Auger electron spectroscopy (AES), both of which are methods for performing evaluation analysis in the depth direction while scraping the sample surface with ions.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記従来の評価解析
法、特にX線を用いた方法では、深さ方向の分布につい
ての評価解析が困難であり、複雑であることが問題点と
して挙げられる。
In the above-mentioned conventional evaluation analysis method, particularly, the method using X-rays, it is difficult to evaluate and analyze the distribution in the depth direction, and the problem is that it is complicated.

【0007】X線の侵入深さは、結晶の完全性、X線が
入射し回折されて出射するまでの行路長、そして物質に
よるX線の吸収量とで決まる。物質の吸収係数はエネル
ギーの小さいX線で大きくなり、また物質を構成する元
素の吸収端の高エネルギー側でも大きくなる。行路長は
X線の試料表面への入射角や結晶表面からの出射角を小
さくすることによって大きくとることができる。よっ
て、評価解析の対象試料の物質への最適なX線の反射お
よび波長を選択すれば、全反射条件での最表面の情報か
ら10μm以上の深い領域までについての評価解析情報
を得ることができるのである。
[0007] The penetration depth of X-rays is determined by the integrity of the crystal, the path length from when the X-rays are incident, diffracted and emitted, and the amount of X-rays absorbed by the substance. The absorption coefficient of a substance increases with low-energy X-rays, and also increases on the high energy side of the absorption edge of the element constituting the substance. The path length can be increased by reducing the incident angle of the X-rays on the sample surface or the exit angle from the crystal surface. Therefore, by selecting the optimal X-ray reflection and wavelength for the substance of the target sample for evaluation analysis, it is possible to obtain evaluation analysis information from the information on the outermost surface under the condition of total reflection to a deep region of 10 μm or more. It is.

【0008】しかしながら、例えば半導体材料であるG
aAsを深さ方向に評価解析するには(200)、(4
00)、(600)、(800)反射等、X線の侵入深
さが異なる幾つかの反射測定を行う必要があった。しか
しながら、この方法であれば、とびとびの侵入深さの評
価解析結果しか得られず、かつ測定条件も少しずつ異な
る複数回の反射の測定をするために、その条件設定に時
間がかかり非効率的である。
However, for example, the semiconductor material G
To evaluate and analyze aAs in the depth direction (200), (4)
It was necessary to perform several reflection measurements with different X-ray penetration depths, such as (00), (600), and (800) reflections. However, according to this method, only the evaluation analysis results of the discrete penetration depth can be obtained, and the measurement conditions are slightly different, so that setting of the conditions is time-consuming and inefficient. It is.

【0009】また、現在のところ評価解析に適当な波長
を選択することは、白色強力光源であるシンクロトロン
放射光をX線源として用いた場合のみ可能で、従来のよ
うな特性X線を利用した封入型や回転対陰極型のX線源
では不可能である。そして、シンクロトロン放射光をも
ちいて適当な波長を選択する方法では、シンクロトロン
放射光という巨大施設を用いなければならず、産業上の
評価方法として有用でなかった。
At present, it is possible to select an appropriate wavelength for evaluation analysis only when synchrotron radiation, which is a white intense light source, is used as an X-ray source. This is not possible with a sealed or rotating anti-cathode X-ray source. In the method of selecting an appropriate wavelength using synchrotron radiation, a huge facility called synchrotron radiation must be used, which is not useful as an industrial evaluation method.

【0010】さらに、従来の評価解析法でX線を用いる
以外の方法の大きな問題点は、破壊検査であるため、い
ったん作製した半導体素子構造の結晶性や化学組成等を
評価する際、表面以外はすべてエッチングや断面試料作
製という繁雑な作業を伴わなければならなかったことに
ある。即ち、実際の材料評価やデバイス評価のために
は、破壊検査は本来の性質を損なう恐れがあるばかりで
なく、いろいろな製造プロセス中での迅速な評価を組み
込み、デバイスの作製を行うには極めて非効率的で好ま
しくない。
Further, a major problem of the conventional evaluation analysis method other than the use of X-rays is the destructive inspection. Therefore, when evaluating the crystallinity and chemical composition of the semiconductor device structure once manufactured, it is necessary to evaluate the structure other than the surface. Have all involved complicated operations such as etching and cross-sectional sample preparation. In other words, for actual material evaluation and device evaluation, destructive inspection not only may impair the original properties, but also incorporates rapid evaluation during various manufacturing processes and is extremely important for device fabrication. Inefficient and undesirable.

【0011】そこで、本発明では、非破壊検査で、非接
触検査で、かつ深さ方向の評価解析プロファイルをも迅
速に得ることができるX線装置と、該X線装置を用いた
評価解析方法を提供することを目的とする。
In view of the above, the present invention provides an X-ray apparatus capable of rapidly obtaining a non-destructive inspection, a non-contact inspection, and an evaluation analysis profile in the depth direction, and an evaluation analysis method using the X-ray apparatus. The purpose is to provide.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたものであり、X線発生装置と、少
なくとも1枚以上の単結晶材料からなるX線集光器と、
直交した2方向のあおり機構および該あおり機構に連結
した3方向の水平移動機構および該水平移動機構と少な
くとも試料に対して該あおり機構より外側に連結した試
料面内回転機構を備えた試料台、さらに該試料台のアー
ムを取り付けた3方向の走査回転機構とを備えたゴニオ
メータと、少なくともX線を検出する検出器、計数器と
を備えた計数系と、制御、計測、解析を行うためのコン
ピュータとを備えたX線装置を特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has an X-ray generator, at least one X-ray collector made of a single crystal material, and
A sample stage having an orthogonal tilting mechanism in two directions, a horizontal moving mechanism in three directions connected to the tilting mechanism, and an in-plane rotation mechanism connected to the horizontal shifting mechanism and at least a sample outside the tilting mechanism; Further, a goniometer provided with a three-way scanning rotation mechanism to which the sample stage arm is attached, a counting system provided with at least a detector and a counter for detecting X-rays, and a control system for performing control, measurement, and analysis. An X-ray apparatus including a computer is characterized.

【0013】また、第2の発明では前記記載のX線装置
において、前記計数系として、蓄積型蛍光体シートおよ
び該蓄積型蛍光体シートからの信号を読み取る装置を含
み、回折X線の計測を行うX線回折装置を特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the above-described X-ray apparatus, the counting system includes a storage phosphor sheet and a device for reading a signal from the storage phosphor sheet to measure the diffraction X-ray. It is characterized by an X-ray diffractometer for performing.

【0014】また、第3の発明では前記記載のX線装置
において、前記計数系として、超高感度X線カメラおよ
び該X線カメラからのトポグラフ画像を解析する画像処
理装置を含み、回折X線を計測するX線装置を特徴とす
る。
According to a third aspect of the present invention, in the X-ray apparatus as described above, the counting system includes an ultra-sensitive X-ray camera and an image processing apparatus for analyzing a topographic image from the X-ray camera, It is characterized by an X-ray device that measures the temperature.

【0015】また、第4の発明では前記記載のX線装置
において、前記計数系として、半導体検出器およびエネ
ルギー分析器を含み、蛍光X線を計測する蛍光X線装置
を特徴とする。特に、好ましくは本発明の装置において
は10- 2 〜10- 1 0 Torrの真空内で用いること
を特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the X-ray apparatus as described above, wherein the counting system includes a semiconductor detector and an energy analyzer and measures a fluorescent X-ray. In particular, preferably in the apparatus of the present invention 10 - it is characterized by using in 1 0 Torr in the vacuum - 2-10.

【0016】さらなる発明として、本発明の上記第1か
ら第4のいずれか1つの発明に記載のX線装置を使用し
た評価解析方法であって、該装置の直交した2方向のあ
おり機構および該あおり機構に連結した3方向の水平移
動機構を用い、結晶格子面の法線ベクトルと試料面内回
転機構の回転軸方向が一致するように試料を設定し、該
水平移動機構と少なくとも試料に対して該あおり機構よ
り外側に連結した試料面内回転機構を用い、該試料につ
いて回折条件を満たしながら該試料面内回転テーブルを
連続的に面内回転をさせ、得られた回折X線または蛍光
X線を計数系により連続的に計測することを特徴とする
回折X線または蛍光X線の評価解析方法をも特徴とす
る。
According to a further aspect of the present invention, there is provided an evaluation and analysis method using the X-ray apparatus according to any one of the first to fourth aspects of the present invention. Using a three-way horizontal movement mechanism connected to the tilt mechanism, the sample is set so that the normal vector of the crystal lattice plane and the rotation axis direction of the in-plane rotation mechanism coincide with each other. Using a sample in-plane rotation mechanism connected to the outside of the tilt mechanism, the sample in-plane rotation table is continuously rotated in-plane while satisfying the diffraction condition for the sample, and the obtained diffracted X-rays or fluorescent X-rays are obtained. A feature is also an evaluation and analysis method for diffracted X-rays or fluorescent X-rays, which is characterized by continuously measuring a line with a counting system.

【0017】[0017]

【作用】本発明では、結晶表面に平行でない回折面、即
ち非対称反射面を積極的に利用することで、回折条件を
満たしながら評価解析試料を面内回転して、X線の入射
角度および出射角度を連続的に変えることで、X線の侵
入深さを連続的に変化させている。
According to the present invention, the diffraction analysis sample which is not parallel to the crystal surface, that is, the asymmetric reflection surface is positively used to rotate the evaluation analysis sample in plane while satisfying the diffraction conditions, thereby obtaining the X-ray incidence angle and emission angle. By continuously changing the angle, the penetration depth of the X-ray is continuously changed.

【0018】即ち、本発明によるX線装置によれば、評
価解析試料に対して、最初にあおり機構を直交する2軸
方向に設け、格子面の調整を行う。即ち、格子面の法線
ベクトルを試料面内回転機構(テーブル)の回転軸と一
致させることで、その後試料本体を面内回転させても、
非対称反射の回折条件を満たしたまま試料を面内回転す
ることができるようになり、結晶表面との入射角(ある
いは出射角)を連続的に変えることができる。即ち、評
価解析試料に対して、直交する2軸方向のあおり機構を
試料面内回転テーブルより近い位置に設定したことによ
り、X線の侵入深さを連続的に極めて高い精度で変える
ことができるのである。
That is, according to the X-ray apparatus of the present invention, a tilting mechanism is first provided in the two axial directions orthogonal to the evaluation analysis sample, and the lattice plane is adjusted. That is, by making the normal vector of the lattice plane coincide with the rotation axis of the in-plane rotation mechanism (table), even if the sample body is subsequently rotated in-plane,
The sample can be rotated in the plane while satisfying the asymmetric reflection diffraction condition, and the incident angle (or the outgoing angle) with the crystal surface can be continuously changed. In other words, by setting the tilting mechanism in the two orthogonal directions perpendicular to the evaluation analysis sample, the penetration depth of the X-ray can be continuously changed with extremely high accuracy by setting the tilting mechanism in a direction closer to the rotary table in the sample plane. It is.

【0019】尚、本発明によるX線装置の構成のうち、
あおり機構、水平移動機構、試料面内回転テーブルを有
する試料台において、3軸方向の水平移動機構のうち少
なくとも2軸は、あおり機構、試料面内回転テーブルの
前後どの位置に設置しても前記機構には影響はない。
Incidentally, in the configuration of the X-ray apparatus according to the present invention,
In a sample stage having a tilting mechanism, a horizontal moving mechanism, and a sample table rotating table, at least two axes of the three-axis horizontal moving mechanism are installed at any position before and after the tilt mechanism and the sample table rotating table. There is no effect on the mechanism.

【0020】本発明による検出信号には、回折X線と蛍
光X線とがある。回折X線の信号検出器としては通常シ
ンチレーションカウンタがよく用いられるが、二次元検
出器として蓄積性蛍光体(輝尽性蛍光体)シートを用い
ると、100μm×100μm程度の平面分解能で〜1
5 cps(count per second)程度
までの検出が極めて精度良くおこなえる。よって、上記
方法によりX線の侵入深さを連続的に変えながら二次元
的に回折強度を測定し、コンピュータで微分測定するこ
とによって、深さ方向も〜100Å程度の分解能で測定
することができる。即ち、任意の物質、多層膜、デバイ
ス等に対し、ほぼ上記分解能にて結晶性の分布を三次元
で、非破壊、非接触で観察することができる。
The detection signals according to the present invention include diffraction X-rays and fluorescent X-rays. Usually, a scintillation counter is often used as a signal detector for diffracted X-rays.
Detection up to about 0 5 cps (count per second) can be performed extremely accurately. Therefore, by measuring the diffraction intensity two-dimensionally while continuously changing the penetration depth of the X-rays by the above method, and performing differential measurement with a computer, the depth direction can be measured with a resolution of about 100 °. . That is, it is possible to observe the distribution of the crystallinity of any substance, multilayer film, device, or the like at substantially the above resolution in a three-dimensional, nondestructive, noncontact manner.

【0021】また、検出器として、高感度X線カメラお
よび高分解能フィルムを用いれば同様の方法にて、X線
トポグラフの評価解析による欠陥等の微小組織の三次元
観察ができる。
If a high-sensitivity X-ray camera and a high-resolution film are used as detectors, three-dimensional observation of microstructure such as defects by X-ray topographic evaluation analysis can be performed in the same manner.

【0022】更に、常圧では大気の散乱により測定する
ことが困難である軽元素も10- 2〜10- 1 0 Tor
rの高真空度をもつ装置内で、検出器として半導体検出
器を用い、蛍光X線を測定すれば、微量の軽元素の評価
解析に対する二次元組成分布等を精度良く評価解析する
ことができる。
Furthermore, light elements at normal pressure is difficult to measure the atmospheric scattering even 10 - 2 ~10 - 1 0 Tor
By using a semiconductor detector as a detector and measuring fluorescent X-rays in a device having a high vacuum of r, it is possible to accurately evaluate and analyze the two-dimensional composition distribution and the like for the evaluation analysis of a trace amount of light elements. .

【0023】[0023]

【実施例】【Example】

<実施例1>図1に本発明を実施するためのX線装置の
概略図を示し、図2に非対称反射の回折条件を満たしな
がら試料を面内回転できる特殊ゴニオメータの機構を説
明するための概略図を示す。以下、図1および図2を用
いて、本発明のX線装置の機構と第1の実施例を説明す
る。X線発生装置1から放射されるX線をX線集光器2
(例えば、1〜4枚のゲルマニウム単結晶からなる)を
用いて、平行性が良く波長幅の小さなX線ビームに絞り
込みを行った後、測定対象試料3の表面に入射させる。
ここでのX線集光器は、他にSi、GaAs、LiF、
PC(パイロリティックカーボン)など良質な単結晶が
得られるものであれば良い。
<Embodiment 1> FIG. 1 is a schematic view of an X-ray apparatus for carrying out the present invention, and FIG. 2 is a view for explaining a mechanism of a special goniometer capable of rotating a sample in a plane while satisfying a diffraction condition of asymmetric reflection. FIG. The mechanism of the X-ray apparatus of the present invention and the first embodiment will be described below with reference to FIGS. X-rays emitted from the X-ray generator 1 are converted into an X-ray collector 2
After narrowing down to an X-ray beam with good parallelism and a small wavelength width using (for example, composed of 1 to 4 germanium single crystals), the X-ray beam is incident on the surface of the sample 3 to be measured.
The X-ray collector here is composed of Si, GaAs, LiF,
Any material can be used as long as a high-quality single crystal such as PC (pyrolytic carbon) can be obtained.

【0024】測定試料3は図2に示すように、それぞれ
独立した3軸方向の水平移動機構、即ちX軸、Y軸、Z
軸の水平移動機構(図中番号4、5、6)、第1と第2
の2方向のあおり機構(図中番号7、8)をもつゴニオ
メータ上に乗せられており、そのゴニオメータは水平方
向を軸とするΨ−試料面内回転テーブル9に装着されて
いる。ここで、あおり機構7とあおり機構8はそれぞれ
直交方向に設置されており、かつΨ−試料面内回転テー
ブル9より測定試料に近い位置に設置されている。あお
り機構と試料面内回転テ−ブルの設定位置関係を本発明
の装置のごとく設定することにより、非対称反射の回折
条件を満たしたまま試料を面内回転することが可能とな
る。ここで、2方向のあおり機構は3軸方向の水平移動
機構との関係において、一方はXZ平面内でのあおり機
構であり、もう一方はYZ平面内でのあおり機構を示し
ている。
As shown in FIG. 2, the measurement sample 3 has independent horizontal movement mechanisms in three axis directions, that is, an X axis, a Y axis, and a Z axis.
Shaft horizontal movement mechanism (numbers 4, 5, and 6 in the figure), first and second
Is mounted on a goniometer having a two-way tilt mechanism (numbers 7 and 8 in the figure), and the goniometer is mounted on a Ψ-sample in-plane rotary table 9 having a horizontal axis. Here, the tilting mechanism 7 and the tilting mechanism 8 are respectively installed in orthogonal directions, and are installed at a position closer to the measurement sample than the Ψ-sample in-plane rotation table 9. By setting the positional relationship between the tilt mechanism and the in-plane rotation table as in the apparatus of the present invention, it is possible to rotate the sample in-plane while satisfying the asymmetric reflection diffraction condition. Here, one of the two-way tilt mechanism and the three-axis horizontal movement mechanism is a tilt mechanism in the XZ plane, and the other is a tilt mechanism in the YZ plane.

【0025】ここで、X軸、Y軸、Z軸の水平移動機構
4、5、6は入射X線束に対して試料位置を設定するた
めの機構であり、特にX軸4およびY軸水平移動機構5
はあおり機構7、8もしくは試料面内回転テーブル9の
前後どの位置に装着しても良い。但し、Z軸水平移動機
構6は試料に対して試料面内回転テーブル9の後ろ側に
装着することが好ましい。
Here, the X-axis, Y-axis, and Z-axis horizontal movement mechanisms 4, 5, and 6 are mechanisms for setting the sample position with respect to the incident X-ray flux, and particularly the X-axis 4 and Y-axis horizontal movement mechanisms. Mechanism 5
It may be mounted at any position before or after the lifting mechanisms 7 and 8 or the rotary table 9 in the sample plane. However, it is preferable that the Z-axis horizontal moving mechanism 6 is mounted on the rear side of the rotary table 9 with respect to the sample.

【0026】また、該ゴニオメータのアームは、全体と
して垂直方向を軸とする3つの独立したω−走査回転軸
10、θ−走査回転軸11、2θ−走査回転軸12上に
取り付けられている。前記θ−走査回転軸11はX線発
生装置に対して水平に試料を回転させるための軸であ
り、前記ω−走査回転軸10はθ−走査回転軸11の微
調整を行うための軸であり、前記2θ−走査回転軸12
は検出器13を設定させるための軸である。
The arm of the goniometer is mounted on three independent ω-scanning rotation axes 10, θ-scanning rotation axes 11, and 2θ-scanning rotation axes 12, each of which has a vertical axis as a whole. The θ-scanning rotation axis 11 is an axis for rotating the sample horizontally with respect to the X-ray generator, and the ω-scanning rotation axis 10 is an axis for performing fine adjustment of the θ-scanning rotation axis 11. Yes, the 2θ-scanning rotation axis 12
Is an axis for setting the detector 13.

【0027】前記ゴニオメータは、コンピュータ制御に
より与えられた面方位、配置に自動的に設定することが
でき、その際、Ψ−試料面内回転テーブル9を回転して
も、非対称反射の回折条件は満たされたままにすること
ができる。また、3つのω、θ、2θ−走査回転軸は回
折強度プロファイル測定の際、任意の組み合わせにて走
査することができる。
The goniometer can be automatically set to the plane orientation and arrangement given by the computer control. At this time, even if the Ψ-in-plane rotary table 9 is rotated, the diffraction condition of the asymmetric reflection is not changed. Can be filled. The three ω, θ, 2θ-scanning rotation axes can be scanned in any combination when measuring the diffraction intensity profile.

【0028】そして、回折X線若しくは蛍光X線信号は
評価解析目的に応じた種類の検出方法により選択された
検出器13にて計測される。さらに、波高分析器、計数
器などを含む計数系、その他高精度な評価解析を行うに
はロックインアンプ、エネルギー分析器等も用いて、信
号処理を行うことにより評価解析結果を得る。
Then, the diffracted X-ray or fluorescent X-ray signal is measured by the detector 13 selected by a detection method of a type corresponding to the purpose of evaluation and analysis. Furthermore, a counting system including a wave height analyzer, a counter, and the like, and a lock-in amplifier, an energy analyzer, and the like for performing high-precision evaluation analysis are used to perform signal processing to obtain an evaluation analysis result.

【0029】第1の実施例では測定試料としてGaAs
基板上に成膜されたのZnSe膜を用い、前記検出器と
して通常よく用いられるシンチレーション検出器にて、
回折X線信号を計測し、評価解析を行った。この結果を
図3(a)および図3(b)に示す。図3において、横
軸は試料結晶表面からの深さ方向の距離を示し、縦軸は
図3(a)では結晶の混晶比を示し、図3(b)ではX
線半値幅を示している。この結果では、前記試料が深さ
方向において混晶比のずれがなく、かつ結晶性も均一で
良好であることが分かる。
In the first embodiment, GaAs was used as a measurement sample.
Using a ZnSe film formed on a substrate, using a scintillation detector usually used as the detector,
The diffraction X-ray signal was measured, and evaluation analysis was performed. The results are shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). In FIG. 3, the horizontal axis represents the distance in the depth direction from the sample crystal surface, the vertical axis represents the crystal mixture ratio in FIG. 3 (a), and X in FIG. 3 (b).
The line half width is shown. The results show that the sample has no difference in the mixed crystal ratio in the depth direction, and has good and uniform crystallinity.

【0030】つまり、従来のX線装置によれば、試料の
深さ方向に連続的に混晶比や結晶性を評価解析すること
は不可能であったか、若しくはシンクロトロン放射光等
の大型装置を用いるために多大な労力を要していたが、
本発明のX線装置および評価解析方法によれば、精密に
かつ容易に深さ方向の評価解析をすることが可能となっ
た。
That is, according to the conventional X-ray apparatus, it was impossible to continuously evaluate and analyze the mixed crystal ratio and crystallinity in the depth direction of the sample, or a large apparatus such as synchrotron radiation was used. It took a lot of effort to use it,
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the X-ray apparatus and evaluation analysis method of this invention, it became possible to perform evaluation analysis in the depth direction precisely and easily.

【0031】<実施例2>検出器として蓄積型蛍光体シ
ートを用い、かつその読み取り装置を備える以外は実施
例1とほぼ同様の構成をもつX線装置による第2の実施
例を説明する。
<Embodiment 2> A second embodiment using an X-ray apparatus having substantially the same configuration as that of Embodiment 1 except that a storage phosphor sheet is used as a detector and a reading device is provided will be described.

【0032】試料面内回転テーブル9のΨ回転および走
査回転軸10のω回転と同期させて蓄積型蛍光体シート
も回転させる。シート上に記録された回折X線強度デー
タはレーザ光をもちいた読み取り装置によって計測され
る。蓄積型蛍光体シートでは、100×100μm2
平面分解能で情報を得ることができるので、これを試料
面内回転テーブルのΨ回転による深さ方向の測定と組み
合わせることにより三次元での測定が可能となる。
The storage phosphor sheet is also rotated in synchronization with the Ψ rotation of the in-plane rotation table 9 and the ω rotation of the scanning rotation shaft 10. The diffraction X-ray intensity data recorded on the sheet is measured by a reading device using a laser beam. With the storage phosphor sheet, information can be obtained with a plane resolution of 100 × 100 μm 2 , so three-dimensional measurement is possible by combining this with depth measurement by Ψ rotation of the in-plane rotation table. Becomes

【0033】本実施例では、測定試料としてGaAs基
板上に成膜されたZnCdSSe膜の試料を用い、前記
装置によって回折X線信号を計測し、評価解析を行った
が、その結果を図4に示す。本実施例では、試料の結晶
表面より基板方向への深さ方向に連続的に結晶面をスラ
イスしながら回折X線を測定しており、図4にはそのう
ち3カ所での結晶面のX線半値幅分布を5段階の白黒の
色調表示にて示す。図4から分かるように、ZnCdS
Se/GaAsの試料では深さ方向において結晶性が変
化しており、特に界面で結晶性が低下していることが分
かる。
In the present example, a sample of a ZnCdSSe film formed on a GaAs substrate was used as a measurement sample, and diffraction X-ray signals were measured by the above-mentioned apparatus, and evaluation analysis was performed. The results are shown in FIG. Show. In this embodiment, the diffraction X-rays are measured while continuously slicing the crystal plane in the depth direction from the crystal surface of the sample toward the substrate, and FIG. 4 shows the X-rays of the crystal plane at three places. The half-value width distribution is shown by a five-step black and white color tone display. As can be seen from FIG. 4, ZnCdS
In the Se / GaAs sample, the crystallinity changes in the depth direction, and it can be seen that the crystallinity particularly decreases at the interface.

【0034】本装置では、計数処理補正によりX線強度
の精度が0.1%程度となるので、1μm層厚の薄膜で
は10Åが深さ方向の分解能である。即ち、100×1
00×0.001μm3 のメッシュで半導体素子の非破
壊、非接触の三次元測定が可能となった。本実施例で
は、検出器として二次元位置敏感型比例計数管を用いる
こともできる。
In the present apparatus, since the accuracy of the X-ray intensity becomes about 0.1% by the correction of the counting process, the resolution in the depth direction is 10 ° for a thin film having a thickness of 1 μm. That is, 100 × 1
Non-destructive, non-contact three-dimensional measurement of a semiconductor element was enabled with a mesh of 00 × 0.001 μm 3 . In this embodiment, a two-dimensional position-sensitive proportional counter can be used as the detector.

【0035】<実施例3>検出器として超高感度X線テ
レビカメラを用い、かつその画像処理装置を備える以外
は実施例1とほぼ同様の構成をもつX線装置による第3
の実施例を説明する。本実施例ではトポグラフ像の深さ
変化を観測することができる。
<Third Embodiment> A third embodiment of an X-ray apparatus having substantially the same configuration as that of the first embodiment except that an ultra-sensitive X-ray television camera is used as a detector and an image processing apparatus is provided.
An example will be described. In this embodiment, a change in the depth of the topographic image can be observed.

【0036】本実施例では測定試料としてGaAs基板
上に成膜されたZnS0.3Se0.7膜の試料を用い、前記
装置によって回折X線信号を計測し、評価解析を行った
が、その結果を図5に示す。図5(a)にはエピ前のG
aAs2インチウエハのトポグラフ像を示し、図5
(b)にはエピ終了後のZnS0.3Se0.7表面のトポグ
ラフ像を示し、図5(c)にはエピ終了後のZnS0.3
Se0.7表面およびGaAsとZnS0.3Se0.7の界面
との情報が混合された測定結果のトポグラフ像を示す。
In this example, a ZnS 0.3 Se 0.7 film sample formed on a GaAs substrate was used as a measurement sample, and diffraction X-ray signals were measured by the above-mentioned apparatus, and evaluation analysis was performed. It is shown in FIG. FIG. 5A shows G before the episode.
FIG. 5 shows a topographic image of an aAs2 inch wafer, and FIG.
(B) shows a topographic image of the surface of ZnS 0.3 Se 0.7 after the end of the epitaxy, and FIG. 5 (c) shows ZnS 0.3 after the end of the epitaxy.
Information between the interface of Se 0.7 surface and GaAs and ZnS 0.3 Se 0.7 indicates topographic image of the mixed measurement results.

【0037】本装置を用いて、試料面内回転テーブル9
のΨ−回転を連続的に変えながらトポグラフ観察を行っ
た結果、界面近傍でミスフィット転位や積層欠陥が、ま
た表面近傍では表面から導入されたと思われる転位ルー
プが観測された。平面分解能はおおよそ10×10μm
2 であった。
Using this apparatus, the in-plane rotating table 9
As a result of performing topographic observations while continuously changing the Ψ-rotation, misfit dislocations and stacking faults were observed near the interface, and dislocation loops presumably introduced from the surface were observed near the surface. Plane resolution is about 10 × 10μm
Was 2 .

【0038】<実施例4>測定試料設置の室内を10-
2 〜10- 3 Torrの高真空に保ち、検出器として半
導体検出器を用いる以外は実施例1とほぼ同様の構成を
もつX線装置による第4の実施例を説明する。本実施例
では蛍光X線を測定することができる。
[0038] <Example 4> the space of the measuring sample installation 10 -
2-10 - keeping the 3 Torr high vacuum, the detector except for the use of semiconductor detectors is described a fourth embodiment according to the X-ray apparatus having substantially the same configuration as in Example 1. In this embodiment, fluorescent X-rays can be measured.

【0039】本発明によるゴニオメータを用い、実施例
と同様の手法により試料面内回転テーブル9のΨ−回転
を行うことにより、X線の侵入深さは全反射から10μ
程度にまで変化する。即ち、励起される蛍光X線も変化
し、構成元素の深さ分解分析を行うことができる。
By using the goniometer according to the present invention and performing the Ψ-rotation of the in-plane rotating table 9 in the same manner as in the embodiment, the penetration depth of X-rays is 10 μm from the total reflection.
Vary to the extent. That is, the excited fluorescent X-rays also change, and the depth-resolved analysis of the constituent elements can be performed.

【0040】本装置を用いて、Si基板の不純物評価解
析を行ったところ、最表面でのみ〜109 atoms/
cm2 のFe,Ni,Cu,Zn等が検出された。
When the impurity evaluation analysis of the Si substrate was performed using this apparatus, it was found that only the outermost surface was 10 9 atoms / s.
Fe, Ni, Cu, Zn, etc. in cm 2 were detected.

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明によれば、金属、半導体、絶縁体
等各種材料やそれらより構成される微小で複雑な構造の
素子を、非破壊、非接触で、かつ深さ方向まで含めた三
次元的な評価をすることが可能となった。
According to the present invention, various materials such as metals, semiconductors, and insulators, and elements having a minute and complicated structure composed of them can be non-destructively, non-contacted, and tertiary including the depth direction. It has become possible to make an original evaluation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明を実施するためのX線装置の概略図であ
る。
FIG. 1 is a schematic diagram of an X-ray apparatus for implementing the present invention.

【図2】非対称反射の回折条件を満たしながら試料を面
内回転できる特殊ゴニオメータの概略図である。
FIG. 2 is a schematic view of a special goniometer capable of rotating a sample in a plane while satisfying a diffraction condition of asymmetric reflection.

【図3】検出器にシンチレーション検出器を用いたX線
回折装置の評価解析結果である。
FIG. 3 is an evaluation analysis result of an X-ray diffractometer using a scintillation detector as a detector.

【図4】検出器に蓄積型蛍光体シートを用いたX線回折
装置の評価解析結果である。
FIG. 4 is an evaluation analysis result of an X-ray diffractometer using a storage phosphor sheet as a detector.

【図5】検出器にテレビカメラを用いたX線装置の評価
解析結果のトポグラフ画像である。
FIG. 5 is a topographic image of an evaluation analysis result of an X-ray apparatus using a television camera as a detector.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 X線発生装置 2 X線集光器 3 測定対象試料 4 X軸水平移動機構 5 Y軸水平移動機構 6 Z軸水平移動機構 7 第1のあおり機構 8 第2のあおり機構 9 Ψ−試料面内回転テーブル 10 ω−走査回転軸 11 θ−走査回転軸 12 2θ−走査回転軸 13 信号検出器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 X-ray generator 2 X-ray collector 3 Sample to be measured 4 X-axis horizontal movement mechanism 5 Y-axis horizontal movement mechanism 6 Z-axis horizontal movement mechanism 7 First tilt mechanism 8 Second tilt mechanism 9 Ψ-sample surface Inner rotation table 10 ω-scanning rotation axis 11 θ-scanning rotation axis 12 2θ-scanning rotation axis 13 Signal detector

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 X線発生装置と、少なくとも1枚以上の
単結晶材料からなるX線集光器と、直交した2方向のあ
おり機構および該あおり機構に連結した3方向の水平移
動機構および該水平移動機構と少なくとも試料に対して
該あおり機構より外側に連結した試料面内回転機構とを
備えた試料台、さらに該試料台のアームを取り付けた3
方向の走査回転機構と備えたゴニオメータと、少なくと
もX線を検出する検出器、計数器とを備えた計数系と、
制御、計測、解析を行うためのコンピュータとを備えた
X線装置。
An X-ray generator, an X-ray collector made of at least one single crystal material, an orthogonal tilt mechanism in two directions, a horizontal moving mechanism in three directions connected to the tilt mechanism, and an X-ray collector. A sample stage having a horizontal movement mechanism and at least a sample in-plane rotation mechanism connected to the sample outside the tilting mechanism, and an arm of the sample stage attached to the sample stage.
A goniometer with a scanning rotation mechanism in the direction, a detector for detecting at least X-rays, a counting system with a counter,
An X-ray apparatus including a computer for performing control, measurement, and analysis.
【請求項2】 請求項1記載のX線装置において、前記
計数系として、蓄積型蛍光体シートおよび該蓄積型蛍光
体シートからの信号を読み取る装置を含み、回折X線の
計測を行うことを特徴とするX線回折装置。
2. The X-ray apparatus according to claim 1, wherein the counting system includes a storage phosphor sheet and a device for reading a signal from the storage phosphor sheet, and measures the diffracted X-ray. Characteristic X-ray diffraction device.
【請求項3】 請求項1記載のX線装置において、前記
計数系として、超高感度X線カメラおよび該X線カメラ
からのトポグラフ画像を解析する画像処理装置を含み、
回折X線の計測を行うことを特徴とするX線装置。
3. The X-ray apparatus according to claim 1, wherein the counting system includes an ultra-sensitive X-ray camera and an image processing apparatus for analyzing a topographic image from the X-ray camera,
An X-ray apparatus for measuring diffracted X-rays.
【請求項4】 請求項1記載のX線装置において、前記
計数系として、半導体検出器およびエネルギー分析器を
含み、蛍光X線の計測を行うことを特徴とする蛍光X線
装置。
4. The X-ray fluorescence apparatus according to claim 1, wherein the counting system includes a semiconductor detector and an energy analyzer, and measures the fluorescence X-ray.
【請求項5】 請求項1乃至請求項4のいずれか1つに
記載のX線装置を使用した評価解析方法であって、前記
装置の直交した2方向のあおり機構および該あおり機構
に連結した3方向の水平移動機構を用い、結晶格子面の
法線ベクトルと試料面内回転機構の回転軸方向が一致す
るように試料を設定し、該水平移動機構と少なくとも試
料に対して該あおり機構より外側に連結した試料面内回
転機構を用い、該試料について回折条件を満たしながら
該試料面内回転機構を連続的に面内回転をさせ、得られ
た回折X線または蛍光X線を計数系により連続的に計測
することを特徴とする回折X線または蛍光X線の評価解
析方法。
5. An evaluation analysis method using the X-ray apparatus according to claim 1, wherein the X-ray apparatus is connected to the tilt mechanism in two orthogonal directions of the apparatus. Using a three-way horizontal movement mechanism, the sample is set so that the normal vector of the crystal lattice plane and the rotation axis direction of the in-plane rotation mechanism coincide with each other. Using the in-plane rotation mechanism connected to the outside, the sample in-plane rotation mechanism is continuously rotated in-plane while satisfying the diffraction condition for the sample, and the obtained diffracted X-rays or fluorescent X-rays are counted by a counting system. A method for evaluating and analyzing diffracted X-rays or fluorescent X-rays, characterized by continuously measuring.
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