JP5332801B2 - 試料分析装置及び試料分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線を用いて試料を分析する試料分析装置及び試料分析方法に関する。

半導体ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）デバイスを代表とする電子デバイスまたは磁気デバイスには、各種の薄膜が使用されている。薄膜の均一性（膜厚、密度、表面界面凹凸、膜応力、磁化分布など）とデバイス性能や信頼性は、緊密に関係しており、これらを詳細に分析することは、デバイスの高性能化や高信頼性を実現するための重要な要素となっている。

薄膜評価方法として、Ｘ線反射を利用した反射率法やＸ線散乱を利用した小角散乱法があった。また、表面の微小部を観察する手法としては、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）やＡＦＭ（Atomic Force Microscope）という表面分析法がある。

特開２０００−３５４０８号公報 特開昭６１−１１６３８０号公報

近年では、位相がほぼ揃った干渉性のＸ線（以下コヒーレントＸ線という）を用いた材料分析方法の開発が進んでいる。たとえば、本発明者は、試料の構造の均一性を評価する手段として、コヒーレントＸ線を試料に照射し、散乱Ｘ線のスペックルパターン（強度分布）を分析する手法を提案している（特願２００７−２８３０５７参照。）。

ここで、測定前の、試料にコヒーレントＸ線の位置を合わせる調整の際には、位置調整機構により試料やコリメータの位置を移動させ、前方散乱領域や、結晶ブラッグ回折領域に現れる散乱Ｘ線強度の変動から、試料の位置を確定する方法が用いられる。

しかし、試料が微細なものになると、その信号変化は極めて小さく、この信号強度の変化を検出するためには長時間の信号蓄積が必要であり、その結果、位置合わせに時間がかかるという問題があった。

上記の点を鑑みて、本発明は、短時間でコヒーレントＸ線を試料に位置合わせ可能な試料分析装置及び試料分析方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、以下のような試料分析装置が提供される。
この試料分析装置は、Ｘ線光軸と試料との位置合わせ時、干渉性のＸ線または前記干渉性のＸ線の光軸と一致させた光軸を有するＸ線から、試料測定時よりも長い波長のＸ線を抽出して照射する分光器と、分析対象の試料への前記Ｘ線の照射位置に開口部を有し前記照射位置外に照射される前記Ｘ線を吸収するＸ線吸収層が形成された試料保持部と、前記試料保持部に保持される前記試料に照射した前記Ｘ線の透過Ｘ線強度を検出する検出器と、を有する。

また、以下のような試料分析方法が提供される。
この試料分析方法は、Ｘ線光軸と試料との位置合わせ時、分光器により、干渉性のＸ線または前記干渉性のＸ線の光軸と一致させた光軸を有するＸ線から、試料測定時よりも長い波長のＸ線を抽出して照射し、分析対象の試料への前記Ｘ線の照射位置に開口部を有し前記照射位置外に照射される前記Ｘ線を吸収するＸ線吸収層が形成された試料保持部により、前記照射位置外に照射される前記Ｘ線を吸収し、検出器により、前記試料保持部に保持された前記試料に照射した前記Ｘ線の透過Ｘ線強度を検出し、前記透過Ｘ線強度に応じて前記位置合わせを行い、前記位置合わせ時よりも短い波長のＸ線を前記試料に照射して、前記検出器による測定を行う。

開示の試料分析装置及び試料分析方法によれば、短時間でコヒーレントＸ線を試料に位置合わせ可能となる。

本実施の形態の試料分析装置の構成を示す図である。 試料分析装置の主要部の位置関係を示した斜視図である。 試料保持部の試料保持面の反対面の構成を示す図である。 Ａｕを用いたＸ線吸収層における、Ｘ線エネルギーと減衰長との関係を示す図である。 試料を保持した試料保持部の位置を調整して、異なる波長のコヒーレントＸ線に対して透過Ｘ線強度を測定した結果の一例を示した図である。 Ｘ線ホログラフィー測定を行う試料分析装置の構成を示す図である。 試料保持部の試料保持面の反対面の構成を示す図である。 ２種類の測定を行う試料分析装置の構成を示す図である。

以下、本発明の試料分析装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施の形態の試料分析装置の構成を示す図である。
また、図２は、試料分析装置の主要部の位置関係を示した斜視図である。

試料分析装置は、試料１を分析するものであり、Ｘ線源１０、分光器（モノクロメータ）１１、スリット１２、コリメータ１３、試料保持部１４、検出器１５、制御部１６、位置調整部１７，１８を有する。

Ｘ線源１０は、たとえば、Ｘ線管球からのＸ線、回転対陰極からのＸ線や、放射光などを、微少なピンホールによってコリメートしてコヒーレントＸ線として照射する。また、Ｘ線源１０は、上記波長領域である短波長レーザや自由電子レーザを発生させてコヒーレントＸ線として照射してもよい。

分光器１１は、Ｘ線源１０から照射されるエネルギー分布のあるコヒーレントＸ線から、特定波長のＸ線を取り出す。本実施の形態の試料分析装置において、分光器１１は、Ｘ線光軸と試料１との位置合わせ時、Ｘ線源１０から試料測定時よりも長い波長λ１のＸ線を抽出する。そして、試料測定時には、コヒーレントＸ線から、測定用の波長λ２のコヒーレントＸ線を抽出する。位置合わせ時に、試料測定時の波長λ２よりも長い波長λ１のＸ線を抽出する理由については後述する。

スリット１２は、分光器１１で抽出された波長のコヒーレントＸ線を成型する。スリット１２は、開口部１２ｈ以外の部分で、Ｘ線を通さないようにするために、たとえば、厚さ１ｍｍ程度の、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）が用いられる。開口部１２ｈの口径は、コヒーレントＸ線の種類に応じて、たとえば、１０〜２０μｍ程度とする。たとえば、短波長レーザや自由電子レーザなどを用いる場合には口径を狭くする。

コリメータ１３は、試料１に対してコヒーレントＸ線の照準を絞る。コリメータ１３は、開口部１３ｈ以外の部分で、Ｘ線を通さないようにするために、たとえば、厚さ５００μｍ程度のタンタル、モリブデン、ステンレス鋼が用いられる。開口部１３ｈの口径は、コヒーレントＸ線の種類に応じて、たとえば、１０〜２０μｍ程度とする。

試料保持部１４は、支持フレーム１４ａ、メンブレン１４ｂ、Ｘ線吸収層１４ｃを有する。
支持フレーム１４ａは、たとえば、シリコン（Ｓｉ）などであり、メンブレン１４ｂを支持している。

メンブレン１４ｂは、たとえば、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）などであり、コヒーレントＸ線を透過する。メンブレン１４ｂの一方の面（以下試料保持面という）には、たとえば、大きさ数μｍ以下の微小な試料１が保持される。

図３は、試料保持部の試料保持面の反対面の構成を示す図である。
Ｘ線吸収層１４ｃは、コヒーレントＸ線の吸収能力が高く、メンブレン１４ｂに対する密着性の良さなどから、たとえば、金（Ａｕ）層、または白金（Ｐｔ）層などが用いられる。Ｘ線吸収層１４ｃは、メンブレン１４ｂの試料保持面の反対面に形成されている。さらに、Ｘ線吸収層１４ｃは、試料１へのコヒーレントＸ線の照射位置に開口部１４ｈを有しており、メンブレン１４ｂを露出させている。

検出器１５は、試料保持部１４に保持された試料１に照射されたコヒーレントＸ線の透過Ｘ線強度を検出する。検出器１５として、たとえば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）検出器またはシンチレーション検出器などが用いられる。

制御部１６は、たとえば、コンピュータであり、試料分析装置の各部を制御する。また、制御部１６は、検出器１５で検出されるスペックルパターンから、試料１の形状や応力、磁化分布などを分析するコンピュータであってもよい。

位置調整部１７は、スリット１２を、Ｘ線光軸に対して垂直の２軸方向（図２のｘ１，ｙ１）に動かし、開口部１２ｈの位置を調整する。
位置調整部１８は、コリメータ１３を、Ｘ線光軸に対して垂直の２軸方向（図２のｘ２，ｙ２）に動かし、位置を調整する。また、位置調整部１８は、試料保持部１４を、コリメータ１３とは独立に、Ｘ線光軸に対して垂直の２軸方向（図２のｘ３，ｙ３）に動かし、位置を調整する。また、位置調整部１８は、コリメータ１３を、試料保持部１４と一体として図２のｘ２，ｙ２方向に動かす機能を有する。

ところで、分光器１１が選択するコヒーレントＸ線の波長λ１，λ２は、以下を考慮して決定する。
図４は、Ａｕを用いたＸ線吸収層における、Ｘ線エネルギー（X-ray energy）と減衰長（Attenuation length）との関係を示す図である。横軸がＸ線のエネルギー（ｋｅＶ）であり、横軸が減衰長（μｍ）である。

Ｘ線のエネルギーが増加すると、減衰長が長くなる。
なお、透過Ｘ線の強度は、Ｔ＝Ｉ₀ｅｘｐ（−ｘ／Λ）で求められる。ここで、Ｉ₀は、入射Ｘ線の強度、ｘは膜厚、Λは減衰長である。

Ａｕを用いたＸ線吸収層１４ｃの厚さｘを１．５μｍとした場合、Ｘ線エネルギーが４ｋｅＶ（波長λ１＝３．１Å）では、図４の関係からΛ＝０．４４μｍとなるので、ｅｘｐ（−ｘ／Λ）＝０．０３３となる。一方、ｘ＝１．５μｍで、Ｘ線エネルギーが１０ｋｅＶ（波長λ２＝１．２４Å）では、Λ＝４．５μｍとなるので、ｅｘｐ（−ｘ／Λ）＝０．７２となる。

すなわち、入射Ｘ線の強度Ｉ₀を一定とした場合、Ｘ線のエネルギーを１０ｋｅＶから、４ｋｅＶに下げると、透過Ｘ線強度は１／２２になる。
したがって、Ｘ線光軸と試料１との位置合わせ時には、測定波長よりも長い波長のコヒーレントＸ線を用いれば、コヒーレントＸ線がＸ線吸収層１４ｃにおいて吸収されやすくなり、開口部１４ｈを介して試料１を透過するＸ線強度のみが残り、それ以外の透過Ｘ線は強く減衰される。これにより、試料１の位置が、検出器１５にて検出しやすくなる。

図５は、試料を保持した試料保持部の位置を調整して、異なる波長のコヒーレントＸ線に対して透過Ｘ線強度を測定した結果の一例を示した図である。横軸が、位置Ｘ（μｍ）であり、縦軸が透過Ｘ線強度Ｉ（ｃｏｕｎｔｓ／ｓｅｃ）である。

図のように、コヒーレントＸ線の波長がλ２＝１．２４と短い場合には、試料１部分以外でも透過Ｘ線強度が高く、Ｉ＝２００ｃｏｕｎｔｓ／ｓｅｃ程度ある。また、試料１部分以外での透過Ｘ線強度のばらつきは、√Ｉとなるので、ばらつきが大きく、試料１からの透過Ｘ線強度（２０ｃｏｕｎｔｓ／ｓｅｃ程度）が検出しにくい。そのため、位置合わせを行うには、計数の積算時間を増やし、統計精度を上げる必要があり、時間がかかる。

一方、コヒーレントＸ線の波長がλ１＝３．１Åと長い場合には、前述したように、Ｘ線吸収層１４ｃによるＸ線吸収効果が、λ２＝１．２４Åの場合よりも、２０倍程度高く、試料１部分以外では透過Ｘ線強度が１０ｃｏｕｎｔｓ／ｓｅｃ程度と小さい。したがって、試料１部分からの透過Ｘ線強度が明確に判別できるため、短時間に効率よく、Ｘ線光軸を試料１に位置合わせできる。

以上のことから、分光器１１は、Ｘ線光軸と試料１との位置合わせ時には、試料測定時よりも長い波長のコヒーレントＸ線を抽出する。
なお、試料保持部１４は、たとえば、以下のように形成される。

まず、シリコン基板を窒化するなどして、シリコン基板の表面にメンブレン１４ｂを形成し、試料保持面の反対面において、中央部のシリコン基板を除去する。これにより、中央部にはメンブレン１４ｂのみが残り、周囲はシリコン基板からなる支持フレーム１４ａが形成される。その後、試料保持面の反対面のメンブレン１４ｂ上にＸ線吸収層１４ｃを形成する。

なお、Ｘ線吸収層１４ｃの厚さｘは、厚くするほどＸ線吸収能力が高くなり望ましいが、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）などによる微細加工性能や、メンブレン１４ｂの耐性などに応じて決定する。

たとえば、ＳｉＮを用いたメンブレン１４ｂを、０．２μｍ程度の厚さで形成した場合、メンブレン１４ｂが破れることを防止するために、Ａｕを用いたＸ線吸収層１４ｃでは、厚さｘを１．５μｍ程度以下とする。

Ｘ線吸収層１４ｃの開口部１４ｈは、ＦＩＢなどにより形成される。ＦＩＢによる開口部１４ｈの形成の際、たとえば、アスペクト比が１対１になるように、Ｘ線吸収層１４ｃの厚さｘが１．５μｍの場合には、１．５×１．５μｍの広さで形成する。

次に、図１、図２で示した試料分析装置の動作を説明する。
まず、Ｘ線光軸と、試料１との位置調整を行う。
分光器１１は、制御部１６の制御のもと、Ｘ線源１０から照射されたコヒーレントＸ線から長波長のコヒーレントＸ線を抽出して照射する。たとえば、分光器１１は、前述したλ１＝３．１ÅのコヒーレントＸ線を抽出する。

次に、制御部１６の制御のもと位置調整部１７は、ｘ１，ｙ１方向にスリット１２を移動させて、検出器１５で検出されるＸ線強度が最大となるように、開口部１２ｈをＸ線光軸に合わせる。コリメータ１３及び試料１は、位置調整部１８によりＸ線光軸から外しておく。入射されるコヒーレントＸ線は、スリット１２の開口部１２ｈ以外では完全に吸収されるので位置調整は容易である。

次に、制御部１６の制御のもと位置調整部１８は、コリメータ１３をＸ線光軸に入れ、ｘ２，ｙ２方向でコリメータ１３の位置を調整し、検出器１５で検出されるＸ線強度が最大となるように、開口部１３ｈをＸ線光軸に合わせる。入射されるコヒーレントＸ線は、コリメータ１３の開口部１３ｈ以外では完全に吸収されるので位置調整は容易である。

次に、制御部１６の制御のもと位置調整部１８は、試料１と試料保持部１４をＸ線光軸に入れ、ｘ３，ｙ３方向で試料保持部１４の位置を調整する。図５に示したように、長波長のコヒーレントＸ線は、開口部１４ｈ以外では、Ｘ線吸収層１４ｃにより大部分が吸収される。そのため、検出器１５で透過Ｘ線強度が最大となる位置、すなわち試料１の位置は、容易に検出できる。

このようにして長波長のコヒーレントＸ線を用いて、Ｘ線光軸と、試料１との位置調整を行ったのち、分光器１１は、制御部１６の制御のもと、Ｘ線源１０から照射されたコヒーレントＸ線から測定用の波長λ２のコヒーレントＸ線を抽出して照射する。たとえば、前述したλ２＝１．２４ÅのコヒーレントＸ線を抽出する。

波長が変更されると、Ｘ線光軸がわずかに傾く。そこで、位置調整部１８は、コリメータ１３と、試料保持部１４を、ｘ２，ｙ２軸上により両者を一体として２次元走査し、検出器１５で検出される透過Ｘ線強度が最大となる位置を探し、固定する。なお、スリット１２は、Ｘ線源１０に近いため、波長変更の影響は少ないので、特にＸ線光軸に対する位置を調整しなくてもよい。これにより、波長λ２のコヒーレントＸ線のＸ線光軸と試料１との位置合わせが終了する。

その後、検出器１５により、たとえば、小角散乱スペックルなどの測定が行われ、たとえば、制御部１６により、測定結果に基づいた分析が行われる。
以上のように、本実施の形態の試料分析装置によれば、Ｘ線光軸と試料１との位置合わせ時は、試料測定時よりも長波長のコヒーレントＸ線を照射して、試料１に照射されるコヒーレントＸ線以外は、試料保持部１４に設けたＸ線吸収層１４ｃにより吸収させる。これにより、検出器１５は、容易に試料１の位置を判別できるようになり、効率よくコヒーレントＸ線を試料に位置合わせ可能となる。

なお、本実施の形態の試料分析装置は、Ｘ線ホログラフィー測定にも適用が可能である。
図６は、Ｘ線ホログラフィー測定を行う試料分析装置の構成を示す図である。

図１で示した構成と同じ構成については同一符号を付し、説明を省略する。
コリメータ１３は、試料１にコヒーレントＸ線を照射するための開口部１３ｈ以外に、参照Ｘ線を通すための開口部１３ｈｘを有している。また、試料保持部１４において、Ｘ線吸収層１４ｃも、参照Ｘ線を通すための開口部１４ｈｘを有している。

図７は、試料保持部の試料保持面の反対面の構成を示す図である。
Ｘ線吸収層１４ｃは、試料１へのコヒーレントＸ線の照射位置に設けられた開口部１４ｈの他に、参照Ｘ線を通すための開口部１４ｈｘを有しており、メンブレン１４ｂを露出させている。開口部１４ｈの大きさを１．５μｍとした場合、参照Ｘ線用の開口部１４ｈｘの大きさは、たとえば、０．２μｍ程度とする。

なお、開口部１４ｈｘは、メンブレン１４ｂを貫通するように形成されていてもよい。この開口部１４ｈｘは、ＦＩＢにより形成可能である。
開口部１４ｈと、開口部１４ｈｘとの間の距離ｈは、干渉を発生させるためのコヒーレンス長を満たすように設定する。

コヒーレンス長は、ξ_T＝λ／２（Ｌ／ｄ）で表せる。ここで、λはＸ線の波長、Ｌはスリット１２から試料１までの距離、ｄはスリット１２の開口部１２ｈの大きさである。
たとえば、λ＝１．２４Å、Ｌ＝１ｍ、ｄ＝１０μｍとした場合、ξ_T＝６．２μｍとなる。したがって、開口部１４ｈと、開口部１４ｈｘとの間の距離ｈは、６．２μｍ以下とすればよい。

図６で示したような試料分析装置において、Ｘ線光軸と、試料１との位置合わせの際には、図１で示した構成の試料分析装置と同様に、大きな開口部１４ｈから試料１に照射されるコヒーレントＸ線を用いて行う。

このような試料分析装置とすることによって、Ｘ線ホログラフィー測定を行うことができる。
Ｘ線ホログラフィー測定の際には、位置合わせ後、分光器１１は測定用の波長λ２のコヒーレントＸ線を照射し、試料１に照射されたコヒーレントＸ線と、開口部１４ｈｘを介して出てくる参照Ｘ線とを干渉させる。これにより、検出器１５にて、Ｘ線ホログラフィーが測定される。

なお、試料分析装置は、小角散乱スペックルの他に、結晶回折スペックルを測定するようにしてもよい。
図８は、２種類の測定を行う試料分析装置の構成を示す図である。

図１で示した構成と同じ構成については同一符号を付し、説明を省略する。
この試料分析装置は、２つの検出器１５ａ，１５ｂを有しており、検出器１５ａにより、小角散乱スペックルの測定を行い、検出器１５ｂにより、結晶回折スペックルの測定を行う。

両者の測定を行うことによって、より詳細に試料の分析が可能になる。なお、Ｘ線光軸と試料１との位置合わせの際には、検出器１５ａを用いてもよいが、検出器１５ｂを用い、結晶ブラッグ回折領域に現れる透過Ｘ線強度により、位置合わせを行ってもよい。

また、検出器１５ｂを用いず、Ｘ線光軸と試料１との位置合わせ後に、検出器１５ａを、図示しない駆動機構によって検出器１５ｂの位置に移動させて、結晶回折スペックルの測定を行ってもよい。

以上、実施の形態に基づき、本発明の試料分析装置及び試料分析方法の一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。
たとえば、上記では、試料位置調整用の波長λ１のＸ線を、分光器１１が試料測定の際にも用いられるＸ線源１０から照射されたコヒーレントＸ線から抽出するとして説明したが、これに限定されない。Ｘ線源１０とは別に、光軸が測定用のコヒーレントＸ線と一致するように調整した、位置調整専用の長い波長を持つＸ線を照射するＸ線源を用いても同様の位置合わせが可能である。

１ 試料
１０ Ｘ線源
１１ 分光器
１２ スリット
１２ｈ，１３ｈ，１４ｈ 開口部
１３ コリメータ
１４ 試料保持部
１４ａ 支持フレーム
１４ｂ メンブレン
１４ｃ Ｘ線吸収層
１５ 検出器
１６ 制御部
１７，１８ 位置調整部

Claims (5)

1. Ｘ線光軸と試料との位置合わせ時、干渉性のＸ線または前記干渉性のＸ線の光軸と一致させた光軸を有するＸ線から、試料測定時よりも長い波長のＸ線を抽出して照射する分光器と、
   分析対象の試料への前記Ｘ線の照射位置に開口部を有し前記照射位置外に照射される前記Ｘ線を吸収するＸ線吸収層が形成された試料保持部と、
   前記試料保持部に保持される前記試料に照射した前記Ｘ線の透過Ｘ線強度を検出する検出器と、
   を有することを特徴とする試料分析装置。
2. 前記試料に照射される前記Ｘ線を絞るコリメータと、
   前記Ｘ線光軸と前記試料との位置合わせ後、前記分光器により、前記Ｘ線の波長が試料測定時の波長に変更され、前記試料保持部と前記コリメータとを一体として動かして、変更された前記波長のＸ線光軸に対する位置合わせを行う位置調整部と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の試料分析装置。
3. 前記Ｘ線吸収層は、Ｘ線ホログラフィー測定用の参照Ｘ線を通すための他の開口部を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の試料分析装置。
4. Ｘ線光軸と試料との位置合わせ時、分光器により、干渉性のＸ線または前記干渉性のＸ線の光軸と一致させた光軸を有するＸ線から、試料測定時よりも長い波長のＸ線を抽出して照射し、
   分析対象の試料への前記Ｘ線の照射位置に開口部を有し前記照射位置外に照射される前記Ｘ線を吸収するＸ線吸収層が形成された試料保持部により、前記照射位置外に照射される前記Ｘ線を吸収し、
   検出器により、前記試料保持部に保持された前記試料に照射した前記Ｘ線の透過Ｘ線強度を検出し、
   前記透過Ｘ線強度に応じて前記位置合わせを行い、
   前記位置合わせ時よりも短い波長のＸ線を前記試料に照射して、前記検出器による測定を行うことを特徴とする試料分析方法。
5. 前記試料測定時、参照Ｘ線と前記Ｘ線を干渉させ、前記検出器でＸ線ホログラフィーを測定することを特徴とする請求項４記載の試料分析方法。

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