JP5358979B2

JP5358979B2 - Ｘ線評価用試料の作製方法

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Publication number: JP5358979B2
Application number: JP2008056643A
Authority: JP
Inventors: 健二野村
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: JP2009210538A

Description

本発明は、コヒーレントＸ線を用いた散乱測定を行うためのＸ線評価用試料の作製方法に関し、特にＸ線ホログラフィ測定に好適なＸ線評価用試料の作製方法に関する。

通常使われているＸ線は、Ｘ線のコヒーレント長（可干渉長）よりもビームサイズのほうが大きいため、空間的にインコヒーレントなＸ線、すなわち空間的に離れた２点からの波の間に干渉性がないＸ線である。

インコヒーレントＸ線を用いた散乱測定の場合、実験で得られるＸ線散乱強度では位相情報が消失しているため、試料の実空間の構造を知ることができない。そこで、ピンホールを測定試料の上流側に設置することでＸ線のコヒーレント長よりも小さなビームを切り出し、それにより得られたコヒーレントＸ線を用いた散乱測定が試みられている。

コヒーレントＸ線を用いた散乱測定では、位相回復アルゴリズムを用いて位相を決定し、試料の実空間の構造を知ることが可能である。更に、より簡単に位相を決定することが可能な方法として、Ｘ線ホログラフィ測定が知られている。Ｘ線ホログラフィ測定とは、コヒーレントＸ線の波面を２つに分割し、試料を透過したＸ線（物体光）と試料を透過しないＸ線（参照光）とを遠方の検出面で重ね合わせ、その干渉縞をホログラムとして記録する方法である。ホログラムには位相情報も記録されているので、一義的に実空間の構造を決定することができる。

本発明に関係すると思われる従来技術として、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、透過電子顕微鏡用試料の作成方法に関し、測定領域以外の部分からの特性Ｘ線の影響を排除するために、測定領域以外の部分に試料領域の元素とは異なる元素の膜（Ａｕ又はＰｂ膜）を厚く形成することが記載されている。
特開平１０−３３９６９２号公報

Ｘ線ホログラフィ測定を行う場合、Ｘ線が透過可能なメンブレン基板と呼ばれる薄い基板の上に試料を配置する。しかし、メンブレン基板は、基板厚が薄く高温で熱処理をすると容易に破壊されてしまうため、結晶化や原子配列の秩序化のために熱処理が必要な試料には適用できないという欠点がある。

また、現状ではメンブレン基板として利用可能なものはＳｉＮ基板やＳｉＣ基板など種類が限られており、エピタキシャル膜試料のように基板の種類で構造が変化する試料に適用できないという欠点もある。更に、メンブレン基板上に成膜した薄膜試料に対して、実デバイスのような微細加工を行うことも困難なため、微細加工をすることで磁気又は電気特性が変化するような試料にも適用できないという欠点もある。

以上から、本発明の目的は、コヒーレントＸ線を用いた散乱測定において、測定部位を実デバイスと同様の条件で作製できるＸ線評価用試料の作製方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、Ｘ線評価用試料の作製方法において、表面側に測定部位を有する基材の裏面側を削って測定に使用するＸ線が透過する厚さにする第１の工程と、前記基材の裏面側に前記第１の工程で前記基材から削った部分よりも多くのＸ線を吸収するＸ線吸収膜を形成する第２の工程と、前記測定部位に対応する位置に、前記Ｘ線吸収膜の開口部を形成する第３の工程とを有し、前記第２の工程又は前記第３の工程の後に、前記測定部位を有する前記基材の表面側から前記基材及び前記Ｘ線吸収膜を貫通する参照光用穴を形成する工程を有するＸ線評価用試料の作製方法が提供される。

Ｘ線を透過させて試料の構造を評価する場合、試料をＸ線が透過する厚さまで薄くする必要がある。一方、試料の測定部位以外の部分を透過するＸ線が測定の障害になることがあり、その場合は測定部位以外の部分を透過するＸ線を遮蔽することが必要になる。

本発明においては、Ｘ線が透過する厚さまで基材の裏面側を削り、その削った部分よりも多くのＸ線を吸収するＸ線吸収膜を基材の裏面側に形成する。そして、測定部位に対応する部分のＸ線吸収膜を除去して、基材が露出する開口部を形成する。これにより、測定部位に照射されたＸ線を裏面側に透過させることができ、且つ測定部位以外の部分を通る不要なＸ線を吸収することができる。

Ｘ線ホログラフィ測定の場合、測定部位を透過したＸ線（物体光）を参照光と干渉させることが必要である。測定部位の近傍に基材及びＸ線吸収膜を貫通する穴（参照光用穴）を設けておけば、参照光と物体光とを容易に干渉させることができる。

基材の裏面側にＸ線吸収膜を形成し、その後測定部位に対応する部分に開口部を形成する方法に替えて、予め測定部位に対応する開口部が設けられた薄板をＸ線吸収膜として基材に貼り付けてもよい。

第１の工程では、基材を透過した後のＸ線の強度が、基材に入射するＸ線の強度の１０％以上の厚さまで基材の裏面側を削る（エッチング、研磨又は研削等）ことが好ましい。また、第２の工程では、Ｘ線吸収膜を透過したＸ線の強度が、基材に入射するＸ線の強度の１％以下となる厚さにＸ線吸収膜を形成することが好ましい。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

図１〜図７は、本発明の実施形態に係るＸ線評価用試料の作製方法を工程順に示す図である。これらの図１〜図７において、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は下面図である。

まず、実デバイス形成時と同様の工程を実施し、その後測定部位を決定する。ここでは、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、厚さが例えば０．５〜１．５ｍｍのシリコン基板１１の上に、微細加工された薄膜１２が形成されているものとする。また、図中１３で示す部分が測定部位であるとする。

次に、ダイサー（基板切断機）を用いてシリコン基板１１を例えば図１（ａ）〜（ｃ）中に破線で示す位置で切断し、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように測定部位１３を含む所望の大きさの試料２０を切り出す。本実施形態では、試料２０の大きさは、１辺が３〜１０ｍｍの正方形とする。シリコン基板１１をダイサーで切断する替わりに、ディスクパンチでシリコン基板１１を打ち抜いて試料２０を切り出してもよい。

なお、図２（ａ）〜（ｃ）には図示していないが、測定部位１３が薄膜１２の表面又はその近傍にあり、その後の工程でダメージを受けるおそれがあるときには、薄膜１２の上にダメージを防止するための保護膜を形成してもよい。保護膜は可視光領域で透明なものであることが好ましく、例えばプラズマＣＶＤ法により厚さが３００ｎｍのアモルファスカーボン膜を形成し、これを保護膜とすることができる。保護膜を形成した場合は、測定部位１３を容易に特定できるように、レーザ等により保護膜の所定位置にマーキングを施しておくことが好ましい。

次に、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、試料２０の上に、例えば厚さが１００μｍの銅板からなるワッシャー２１を貼り付ける。このワッシャー２１は、試料２０を補強し、破損を防止することを目的としたものである。本実施形態では、試料２０の上に、試料２０の形状に合わせて１辺が３〜１０ｍｍの中抜きの正方形状に形成されたワッシャー２１を貼り付けている。なお、ワッシャー２１の材質及び大きさ等は、試料２０に応じて適宜決定すればよい。

次に、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、試料２０の裏面側を研磨して、試料２０を所望の厚さにする。例えば、試料２０の裏面側のシリコン基板１１を紙やすり等で研磨して数１００μｍの厚さにした後、グラインダー等で研磨して１０〜５０μｍ程度の厚さにする。その後、更にイオンミリングにより試料２０を研磨（研削）する。

試料２０の最適な厚さは測定に使用するＸ線のエネルギーに関係する。ここでは、試料２０を透過した後のＸ線強度が試料２０に入射する前のＸ線強度の１０％以上になる厚さになるまでシリコン基板１１を研磨する。例えば、Ｘ線エネルギーが７００ｅＶの場合、試料２０の厚さは２．４μｍ以下とする。高精度な測定が必要な場合は、シリコン基板１１を更に薄く研磨することが好ましい。

次に、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、スパッタ法、蒸着法又はめっき法等により、試料２０の裏面側のシリコン基板１１上（図５（ｂ）では下側）にイリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）又は金（Ａｕ）等からなるＸ線吸収膜２３を形成する。このＸ線吸収膜２３は、試料２０を透過した後のＸ線の強度が試料２０に入射する前のＸ線の強度の１％以下になる厚さとする。例えば、Ｘ線エネルギーが７００ｅＶの場合、Ｘ線吸収膜２３として金を０．３μｍ以上の厚さに形成する。高精度な測定が必要な場合には、Ｘ線吸収膜２３を更に厚く形成することが好ましい。

次に、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）法により、試料２０の所定の位置に、試料２０の表面側から裏面側に貫通する参照光用穴２４を形成する。本実施形態では、測定部位１３の近傍であって測定部位１３を挟む２箇所の位置にそれぞれ参照光用穴２４を形成する。なお、測定部位１３との位置関係を目視で確認しながら参照光用穴２４を形成できるように、試料２０の表面側（薄膜１２側）から参照光用穴２４の形成を開始することが好ましい。

ここで、図６には図示していないが、測定部位１３が試料２０の表面又はその近傍にあり、参照光用穴２４を形成するときに測定部位１３がダメージを受けるおそれがある場合には、予め集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置のデポジッション機能を用いて、測定部位１３の上にタングステン等からなる保護膜を形成することが好ましい。

参照光用穴２４の大きさ及び測定部位１３から参照光用穴２４までの距離は、試料２０に入射するＸ線のコヒーレント長を考慮して決定する。参照光用穴２４の大きさは０．０５μｍ×０．０５μｍ〜０．５μｍ×０．５μｍとする。また、測定部位１３と参照光用穴２４との間の距離は、参照光用穴２４を透過する参照光と測定部位１３及び後述の物体光用開口部２５を透過する物体光とが確実に干渉する距離であることが必要であり、例えば０．５〜５０μｍとする。

次に、ＦＩＢ法等によりＸ線吸収膜２３をパターニングし、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、測定部位１３の裏側にシリコン基板１１が露出する物体光用開口部２５を形成する。この物体光用開口部２５は測定部位１３に対応する位置に形成する必要があるが、Ｘ線吸収膜２３をパターニングするときには参照光用穴２４により測定部位１３の位置を判断することができる。このようにして、Ｘ線評価用試料が完成する。

本実施形態では、図４，図５に示す工程において、シリコン基板１１の裏面側を研磨した後、そのシリコン基板１１の裏面側にＸ線吸収膜２３を形成している。以下、その理由について説明する。

一般的に、シリコン基板に小さくかつ深い穴を開けることは難しい。例えば、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法によりシリコン基板に穴を形成すると、穴の深さが深くなるほど穴の径は小さくなる。集束イオンビーム法によりシリコン基板１１に穴を形成した場合、穴の壁面と深さ方向とのなす角度は約１°である。シリコン基板表面における穴の大きさが決まっている場合は、穴の深さがある程度以上になるとそれ以上基板を削ることができなくなる。

一方、膜によるＸ線の吸収は、Ｘ線のエネルギー、膜中の元素の種類、膜の密度及び膜厚等に依存する。エネルギーの高いＸ線を使用してＸ線ホログラフィ測定を行う場合には膜の厚さを厚くして不要なＸ線を吸収すればよいが、そうすると、参照光及び物体光が通る小さな穴を開けることが困難になる。そこで、本実施形態では、試料２０の裏面側を研磨して試料２０を薄くし、参照光を得るための小さな穴を形成しやすくする。また、試料２０の裏面側にＸ線吸収膜２３を形成して、参照光用穴２４及び物体光用開口部２５以外の部分を通るＸ線を吸収する。これにより、参照光と物体光とを干渉させることができて、Ｘ線ホログラフィ測定が可能になる。

Ｘ線吸収膜２３は、薄膜化のために試料２０から削り取った部分よりもＸ線吸収量が多いことが必要である。薄い膜厚で効率よくＸ線を吸収するためには、Ｘ線吸収膜２３を原子番号が大きく高密度の材料により形成することが好ましい。具体的には図８に示すように、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）等の金属元素、又はそれらの金属元素のうちの少なくとも１種を主成分とする合金によりＸ線吸収膜２３を形成することが好ましい。図８には、Ｘ線吸収膜２３に好適な材料（タンタル、タングステン、イリジウム、白金及び金）の密度とＸ線透過率とを示しているが、比較のためにシリコン（Ｓｉ）の密度及びＸ線透過率も併せて示している。なお、図８において、Ｘ線透過率は、Ｘ線のエネルギーが７００ｅＶ、膜の厚さが１μｍのときの値を示している。

以下、図９を参照してＸ線ホログラフィ測定方法を説明する。なお、図９では、ワッシャー２１の図示を省略している。

図９に示すように、試料２０にコヒーレントＸ線を照射すると、参照光用穴２４を透過した参照光と、測定部位１３及び物体光用開口部２５を透過した物体光とが干渉し、試料２０から離れた位置に配置された検出器（ＣＣＤ（Charge-Coupled Device））３０に干渉縞が検出される。検出器３０は、この干渉縞をホログラムとして記録する。ホログラムには、測定部位１３の位相情報も記録されているので、測定部位１３の実空間構造を解析することができる。Ｘ線ホログラフィ測定方法により、例えば磁性膜のドメイン構造を知ることができる。

本実施形態に係るＸ線評価用試料２０は、参照光となるＸ線が透過する参照光用穴２４と、物体光となるＸ線が透過する物体光用開口部２５とが設けられており、更に裏面側に参照光用穴２４及び物体光用開口部２５を通るＸ線以外のＸ線を吸収するＸ線吸収膜２３が設けられている。このため、図９に示すように、試料２０にコヒーレントＸ線を照射するだけで参照光と物体光とを同時に得ることができ、Ｘ線ホログラムを容易に取得することができる。

また、本実施形態においては、シリコン基板に実デバイスを形成した後、このシリコン基板を図１〜図７に示す手順で加工してＸ線評価用試料とする。すなわち、本発明によれば、実デバイスのＸ線ホログラフィ測定を容易に実現することができる。

なお、上述の実施形態ではシリコン基板１１上（図５では下側）にスパッタ法等によりＸ線吸収膜２３を成膜し、このＸ線吸収膜２３をＦＩＢ法によりパターニングして物体光用開口部２５を形成したが、図１０に示すように、予め物体光用開口部４１ａが設けられた金属板４１をシリコン基板１１に接合し、この金属板４１をＸ線吸収膜としてもよい。

また、図１１に示すように、予め金属板４２に参照光用穴４２ａを形成しておき、この金属板４２をマスクとして試料２０を貫通する穴（参照光用穴）を形成してもよい。この場合、前述したように、集束イオンビーム法によりシリコン基板に穴を開けると深くなるほど穴の径が小さくなるが、図１２に示すように、試料２０に対するイオンビームの入射角を変えながら穴を開けることにより、深い穴を形成することができる。

更にまた、前述の実施形態では測定部位１３がシリコン基板１１上に形成されている場合について説明したが、シリコン基板に替えて、ＳｉＣ又はＳｉＮ等のＳｉ系基板や、アルチック（Ａｌ₂Ｏ₃・ＴｉＣ）、Ａｌ、ＭｇＯ、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ₃）、ＧａＡｓなどのＳｉ系以外の基板を使用してもよい。また、参照光用穴及び物体光用開口部の形状は、実施形態で示した正方形に限定されるものでなく、円形やその他の形状であってもよい。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１）Ｘ線評価用試料の作製方法において、
表面側に測定部位を有する基材の裏面側を削って測定に使用するＸ線が透過する厚さにする第１の工程と、
前記基材の裏面側に前記第１の工程で前記基材から削った部分よりも多くのＸ線を吸収するＸ線吸収膜を形成する第２の工程と、
前記測定部位に対応する位置に、前記Ｘ線吸収膜の開口部を形成する第３の工程と
を有することを特徴とするＸ線評価用試料の作製方法。

（付記２）前記第２の工程又は前記第３の工程の後に、前記基材及び前記Ｘ線吸収膜を貫通する参照光用穴を形成する工程を有することを特徴とする付記１に記載のＸ線評価用試料の作製方法。

（付記３）前記第１の工程では、前記基材を透過した後のＸ線の強度が、前記基材に入射するＸ線の強度の１０％以上となる厚さまで前記基材を削ることを特徴とする付記１又は２に記載のＸ線評価用試料の作製方法。

（付記４）前記第２の工程では、前記Ｘ線吸収膜を透過したＸ線の強度が、前記基材に入射するＸ線の強度の１％以下となる厚さに前記Ｘ線吸収膜を形成することを特徴とする付記１又は２に記載のＸ線評価用試料の作製方法。

（付記５）前記Ｘ線吸収膜が、タンタル、タングステン、イリジウム、白金及び金からなる群から選択された金属元素又はその金属元素を含む合金からなることを特徴とする付記４に記載のＸ線評価用試料の作製方法。

（付記６）前記第１の工程の前に、前記基材を補強する補強部材を取り付けることを特徴とする付記１又は２に記載のＸ線評価用試料の作製方法。

（付記７）前記第１の工程の前に、前記基材の表面を覆う保護膜を形成することを特徴とする付記１又は２に記載のＸ線評価用試料の作製方法。

（付記８）前記参照光用穴を集束イオンビーム法により形成することを特徴とする付記２に記載のＸ線評価用試料の作製方法。

（付記９）Ｘ線評価用試料の作製方法において、
表面側に測定部位を有する基材の裏面側を削って測定に使用するＸ線が透過する厚さにする工程と、
前記基材の裏面側に、前記測定部位に対応する位置に開口部が設けられたＸ線吸収膜を貼り付ける工程と、
を有することを特徴とするＸ線評価用試料の作製方法。

（付記１０）Ｘ線ホログラフィ測定に用いるＸ線評価用試料において、
一方の面側に測定部位を有する基材と、
前記基材の他方の面側に形成され、前記基材よりもＸ線透過率が低い材料からなるＸ線吸収膜と、
前記Ｘ線吸収膜の前記測定部位に対応する領域に形成されて前記基材が露出する開口部と、
前記基材及び前記Ｘ線吸収膜を貫通する参照光用穴と
を有することを特徴とするＸ線評価用試料。

図１は、本発明の実施形態に係るＸ線評価用試料の作製方法を示す図（その１）である。図２は、本発明の実施形態に係るＸ線評価用試料の作製方法を示す図（その２）である。図３は、本発明の実施形態に係るＸ線評価用試料の作製方法を示す図（その３）である。図４は、本発明の実施形態に係るＸ線評価用試料の作製方法を示す図（その４）である。図５は、本発明の実施形態に係るＸ線評価用試料の作製方法を示す図（その５）である。図６は、本発明の実施形態に係るＸ線評価用試料の作製方法を示す図（その６）である。図７は、本発明の実施形態に係るＸ線評価用試料の作製方法を示す図（その７）である。図８は、Ｘ線吸収膜に好適な材料の物性及びＳｉの物性を示す図である。図９は、Ｘ線ホログラフィ測定方法を示す模式図である。図１０は、予め物体光用開口部が設けられた金属板をシリコン基板に接合してＸ線吸収膜とする場合の例を示す模式図である。図１１は、予め金属板に参照光用穴を形成しておき、この金属板をマスクとして試料を貫通する穴（参照光用穴）を形成する場合の例を示す模式図である。図１２は、イオンビームの入射角を変えながら試料に穴を開ける場合の例を示す模式図である。

符号の説明

１１…シリコン基板、
１２…薄膜、
１３…測定部位、
２０…試料、
２１…ワッシャー、
２３…Ｘ線吸収膜、
２４，４２ａ…参照光用穴、
２５，４１ａ…物体光用開口部、
３０…検出器、
４１，４２…金属板。

Claims

Ｘ線評価用試料の作製方法において、
表面側に測定部位を有する基材の裏面側を削って測定に使用するＸ線が透過する厚さにする第１の工程と、
前記基材の裏面側に前記第１の工程で前記基材から削った部分よりも多くのＸ線を吸収するＸ線吸収膜を形成する第２の工程と、
前記測定部位に対応する位置に、前記Ｘ線吸収膜の開口部を形成する第３の工程と
を有し、
前記第２の工程又は前記第３の工程の後に、前記測定部位を有する前記基材の表面側から前記基材及び前記Ｘ線吸収膜を貫通する参照光用穴を形成する工程を有することを特徴とするＸ線評価用試料の作製方法。
前記第１の工程では、前記基材を透過した後のＸ線の強度が、前記基材に入射するＸ線の強度の１０％以上となる厚さまで前記基材を削ることを特徴とする請求項１に記載のＸ線評価用試料の作製方法。
Ｘ線評価用試料の作製方法において、
表面側に測定部位を有する基材の裏面側を削って測定に使用するＸ線が透過する厚さにする工程と、
前記基材の裏面側に、前記測定部位に対応する位置に開口部が設けられたＸ線吸収膜を貼り付ける工程と、
を有することを特徴とするＸ線評価用試料の作製方法。