JP5722861B2 - 検査方法及び検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、非破壊検査に関するものであり、更に詳しくは、基板上の非常に小さな特徴部の特性を計測する方法及びシステムに関するものである。

半導体ウエハを試験する方法として、蛍光Ｘ線（Ｘ−Ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ：ＸＲＦ）計測、更に具体的には、マイクロ蛍光Ｘ線（即ち、合焦された狭い励起ビームを使用したＸＲＦ）が益々注目されるようになっている。ＸＲＦ自体は、サンプルの基本的な組成を判定するための周知の技法である。ＸＲＦアナライザは、一般に、サンプルを照射するＸ線源と、この照射に応答してサンプルから放射される蛍光Ｘ線を検出するＸ線検出器と、を含んでいる。サンプル内のそれぞれの元素は、その元素の特性を示すエネルギー帯域内の蛍光Ｘ線を放射する。検出された蛍光Ｘ線を分析することにより、検出された光子のエネルギー、即ち、等価的に波長を見出し、この分析に基づいて、サンプルの定性的及び／又は定量的な組成を判定している。

例えば、特許文献１は、サンプルを分析するＸＲＦアナライザ及び方法について開示しており、この開示内容は、本引用により、本明細書に包含される。このアナライザは、Ｘ線ビーム源を含んでおり、これは、モノリシックなポリキャピラリーオプティクスを介して、（直径が５０μｍのレベルの）小さなスポットをサンプル上に照射している。この照射により、サンプルが蛍光Ｘ線光子を放射することになる。蛍光Ｘ線光子を採取するべく、スポットの周りには、半導体検出器のアレイが配置されている。アナライザは、サンプルの分析に適した電気パルスを生成する。

半導体ウエハを試験するためのマイクロ蛍光Ｘ線の使用法については、特許文献２に記述されており、この開示内容は、本引用により、本明細書に包含される。この特許は、サンプルの表面上における凹部内の材料の堆積及び／又は除去を試験する非破壊法について記述している。励起ビームを凹部近傍のサンプルの領域上へ向け、その領域から放射される蛍光Ｘ線の強度を計測する。計測した強度に応答し、凹部内に堆積された材料の量を判定している。

マイクロ蛍光Ｘ線の別のアプリケーションについては、非特許文献１において、Ｌａｎｋｏｓｚ他が記述しており、この内容は、本引用により、本明細書に包含される。著者らは、コリメートされたマイクロビームを使用するマイクロ蛍光Ｘ線分析法について記述している。この方法は、イオンスパッタリング法によって生成された薄膜の厚さ及び均一性を試験するべく適用されている。

更に別の例として、特許文献３は、サンプルの表面に加えられた材料を試験する方法について記述しており、この開示内容は、本引用により、本明細書に包含される。励起ビームをサンプルの領域上へ向け、その領域から放射される蛍光Ｘ線の強度を計測している。スキャン対象である特徴部の計測ＸＲＦプロファイルを生成するべく、ビームを表面上の特徴部にスキャン可能である。蛍光Ｘ線の計測強度と、励起ビームの既知の強度断面と、に基づいて、領域内の材料分布を推定している。この方法は、励起ビームのビーム幅よりも微細な空間分解能を実現するとされている。

米国特許第６，１０８，３９８号明細書 米国特許第６，３５１，５１６号明細書 米国特許第７，２４５，６９５号明細書

「Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ」（Ｌａｎｋｏｓｚ他著、Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｘ−ｒａｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ、４３、１９９９年、４９７〜５０３頁）

半導体ウエハなどの基板上の微細な特徴部のＸ線に基づいた分析の際には、しばしば、十分な精度によって対象の特徴部にビームをマッチングさせることが困難である。このような特徴部とＸ線ビームの正確なアライメントに、過剰な時間を所要している場合も存在する。更には、いくつかの状況においては、Ｘ線ビームを慎重にアライメントしても、対象の特徴部とビームの間のオーバーラップが不完全である場合も存在する。

この種の問題点を克服するべく、後述する本発明の実施例は、サンプル上のターゲット特徴部に対する照射Ｘ線ビームの複数の異なる相対位置におけるサンプルからのＸ線放射の強度を計測している。（特徴部の厚さなどの）特性を更に正確に表している修正された放射値を付与するべく、対応する強度計測値を処理している。
本発明のいくつかの実施例は、励起ビームの直径よりも小さな特徴部からのＸ線放射を計測する方法及びシステムを提供している。励起ビームと比べて特徴部のサイズが小さいため、特徴部に入射するビームの一部に起因し、結果的に、対象の放射信号が周辺領域からのバックグラウンド放射と混合することになる。この問題は、高エネルギーの狭いＸ線ビームを生成するべくすぐに利用可能なＸ線源及びオプティクスが欠如していることに起因し、例えば、高エネルギーのＸＲＦアプリケーションにおいて特に顕著である。

尚、後述する実施例は、半導体ウエハの表面上に形成された小さな金属バンプ及びパッドからのＸＲＦ計測について具体的に説明しているが、本発明の原理は、その他のタイプのサンプルにおけるＸＲＦ計測、並びに、その他の放射線の放射計測の分野にも同様に適用可能である。

従って、本発明の一実施例によれば、検査方法が提供されており、この方法は、第１直径及び第１入射強度を具備した中央スポットと、第１直径よりも大きな第２直径と第１入射強度よりも小さな第２入射強度を具備した中央スポットを取り囲む光輪と、を含むＸ線ビームを使用し、第１照射位置においてサンプルを照射する段階であって、第１照射位置においては、中央スポットは、サンプルの表面上の特徴部に入射しており、特徴部は、第２直径よりも小さな第３直径を具備している、段階と、第１照射位置においてＸ線ビームに応答してサンプルから放射されるＸ線の第１放射強度を計測する段階と、中央スポットが特徴部から外れた状態に変位する第２照射位置においてＸ線ビームがサンプルを照射するように、サンプル及びＸ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせる段階と、第２照射位置においてＸ線ビームに応答してサンプルから放射されるＸ線の第２放射強度を計測する段階と、特徴部の特性を判定するべく、第１及び第２放射強度を比較する段階を含んでいる。

いくつかの実施例においては、第１及び第２放射強度を計測する段階は、サンプルから放射される蛍光Ｘ線を計測する段階を含んでいる。通常、蛍光Ｘ線を計測する段階は、サンプル内の所与の元素の特性を示す選択されたＸ線輝線における蛍光Ｘ線を計測する段階を含んでおり、第１及び第２放射強度を比較する段階は、特徴部内部の所与の元素の濃度を判定する段階を含んでいる。開示された実施例においては、特徴部は、第１及び第２元素を含んでおり、蛍光Ｘ線を計測する段階は、第１及び第２元素の特性をそれぞれ示す第１及び第２Ｘ線輝線における放射強度を計測する段階を含んでおり、濃度を判定する段階は、特徴部内部の第１元素の濃度を判定するべく第１及び第２放射強度の比率を演算する段階を含んでいる。

いくつかの実施例においては、サンプルは、半導体ウエハを含んでおり、特徴部は、半導体ウエハの表面上に形成された複数のバンプの中の１つのバンプを含んでおり、光輪がバンプの中の複数のものを同時に照射する。開示された実施例においては、サンプル及びＸ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせる段階は、中央スポットがバンプの中の２つのものの間の場所において半導体ウエハ上に入射するように、サンプル及びＸ線ビームの中の１つ又は複数のものを変位させる段階を含んでいる。更には、又は、この代わりに、本方法は、バンプの高さを計測する段階を含んでおり、この場合に、第１及び第２放射強度を比較する段階は、バンプの組成を判定する際に、強度と共に、計測された高さを使用する段階を含んでいる。通常、バンプは、第１及び第２金属元素を含んでおり、第１及び第２放射強度を比較する段階は、第２金属元素に対する第１金属元素の相対濃度を判定する段階を含んでいる。

又、本発明の一実施例によれば、検査装置が提供されており、この装置は、第１直径及び第１入射強度を具備した中央スポットと、第１直径よりも大きな第２直径と第１入射強度よりも小さな第２入射強度を具備した中央スポットを取り囲む光輪と、を含むＸ線ビームによってサンプルを照射するべく構成されたＸ線源と、中央スポットがサンプルの表面上の特徴部に入射し、特徴部が第２直径よりも小さな第３直径を具備している第１照射位置及び中央スポットが特徴部から外れた状態に変位する第２照射位置においてＸ線源がサンプルを照射するように、Ｘ線源及びサンプルの中の１つ又は複数のものを移動させるべく結合されたモーションアセンブリと、第１照射位置においてＸ線ビームに応答してサンプルから放射されたＸ線の第１放射強度と、第２照射位置においてＸ線ビームに応答してサンプルから放射されたＸ線の第２放射強度と、を計測するべく構成された検出器アセンブリと、特徴部の特性を判定するために第１及び第２放射強度を比較するべく構成されたプロセッサと、を含んでいる。

開示された実施例においては、Ｘ線源は、Ｘ線管と、Ｘ線管によって放射された放射線を受光及び合焦するべく構成された１つ又は複数のキャピラリーと、を含んでいる。

本発明の一実施例によれば、検査方法が更に提供されており、この方法は、サンプルの表面上においてスポットを画定するべく合焦されるＸ線ビームを使用してサンプルを照射する段階と、表面上の特徴部を横断するスキャン経路に沿ってスポットをスキャンするべくサンプル及びＸ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせる段階と、スポットがそれぞれ異なった程度で特徴部と重なるスキャン経路に沿った複数の場所においてＸ線ビームに応答してサンプルから放射される蛍光Ｘ線の個々の強度を計測する段階と、スキャン経路上における放射蛍光Ｘ線の強度の修正された値を演算するべく、複数の場所において計測された強度を処理する段階と、修正された値に基づいて特徴部の厚さを推定する段階と、を含んでいる。

開示された実施例においては、修正された値は、スキャン経路上における放射蛍光Ｘ線の最大値である。強度を処理する段階は、場所の関数として計測された個々の強度に対して曲線をフィッティングする段階を包含可能である。

いくつかの実施例においては、サンプルは、その上部にスクライブラインが画定された半導体ウエハを含んでおり、この場合に、特徴部は、スクライブライン内においてウエハ上に形成された金属試験ターゲットを含んでおり、この場合に、サンプル及びＸ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせる段階は、スクライブラインを横断してスポットをスキャンする段階を含んでいる。サンプル及びＸ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせる段階は、スクライブラインを横断してスポットをスキャンする段階の前にＸ線ビームをウエハとアライメントさせる段階と、スクライブラインを横断してスポットをスキャンする際に試験ターゲットに対するＸ線ビームのアライメントの調節を停止する段階と、を包含可能である。

一実施例においては、サンプル及びＸ線ビームの中の少なくとも１つをシフトする段階は、２次元スキャンパターンにおいて特徴部を横断してスポットをスキャンする段階を含んでいる。更には、又は、この代わりに、サンプル及びＸ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせる段階は、Ｘ線ビームの焦点深度を変更する段階を含んでおり、個々の強度を計測する段階は、複数の異なる焦点深度において個々の強度を判定する段階を含んでいる。

本発明の一実施例によれば、検査装置が更に提供されており、この装置は、サンプルの表面上においてスポットを画定するべく合焦されるＸ線ビームによってサンプルを照射するべく構成されたＸ線源と、表面上の特徴部を横断するスキャン経路に沿ってスポットをスキャンするためにサンプル及びＸ線源の中の少なくとも１つをシフトさせるべく結合されたモーションアセンブリと、スポットがそれぞれ異なった程度で特徴部と重なるスキャン経路に沿った複数の場所においてＸ線ビームに応答してサンプルから放射された蛍光Ｘ線の個々の強度を計測するべく構成された検出器アセンブリと、スキャン経路上における放射蛍光Ｘ線の強度の修正された値を演算するべく複数の場所において計測された強度を処理すると共に、修正された値に基づいて特徴部の厚さを推定するべく構成されたプロセッサと、を含んでいる。
本発明については、添付図面との関連において、その実施例に関する以下の詳細な説明を参照することにより、更に十分に理解することができよう。

本発明の一実施例によるマイクロ蛍光Ｘ線計測システムの概略図である。 Ｘ線ポリキャピラリーオプティクスと、このオプティクスによって基板上に形成されたＸ線スポットの概略側面図である。 本発明の一実施例によるＸ線ビームによって照射された状態における金属バンプがその上部に形成された半導体基板の概略平面図である。 図３Ａに示されている基板及びバンプの概略断面図である。 本発明の一実施例に従って基板上のバンプ内部の金属濃度を計測する方法を概略的に示すフローチャートである。 本発明の一実施例による基板上のターゲット特徴部におけるＸ線ビームのスキャン経路を示す半導体基板の概略平面図である。 本発明の一実施例によるサンプルを照射するＸ線ビームの場所の関数としてのサンプルからの蛍光Ｘ線放射強度の概略プロットである。

（システムの説明）
図１は、本発明の一実施例によるマイクロ蛍光Ｘ線アナライザ２０の概略図である。アナライザ２０の態様については、前述の米国特許第６，１０８，３９８号に詳細に記述されている。アナライザ２０は、ウエハ製造プロセスにおける不良を識別するために、後述する方法を使用して半導体ウエハ２２などのサンプルを検査するべく構成されている。

アナライザ２０は、通常、当技術分野において既知の高電圧電源２６によって駆動されるＸ線管２４などの励起源を有している。Ｘ線管は、適切なエネルギーレンジ及びパワー束（ｐｏｗｅｒ ｆｌｕｘ）を具備したＸ線をＸ線オプティクス２８内に放射している。オプティクスは、例えば、ポリキャピラリーアレイを有することができる。或いは、この代わりに、当技術分野において既知のように、単一キャピラリー又はその他の適切なオプティクスを使用することも可能である。オプティクス２８は、Ｘ線ビームをサンプル２２の表面上の小さな領域３０上に合焦している。照射された領域は、蛍光Ｘ線を放射し、これらの蛍光Ｘ線は、通常、領域３０に向かって傾斜した状態で領域３０の周りに配列された検出器のアレイ３２を有する検出器アセンブリによって採取される。採取された光子に応答し、検出器３２は、電気信号を生成し、これらの電気信号は、信号プロセッサ３４に伝達される。検出器は、任意のタイプのものであってよいが、本発明者らは、高エネルギーＸ線計測の場合には、後述するように、Ｓｉ（Ｌｉ）（リチウム−ドリフトシリコン）検出器が良好な結果を付与することを見出した。

或いは、この代わりに、本明細書に記述されている方法を実装するべく、任意の適切な励起源、電源、合焦オプティクス、及び検出システムを有する当技術分野において既知のその他のタイプの蛍光アナライザを使用することも可能である。

プロセッサ３４は、通常、当技術分野において既知のように、エネルギー分散パルス処理システムを有しており、これは、光子エネルギーの関数として検出器によって採取されたＸ線光子の強度スペクトルを判定している。或いは、この代わりに、波長分散検出及び処理システムを使用することも可能である。Ｘ線管２４からのＸ線によって励起された照射領域内のそれぞれの化学元素は、特徴的なスペクトル線においてＸ線を放射する。所与の元素の特性を示すスペクトル線の強度は、領域３０内のその元素の質量に比例している。従って、プロセッサ３４は、計測した強度スペクトルを使用することにより、領域３０のエリア内のサンプルの又はサンプル上の特徴部の特性、特に、領域内の特徴部の化学的な組成、即ち、特定の１つ又は複数の元素が領域内にどれだけ存在しているのかを判定している。プロセッサ３４は、通常、汎用コンピュータを有しており、これは、適切なソフトウェアの制御下においてこれらの機能を実行している。ソフトウェアは、例えば、ネットワークを介して電子的な形態でプロセッサにダウンロード可能であり、或いは、この代わりに、光学的、磁気的、又は電子的なメモリ媒体などの実体のある媒体上において提供することも可能である。

図１に示されているように、アナライザ２０を使用してウエハ２２上の領域３０を検査する。アナライザ２０は、Ｘ線ビームがウエハ表面上の所望の地点に入射するように、ウエハ及び励起源のいずれか又は両方を移動させるためのモーションアセンブリを有している。一実施例においては、モーションアセンブリは、モーションステージ３５などの移動可能なプラットフォームを有しており、Ｘ線ビームに対してウエハを相対移動できるように、この上部にウエハが取り付けられている。ステージ３５は、通常、ウエハの（Ｘ−Ｙ）プレーン内におけるウエハ２２の正確な並進運動を実行しており、且つ、ウエハの高さ（Ｚ）を調節することも可能である。或いは、この代わりに、ウエハを適切な固定された取付具に取り付けると共に、Ｘ線管２４、オプティクス２８、及び検出器３２の中の１つ又は複数のものを移動させることにより、Ｘ線ビームがウエハをスキャンするようにすることも可能である。

アナライザ２０は、反射、回折、及び／又は小角度散乱などのその他のメカニズムに起因してウエハ２２から放射されたＸ線を採取及び処理するべく更に構成することも可能である。この種の多機能システムについては、例えば、米国特許第６，３８１，３０３号及び第６，８９５，０７５号、並びに、米国特許出願公開第２００６／００６２３５１号に記述されており、これらの内容は、本引用により、本明細書に包含される。

図２は、Ｘ線オプティクス２８と領域３０の概略側面図である。オプティクス２８は、ハウジング４２内にモノリシックなポリキャピラリーアレイ４０を有している。この種のオプティクスは、例えば、Ｘ−Ｒａｙ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｉｎｃ．（Ａｌｂａｎｙ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）社から入手可能である。軟Ｘ線領域においては、アレイ４０内のガラスキャピラリーは、Ｘ線が、通常は直径が約２０μｍである小さなスポット４４に合焦されるように、Ｘ線管２４からのＸ線を効果的に閉じ込めて導波している。しかしながら、Ｘ線エネルギーの増大に伴って、１５〜２０ｋｅＶ以上においては、多少のＸ線がキャピラリーから逃避し、直径が約１ｍｍの光輪４６をスポット４４の周りに形成することになる（図２及び図３Ａにおいては、表現を簡潔にするべく、スポット４４及び光輪４６の境界は、明瞭なものとして示されているが、実際には、スポット及び光輪は、略ガウスの形状を具備しており、ぼやけた境界を有している。尚、本明細書に引用されている概略直径は、スポット及び光輪の半値全幅（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ：ＦＷＨＭ）を意味している。例えば、２５〜３５ｋｅＶのレンジの実験においては、本発明者らは、オプティクス２８によって伝送されるＸ線エネルギーの約２／３が光輪４６内に逃避することを見出した。換言すれば、高エネルギーレンジにおいては、アナライザ２０内の励起ビームは、相対的に低強度を有する光輪４６によって取り囲まれた相対的に高強度の中央スポット４４を有している。これらの中央スポット及び光輪の両方が、これらがその上部に入射しているウエハ２２上の特徴部からの蛍光Ｘ線の放射を引き起こしているのである。

（高エネルギーＸ線を使用したハンダバンプの評価）
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の一実施例に従ってアナライザ２０のＸ線ビームによって照射されるウエハ２２のエリアの細部を概略的に示している。図３Ａは、平面図であり、図３Ｂは、図３ＡのラインＩＩＩＢ−ＩＩＩＢに沿って取得した断面図である。この例においては、複数のハンダバンプ５０がウエハ上の基板５２上に形成されている。この種のバンプは、一般に、半導体チップを（チップの製造が完了した後に）回路基板に装着する際に使用されている。一般的な製造プロセスにおいては、バンプは、直径が約１５０μｍであり、基板５２の表面上に約８０〜１００μｍだけ突出している。チップの装着対象である回路基板との良好な接着及び電気的な接触のために、バンプ５０は、通常、錫（Ｓｎ）と、数パーセントの銀（Ａｇ）から製造されている。錫バンプ内部における銀のパーセンテージは、限度に近接した状態に維持されることが望ましい。

銀の特性を示すＸＲＦ輝線の強度を錫の輝線の強度と比較することにより、バンプ５０内部の銀の濃度をアナライザ２０内において計測可能であるが、この観点において、いくつかの問題に遭遇することになる。（３ｋｅＶに近接したＡｇＬａ及びＳｎＬａ線近傍などの）軟Ｘ線レンジにおいては、図３Ａに示されているように、オプティクス２８は、Ｘ線エネルギーのほとんどすべてをバンプ５０よりも直径が小さいスポット４４内に合焦する能力を有している。しかしながら、これらのエネルギーは、バンプの金属材料内において強力に吸収され、従って、バンプ表面の下には、１０μｍ未満しか貫通しない。バンプ内部の銀の分布は、深さに伴って均一ではないということが実験的に判明している。従って、Ｌａ線を使用して実行可能な浅い計測は、銀のバルク濃度を正確に表してはいない。

２２．１ｋｅＶにおけるＡｇＫａ線及び２５．２ｋｅＶにおけるＳｎＫａ線などの硬Ｘ線は、バンプ５０の深さ全体を貫通する能力を有しており、従って、銀濃度の正確なバルク計測に使用可能である。しかしながら、この場合には、Ｘ線ビーム内の大部分のエネルギーは、光輪４６にわたって拡散し、スポット４４内に集中するのは、一部（前述のように、約１／３）のみである。従って、図３Ａに示されているスポット構成におけるＡｇＫａとＳｎＫａのＸＲＦ強度の比較は、単一バンプ内の銀濃度を直接的に付与することにはならず、スポット４４と光輪４６のエリア全体における相対的な濃度の加重平均となる。

この種の平均化された計測値を使用することにより、スポット４４及び光輪４６内に位置したバンプ５０のグループ内の実際の平均銀濃度を推定可能である。このために、Ｘ線ビームの強度プロファイルを、対象エネルギーにおけるスポット４４及び光輪４６を横断する半径方向の位置の関数として較正する。スポット及び光輪のエリアにおける銀及び錫濃度のパラメトリックモデルを、ビームプロファイルと、光輪のエリア内に位置しているバンプの実際の既知の場所に基づいて構築する（所与の１つのウエハ又は所与のタイプの複数のウエハ上の複数の同一ダイの同一位置において領域３０の計測を実行する場合には、スポット４４及び光輪４６内におけるバンプの場所は、すべての計測において同一となり、従って、同一モデルを反復的に使用可能である）。次いで、プロセッサ３４は、銀濃度を見出すべく、このモデルのパラメータをＡｇＫａ及びＳｎＫａ輝線（及び／又はその他の線）の計測強度にフィッティングしている。この方法は、高スループットという利点を具備しており、この結果、プロセッサは、単一の計測において、複数のバンプにおける平均金属濃度を判定可能である。

図４は、本発明の一実施例に従って単一バンプ５０内部の銀濃度を計測する方法を概略的に示すフローチャートである。この実施例においては、アライメント段階６０において、プロセッサ３４は、（図３Ａに示されているように）スポット４４が特定のバンプ５０上においてセンタリングされるように、ステージ３５を駆動している。次いで、初期Ｘ線計測段階６２において、プロセッサは、Ｘ線源２４及び検出器３２を作動させ、ＡｇＫａ及びＳｎＫａ線におけるＸＲＦ放射の強度を計測している。或いは、この代わりに、又は、これに加えて、その他の輝線、特に約１００μｍ以上の貫通深度を有する高エネルギー線を使用することも可能である。

次いで、プロセッサ３４は、シフト段階６４において、スポット４４が基板５２上に位置するように、ステージ３５をシフトさせている。図３Ａ及び図３Ｂに示されている前述の例においては、約１００〜１５０μｍのシフトにより、スポットは、中央バンプから外れ、バンプの間の基板のエリアに移動することになる。但し、光輪４６内に位置しているバンプの総数は、大きくは変化しない。プロセッサは、反復計測段階６６において、Ｘ線源及び検出器を作動させ、この新しい位置において段階６２のＸＲＦ強度計測を反復している。この新しい位置においては、計測されたＸＲＦ放射強度に対する光輪４６の寄与度は、段階６２と略同一となるが、スポット４４の寄与度は無視可能である（必要に応じて、光輪の寄与度を更に正確に判定するべく、段階６４及び６６を２つ以上の複数の異なる位置において反復し、計測値を平均化することも可能である）。従って、段階６２及び６６において計測された強度間の差は、段階６２においてスポット４４によって励起されたバンプ５０の部分の強度寄与度に略等しい。

ＡｇＫａ及びＳｎＫａ線は、バンプ５０内部における異なる吸収深度を具備している。従って、対応するＸＲＦ線の計測強度に基づいて所与のバンプ内部の錫に対する銀の相対濃度を正確に計算するには、基板５２上のバンプの高さを考慮することが望ましい。実際には、本発明者らは、バンプの高さが略±１０μｍだけ変化可能であることを見出した。これらの高さの変動を判定及び補償するには、任意選択により、高さ計測段階６８において、段階６２において計測したバンプの高さを計測可能である。

このための１つの可能性は、ＳｎＬａ及びＳｎＫａ線などの異なる貫通深度を具備した２つの異なる線におけるＸＲＦ放射の強度を計測及び比較するという方法である。ＳｎＬａ放射は、バンプの表面近傍において吸収され、従って、バンプの高さの影響を受けにくい。一方、ＳｎＫａ放射は、バンプをすべて貫通し、従って、ＳｎＫａ強度は、バンプの高さに比例している。従って、ＳｎＫａ及びＳｎＬａ放射強度を比較することにより、バンプの高さの尺度が得られることになる。或いは、この代わりに、又は、これに加えて、Ｘ線管上の高電圧を４０〜５０ｋｅＶのレンジにわたって変化させ、ＡｇＫａ／ＳｎＫａ強度比率における変化を観察し、これにより、バンプの高さの別の標識を得ることも可能である。

更には、この代わりに、光学三角測量や当技術分野において既知のその他の方法などの高さを計測するその他の方法を段階６８において使用することも可能である。

プロセッサ３４は、濃度演算段階７０において、段階６２及び６６において実行したＡｇＫａ及びＳｎＫａ計測を使用し、スポット４４によって照射されたバンプ内部の銀濃度を判定している。このために、プロセッサは、前述のように、スポット４４の寄与度を弁別するべく、段階６６において計測したスペクトル線の強度を段階６２において計測したものから減算し、これにより、対象の単一バンプ内部の濃度を判定している。ＡｇＫａ及びＳｎＫａ線の間の強度比率を濃度に変換する際には、プロセッサは、段階６８において計測したバンプの高さを考慮可能である。銀濃度は、第１の原理に基づいて、強度比率及びバンプの高さから導出可能である。或いは、この代わりに、又は、これに加えて、異なる既知の濃度比率のバンプを使用することにより、強度比率と濃度の間の関係を予め較正することも可能である。又、この種の較正を使用することにより、バンプ内部に存在し得る銅などのその他の元素を考慮（し、且つ、必要に応じて、その影響を相殺）することも可能である。

通常、プロセッサ３４は、段階７０において実行した銀濃度計測結果をプロセッサ３４に接続された（図示されてはいない）モニタなどの適切な出力装置を介してユーザーに出力している。ユーザーは、計測された濃度を製造プロセスレシピが必要としているターゲット濃度と比較する。濃度が、予め定義された範囲を超過してターゲットと異なっている場合には、ユーザーは、プロセスパラメータを調節可能である。或いは、この代わりに、又は、これに加えて、アナライザ２０は、バンプ５０の製造に使用される製造ステーションと統合することも可能であり、この結果、プロセッサ３４は、必要に応じて、プロセスパラメータを調節するべく、製造ステーションに制御フィードバックを自動的に付与可能である。

（不完全なビームアライメントによるパッドの厚さの計測）
前述の実施例は、Ｘ線源によって形成されるスポットがウエハ上の対象のターゲット特徴部と正確にアライメントしていることを前提としていた。このようなアライメントは、例えば、米国特許第６，３４５，０８６号又は米国特許第７，０２３，９５４号に記述されているものなどの光学画像生成法を使用することにより、実現可能であり、これらの開示内容は、本引用により、本明細書に包含される。

一方、いくつかのアプリケーションにおいては、光学的な又はその他の手段によるターゲット特徴部上におけるＸ線スポットの正確なアライメントが、望ましくないか、又は実現不可能である。しかしながら、このようなアライメントが欠如した状態においては、Ｘ線スポットは、ターゲット特徴部に部分的にしかオーバーラップしなくなる（又は、まったくオーバーラップしなくなってしまう）。この問題は、Ｘ線スポットの直径がターゲット特徴部の幅と同じレベルである場合に、特に深刻なものとなる。Ｘ線スポットの一部がターゲット特徴部とオーバーラップしなければ、入射Ｘ線エネルギーの一部が「浪費」されることになり、結果的に得られる特徴部からの放射（ＸＲＦ放射など）が、スポットが特徴部と適切にアライメントされている場合よりも相対的に弱いものになる。この弱い放射は、その厚さなどの特徴部の特性の不正確な推定に結び付く。この不完全なアライメントという問題は、後述するように、サンプル表面上におけるＸ線ビームの適切なスキャニング及びスキャン経路に沿った複数の場所における計測放射強度の処理により、克服可能である。

図５は、本発明の一実施例に従って基板上のＸ線ビームによって形成されたスポット８４のスキャン経路８６、８８を示す半導体基板８２の概略平面図である。以前の実施例と同様に、この実施例は、アナライザ２０（図１）を使用して基板８２を照射し、これからのＸＲＦ放射を検出することにより、実現可能である。スキャン経路８６及び８８は、基板上に堆積された金属パッド８０などのターゲット特徴部を横断している。この種の金属パッドは、例えば、半導体ウエハ上における電気的な接触点として使用されており、その金属の厚さが規定のレンジ内にあることが重要である。スキャンは、前述のように、ステージ３５を使用して基板を並進運動させるか、或いは、この代わりに、Ｘ線源、オプティクス、及び検出器をシフトさせることにより、実現可能である。

図５に示されている例においては、パッド８０は、基板８２上においてスクライブライン８９内に形成された試験パッドである。試験パッドは、対象のウエハのダイ内において、機能可能な接触パッドと同時に、且つ、同一のプロセスにより、形成されており、この結果、試験パッドの厚さは、機能可能なパッドの厚さの良好な尺度を付与している。この例においては、スクライブラインの幅は、約５０μｍであると仮定されており、スポット８４は、２０〜３０μｍの直径（半値全幅（ＦＷＨＭ））を有する略ガウスプロファイルを具備している。但し、これらの寸法は、一例として付与されているものに過ぎず、この実施例の原理は、広範な寸法のＸ線ビーム及びこのビームが入射するターゲット特徴部にわたって適用可能である。更には、パッド８０は、図５には、略正方形であるものとして示されているが、実際には、スクライブライン内の特徴部の寸法は、隣接するダイ内の回路の形状によって制約されないため、パッドは、スクライブラインに沿って細長くすることが可能である。或いは、この代わりに、必要な変更を加えることにより、図５を参照して後述する方法をダイエリア内の機能可能なパッドに対して同様に適用することも可能である。

スキャン経路８６及び８８を生成するべく、まず、基板８２をＸ線源２４及びオプティクス２８によって形成された（スポット８４によって表された）ビームの焦点と概略的にアライメントさせる。このアライメントは、例えば、規定の基準マークに基づいた光学的及び／又は機械的なアライメントを使用して実現可能である。次いで、スポット８４が、経路８６と、次いで、経路８８に沿って、スクライブラインを横断してスキャンするように、ステージ３５によって基板を移動させる。通常、スキャンは、経路８８に沿ったＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅとマーキングされた場所などのそれぞれのスキャン経路上における一連の場所のそれぞれにおいて短時間だけ停止する。それぞれの場所において、検出器３２は、パッド８０及び基板８２の周辺領域から放射されたＸＲＦ光子を採取し、この検出器によって生成された結果的に得られた電気信号をプロセッサ３４によって収集及び処理している。プロセッサは、更に後述するように、スキャン経路における放射蛍光Ｘ線の強度の修正された値を演算するべく、異なる場所において計測されたＸＲＦ強度を使用している。

具体的には、プロセッサ３４は、検出器３２からの信号を使用することにより、パッド８０の形成に使用された金属の特性を示すＸＲＦ線における放射光子の数をカウントしている。スポット８４の任意の所与の場所において放射される光子の数は、そのスポット内の金属の量に比例しており、この金属の量は、パッドの厚さと、その所与の場所においてスポットが実際にオーバーラップしているパッドの面積と、に比例している。一般的には、スキャンの際の時間及び労力を節約するべく、ステージ３５は、初期のアライメントに使用された基準点からの推測航法により、スキャン経路に沿って基板８２を並進運動させており、スキャンの際に、パッド８０とスポット８４のアライメントを再チェック又は調節してはいない。従って、スポットがパッドと完全にオーバーラップする時期と、スポットの所与の場所におけるＸＲＦ光子の低カウントが、不十分なパッドの厚さ又はスポットとパッド間の不十分なオーバーラップのいずれに起因したものであるのかを先験的に正確に知ることは不可能である。図５に示されている例においては、経路８６及び８８は、スクライブライン８９に垂直の方向においてパッド８０を横断するものと意図されているが、スキャン軸は、ミスアライメントされている。従って、スポット８４が完全にパッド８０とオーバーラップしているのは、スキャン経路８８上のＣとマーキングされた場所においてのみであり、パッドと完全にオーバーラップするスポットの場所が１つも存在していない経路８６に沿ったスキャンなどのスキャンが存在可能である。

これらの問題点を克服するべく、スポット８４は、パッド８０のエリア上において２次元パターンにおいてスキャン可能である。従って、例えば、スキャン８６及び８８は、恐らくは、更なる平行スキャン経路と共に、平行スキャンラインのラスターパターンの一部を形成可能である。或いは、この代わりに、スパイラルパターンなどのその他の２次元スキャンパターンを使用することも可能である。

別の例として、スポット８４は、恐らくは、４ｘ４グリッドであるポイントの正方形又は矩形のグリッドなどの場所のマトリックスのそれぞれに配置可能である。グリッドポイントにおけるＸＲＦ強度の計測値を適切な関数にフィッティングすることにより、パッドの厚さを判定すると共に、パッドとの関係におけるスポット８４の位置決め誤差を推定可能である。

更に別の例においては、２次元スキャンは、直交する（或いは、さもなければ、平行ではない）一連の１次元スキャンを有することができる。この場合には、まず、スポット８４をＸ軸に沿ってスキャンし、ＸＲＦ強度の最大値とこの最大値と関連付けられた場所を見出すべく、後述するように、プロセッサ３４によって１次元フィットを実行する。次いで、Ｘ軸スキャンにおいて見出された最大値の場所を通過するＹ方向のラインに沿って、スポットをスキャンする。最大値が収束するか、或いは、予め定義された回数のスキャンの実行などのなんらかのその他の基準が満足される時点まで、必要に応じて、Ｙ方向スキャンの最大値の場所を通過するラインに沿って新しいＸ方向スキャンを実行可能である（以下同様）。適切な関数をすべての計測ポイントに対してフィッティングすることにより、パッドの厚さを判定可能である。

更には、この代わりに、又は、これに加えて、基板上におけるＸ線ビームの焦点深度を変化させ、且つ、従って、スポット８４のサイズを変化させるべく、２次元又は高さの変動を含む３次元スキャンパターンにおいて、ステージ３５を駆動することも可能である。２次元のケースについて前述した連続した直交スキャン法を、高さのスキャニングを含むように拡張可能である。基板の上方におけるオプティクス２８の最適な高さにおいて、基板上のスポットのサイズが極小化され、この結果、パッドのエッジを超えた基板上へのスポットの拡散に起因して浪費されるＸ線ビームのエネルギー量を低減することも可能である。

これに加えて、又は、この代わりに、前述のように、パッド８０がスクライブライン８９に沿って細長くなっている場合には、アライメント要件を緩和可能である。この場合には、スクライブラインを横断する概略的にアライメントされた１次元スキャンにより、スポット８４とパッドの間の良好なオーバーラップが結果的に得られる相対的に大きな可能性が存在している。従って、２次元スキャンパターンに対するニーズを除去可能である。更には、１次元スキャンがターゲット特徴部に完全にオーバーラップしていない場合にも、結果的に得られるＸＲＦ計測の精度は、後述する演算方法によって向上することになる。

図６は、本発明の一実施例による基板との関係におけるスポット８４の場所の関数としての基板８２上のパッド８０からの蛍光Ｘ線放射強度の概略プロットである。尚、図６のプロット内のデータは、経路８８に沿ったスキャンにおいて収集されたものと仮定されている。それぞれのデータポイント９０は、スポット８４が図５に示されている対応する場所（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）に入射した際にプロセッサ３４によってカウントされた光子の数を示している。

プロセッサ３４は、曲線９２をデータポイント９０に対してフィッティングしている。スポット８４が略円形の形状であり、パッド８０のエッジが真っ直ぐであることから、曲線９２は、放物線になると予想される。曲線９２の最大値は、パッド８０からの放射蛍光Ｘ線の強度の修正された値を与えており、これは、スポットがパッド上において最適にアライメントされた際に検出器３２から受信されるであろう信号を表している。２次元スキャンの場合には、データは、放物面などの多次元曲線に対してフィッティング可能である。

或いは、この代わりに、プロセッサは、任意のその他の適切なタイプの関数をデータポイントに対してフィッティング可能であり、或いは、当技術分野において既知のその他の演算方法により、適切な修正された値を見出すことも可能である。例えば、所与のポイント（Ｘ，Ｙ）におけるパッドの厚さＴは、次のように、強度関数を積分することによって評価可能である。

この式においては、パッドは、それぞれ、Ｘ及びＹ軸に沿って寸法ａ×ｂを具備していると仮定されており、Ｘ−Ｙ原点は、対象のパッドの左下隅に配置されている。所与の場所（Ｘ₀，Ｙ₀）におけるＸ線スポット強度は、Ｉ（Ｘ，Ｙ）＝Ｓｐｏｔ（Ｘ−Ｘ₀，Ｙ−Ｙ₀）であり、これは、比例定数αと共に、実験的に計測可能である。Ｚ軸についても、類似の関数を計測及び計算可能である。

この修正されたＸＲＦ値に基づいて、プロセッサ３４は、パッド８０内に堆積されている金属の厚さを推定している。厚さが規定の限度外にある場合には、プロセッサは、厚さを補正するべく、プロセスパラメータを自動的に調節可能である。或いは、この代わりに、又は、これに加えて、プロセッサは、厚さの出力読み取り値を提供可能であり、この結果、オペレータは、製造プロセスを監視し、任意の必要な調節を実行可能である。

（結論）
前述の方法は、（半導体ウエハ上の特定タイプの構造内における特定元素の濃度の）特定タイプの計測に関するものであるが、本発明の原理は、サンプルの表面上におけるその他のタイプの微細な特徴部のＸＲＦ計測と、その他のタイプのＸ線放射計測を使用するその他のサンプル特性の判定に、一般的に適用可能である。例えば、前述の方法は、必要な変更を加えることにより、半導体の製造、並びに、地質学、フォレンジクス（ｆｏｒｅｎｓｉｃｓ）、及び考古学などのその他の分析の領域におけるＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｄ、及びＩｎなどのその他の重い元素のマイクロ分析に適用可能である。

従って、前述の実施例は、一例として引用されたものであり、本発明は、以上において図示及び説明された内容に限定されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明の範囲は、以上の説明を参照した際に当業者が想起すると共に、従来技術には開示されていない前述の様々な特徴部の組み合わせ及びサブ組み合わせ、並びに、その変形及び変更を含んでいる。

Claims (8)

1. Ｘ線ビームを使用してサンプルを照射する段階であって、前記Ｘ線ビームは、前記サンプルの表面上においてスポットを画定するべく合焦される、段階と、
   前記表面上の特徴部を横断する複数の非平行スキャンラインを有する２次元スキャンパターンに沿って前記スポットをスキャンするべく、前記サンプル及び前記Ｘ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせる段階と、
   前記スポットがそれぞれ異なった程度で前記特徴部と重なる、前記スキャンパターンに沿った複数の場所において前記Ｘ線ビームに応答して前記サンプルから放射される蛍光Ｘ線の個々の強度を計測する段階であって、前記個々の強度を計測する段階は、前記スキャンパターンの第１のラインに沿った第１の複数の場所において前記Ｘ線ビームに応答して前記サンプルから放射される蛍光Ｘ線の個々の強度を計測するとともに、前記蛍光Ｘ線の強度が最大値を有する前記第１のラインの上の場所を見出すことと、前記第１のラインと非平行であるとともに前記蛍光Ｘ線の強度が最大値を有した前記第１のラインの上の場所を通過する前記スキャンパターンの第２のラインに沿った第２の複数の場所において前記Ｘ線ビームに応答して前記サンプルから放射される蛍光Ｘ線の個々の強度を計測することと、を有する段階と、
   前記スキャンパターン上における前記放射蛍光Ｘ線の強度の修正された値を演算するべく、前記第１の複数の場所及び前記第２の複数の場所において計測された前記強度を処理する段階と、
   前記修正された値に基づいて前記特徴部の厚さを推定する段階と、
   を有する検査方法。
2. 前記修正された値は、前記スキャンパターン上における前記放射蛍光Ｘ線の最大値である請求項１記載の方法。
3. 前記強度を処理する段階は、前記場所の関数として計測された前記個々の強度に対して曲線をフィッティングする段階を有する請求項２記載の方法。
4. 前記強度を処理する段階は、前記特徴部のエリアにわたって強度関数を積分する段階を有する請求項２記載の方法。
5. 前記サンプルは、その上部にスクライブラインが画定された半導体ウエハを有しており、前記特徴部は、前記スクライブライン内において前記ウエハ上に形成された金属試験ターゲットを有しており、前記サンプル及び前記Ｘ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせる段階は、前記スクライブラインを横断して前記スポットをスキャンする段階を有する請求項１記載の方法。
6. 前記サンプル及び前記Ｘ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせる段階は、前記スクライブラインを横断して前記スポットをスキャンする段階の前に前記Ｘ線ビームを前記ウエハとアライメントさせる段階と、前記スクライブラインを横断して前記スポットをスキャンする際に前記試験ターゲットに対する前記Ｘ線ビームのアライメントの調節を停止する段階と、を有している請求項５記載の方法。
7. 前記サンプル及び前記Ｘ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせる段階は、前記Ｘ線ビームの焦点深度を変更する段階を有しており、前記個々の強度を計測する段階は、複数の異なる焦点深度において前記個々の強度を判定する段階を有する請求項１記載の方法。
8. サンプルの表面上においてスポットを画定するべく合焦されるＸ線ビームによって前記サンプルを照射するべく構成されたＸ線源と、
   前記表面上の特徴部を横断する複数の非平行スキャンラインを有する２次元スキャンパターンに沿って前記スポットをスキャンするべく前記サンプル及び前記Ｘ線ビームの中の少なくとも１つをシフトさせるべく結合されたモーションアセンブリと、
   前記スポットがそれぞれ異なった程度で前記特徴部と重なる、前記スキャンパターンに沿った複数の場所において前記Ｘ線ビームに応答して前記サンプルから放射される蛍光Ｘ線の個々の強度を計測するべく構成された検出器アセンブリと、
   前記蛍光Ｘ線の強度が最大値を有する前記スキャンパターンの第１のラインの上の場所を見出し、前記第１のラインと非平行であるとともに前記蛍光Ｘ線の強度が最大値を有した前記第１のラインの上の場所を通過する前記スキャンパターンの第２のラインに沿って前記スポットを前記モーションアセンブリによってスキャンさせ、前記スキャンパターン上における前記放射蛍光Ｘ線の強度の修正された値を演算するべく前記スキャンパターンの前記第１のライン及び前記第２のラインに沿った前記複数の場所において計測された前記強度を処理し、かつ、前記修正された値に基づいて前記特徴部の厚さを推定するべく構成されたプロセッサと、
   を有する検査装置。

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