JP6864888B2 - Ｘ線検査装置、ｘ線薄膜検査方法およびロッキングカーブ測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体製造分野等、基板上に多数の薄膜を積層した多層膜構造の素子を製造する技術分野に好適なＸ線検査装置とその方法に関する。

半導体等、基板上に多数の薄膜を積層した多層膜構造の素子は、成膜する薄膜の膜厚、密度、結晶性などの状態によって特性が変化する。近年、これらの素子の微細化・集積化が進み、その傾向は顕著になってきている。このため、成膜した薄膜の状態を、正確に測定できる薄膜検査装置が求められている。

この種の検査装置として、従来より断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による直接計測や、光干渉やエリプソメトリを利用した膜厚検査装置や、光音響式装置などが知られている。断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、インライン製造工程に組み込みリアルタイムに検査対象の薄膜を検査することができず、しかも検査用に製造ラインから抜き取った製品は、検査後に廃棄されているのが実情であった。また、光干渉やエリプソメトリを利用した膜厚検査装置や、光音響式装置はインラインには適するが、数ｎｍの薄い膜の測定には精度が不足している。

半導体デバイスメーカーにとっては、使い捨てにされる検査用ウエーハ（ブランケットウエーハ）が、コスト面で大きな負担となっている。特に、近年では半導体ウエーハの大口径化が進展しており、一枚のブランケットウエーハにかかるコストも高価格化してきている。

本出願人は、このような事情に鑑み、成膜製品の製造工程に組み込み、製品そのものを直接検査し、ウエーハを使い捨てることなく数ｎｍの薄い膜でも充分な精度で検査可能とするＸ線薄膜検査装置を、先に提案した（特許文献１を参照）。

特開２００６−１５３７６７号公報 特開２０１３−２１０３７７号公報 国際公開ＷＯ２００４／１１４３２５号

X-ray thin-film measurement techniques, VIII. Detectors and series summary/ page8, The Rigaku Journal, 28(1), 2012 Ｘ線回折同時測定装置によるコンビナトリアルエピタキシャル薄膜のハイスループット分析/ Journal of the Vacuum Society of Japan Vol. 54(2011) No. 11 A Convergent Beam, Parallel Detection X-ray Diffraction System for Characterizing Combinatorial Epitaxial Thin Films/ Proc. SPIE 3941, Combinatorial and Composition Spread Techniques in Materials and Device Development, 84 (May 17, 2000); doi:10.1117/12.385416

さらに、今日の先端ＬＳＩ（Large-Scale Integration）の技術分野では、Ｓｉ（シリコン）結晶の上に、Ｇｅ（ゲルマニウム）を添加したＧｅＳｉ（シリコンゲルマニウム）層を薄く成長させ、さらにその上にＳｉ結晶層を設けることにより、Ｓｉの結晶を歪ませて電子の移動度を向上した歪みシリコンと呼ばれる材料が使われることが主流となっている。

また、光デバイスや高速デバイス等の技術分野では、バンドギャップを制御でき、電子移動度が大きいＧａＡｓ（ガリウム砒素）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やＧａＮ（窒化ガリウム）等のＩＩ−ＩＶ族化合物半導体が使用されるようになっている。
そのため、ゲートを構成するＧｅＳｉ薄膜や化合物半導体薄膜の膜厚や組成の分析、さらにはＧｅＳｉ薄膜や化合物半導体薄膜に分布する歪の解析などにも対応できるＸ線検査装置の開発が望まれている。

これらの用途に対応できるＸ線検査装置は、微小な角度単位での回折Ｘ線の強度変化を検出できる極めて高い角度分解能が必要となる。
そこで、本出願人は、先に提案したＸ線薄膜検査装置の改良を重ね、極めて高い角度分解能をも備えたＸ線検査装置の発明を完成させるに至った。

また、昨今は、半導体ウエーハの表面における極めて微小な検査領域に大きな強度のＸ線を照射して薄膜測定を実施することが要請されている。半導体製造工程においては、多数のチップが１枚のウエーハ上に並べて配置され、リソグラフィ技術により同時に加工・製作される。

ここで、チップとチップの間にはスクライブラインと呼ばれる巾約８０マイクロメータ以下の帯状の領域が配置され、デバイス工程が完了後、最後にダイシングによって切り離され、個々のチップに分割される。このスクライブライン上には、検査用の領域が多数配置される。スクライブライン上の限られた面積にしか配置できないため、約５０マイクロメータ平方程度の微小な領域となり、この領域でＸ線検査をできるようにすることが、半導体検査装置として極めて重要である。

そこで、本発明は、極めて高い角度分解能をも備えるとともに、極めて小さな領域に大きな強度のＸ線を集光させ、高精度で測定できるＸ線検査装置の提供を目的とする。
さらに、本発明は、かかるＸ線検査装置を用いた新規のＸ線薄膜検査方法とロッキングカーブ測定方法の提供を目的とする。

すなわち、本発明のＸ線検査装置は、
検査対象の試料を配置する試料台と、
試料台に配置された試料の画像を観察する画像観察手段と、
画像観察手段による試料の画像観察結果に基づき制御され、試料台を水平面上で直交する２方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させる位置決め機構と、
試料台に配置された試料の表面と同一平面内に含まれる回転軸を中心に、当該試料の表面と垂直な仮想平面に沿ってそれぞれ独立して旋回する第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、
第１の旋回部材に搭載され、試料台に配置された試料の表面と同一平面内に設定した検査位置へ特性Ｘ線を集光して照射するＸ線照射ユニットと、
第２の旋回部材に搭載されたＸ線検出器と、
を備えている。

ここで、Ｘ線照射ユニットは、
Ｘ線を発生するＸ線管と、
Ｘ線管から放射されたＸ線を入射し、特定波長の特性Ｘ線のみを取り出すとともに、当該取り出した特性Ｘ線をあらかじめ設定した検査位置へ集光させるＸ線光学素子と、
を含んでいる。

さらに、Ｘ線光学素子は、
試料の表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内で高さが縮小していくように特性Ｘ線を集光する第１のＸ線光学素子と、仮想の垂直面と直交しかつ光軸を含む仮想の平面内で幅が縮小していくように特性Ｘ線を集光する第２のＸ線光学素子と、を含んでいる。

かかる構成の本発明のＸ線検査装置は、Ｘ線管から放射されたＸ線を第１のＸ線光学素子および第２のＸ線光学素子に入射させ、これら第１のＸ線光学素子および第２のＸ線光学素子により入射Ｘ線を単色化して検査位置へ集光させるので、大きな強度の特性Ｘ線を検査位置へ照射することができる。

ここで、第１のＸ線光学素子は、高い結晶性を有する結晶材料で構成することができる。また、第２のＸ線光学素子は、多層膜ミラーで構成することができる。
第１のＸ線光学素子を、高い結晶性を有する結晶材料で構成することにより、その結晶材料から反射してくる特性Ｘ線の発散角度が小さく、よってＸ線検査において高い角度分解能を得ることができる。

上述した本発明のＸ線検査装置において、
第１のＸ線光学素子は、固有のロッキングカーブ幅が０．０６゜以下の結晶材料によって構成することが好ましい。このように高い結晶性を有する結晶材料で構成した第１のＸ線光学素子から取り出された特性Ｘ線を使用することで、Ｘ線検査において０．０６゜以下の高い角度分解能を得ることができる。しかも、かかる構成の第１のＸ線光学素子によれば、例えば、特性Ｘ線の高さ寸法を検査位置で１００マイクロメータ以下、望ましくは５０マイクロメータ以下とすることも可能となる。

また、Ｘ線照射ユニットは、試料の表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内での特性Ｘ線の集光角度を制御する集光角度制御部材を含むことが好ましい。この集光角度制御部材は、例えば、第１のＸ線光学素子で集光されてきた特性Ｘ線を任意の幅だけ透過させるスリットを有するスリット部材により構成することができる。
集光角度制御部材により特性Ｘ線の集光角度を小さくすることで、Ｘ線照射ユニットを構成する光学系の球面収差を低減でき、これによりＸ線の集光面積を小さくすることができる。

Ｘ線照射ユニットは、Ｘ線管、Ｘ線光学素子、およびスリット部材の各構成要素を、第１の旋回部材に搭載して旋回できるユニット本体に内蔵した構成とすることが好ましい。このようにユニット本体に各構成要素をまとめて内蔵することで、第１の旋回部材への据付け作業が容易となり、種々のＸ線検査の態様に容易かつ柔軟に対応することが可能となる。

また、Ｘ線検出器は、１次元Ｘ線検出器又は２次元Ｘ線検出器で構成することが好ましい。
上述したＸ線光学素子により得られた小さな集光角度で高い分解能の集光Ｘ線を、さらに集光角度制御部材によってその集光角度を小さく制限して試料に照射するとともに、試料から反射してきたＸ線を１次元Ｘ線検出器や２次元Ｘ線検出器で検出する構成とすることで、半導体製造ラインを流れる半導体ウエーハに対して迅速かつ高精度なＸ線薄膜検査方法を実行することが可能となる。

次に、本発明のＸ線薄膜検査方法は、
半導体製造ラインを流れる半導体ウエーハを検査対象の試料とし、上述した構成のＸ線検査装置を用いて、半導体ウエーハの表面に成膜された薄膜を検査するためのＸ線薄膜検査方法であって、
半導体ウエーハの表面において画像観察手段により認識できるユニークポイントをあらかじめ設定するとともに、当該ユニークポイントを基準としてＸ線薄膜検査の被測定部位の位置情報を設定し、次の（ａ）〜（ｃ）の工程を含むことを特徴とする。

（ａ） 試料台に配置された半導体ウエーハに対し、その表面に設定されたユニークポイントを画像観察手段により認識する工程。
（ｂ） 画像観察手段により認識されたユニークポイントを基準として、被測定部位の位置情報に基づき、位置決め機構を制御して試料台を移動させ、被測定部位を検査位置に位置決めする工程
（ｃ） Ｘ線照射ユニットから検査位置に特性Ｘ線を集光してＸ線検査を実行する工程

このように本発明のＸ線薄膜検査方法よれば、上述したＸ線薄膜検査方法を用いて、半導体製造ラインを流れる半導体ウエーハに対しインラインで好適なＸ線検査を実行することが可能となる。

次に、本発明のＸ線検査装置は、上述した構成に加え、さらに基板結晶に薄膜結晶をエピタキシャル成長させた試料に対してロッキングカーブ測定方法を実行するロッキングカーブ測定手段を備えることが好ましい。

ここで、ロッキングカーブ測定手段は、次の（i）〜（iv）の操作（工程１〜４）を実行する機能を有している。
（i） 試料に対して、測定対象となる結晶格子面を選定する（工程１）。
（ii） 選定した結晶格子面を対象として、試料における基板結晶のブラッグ角に基づき決定した試料表面に対する角度位置に、Ｘ線照射ユニットとＸ線検出器とを配置する（工程２）。
（iii） Ｘ線照射ユニットからのＸ線を試料表面に照射するとともに、試料から反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、Ｘ線検出器によって検出する（工程３）。
（iv） Ｘ線検出器が検出した回折Ｘ線の反射角度と強度に基づきロッキングカーブを求め、当該ロッキングカーブに関するデータを解析する（工程４）。

また、ロッキングカーブ測定手段は、次の（I）〜（VI）の操作（工程Ａ〜Ｆ）を実行する機能を有した構成とすることもできる。
（I） 試料に対して、２つの等価な非対称反射の結晶格子面を選定する（工程Ａ）。
（II） 選定した一方の結晶格子面を対象として、試料における基板結晶のブラッグ角に基づき決定した試料表面に対する角度位置に、Ｘ線照射ユニットとＸ線検出器とを配置する（工程Ｂ）。
（III） Ｘ線照射ユニットからのＸ線を試料表面に照射するとともに、試料から反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、Ｘ線検出器によって検出する（工程Ｃ）。
（IV） 選定した他方の結晶格子面を対象として、試料における基板結晶のブラッグ角に基づき決定した試料表面に対する角度位置に、Ｘ線照射ユニットとＸ線検出器とを配置する（工程Ｄ）。
（V） Ｘ線照射ユニットからのＸ線を試料表面に照射するとともに、試料から反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、Ｘ線検出器によって検出する（工程Ｅ）。
（VI） Ｘ線検出器が検出した回折Ｘ線の反射角度と強度に基づきロッキングカーブを求め、当該ロッキングカーブに関するデータを解析する（工程Ｆ）。

さらに、ロッキングカーブ測定手段は、上記（VI）の操作において、さらに次の（VI-I）〜（VI-IV）の操作（工程Ｆ−１〜Ｆ−４）を実行する機能を有した構成とすることもできる。
（VI-I） 試料の基板結晶での回折ピークと、当該試料の薄膜結晶での２つの等価な非対称反射の回折ピークとの角度差を求める（工程Ｆ−１）。
（VI-II） 上記（VI-I）の操作で求めた回折ピークの角度差から、試料の薄膜結晶についての格子定数を算出する（工程Ｆ−２）。
（VI-III） 試料の薄膜結晶についての既知の弾性定数と算出した格子定数から、薄膜結晶の歪み、薄膜結晶の応力が開放された状態での格子定数、薄膜結晶の組成及び薄膜結晶の応力の少なくとも一つを算出する（工程Ｆ−３）。
（VI-IV） 上記（VI-III）の操作で得られた算出結果を出力する（工程Ｆ−４）。

ここで、上記操作（iii）や操作（V）においては、
Ｘ線照射ユニットから試料表面に照射するＸ線を、集光角度制御部材により２゜以上の集光角度に設定し、当該２゜以上の角度範囲のＸ線を試料の表面に照射し、
且つ、Ｘ線検出器は、１次元Ｘ線検出器又は２次元Ｘ線検出器で構成し、試料から反射してくる回折Ｘ線を当該Ｘ線検出器に入射させて、当該回折Ｘ線の反射角度と強度を検出する構成とすることが好ましい。

また、Ｘ線照射ユニットを、試料の表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内で揺動させて、試料表面にＸ線を照射する構成とすることもできる。
Ｘ線照射ユニットから出射した集光Ｘ線が、すべての角度範囲で均一な強度であれば問題ないが、実際には僅かながらも強度が不均一となることは否めない。そこで、Ｘ線照射ユニットを揺動させることで、入射角度に対するＸ線強度分布を均一化させ、高精度なロッキングカーブ測定方法を実現することができる。

さらに、Ｘ線検出器と、Ｘ線照射ユニットを、試料の表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内で連動して走査させ、ＴＤＩ（Time Delay Integration）モードによる走査方式に基づき、試料から反射してくる回折Ｘ線を測定する構成とすることもできる。
このように大きな角度範囲でＸ線照射ユニットとＸ線検出器とを連動して走査させることで、Ｘ線照射ユニットから出射した集光Ｘ線の入射角度に対する強度分布が大きい場合や、基板結晶からの回折Ｘ線のピーク角度と、薄膜結晶からの回折Ｘ線のピーク角度が大きく離れている場合であっても、試料へ照射するＸ線の強度を均一化させ、高精度なロッキングカーブ測定方法を実現することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の全体構造を示す斜視図である。 図２Ａは、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の全体構造を示す正面図である。図２Ｂは試料台をχ軸中心に揺動させる機構を付加した構造例を模式的に示す側面図である。 図３Ａは、本発明の実施形態に係るＸ線照射ユニットの構成を模式的に示す正面図である。図３Ｂは、同じく底面図である。 図３Ａおよび図３Ｂに示したＸ線照射ユニットの斜視図である。 図５Ａは、図３Ａ，図３Ｂおよび図４に示したＸ線照射ユニットに含まれる第１のＸ線光学素子と第２のＸ線光学素子を拡大して示す正面図である。図５Ｂは、同じく底面図である。 図６Ａは、Ｘ線照射ユニットから半導体ウエーハの検査面に照射したＸ線の軌道と、当該検査面から反射してＸ線検出器に入射する回折Ｘ線の軌道とを模式的に示す正面図である。図６Ｂは、図６Ａの「検査位置ｆ」部分を拡大して示す平面図である。 図７は、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の制御系を示すブロック図である。 図８は、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の制御フローチャートである。 図９Ａは、従来のロッキングカーブ測定方法の概要を示す模式図、図９Ｂは、ロッキングカーブの一例を示す図である。 図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置に組み込まれたロッキングカーブ測定手段によるロッキングカーブ測定方法の概要を示す模式図である。 図１１は、ロッキングカーブ測定手段によるロッキングカーブ測定方法の実施手順を示すフローチャートである。 図１２は、Ｘ線検出器によって検出した回折Ｘ線のロッキングカーブを示す図である。 図１３は、Ｓｉ基板結晶の表面にＧｅＳｉ薄膜結晶をエピタキシャル成長させたときの結晶格子の状態を模式的に示す図である。 図１４Ａ，図１４Ｂ，図１４Ｃは、Ｘ線照射ユニットを揺動してロッキングカーブ測定方法を実施する構成を示す模式図である。 図１５Ａ，図１５Ｂ，図１５Ｃは、Ｘ線照射ユニットとＸ線検出器をそれぞれ走査してロッキングカーブ測定方法を実施する構成を示す模式図である。 図１６は、ＴＤＩモードによるＸ線検出器の走査方式を示す模式図である。 図１７は、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置に組み込まれた逆格子マップ測定手段による逆格子マップ測定方法の概要を示す模式図である。 図１８は、逆格子マップの一例を示す図である。 図１９は、図１８の逆格子マップを座標変換して示す図である。

１０：試料台、２０：位置決め機構、３０：ゴニオメータ、３１：ゴニオメータ本体、３２：第１の旋回アーム、３３：第２の旋回アーム、４０：Ｘ線照射ユニット、４１：Ｘ線管、４２：第１のＸ線光学素子、４３：第２のＸ線光学素子、４４：集光スリット、５０：Ｘ線検出器、６０：光学顕微鏡、１００：中央処理装置、１０１：ＸＧコントローラ、１０２：画像認識回路、１０３：フォーカスコントローラ、１０４：位置決めコントローラ、１０６：ゴニオコントローラ、１０７：計数制御回路、１１０：記憶部、２０１：操作部、２０２：表示部、２０３：通信部

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔Ｘ線検査装置の基本構成〕
図１はＸ線検査装置の全体構造を示す斜視図、図２Ａは同装置の正面図である。
Ｘ線検査装置は、試料台１０、位置決め機構２０、ゴニオメータ３０、Ｘ線照射ユニット４０、Ｘ線検出器５０、ＣＣＤカメラ等からなる光学顕微鏡６０を備えている。

試料台１０の上面には、検査対象となる半導体ウエーハ（試料）が配置され、位置決め機構２０によって駆動される。位置決め機構２０は、水平面内の直角２方向（Ｘ，Ｙ方向）へ移動自在な水平移動機構と、水平面と直交する上下方向（Ｚ方向）へ移動自在な昇降機構と、面内回転機構とを含み、試料台１０をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるとともに面内回転させて、その上面に配置された半導体ウエーハにおける任意の被測定部位を、照射Ｘ線の集光位置へ所定の向きに位置決めする機能を有している。

ゴニオメータ３０は、ゴニオメータ本体３１に、第１，第２の旋回アーム（旋回部材）３２，３３を搭載している。各旋回アーム３２，３３は、図２Ａの紙面に垂直な軸（θ_Ｓ軸、θ_Ｄ軸）を中心に、試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する。ここで、第１の旋回アーム３２の水平位置からの旋回角度をθ_Ｓ、第２の旋回アーム３３の水平位置からの旋回角度をθ_Ｄとして、各旋回アーム３２，３３を旋回駆動させる。
θ_Ｓ軸を中心に旋回する第１の旋回アーム３２には、Ｘ線照射ユニット４０が搭載してある。また、θ_Ｄ軸を中心に旋回する第２の旋回アーム３３にはＸ線検出器５０が搭載してある。

Ｘ線照射ユニット４０は、Ｘ線管から発生したＸ線を、特定の波長の特性Ｘ線に単色化するとともに、一箇所に集光させる機能を有している。
Ｘ線照射ユニット４０からの特性Ｘ線が照射される位置が検査位置となり、試料台１０の上面に配置された試料の被測定部位は、位置決め機構２０によってこの検査位置へ位置決めされる。なお、検査位置は、試料台１０に配置された試料の表面と同一平面内に設定される。

Ｘ線検出器５０は、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）、ロッキングカーブ測定、逆格子マップ測定（ＲＳＭ）などのＸ線薄膜検査に用いられる。Ｘ線反射率測定によれば、膜表面での反射Ｘ線と、膜と基板との界面での反射Ｘ線の干渉を測定して膜厚や密度を導くため、膜厚でオングストロームオーダーの測定精度が得られる。

Ｘ線検出器５０としては、例えば、入射Ｘ線に対するダイナミックレンジの広いアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いることができる。また、１次元Ｘ線検出器や２次元Ｘ線検出器を用いて、ＴＤＩ（Time Delay Integration）モードや、スティル（Still）モードによるＸ線反射率測定、ロッキングカーブ測定、逆格子マップ測定などを実施することもできる。なお、Ｘ線薄膜検査におけるＴＤＩモードとスティルモードについては、上述した非特許文献１に説明が掲載されている。

なお、第２の旋回アーム３３に検出器交換機構を組み込むとともに、ＡＰＤ、１次元Ｘ線検出器、２次元Ｘ線検出器、シンチレーションカウンタなど各種のＸ線検出器を搭載し、検出器交換機構によりＸ線検出器を切り替えて利用できる構成とすることも可能である。

光学顕微鏡６０は、検査位置から水平方向にずらした位置に配置して、Ｘ線照射ユニット４０およびＸ線検出器５０との干渉を回避してある。
試料台１０に配置した試料（例えば、半導体ウエーハ）の被測定部位は、位置決め機構２０により試料台１０を移動させることで、光学顕微鏡６０の下方位置に配置される。そして、この位置から検査位置に向かって水平方向へ移動させることで、試料（例えば、半導体ウエーハ）の被測定部位が検査位置に位置決めされる。

また、Ｘ線検査装置には、図２Ｂに模式的に示すように、試料台１０をχ軸を中心に揺動させるχ軸揺動機構を付加した構成とすることもできる。ここで、χ軸は、試料台１０に載置した試料Ｓの表面上で、θ_Ｓ軸、θ_Ｄ軸と直交する軸（すなわち、図２Ａの左右方向に延びる軸）である。後述する検査位置ｆ上に、これらθ_Ｓ軸、θ_Ｄ軸、χ軸の交点が位置決めされている。
χ軸揺動機構は、湾曲ガイド１１に対して揺動台１２が揺動自在に組み込まれ、図示しない駆動モータからの駆動力をもって、揺動台１２が湾曲ガイド１１に沿って揺動する構成となっている。揺動台１２の上部に設けた試料台１０は、揺動台１２と一体に揺動する。

χ軸揺動機構を付加することで、例えば、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）やＡｌＩｎＮ（窒化アルミニウムインジウム）の薄膜に対して、（０ ０ ２），（１ ０ １）の結晶格子面での対称反射を対象とするロッキングカーブ測定や、（２ ０ ４）の結晶格子面での対称反射を対象とする逆格子マップ測定を実行することが可能となる。また、試料の面内方向の格子方位のばらつき（ツイスト分布）を測定することも可能となる。さらに、インプレーン回折測定とアウトオブプレーン回折測定の双方を実施することが可能となる。

〔Ｘ線照射ユニットの構成例〕
次に、Ｘ線照射ユニットについて、図３〜図６を参照して詳細に説明する。
図３〜図６に示すＸ線照射ユニット４０は、Ｘ線管４１と、第１のＸ線光学素子４２と、第２のＸ線光学素子４３と、集光スリット４４（スリット部材）とを構成要素として含んでいる。これらの各構成要素は、図示しないユニット本体に内蔵されている。ユニット本体は、第１の旋回アーム３２に搭載することができるコンパクトな寸法形状としてある。
なお、集光スリット４４は、図６にのみ表示してあり、図３及び図４では省略してある。

Ｘ線管４１には、例えば、ターゲット上での電子線焦点サイズがφ１００μｍ程度の微小焦点Ｘ線管球を用いることができる。ターゲット材料としては、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などを必要に応じて選択することができる。
特に、ターゲット材料として銅（Ｃｕ）を用いれば、後述する第１，第２のＸ線光学素子４２，４３により、高い角度分解能を有するＣｕ−Ｋα１の特性Ｘ線のみを取り出すことができる。したがって、このＣｕ−Ｋα１の特性Ｘ線を試料に照射することで、良好なスループットでのＸ線薄膜検査が実現可能となる。

第１，第２のＸ線光学素子４２，４３は、Ｘ線管４１から放射されたＸ線ａ１を入射し、特定波長の特性Ｘ線のみを取り出すとともに、当該取り出した特性Ｘ線ａ２を試料台１０に配置された試料の表面上に集光させる機能を有している。

図３〜図５に示すように、第１のＸ線光学素子４２と第２のＸ線光学素子４３は、Ｘ線が入射し且つ特性Ｘ線を反射させる表面（以下、単に「表面」という）４２ａ，４３ａを互いに直交して配置してある。そして、図６Ｂに示すように、これら第１のＸ線光学素子４２と第２のＸ線光学素子４３は、特定波長の特性Ｘ線ａ２を試料台１０に配置された試料の表面上で四角形状の微小スポットとなるように集光する。なお、図６Ｂは、試料（半導体ウエーハ）の表面における特性Ｘ線ａ２が集光する位置を模式的に示した拡大平面図である。

なお、本実施例では、第１のＸ線光学素子４２と第２のＸ線光学素子４３を、互いに１辺が接するSide-by-side方式で配置したが、これに限定されず、Kirkpatrick-Baez(KB)と呼ばれる直列方式で配置することもできる。

試料台１０に配置された試料の表面において、第１，第２のＸ線光学素子４２，４３で反射して取り出された特性Ｘ線が集光する位置が検査位置ｆとなる。このように検査位置ｆへ特性Ｘ線を集光させるために、各Ｘ線光学素子４２，４３の表面４２ａ，４３ａは、凹面状に湾曲して形成してある。

ここで、第１のＸ線光学素子４２は、試料台１０に配置された試料の表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内で高さが縮小していくように、特性Ｘ線ａ２を集光する。以下、高さが縮小していく集光方向を「縦方向」とする。第１のＸ線光学素子４２の表面４２ａは、かかる縦方向に特性Ｘ線を集光するために、上記仮想の垂直面と直交して配置してある。

一方、第２のＸ線光学素子４３は、仮想の垂直面と直交しかつ光軸を含む仮想の平面内で幅が縮小していくように特性Ｘ線ａ２を集光する。以下、幅が縮小していく集光方向を「横方向」とする。第２のＸ線光学素子４３の表面４３ａは、かかる横方向に特性Ｘ線を集光するために、上記仮想の平面と直交して配置してある。

さらに、第１のＸ線光学素子４２は、高い結晶性を有する結晶材料で構成してある。換言すると、第１のＸ線光学素子４２は、固有のロッキングカーブ幅（すなわち、平行ビームを反射することができる角度範囲）が極めて小さい結晶材料によって構成してある。このように固有のロッキングカーブ幅が極めて小さい結晶材料としては、格子欠陥や不純物の極めて少ない完全結晶に相当する結晶材料が該当する。

本実施形態では、固有のロッキングカーブ幅が０．０６゜以下の結晶材料によって構成してある。かかる結晶材料から取り出された特性Ｘ線ａ２を使用することで、Ｘ線薄膜測定において０．０６゜以下の高い角度分解能を得ることができる。
結晶材料としては、例えば、Ｇｅ（１ １ １）やＳｉ（１ １ １）を使用することができる。Ｇｅ（１ １ １）を用いた場合は、０．０６°以下のロッキングカーブ幅が得られる。また、Ｓｉ（１ １ １）を用いた場合は、０．０２°以下のロッキングカーブ幅が得られる。

さらに、第１のＸ線光学素子４２によれば、特性Ｘ線の高さ寸法が検査位置で１００マイクロメータ以下となるように、縦方方向の集光角度を制御することが可能となる。
また、第１のＸ線光学素子４２は、特定波長の特性Ｘ線のみを取り出して単色化する機能を有している。

一方、第２のＸ線光学素子４３は、多層膜ミラーによって構成してある。この第２のＸ線光学素子４３は、特定波長の特性Ｘ線のみを取り出して単色化する機能を有している。ここで、第２のＸ線光学素子４３からは、第１のＸ線光学素子４２で取り出される特性Ｘ線と同じ波長の特性Ｘ線が取り出されるように調整されている。

図５に拡大して示すように、Ｘ線管４１から出射して第２のＸ線光学素子４３の表面４３ａに入射したＸ線ｂ１は、このＸ線光学素子４３で単色化されて反射し、横方向に集光するように進んで、次に第１のＸ線光学素子４２の表面４２ａへ入射する。そして、第１のＸ線光学素子４２の表面４２ａに入射したＸ線ｂ２は、このＸ線光学素子４２でも単色化されて反射し、縦方向に集光するように進んで、図３に示す検査位置ｆへ照射される。

一方、Ｘ線管４１から出射して第１のＸ線光学素子４２の表面４２ａに入射したＸ線ｃ１は、このＸ線光学素子４２で単色化されて反射し、縦方向に集光するように進んで、次に第２のＸ線光学素子４３の表面４３ａへ入射する。そして、第２のＸ線光学素子４３の表面４３ａに入射したＸ線ｃ２は、横方向に集光するように進み、図３に示す検査位置ｆへ照射される。

このように、Ｘ線管４１から出射してきたＸ線ａ１は、第１のＸ線光学素子４２の表面４２ａと第２のＸ線光学素子４３の表面４３ａとでそれぞれ１回ずつ反射し、その過程で特定波長の特性Ｘ線ａ２のみが取り出され、当該特性Ｘ線ａ２が検査位置ｆへ集光する。

なお、上述した特許文献２および特許文献３には、完全結晶とマルチレイヤ光学部品を組み合わせた構成のＸ線ビーム調整システムが開示されている。しかし、これらの文献には、半導体ウエーハを検査対象の試料とするＸ線検査装置に最適化された構成は開示されていない。

集光スリット４４は、第１，第２のＸ線光学素子４２，４３で反射してきた特性Ｘ線ａ２を、上述した縦方向の両側から一部遮蔽するように配置してある。この集光スリット４４は、第１，第２のＸ線光学素子４２，４３で反射してきた集光Ｘ線ａ２の縦方向の集光を制限する機能を有している。

上述した構成のＸ線照射ユニット４０を第１の旋回アーム３２に搭載したＸ線検査装置によれば、第１のＸ線光学素子４２、第２のＸ線光学素子４３および集光スリット４４によってＸ線を微小領域へ集光させることができる。したがって、半導体ウエーハの表面における極めて微小な検査領域にＸ線を照射して薄膜測定を実施することが可能となる。しかも、第１のＸ線光学素子４２は、固有のロッキングカーブ幅が極めて小さい結晶材料によって構成してあるので、かかる結晶材料で取り出された特性Ｘ線ａ２を使用することで、Ｘ線薄膜測定において極めて高い角度分解能を得ることができる。

〔Ｘ線検査装置の制御〕
図７はＸ線検査装置の制御系を示すブロック図である。
Ｘ線照射ユニット４０の制御は、ＸＧコントローラ１０１が実行する。
また、光学顕微鏡６０が捉えた試料の画像は、画像認識回路１０２で画像認識される。これら光学顕微鏡６０と画像認識回路１０２は、試料台１０に配置された試料の画像を観察する画像観察手段を構成している。なお、光学顕微鏡６０の焦点位置はフォーカスコントローラ１０３によって調整される。

位置決めコントローラ１０４は、光学顕微鏡６０で捉えられ、画像認識回路１０２により認識された試料の画像に基づいて位置決め機構２０を駆動制御する。
ゴニオメータ３０は、ゴニオコントローラ１０６によって駆動制御される。
ＸＧコントローラ１０１、画像認識回路１０２、フォーカスコントローラ１０３、位置決めコントローラ１０４、ゴニオコントローラ１０６の各構成部は、中央処理装置（ＣＰＵ）１００から送られてくる設定情報に基づいてそれぞれ作動する。ここで、設定情報は、レシピとして、あらかじめ記憶部１１０に記憶されており、中央処理装置（ＣＰＵ）１００が読み出して上記各構成部に出力する。

Ｘ線検出器５０は、計数制御回路１０７によって制御される。
また、Ｘ線検査装置は、装置の動作に必要な各種設定をオペレータが入力するためのキーボードやマウス等からなる操作部２０１を備えている。さらに、Ｘ線検査装置は、液晶ディスプレイ等で構成された表示部２０２と、ネットワーク経由してのデータ通信を実行する通信部２０３とを備えている。

〔Ｘ線薄膜検査方法の実行手順〕
図８は半導体ウエーハを検査対象としたＸ線薄膜検査方法の実行手順を示すフローチャートである。
記憶部１１０には、Ｘ線薄膜検査を実行するためのソフトウエアがあらかじめ記憶されており、中央処理装置（ＣＰＵ）１００はそのソフトウエアに従い、以下のような処理ステップを実行していく。

試料台１０上に検査対象となる試料である半導体ウエーハを配置した後、まず半導体ウエーハの被測定部位を検査位置へ位置決めする（ステップＳ１）。
ここで、半導体ウエーハの表面には、光学顕微鏡６０からの画像情報により画像認識回路１０２が特定することができるユニークポイントが、レシピとしてあらかじめ記憶部１１０に設定してある。そして、そのユニークポイントを基準として、被測定部位の位置情報がレシピとしてあらかじめ記憶部１１０に設定してある。ユニークポイントとしては、例えば、半導体ウエーハの表面に形成される特徴的なパターン形状など、画像認識回路１０２が判断に迷うことなく認識できる部位を設定する。

画像認識回路１０２は、光学顕微鏡６０からの画像情報により、試料台１０に配置された半導体ウエーハの表面に設定されたユニークポイントを、光学顕微鏡６０からの画像情報により認識して特定する。

次いで、画像認識回路１０２により認識されたユニークポイントを基準として、あらかじめ設定してある被測定部位の位置情報に基づき、位置決めコントローラ１０４が位置決め機構２０を駆動制御する。位置決め機構２０は、水平２方向（Ｘ−Ｙ方向）および高さ方向（Ｚ方向）に試料台１０を移動して、半導体ウエーハの被測定部位を検査位置へ配置する。

上述したように半導体ウエーハの被測定部位を位置決めを実行した後、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）、ロッキングカーブ測定、逆格子マップ測定（ＲＳＭ）のいずれかをもってＸ線検査を実行し（ステップＳ２）、中央処理装置１００が検査データを解析して（ステップＳ３）、解析結果を出力する（ステップＳ４）。
以上の各ステップは半導体ウエーハに設定した被測定部位のすべてについて実行され（ステップＳ５）、すべての被測定部位の検査が終了した後に終了する。

〔ロッキングカーブ測定方法〕
次に、上述した構成のＸ線検査装置を用いたロッキングカーブ測定の方法について詳細に説明する。
ロッキングカーブ測定方法は、例えば、基板結晶にエピタキシャル成長させた薄膜結晶の格子定数を求める分析手法として知られている。

従来から知られているロッキングカーブ測定方法は、図９Ａに示すように、試料Ｓを入射Ｘ線（単色平行Ｘ線）に対して微小角度だけ走査させることで、試料Ｓに対するＸ線の入射角度ωを変化させる。なお、測定対象となる試料Ｓは、例えば、基板結晶Ｓｏに薄膜（結晶）Ｓａをエピタキシャル成長させた半導体ウエーハである。

このように試料Ｓに対するＸ線の入射角度ωを変化させると、入射角度が基板結晶Ｓｏのブラッグ角と一致したときにその基板結晶ＳｏでＸ線が反射（回折）し、一方、入射角度が薄膜（結晶）Ｓａのブラッグ角と一致したときにその薄膜ＳａでＸ線が反射（回折）する。これら基板結晶Ｓｏおよび薄膜Ｓａから反射してきたＸ線をＸ線検出器５０で検出し、Ｘ線の入射角対強度のプロファイルを求めることにより、図９Ｂに示したようなロッキングカーブが得られる。

ロッキングカーブには、基板結晶から反射してきた回折Ｘ線のピーク強度Ｉｏと薄膜から反射してきた回折Ｘ線のピーク強度Ｉｐとがそれぞれ分離して現れる。このうち、基板結晶からの回折Ｘ線のピーク強度Ｉｏが現れるＸ線入射角度（ブラッグ角）が既知であるとすると、その既知のＸ線入射角度と、薄膜からの回折Ｘ線のピーク強度Ｉｐが現れるＸ線入射角度との差Δβにより、相対的に薄膜の格子定数を求めることができる。

本実施形態に係るＸ線検査装置は、Ｘ線照射ユニット４０により高い分解能で微小面積に集光する単色Ｘ線を試料Ｓへ照射できるので、Ｘ線入射角度θ_Ｓを走査することなく、集光角度範囲のＸ線の束を一括して試料Ｓに照射して、短時間でロッキングカーブ測定方法を実施することができる。

一般に、基板結晶に薄膜結晶をエピタキシャル成長させた試料Ｓを対象としてのロッキングカーブ測定方法では、試料表面に対するＸ線の入射角度ωを２゜以上の範囲で変化させている。したがって、Ｘ線照射ユニット４０から試料表面に照射するＸ線は、集光スリット４４により２゜以上の集光角度に設定し、当該２゜以上の角度範囲のＸ線を試料の表面に照射することが好ましい。

〔２つの等価な非対称反射の結晶格子面を対象としたロッキングカーブ測定方法〕
さらに、本実施形態に係るＸ線検査装置には、表面と平行でない２つの等価な結晶格子面（すなわち、非対称反射の結晶格子面）を対象としてロッキングカーブ測定方法を実施する手段が組み込まれている。このロッキングカーブ測定手段は、ソフトウエアとして図７の記憶部１１０に記憶されており、中央処理装置（ＣＰＵ）１００によって実行される。

Ｘ線検査装置に組み込まれたロッキングカーブ測定手段は、例えば、Ｓｉ（シリコン）基板結晶Ｓｏの表面にＧｅＳｉ（シリコンゲルマニウム）薄膜Ｓａをエピタキシャル成長させた半導体ウエーハを試料Ｓとして、Ｓｉ基板結晶ＳｏおよびＧｅＳｉ薄膜Ｓａについて、例えば、（１ １ ５）（-１ -１ ５）の非対称反射の結晶格子面を対象としてそれぞれロッキングカーブ測定方法を実施する。なお、対象とする非対称反射の結晶格子面は、（１ １ ５）（-１ -１ ５）に限定されないことは勿論である。ＧｅＳｉ薄膜ＳａのピークがＳｉ基板結晶Ｓｏのピークに近すぎず、θ_Ｓ、θ_Ｄ＜８５°となるように選定することができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、試料Ｓは試料台１０の上面に水平に配置して固定し、その試料Ｓの表面に対してＸ線照射ユニット４０から所定の入射角度αでＸ線を照射するとともに、試料Ｓの表面から角度βの方向に出射してきた回折Ｘ線をＸ線検出器５０により検出する。このとき、試料Ｓの表面に対する入射角度αおよび出射角度βは、Ｓｉ基板結晶Ｓｏにおける非対称反射の結晶格子面（１ １ ５）（-１ -１ ５）においてＸ線がブラッグ反射する角度に設定する。

このように設定することで、Ｓｉ基板結晶Ｓｏのピーク強度が検出される角度βに対して角度Δβだけずれた方向に、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａにおける非対称反射の結晶格子面（１ １ ５）（-１ -１ ５）から反射してきた回折Ｘ線のピーク強度が検出される。Ｘ線検出器５０は、Ｓｉ基板結晶Ｓｏにおける非対称反射の結晶格子面（１ １ ５）（-１ -１ ５）から反射してくる回折Ｘ線と、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａにおける非対称反射の結晶格子面（１ １ ５）（-１ -１ ５）から反射してくる回折Ｘ線とを一括して検出できる検出可能領域を有した１次元Ｘ線検出器又は２次元Ｘ線検出器を用いる。

１次元Ｘ線検出器又は２次元Ｘ線検出器によれば、試料から反射してくる回折Ｘ線の複数のピーク強度を固定したまま検出することができる。また、１次元Ｘ線検出器又は２次元Ｘ線検出器によれば、ＴＤＩモードによる走査方式をもって、試料から反射してくる回折Ｘ線を測定することも可能となる。

Ｘ線照射ユニット４０は、高い分解能で微小面積に集光する単色Ｘ線を試料Ｓの表面に照射できるので、当該集光角度範囲のＸ線の束を一括して試料Ｓに照射して、ロッキングカーブ測定方法を実施することができる。このため、Ｘ線入射角度θ_Ｓを走査する必要がなく、各非対称反射の結晶格子面（１ １ ５）（-１ -１ ５）に対してそれぞれ１回のＸ線照射で、各非対称反射の結晶格子面（１ １ ５）（-１ -１ ５）を対象としたロッキングカーブを得ることができる。

図１１はロッキングカーブ測定手段によるロッキングカーブ測定方法の実施手順を示すフローチャートである。
中央処理装置１００は、試料台１０に配置された試料Ｓに対して、２つの非対称反射の結晶格子面をあらかじめ選定し（ステップＳ１０）、各非対称反射の結晶格子面に対して、同図の手順に従ってロッキングカーブ測定方法を実施する。

以下、（１ １ ５）（-１ -１ ５）の結晶格子面を選定したものとして具体的な実施手順を説明する。
まず一方の非対称反射の結晶格子面（１ １ ５）を対象として、Ｓｉ基板結晶Ｓｏのブラッグ角に基づき決定した試料Ｓの表面に対する角度α，βの位置に、Ｘ線照射ユニット４０とＸ線検出器５０を配置する（ステップＳ１１）。

そして、Ｘ線照射ユニット４０からＸ線を試料Ｓの表面に一定時間照射するとともに、試料Ｓから反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、Ｘ線検出器５０によって検出する（ステップＳ１２）。ここで、試料Ｓから反射してきた回折Ｘ線には、Ｓｉ基板結晶Ｓｏの結晶格子面（１ １ ５）から反射してきた回折Ｘ線と、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの結晶格子面（１ １ ５）から反射してきた回折Ｘ線とが含まれている。

次に、他方の非対称反射の結晶格子面（-１ -１ ５）を対象として、Ｓｉ基板結晶Ｓｏのブラッグ角に基づき決定した試料Ｓの表面に対する角度α，βの位置に、Ｘ線照射ユニット４０とＸ線検出器５０を配置する（ステップＳ１３）。

そして、Ｘ線照射ユニット４０からＸ線を試料Ｓの表面に一定時間照射するとともに、試料Ｓから反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、Ｘ線検出器５０によって検出する（ステップＳ１４）。ここで、試料Ｓから反射してきた回折Ｘ線には、Ｓｉ基板結晶Ｓｏの結晶格子面（-１ -１ ５）から反射してきた回折Ｘ線と、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの結晶格子面（-１ -１ ５）から反射してきた回折Ｘ線とが含まれている。

図１２はＸ線検出器によって検出した回折Ｘ線のロッキングカーブを示す図である。
同図に示すロッキングカーブは、縦軸を回折Ｘ線の強度、横軸を回折Ｘ線の反射角度に設定して、Ｘ線検出器５０による回折Ｘ線の検出データを表示したものである。なお、回折Ｘ線の反射角度（横軸）は、Ｓｉ基板結晶Ｓｏの結晶格子面（１ １ ５）（-１ -１ ５）のそれぞれから反射してきた回折Ｘ線のピーク強度Ｉsiが現れる角度を原点０に設定してある。Ｓｉ基板結晶Ｓｏにはひずみが無いので、同じ角度位置に結晶格子面（１ １ ５）（-１ -１ ５）のそれぞれから反射してきた回折Ｘ線のピーク強度Ｉsiが現れる。

中央処理装置１００は、ロッキングカーブ測定方法により得られたデータを解析して、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの格子定数（ａ、ｃ）を算出し、さらに算出した格子定数（ａ、ｃ）から必要に応じてＧｅＳｉ薄膜Ｓａのひずみ量や内部応力等を求める（ステップＳ１５）。

すなわち、結晶格子面（１ １ ５）から反射してきた回折Ｘ線を観察すると、Ｓｉ基板結晶Ｓｏから反射してきた回折Ｘ線のピーク強度ＩsiからΔβ_{（１ １ ５）}だけずれた角度に、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａから反射してきた回折Ｘ線のピーク強度Ｉgeが現れていることがわかる。
同様に、結晶格子面（-１ -１ ５）から反射してきた回折Ｘ線を観察すると、Ｓｉ基板結晶Ｓｏから反射してきた回折Ｘ線のピーク強度ＩsiからΔβ_{（-１ -１ ５）}だけずれた角度に、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａから反射してきた回折Ｘ線のピーク強度Ｉgeが現れていることがわかる。
なお、Δβ_{（１ １ ５）}とΔβ_{（-１ -１ ５）}との間にずれ角度が生じるのは、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａに歪みが生じていることを示している。

これらＧｅＳｉ薄膜Ｓａから反射してきた回折Ｘ線のピーク強度Ｉgeが現れる角度のずれΔβ_{（１ １ ５）}、Δβ_{（-１ -１ ５）}からＧｅＳｉ薄膜Ｓａの面内の格子定数ａ及び法線方向の格子定数ｃを算出することができる。

〔ロッキングカーブ測定方法で得られたデータの解析〕
本来、ＳｉとＧｅＳｉは同じ立方晶系であるので、それぞれの結晶格子面（１ １ ５）や（-１ -１ ５）は平行のはずである。しかし、図１３に示すように、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの面内方向における結晶格子が、Ｓｉ基板結晶Ｓｏに拘束されてない状態（Ｒ−Ｓａ）に対して、Ｓｉ基板結晶Ｓｏに拘束され結晶格子が縮んだ状態（Ｓ−Ｓａ）となると、その影響で法線方向に結晶格子が伸び、両者の結晶格子面（１ １ ５）や（-１ -１ ５）の間に偏差角Δχが生じる。

また、ＳｉとＧｅＳｉそれぞれの格子面間隔の違いによるブラッグ角の差をΔθとすると、ロッキングカーブ測定方法により求められたＳｉ基板結晶Ｓｏからの回折ピークと、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａからの回折ピークとの角度差Δβは、それぞれ次式(1)(2)の関係を有する。なお、Δβ_{（1 1 5)}は、Ｓｉ基板結晶Ｓｏの結晶格子面（１ １ ５）からの回折ピークと、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの結晶格子面（１ １ ５）からの回折ピークとの角度差Δβである。また、Δβ_{（-1 -1 5)}は、Ｓｉ基板結晶Ｓｏの結晶格子面（-１ -１ ５）からの回折ピークと、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの結晶格子面（-１ -１ ５）からの回折ピークとの角度差Δβである。

Δβ_{（1 1 5)}＝Δθ−Δχ (1)
Δβ_{（-1 -1 5)}＝Δθ＋Δχ (2)

そして、上式(1)(2)から、次式(3)(4)を得ることができる。
Δθ＝（Δβ_{（1 1 5)}＋Δβ_{（-1 -1 5)}）／２ (3)
Δχ＝−（Δβ_{（1 1 5)}−Δβ_{（-1 -1 5)}）／２ (4)

また、ブラッグの法則から次式(5)を導くことができる。なお、ｄはＧｅＳｉ薄膜Ｓａの結晶格子面（１ １ ５）に関する格子面間隔、λは入射Ｘ線の波長、θはＳｉ基板結晶Ｓｏからの回折ピークが現れるブラッグ角である。
２ｄ×ｓｉｎ（θ＋Δθ）＝λ (5)

ここで、θとλは既知の値であるから、上式(5)のΔθに式(3)を代入すると、ｄを求めることができる。

また、ＧｅＳｉの面内の格子定数ａ及び法線方向の格子定数ｃと、格子面間隔ｄとの間には、次式(6)の関係がある。
１／ｄ＝√{(１／ａ)^２＋(１／ａ)^２＋(５／ｃ)^２} (6)
上式(6)において、未知数は格子定数ａとｃである。

一方、格子面の傾きの式は次式(7)(8)であらわされる。なお、χ_０は、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａに歪みがない状態での結晶格子面（１ １ ５）の傾き角度であり、Ｓｉ基板結晶Ｓｏの結晶格子面（１ １ ５）の傾き角度に等しい。
ｃｏｓχ_０＝(０ ０ １)(１ １ ５)／|(０ ０ １)||(１ １ ５)|
＝５／３√(３) (7)
ｔａｎ(χ_０＋Δχ)＝(ｃ／５)／√(２ａ) (8)

上式(8)に、(7)式で得られたχ_０と、(4)式で得られたΔχを代入すれば、未知数は格子定数ａ、ｃの２つとなる。
したがって、上式(6)と(8)の連立方程式を解くことで、ＧｅＳｉの面内の格子定数ａ及び法線方向の格子定数ｃを算出することができる。

なお、ロッキングカーブ測定方法で求めた上記Δβ_{（１ １ ５）}、Δβ_{（-１ -１ ５）}からＧｅＳｉ薄膜Ｓａの格子定数を求める算出式はすでに公知であり、例えば、非特許文献２及び３にも開示されている。

また、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの格子定数ａ、ｃがわかれば、さらにＧｅＳｉ薄膜Ｓａのひずみ量や内部応力の大きさを、当該格子定数ａ、ｃと既知の弾性定数を使って、応力のテンソルの式から算出することができる。さらに、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの中のＧｅ（ゲルマニウム）の濃度やＧｅＳｉ薄膜Ｓａの組成、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの応力が開放された状態での格子定数などを算出することができる。

本実施形態に係るＸ線検査装置は、図７に示す操作部２０１を使用してのオペレータによる設定に従い、ロッキングカーブ測定方法により得られた測定データや、中央処理装置１００により算出した格子定数ａ、ｃ等の解析データを、記憶部１１０に保存するとともに、表示部２０２に表示したり、通信部２０３からネットワークを経由してサーバやホストコンピュータへ送信する機能を備えている。

〔対称反射の１つの結晶格子面を対称としたロッキングカーブ測定方法〕
図１３に示すように、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの面内方向における結晶格子がＳｉ基板結晶Ｓｏに拘束され結晶格子が縮んだ状態（Ｓ−Ｓａ）となっているか、あるいはＧｅＳｉ薄膜Ｓａの面内方向における結晶格子がＳｉ基板結晶Ｓｏに拘束されることなく結晶格子が開放された状態（Ｒ−Ｓａ）となっているかを判別するには、ＧｅＳｉの面内の格子定数ａ及び法線方向の格子定数ｃを未知数として、これを解析する必要がある。そのために、上述したロッキングカーブ測定手段では、２つの等価な非対称反射の結晶格子面を対象として測定を実施した。

一方、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの厚さが薄く、その面内方向における結晶格子がＳｉ基板結晶Ｓｏに拘束され結晶格子が縮んだ状態（Ｓ−Ｓａ）となっていることが明らかな場合は、ＧｅＳｉの面内の格子定数ａは、Ｓｉ基板結晶Ｓｏの面内の格子定数と等しいため、これを算出する必要がなくなる。すなわち、ＧｅＳｉの法線方向の格子定数ｃだけが未知数となる。

このような場合は、上述したように２つの等価な非対称反射の結晶格子面を対象としてロッキングカーブ測定方法を実施する必要がなく、１つの対称反射の結晶格子面を対象としたロッキングカーブ測定方法を実施するだけで、ＧｅＳｉの法線方向の格子定数ｃを算出することができる。

〔ロッキングカーブ測定方法の応用〕
上述したロッキングカーブ測定手段では、Ｘ線照射ユニット４０と、Ｘ線検出器５０とを固定してロッキングカーブ測定方法を実施したが、図１４Ａ〜図１４Ｃに示すように、Ｘ線照射ユニット４０は、試料Ｓの表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内で揺動させて、ロッキングカーブ測定方法を実施する構成とすることもできる。

この場合、Ｘ線照射ユニット４０の揺動範囲は、図１４Ａ〜図１４Ｃに示すように、集光Ｘ線の高角側にある一方の外縁Ｘ_ＯＬ１が、高角側にあるＳｉ基板結晶Ｓｏの回折条件を満たすブラッグ角α_Ｓｉとほぼ一致する揺動角度（図１４Ｂ）から、集光Ｘ線の低角側にある他方の外縁Ｘ_ＯＬ２が、低角側にあるＧｅＳｉ薄膜Ｓａの回折条件を満たすブラッグ角α_ＧｅＳｉとほぼ一致する揺動角度（図１４Ｃ）までとすることが好ましい。
Ｘ線照射ユニット４０を揺動させることで、入射角度に対するＸ線強度分布を均一化させ、高精度なロッキングカーブ測定方法を実現することができる。

さらに、Ｘ線照射ユニット４０とＸ線検出器５０を連動して走査させる構成とすることもできる。
この場合は、Ｘ線検出器５０は、ＴＤＩモードによる走査方式をもって、試料から反射してくる回折Ｘ線を測定する。ＴＤＩモードによる走査方式を採用することで、図１５Ａ〜図１５Ｃに示すように、広い角度範囲で高精度なロッキングカーブ測定方法を実施することが可能となる。例えば、集光Ｘ線の高角側にある一方の外縁Ｘ_ＯＬ１が、低角側にあるＧｅＳｉ薄膜Ｓａの回折条件を満たすブラッグ角α_ＧｅＳｉとほぼ一致する角度（図１５Ｂ）から、集光Ｘ線の低角側にある他方の外縁Ｘ_ＯＬ２が、低角側にあるＳｉ基板結晶Ｓｏの回折条件を満たすブラッグ角α_Ｓｉとほぼ一致する角度（図１５Ｃ）までの広い範囲で走査させることができる。

このように大きな角度範囲でＸ線照射ユニット４０とＸ線検出器５０とを走査させることで、Ｘ線照射ユニット４０から出射した集光Ｘ線の入射角度に対する強度分布が大きい場合や、基板結晶からの回折Ｘ線のピーク角度と、薄膜結晶からの回折Ｘ線のピーク角度が離れている場合であっても、試料Ｓへ照射するＸ線の強度を均一化させ、高精度なロッキングカーブ測定方法を実現することができる。

図１６は、ＴＤＩモードによるＸ線検出器の走査方式を示している。
ＴＤＩモードでは、図１６に示すように、複数の並列配置されたＸ線検出器ａ１、ａ２、ａ３、ａ４を並列方向（図のＱ方向）に走査して、Ｘ線検出器１個分が移動するタイミングｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４で各Ｘ線検出器ａ１、ａ２、ａ３、ａ４から検出データを読み出す。そして、各Ｘ線検出器ａ１、ａ２、ａ３、ａ４の検出データを走査角度２θ_１、２θ_２、２θ_３、２θ_４毎に足し合わせて、各走査角度２θ_１、２θ_２、２θ_３、２θ_４におけるＸ線強度を求める。
一般に、ＴＤＩモードによる測定は、測定の迅速化とともに各走査角度において大きな検出強度が得られる利点を有している。

〔逆格子マップ測定〕
次に、上述した構成のＸ線検査装置を用いた逆格子マップ測定について詳細に説明する。
逆格子マップ測定は、結晶試料における非対称反射の結晶格子面から反射してきた回折Ｘ線の、逆格子空間での強度分布を測定する手法である。この逆格子マップ測定によっても、例えば、基板結晶にエピタキシャル成長させた薄膜結晶の格子定数を求めることができる。

本実施形態に係るＸ線検査装置には、逆格子マップ測定を実施する手段が組み込まれている。この逆格子マップ測定手段は、既述したロッキングカーブ測定手段と同様に、ソフトウエアとして図７の記憶部１１０に記憶されており、中央処理装置（ＣＰＵ）１００によって実行される。

例えば、Ｓｉ基板結晶Ｓｏの表面にＧｅＳｉ薄膜Ｓａをエピタキシャル成長させた半導体ウエーハを試料Ｓとして逆格子マップ測定を実行する場合は、Ｓｉ基板結晶ＳｏおよびＧｅＳｉ薄膜Ｓａにおける非対称反射の結晶格子面を対象として、単色の平行Ｘ線を照射するとともに、当該結晶格子面から反射してくる回折Ｘ線の強度と反射角度をＸ線検出器で検出する。かかるＸ線の照射と回折Ｘ線の検出を、試料Ｓの表面に対するＸ線の入射角度αと回折Ｘ線の検出角度βとを、対象とする結晶格子面においてブラッグ条件を満たすような関係をもって変化させ、微小角度毎に実行していく。

具体的には、図１７に示すように、Ｘ線照射ユニット４０をθ_Ｓの角度方向に移動させながら、Ｘ線検出器５０もθ_Ｄの角度方向に移動させて対象の結晶格子面から反射してきた回折Ｘ線を、微小角度毎に検出していく。

Ｘ線照射ユニット４０は、Ｘ線を集光スリット４４によって大きく絞ることで、単色の平行Ｘ線を作り出すことができる。例えば、Ｘ線の断面積が１／１００程度まで縮小されるように絞ることで、単色の平行Ｘ線に近いＸ線を得ることができる。

Ｘ線検出器５０は、広範囲の二次元Ｘ線回折イメージを観測することができる高速２次元Ｘ線検出器を用いることが好ましい。かかる高速２次元Ｘ線検出器を用いることで、測定時間を大幅に短縮することができる。

このようにして、あらかじめ設定した範囲の入射角度αと回折Ｘ線の反射角度βに関して測定が終了した後、得られた回折Ｘ線の検出データから、逆格子マップを作成する。
図１８は逆格子マップの一例を示している。同図の逆格子マップは、横軸を対象の結晶格子面に対するＸ線の入射角度αとし、縦軸を対象の結晶格子面からの回折Ｘ線の反射角度βとして、Ｘ線検出器５０が検出した回折Ｘ線の逆格子空間での強度分布を表示している。

同図において、ＩsiがＳｉ基板結晶Ｓｏの結晶格子面から反射してきた回折Ｘ線のピーク強度位置であり、ＩgeがＧｅＳｉ薄膜Ｓａの結晶格子面から反射してきた回折Ｘ線のピーク強度位置である。

図１９は図１８の逆格子マップを座標変換したもので、Ｓｉ基板結晶Ｓｏからの回折Ｘ線のピーク強度Ｉsiの位置と、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａからの回折Ｘ線のピーク強度位置Ｉgeの位置とが、同じ横軸Ｑｘの角度位置に配置されている。

そして、この図のＧｅＳｉ薄膜Ｓａからの回折Ｘ線のピーク強度Ｉgeの角度位置Ｑｘge、Ｑｚgeから、ＧｅＳｉ薄膜Ｓａの格子定数（ａ、ｃ）を算出することができる。さらに、算出した格子定数（ａ、ｃ）から必要に応じてＧｅＳｉ薄膜Ｓａのひずみ量や内部応力等を求めることもできる。
Ｑｘ、ＱｚからＧｅＳｉ薄膜Ｓａの格子定数（ａ、ｃ）を求める算出式はすでに公知であるので、詳細な説明は省略する。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形実施や応用実施が可能であることは勿論である。
例えば、上述した実施形態のＸ線検査装置は、半導体製造ラインを流れる半導体ウエーハを検査対象としていたが、これに限らず、例えば、半導体製造ラインの後工程において半導体素子の微小部位を被測定部位としたＸ線検査にも適用することが可能である。

Claims (16)

1. 検査対象の試料を配置する試料台と、
   前記試料台に配置された試料の画像を観察する画像観察手段と、
   前記画像観察手段による前記試料の画像観察結果に基づき制御され、前記試料台を水平面上で直交する２方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させる位置決め機構と、
   前記試料台に配置された試料の表面と同一平面内に含まれる回転軸を中心に、当該試料の表面と垂直な仮想平面に沿ってそれぞれ独立して旋回する第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、
   前記第１の旋回部材に搭載され、前記試料台に配置された試料の表面と同一平面内に設定した検査位置へ特性Ｘ線を集光して照射するＸ線照射ユニットと、
   前記第２の旋回部材に搭載されたＸ線検出器と、
   を備え、
   前記Ｘ線照射ユニットは、
   Ｘ線を発生するＸ線管と、
   前記Ｘ線管から放射されたＸ線を入射し、特定波長の特性Ｘ線のみを取り出すとともに、当該取り出した特性Ｘ線を前記検査位置へ集光させるＸ線光学素子と、を含み、
   さらに前記Ｘ線光学素子は、
   前記試料の表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内で高さが縮小していくように前記特性Ｘ線を集光する第１のＸ線光学素子と、前記仮想の垂直面と直交しかつ光軸を含む仮想の平面内で幅が縮小していくように前記特性Ｘ線を集光する第２のＸ線光学素子と、を含み、
   前記第１のＸ線光学素子は、高い結晶性を有する結晶材料で構成し、
   前記第２のＸ線光学素子は、多層膜ミラーで構成したことを特徴とするＸ線検査装置。
2. 前記第１のＸ線光学素子は、結晶材料を用いて、且つ固有のロッキング幅が０．０６°以下の結晶格子面でＸ線を反射させるように構成したことを特徴とする請求項１のＸ線検査装置。
3. 前記Ｘ線照射ユニットは、前記試料の表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内での前記特性Ｘ線の集光角度を制御する集光角度制御部材を含むことを特徴とした請求項１又は２に記載のＸ線検査装置。
4. 前記集光角度制御部材は、前記第１のＸ線光学素子で集光されてきた特性Ｘ線を任意の幅だけ透過させるスリットを有するスリット部材により構成したことを特徴とする請求項３のＸ線検査装置。
5. 前記Ｘ線照射ユニットは、前記Ｘ線管、前記Ｘ線光学素子、および前記スリット部材の各構成要素を、前記第１の旋回部材に搭載して旋回できるユニット本体に内蔵したことを特徴とする請求項４のＸ線検査装置。
6. 前記Ｘ線検出器は、１次元Ｘ線検出器又は２次元Ｘ線検出器で構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＸ線検査装置
7. 基板結晶に薄膜結晶をエピタキシャル成長させた試料に対してロッキングカーブ測定方法を実行するロッキングカーブ測定手段を備えた請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＸ線検査装置であって、
   前記ロッキングカーブ測定手段は、次の（i）〜（iv）の操作を実行する機能を有していることを特徴とするＸ線検査装置。
   （i） 前記試料に対して、測定対象となる結晶格子面を選定する。
   （ii） 選定した結晶格子面を対象として、前記試料における基板結晶のブラッグ角に基づき決定した試料表面に対する角度位置に、前記Ｘ線照射ユニットと前記Ｘ線検出器とを配置する。
   （iii） 前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線を前記試料表面に照射するとともに、前記試料から反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、前記Ｘ線検出器によって検出する。
   （iv） 前記Ｘ線検出器が検出した回折Ｘ線の反射角度と強度に基づきロッキングカーブを求め、当該ロッキングカーブに関するデータを解析する。
8. 基板結晶に薄膜結晶をエピタキシャル成長させた試料に対してロッキングカーブ測定方法を実行するロッキングカーブ測定手段を備えた請求項１乃至６に記載のＸ線検査装置であって、
   前記ロッキングカーブ測定手段は、次の（I）〜（VI）の操作を実行する機能を有していることを特徴とするＸ線検査装置。
   （I） 前記試料に対して、２つの等価な非対称反射の結晶格子面を選定する。
   （II） 選定した一方の結晶格子面を対象として、前記試料における基板結晶のブラッグ角に基づき決定した試料表面に対する角度位置に、前記Ｘ線照射ユニットと前記Ｘ線検出器とを配置する。
   （III） 前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線を前記試料表面に照射するとともに、前記試料から反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、前記Ｘ線検出器によって検出する。
   （IV） 選定した他方の結晶格子面を対象として、前記試料における基板結晶のブラッグ角に基づき決定した試料表面に対する角度位置に、前記Ｘ線照射ユニットと前記Ｘ線検出器とを配置する。
   （V） 前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線を前記試料表面に照射するとともに、前記試料から反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、前記Ｘ線検出器によって検出する。
   （VI） 前記Ｘ線検出器が検出した回折Ｘ線の反射角度と強度に基づきロッキングカーブを求め、当該ロッキングカーブに関するデータを解析する。
9. 前記ロッキングカーブ測定手段は、前記（VI）の操作において、さらに次の（VI-I）〜（VI-IV）の操作を実行する機能を有していることを特徴とする請求項８のＸ線検査装置。
   （VI-I） 前記試料の基板結晶での回折ピークと、当該試料の薄膜結晶での２つの等価な非対称反射の回折ピークとの角度差を求める。
   （VI-II） 前記（VI-I）の操作で求めた回折ピークの角度差から、前記試料の薄膜結晶についての格子定数を算出する。
   （VI-III） 前記試料の薄膜結晶についての既知の弾性定数と前記算出した格子定数から、薄膜結晶の歪み、薄膜結晶の応力が開放された状態での格子定数、薄膜結晶の組成及び薄膜結晶の応力の少なくとも一つを算出する。
   （VI-IV） 前記（VI-III）の操作で得られた算出結果を出力する。
10. 前記請求項７又は８のＸ線検査装置において、
    前記Ｘ線照射ユニットは、前記試料の表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内での前記特性Ｘ線の集光角度を制御する集光角度制御部材を含み、前記Ｘ線照射ユニットから前記試料表面に照射するＸ線を、前記集光角度制御部材により２゜以上の集光角度に設定し、当該２゜以上の角度範囲のＸ線を前記試料の表面に照射し、
    且つ、前記Ｘ線検出器は、１次元Ｘ線検出器又は２次元Ｘ線検出器で構成し、前記試料から反射してくる回折Ｘ線を当該Ｘ線検出器に入射させて、当該回折Ｘ線の反射角度と強度を検出する構成としたことを特徴とするＸ線検査装置。
11. 請求項１０のＸ線検査装置において、
    前記Ｘ線照射ユニットを、前記試料の表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内で揺動させて、前記試料表面にＸ線を照射する構成としたことを特徴とするＸ線検査装置。
12. 請求項１０のＸ線検査装置において、
    前記Ｘ線検出器と、前記Ｘ線照射ユニットを、前記試料の表面と直交しかつ光軸を含む仮想の垂直面内で連動して走査させ、ＴＤＩモードによる走査方式をもって、前記試料か
    ら反射してくる回折Ｘ線を測定する構成としたことを特徴とするＸ線検査装置。
13. 半導体製造ラインを流れる半導体ウエーハを検査対象の試料とし、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のＸ線検査装置を用いて、前記半導体ウエーハの表面に成膜された薄膜を検査するためのＸ線薄膜検査方法であって、
    半導体ウエーハの表面において前記画像観察手段により認識できるユニークポイントをあらかじめ設定するとともに、当該ユニークポイントを基準としてＸ線薄膜検査の被測定部位の位置情報を設定し、
    次の（ａ）〜（ｃ）の工程を含むことを特徴とするＸ線薄膜検査方法。
    （ａ） 前記試料台に配置された半導体ウエーハに対し、その表面に設定された前記ユニークポイントを前記画像観察手段により認識する工程
    （ｂ） 前記画像観察手段により認識されたユニークポイントを基準として、前記被測定部位の位置情報に基づき、前記位置決め機構を制御して前記試料台を移動させ、前記被測定部位を前記検査位置に位置決めする工程
    （ｃ） 前記Ｘ線照射ユニットから前記検査位置に特性Ｘ線を集光してＸ線検査を実行する工程
14. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＸ線検査装置を用いて、基板結晶に薄膜結晶をエピタキシャル成長させた試料に対してロッキングカーブを測定する方法であって、次の工程１〜工程４を含むことを特徴とするロッキングカーブ測定方法。
    工程１ 前記試料に対して、測定対象となる結晶格子面を選定する。
    工程２ 選定した結晶格子面を対象として、前記試料における基板結晶のブラッグ角に基づき決定した試料表面に対する角度位置に、前記Ｘ線照射ユニットと前記Ｘ線検出器とを配置する。
    工程３ 前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線を前記試料表面に照射するとともに、前記試料から反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、前記Ｘ線検出器によって検出する。
    工程４ 前記Ｘ線検出器が検出した回折Ｘ線の反射角度と強度に基づきロッキングカーブを求め、当該ロッキングカーブに関するデータを解析する。
15. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＸ線検査装置を用いて、基板結晶に薄膜結晶をエピタキシャル成長させた試料に対してロッキングカーブを測定する方法であって、次の工程Ａ〜工程Ｆの工程を含むことを特徴とするロッキングカーブ測定方法。
    工程Ａ 前記試料に対して、２つの等価な非対称反射の結晶格子面を選定する。
    工程Ｂ 選定した一方の結晶格子面を対象として、前記試料における基板結晶のブラッグ角に基づき決定した試料表面に対する角度位置に、前記Ｘ線照射ユニットと前記Ｘ線検出器とを配置する。
    工程Ｃ 前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線を前記試料表面に照射するとともに、前記試料から反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、前記Ｘ線検出器によって検出する。
    工程Ｄ 選定した他方の結晶格子面を対象として、前記試料における基板結晶のブラッグ角に基づき決定した試料表面に対する角度位置に、前記Ｘ線照射ユニットと前記Ｘ線検出器とを配置する。
    工程Ｅ 前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線を前記試料表面に照射するとともに、前記試料から反射してくる回折Ｘ線の反射角度と強度を、前記Ｘ線検出器によって検出する。
    工程Ｆ 前記Ｘ線検出器が検出した回折Ｘ線の反射角度と強度に基づきロッキングカーブを求め、当該ロッキングカーブに関するデータを解析する。
16. 請求項１５のロッキングカーブ測定方法において、前記工程Ｆは、さらに次の工程Ｆ−１〜工程Ｆ−４を含むことを特徴とするロッキングカーブ測定方法。
    工程Ｆ−１ 前記試料の基板結晶での回折ピークと、当該試料の薄膜結晶での２つの等価な非対称反射の回折ピークとの角度差を求める。
    工程Ｆ−２ 前記工程Ｆ−１の操作で求めた回折ピークの角度差から、前記試料の薄膜結晶についての格子定数を算出する。
    工程Ｆ−３ 前記試料の薄膜結晶についての既知の弾性定数と前記算出した格子定数から、薄膜結晶の歪み、薄膜結晶の応力が開放された状態での格子定数、薄膜結晶の組成及び薄膜結晶の応力の少なくとも一つを算出する。
    工程Ｆ−４ 前記工程Ｆ−３で得られた算出結果を出力する。

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