JP7100910B2 - 全反射蛍光ｘ線分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、全反射蛍光Ｘ線分析装置に関する。

試料に含まれる元素を分析する装置として、蛍光Ｘ線分析装置が知られている。蛍光Ｘ線分析装置は、１次Ｘ線を試料に照射し、試料から出射される蛍光Ｘ線の強度とエネルギーに基づいて分析を行う。特に、試料表面の微量汚染等を分析するためには、試料表面に対して全反射臨界角度以下で１次Ｘ線を照射する全反射蛍光Ｘ線分析装置が用いられている。

近年、半導体産業における汚染管理が高度化しており、ごく微量な不純物の混入等を迅速に判定するために、分析感度と分析速度の向上が求められている。分析感度と分析速度を向上するための方法の一つとして、試料の表面に照射される１次Ｘ線の強度を向上する方法がある。

例えば、下記特許文献１には、点光源から出射された１次Ｘ線が凹面を有する人工多層膜格子で集光され、集光された強度の高い１次Ｘ線を試料に照射することが開示されている。

また、下記特許文献２乃至７には、複数の検出器または検出面積の広い検出器を用いて所定の領域から発生する蛍光Ｘ線を測定することにより、単位時間当たりに検出できる蛍光Ｘ線の強度を向上する点が開示されている。

特開平６－８２４００号公報 特開平８－５５８４号公報 米国特許第５７４２６５８号明細書 特開２００１－１６５８７５号公報 特開平９－６１３８２号公報 特開平１１－４０６３２号公報 特許第２９２１９１０号公報

試料から発生する蛍光Ｘ線の強度の総和は、試料に照射される１次Ｘ線の強度および検出面積に依存する。そのため、従来から、特許文献２乃至７のように、検出面積を増やすことにより、検出される蛍光Ｘ線量を増加させるための工夫が成されてきた。これに加え、試料に照射される１次Ｘ線の強度を増大させることによっても、さらに分析感度と分析速度を向上させることは可能である。

しかしながら、上記特許文献１のようにＸ線源が点光源である場合、電子線源、例えばフィラメントに流す電流を増やすと、熱によるフィラメントの蒸発、変形、溶解のおそれがあり、フィラメントの寿命が短くなってしまう。冷陰極型の電子源を用いる場合であっても、流す電流を増やすと寿命が短くなることが知られている。また、電流増加によりターゲットもダメージを受け、さらには溶融する恐れもある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、分析感度が高くかつ分析速度が速い全反射蛍光Ｘ線分析装置を提供することである。

請求項１に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置は、試料表面に平行かつＸ線照射方向に直交する方向の有効幅が前記Ｘ線照射方向の寸法よりも大きい電子線焦点を有するＸ線源と、前記試料表面に平行かつ前記Ｘ線照射方向に直交する方向の有効幅が前記電子線焦点の有効幅よりも大きく、前記Ｘ線照射方向を含む前記試料表面に垂直な面内に、湾曲する断面を有する分光素子と、前記試料表面に向けて前記Ｘ線照射方向に直交する方向に並べて複数配置され、前記分光素子により集光された前記Ｘ線が照射された前記試料から発生する蛍光Ｘ線の強度を測定する検出器と、を有することを特徴とする。

請求項２に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置は、請求項１に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置において、前記試料表面において前記Ｘ線照射方向に直交する方向の前記Ｘ線照射幅が６０ｍｍ以上であることを特徴とする。

請求項３に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置は、請求項１または２に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置において、前記試料表面に平行かつ前記Ｘ線照射方向に直交する方向の前記分光素子の有効幅が３０ｍｍ以上であることを特徴とする。

請求項４に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置において、前記試料表面に平行かつ前記Ｘ線照射方向に直交する方向の前記電子線焦点の有効幅が１５ｍｍ以上であることを特徴とする。

請求項５に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置において、前記試料表面に平行かつ前記Ｘ線照射方向に直交する方向の前記分光素子の反射面の断面が直線であることを特徴とする。

請求項６に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置は、請求項１乃至５のいずれかに記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置において、前記複数の検出器は、特性の異なる検出器を含む、ことを特徴とする。

請求項７に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置は、請求項６に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置において、前記特性は、検出面積、エネルギー分解能、空間分解能、または、エネルギー感度であることを特徴とする。

請求項８に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置は、請求項１乃至７のいずれかに記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置において、前記複数の検出器は、前記Ｘ線照射方向を含む前記試料表面に垂直な面に対して、対称に配置されることを特徴とする。

請求項１乃至８に記載の発明によれば、分析感度が高くかつ分析速度が速い全反射蛍光Ｘ線分析装置を実現できる。

全反射蛍光Ｘ線分析装置の全体構成を概略的に示す図である。 Ｘ線源を模式的に示す図である。 １次Ｘ線の経路を示す図である。 実験結果の一例を示す図である。 実験結果の一例を示す図である。 検出器の配置レイアウトを示す図である。

図１に示すように、全反射蛍光Ｘ線分析装置１００は、シリコン基板などの試料１１０の表面に対して１次Ｘ線を全反射臨界角度以下で照射する。そして、全反射蛍光Ｘ線分析装置１００は、出射される蛍光Ｘ線の強度とエネルギーの関係を表すスペクトルを取得する。全反射蛍光Ｘ線分析装置１００は、当該スペクトルを用いて試料１１０に含まれる元素を分析する。具体的には、例えば、全反射蛍光Ｘ線分析装置１００は、Ｘ線源１０２と、分光素子１０４と、試料台１０６と、検出部１０８と、を含む。

Ｘ線源１０２は、１次Ｘ線を発生させる。以下、発生した１次Ｘ線の照射方向（照射の中心方向）と直交し、試料１１０の表面に平行な方向をｙ軸方向とする。また、試料１１０の表面に平行で、ｙ軸に直交する方向をｘ軸方向とする。さらに、試料１１０の表面に垂直な方向をｚ軸方向とする。例えば図２に示すように、Ｘ線源１０２は、電子線源２０２と、ターゲット２０４と、電源２０８と、を有する。

具体的には、例えばＸ線源１０２が熱陰極型の場合、電子線源２０２はフィラメントであり、電源２０８により負電圧を印加され、電子線２０３を発生させる。ターゲット２０４には電源２０８により正電圧が印加され、電子線源２０２から発生した電子線２０３が照射される。電子線２０３が照射されたターゲット２０４上の電子線焦点２０１から、１次Ｘ線２０５が発生する。ターゲット２０４の材料として、測定元素の吸収端のエネルギーに応じて、励起効率の高い１次Ｘ線を発生する材料が適宜選択される。フィラメント及びターゲット２０４は、真空排気された筐体内部に配置される。当該筐体は必要に応じて開口を有し、開口に１次Ｘ線を透過する材料で形成された膜が張られる。当該膜は、例えばベリリウムで形成される。ただし、使用するＸ線の波長によって、窓材での吸収が問題になる場合は、Ｘ線源１０２と光学素子１０４および試料１１０を同じ真空室に入れ、窓材を省略することもできる。図２に示す例では、ターゲット２０４から発生した１次Ｘ線２０５は適切な取り出し角度で取り出され、分光素子１０４が配置された方向に出射される。

ここで、ターゲット２０４上の電子線焦点２０１は、試料表面に平行かつＸ線照射方向に直交する方向(すなわちｙ軸方向)のＸ線を発生する有効幅がＸ線照射方向の寸法よりも大きい。具体的には、例えば、電子線源２０２がフィラメントの場合、ｙ軸方向を巻き軸の中心軸として、タングステンのワイヤをらせん状に巻いた形状である。ターゲット２０４は、ｘ軸及びｙ軸の寸法がいずれもフィラメントの寸法より大きくなるよう形成され、電子線源２０２から発生した電子線２０３が、例えばｙ軸方向の長さが１５ｍｍの領域に照射される。

分光素子１０４は、試料表面に平行かつＸ線照射方向に直交する方向(すなわちｙ軸方向)のＸ線を分光する有効幅が電子線焦点２０１の有効幅よりも大きく、照射方向に湾曲する面を有する。具体的には、例えば、図３（ａ）及び図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）は、１次Ｘ線の光路を説明するための図であって、試料１１０の上側（すなわちｚ軸方向）から見た図である。図３（ｂ）は、１次Ｘ線の光路を説明するための図であって、試料１１０の側面から（すなわちｙ軸方向に向かって）見た図である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、分光素子１０４は、Ｘ線照射方向を含む試料表面に垂直な面内に、湾曲する断面を有する凹状の湾曲結晶である。当該湾曲面は、ｘｚ平面における楕円の一部であって、当該楕円の一方の焦点がＸ線源１０２であり、他方の焦点が試料１１０上の測定位置である。湾曲した表面には人工多層膜が形成され、多層膜干渉により特定の波長のＸ線のみを反射する。分光素子１０４は、多層膜でなく、ヨハンソン型湾曲結晶や湾曲面がログスパイラル曲線であるログスパイラル型湾曲結晶であってもよい。なお、図３（ａ）に示す例では、測定位置は、円板状の基板の中央を中心とし、ｙ軸方向に一定の長さを有する領域である。

また、分光素子１０４は、試料表面に平行かつＸ線照射方向に直交する方向(すなわちｙ軸方向)の有効幅が電子線焦点の有効幅よりも大きい。これにより、Ｘ線源１０２から出射された１次Ｘ線のうちｙ軸方向に拡がった成分を、分光素子１０４によって反射させ、試料１１０の表面に照射することができる。分光素子のｙ軸方向の長さは、例えば、４０ｍｍである。なお、試料表面に平行かつＸ線照射方向に直交する方向の分光素子の有効幅は３０ｍｍ以上であることが望ましい。これによって、図３（ａ）に示すように、試料１１０の広い範囲にわたって十分な強度のＸ線が照射される。例えば、試料表面において、Ｘ線照射方向に直交する方向のＸ線照射幅が６０ｍｍ以上であることが望ましい。

実際に、測定領域のｙ軸方向の長さを、８０ｍｍ程度まで広げることが可能であり、試料１１０の表面に照射される１次Ｘ線の強度の総和を増加させることができる。従来は、電子線焦点２０１および分光素子１０４のｙ軸方向の長さが短かったため、Ｘ線の試料面におけるｙ軸方向の照射領域は、試料１１０の中央付近に限定されていた。そのため、試料表面において、十分な強度でＸ線が照射される領域は、例えば、２０ｍｍから３０ｍｍ程度であった。後述するように本実施形態によれば、従来に比べて、Ｘ線強度を保ったまま、３倍程度の広い領域に１次Ｘ線を照射することが可能になった。

なお、分光素子１０４は、試料表面に平行かつＸ線照射方向に直交する方向(すなわちｙ軸方向)の反射面の断面が直線となるシリンドリカル形状であってもよい。

試料台１０６は、分析対象となる試料１１０が載置される。具体的には、例えば、試料台１０６は、半導体製品を製造するために用いられるシリコン基板が載置される。また、試料台１０６は、測定位置が検出器３０２の直下に位置するよう、基板を移動させる。シリコン基板には、シリコン基板を製造、または加工処理する半導体工場で、Ｎｉ等の不純物が付着するおそれがある。試料台１０６がシリコン基板を移動させることにより、シリコン基板の複数の位置に１次Ｘ線が照射される。これにより、全反射蛍光Ｘ線分析装置１００は、シリコン基板の表面に不純物が付着しているか分析することができる。

検出部１０８は、検出器３０２と、計数器と、を含む。検出器３０２は、例えば、ＳＤＤ(Silicon Drift Detector)検出器等の半導体検出器である。検出器３０２は、試料表面に対向して、なおかつ照射方向に直交する方向に複数並べて配置され、分光素子１０４により集光された１次Ｘ線が照射された試料１１０から出射する蛍光Ｘ線（蛍光Ｘ線や散乱線）の強度を測定する。さらに、検出器３０２は、測定した蛍光Ｘ線のエネルギーに応じた波高値を有するパルス信号を出力する。なお、図３（ａ）に示す例では、試料表面において、Ｘ線照射方向に直交する方向のＸ線照射幅が６０ｍｍ以上である。一定のＸ線強度で照射される領域がｙ軸方向に長いため、検出器３０２は、ｙ軸方向に３台並べて配置される。これにより、同時に複数箇所、図３（ａ）に示す例では同時に３箇所からの蛍光Ｘ線を検出でき、汚染分析のスループットを大幅に向上させることができる。

計数器は、検出器３０２から出力されるパルス信号を、波高値に応じて計数する。具体的には、例えば、計数器は、マルチチャンネルアナライザであって、検出器３０２の出力パルス信号を、エネルギーに対応したチャンネル毎に計数し、蛍光Ｘ線の強度として出力する。検出部１０８は、計数器の出力をスペクトルとして取得する。

試料台１０６、Ｘ線源１０２、及び、検出部１０８の動作は、制御部（図示なし）によって制御される。具体的には、例えば、制御部は、パーソナルコンピュータである。制御部は、各構成との間で指示コマンドの送受信を行うことにより、試料台１０６、Ｘ線源１０２、及び、検出部１０８の動作を制御する。また、制御部は、検出部１０８が出力したスペクトルに基づいて試料１１０の分析を行う。

以上のように、本実施形態によれば、１次Ｘ線は、ｙ軸方向に一定の長さを有する領域から発生する。従って、Ｘ線源１０２が発生させる１次Ｘ線の強度の総和を増加させることができる。また、図３（ａ）に示すように、一定の長さから発生したＸ線をｙ軸方向に幅の広い分光素子１０４を用いることによって、試料上の広い範囲に一定強度の１次Ｘ線を照射することができ、試料上に照射されるＸ線強度の総和を、さらに増加させることができる。なお、図３（ａ）には、各検出器３０２が検出する視野の中心に対応する試料１１０上の点に照射される１次Ｘ線を模式的に示しているが、実際にはｙ軸方向に長い連続した領域に照射される。

また、１次Ｘ線は、ｘｚ平面において、局所的な領域から出射される。すなわち、ｘｚ平面において、Ｘ線源１０２は点光源とみなすことができる。従って、図３（ｂ）に示すように、照射方向に湾曲面を有する分光素子１０４によって、１次Ｘ線のｘｚ面内に発散する成分を集光することができる。これにより、試料１１０の表面に照射される単位面積あたりの１次Ｘ線の強度を増加させることができる。

試料１１０に照射される１次Ｘ線の強度が高いほど、試料１１０から発生する蛍光Ｘ線の強度は高くなる。本実施形態によれば、試料１１０の表面に照射される単位面積あたりの１次Ｘ線の強度を増加させるだけでなく、その増加した強度で照射される試料上の面積を増加させることにより、分析感度を高くかつ測定時間を短くすることができる。

続いて、本実施形態の効果について実験結果とともに説明する。試料１１０は、円板状のシリコン基板であって、基板の中央部に微量不純物としてＮｉが付着した基板である。基板は、１次Ｘ線の照射領域の中心がシリコン基板の中心に位置するように、配置されている。分光素子１０４によって反射された１次Ｘ線は、基板の表面に対して０．１度の入射角で照射される。図４及び図５は、当該測定条件のもと測定されたＳｉ-Ｋα線（図４）及びＮｉ-Ｋα線（図５）のネット強度の分布を示す図である。円形のラインは８インチ径のシリコン基板の輪郭を表し、１次Ｘ線はマイナスｘ方向から入射してｘ＝０のラインを中心に集光している。なお、図４の左側のグラフは、Ｓｉ-Ｋα線及びＮｉ-Ｋα線のｘ＝０断面の強度分布を示す図であり、上側のグラフは、ｙ＝０断面の強度分布を示す図である。

図４及び図５に示すように、分光素子１０４によってｘ軸方向の狭い領域に１次Ｘ線を集光することで高い蛍光Ｘ線強度を得ることができた。さらに、ｙ軸方向に長い電子線源２０２によりｙ軸方向に長い電子線焦点２０１を有するＸ線源１０２を用いることによって、ｙ軸方向に広い領域で高い蛍光Ｘ線強度を得ることができた。具体的には、基板中央を中心とし、ｘ軸方向に３０ｍｍ、ｙ軸方向８０ｍｍの領域において、分析に十分な強度の蛍光Ｘ線が測定された。なお、分析に十分な強度の蛍光Ｘ線は、分析の目的や試料１１０に含まれる元素に応じて適宜設定される。ここでは、微量不純物であるＮｉの分析を行うために十分なネット強度を２３００としている。

本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上記全反射蛍光Ｘ線分析装置１００の構成は一例であって、これに限定されるものではない。上記の実施例で示した構成と実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成する構成で置き換えてもよい。

例えば、上記実施形態においては、検出器３０２がｙ軸方向に３個並べて配置される場合について説明したが、複数の検出器３０２の配置レイアウトはこれに限られない。図６（ａ）乃至（ｋ）は、図３（ａ）と同様、試料１１０の上側から見た検出器３０２の配置レイアウトの変形例を示す図である。なお、図６（ａ）乃至（ｋ）の各丸は１個の検出器３０２の検出領域である。また、図６（ａ）乃至（ｋ）の図面上左右方向がｘ軸方向であり、図面上上下方向がｙ軸方向である。

具体的には、例えば、図６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、ｙ軸方向に並べて配置される検出器３０２の個数は、２個乃至４個のいずれであってもよい。また、当該個数は、４個以上であってもよい。

また、図６（ｄ）乃至（ｆ）に示すように、検出器３０２は、ｘ軸方向に２列配置されてもよい。この際、図面上左列の検出器３０２と、右列の検出器３０２と、をｙ軸方向に２分の１個分ずらして配置することにより、検出領域の間隙を小さくすることができる。なお、検出器３０２はｘ軸方向に２列以上配置されてもよい。

また、複数の検出器３０２は、特性の異なる検出器３０２を含んでもよい。具体的には、例えば、当該特性は、検出面積、エネルギー分解能、空間分解能、または、エネルギー感度である。図６（ｇ）乃至（ｋ）に示すように、複数の検出器３０２は、検出面積が大きく感度が高いが、エネルギー分解能及び空間分解能が低い検出器３０２（図中大きい円）と、検出面積が小さく感度が低いが、エネルギー分解能及び空間分解能が高い検出器３０２（図中小さい円）と、を含んでいてもよい。また、高エネルギーのＸ線に対するエネルギー感度の高い検出器と、低エネルギーのＸ線に対するエネルギー感度の高い検出器と、を含んでいてもよい。

図６（ｇ）に示す例では、中央に検出面積の大きい検出器３０２が配置され、ｙ軸方向の両隣に検出面積の小さい検出器３０２が配置される。図６（ｈ）に示す例では、中央に検出面積の大きい検出器３０２が配置され、斜め方向の４か所にそれぞれ検出面積の小さい検出器３０２が配置される。図６（ｉ）に示す例では、検出面積の大きい検出器３０２がｙ軸方向に３個並べて配置され、中央に配置された検出器３０２の斜め方向の４か所にそれぞれ検出面積の小さい検出器３０２が配置される。図６（ｊ）に示す例では、中央に検出面積の小さい検出器３０２が配置され、ｙ軸方向の両隣に検出面積の大きい検出器３０２が配置される。図６（ｋ）に示す例では、中央に検出面積の小さい検出器３０２が配置され、斜め方向の４か所にそれぞれ検出面積の大きい検出器３０２が配置される。

以上のように、検出器３０２は、複数の検出器３０２で形成される全体の検出領域が、分析を行うために十分な強度の蛍光Ｘ線が出射される領域を覆うように、配置されることが望ましい。例えば、複数の検出器３０２は、分光素子１０４の中心を通り照射方向に平行な線分を対称軸として、線対称に配置されることが望ましい。上記構成を有するＸ線源１０２及び分光素子１０４によれば、１次Ｘ線は、試料１１０の当該対称軸に線対称な領域に照射される。従って、図６（ａ）乃至（ｋ）（図６（ｆ）を除く）に示す例では、複数の検出器３０２で形成される全体の検出領域によって、分析を行うために十分な強度の蛍光Ｘ線が出射される領域を効率的に覆うことができる。

１００ 全反射蛍光Ｘ線分析装置、１０２ Ｘ線源、１０４ 分光素子、１０６ 試料台、１０８ 検出部、１１０ 試料、２０１ 電子線焦点、２０２ 電子線源、２０３ 電子線、２０４ ターゲット、２０５ １次Ｘ線、２０８ 電源、３０２ 検出器。

Claims (8)

1. 試料表面に平行かつＸ線照射方向に直交する方向の有効幅が前記Ｘ線照射方向の寸法よりも大きい電子線焦点を有するＸ線源と、
   前記試料表面に平行かつ前記Ｘ線照射方向に直交する方向の有効幅が前記電子線焦点の有効幅よりも大きく、前記Ｘ線照射方向を含む前記試料表面に垂直な面内に、湾曲する断面を有する分光素子と、
   前記試料表面に向けて前記Ｘ線照射方向に直交する方向に並べて複数配置され、前記分光素子により集光された前記Ｘ線が照射された前記試料から発生する蛍光Ｘ線の強度を測定する検出器と、
   を有することを特徴とする全反射蛍光Ｘ線分析装置。
2. 前記試料表面において前記Ｘ線照射方向に直交する方向の前記Ｘ線照射幅が６０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置。
3. 前記試料表面に平行かつ前記Ｘ線照射方向に直交する方向の前記分光素子の有効幅が３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置。
4. 前記試料表面に平行かつ前記Ｘ線照射方向に直交する方向の前記電子線焦点の有効幅が１５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置。
5. 前記試料表面に平行かつ前記Ｘ線照射方向に直交する方向の前記分光素子の反射面の断面が直線であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置。
6. 前記複数の検出器は、特性の異なる検出器を含む、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置。
7. 前記特性は、検出面積、エネルギー分解能、空間分解能、または、エネルギー感度であることを特徴とする請求項６に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置。
8. 前記複数の検出器は、前記Ｘ線照射方向を含む前記試料表面に垂直な面に対して、対称に配置されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の全反射蛍光Ｘ線分析装置。

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