JPH06148104A

JPH06148104A - 表面分析方法および装置

Info

Publication number: JPH06148104A
Application number: JP4303490A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ninomiya; 健二宮; Masaki Hasegawa; 正樹長谷川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 1994-05-27

Abstract

(57)【要約】【構成】分光器２で単色化されたＸ線を、光学系４を用
いて試料５表面に集光する。制御装置８で分光器２を制
御して、入射Ｘ線のエネルギを変えながら、試料５表面
から放出された光電子を、運動エネルギを分析すること
なく検出器７で検出する。【効果】光電子の運動エネルギを分析することなく、光
電子スペクトルの観測が可能である。この結果、微小径
のＸ線マイクロビームを用いて大きな光電子信号強度を
得て、微小領域の化学状態分析を高精度に行うことがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表面分析技術に係り、特
に、微小領域の化学状態分析に適した表面分析方法およ
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高密度化や各種材料の薄膜
化に伴い、微小領域の化学状態（元素種，原子結合状態
等）分析の必要性が高まりつつある。たとえば、半導体
素子表面上の吸着異物の分析や各種絶縁膜の膜質分析
等、数〜サブμｍ領域での分析が要求されている。

【０００３】これら要求に対し、電子線やイオン線，Ｘ
線を用いた微小領域分析技術の開発が精力的に進められ
ている。なかでも、Ｘ線マイクロビームを用いたＸＰＳ
（Ｘ線励起光電子分光）分析技術は、微小領域内の原子
結合状態に関する詳細な情報を与えるため、将来の半導
体素子開発に不可欠な化学状態分析技術であると期待さ
れている。

【０００４】Ｘ線マイクロビームを用いたＸＰＳ分析技
術では、単色化されたＸ線を細く集光して試料面上に照
射し、Ｘ線照射により試料面から放出された光電子の運
動エネルギを測定する。この運動エネルギの解析から、
照射微小領域内の元素種および原子結合状態に関し、詳
細な情報を得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】Ｘ線マイクロビームの
生成は、Ｘ線光源から放射されたＸ線を、Ｘ線光学系を
用いて集光することにより達成される。得られるＸ線マ
イクロビームの大きさ(ビーム径)は、光源の大きさとＸ
線光学系の縮小率で決定される。たとえば、１mmφ〜１
０μｍφ程度の大きさのＸ線光源を用いた場合、数十〜
サブμｍのビーム径を持つＸ線マイクロビームの生成が
可能である（二宮他，ジャパニーズ・ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス，第３０巻，２８８９頁，
１９９１年。Ninoｍiya et al.，Jpn. J. Appl. Phys.
Ｖol．３０，ｐ．２８８９（１９９１))。

【０００６】分析領域を微小化するには、小さなビーム
径を有するＸ線マイクロビームを用いなければならな
い。このためには、先に述べたように、微小Ｘ線光源を
用いるか、あるいはＸ線光学系の縮小率を高めることが
必要である。一方、分析装置やＸ線光学素子の大きさを
考慮すると、Ｘ線光学系の縮小率を無制限に高めること
は困難である。たとえば、Ｘ線全反射鏡の一種であるウ
ォルター型反射鏡を例にとると、その縮小率の上限は１
／１００程度である。このため、従来、μｍ領域のビー
ム径を持つＸ線マイクロビームを生成する場合、微小Ｘ
線光源を用いる方法がとられてきた（上記参考文献参
照）。

【０００７】Ｘ線光源の大きさが小さくなると、光源面
積に比例して、Ｘ線マイクロビームの強度（光量）が少
なくなる。このことは、分析時に得られる信号強度の低
下を意味する。すなわち、従来技術では、微小領域の化
学状態分析を行う場合、信号強度の低下が避けられなか
った。このため、分析のＳ／Ｎが悪く、分析時間も長い
という欠点があった。

【０００８】本発明の目的は、微小領域分析においても
大きな信号強度が得られる、Ｘ線マイクロビームを用い
た化学状態分析方法および装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、Ｘ線の発生手段，Ｘ線の単色化手段，Ｘ線光源の形
成手段，Ｘ線を試料面上の微小領域へ集光する手段（集
光手段），Ｘ線照射により試料面から放出された光電子
の検出手段、およびＸ線の単色化手段を制御する制御手
段とを設け、単色化されたＸ線光源から放射されるＸ線
を試料面に集光し、Ｘ線のエネルギを連続的に変化させ
ながら、Ｘ線照射により試料面から放出される電子を、
運動エネルギを分析することなく検出する。

【００１０】

【作用】Ｘ線の発生手段で発生したＸ線は、単色化手段
により単色化（特定のエネルギ、もしくは波長を有する
Ｘ線を取り出すこと、分光）される。Ｘ線の発生手段
は、シンクロトロン放射光等の連続光源が望ましい。ま
た、単色化手段は、たとえば、回折格子や多層膜分光素
子、あるいは分光結晶等を備えた分光器が都合がよい。
炭素，酸素，シリコン等半導体製造プロセスに関連する
主要元素の光励起効率を考慮すると、単色化されたＸ線
のエネルギは１ｋｅＶ以下が望ましい。所望のエネルギ
を持つＸ線が取り出せるように、単色化手段は制御手段
により制御される。

【００１１】Ｘ線光源の形成手段は、単色化手段のＸ線
出射口近傍に設置されたピンホール、もしくはＸ線集光
鏡とピンホールの組合せでよい。Ｘ線集光鏡を用いた場
合、単色化されたＸ線をピンホールに効率よく導くこと
ができるため、Ｘ線光源の強度を増加させることができ
る。このＸ線光源の形成手段は、あらかじめ設定された
大きさの単色化されたＸ線光源を形成する。

【００１２】Ｘ線光源から放射されたＸ線は、集光手段
を用いて、試料面の微小領域に集光される。集光手段
は、ゾーンプレートや多層膜反射鏡等、様々なＸ線集光
用光学素子が考えられる。本発明では、後述するよう
に、試料面に入射するＸ線のエネルギを連続的に変化さ
せる。このエネルギ変化時に光学素子の集光特性に変化
があると、分析領域の大きさが一定にならない。そこ
で、本集光手段では、Ｘ線のエネルギ（あるいは波長）
変化に対し集光特性の変化がない（色収差がない）Ｘ線
光学系、すなわち、Ｘ線の全反射を利用した全反射光学
系を採用している。具体的には、楕円面や放物面等の回
転２次曲面を用いた非球面反射鏡、あるいは複数の非球
面反射鏡で構成されるウォルター型反射鏡やカークパト
リック・ベッツ型反射鏡、もしくはシュバルツシルド型
反射鏡等が考えられる。

【００１３】Ｘ線照射により試料面の微小領域から放出
された光電子は、検出手段で検出される。検出手段は測
定試料の近傍に設置され、試料面から放出された光電子
を、運動エネルギを分析することなく検出する。具体的
には、マイクロチャネルプレートやセラトロン等の２次
電子増倍素子、あるいは電荷結合素子（ＣＣＤ）に代表
される高感度Ｘ線撮像素子等を用いる。

【００１４】Ｘ線マイクロビームを用いた従来の化学状
態分析では、照射Ｘ線のエネルギを一定にして、Ｘ線照
射により放出される光電子の運動エネルギを、ＣＭＡ
（２重円筒鏡面型エネルギ分析器）等エネルギ分析機能
を有する検出手段を用いて測定していた（前述の参考文
献参照）。しかし、これらエネルギ分析機能を有する検
出手段では、エネルギ分析用の電子レンズ系を用いてい
るため、検出可能な光電子数が試料面から放出される光
電子数の数％に過ぎず、光電子の利用効率が悪く大きな
信号強度が得られなかった。

【００１５】これに対し、本発明では、照射Ｘ線のエネ
ルギを連続的に変化させながら、照射Ｘ線のエネルギ変
化に伴う光電子発生量の変化を測定する。また、必要で
あるならば、制御手段を用いて、検出手段からの信号に
微分等の数学的処理を施すことも可能である。これらの
方法を用いて、従来法で得られる光電子スペクトルとほ
ぼ同等の情報を持つ光電子スペクトルを観測することが
可能である。従って本発明では、光電子の運動エネルギ
を測定する必要がない。このため、運動エネルギ測定用
の電子レンズ系が不要であり、光電子の利用効率の向上
がはかれる。たとえば、検出手段の光電子検出面に試料
面に比べプラスの電位（たとえばプラス１ｋＶ程度）を
与えることにより、試料面から放出される光電子の大部
分を収集でき、従来のＸ線マイクロビームを用いたＸＰ
Ｓ分析技術に比べ、光電子の利用効率を１桁以上向上さ
せることができる。この結果、測定のＳ／Ｎ向上、およ
び分析時間の短縮をはかることができ、従来法に比べよ
り高精度な微小領域の化学状態分析が可能になる。

【００１６】

【実施例】＜実施例１＞図１に本発明の最も基本的な実
施例を示した。Ｘ線源１で発生した連続Ｘ線は、分光器
２に入射して単色化される。分光器２の出射口(たとえ
ば出口スリット)近傍には、大きさが可変のピンホール
３が設置されている。ピンホール３の大きさは１mmφ〜
０.１μｍφ 程度でよい。ピンホール３の大きさを変更
するためには、たとえば、大きさの異なった数個のピン
ホールを一枚の板の上に作り、装置外部からこの板を移
動可能にし、光軸上に所望の大きさのピンホールを合わ
せるようにすればよい。ピンホール３によりＸ線光源の
大きさが決定される。ピンホール３を通過したＸ線は、
光学系４に入射して、試料５表面に集光される。この時
の集光スポットの大きさは、ピンホール３の直径と光学
系４の縮小率で決まる。

【００１７】Ｘ線マイクロビームの照射により試料５表
面から放出された光電子は、検出器７で検出される。先
に述べたように、検出器７は光電子の運動エネルギの分
析機能を有しない検出器である。具体的には、前述の２
次電子増倍素子や高感度Ｘ線撮像素子等でよい。これら
の検出器の前面にグリッド６を設置して、光電子を（た
とえば数Ｖ〜数ｋＶ程度で）収集，加速することによ
り、試料５表面から放出された光電子の大部分を検出で
きる。本実施例では、光電子の収集，加速にグリッド６
を用いたが、検出器７の種類によってはグリッド６を省
略できる。たとえば、マイクロチャネルプレートを検出
器７に用いた場合、マイクロチャネルプレートの光電子
検出面に直接電圧を印加することにより、光電子の収
集，加速および検出を同時に行うことができる。

【００１８】分光器２は制御装置８で制御されている。
この制御により、光学系４に入射するＸ線のエネルギ
（もしくは波長）を変化させることが可能である。本実
施例では、光学系４に入射するＸ線のエネルギを連続的
に変化させながら、Ｘ線照射により発生する光電子を検
出器７で検出する。この操作で得られた、照射Ｘ線エネ
ルギの関数としての光電子発生量の変化を、表示装置９
に出力する。また、制御装置８では、必要に応じ検出器
７からの信号に微分等の数学的処理を施し、この処理結
果を表示装置９に送り表示できるものとする。このよう
にして得られた光電子スペクトルから、Ｘ線照射微小領
域内の化学状態分析ができる。

【００１９】本実施例によれば、Ｘ線マイクロビームの
照射により発生する光電子を効率よく検出できるため、
光電子利用効率の向上をはかることができる。この結
果、ピンホール３を用いて微小Ｘ線光源を形成しても大
きな信号強度を得ることができ、微小領域の高精度な化
学状態分析が可能である。

【００２０】＜実施例２＞図２に示された実施例では、
分光器２とピンホール３との間に集光鏡１０を追加して
いる。集光鏡１０は、分光器２で単色化されたＸ線をピ
ンホール３に集光する役目を果たす。その他の部分に関
しては実施例１と同じである。

【００２１】本実施例によれば、分光器２からのＸ線を
ピンホールへ効率よく導くことができるため、Ｘ線光源
の強度を高めることが可能である。この結果、実施例１
に比べより大きな光電子信号強度を得ることができる。

【００２２】＜実施例３＞試料５が導体や半導体の場合
には、Ｘ線照射により試料５表面から光電子が放出され
ると、試料５に電流が流れる。この試料電流を測定する
ことは、試料５表面から放出される光電子を検出効率１
００％で検出することに相当する。本実施例は、試料電
流を測定して光電子スペクトルを得る実施例の一例であ
る。

【００２３】図３に装置の基本構成を示した。分光器２
で単色化されたＸ線は、光学系４を用いて試料５表面に
集光される。このＸ線照射により、光電子放出量に対応
した電流が試料５に流れる。この電流を微小電流計１１
で測定する。電極１２には、試料５に比べその電位が数
〜数百Ｖ高くなるように、電源１３を用いて電圧が印加
されている。この電圧印加により、試料５表面から放出
される光電子が再び試料５にもどることを防止できる。

【００２４】微小電流計１１から制御装置８に向け、試
料電流に比例した信号が送り出されている。制御装置８
で分光器２を制御してＸ線エネルギを連続的に変化させ
ながら、試料５への入射Ｘ線エネルギの関数としての試
料電流の変化を観測する。この結果、本実施例でも、実
施例１および２で得られる光電子スペクトルと同等のス
ペクトルを得ることができる。

【００２５】本実施例では、試料５に流れる電流の測定
に微小電流計１１を用いた。より微小な試料電流を測定
するには、フォトンカウンティングの手法を用いればよ
い。この場合、微小電流計１１を、プリアンプ，ディス
クリミネータ，シングルチャネルアナライザ、およびカ
ウンタからなるフォトンカウンティング計測システムに
置き換えればよい。このフォトンカウンティング計測シ
ステムを用いる試料電流の測定方法も本発明に含まれる
ものとする。

【００２６】本実施例によれば、Ｘ線照射による試料電
流を測定できるため、より大きな信号強度を得ることが
できる。この結果、微小領域の化学状態分析において、
分析感度の向上をはかることが可能になる。

【００２７】＜実施例４＞実施例２で述べた集光鏡１０
の役割は、分光器２からのＸ線を効率よくピンホール３
に導くことであった。この集光鏡１０に、集光作用に加
え縮小作用を持たせることにより、より微小な領域の化
学状態分析が可能になる。図４にその実施例の一例を示
した。

【００２８】分光器２で単色化されたＸ線は、ピンホー
ル３を通過して、光学系１４によりピンホール１５に集
光される。ピンホール１５上の集光スポットの大きさ
は、ピンホール３の大きさと光学系１４の縮小率で定ま
る。ピンホール１５の大きさは、集光スポットの大きさ
と同じか、あるいは若干小さめがよい。次に、ピンホー
ル１５上の集光スポットを新たなＸ線光源として、光学
系４を用いてさらに縮小された集光スポットを試料５表
面に作る。この結果、試料５表面には、ピンホール３の
大きさを（直列に接続された光学系１４および４によ
り）２段階で縮小した集光スポットが形成される。その
他の部分に関しては、実施例１と同じである。

【００２９】本実施例によれば、より小さなビーム径を
持つＸ線マイクロビームを用いた化学状態分析が可能で
ある。

【００３０】＜実施例５＞試料に入射するＸ線マイクロ
ビームを走査することにより、試料面の化学状態を２次
元像として得ること（化学状態マッピング）が可能にな
る。図５にＸ線マイクロビーム走査の一実施例を示し
た。

【００３１】実施例１と同じく、単色化されたＸ線が光
学系４により試料５表面に集光されている。試料５はス
テージ１６上に設置されている。ステージ１６は光学系
４の中心軸に対し直角方向に微小移動可能であり、その
微小移動はコントローラ１７で制御されている。

【００３２】化学状態マッピングに関しては、たとえ
ば、次のように行えばよい。まず、実施例１〜４におい
て説明したように、制御装置１８で分光器２を制御しな
がら、検出器７を用いて、Ｘ線のエネルギ変化に伴う光
電子発生量の変化、すなわち光電子スペクトルを観測す
る。この光電子スペクトルをもとに、目的とする化学状
態に対応するＸ線エネルギを決定する。次に、分光器２
からの出射Ｘ線のエネルギがこのエネルギに一致するよ
うに、制御装置１８で分光器２を調整する。この調整の
後、制御装置１８でコントローラ１７の制御を行い、ス
テージ１６を、従って試料５を微小移動させながら、Ｘ
線マイクロビームで試料５表面を走査する。この走査を
行いながら、試料５表面の各位置における光電子発生量
を検出器７を用いて検出する。

【００３３】制御装置１８から表示装置９に向けて、コ
ントローラ１７への位置制御信号、従ってＸ線マイクロ
ビーム照射位置に対応する信号、およびその位置での光
電子発生量に比例する信号が送り出される。表示装置９
では、これら両信号をもとに、必要であるならば両信号
に数学的処理を施して、試料５表面の化学状態の２次元
像を作製して表示する。

【００３４】本実施例によれば、Ｘ線マイクロビームで
試料５表面を走査できるため、試料５表面を高空間分解
能かつ高精度で化学状態マッピングすることが可能であ
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明では、試料表面に入射するＸ線マ
イクロビームのエネルギを変化させながら、試料表面か
ら放出される光電子を運動エネルギを分析することなく
検出できる。このため、Ｘ線マイクロビームのビーム径
を小さくしても、大きな光電子信号強度を得ることが可
能である。この結果、微小領域の化学状態分析をＳ／Ｎ
よく、高精度に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図。

【図２】本発明の一実施例を示すブロック図。

【図３】本発明の一実施例を示すブロック図。

【図４】本発明の一実施例を示すブロック図。

【図５】本発明の一実施例を示すブロック図。

【符号の説明】

１…Ｘ線源、２…分光器、３…ピンホール、４…光学
系、５…試料、６…グリッド、７…検出器、８…制御装
置、９…表示装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単色化されたＸ線光源から放射されるＸ線
を試料面に集光し、Ｘ線のエネルギを連続的に変化させ
ながら、Ｘ線照射により試料面から放出される電子を、
運動エネルギを分析することなく検出することを特徴と
する表面分析方法。
【請求項２】単色化されたＸ線光源から放射されるＸ線
を試料面に集光し、Ｘ線のエネルギを連続的に変化させ
ながら、Ｘ線照射により試料に流れる電流を検出するこ
とを特徴とする表面分析方法。
【請求項３】請求項１または２において、前記Ｘ線の試
料面への集光を、全反射を利用した光学系を用いて行う
表面分析方法。
【請求項４】請求項１または２において、前記Ｘ線の試
料面への集光を、直列に接続された複数の全反射光学系
を用いて行う表面分析方法。
【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
Ｘ線光源が、ピンホール、もしくはピンホール上へ単色
化されたＸ線を集光することにより形成される表面分析
方法。
【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
前記試料面に集光されたＸ線を試料面上で走査すること
により、試料面の光電子像を形成する表面分析方法。
【請求項７】請求項６において、前記Ｘ線の走査が試料
の制御された微小移動で達成される表面分析方法。
【請求項８】Ｘ線の単色化手段，Ｘ線光源の形成手段，
前記Ｘ線光源から放射される前記Ｘ線を試料面へ集光す
る手段，前記試料面から放出される電子の量を検出する
手段、および単色化手段を制御して前記Ｘ線のエネルギ
を連続的に変化させる手段を備えたことを特徴とする表
面分析装置。
【請求項９】Ｘ線の単色化手段，Ｘ線光源の形成手段，
前記Ｘ線光源から放射される前記Ｘ線を試料面へ集光す
る手段，前記試料に流れる電流の測定手段、および単色
化手段を制御して前記Ｘ線のエネルギを連続的に変化さ
せる手段を備えたことを特徴とする表面分析装置。
【請求項１０】請求項８または９において、前記Ｘ線の
試料面への集光手段が、全反射を利用した光学系である
表面分析装置。
【請求項１１】請求項８または９において、前記Ｘ線の
試料面への集光手段が、直列に接続された複数の反射光
学系である表面分析装置。
【請求項１２】請求項８，９，１０または１１におい
て、前記Ｘ線光源の形成手段が、ピンホール、もしくは
ピンホール上への単色化されたＸ線の集光手段である表
面分析装置。
【請求項１３】請求項８，９，１０，１１または１２に
おいて、前記集光Ｘ線の試料面での走査手段を備えた表
面分析装置。
【請求項１４】請求項１３において、前記Ｘ線の走査手
段が試料の制御された微小移動手段である表面分析装
置。