JPH06308059A - 蛍光ｘ線分析装置およびｘ線照射角設定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被検物の位置および角度調整を迅速、かつ高
精度に行うことができる蛍光Ｘ線分析装置およびＸ線照
射角設定方法を提供する。 【構成】 蛍光Ｘ線分析装置１ａは、Ｘ線管１１と、分
光結晶１２と、コリメータ１３ａと、被検物１０を支持
するための移動テーブル１４と、テーブル制御部１５
と、コリメータ１３ｂと、Ｘ線カウンタ２１と、蛍光Ｘ
線Ｂ３を検出するための検出器１６と、比例増幅器１８
と、波高分析器１９と、データ処理器２０などで構成さ
れており、さらに、Ｘ線ビームＢ２が照射される検査領
域付近に光ビームＬ１を照射するためのレーザ光源３０
と、被検物１０の表面で反射した光ビームＬ１の位置を
検出するための光センサアレイ３１などが設けられてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば半導体ウエハ
などの被検物に励起Ｘ線を照射して、被検物から発生す
る蛍光Ｘ線を、エネルギー分散方式（ＥＤＸ，Energy D
ispersiveX−ray spectrometer）などで分析するための
蛍光Ｘ線分析装置、および被検物に対するＸ線の照射角
を設定するＸ設定照射角設定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、たとえば光学的に平滑な平面を有
する半導体ウエハなどの被検物に、低い入射角度でＸ線
を照射することによって、被検物の表面に付着した試料
からの蛍光Ｘ線を検出する全反射蛍光Ｘ線分析装置（To
tal Reflection X−rayFluorescence）が知られてお
り、励起Ｘ線を被検物表面上で全反射させることによっ
て、被検物の表面近傍のみの情報を高Ｓ／Ｎ比で得るこ
とができる。

【０００３】さらに、Ｘ線発生源の対陰極から発生する
特性Ｘ線を、分光結晶とスリットなどから成る分光手段
によって単一の特性Ｘ線を分離してから、被検物に照射
するモノクロ全反射蛍光Ｘ線分析装置（特願平１−２７
２１２４号）が提案されており、励起Ｘ線の単色化によ
ってバックグランドノイズが低減されて微量元素の検出
限界が向上するため、特にＩＣ用の半導体ウエハ上の微
量金属汚染検出の分野で急速に普及している。

【０００４】図４は、従来の蛍光Ｘ線分析装置の一例を
示す概略構成図である。この蛍光Ｘ線分析装置は、Ｘ線
ビームＢ１を発生するためのＸ線管６１と、Ｘ線ビーム
Ｂ１の中から単一の特性Ｘ線から成るＸ線ビームＢ２を
分離するための分光結晶６２と、他の特性Ｘ線を遮るた
めのコリメータ６３と、半導体ウエハなどの被検物６０
を支持するための移動テーブル６４と、移動テーブル６
４の３次元位置およびＸ線ビームＢ２に対する角度を設
定するためのテーブル制御部６５と、被検物６０から発
生する蛍光Ｘ線Ｂ３を検出するための検出器６６と、検
出器６６から出力される電気信号を所定レベルまで増幅
するための前置増幅器６７などで構成されており、さら
に検出器６６の両側に被検物６０の両端部までの距離を
測定するための２つの距離センサ６８，６９が設けられ
る。Ｘ線ビームＢ２は、被検物６０の表面に対して全反
射する角度、たとえば０．０６度程度の角度で入射する
ことによって、被検物６０の表面近傍に反する情報、た
とえば微量付着物の成分情報を得ることができる。

【０００５】各距離センサ６８，６９は、被検物６０に
向けてレーザ光をそれぞれ出射して、被検物６０で反射
される位置の変化を検出するものであり、検出された各
レーザ光の反射位置の間を直線で内挿することによっ
て、検出器６６の直下付近の被検物６０の垂直位置およ
び傾きを推定することが可能となっている。

【０００６】図５は、従来の蛍光Ｘ線分析装置の他の例
を示す構成図である。この蛍光Ｘ線分析装置は、Ｘ線ビ
ームＢ１を発生するためのＸ線管７１と、Ｘ線ビームＢ
１の中から単一の特性Ｘ線から成るＸ線ビームＢ２を分
離するための分光結晶７２と、他の特性Ｘ線を遮るため
のコリメータ７３ａと、半導体ウエハなどの被検物７０
を支持するための移動テーブル７４と、Ｘ線ビームＢ２
以外の散乱Ｘ線を遮るためのコリメータ７３ｂと、Ｘ線
ビームＢ２のＸ線強度を計測するためのＸ線カウンタ８
１と、移動テーブル７４の３次元位置およびＸ線ビーム
Ｂ２に対する角度を設定するためのテーブル制御部７５
と、被検物７０から発生する蛍光Ｘ線Ｂ３を検出するた
めの検出器７６と、検出器７６から出力される電荷パル
スの時間積分値を波高に持つ階段状の電圧パルスに変換
する前置増幅器７７と、前置増幅器７７から出力される
電圧パルスの立上がり幅に比例した波高を有するパルス
に波形整形するための比例増幅器７８と、比例増幅器７
８から出力される各波高値の計数率を測定する波高分析
器７９と、波高分析器７９やＸ線カウンタ８１で測定さ
れたデータを処理したり、テーブル制御部７５へ指令を
出すためのデータ処理器８０などで構成されている。Ｘ
線ビームＢ２は、図４と同様に、被検物７０の表面に対
して全反射する角度、たとえば０．０６度程度の角度で
入射することによって、被検物７０の表面近傍に関する
情報、たとえば微量付着物の成分情報を得ることができ
る。

【０００７】図５の蛍光Ｘ線分析装置において、被検物
７０に対するエネルギー線の照射角設定方法が、特願平
２−４００２３１号等で提案されている。

【０００８】図６は、この照射角設定方法を示す工程図
である。先ず図６（ａ）において、Ｘ線管７１またはＸ
線管７１と分光結晶７２などから成るＸ線源８２から出
射されたＸ線ビームＢ２が、Ｘ線カウンタ８１に直接入
射することによって、Ｘ線ビームＢ２のＸ線強度を計測
して、この初期強度値をデータ処理器８０内のメモリ等
に記憶する。このとき、被検物７０はＸ線ビームＢ２を
遮らない位置に設定され、さらにＸ線源８２に向けて僅
かに傾けておく。

【０００９】次に図６（ｂ）において、データ処理器８
０からの指令に基づきテーブル制御部７５が移動テーブ
ル７４を駆動して、被検物７０を徐々に上昇させなが
ら、Ｘ線カウンタ８１によってＸ線強度を計測する。被
検物７０がＸ線ビームＢ２を少しずつ遮って、Ｘ線カウ
ンタ８１が出力するＸ線強度が基準値、たとえば初期強
度値の半分に達した時点で、被検物７０の上昇を停止す
る。

【００１０】次に図６（ｃ）において、今度はデータ処
理器８０からの指令に基づき、被検物７０の傾きを水平
に近づく方向に徐々に角変位させながら、Ｘ線強度を計
測して、Ｘ線カウンタ８１が出力する強度値が極大に達
した時点で、被検物７０の角変位を停止する。このとき
のＸ線強度の極大値が基準値より大きければ、被検物７
０はＸ線ビームＢ２に対して平行でないと判断し、次の
図６（ｄ）において、図６（ｂ）と同様に、被検物７０
を徐々に上昇させてＸ線強度が基準値になるように、被
検物７０の垂直位置を制御する。

【００１１】次に図６（ｅ）において、図６（ｃ）と同
様に、被検物７０を徐々に角変位させて、Ｘ線強度が極
大値になるように制御する。

【００１２】こうして、被検物７０の上昇および角変位
を繰返して、上昇操作による基準値と角変位操作による
極大値とが等しくなった時点で、Ｘ線ビームＢ２の進行
方向と被検物７０の検査面とが平行に設定される。その
後、Ｘ線ビームＢ２に対する入射角度が所定の全反射角
度になるように、テーブル制御部７５が移動テーブル７
４を駆動して、被検物７０に対するＸ線ビームの照射角
度の設定を完了する。

【００１３】このように、励起Ｘ線ビームそのものを調
整に用いるため、正確な位置および角度調整が可能にな
るため、仮にＸ線ビーム軸が経時的に変動しても、調整
によってその変動誤差を吸収することができる。また、
被検物７０の周縁部が自重によって湾曲して下がったと
しても、蛍光Ｘ線を発生する中心付近は正しく調整され
る。さらに、被検物としてパターン形成済みの半導体ウ
エハを計測する場合、半導体ウエハの最上面に対して所
望の入射角度を設定することが可能になる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】図４に示した蛍光Ｘ線
分析装置では、Ｘ線ビームＢ２の入射位置および方向と
は独立した光学器を用いているため、距離センサ６８，
６９による位置および角度調整が完全であっても、Ｘ線
ビームＢ２と被検物６０との相対位置は必ずしも正確に
設定されるとは限らない。特に、Ｘ線管６１や分光結晶
６２の交換や補修作業によって、Ｘ線ビームＢ２の主軸
が変化した場合には、Ｘ線ビームＢ２と距離センサ６
８，６９との相対位置を再調整する必要がある。また、
この相対位置は装置内の温度変化によって大きく変動す
る恐れがある。

【００１５】また、感度上昇のため蛍光Ｘ線をできるだ
け多く検出するには、検出器６６を被検物６０に極めて
接近して配置する必要があるため、距離センサ６８，６
９の測定領域と、蛍光Ｘ線発生領域とを一致させて配置
することが困難である。したがって、距離センサ６８，
６９は被検物６０のＸ線発生領域とは異なる別の領域の
位置を計測して、これらの計測値を用いて蛍光Ｘ線発生
領域の位置および傾きを内挿して求める。そのため、被
検物６０の表面が湾曲すると、正確な位置および傾きが
得られないという課題がある。

【００１６】さらに、距離センサ６８，６９から出た光
は、被検物６０の表面に対して略垂直に入射するため、
被検物の材質により光の吸収や透過または表面状態によ
る光の散乱などの影響を受けると、反射光の強度が不足
して、距離センサ６８，６９が誤動作する恐れがある。
特に、被検物６０としてパターン形成済みの半導体ウエ
ハを計測する場合に、光の散乱や回折が生じて計測不良
になるという課題がある。

【００１７】一方、図５に示した蛍光Ｘ線分析装置で
は、移動テーブル７４の高さ調整と角度調整を交互に行
いながらＸ線カウンタ８１を用いてＸ線強度を計測して
いるため、計測に時間がかかるという課題がある。

【００１８】本発明の目的は、前述した課題を解決する
ため、被検物の位置および角度調整を迅速、かつ高精度
に行うことができる蛍光Ｘ線分析装置およびＸ線照射角
設定方法を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、被検物の検査
面に対して所定角度でＸ線ビームを照射するためのＸ線
ビーム照射手段と、前記検査面に付着した試料から発生
する蛍光Ｘ線を検出するための蛍光Ｘ線検出手段と、前
記検査面近傍を通過するＸ線ビームの強度を検出するた
めのＸ線ビーム検出手段と、前記被検物を支持し、かつ
当該検査面の３次元位置および前記Ｘ線ビームに対する
角度を制御する被検物支持手段とを備える蛍光Ｘ線分析
装置において、前記Ｘ線ビームが照射される前記検査面
の検査領域付近に光ビームを照射するための光ビーム照
射手段と、前記検査面から反射した光ビームの位置を検
出するための光ビーム位置検出手段とを備えることを特
徴とする蛍光Ｘ線分析装置である。

【００２０】また本発明は、被検物の検査面に対するＸ
線ビームの照射角を設定するＸ線照射角設定方法におい
て、前記被検物を前記Ｘ線ビームの進行方向に対して略
垂直方向に移動させながら、前記被検物が遮る前記Ｘ線
ビームの強度変化を検出して、前記被検物の高さを設定
する工程と、前記被検物の検査面に、前記Ｘ線ビーム進
行方向と所定角度を成す光ビームを照射して、当該検査
面で反射される光ビームの位置を検出することによっ
て、前記被検物の角度を設定する工程とを含むことを特
徴とするＸ線照射角設定方法である。

【００２１】

【作用】本発明に従えば、被検物の表面近傍を通過する
Ｘ線ビームの強度を検出するためのＸ線ビーム検出手段
を用いて被検物の高さ検出を行うとともに、検査面の検
査領域付近に光ビームを照射して、当該検査面から反射
した光ビームの位置を検出するための光ビーム位置検出
手段を用いて被検物の角度検出を行うことができる。し
たがって、光ビーム位置の検出時間が短いため、被検物
の角度調整が迅速化される。また、蛍光Ｘ線を発生する
検査領域と、調整用の光ビームが照射される領域とを一
致させることができるため、当該検査領域の高さおよび
角度を高精度で検出することができる。

【００２２】また本発明に従えば、被検物をＸ線ビーム
の進行方向に対して略垂直方向に移動させながら、被検
物が遮るＸ線ビームの強度変化を検出して、被検物の高
さを設定する工程と、被検物の検査面に対して光ビーム
を照射して、当該検査面で反射される光ビーム位置を検
出する工程とを含むことによって、光ビーム位置の検出
時間が短いため、被検物の角度調整が迅速になるととも
に、蛍光Ｘ線を発生する検査領域の高さおよび角度調整
を高精度で設定することができる。

【００２３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である蛍光Ｘ線分
析装置１ａを示す構成図である。この蛍光Ｘ線分析装置
１ａは、Ｘ線ビームＢ１を発生するためのＸ線管１１
と、Ｘ線ビームＢ１の中から単一の特性Ｘ線から成るＸ
線ビームＢ２を分離するための分光結晶１２と、他の特
性Ｘ線を遮るためのコリメータ１３ａと、半導体ウエハ
などの被検物１０を支持するための移動テーブル１４
と、Ｘ線ビームＢ２以外の散乱Ｘ線を遮るためのコリメ
ータ１３ｂと、Ｘ線ビームＢ２のＸ線強度を検出するた
めの、シンチレーションカウンタなどのＸ線カウンタ２
１と、移動テーブル１４の３次元位置およびＸ線ビーム
Ｂ２に対する角度を設定するためのテーブル制御部１５
と、被検物１０から発生する蛍光Ｘ線Ｂ３を検出するた
めのリチウムドリフト型Ｓｉ検出器などの検出器１６
と、検出器１６から出力される電荷パルスの立上がり幅
に比例した波高を有するパルスに波形整形するための比
例増幅器１８と、比例増幅器１８から出力される各波高
値の計数率を測定する波高分析器１９と、波高分析器１
９やＸ線カウンタ２１で測定されたデータを処理した
り、テーブル制御部１５へ指令を出すためのデータ処理
器２０などで構成されており、さらに、Ｘ線ビームＢ２
が照射される被検物１０の検査領域付近に光ビームＬ１
を照射するためのレーザ光源３０と、被検物１０の表面
で反射した光ビームＬ１の位置を検出するための、１次
元ＣＣＤ（電荷結合素子）などの光センサアレイ３１が
設けられている。

【００２４】Ｘ線ビームＢ２は、被検物１０の表面に対
して全反射する角度、たとえば０．０６度程度の角度で
入射することによって、被検物１０の表面近傍に関する
情報、たとえば微量付着物の成分情報を得ることができ
る。

【００２５】図２は、本発明の一実施例であるＸ線照射
角設定方法を示す工程図である。先ず最初に、図６に示
した手順に従って、Ｘ線ビームＢ２だけを用いて被検物
１０および移動テーブル１４の３次元位置および角度を
調整して、図６（ｅ）に示すように、Ｘ線ビームＢ２の
進行方向と被検物１０の表面とが平行になる状態に設定
する。次に、この状態で、レーザ光源３０から出射され
る光ビームＬ１を被検物１０の表面に照射して、被検物
１０の表面で反射された光ビームＬ１を光センサアレイ
３１で受光して、受光した光強度分布の最大となる位置
の画素配列番号Ｎをデータ処理器３０内のメモリに記憶
する。こうして、分析開始から第１番目の被検物１０が
基準位置にある場合の光ビームＬ１の受光位置を予め定
めておき、第２番目以降の被検物１０は以下の手順で調
整を行う。

【００２６】先ず図２（ａ）において、新たな被検物１
０を移動テーブル１４に載せる動作に併せて、Ｘ線管１
１またはＸ線管１１と分光結晶１２などから成るＸ線源
２２から出射されたＸ線ビームＢ２が、Ｘ線カウンタ２
１に直接入射することによって、Ｘ線ビームＢ２のＸ線
強度を計測して、この初期強度値をデータ処理器２０内
のメモリに記憶する。このとき、被検物１０は、Ｘ線ビ
ームＢ２を遮らない位置に設定される。

【００２７】次に、図２（ｂ）において、データ処理器
２０からの指令に基づきテーブル制御部１５が移動テー
ブル１４を駆動して、被検物１０を徐々に上昇させなが
ら、Ｘ線カウンタ２１によってＸ線強度を計測する。被
検物１０がＸ線ビームＢ２を少しずつ遮って、Ｘ線カウ
ンタ２１が出力するＸ線強度が基準値、たとえば初期強
度値の半分に達した時点で、被検物１０の上昇を停止す
る。

【００２８】次に、図２（ｃ）において、レーザ光源３
０から出射される光ビームＬ１を被検物１０の表面に入
射させ、被検物１０の表面で反射した光ビームＬ１を光
センサアレイ３１で受光して、このときの受光した光強
度分布の最大となる位置の画素配列番号Ｍを計測する。
このとき、計測された画素配列番号Ｍが、基準として記
憶した画素配列番号Ｎと異なる場合、次の関係式（１）
を用いて、水平方向に対する被検物１０の表面の角度誤
差Δθを算出する。

【００２９】 Ｄ × ｓｉｎΔθ ＝ Ｐ × （Ｍ−Ｎ） …（１） ここで、Ｄは被検物１０での反射位置と光センサアレイ
３１との距離であり、Ｐは光センサアレイ３１の画素ピ
ッチである。したがって、被検物１０を角度Δθだけ角
変位させることによって、光ビームＬ１の受光位置を速
やかに初期の基準位置に一致させることができる。

【００３０】このときのＸ線強度が基準値より大きけれ
ば、被検物１０はＸ線ビームＢ２に対して平行でないと
判断し、次の図２（ｄ）において、図２（ｂ）と同様
に、被検物１０を徐々に上昇させて、Ｘ線強度が再び基
準値になるように、被検物１０の垂直位置を制御する。

【００３１】次に、図２（ｅ）において、図２（ｃ）と
同様に、被検物１０で反射した光ビームＬ１の受光位置
と初期の基準位置との差を計測して、式（１）を用いて
被検物１０の角度誤差Δθを算出する。

【００３２】こうして、被検物１０の上昇および角変位
を繰返して、Ｘ線強度が基準値に設定され、かつ、光ビ
ームＬ１の受光位置が初期の基準位置に設定された時点
で、被検物１０が平行位置、すなわちＸ線ビームＢ２の
進行方向と検査面とが平行に設定される。その後、Ｘ線
ビームＢ２に対する入射角度が所定の全反射角度になる
ように、テーブル制御部１５が移動テーブル１４を駆動
して、被検物１０に対するＸ線ビームの照射角の設定を
迅速に完了することができる。

【００３３】このようにして角度調整の迅速化および高
精度化が可能になる。さらに、光ビームＬ１を被検物１
０の表面に対して低い角度で入射させることによって、
被検物表面で全反射が実現するため、たとえばガラス板
などの透明な被検物に対しても調整可能となる。また、
被検物１０の表面が粗面であって光ビームＬ１を散乱す
るようなときは、図６で示した従来の方法に切換えるこ
とが可能になる。

【００３４】図３は、本発明の他の実施例である蛍光Ｘ
線分析装置１ｂを示す構成図である。本実施例におい
て、蛍光Ｘ線分析装置１ｂは図１に示したものと同様で
あるが、被検物１０の角度を計測するためのレーザ光源
３２および光センサアレイ３３をもう１組追加している
点が相違する。このように、２本の光ビームＬ１，Ｌ２
を用いて被検物１０の角度誤差を計測することによっ
て、測定範囲および測定精度をさらに向上させることが
可能となる。

【００３５】なお、以上の各実施例において、被検物１
０で反射した光ビームＬ１，Ｌ２が直接光センサアレイ
３１，３３で受光される例を説明したが、光センサアレ
イ３１，３３の分解能が足らないときは、光センサアレ
イ３１，３３の前に凹レンズを配置して光ビームＬ１，
Ｌ２の角変位を拡大することによって、角度誤差Δθの
測定精度をより向上させることができる。また、光セン
サアレイ３１，３３として１次元ＣＣＤを用いる例を説
明したが、１次元ＰＳＤ（光位置検出素子）を用いても
構わず、また２次元光センサアレイを用いても同様に計
測することが可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、被
検物の角度調整作業が迅速化されるとともに、検査領域
の位置および角度を直接計測することがてきるため、高
精度の位置決めが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である蛍光Ｘ線分析装置１ａ
を示す構成図である。

【図２】本発明の一実施例であるＸ線照射角設定方法を
示す工程図である。

【図３】本発明の他の実施例である蛍光Ｘ線分析装置１
ｂを示す構成図である。

【図４】従来の蛍光Ｘ線分析装置の一例を示す概略構成
図である。

【図５】従来の蛍光Ｘ線分析装置の他の例を示す構成図
である。

【図６】図５の蛍光Ｘ線分析装置において使用されるＸ
線照射角設定方法を示す工程図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 蛍光Ｘ線分析装置 １０ 被検物 １１ Ｘ線管 １２ 分光結晶 １３ａ，１３ｂ コリメータ １４ 移動テーブル １５ テーブル制御部 １６ 検出器 １７ 前置増幅器 １８ 比例増幅器 １９ 波高分析器 ２０ データ処理器 ２１ Ｘ線カウンタ ３０，３２ レーザ光源 ３１，３３ 光センサアレイ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検物の検査面に対して所定角度でＸ線
   ビームを照射するためのＸ線ビーム照射手段と、 前記検査面に付着した試料から発生する蛍光Ｘ線を検出
   するための蛍光Ｘ線検出手段と、 前記検査面近傍を通過するＸ線ビームの強度を検出する
   ためのＸ線ビーム検出手段と、 前記被検物を支持し、かつ当該検査面の３次元位置およ
   び前記Ｘ線ビームに対する角度を制御する被検物支持手
   段とを備える蛍光Ｘ線分析装置において、 前記Ｘ線ビームが照射される前記検査面の検査領域付近
   に光ビームを照射するための光ビーム照射手段と、 前記検査面から反射した光ビームの位置を検出するため
   の光ビーム位置検出手段とを備えることを特徴とする蛍
   光Ｘ線分析装置。
2. 【請求項２】 被検物の検査面に対するＸ線ビームの照
   射角を設定するＸ線照射角設定方法において、 前記被検物を前記Ｘ線ビームの進行方向に対して略垂直
   方向に移動させながら、前記被検物が遮る前記Ｘ線ビー
   ムの強度変化を検出して、前記被検物の高さを設定する
   工程と、 前記被検物の検査面に、前記Ｘ線ビーム進行方向と所定
   角度を成す光ビームを照射して、当該検査面で反射され
   る光ビームの位置を検出することによって、前記被検物
   の角度を設定する工程とを含むことを特徴とするＸ線照
   射角設定方法。