KR102144273B1 - X선 박막 검사 장치 - Google Patents

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요시야스 이토
히로시 모토노
무네오 요시다
히데아키 다카하시
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Abstract

본 발명의 X선 박막 검사 장치는, 제1의 선회 암(32)에 탑재된 X선 조사 유닛(40)과, 제2의 선회 암(33)에 탑재된 X선 검출기(50)와, X선의 조사에 의해 검사 대상으로부터 발생하는 형광 X선을 검출하는 형광 X선 검출기(60)와, X선 박막 검사 장치의 온도에 상당하는 온도를 측정하는 온도 측정 유닛(110)과, 온도 측정 유닛(110)에 의해 측정한 온도에 기초하여 검사 위치를 보정하는 온도 보정 시스템(중앙 처리 장치(100))을 구비하고 있다.

Description

X선 박막 검사 장치{X-RAY THIN FILM INSPECTION DEVICE}
이 발명은, 반도체 제조 분야 등, 기판 상에 다수의 박막을 적층한 다층막 구조의 소자를 제조하는 기술 분야에 적합한 X선 박막 검사 장치에 관한 것이다.
반도체 등, 기판 상에 다수의 박막을 적층한 다층막 구조의 소자는, 성막하는 박막의 막 두께, 밀도, 결정성 등의 상태에 의해서 특성이 변화된다. 최근, 이들 소자의 미세화·집적화가 진행되고, 그 경향은 현저해지고 있다. 이 때문에, 성막한 박막의 상태를, 정확하게 측정할 수 있는 박막 검사 장치가 요구되고 있다.
이런 종류의 검사 장치로서, 종래로부터 단면 투과 전자 현미경(TEM)에 의한 직접 계측이나, 광간섭이나 엘립소미트리(ellipsometry)를 이용한 막 두께 검사 장치나, 광음향식 장치 등이 알려져 있다. 단면 투과 전자 현미경(TEM)으로는, 인라인 제조 공정에 조합하여 실시간으로 검사 대상의 박막을 검사하지 못하고, 게다가 검사용으로 제조 라인으로부터 빼낸 제품은, 검사 후에 폐기되고 있는 것이 실정이었다. 또한, 광간섭이나 엘립소미트리를 이용한 막 두께 검사 장치나, 광음향식 장치는 인라인에는 적합하지만, 수 nm의 얇은 막의 측정에는 정밀도가 부족하다.
반도체 디바이스 메이커에 있어서는, 한번 쓰고 버리는 일회용의 검사용 웨이퍼(블랭킷 웨이퍼)가, 비용면에서 큰 부담이 되고 있다. 특히, 최근에는 반도체 웨이퍼의 대구경화가 진전되고 있어, 한 장의 블랭킷 웨이퍼에 드는 비용도 고가격화되고 있다.
일본 공개특허공보 2006-153767호 참조
여기서, 본 출원인은, 성막 제품의 제조 공정에 조합하여, 제품 그 자체를 직접 검사하고, 웨이퍼를 일회용으로 하는 것이 아니고 수 nm의 얇은 막이라도 충분한 정밀도로 검사 가능하게 하는 X선 박막 검사 장치를 제안하고 있다(특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2006-153767호 참조).
또한, 본 출원인은, 먼저 제안한 X선 박막 검사 장치의 개량을 거듭하여, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
X선 박막 검사 장치의 주위 온도가 변화되면, 상기 장치를 구성하는 각 부재가 약간이기는 하나 팽창 또는 수축하고, X선의 조사점인 상기 장치의 검사 위치가 3차원적으로 변동한다. 검사 위치에는, 예를 들면, 반도체 웨이퍼의 미소 패턴(피검사 부위)이 배치되고, 여기에 X선이 조사된다. 그렇지만, 온도 변화에 수반하여 검사 위치에 변동이 생겼을 경우, 피검사 부위인 반도체 웨이퍼의 미소 패턴에 X선을 적정하게 조사할 수 없고, X선에 의한 측정 정밀도의 저하를 초래할 우려가 있다.
반도체 제조 라인이 설치된 클린룸 내는, 고정밀도로 온도 관리가 이루어지고 있고, 예를 들면, 온도 변화는 1℃ 이내로 유지되고 있다. 그러나, 피검사 부위인 반도체 웨이퍼의 미소 패턴은 수십μm의 미소 면적이며, 이 미소 면적에 수속된 X선을 조사하여 X선 검사를 하는 과정에 있어서는, 미크론 단위에서의 위치 변동도 측정 결과에 크게 영향을 미친다.
여기서, 본 발명에 관한 X선 박막 검사 장치는, 온도 변화에 수반하는 검사 위치의 변동을 보정하여, X선의 조사점에 검사 위치를 맞추기 위한 온도 보정 시스템이 조립되어 있다.
즉, 본 발명의 X선 박막 검사 장치는,
검사 대상을 상면에 배치하는 시료대와,
시료대의 상면에 배치된 검사 대상에 있어서의 피검사 부위의 화상을 관찰하는 화상 관찰 수단과,
화상 관찰 수단에 의한 화상 관찰 결과에 기초하여 제어되고, 시료대를 수평면 상에서 직교하는 2방향, 높이 방향, 및 면내 회전 방향으로 이동시켜서, 검사 대상의 피측정 부위를 미리 설정된 장치의 검사 위치로 위치 결정하는 위치 결정 기구와,
검사 위치에 배치된 검사 대상의 피측정 부위로 X선을 조사하는 X선 조사 유닛과,
검사 위치에 배치된 검사 대상의 피측정 부위로부터 발생하는 형광 X선을 검출하는 형광 X선 검출기와,
이 X선 박막 검사 장치의 내부 온도에 상당하는 온도를 측정하는 온도 측정 수단과,
온도 측정 수단에 의해 측정한 온도에 기초하여, 검사 위치를 보정하는 온도 보정 시스템을 구비하고 있다.
또한, 본 발명의 X선 박막 검사 장치는,
시료대의 상면과 직교하는 가상 평면을 따라서 각각 선회하는 제1, 제2의 선회 부재를 구비한 고니오미터(goniometer)를 구비하고,
X선 조사 유닛은, 상기 제1의 선회 부재에 탑재되고,
제2의 선회 부재에는, 상기 검사 위치에 배치된 상기 검사 대상의 피측정 부위로부터 반사 또는 회절하여 오는 X선을 검출하는 X선 검출기를 탑재한 구성으로 할 수도 있다.
또한, 상기 온도 보정 시스템은, 상기 측정한 온도에 대해서, 일정한 시정수를 가지고 지연되어 변화하는 실효 온도에 기초하여 상기 검사 위치를 보정하는 구성으로 할 수 있다.
여기서, 온도 보정 시스템은, 온도 측정 수단에 의한 온도 측정을 반복하고, 다음의 (4-1) 및 (4-2)의 스텝을 실행하는 온도 보정 소프트웨어에 의해 검사 위치를 보정하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
(4-1) 온도 변화에 수반하는 n개의 위치 변동의 요인에 대하여, n번째의 위치 변동 요인의 시간 경과에 관한 계수인 시정수를 τn, 온도 변화에 관한 계수인 온도 정수를 Cn으로 하고, 온도 측정 수단에 의한 온도 측정을 t초 간격으로 실행해 나가고, 온도 측정의 개시로부터 i번째의 측정(측정 시각 t[i])에 있어서의 측정 온도 TM[i]에 기초하여, 그 때의 n번째의 위치 변동 요인의 실효 온도 TEn[i]를, 다음 식 (a)으로부터 추정한다.
[식 10]
Figure 112017045484906-pct00001
(4-2) 온도 측정의 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 위치 변동 ΔP[i]를, 다음 식 (b)에 의해서 산출한다.
[식 11]
Figure 112017045484906-pct00002
또한, 온도 보정 시스템은, 다음의 (5-1) 및 (5-2)의 스텝을 실행하는 온도 보정 소프트웨어에 의해, 각 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 산출하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
(5-1) 온도 측정 수단에 의한 온도 측정을 t초 간격으로 실행함과 함께, 각 온도 측정 시점에서의 검사 위치를 실측한다.
(5-2) 온도 변화에 수반하는 위치 변동이 없는 상태의 기준 위치를 P[0]으로 한 다음의 관계식 (c)을 이용하여, 온도 측정의 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 검사 위치 P[i]에, 상기 측정 시점에 있어서 (5-1)의 스텝에서 실측한 검사 위치를 삽입하고, 최소 이승법에 의해 각 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 산출한다.
[식 12]
Figure 112017045484906-pct00003
또한, 온도 측정 수단은, 이 X선 박막 검사 장치의 내부 온도에 상당하는 온도로서, 상기 X선 박막 검사 장치가 설치된 검사실 내의 공기 온도, 또는 상기 검사실의 배기구로부터 배출되어 오는 공기 온도를 측정하는 구성으로 할 수 있다.
또한, 온도 보정 시스템은, 화상 관찰 수단에 의한 화상 관찰 결과를 참조하여, 다음과 같이 검사 위치를 실측하는 구성으로 할 수 있다.
즉, 온도 보정 시스템은, 다음의 (8-1) 내지 (8-4)의 스텝을 실행하는 온도 보정 소프트웨어에 의해, 시료대가 이동하는 높이 방향의 검사 위치를 실측할 수 있다.
(8-1) 고니오미터를 제어하여, 제1의 선회 부재에 탑재된 X선 조사 유닛으로부터 출사되는 X선의 중심축을 수평으로 조정함과 함께, 상기 X선의 중심축 상에 제2의 선회 부재에 탑재된 X선 검출기를 대향 배치한다.
(8-2) X선 조사 유닛을 제어하여, X선 검출기를 향해서 X선을 조사한다.
(8-3) 위치 결정 기구를 제어하여, X선 검출기가 검출하는 X선 강도가, X선 조사 유닛으로부터 출사되는 X선의 강도의 1/2이 되도록, 시료대를 높이 방향으로 이동한다.
(8-4) 화상 관찰 수단을 제어하여, 상방으로부터 검사 위치에 상기 화상 관찰 수단의 초점을 맞추어서, 높이 방향의 검사 위치를 실측한다.
또한, X선 박막 검사 장치에 있어서, X선 조사 유닛에 의한 X선의 조사 위치와 화상 관찰 수단에 의한 화상 관찰 위치가 수평면 상의 다른 위치로 설정되어 있는 경우에,
온도 보정 시스템은, 다음의 (9-1) 내지 (9-4)의 스텝을 실행하는 온도 보정 소프트웨어에 의해, 시료대가 이동하는 수평면 상의 검사 위치를 실측할 수 있다.
(9-1) 위치 결정 기구를 제어하여, 온도 보정용의 시료가 검사 위치에 배치된 시료대를 수평 이동하고, 화상 관찰 수단으로부터의 화상 정보에 기초하여, 검사 위치를 화상 관찰 수단의 하방 위치에 배치한다.
(9-2) X선 조사 유닛으로부터 조사 위치를 향하여 X선을 조사한다.
(9-3) 위치 결정 기구를 제어하여, 검사 위치에 배치된 온도 보정용의 시료에 X선 조사 유닛으로부터의 X선이 조사되고, 상기 시료로부터 발생하는 형광 X선이 피크 강도에 도달하는 위치에, 시료대를 수평 이동한다.
(9-4) 스텝(9-1)의 위치로부터 스텝(9-3)의 위치까지의 시료대의 이동량에 기초하여, 수평면 상의 검사 위치를 실측한다.
상술한 온도 보정 시스템에 의해, 온도 변화에 수반하는 검사 위치의 변동을 보정하여, X선의 조사점에 검사 위치를 맞출 수 있고, 이것에 의해 고정밀의 X선 박막 검사를 실현하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 X선 박막 검사 장치의 전체 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 관한 X선 박막 검사 장치의 전체 구조를 나타내는 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 관한 X선 박막 검사 장치의 제어계를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 X선 박막 검사 장치의 제어 플로우차트이다.
도 5는 반도체 웨이퍼의 기울기 보정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 X선 조사 유닛에 관한 제1의 실시형태의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 7은 X선 조사 유닛에 관한 제1의 실시형태의 종단면도이다.
도 8은 X선 조사 유닛에 관한 제1의 실시형태의 횡단면도이다.
도 9는 X선 광학 소자에 있어서의 X선의 반사 궤도를 나타내는 도이다.
도 10A, 도 10B는 각각 X선 광학 소자로부터 반사되어 온 4개의 수속 X선을 광로 방향에서 본 도이다.
도 11은 X선 조사 유닛으로부터 반도체 웨이퍼의 검사면에 조사한 4개의 수속 X선의 궤도와, 상기 검사면으로부터 반사하여 X선 검출기에 입사하는 발산 X선의 궤도를 나타내는 모식도이다.
도 12는, 도 6과 동일하게, X선 조사 유닛에 관한 제1의 실시형태의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 13A, 도 13B는 슬릿 기구의 차폐판의 간극을 통과한 2개의 수속 X선을 광로 방향에서 본 도이다.
도 14는 X선 조사 유닛으로부터 반도체 웨이퍼의 검사면에 조사된 2개의 수속 X선의 궤도와, 상기 검사면으로부터 반사하여 X선 검출기에 입사하는 발산 X선의 궤도를 나타내는 모식도이다.
도 15는 슬릿 기구의 차폐판의 간극을 통과한 1개의 수속 X선을 광로 방향에서 본 도이다.
도 16은 X선 조사 유닛에 관한 제2의 실시형태의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 17은 X선 조사 유닛에 관한 제2의 실시형태의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 18은 도 17에 나타낸 X선 조사 유닛에 있어서의 X선 광학 소자의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 19는 도 17에 나타낸 X선 조사 유닛을 이용한 형광 X선 측정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 20은 온도 보정 시스템에 관한 실시형태에 있어서의 준비 단계의 스텝을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 21은 온도 보정 시스템에 관한 실시형태에 있어서의 Z 방향의 검사 위치의 실측 순서를 설명하기 위한 모식도이다.
도 22는 온도 보정 시스템에 관한 실시형태에 있어서의 X 방향 및 Y 방향의 검사 위치의 실측 순서를 설명하기 위한 모식도이다.
도 23은 본 발명자들에 의한 온도 보정에 관한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 24A, 도 24의 B는 X선 반사율 측정의 원리를 설명하기 위한 도이다.
도 25A, 도 25B는 X선 반사율 측정의 원리를 설명하기 위한 도이다.
도 26은 TDI 방식을 설명하기 위한 도이다.
도 27은 X선 반사율 측정 시스템의 개량에 관한 실시형태를 설명하기 위한 모식도이다.
도 28A, 도 28B는 X선 반사율 측정 시스템의 개량에 관한 실시형태를 설명하기 위한 도이다.
도 29는 도 27에 나타낸 X선 반사율 측정 시스템을 더 개량한 실시형태를 나타내는 모식도이다.
이하, 이 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
[X선 박막 검사 장치의 기본 구성]
도 1은 본 실시형태에 관한 X선 박막 검사 장치의 전체 구조를 나타내는 사시도, 도 2는 상기 장치의 정면도이다.
X선 박막 검사 장치는, 시료대(10), 위치 결정 기구(20), 고니오미터(30), X선 조사 유닛(40), X선 검출기(50), 형광 X선 검출기(60), CCD 카메라 등으로 이루어지는 광학 현미경(70)(화상 관찰 수단)을 구비하고 있다.
시료대(10)의 상면에는, 검사 대상이 되는 반도체 웨이퍼가 배치되고, 위치 결정 기구(20)에 의해서 구동된다. 위치 결정 기구(20)는, 수평면 내의 직각 2방향(X, Y 방향)으로 이동 가능한 수평 이동 기구와, 수평면과 직교하는 상하 방향(Z 방향)으로 이동 가능한 승강 기구와, 면내 회전 기구를 포함하고, 시료대(10)를 X, Y, Z 방향으로 이동시킴과 함께 면내 회전시켜서, 그 상면에 배치된 반도체 웨이퍼에 있어서의 임의의 피측정 부위를, 조사 X선의 수속 위치로 소정의 방향으로 위치 결정하는 기능을 가지고 있다.
고니오미터(30)는, 고니오미터 본체(31)에, 제1, 제2의 선회 암(선회 부재)(32, 33)을 탑재하고 있다. 각 선회 암(32, 33)은, 도 2의 지면(紙面)에 수직인 축(θX축, θD축)을 중심으로, 시료대의 상면과 직교하는 가상 평면을 따라서 각각 선회한다. 여기서, 제1의 선회 암(32)의 수평 위치로부터의 선회 각도를 θX, 제2의 선회 암(33)의 수평 위치로부터의 선회 각도를 θD로 한다.
θX축을 중심으로 선회하는 제1의 선회 암(32)에는, 복수대(도에서는 3대)의 X선 조사 유닛(40)이 선회 방향으로 나란하게 배열되어 탑재되어 있다. 또한, θD축을 중심으로 선회하는 제2의 선회 암(33)에는 X선 검출기(50)가 탑재되어 있다.
또한, 제1의 선회 암(32)에 탑재되는 X선 조사 유닛(40)의 대수는, 용도에 따라서 임의로 설정할 수 있다. 예를 들면, 제1의 선회 암(32)에 1대, 2대, 또는 4대 이상의 X선 조사 유닛(40)을 탑재한 구성으로 해도 좋다.
X선 조사 유닛(40)은, X선관으로부터 발생한 X선을, 특정의 파장의 X선으로 단색화함과 함께, 1개소에 수속시키는 기능을 가지고 있다.
X선 조사 유닛(40)으로부터의 X선이 조사되는 위치가 검사 위치가 되고, 시료대(10)의 상면에 배치된 검사 대상의 피측정 부위는, 위치 결정 기구(20)에 의해서 이 검사 위치로 위치 결정된다.
또한, X선 조사 유닛(40)의 상세에 대해서는 후술한다.
X선 검출기(50)는, X선 반사율 측정(XRR)이나 X선 회절 측정(XRD)에 이용하고, 형광 X선 검출기(60)는, 형광 X선 측정(XRF)에 이용한다. X선 반사율 측정에 의하면, 막 표면에서의 반사 X선과, 막과 기판의 계면에서의 반사 X선의 간섭을 측정하여 막 두께나 밀도를 구하기 때문에, 막 두께로 옹스트롬 오더의 측정 정밀도가 얻어진다. 또한, 형광 X선 측정에 의하면, 비교적 두꺼운 배선막의 측정을 고정밀도로 행할 수 있다. 본 실시형태의 X선 박막 검사 장치는, 이들 X선 반사율 측정과 형광 X선 측정에 더하여, 필요에 따라서 X선 회절 측정도 실시할 수 있게 되어 있다.
X선 검출기(50)로서는, 예를 들면, 입사 X선에 대한 다이나믹 레인지가 넓은 어밸런치(avalanche) 포토 다이오드(APD)를 이용할 수 있다.
또한, 제2의 선회 암(33)에 검출기 교환 기구를 조립함과 함께, APD, 1차원 X선 검출기, 2차원 검출기, 신틸레이션 카운터 등 각종 X선 검출기를 탑재하고, 검출기 교환 기구에 의해 X선 검출기를 전환하여 이용할 수 있는 구성으로 하는 것도 가능하다.
또한, 상술한 검사 위치의 상방 위치에는, 형광 X선 검출기(60)가 설치되어 있고, 또한, 광학 현미경(70)은, 검사 위치로부터 Lp만큼 수평 방향으로 어긋난 위치에 배치하여, 형광 X선 검출기(60)와의 간섭을 회피하고 있다.
시료대(10)에 배치한 검사 대상(예를 들면, 반도체 웨이퍼)의 피측정 부위는, 위치 결정 기구(20)에 의해 시료대(10)를 이동시키는 것으로, 광학 현미경(70)의 하방 위치에 배치된다. 그리고, 이 위치로부터 검사 위치를 향하여 수평 방향으로 Lp만큼 이동시키는 것으로, 검사 대상(예를 들면, 반도체 웨이퍼)의 피측정 부위가 검사 위치로 위치 결정된다.
또한, 시료대(10)의 상방에 기기 교환 기구를 마련하고, 이 기기 교환 기구에 의해 형광 X선 검출기(60)와 광학 현미경(70)의 어느 한쪽을 선택하여, 검사 위치의 상방 위치로 배치하는 구성으로 해도 좋다.
상술한 기본 구성의 X선 박막 검사 장치에 의하면, 제1의 선회 암(32)에, 복수대(도 1, 도 2에서는 3대)의 X선 조사 유닛(40)을 선회 방향을 따라 나란하게 탑재하는 것으로, 제1의 선회 암(32)을 선회시키는 것만으로, 복수대의 X선 조사 유닛(40)을 선택함과 함께, 선택한 X선 조사 유닛(40)을 측정 위치에 대해서 임의의 각도로 고정밀도로 위치 결정할 수 있다.
예를 들면, 본 장치에 의해 X선 반사율 측정을 실시하는 경우는, 원하는 X선을 발생시키는 X선 조사 유닛(40)을 선택하고, 측정 대상인 반도체 웨이퍼에 대해 표면을 거의 스칠 듯이 가까운 저각도(low angle)로 X선을 조사하도록, 선택한 X선 조사 유닛(40)을 배치하면 좋다. 또한, 통상의 X선 회절 측정을 실시하는 경우는, 선택한 X선 조사 유닛(40)의 위치를 순차 이동시켜서, 반도체 웨이퍼에 대한 X선의 입사 각도를 적절히 변경해 나간다. 또한, 형광 X선 측정을 실시하는 경우는, 측정 대상에 대해서 저각도로 X선을 조사하도록, 선택한 X선 조사 유닛(40)을 배치하면 좋다.
본 실시형태의 X선 박막 검사 장치에 의하면, 이들 X선 조사 유닛(40)의 선택과 위치 결정이, 제1의 선회 암(32)을 선회 이동시키는 것만으로 고정밀도로 행할 수 있다.
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X선 반사율 측정에서는, 단층막뿐만이 아니라, 표면으로부터 수 층의 각각의 층의 막 두께, 밀도, 러프니스(roughness)를 동시에 도출하는 것이 가능하다. 게다가, 복수대의 X선 조사 유닛(40)을 제1의 선회 암(32)에 탑재할 수 있게 되어 있으므로, 복수의 다른 파장의 X선 빔을 이용한 것보다 정밀도가 높은 다층막 해석이 실현 가능해진다.
형광 X선 측정에서는, 검사 대상(예를 들면, 반도체 웨이퍼)에 대응하여 형광 X선 측정에 적합한 파장의 X선을 발생하는 X선 조사 유닛(40)이 선택되고, 제1의 선회 암(32)이 선회하여 선택된 X선 조사 유닛으로부터 검사 대상에 대해서 저각도의 입사 각도 위치에 배치한다.
이와 같이 입사 각도를 저각도로 설정하는 것으로, 검사 대상으로의 입사 선이 형광 X선 검출기(60)로 차단되지 않는 여유 공간이 생기고, 기기 교환 기구(80)에 내장되어 있는 상하 이동 기구에 의해 형광 X선 검출기(60)를 하강시키고, 다른 원소를 측정할 경우에 비해 형광 X선 검출기(60)를 검사 대상의 표면에 근접하는 위치에 배치하는 것이 가능해진다.
이것에 의해, 검사 대상의 측정면과 형광 X선 검출기(60)의 사이의 X선 통로(X선의 입사 공간)를 미소 공간으로 할 수 있고, 검사 대상의 측정면으로부터 발생하는 형광 X선의 다수를 공기에 흡수되기 전에 형광 X선 검출기(60)가 포착 가능하게 된다.
도 3은 본 실시형태에 관한 X선 박막 검사 장치의 제어계를 나타내는 블럭도이다.
X선 조사 유닛(40)에 조립된 X선관(42)으로의 고압 전원(47)의 공급, 및 셔터(45)의 개폐 조작은, XG 컨트롤러(101)가 실행한다. 또한, 광학 현미경(70)이 포착한 화상은, 화상 인식 회로(102)에서 화상 인식된다. 또한, 광학 현미경(70)의 초점 위치는 포커스 컨트롤러(103)에 의해서 조정된다. 위치 결정 컨트롤러(104)는, 광학 현미경으로 포착되고, 화상 인식 회로(102)에 의해 인식된 화상 정보에 기초하여 위치 결정 기구(20)를 구동 제어한다. 고니오미터(30)는, 고니오 컨트롤러(106)에 의해서 구동 제어된다.
XG 컨트롤러(101), 화상 인식 회로(102), 포커스 컨트롤러(103), 위치 결정 컨트롤러(104), 고니오 컨트롤러(106)는, 중앙 처리 장치(CPU)(100)로부터의 설정 정보에 기초하여 각각 작동한다. 또한, X선 검출기(50)와 형광 X선 검출기(60)는, 각각 계수 제어 회로(107, 108)에 의해서 제어된다. 이들 각 컨트롤러, CPU, 계수 제어 회로가, X선 박막 검사 장치의 제어 수단을 구성하고 있다.
도 4는 반도체 웨이퍼를 검사 대상으로 한 X선 박막 검사를 실행할 때의 제어 플로우차트이다.
시료대(10) 상에 검사 대상이 되는 반도체 웨이퍼를 배치한 후, 우선 반도체 웨이퍼의 피측정 부위를 검사 위치로 위치 결정한다(스텝 S1). 이 위치 결정은, 위치 결정 기구(20)의 구동 제어를 가지고 실행된다. 즉, 광학 현미경(70)이 시료대(10) 상의 반도체 웨이퍼를 포착하고, 화상 인식 회로(102)에서 인식한 화상 정보에 기초하여 위치 결정 컨트롤러(104)가 위치 결정 기구(20)를 구동 제어한다. 위치 결정 기구(20)는, 수평 2방향(X-Y 방향) 및 높이 방향(Z 방향)으로 이동하여, 반도체 웨이퍼의 피측정 부위를 검사 위치에 배치한다.
반도체 웨이퍼에 형성되는 반도체 소자 내의 미소한 박막 패턴을 피측정 부위로 하는 경우는, 미리 검사 대상인 반도체 웨이퍼에 형성된 위치 결정용 패턴, 반도체 소자의 스크라이브·라인, 메모리부, 더미 패턴이나 IC 칩의 특정 부위 등 미소한 패턴을 화상 인식 회로(102)에 기억시켜 두고, 검사에 있어서 검사 대상인 반도체 웨이퍼의 검사 대상 영역을 광학 현미경(70)으로 관찰하고, 그 관찰 화상과 미리 기억되어 있는 상기 미소 패턴을 대비하여 맞추는 것으로, 피측정 부위인 미소 패턴인 것을 화상 인식 회로(102)가 판별한다. 그 판별 결과에 기초하여 위치 결정 기구(20)가 피측정 부위인 미소 패턴을 피측정 위치로 위치 결정한다.
또한, 상술한 바와 같이 반도체 웨이퍼에 형성되는 반도체 소자 내의 미소한 박막 패턴을 피측정 부위로 하는 경우, 그 길이 방향을 X선의 입사 방향에 맞추어서 배치하는 것이 바람직하다. 이 방향 맞춤은, 위치 결정 기구(20)에 의한 수평 2방향(X-Y 방향)의 이동과 면내 회전에 의해서, 짧은 이동 거리로 실현할 수 있다.
다음에, 반도체 웨이퍼의 기울기 보정을 행한다(스텝 S2). 이 기울기 보정은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 반도체 웨이퍼를 고정한 채로, 고니오미터(30)의 제1, 제2의 선회 암(32, 33)을 선회시켜서 행해진다. X선 조사 유닛(40)으로부터 반도체 웨이퍼에 조사되는 X선의 입사 각도가 θ이면, 반도체 웨이퍼의 표면으로부터는 θ의 각도로 X선이 반사되어 간다. 이 반사 X선을 X선 검출기(50)로 검출한다. 이것에 의해, 반도체 웨이퍼의 표면에 대해서 X선 조사 유닛(40)과 X선 검출기(50)가 동일한 각도 위치로 배치되고, 여기를 원점으로 하여 각각의 각도 제어를 실행하는 것이 가능해진다.
상술한 바와 같이 반도체 웨이퍼의 피측정부를 위치 결정함과 함께 기울기 보정을 실행한 후, X선 반사율 측정(XRR), 형광 X선 측정(XRF), X선 회절 측정(XRD)의 어느 하나를 가지고 X선 검사를 실행하고(스텝 S3), 중앙 처리 장치가 검사 데이터를 해석하여(스텝 S4), 해석 결과를 출력한다(스텝 S5).
이상의 각 스텝은 반도체 웨이퍼에 설정한 피측정 부위의 전부에 대해서 실행되고(스텝 S6), 전부의 피측정 부위의 검사가 종료된 후에 종료한다.
또한, 저각도에서의 형광 X선 측정(XRF)이나 X선 반사율 측정(XRR)에 있어서, 스루풋(throughput)을 우선하는 경우에는, 상술한 반도체 웨이퍼의 기울기 보정(스텝 S2)은 생략하기도 한다. 또한, 저각 이외에서의 형광 X선 측정(XRF)에 있어서는, 통상, 반도체 웨이퍼의 기울기 보정(스텝 S2)은 생략된다.
[X선 조사 유닛(첫번째)]
다음에, X선 조사 유닛(40)에 관한 제1의 실시형태에 대해서, 도 6 ~ 도 15를 참조하여 상세하게 설명한다.
X선 조사 유닛(40)은, 도 6에 나타내는 외관을 하고 있고, 도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 튜브 실드(유닛 본체)(41) 내에, X선원인 X선관(42)과 X선 광학 소자(43)를 내장한 모듈 구성으로서 소형 경량화를 실현하고 있다. 튜브 실드(41)는, X선을 차폐하는 금속 재료로 구성되어 있고, X선관(42)을 내장하는 제1 튜브(41a)와, X선 광학 소자(43)를 내장하는 제2 튜브(41b)로 분할되어 있다. 각 튜브(41a, 41b)는, 볼트 등의 체결 수단에 의해서 연결되어 일체화된다.
튜브 실드(41) 내에는, 도 7에 나타내는 바와 같이, X선관(42)으로부터 방사된 X선을 X선 출사구(41c)로 유도하는 X선 통로가 형성되어 있고, 제1 튜브(41a) 내에는 이 X선 통로를 개폐하는 셔터(45)가 마련되어 있다. 셔터(45)는 회전에 의해 개폐하여, X선관(42)으로부터 방사된 X선을 통과 또는 차폐하는 구성으로 되어 있다.
X선관(42)에는, 예를 들면, 타겟 상에서의 전자선 초점 사이즈가 φ30μm 정도이며, 출력이 30 W 정도의 미소 초점 X선 관구(管球)를 이용할 수 있다. 타겟 재료는, 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등, 필요에 따라서 선택할 수 있다. 그 밖에도, 철(Fe), 코발트(Co), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 은(Ag), 금(Au) 등이 사용된다. 예를 들면, 제1의 선회 암(32)에, 각각 타겟 재료가 다른 X선관(42)을 내장한 복수의 X선 조사 유닛(40)을 탑재할 수도 있다.
X선 광학 소자(43)로서는, X선관(42)으로부터 발생한 X선을 소정 위치에 수속시키는 콘포칼 미러를 이용하고 있다. 콘포칼 미러는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 4매의 다층막 미러(43a, 43b, 43c, 43d)에 의해서 구성된다. 각 다층막 미러(43a, 43b, 43c, 43d)는, 각각 타원호면(楕圓弧面)의 다층막으로 형성되어 있고, 인접하는 다층막 미러(43a와 43b, 및 43c와 43d)는, 각각 X선의 반사면의 끝 가장자리(端緣)가 약 90도의 각도를 가지고 교차하도록 배치되어 있다. 이 콘포칼 미러로 구성된 X선 광학 소자(43)는, X선관(42)에서 발생한 X선을 미소한 초점으로 수속할 수 있는 것과 함께, X선을 단색화한다. 예를 들면, X선관(42)이 Cu 타겟일 때에는 CuΚα, Mo 타겟일 때에는 MoΚα로 X선을 단색화할 수 있다. 또한, 단색화하는 X선의 파장에 대응하여, 다층막 미러를 적절히 선택하여 이용하는 것이 바람직하다.
도 9는 X선 광학 소자(콘포칼 미러)에 있어서의 X선의 반사 궤도를 나타내는 도이다.
X선 광학 소자(43)에 입사된 X선은, 4매의 다층막 미러 중 인접하는 2매의 다층막 미러(43a와 43b)의 사이에서 반사되고, 단색화된 수속 X선이 되어서 출사된다. 즉, 최초로 제1의 다층막 미러(43a)에서 반사된 X선은, 제2의 다층막 미러(43b)에서 더 반사되는 것으로, 도 10A에 나타내는 단면이 사각 형상인 수속 X선이 되어서 출사된다. 한편, 최초로 제2의 다층막 미러(43b)에서 반사된 X선은, 제1의 다층막 미러(43a)에서 더 반사되는 것으로, 동일하게 도 10A에 나타내는 단면이 사각 형상인 수속 X선이 되어서 출사된다. 마찬가지로, 도면에는 나타나지 않지만, 인접하는 다른 2매의 다층막 미러(43c와 43d)의 사이에서도 X선이 반사되어서, 도 10A에 나타내는 단면이 사각 형상인 수속 X선이 되어서 출사된다.
따라서, X선 광학 소자(43)에서는, 도 10A에 나타내는 바와 같이 가상 사각형의 4 모서리에, 각각 4개의 사각 형상을 한 수속 X선(Xa, Xb, Xc, Xd)이 출사된다.
또한, 도 10A에 나타내는 수속 X선(Xa, Xb, Xc, Xd)은, 도 9에 나타내는 바와 같이 X선 광학 소자(43)에서 반사되어서 수속 위치(fb)에 이르는 중간 위치의 절단면(A)에서 절단했을 때의 단면 형상을 나타내고 있고, 수속 위치(fb)에서는 이들 각 수속 X선(Xa, Xb, Xc, Xd)이 하나로 중첩된다.
따라서, 수속 위치(fb)에서 4개의 수속 X선(Xa, Xb, Xc, Xd)이 하나로 중첩되면, 1개의 수속 X선의 4배의 X선 강도를 얻을 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 수속 위치(fb)에서 2개의 수속 X선(Xb, Xd)이 하나로 중첩되면, 1개의 수속 X선의 2배의 X선 강도를 얻을 수 있다.
도 9에 나타내는 수속 X선(Xa, Xb, Xc, Xd)의 수속 위치(fb)는 반도체 웨이퍼의 측정 위치에 맞추져 있고, 이 수속 위치(fb)에 이미 기술한 위치 결정 기구(20)를 가지고 반도체 웨이퍼 내의 임의의 피측정 부위가 위치 결정된다. 또한, 측정 위치는 고니오미터(30)의 θ축 상에 설정해 둔다.
여기서, 도 9에 나타내는 바와 같이, X선관(42)에 있어서의 전자선의 초점 사이즈(길이)를 F1, X선관(42)의 초점(fa)으로부터 X선 광학 소자(43)의 반사 중심 위치까지의 거리를 L1, X선 광학 소자(43)의 반사 중심 위치로부터 수속 X선의 수속 위치(fb)까지의 거리를 L2로 했을 때, 수속 X선의 초점 사이즈(길이)(F2)는, 다음 식으로 나타난다.
F2 = F1(L2/L1)
따라서, 수속 X선의 초점 사이즈(F2)를 작게 하기 위해서는, X선관(42)의 초점(fa)으로부터 X선 광학 소자(43)의 반사 중심 위치까지의 거리(L1)를 가능한 한 길게 하는 것이 바람직하다. 또한, X선 광학 소자(43)의 반사 중심 위치로부터 수속 X선의 수속 위치(fb)까지의 거리(L2)를 짧게 하는 방법은, 반도체 웨이퍼에 간섭되어 버리는 등의 제약이 있어서 곤란하다.
X선 광학 소자(43)의 제2 튜브(41b)는, 제1 튜브(41a)에 대해서 회전 조정 가능하게 구성되어 있고, 예를 들면, 제2 튜브(41b)를 45도 회전시킨 상태로 고정하는 것으로, 내부에 조립된 X선 광학 소자(43)의 각 다층막 미러(43a, 43b, 43c, 43d)의 둘레 방향 위치를 45도 회전 이동시킬 수 있다. 이와 같이 각 다층막 미러(43a, 43b, 43c, 43d)의 둘레 방향 위치를 45도 회전 이동시키는 것으로, X선 광학 소자(43)로부터 반사되어 오는 수속 X선(Xa, Xb, Xc, Xd)의 궤도를, 도 10A로부터 도 10B의 위치로 변경할 수 있다.
그런데, 이미 기술한 바와 같이, 수속 위치(fb)에서 4개의 수속 X선(Xa, Xb, Xc, Xd)이 하나로 중첩되면, 1개의 수속 X선의 4배의 X선 강도를 얻을 수 있다. 그러나, 도 10A에 나타내는 4개의 수속 X선(Xa, Xb, Xc, Xd)을 반도체 웨이퍼의 피검사면에 조사했을 경우, 반도체 웨이퍼의 피검사면으로부터 반사되어 오는 반사 X선(Xra, Xrb, Xrc, Xrd)은, 도 11에 나타내는 바와 같이 확산되어서 X선 검출기(50)에 입사된다. 이와 같이, X선 검출기(50)에 입사되는 반사 X선(Xra, Xrb와 Xrd, Xrc)과의 사이에 높이 방향(Z 방향)의 확산이 있으면, 특히 X선 반사율 측정에서는, 고정밀의 측정 결과를 얻을 수 없다.
한편, 형광 X선 측정에 있어서는, 반도체 웨이퍼로부터 여기되어 나오는 형광 X선 Xf를 형광 X선 검출기(60)로 포착하기 때문에, 반사 X선(Xra, Xrb, Xrc, Xrd)의 확산은 측정 정밀도에 아무런 영향을 주지 않는다.
여기서, 형광 X선 측정에 있어서는, 도 10A나 도 10B에 나타내는 4개의 수속 X선(Xa, Xb, Xc, Xd)을 이용하여, 1개의 수속 X선의 4배의 X선 강도를 가지고 측정을 실시하는 것으로, 고정밀의 측정 결과를 얻는 것이 가능해진다. 일반적으로, X선 계측에 있어서의 계측 오차 중 통계 오차는 √N으로 나타나고(N는 X선 강도), 통계 오차율은 √N/N이 된다. X선 강도가 4배가 되면, 통계 오차율은 √(4N)/4N=1/2×√N/N이 된다. 즉, 4배의 X선 강도를 가지는 상기 구성으로 하는 것으로, 통계 오차율을 1/2로 저감할 수 있다.
도 6 및 도 12에 나타내는 바와 같이, X선 조사 유닛(40)에는, 튜브 실드(41)의 X선 출사구(41c)의 전방에, 출사되어 오는 X선의 일부를 차폐하기 위한 가동식(可動式)의 슬릿 기구(46)가 마련되어 있다. 이 슬릿 기구는, 상하로 배치된 2매의 차폐판(46a, 46b)이, 각각 직교하는 폭 방향(Y 방향) 및 높이 방향(Z 방향)으로 슬라이드 가능하게 조립되어 있고, 도시하지 않는 구동 모터로부터의 구동력을 가지고 이들 차폐판(46a, 46b)의 위치를 변경할 수 있는 구성으로 되어 있다. 각 차폐판(46a, 46b)은, X선을 차폐하는 재료로 형성되어 있다.
그리고, 도 6에 나타내는 퇴피 위치에 차폐판(46a, 46b)을 이동시키는 것으로, X선 출사구(41c)로부터 4개 전부의 수속 X선(Xa, Xb, Xc, Xd)(도 10 참조)을 출사시킬 수 있다.
한편, 도 12에 나타내는 바와 같이 출사되어 오는 X선의 일부를 차폐하는 위치에 일정한 간극을 두고 차폐판(46a, 46b)을 이동 배치하는 것으로, 예를 들면, 도 13A 또는 도 13B에 나타내는 바와 같이, X선 출사구(41c)로부터 2개의 수속 X선(Xc, Xd 또는 Xb, Xd)을 출사시킬 수 있다.
상술한 차폐판(46a, 46b)은, 발산 슬릿(DS: Divergence Slit)의 기능을 가지고 있다.
여기서, 도 13A 또는 도 13B에 나타내는 바와 같이 차폐판(46a, 46b)의 간극을 통과해 온 2개의 수속 X선(Xd, Xc(또는 Xb, Xd))은, 이들 2개의 수속 X선(Xd, Xc(또는 Xb, Xd))을 포함하는 가상 평면이, 상기 X선의 광로 방향에서 보아, 반도체 웨이퍼의 피검사면에 대해서 평행하게 입사되도록, 서로의 광로의 위치 관계가 조정되어 있다. 이 위치 관계의 조정은, 각 다층막 미러(43a, 43b, 43c, 43d)가 조립된 제2 튜브(41b)의 회전 조정에 의해 행할 수 있다.
이와 같이 출사된 2개의 수속 X선(Xc, Xd 또는 Xb, Xd)은, X선 반사율 측정에 적합하다. 즉, 도 14에 나타내는 바와 같이, 2개의 수속 X선(Xc, Xd(또는 Xb, Xd))을, 반도체 웨이퍼의 피검사면에 조사했을 경우, 반도체 웨이퍼의 피검사면으로부터 반사되어 오는 반사 X선(Xrc, Xrd(또는 Xrb, Xrd))은, 폭 방향(Y 방향)만큼만 확산되고, 높이 방향(Z 방향)으로의 확산은 없다. 따라서, X선 반사율 측정에 적합하다.
또한, 도 15에 나타내는 바와 같이, X선 출사구(41c)로부터 1개만의 수속 X선(Xc)을 출사시키도록 차폐판(46a, 46b)을 이동 배치할 수도 있다. 2개의 수속 X선을 이용하는 경우에 비하여 X선 강도가 1/2이 되지만, 폭 방향(Y 방향) 및 높이 방향(Z 방향)의 어느 쪽으로도 확산되는 일이 없기 때문에, 이 경우도 X선 반사율 측정에 이용할 수 있다.
또한, 구체적인 반사 X선의 확산 각도는 설계에 따라서 달라지지만, 일례로서 1개의 X선 빔이라도 0.5도의 확산각, 상하 2개 사이에서 4도의 확산각이 존재한다. 형광 X선 측정(XRF)에서는 4개의 X선 빔을 사용하는 것이 바람직하다. 한편, X선 반사율 측정(XRR)에서는 1개 또는 2개의 X선 빔을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, X선 반사율 측정(XRR)에서는, 사용하는 X선 빔의 일부를 차폐판(46a, 46b)으로 차폐하여, 빔 폭을 예를 들면 0.2도 ~ 0.1도로 제한하여 사용할 수도 있다. X선 검출기의 앞에는, 수광 슬릿(RS: Receiving Slit)을 마련하여 각도를 제한하고, 검사 대상에 대응하여 분해능을 변경할 수도 있다.
이와 같이, X선 조사 유닛(40)의 제1의 구성에 의하면, 4개의 수속 X선을 전부 이용하여 형광 X선 측정의 X선원으로 하거나, 2개 또는 1개의 수속 X선을 이용하여 반사율 측정의 X선원으로 하는 것이 가능해진다. 또한, 4개의 수속 X선을 이용하는 경우에 비하여 X선 강도는 작아지지만, 2개 또는 1개의 수속 X선을 이용하여 형광 X선 측정을 실시하는 것도 가능하다.
[X선 조사 유닛(두번째)]
다음에, X선 조사 유닛(40)에 관한 제2의 실시형태에 대해서, 도 16 ~ 도 19를 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시형태의 X선 조사 유닛(40)은, 형광 X선 측정에 적합한 큰 강도의 X선을 조사할 수 있도록 구성되어 있다.
X선 조사 유닛(40)은, 도 16에 나타내는 외관을 하고 있고, 도 17에 나타내는 바와 같이, 튜브 실드(유닛 본체)(41) 내에, X선원인 X선관(42)과 X선 광학 소자(43)를 내장한 모듈 구성이다. 튜브 실드(41)는, X선을 차폐하는 금속 재료로 구성되어 있고, X선관(42)을 내장하는 제1 튜브(41a)와, X선 광학 소자(43)를 내장하는 제2 튜브(41b)로 분할되어 있다. 각 튜브(41a, 41b)는, 연결 부재(41d)를 개재하여 연결되어 있다.
튜브 실드(41) 내에는, 도 16 B 및 도 17에 나타내는 바와 같이, X선관(42)으로부터 방사된 X선을 X선 출사구(41c)로 유도하는 X선 통로가 형성되어 있고, 제1 튜브(41a) 내에는 이 X선 통로를 개폐하는 셔터(45)가 마련되어 있다. 셔터(45)는 회전에 의해 개폐하여, X선관(42)으로부터 방사된 X선을 통과 또는 차폐하는 구성으로 되어 있다.
X선관(42)의 타겟 재료는, 금(Au), 몰리브덴(Mo) 등, 필요에 따라서 선택할 수 있다. 그 밖에도, 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 은(Ag) 등이 사용된다.
X선 광학 소자(43)는, 도 18에 나타내는 바와 같이, 3차 곡면 이상의 고차 곡면을 한 반사면을 가지는 게르마늄(Ge), 실리콘(Si), 갈륨 비소(GaAs) 등의 반도체 단결정판으로 이루어지는 2중 만곡 분광 결정판(DCC)(43A)을, 지지 블록(43B)에 고정한 구성으로 되어 있다. 이 X선 광학 소자(43)는, 길이 방향으로 만곡하여 X선의 억셉턴스 앵글을 설정할 뿐만 아니라, 길이 방향과 직교하는 폭 방향으로도 만곡시켜서 X선의 억셉턴스 앵글을 설정한 구성으로 되어 있고, 넓은 면적이며 또한 큰 억셉턴스 앵글을 가지고 X선관(42)으로부터의 X선을 반사시키는 것으로, 큰 강도의 X선을 조사할 수 있도록 되어 있다. 이 X선 광학 소자(43)도 입사된 X선을 단색화하는 기능을 가지고 있는 것은 물론이다. 예를 들면, X선관(42)이 Mo 타겟일 때에는 Mo-Κα, Au 타겟일 때에는 Au-Lβ로 X선을 단색화할 수 있다.
그런데, 상술한 3차 곡면 이상의 고차 곡면을 한 반사면을 가지는 2중 만곡 분광 결정판(43A)은, 예를 들면, 국제 공개공보 WO2007/072906호에 개시된 고온 엠보싱의 제법으로 제작할 수 있다. 예를 들면, 평판 형상의 반도체 단결정판을 엠보싱 부재로 끼워 지지하여 고온 가압하여 소성 변형시키는 것으로, 넓은 면적이며 또한 큰 억셉턴스 앵글을 가지는 3차 곡면 이상의 고차 곡면을 한 2중 만곡 분광 결정판(43A)을 제작할 수 있다. 여기서, 2중 만곡 분광 결정판(43A)의 결정 격자면은, 예를 들면, 비대칭 Johann형 또는 Logarithmic spiral형의 X선 회절 조건을 만족하도록 조정되어 있다.
도 16 및 도 17로 돌아와서, X선 조사 유닛(40)은, 튜브 실드(41) 내에 입사측 애퍼처(aperture)(47a)와 출사측 애퍼처(47b)가 마련되어 있다. 입사측 애퍼처(47a)는, X선관(42)으로부터 방사된 X선을 좁혀서 2중 만곡 분광 결정판(43A)의 반사면에 효율적으로 조사시키기 위한 투과창 부재이다. 또한 출사측 애퍼처(47b)는, 2중 만곡 분광 결정판(43A)에서 반사되어 온 X선을 좁혀서 효율적으로 X선을 수속시켜서 초점으로 유도하기 위한 투과창 부재이다.
입사측 애퍼처(47a)는, X선을 차폐할 수 있는 금속 재료로 형성된 차폐 부재의 중앙부에 X선을 투과하는 개구부를 마련한 구성으로 되어 있다. 또한, 출사측 애퍼처(47b)는, X선을 차폐할 수 있는 금속 재료로 형성된 차폐 부재의 중앙부에 X선을 투과하는 개구부를 마련함과 함께, 이 차폐 부재를 직교하는 높이 방향(Z 방향)과 폭 방향(Y 방향)으로 이동할 수 있는 구성이다. 그리고, 제2 튜브(41b)에 마련한 높이 조정 나사(47c)를 가지고 X선을 투과시키는 개구부의 높이 위치를 미조정할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 제2 튜브(41b)에 마련한 가로 위치 조정 나사(47d)를 가지고 X선을 투과시키는 개구부의 폭 방향 위치를 미조정할 수 있는 구성으로 되어 있다.
또한, 도 17에 나타내는 바와 같이, 튜브 실드(41)의 연결 부재(41d)는, 제1 튜브(41a)에 대해 제2 튜브(41b)를 출사하는 X선의 광로 방향으로 이동 조정할 수 있는 구조이고, 이것에 의해 X선관(42)으로부터 출사된 X선의 광로에 대해, X선 광학 소자(43)의 반사면의 위치를 미조정할 수 있게 되어 있다. 또한, 제1 튜브(41a)는 연결 부재(41d)에 대해서 도 17의 화살표 θ 방향으로 선회될 수 있도록 구성되어 있고, 마이크로 미터(48)의 조작에 의해 그 선회각 θ를 미조정할 수 있다. 이것에 의해 X선관(42)으로부터 출사된 X선에 대해, X선 광학 소자(43)의 반사면으로의 입사각 θ를 미조정할 수 있게 되어 있다.
상술한 구성의 X선 조사 유닛(40)은, 도 19에 나타내는 바와 같이 형광 X선 측정에 적합한 광학계를 형성할 수 있다. 즉, X선관(42)으로부터 방사된 X선을, X선 광학 소자(43)에서 단색화함과 함께 반사 수속하여, 반도체 웨이퍼의 피검사면에 조사한다. 그리고, 반도체 웨이퍼로부터 나타난 형광 X선을 형광 X선 검출기(60)로 포착하여 분석한다.
도 6 ~ 도 15에 나타낸 제1의 실시형태의 X선 조사 유닛(40)과, 도 16 ~ 도 19에 나타낸 제2의 실시형태의 X선 조사 유닛(40)은, 도 1에 나타낸 X선 박막 검사 장치에 있어서의 제1의 선회 암(32)에 각각 탑재할 수 있다. 예를 들면, 도 1에 3대 탑재한 X선 조사 유닛(40) 중, 중앙의 X선 조사 유닛(40)을, 도 6 ~ 도 15에 나타낸 제1의 실시형태의 X선 조사 유닛(40)으로 하고, 또한 상부의 X선 조사 유닛(40)을, Au-Lβ의 X선을 조사하는 도 16 ~ 도 19에 나타낸 제2의 실시형태의 X선 조사 유닛(40)으로 하고, 또한 하부의 X선 조사 유닛(40)을, Mo-Κα의 X선을 조사하는 도 16 ~ 도 19에 나타낸 제2의 실시형태의 X선 조사 유닛(40)으로 한다.
이와 같이 각종 X선 조사 유닛(40)을 제1의 선회 암(32)에 탑재해 두면, X선 조사 유닛(40)을 선회 이동시키는 것만으로, X선 반사율 측정이나 형광 X선 측정에 적합한 X선 조사 유닛(40)을 단시간에 효율적으로 세팅할 수 있다.
[온도 보정 시스템]
다음에, X선 박막 검사 장치의 온도 보정 시스템에 대해서 상세하게 설명한다.
X선 박막 검사 장치의 내부 온도가 변화되면, 상기 장치를 구성하는 각 부재가 약간이기는 하나 팽창 또는 수축하고, X선의 조사점인 상기 장치의 검사 위치가 3차원적으로 변동한다. 검사 위치에는, 예를 들면, 반도체 웨이퍼의 미소 패턴(피측정 부위)이 배치되고, 여기에 X선이 조사된다. 그렇지만, 온도 변화에 수반하여 검사 위치에 변동이 생겼을 경우, 피측정 부위인 반도체 웨이퍼의 미소 패턴에 X선을 적정하게 조사할 수 없고, X선에 의한 측정 정밀도의 저하를 초래할 우려가 있다.
반도체 제조 라인이 설치된 클린룸 내는, 고정밀도로 온도 관리가 이루어지고 있고, 예를 들면, 온도 변화는 1℃ 이내로 유지되고 있다. 그러나, 피측정 부위인 반도체 웨이퍼의 미소 패턴은 수십μm의 미소 면적이며, 이 미소 면적에 수속된 X선을 조사하여 X선 검사를 하는 과정에 있어서는, 미크론 단위에서의 위치 변동도 측정 결과에 크게 영향을 미친다.
여기서, 본 실시형태에 관한 X선 박막 검사 장치에는, 온도 변화에 수반하는 검사 위치(X선의 조사 위치)의 변동을 보정하여, X선의 조사점에 검사 위치를 맞추기 위한 온도 보정 시스템이 조립되어 있다.
<온도 보정의 원리>
본 실시형태에 관한 X선 박막 검사 장치의 온도 보정 시스템은, 다음의 원리에 기초하여 온도 변화에 기초하는 위치 변동을 보정하고 있다.
온도 변화에 수반하는 검사 위치(X선 조사 위치)를 변동시키는 요인(위치 변동 요인)을 크게 분류하면, X선 빔의 이동, 검사 대상의 이동, 광학 현미경(70)의 이동을 생각할 수 있다. 예를 들면, 고니오미터(30)의 팽창·수축 등으로부터 X선 빔이 이동하고, 시료대(10)의 팽창·수축 등으로부터 검사 대상이 이동하고, 광학 현미경(70)을 지지하는 지지 프레임의 팽창·수축 등으로부터 광학 현미경(70)에 의한 관찰 위치가 이동한다.
여기서, 온도 변화에 수반하는 n개의 위치 변동의 요인에 대하여, 각 위치 변동 요인의 시간 경과에 관한 계수(시정수(時定數:time constant) τ)와 온도 변화에 관한 계수(온도 정수(temperature constant) C)를 고려하여, 온도 변화에 수반하는 위치 변동을 추정한다.
구체적으로는, n번째의 위치 변동 요인의 시정수를 τn, 온도 정수를 Cn으로 하고, t초 간격으로 온도를 측정해 나가고, 측정 개시로부터 i번째의 측정(측정 시각 t[i])에 있어서의 측정 온도가 TM[i]라고 가정한다. 이 때의 실효 온도 TEn[i]는, 점화식(漸化式) (1)로 산출할 수 있다.
[식 1]
Figure 112017045484906-pct00004
또한, 온도 측정 개시시의 측정 온도 TM[0]과 실효 온도 TEn[0]과의 차이를, ΔTn으로 하면, 이들의 사이에는 다음 식 (2)의 관계가 성립한다.
[식 2]
Figure 112017045484906-pct00005
온도 정수 Cn은, 실효 온도가 1℃ 변화했을 때의 위치 변화량에 대응한다. 그리고, 측정 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 높이 방향(Z 방향)의 위치 변동 ΔZ[i]는, 각 위치 변동 요인의 실효 온도 TEn[i]와 온도 정수 Cn을 이용하여, 다음 식 (3)과 같이 추정할 수 있다.
[식 3]
Figure 112017045484906-pct00006
따라서, 측정 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 높이 방향의 검사 위치 Z[i]는, 온도 변화에 수반하는 위치 변동이 없는 상태의 기준 위치를 Z[0]으로 하여, 이것에 상기 온도 변화에 수반하는 위치 변동 ΔZ[i]를 더하여, 다음 식 (4)와 같이 추정할 수 있다.
[식 4]
Figure 112017045484906-pct00007
또한, 기준 위치 Z[0]은, 온도 측정 개시시의 검사 위치에 대응한다. 그러나, 온도 측정 개시시의 각 위치 변동 요인에 관한 측정 온도와 실효 온도의 차이 ΔTn을 추정하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에, ΔTn=0으로 하여, 각 위치 변동 요인의 시정수에 비하여 충분한 시간이 경과하고 나서의 온도 측정 데이터를 이용하는 것이 바람직하다. 이것은, 후술하는 폭 방향(Y 방향) 및 광로 방향(X 방향)의 위치 변동을 구할 때도 마찬가지이다.
각 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn은, 측정 개시로부터 i번째까지의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 높이 방향(Z 방향)의 검사 위치를 실측하고, 그 실측 검사 위치를 상기 식 (4)의 Z[i]에 삽입하여, 최소 이승법에 의해 구할 수 있다.
이와 같이 하여, 각 위치 변동 요인의 변수(시정수 τn과 온도 정수 Cn)를 결정하면, 이들의 변수를 상기의 식 (1) 및 식 (3)에 삽입하고, 이들 각 식에 기초하여 측정 온도 TM[i]의 데이터로부터, 측정 시각 t[i]에 있어서의 검사 위치의 높이 방향의 위치 변동 ΔZ[i]를 산출할 수 있다.
다음에, 측정 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 수평면 상의 길이 방향(X 방향)의 위치 변동 ΔX[i]는, 각 위치 변동 요인의 실효 온도 TEn[i]와 온도 정수 Cn을 이용하여, 다음 식 (5)와 같이 추정할 수 있다.
[식 5]
Figure 112017045484906-pct00008
따라서, 측정 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 수평면 상의 길이 방향(X 방향)의 검사 위치 X[i]는, 온도 변화에 수반하는 위치 변동이 없는 상태의 기준 위치를 X[0]으로 하여, 이것에 상기 온도 변화에 수반하는 위치 변동 ΔX[i]를 더하여, 다음 식 (6)과 같이 추정할 수 있다.
[식 6]
Figure 112017045484906-pct00009
그리고, 각 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn은, 측정 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 수평면 상의 길이 방향(X 방향)의 검사 위치를 실측하고, 그 실측 검사 위치를 상기 식 (6)의 X[i]에 삽입하여, 최소 이승법에 의해 구할 수 있다.
이와 같이 하여, 각 위치 변동 요인의 변수(시정수 τn과 온도 정수 Cn)를 결정하면, 이들의 변수를 상기의 식 (1) 및 식 (5)에 삽입하고, 이들 각 식에 기초하여 측정 온도 TM[i]의 데이터로부터, 측정 시각 t[i]에 있어서의 검사 위치의 수평면 상에서의 길이 방향(X 방향)의 위치 변동 ΔX[i]를 산출할 수 있다.
또한, 측정 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 수평면 상에서의 폭 방향(Y 방향)의 위치 변동 ΔY[i]는, 각 위치 변동 요인의 실효 온도 TEn[i]와 온도 정수 Cn을 이용하여, 다음 식 (7)과 같이 추정할 수 있다.
[식 7]
Figure 112017045484906-pct00010
따라서, 측정 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 수평면 상에서의 폭 방향(Y 방향)의 검사 위치 Y[i]는, 온도 변화에 수반하는 위치 변동이 없는 상태의 기준 위치를 Y[0]으로 하여, 이것에 상기 온도 변화에 수반하는 위치 변동 ΔY[i]를 더하여, 다음 식 (8)과 같이 추정할 수 있다.
[식 8]
Figure 112017045484906-pct00011
그리고, 각 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn은, 측정 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 수평면 상에서의 폭 방향(Y 방향)의 검사 위치를 실측하고, 그 실측 검사 위치를 상기 식 (8)의 Y[i]에 삽입하여, 최소 이승법에 의해 구할 수 있다.
이와 같이 하여, 각 위치 변동 요인의 변수(시정수 τn과 온도 정수 Cn)를 결정하면, 이들의 변수를 상기의 식 (1) 및 식 (7)에 삽입하고, 이들 각 식에 기초하여 측정 온도 TM[i]의 데이터로부터, 측정 시각 t[i]에 있어서의 검사 위치의 수평면 상에서의 폭 방향(Y 방향)의 위치 변동 ΔY[i]를 산출할 수 있다.
<온도 보정 시스템의 개요>
본 실시형태에 관한 온도 보정 시스템은, 도 3에 나타낸 중앙 처리 장치(100)에 저장된 온도 보정 소프트웨어에 기초하여, 후술하는 온도 보정 방법을 실행하는 구성으로 되어 있다.
또한, X선 박막 검사 장치는, 온도 보정 시스템의 구성 요소인 온도 측정 유닛(110)을 구비하고 있다(도 3 참조). 온도 측정 유닛(110)에는, 공지의 각종 온도 센서나 열전대를 이용할 수 있다. 본래는, 온도 측정 유닛에 의해, 온도 변화에 수반하는 위치 변동 요인인 각종 장치 구성 부재의 내부 온도를 측정해야 하나, 다수의 구성 부재의 내부 온도를 일일이 측정하는 것은 곤란하고 현실적이지 않다. 여기서, 본 실시형태에서는, 각종 장치 구성 부재의 내부 온도를 일일이 측정하지 않아도 좋도록, 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 구했다. 따라서, 온도는, 장치를 구성하는 모든 부재의 외부 온도를 대표하는 지점에서 측정하면 좋다. 구체적으로는, 온도 측정 유닛(110)에 의해, X선 박막 검사 장치가 설치된 검사실 내의 공기 온도나, 검사실의 배기구로부터 배출되어 오는 공기 온도를 측정하고, 이것을 상술한 식 (1)에 있어서의 측정 온도 TM[i]로 했다.
<온도 보정 방법>
중앙 처리 장치(100)는, 저장된 온도 보정 소프트웨어에 기초하여, 다음의 온도 보정 방법을 실행한다. 온도 보정 방법은, 상술한 원리에 있어서의 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 구하는 준비 단계와, 구한 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 삽입한 상기의 식 (1), (3), (5), (7)에 기초하여, 온도 측정과 위치 보정을 반복하는 실행 단계로 나눌 수 있다.
우선, 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 구하는 준비 단계에 대해서 설명한다.
도 20의 플로우차트에 나타내는 바와 같이, 준비 단계에서는, 우선 온도 변화에 수반하는 위치 변동 요인을 설정하여 측정을 개시하고(스텝 S1, S2), 일정한 측정 간격마다 온도 측정과 검사 위치의 실측을 행한다(스텝 S3, S4). 이들 온도 측정과 검사 위치의 실측을 미리 설정한 시간만큼 반복하여 실행한다(스텝 S5).
그리고, 높이 방향(Z 방향)의 위치 변동이면, 얻어진 측정 데이터를 상기 식 (4)의 Z[i]에 삽입하여, 최소 이승법에 의해 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 구한다(스텝 S6). 마찬가지로, 수평면 상에서의 길이 방향(X 방향)의 위치 변동이면, 얻어진 측정 데이터를 상기 식 (6)의 X[i]에 삽입하여, 최소 이승법에 의해 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 구한다(스텝 S6). 또한, 수평면 상에서의 폭 방향(Y 방향)의 위치 변동이면, 얻어진 측정 데이터를 상기 식 (8)의 Y[i]에 삽입하여, 최소 이승법에 의해 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 구한다(스텝 S6).
여기서, 높이 방향(Z 방향)의 검사 위치의 실측은, 다음의 순서로 행할 수 있다.
우선, 도 21에 나타내는 바와 같이, 시료대(10)의 상면에 온도 보정용의 시료(S)를 배치하고, 이 시료(S)의 피측정부(SA)를, 광학 현미경(70)의 하방 위치로 이동시킨다. 계속하여, 고니오미터(30)의 각 선회 암(32, 33)을 회전 구동하여, 소정의 X선 조사 유닛(40)과 X선 검출기(50)가 시료대(10)를 사이에 두고 수평 대향 위치에 배치되도록 설정한다. 이러한 배치 관계에서는, X선 조사 유닛(40)으로부터 조사된 X선의 중심축은 수평이 되고, 대향 배치한 X선 검출기(50)에 있어서의 검출면의 중심으로 입사된다.
다음에, 중간 위치에 있는 시료대(10)를 높이 방향(Z 방향)으로 이동하고, X선 검출기(50)로 검출되는 X선의 강도가, X선관(42)으로부터 방사되는 X선 강도의 1/2이 되도록 조정한다. 이것에 의해, X선관(42)으로부터 방사된 X선의 1/2이 시료대(10) 및 시료(S)의 측면에 차단되고, 나머지의 1/2이 시료(S)의 상방을 통과하여 X선 검출기(50)에 입사하는 위치에 시료(S)가 배치된다. 이 배치에 있어서, 시료(S)의 상면은 X선관(42)으로부터 방사되는 X선의 중심축과 일치한다. 이 높이 위치가 높이 방향의 검사 위치가 되고, X선 박막 검사에 있어서는, 이 높이 위치에 X선 조사 유닛(40)으로부터 X선이 조사된다. 이들 일련의 조작을, 일반적으로 「샘플 서피스 센터링(sample surface centering)」으로 칭하고 있다.
다음에, 광학 현미경(70)의 오토 포커스 기구를 이용하여, 도 21에 나타내는 바와 같이, 광학 현미경(70)의 초점을 시료(S)의 피측정 부위(SA)에 맞추어서, 광학 현미경(70)으로부터 상기 시료(S)의 상면까지의 거리(h)를 측정한다. 본 실시형태에서는, 이 거리(h)를 검사 위치에 관한 높이 방향(Z 방향)의 실측 위치로 하고 있다.
다음에, 수평면 상에서 직교하는 길이 방향(X 방향) 및 폭 방향(Y 방향)의 검사 위치의 실측 순서에 대해서 설명한다.
도 1에 나타낸 X선 박막 검사 장치에서는, 도 22A에 나타내는 바와 같이, 검사 위치(X선 조사 유닛(40)에 의한 X선의 조사 위치)(Px)와, 광학 현미경(70)에 의한 관찰 위치(Pc)가, 수평면 상에서 거리(Lp)만큼 이간한 위치로 설정되어 있다. 이것은, 도 22B에 나타내는 바와 같이, 검사 위치의 상방에는 형광 X선 검출기(60)가 설치되기 때문에, 광학 현미경(70)을 동일한 위치에 설치할 수 없기 때문이다.
여기서, 우선 도 22A에 나타내는 바와 같이, 시료대(10)를 수평 이동하여, 시료대(10)의 상면에 배치한 시료(S)의 측정점(SA)을, 광학 현미경(70)에 의한 관찰 위치(Pc)의 중심에 배치한다. 이것은 광학 현미경(70)이 포착한 영상을, 화상 인식 회로(102)에서 화상 인식하여, 상기 화상에 기초하여 중앙 처리 장치(100)가 위치 결정 기구(20)를 제어하는 것으로 실행할 수 있다.
다음에, 검사 위치에 배치한 시료(S)의 측정점(SA)을, 검사 위치(Px)에 이동 배치한다. 이것은, 도 22B에 나타내는 바와 같이, 검사 위치(Px)를 향해서 X선 조사 유닛(40)으로부터 X선을 조사하면서, 시료대(10)를 수평 이동시키고, 형광 X선 검출기(60)로 시료(S)로부터 출사되는 형광 X선을 검출하는 것으로 실행할 수 있다. 즉, 시료(S)의 측정점(SA)이 검사 위치(Px)(즉, X선 조사 유닛(40)에 의한 X선의 조사 위치)에 배치되었을 때, 형광 X선 검출기(60)로 검출되는 형광 X선이 피크 강도에 도달한다. 또한, 온도 보정용의 시료(S)는, X선 조사에 의해 형광 X선을 여기하는 재료로 구성한다.
본 실시형태에서는, 이와 같이 하여 시료대(10)에 배치한 시료(S)의 측정점(SA)을, 광학 현미경(70)에 의한 관찰 위치로부터 검사 위치(Px)로 이동했을 때의, 길이 방향(X 방향)의 이동량(x)을, 시료대(10)의 검사 위치에 관한 수평면 상에서의 길이 방향(X 방향)의 실측 위치로 하고 있다.
마찬가지로, 시료대(10)의 검사 위치에 배치한 시료(S)의 측정점(SA)을, 광학 현미경(70)에 의한 관찰 위치로부터 검사 위치(Px)로 이동했을 때의, 폭(Y 방향)의 이동량(y)를, 시료대(10)의 검사 위치에 관한 수평면 상에서의 폭 방향(Y 방향)의 실측 위치로 하고 있다.
온도 보정의 실행 단계에서는, 상술한 순서로 구한 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을, 상술한 식 (1), (3), (5), (7)의 파라미터로서 설정하고, 중앙 처리 장치(100)가 이들의 식에 기초하여 온도 보정을 실행한다. 이 온도 보정의 실행 단계는, X선의 박막 검사의 실행과 병행하여 행해진다. 즉, X선의 박막 검사를 실행하고 있는 동안, 중앙 처리 장치(100)는, 온도 측정 유닛(110)으로부터 이송되어 오는 온도 측정 데이터를 입력하고, 이 온도 측정 데이터에 기초하여, 식 (1), (3), (5), (7)로부터 검사 위치의 온도 변화에 수반하는 위치 변동을 산출하고, 그 변동량만큼 시료대의 위치를 미조정한다.
이것에 의해, 항상 X선의 조사점에 시료대(10)의 검사 위치를 합치시켜서, 고정밀의 X선의 박막 검사를 행하는 것이 가능해진다.
그런데, 본 발명자들은, 온도 변화에 수반하는 위치 변동의 요인으로서 X선 박막 검사 장치를 구성하는 각 부재의 시정수의 상이에 착안하여, 시정수 τ가 큰 부재와 시정수 τ가 작은 부재의 2개로 나누고(즉, N=2), 이들 2개의 위치 변동 요인을 설정하여, 상술한 온도 보정을 실행했을 때, 온도 변화에 수반하는 위치 변동을 극히 고정밀도로 보정할 수 있었다. 또한, 시정수는, 부재의 비열 및 열팽창율과 열전도 거리에 의해 정해진다. 예를 들면, 얇은 파이프 부재에서는 시정수가 작고, 사이즈가 큰 부재에서는 시정수가 커진다.
도 23은 본 발명자들에 의한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
반도체 제조 라인이 설치된 클린룸 내에 설치되어 있는 X선 박막 검사 장치를 대상으로 하여, 상기 장치의 내부 온도를 측정하고, 상기 장치의 온도 변화에 수반하는 위치 변동을 보정했다.
본 실험에서는, 온도 변화에 수반하는 위치 변동 요인으로서 시정수가 266.2초로 작은 것(위치 변동 요인(n1))과, 시정수가 10272.5초로 큰 것(위치 변동 요인(n2))의 2개를 설정하고, 상술한 식 (4)에 기초하여, 광학 현미경(70)으로부터 시료대(10)의 상면까지의 거리(h)의 계산치를 산출했다(도 23의 DATA3 참조). 또한, 위치 변동 요인(n1)의 온도 정수는 -12.98μm/℃, 위치 변동 요인(n2)의 온도 정수는 13.20μm/℃이다.
그리고, 광학 현미경(70)으로부터 시료대(10)의 상면까지의 거리(h)의 계산치와 실측치와의 차분(즉, 변동량)을 구한 결과, 도 23의 DATA4에 나타내는 바와 같이 변동량은 극히 작은 값을 나타내고 있고, 그 결과, 본 발명의 온도 보정 시스템에 의해, 온도 변화에 수반하는 위치 변동을 고정밀도로 보정할 수 있는 것이 명백해졌다.
[X선 반사율 측정 시스템의 개량]
다음에, X선 박막 검사 장치의 X선 반사율 측정에 관한 시스템의 개량에 대해서 설명한다.
주지(周知)와 같이, X선 반사율 측정은, 특히 박막의 두께나, 박막 표면의 거칠기, 박막과 기재 사이의 계면의 거칠기, 박막의 밀도 등을 측정하는데 적합하다. 이 X선 반사율 측정의 원리는, 이하와 같다(도 24, 도 25 참조).
도 24A에 있어서, 표면이 평탄한 물질(201)의 표면을 거의 스칠 듯이 가깝게 X선을 입사, 즉 저각도 θ로부터 X선을 입사시키면, 임계 각도 이하에서는 전반사를 일으킨다. 이 임계 각도는 매우 작고, 예를 들면 CuKα의 X선에 대해, Si나 유리판에서는 0.22°, Ni에서는 0.42°, 그리고 Au에서는 0.57°이다.
이 임계 각도는, 물질의 전자 밀도에 의존하여 변화한다. X선의 입사 각도가 이 임계 각도보다 커짐에 따라서, X선은 점차 물질 중에 깊게 파고 들어간다. 그리고, 이상적인 평면을 가진 물질에서는, 도 24의 B에 곡선(A)으로 나타내는 바와 같이, 임계 각도를 θc 이상의 각도로, X선 반사율이 θ-4(θ는 X선 입사각)에 비례하여 급격하게 감소한다. 또한, 물질의 표면이 거칠면, 감소의 정도는 파선(B)으로 나타내는 바와 같이 한층 커진다. 도면의 세로축에 있어서, I0는 입사 X선 강도이며, I는 반사 X선 강도이다.
도 25A에 나타내는 바와 같이, 이러한 물질을 기판(201)으로 하여, 그 기판(201) 상에 전자 밀도가 다른 별개 물질을 균일하게 적층하여 박막(202)을 형성한다. 그리고, X선을 저각도로 입사시키면, 기판(201)과 박막(202)의 사이의 계면, 및 박막(202)의 표면에서 반사한 X선이, 서로 강하게 하거나 약하게 하거나 한다. 그 결과, 도 25B에 나타내는 바와 같이, 반사율 곡선에 X선의 간섭에 의한 진동 패턴(C)이 나타난다.
이 진동 패턴(C)의 주기로부터, 박막(202)의 두께를 결정할 수 있고, 또한 진동 패턴(C)의 진폭의 각도 의존성으로부터, 표면 및 계면의 정보가 얻어진다. 또한, 진동 패턴의 주기와 진폭의 양쪽 모두를 아울러 검토하는 것으로써, 박막(202)의 밀도가 구해진다.
본 발명의 X선 박막 검사 장치에 의해 X선 반사율 측정(XRR)을 실시하는 경우, X선 검출기(50)로서, 이미 출시된 어밸런치 포토 다이오드(APD) 대신에 1차원 X선 검출기를 이용하여, TDI(Time Delay Integration)로 칭해지는 주사 방식을 가지고 X선의 검출 데이터를 취득할 수도 있다.
TDI 방식으로는, 도 26에 나타내는 바와 같이, 복수의 병렬 배치된 검출기(a1, a2, a3, a4)를 병렬 방향(도의 Q방향)으로 주사하여, 검출기 1개분이 이동하는 타이밍(t1, t2, t3, t4, …, tL)으로 각 검출기(a1, a2, a3, a4, …, aM)로부터 검출 데이터를 읽어낸다. 그리고, 각 검출기(a1, a2, a3, a4, …, aM)의 검출 데이터를 주사 각도(2θ1, 2θ2, 2θ3, 2θ4, …, 2θN)마다 서로 더하여, 각 주사 각도(2θ1, 2θ2, 2θ3, 2θ4, …, 2θN)에 있어서의 X선 강도를 구한다.
구체적으로는, 고니오 컨트롤러(106)로부터 단위 각도 Δθ마다 제어 신호를 출력하여, 고니오미터(30)의 각 선회 암(32, 33)을 선회시킨다. 이 때, 고니오 컨트롤러(106)로부터 단위 각도 Δθ마다 출력되는 제어 신호를 트리거로 하여, 1차원 X선 검출기로부터의 검출 신호를 읽어낸다. 그리고, 일정 시간마다 고니오미터(30)의 각 선회 암(32, 33)의 선회 각도 θ를 시프트하여, 1차원 X선 검출기로부터의 검출 신호를 적분해 나간다.
본 실시형태의 TDI 방식으로는, 각 선회 암(32, 33)의 선회각 θX=θD의 관계를 유지하여, 각 선회 암(32, 33)을 선회 구동시킨다. 이것에 의해, 검사 대상으로의 X선의 입사각 θ(=θX)를 변화시키면서, 또한 1차원 X선 검출기도 검출 각도 위치를 변화시켜서, 반사 X선을 검출하고 있다.
또한, TDI 방식에 의한 X선 검출 데이터의 취득은, 중앙 처리 장치(100)에 저장된 TDI 방식용의 소프트웨어로 실행하는 구성으로 할 수 있다. 또한, TDI 방식에 의한 X선 검출 데이터의 취득은, 1차원 X선 검출기 내부의 하드웨어나 신호 제어 회로(펌웨어)에 의해서 실행하는 것도 가능하다.
그런데, 검사 대상으로부터 반사되어 오는 X선의 발산폭을 2δ로 했을 때, TDI에 의한 주사 범위를, 각도 발산폭 2δ 상당으로 제한하면 효율적이다. 또한, 1차원 X선 검출기의 픽셀폭 xM이 검출 범위가 된다. 이 때, X선 반사율 측정을 실시 범위를 0 ~ θmax로 하면, 고니오미터의 주사 범위 θX는, θ-δ ~ θmax+δ가 된다. TDI에 의한 주사 범위가 2δ보다 큰 경우는, 고니오미터의 주사 범위가 증가하여, 스루풋이 저하된다.
이 TDI 방식을 채용하는 것으로써, 측정의 신속화와 함께 각 주사 각도에 있어서 큰 검출 강도를 얻는 것이 가능해진다.
이들의 구성을 채용한 X선 반사율 측정 시스템의 개요를 도 27에 나타낸다.
도 27에 나타내는 바와 같이, X선 조사 유닛(40)으로부터 입사 X선(수속 X선) X0를 박막 시료(W)(예를 들면, 반도체 웨이퍼)의 표면을 스칠 듯이 가깝게 조사하고, 박막 시료(W)로부터 반사되어 온 반사 X선 X1을 1차원 X선 검출기(51)로 검출한다. X선 조사 유닛(40)으로서는, 예를 들면, 이미 기술한 바와 같은 X선 광학 소자(43)에 콘포칼 미러를 이용한 구성의 것을 채용한다(도 6 ~ 도 15 참조). 이 경우, 도 13이나 도 15에 나타낸 바와 같이 반사 X선 X1의 주사 방향으로의 발산을 억제하여 이용할 필요가 없고, 반대로 넓은 발산각의 입사 X선 X0에 대한 반사 X선을 동시에 계측하는 것에 의하여 계측 시간을 단축할 수 있다. 그리고, TDI 방식을 가지고 1차원 X선 검출기(51)를 주사하고, X선의 검출 데이터를 취득한다.
상술한 바와 같이, TDI의 주사 범위를 반사 X선의 각도 발산폭 2δ로 좁혔을 경우에는, 박막 시료(W)로부터 반사되어 온 반사 X선 X1에 대해서, 산란 X선을 차폐하기 위한 수광 슬릿(RS: Receiving Slit)은 마련할 필요는 없다.
이와 같이 수광 슬릿을 사용하지 않고 반사 X선의 전체 범위를 이용하여 TDI 방식의 X선 반사율 측정을 실시하기 때문에, 측정 속도가 현격히 향상된다.
한편, 수광 슬릿을 마련하지 않는 경우, 공기나 검사 대상 표면으로부터의 산란 X선, 검사 대상으로부터 발생한 형광 X선 등이 1차원 X선 검출기에 입사되고, 측정 대상이 되는 반사 X선 이외의 백그라운드(BG)가 증가되고, 1차원 X선 검출기(51)의 다이나믹 레인지가 감소된다.
여기서, 본 실시형태에서는, 도 27에 나타내는 바와 같이 X선 흡수 부재(52)를 설치하고, 박막 시료(W)로부터 반사되어 오는 반사 X선 X1의 강도를 X선 흡수 부재(52)에 의해 감쇠시켜서 1차원 X선 검출기(51)로 조사하는 구성을 채용하고 있다. 이 X선 흡수 부재(52)는, 박막 시료로부터 적어도 전반사되어 오는 반사 X선 X1의 강도를 감쇠시켜서 1차원 X선 검출기(51)에 입사시키도록 배치되어 있다. 바람직하게는, X선 흡수 부재(52)는, 도 25B에 나타낸 전반사 영역(Z)을 포함하는데, 측정 데이터로서 중요한 진동 패턴(C)이 나타나는 주사 각도에는 이르지 않는 임의의 주사 각도 θd까지의 범위를 커버하도록 배치한다. 즉, 주사 각도 θd보다 작은 주사 각도 범위에 있어서는, 박막 시료(W)로부터 큰 강도의 X선 X1이 반사되어 온다. 이러한 큰 강도의 반사 X선 X1의 광로상에 X선 흡수 부재(52)를 개재시키고, 동일 부재로 그 반사 X선 X1의 일부를 흡수한다.
X선 흡수 부재(52)를 개재시킨 주사 각도 범위에서는, 도 28A에 나타내는 바와 같이 1차원 X선 검출기(51)로 입사하는 X선의 강도가 작아진다. 이 범위의 X선 검출 데이터는, 소프트웨어에 의해 보정하여, 도 28B에 나타내는 바와 같이 X선 흡수 부재(52)에 의한 X선의 감쇠량에 대응하는 강도만큼 높여서, X선 흡수 부재(52)를 개재시키지 않은 주사 각도 범위의 X선 검출 데이터와의 연속성을 확보한다.
이상의 구성에 의해, 1차원 X선 검출기(51)를 이용한 TDI 방식에 의한 X선 반사율 측정의 신속화를 실현할 수 있다.
또한, 도 29에 나타내는 바와 같이, 박막 시료(W)의 표면에 있어서의 입사 X선 X0의 수속 위치(또는 반사 X선 X1의 출사 위치)와 대향하는 위치에 X선 차폐 부재(53)를 배치해도 좋다. X선 차폐 부재(53)는, X선을 투과시키지 않는 재료로 쐐기 형상 또는 판 형상으로 형성되어 있고, 박막 시료(W)의 표면과 직교하도록 배치되어 있다. 또한, 박막 시료(W)의 표면과 X선 차폐 부재(53)의 사이에는, 박막 시료(W)에 입사하는 입사 X선 X0(또는 박막 시료(W)로부터의 반사 X선 X1)이 겨우 통과할 수 있는 정도로 작은 간극이 형성되어 있다.
이와 같이 X선 차폐 부재(53)를 배치하는 것으로, 공기로부터의 산란 X선이나 반사 미러로부터의 고스트 등을 X선 차폐 부재(53)에 의해서 차폐하고, 그들 반사 X선 이외의 X선의 1차원 X선 검출기(51)로의 입사를 억제하고, 백그라운드(BG) 성분을 저감시키는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 주로 1차원 X선 검출기(51)에 입사하는 반사 X선 강도가 약해지는 비교적 고각(高角)의 영역에 있어서 SN비를 향상시키고, X선 반사율 측정의 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있다.
공기나 박막 시료(W)의 표면으로부터의 산란 X선이나, 박막 시료(W)로부터 발생한 형광 X선 등의 1차원 X선 검출기(51)로의 입사를 억제하기 위해서는, 반사 X선 X1의 광로에 대해서 산란 슬릿(54)(SS: Scattering Slit)을 배치해도 좋다. 이 경우, 산란 슬릿(54)만을 반사 X선 X1이 겨우 통과할 수 있는 정도의 작은 간극을 두고 배치할 수도 있지만, 상술한 X선 차폐 부재(53)와 함께 이중으로 산란 X선이나 형광 X선을 차폐하는 구성으로 하면, 한층 더 효과적으로 그들 반사 X선 이외의 X선의 1차원 X선 검출기(51)로의 입사를 억제하고, 백그라운드(BG) 성분을 저감시키는 것이 가능해진다.
또한, 상술한 실시형태에서는, 1차원 X선 검출기를 이용하여 TDI 방식에 의한 X선 반사율 측정을 실시했지만, 2차원 X선 검출기를 이용하여 TDI 방식에 의한 X선 반사율 측정을 실시할 수도 있다. 이 구성은, 도 16 및 도 17에 나타낸 바와 같이 폭 방향으로 확산된 2개의 X선 빔을 이용했을 경우나, X선 산만 산란을 측정하는 경우에 적합하다.
또한, X선 흡수 부재(52)를 1차원 X선 검출기 또는 2차원 검출기의 수광면에 장착할 수도 있다. 이 경우는, 얻어진 X선 검출 데이터를 소프트웨어에 의해 보정하여, 각도마다 적분해 나간다.
10: 시료대,
20: 위치 결정 기구,
30: 고니오미터,
31: 고니오미터 본체,
32: 제1의 선회 암,
33: 제2의 선회 암,
40: X선 조사 유닛,
41: 튜브 실드,
41a: 제1 튜브,
41b: 제2 튜브,
42: X선관,
43: X선 광학 소자,
46: 슬릿 기구,
46a: 차폐판,
46b: 차폐판,
50: X선 검출기,
51: 1차원 X선 검출기,
52: X선 흡수 부재,
53: X선 차폐 부재,
54: 산란 슬릿,
60: 형광 X선 검출기,
70: 광학 현미경,
100: 중앙 처리 장치,
110: 온도 측정 유닛

Claims (10)

  1. 검사 대상을 상면에 배치하는 시료대와,
    상기 시료대의 상면에 배치된 상기 검사 대상에 있어서의 피검사 부위의 화상을 관찰하는 화상 관찰 수단과,
    상기 화상 관찰 수단에 의한 화상 관찰 결과에 기초하여 제어되고, 상기 시료대를 수평면 상에서 직교하는 2방향, 높이 방향, 및 면내 회전 방향으로 이동시켜서, 상기 검사 대상의 피측정 부위를 미리 설정된 장치의 검사 위치로 위치 결정하는 위치 결정 기구와,
    상기 검사 위치에 배치된 상기 검사 대상의 피측정 부위로 X선을 조사하는 X선 조사 유닛과,
    상기 검사 위치에 배치된 상기 검사 대상의 피측정 부위로부터 발생하는 형광 X선을 검출하는 형광 X선 검출기와,
    이 X선 박막 검사 장치의 내부 온도를 추정하기 위한 당해(當該) 장치의 외부 온도를 측정하는 온도 측정 수단과,
    상기 온도 측정 수단에 의해 측정한 온도에 기초하여 상기 검사 위치를 보정하는 온도 보정 시스템을 구비하고,
    상기 온도 보정 시스템은, 온도 변화에 수반하는 위치 변동의 요인을 특정하고, 각 위치 변동 요인의 시간 경과에 관한 계수(시정수 τ)와 온도 변화에 관한 계수(온도 정수 C)를 고려하여, 온도 변화에 수반하는 위치 변동을 추정하는 것에 의해, 당해 추정한 위치 변동에 기초하여 상기 검사 위치를 보정하는 X선 박막 검사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 보정 시스템은, 상기 온도 측정 수단에 의한 온도 측정을 반복하고,
    다음의 (2－1) 및 (2－2)의 스텝을 실행하는 온도 보정 소프트웨어에 의해 상기 검사 위치를 보정하는 X선 박막 검사 장치.
    (2－1) 온도 변화에 수반하는 n개의 위치 변동의 요인에 대해, n번째의 위치 변동 요인의 시간 경과에 관한 계수인 시정수를 τn, 온도 변화에 관한 계수인 온도 정수를 Cn으로 하고, 상기 온도 측정 수단에 의한 온도 측정을 t초 간격으로 실행해 나가고, 온도 측정의 개시로부터 i번째의 측정(측정 시각 t[i])에 있어서의 측정 온도 TM[i]에 기초하여, 그 때의 상기 n번째의 위치 변동 요인의 실효 온도 TEn[i]를 추정한다.
    (2－2) 온도 측정의 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 위치 변동 ΔP[i]를, 상기 각 위치 변동 요인의 실효 온도 TEn[i]와 온도 정수 Cn을 이용하여 산출한다.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 보정 시스템은, 상기 온도 측정 수단에 의한 온도 측정을 반복하고,
    다음의 (4-1) 및 (4-2)의 스텝을 실행하는 온도 보정 소프트웨어에 의해 상기 검사 위치를 보정하는 X선 박막 검사 장치.
    (4-1) 온도 변화에 수반하는 n개의 위치 변동의 요인에 대하여, n번째의 위치 변동 요인의 시간 경과에 관한 계수인 시정수를 τn, 온도 변화에 관한 계수인 온도 정수를 Cn으로 하고, 상기 온도 측정 수단에 의한 온도 측정을 t초 간격으로 실행해 나가고, 온도 측정의 개시로부터 i번째의 측정(측정 시각 t[i])에 있어서의 측정 온도 TM[i]에 기초하여, 그 때의 상기 n번째의 위치 변동 요인의 실효 온도 TEn[i]를, 다음 식 (a)으로부터 추정한다.
    Figure 112020037904469-pct00012

    (4-2) 온도 측정의 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 위치 변동 ΔP[i]를, 다음 식 (b)에 의해서 산출한다.
    Figure 112020037904469-pct00013
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도 보정 시스템은, 다음의 (5-1) 및 (5-2)의 스텝을 실행하는 상기 온도 보정 소프트웨어에 의해, 상기 각 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 산출하는 X선 박막 검사 장치.
    (5-1) 상기 온도 측정 수단에 의한 온도 측정을 t초 간격으로 실행함과 함께, 각 온도 측정 시점에서의 상기 검사 위치를 실측한다.
    (5-2) 온도 변화에 수반하는 위치 변동이 없는 상태의 기준 위치를 P[0]으로 한 다음의 관계식 (c)을 이용하여, 온도 측정의 개시로부터 i번째의 측정 시점(측정 시각 t[i])에 있어서의 검사 위치 P[i]에, 상기 측정 시점에 있어서 상기 (5-1)의 스텝에서 실측한 검사 위치를 삽입하고, 최소 이승법에 의해 상기 각 위치 변동 요인의 시정수 τn과 온도 정수 Cn을 산출한다.
    Figure 112020037904469-pct00014
  6. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 측정 수단은, 이 X선 박막 검사 장치의 내부 온도를 추정하기 위한 상기 장치의 외부 온도로서, 상기 X선 박막 검사 장치가 설치된 검사실 내의 공기 온도, 또는 상기 검사실의 배기구로부터 배출되어 오는 공기 온도를 측정하는 X선 박막 검사 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 온도 보정 시스템은, 상기 화상 관찰 수단에 의한 화상 관찰 결과를 참조하여, 상기 검사 위치를 실측하는 X선 박막 검사 장치.
  8. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 시료대의 상면과 직교하는 가상 평면을 따라서 각각 선회하는 제1, 제2의 선회 부재를 구비한 고니오미터(goniometer)를 구비하고,
    상기 X선 조사 유닛은, 상기 제1의 선회 부재에 탑재되고,
    상기 제2의 선회 부재에는, 상기 검사 위치에 배치된 상기 검사 대상의 피측정 부위로부터 반사 또는 회절하여 오는 X선을 검출하는 X선 검출기가 탑재되어 있는 X선 박막 검사 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 온도 보정 시스템은, 상기 시료대가 이동하는 높이 방향의 검사 위치를 보정하는 구성이며, 다음의 (8-1) 내지 (8-4)의 스텝을 실행하는 상기 온도 보정 소프트웨어에 의해 상기 높이 방향의 검사 위치를 실측하는 X선 박막 검사 장치.
    (8-1) 상기 고니오미터를 제어하여, 상기 제1의 선회 부재에 탑재된 X선 조사 유닛으로부터 출사되는 X선의 중심축을 수평으로 조정함과 함께, 상기 X선의 중심축 상에 상기 제2의 선회 부재에 탑재된 X선 검출기를 대향 배치한다.
    (8-2) 상기 X선 조사 유닛을 제어하여, 상기 X선 검출기를 향해서 X선을 조사한다.
    (8-3) 상기 위치 결정 기구를 제어하여, 상기 X선 검출기가 검출하는 X선 강도가, 상기 X선 조사 유닛으로부터 출사되는 X선의 강도의 1/2이 되도록, 상기 시료대를 높이 방향으로 이동한다.
    (8-4) 상기 화상 관찰 수단을 제어하여, 상방으로부터 상기 검사 위치에 상기 화상 관찰 수단의 초점을 맞추어서, 높이 방향의 상기 검사 위치를 실측한다.
  10. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 X선 조사 유닛에 의한 X선의 조사 위치와, 상기 화상 관찰 수단에 의한 화상 관찰 위치가 수평면 상의 다른 위치에 설정된 X선 박막 검사 장치에 있어서,
    상기 온도 보정 시스템은, 상기 시료대가 이동하는 수평면 상의 검사 위치를 보정하는 구성이며, 다음의 (9-1) 내지 (9-4)의 스텝을 실행하는 상기 온도 보정 소프트웨어에 의해 상기 수평면 상의 검사 위치를 실측하는 X선 박막 검사 장치.
    (9-1) 상기 위치 결정 기구를 제어하여, 온도 보정용의 시료가 상기 검사 위치에 배치된 상기 시료대를 수평 이동하고, 상기 화상 관찰 수단으로부터의 화상 정보에 기초하여, 상기 검사 위치를 상기 화상 관찰 수단의 하방 위치에 배치한다.
    (9-2) 상기 X선 조사 유닛으로부터 조사 위치를 향해서 X선을 조사한다.
    (9-3) 상기 위치 결정 기구를 제어하여, 상기 검사 위치에 배치된 상기 온도 보정용의 시료에 상기 X선 조사 유닛으로부터의 X선이 조사되고, 상기 시료로부터 발생하는 형광 X선이 피크 강도에 도달하는 위치로, 상기 시료대를 수평 이동한다.
    (9-4) 상기 스텝(9-1)의 위치로부터 상기 스텝(9-3)의 위치까지의 상기 시료대의 이동량에 기초하여, 수평면 상의 상기 검사 위치를 실측한다.
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