KR20240042152A - 투과형 소각 산란 장치 - Google Patents

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키요시 오가타
세이 요시하라
요시야스 이토
카즈히코 오모테
히로시 모토노
시게마쯔 아사노
카쯔타카 호라다
센스이 야스다
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가부시키가이샤 리가쿠
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Abstract

본 발명의 투과형 소각 산란 장치는, 선회 암(11)을 포함하는 고니오미터(10)를 구비하고 있다. 선회 암(11)은, 연직 방향의 배치 상태를 원점으로 해서, 그 원점으로부터 수평 방향으로 연장되는 θ축 둘레로 회동 자유롭다. 그리고, 선회 암(11)의 하측 단부에 X선 조사 유닛(20)을 탑재함과 함께, 선회 암(11)의 상측 단부에 이차원 X선 검출기(30)를 탑재하는, 세로형 배치 구조로 되어 있다.

Description

투과형 소각 산란 장치{TRANSMISSIVE SMALL-ANGLE SCATTERING DEVICE}
본 발명은, 예를 들면, 반도체 제조 공정의 현장에 있어서 비파괴로 반도체 디바이스를 측정할 수 있는 투과형 소각 산란 장치(T－SAXS： Transmission - Small Angle X-ray Scattering)에 관한 것이다.
근래의 반도체 디바이스는, 성능 향상을 위해서 고밀도화, 다층화, 회로 패턴의 복잡화 등이 진행되고 있다. 특히, 삼차원 구조의 NAND 플래시 메모리(3D－NAND)에 있어서는, 용량 밀도의 증대에 수반하여 다층화가 진행되고 있으며, 그 결과로서, 애스펙트비가 큰 필러(직경： 수십∼수백 ㎚, 높이：수 ㎛)나 트렌치(깊은 홈)를 가지는 구조로 되어 있다.
종래, 반도체 디바이스의 삼차원 구조의 측정에는, 주로 광 치수 계측(OCD： Optical Critical Dimension) 장치가 이용되어 왔지만, 이 장치에서는 상기와 같이 복잡한 구조를 측정할 수 없는 상황이 발생하고 있다. 주사형 전자 현미경(SEM： Scanning Electron Microscope)이나 투과형 전자 현미경(TEM： Transmission Electron Microscope)을 이용하면, 깊이 방향의 측정도 가능하기는 하다. 그러나, 이들 전자 현미경에 의한 측정은, 측정 대상을 파괴한 측정 수법으로 되기 때문에, 반도체 제조 공정에 있어서 제조된 반도체 디바이스를, 그 자리에서 비파괴로 측정할 수는 없다.
근래, 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 투과형의 소각 산란 장치를, 반도체 디바이스의 구조 측정에 이용하기 위하여, 분석 기기 제조회사(메이커) 각 사가 개발을 진행하고 있지만, 아직도 실용화에는 이르지 못한 것이 현상태이다.
일본공개특허 특개2017－125848호 공보
본 발명의 목적은, 상술한 사정을 감안해서 이루어진 것으로, 복잡한 구조로 되어 있는 반도체 디바이스의 미세 형상이더라도, 제조 공정의 현장에 있어서 비파괴로 효율적으로 측정할 수 있는 투과형 소각 산란 장치의 제공을 목적으로 한다.
본 발명에 관계된 투과형 소각 산란 장치는, 검사 대상이 되는 시료를 배치하는 시료 보유지지부(保持部)와, 시료 보유지지부를 이동시키는 시료 위치결정 기구와, 선회 암을 포함하는 고니오미터와, 선회 암에 탑재된 X선 조사 유닛과, 선회 암에 탑재된 이차원 X선 검출기를 구비하고 있다. 그리고, 선회 암은, 연직 방향의 배치 상태를 원점으로 해서, 그 원점으로부터 수평 방향으로 연장되는 θ축 둘레로 회동 자유롭고, X선 조사 유닛은, 선회 암의 하측 단부에 탑재되고, 이차원 X선 검출기는, 선회 암의 상측 단부에 탑재되어 있고, 시료 보유지지부에 배치된 시료에 대해서, X선 조사 유닛으로부터 출사된 수속(收束) X선을 아래쪽으로부터 조사함과 함께, 상기 시료를 투과한 수속 X선 주위에 생긴 산란 X선을 이차원 X선 검출기가 시료의 위쪽 위치에서 검출하는 구성으로 한 것을 특징으로 한다.
이와 같은 세로형 배치 구조로 함으로써, 비교적 좁은 면적의 마루면(床面)에도 설치할 수가 있다.
여기서, 선회 암은, 복수의 암 부재에 의해서 구성하고, 그 중 하나의 암 부재를 고니오미터의 θ회전축에 고정시킴과 함께, 그 θ회전축에 고정된 암 부재에 대해, 다른 암 부재가 슬라이드해서 서로 겹치는 구성으로 해도 된다.
이와 같이 각 암 부재를 접는 것에 의해, 전체길이를 짧게 해서 콤팩트한 형태로 할 수가 있다.
또, 시료 보유지지부는, 시료 보유지지 프레임의 내측에 형성되고, 이 시료 보유지지 프레임의 내측은 X선 투과구멍으로 되어 있고, 이 X선 투과구멍과 대면하는 상태에서 시료를 지지하는 구성으로 해도 된다.
또, 시료 보유지지 프레임의 내주연에는, 복수 개소로부터 흡착 지지편을 내측으로 돌출시켜서 마련하고, 이들 흡착 지지편에 의해서 시료의 외주연부의 일부분을 흡착 지지하는 구성으로 해도 된다.
이와 같이 구성함으로써, 시료 이면의 넓은 범위에 접촉하는 일 없이, 시료를 지지할 수가 있다.
게다가, 흡착 지지편에 의해서 지지된 일부 미소 영역을 제외한 시료의 거의 전역에 대해, X선 조사 유닛으로부터의 X선을 X선 투과구멍을 통해서 조사할 수 있기 때문에, 측정 가능 영역을 넓게 확보할 수가 있다.
또, 시료 위치결정 기구는, 시료 보유지지부에 지지된 시료를 면내 회전시키기 위한 면내 회전 기구와, 시료 보유지지부를 전후 방향으로 이동시키기 위한 Y축 이동 기구와, 시료 보유지지부를 가로 방향으로 이동시키기 위한 X축 이동 기구와, 시료 보유지지부를 상하 방향으로 이동시키기 위한 Z축 이동 기구와, 시료 보유지지부를 요동시키는 요동 기구를 포함하고, Z축 이동 기구는, 쐐기형으로 조합된 안내 부재와 슬라이딩(摺動) 부재를 포함하고, 안내 부재가 한 방향으로 이동함으로써 슬라이딩 부재를 밀어 올리고, 안내 부재가 역방향으로 이동함으로써 슬라이딩 부재를 하강시키는 구성으로 할 수가 있다. 시료 보유지지부는, 슬라이딩 부재와 함께 상하 방향으로 이동한다.
이 구성에 의하면, 쐐기형으로 조합된 안내 부재와 슬라이딩 부재 사이는 항상 덜컹거리는 일 없이 슬라이딩접촉(摺接) 상태를 유지하고 있으므로, 시료 보유지지부를 정확하게 상하 방향으로 이동시켜서 원하는 높이 위치에 위치결정시킬 수가 있다.
또, 투과형 소각 산란 장치의 주위를 덮기 위한 외부 케이싱(筐體)을 구비할 수도 있다. 외부 케이싱은, 케이싱 본체와, 하나 또는 복수의 케이싱 요소 부재를 포함하고, 케이싱 본체에 대해서 케이싱 요소 부재가 상하 방향으로 이동 자유롭고, 케이싱 요소 부재를 케이싱 본체와 겹쳐 접은 형태와, 케이싱 요소 부재를 케이싱 본체로부터 잡아 늘인 형태를 형성할 수 있는 구성으로 되어 있다.
케이싱 요소 부재를 케이싱 본체와 겹쳐 접은 상태로 함으로써, 높이 치수가 작은 콤팩트한 형태를 형성할 수 있어, 외부 케이싱의 운반 작업이나 설치 작업이 매우 용이해진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, X선 조사 유닛과 이차원 X선 검출기를, 고니오미터의 선회 암에 탑재해서, 세로형 배치 구조로 했으므로, 비교적 좁은 면적의 마루면에도 설치할 수가 있다. 그 결과, 복잡한 구조로 되어 있는 반도체 디바이스의 미세 형상이더라도, 제조 공정의 현장에 있어서 비파괴로 효율적으로 측정하는 것이 가능해진다.
도 1A는, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치의 전체 구조를 모식적으로 도시하는 측면 구성도이다. 도 1B는, 도 1A와 동일한 구조의 정면 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치의 외관을 도시하는 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치의 외관을, 도 2와는 다른 방향에서 본 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 구성하는 고니오미터의 선회 암과, 그 선회 암에 탑재된 구성요소의 외관을 도시하는 사시도이다.
도 5는, 도 4에 도시한 고니오미터의 선회 암을 접어서, 전체길이를 짧게 한 상태를 도시하는 사시도이다.
도 6은, X선 조사 유닛과 이차원 X선 검출기 사이에 구성되는 광학계를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 구성하는 시료 스테이지의 외관을 도시하는 사시도이다.
도 8은, 시료를 지지하는 시료 보유지지부와 면내 회전 기구를 확대해서 도시하는 평면도이다.
도 9는, 시료를 지지하는 시료 보유지지부와 면내 회전 기구를 확대해서 도시하는 사시도이다.
도 10A는, X축 이동 기구, Y축 이동 기구, Z축 이동 기구를 도시하는 사시도이다. 도 10B는, 안내 부재와 슬라이딩 부재를 모식적으로 도시하는 구성도이다.
도 11은, χ축 요동 기구를 도시하는 사시도이다.
도 12는, 시료 스테이지의 종단면도이다.
도 13은, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 외부 케이싱으로 덮은 상태를 도시하는 사시도이다.
도 14는, 본 발명의 실시형태에 관계된 외부 케이싱을 접은 상태를 도시하는 사시도이다.
도 15A는, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 외부 케이싱으로 덮은 상태를 도시하는 좌측면도이다. 도 15B는, 도 15A와 동일한 상태의 평면도이다.
도 16은, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 외부 케이싱으로 덮은 상태를 도시하는 종단면도이다.
도 17은, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 실장한 반도체 검사 장치의 외관을 도시하는 사시도이다.
도 18은, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치의 제어계를 도시하는 블록도이다.
도 19는, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치에 의한 측정 동작의 실행 순서를 도시하는 플로차트(흐름도)이다.
도 20A는, 반도체 웨이퍼의 기울기를 측정하기 위한 수단에 관한 구성예를 모식적으로 도시하는 정면 구성도이다. 도 20B는, 반도체 웨이퍼의 기울기를 측정하기 위한 수단에 관한 다른 구성예를 모식적으로 도시하는 측면 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조해서 상세하게 설명한다.
[개요]
우선, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치의 개요를 설명한다.
시료에 X선 빔을 조사했을 때에, X선 빔의 진행 방향 근방의 작은 각도 영역(소각 영역)에서 X선이 산란된다. 이 산란을 소각 산란이라고 칭하고, 이것을 측정하는 것에 의해 물질에 관한 입경(입자 지름)이나 주기 구조 등을 알 수가 있다. 또 근래에 있어서는, 이 소각 산란 측정에 의해, 반도체 디바이스를 형성하는 박막에 대해서 갖가지 정보를 얻기 위한 분석 수법의 개발이 진행되고 있다.
이 소각 산란을 측정하기 위한 장치가, 소각 산란 장치이다.
소각 산란 장치에는, 시료의 표면에 X선을 조사하여, 시료 표면으로부터 반사되어 온 산란 X선을 검출하는 반사형 소각 산란 장치와, 시료의 이면에 X선을 조사하여, 표면으로부터 방출된 산란 X선을 검출하는 투과형 소각 산란 장치가 있다.
본 발명은 투과형 소각 산란 장치이다. 이 투과형 소각 산란 장치는, 시료를 사이에 두고 X선원과 이차원 X선 검출기를 대향 배치하고, X선원으로부터의 X선을 시료의 이면에 조사하여, 시료의 표면으로부터 특정의 각도로 방사되어 온 산란 X선을 이차원 X선 검출기로 검출하는 기본 구조를 구비하고 있다.
종래 일반의 소각 산란 장치는, X선원과 이차원 X선 검출기를 수평 배치한 가로형 구조로 되어 있기 때문에, 큰 설치 면적이 필요하게 된다.
이에 비해, 본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치는, 반도체 제조 라인이 구축된 클린룸 내의 제한된 면적의 마루면에도 설치가능하게 하기 위해서, X선원과 이차원 X선 검출기를 상하 방향으로 배치한 세로형 구조로 되어 있다.
[전체 구조]
도 1A는, 본 발명의 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치의 전체 구조를 모식적으로 도시하는 측면 구성도, 도 1B는, 도 1A와 동일한 구조의 정면 구성도이다. 또, 도 2 및 도 3은, 투과형 소각 산란 장치의 외관을 각각 다른 방향에서 본 사시도이다.
본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치는, 고니오미터(10)를 구비하고 있다. 고니오미터(10)는, 수평 방향으로 연장되는 θ축 둘레로 선회 암(11)을 선회 구동시키는 기능을 가지고 있다. 선회 암(11)에는, 그의 양단부에 X선 조사 유닛(20)과 이차원 X선 검출기(30)가 탑재되어 있다. 여기서, 선회 암(11)은 연직 방향의 배치 상태를 원점으로 하고 있다. 그리고, X선 조사 유닛(20)은 하측 단부에, 이차원 X선 검출기(30)는 상측 단부에 각각 탑재되어 있다. 이와 같은 세로형 배치 구조로 함으로써, 비교적 좁은 면적의 마루면에도 설치할 수가 있다.
X선 조사 유닛(20)과 이차원 X선 검출기(30)는, 시료 스테이지(40)를 사이에 두고 서로 대향 배치되어 있고, 시료 스테이지(40)의 시료 보유지지부(42)에 지지된 시료(S)에 대해서, X선 조사 유닛(20)이 아래쪽으로부터 X선을 조사한다. 그리고, 시료(S)로부터 투과되어 온 X선 주위에서 미소 각도 영역에 생긴 산란 X선을 이차원 X선 검출기(30)에 의해 검출하는 구성으로 되어 있다.
여기서, 시료 스테이지(40)에는, 도 1A 및 도 1B에 도시하는 바와 같이, X선 조사 유닛(20)으로부터 출사된 X선을 투과하는 공동(43)이 형성되어 있고, 이 공동(43)을 통해서 시료(S)의 이면에 X선을 조사하는 구성으로 되어 있다.
고니오미터(10)의 선회 암(11)에는, 원통형 진공 패스(32)가 탑재되어 있다. 이 진공 패스(32)는, 시료(S)를 투과해 온 X선이 공기와 충돌했을 때에 생기는 공기 산란을 없애서 소각 산란의 측정 정밀도를 향상시키는 기능을 가지고 있다.
시료 스테이지(40)는, 후술하는 시료 위치결정 기구에 의한 구동을 갖고서, 시료 보유지지부(42)를 수평면과 평행한 전후 방향(Y방향)과 가로 방향(X방향), 및 수평면과 수직인 상하 방향(Z방향)으로 각각 이동시켜서, 시료(S)의 피검사점을 투과형 소각 산란 장치의 측정 위치(P)에 위치결정시키는 구성을 구비하고 있다.
또, 시료 위치결정 기구는, 시료 보유지지부(42)에 지지된 시료(S)를 면내 회전(φ회전)시키는 기능을 구비하고 있다. 또, 시료 위치결정 기구는, 시료 보유지지부(42)에 지지된 시료(S)를, χ축 둘레로 요동(χ요동)시키는 기능을 구비하고 있다. 이 χ축은, 수평면 내에서 고니오미터(10)의 θ축에 대해 직각으로 교차되어 있다. 이 θ축과 χ축의 교점은, 투과형 소각 산란 장치의 측정 위치(P)와 합치하도록 위치결정되어 있다.
시료 스테이지(40)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 프레임체(41)에 지지되어 있다. 프레임체(41)와 고니오미터(10)의 선회 암(11)은, 서로 간섭하지 않도록 상호의 위치 관계가 조정되고 있다.
또, 본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치는, 시료(S)의 표면을 인식하는 광학 현미경(35)을 구비하고 있다. 광학 현미경(35)은, 시료 위치결정 기구에 의해 구동되는 각 부나, 고니오미터(10)에 의해 선회되는 X선 조사 유닛(20) 및 이차원 X선 검출기(30) 등, 주위의 각 구성부와 간섭하지 않는 위치에 설치되어 있다.
시료(S)는, 시료 위치결정 기구에 의해서, 광학 현미경(35)의 아래쪽 위치로에 이동할 수가 있다.
[고니오미터의 선회 암과, 이 선회 암에 탑재되는 구성요소]
다음에, 도 4 및 도 5를 주로 참조해서, 고니오미터의 선회 암과, 그것에 탑재되는 각 구성요소의 상세 구조를 설명한다.
도 4는, 본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 구성하는 고니오미터의 선회 암과, 그 선회 암에 탑재된 구성요소의 외관을 도시하는 사시도이다. 도 5는, 도 4에 도시한 고니오미터의 선회 암을 접어서 전체길이를 짧게 한 상태를 도시하는 사시도이다.
고니오미터(10)의 선회 암(11)은, 복수의 암 부재에 의해서 구성되어 있다. 도 4 및 도 5에 도시하는 본 실시형태의 선회 암(11)은, 제1, 제2, 제3 암 부재(12, 13, 14)로 구성되고, 제1 암 부재(12)가 고니오미터의 θ회전축(도 1A의 θ축)에 고정되어 있다.
이 제1 암 부재(12)에 대해서, 제2 암 부재(13)가 긴쪽(길이) 방향으로 슬라이드함과 함께, 제2 암 부재(13)에 대해서 제3 암 부재(14)가 긴쪽 방향으로 슬라이드해서, 도 5에 도시하는 바와 같이, 각 암 부재(12, 13, 14)가 서로 겹쳐서(포개져서) 접히는 구조로 되어 있다.
이와 같이 각 암 부재(12, 13, 14)를 접는 것에 의해, 전체길이를 짧게 해서 콤팩트한 형태로 할 수가 있다.
선회 암(11)을 도 5에 도시하는 콤팩트한 형태로 함으로써, 반송 작업이나 현장에서의 고정설치(据付) 작업이 매우 용이해져, 그 작업에 필요로 하는(소요되는) 작업시간의 단축과 노력의 경감을 실현할 수가 있다.
구체적으로는, 제1 암 부재(12)의 표면에는 긴쪽 방향으로 안내 레일(12a)이 마련되어 있어, 이 안내 레일(12a)을 따라 제2 암 부재(13)가 슬라이드 자유롭게(가능하게) 되어 있다. 마찬가지로, 제2 암 부재(13)의 표면에도 긴쪽 방향으로 안내 레일(13a)이 마련되어 있어, 이 안내 레일(13a)을 따라 제3 암 부재(14)가 슬라이드 자유롭게 되어 있다.
선회 암(11)에는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 각 암 부재(12, 13, 14)를 전개해서 전체길이를 잡아 늘인(길게 한) 상태와, 도 5에 도시하는 바와 같이, 각 암 부재(12, 13, 14)를 접어서 전체길이를 짧게 한 상태에 있어서, 각각 그 상태를 보유지지하는 락 기구(도시하지 않음)가 실장되어 있다.
제1 암 부재(12)의 하단부에는, X선 조사 유닛(20)을 탑재하기 위한 하부 보유지지 부재(15)가 마련되어 있다. X선 조사 유닛(20)은 이 하부 보유지지 부재(15)에 고정된다. 하부 보유지지 부재(15)에는, X선 조사 유닛(20)의 고정 위치를 긴쪽 방향으로 이동 조정하기 위한 슬라이드 기구(도시하지 않음)가 실장되어 있다.
또, 제3 암 부재(14)의 상단부에는, 이차원 X선 검출기(30)를 탑재하기 위한 상부 보유지지 부재(16)가 마련되어 있다. 이차원 X선 검출기(30)는 이 상부 보유지지 부재(16)에 고정된다. 상부 보유지지 부재(16)에도, 이차원 X선 검출기(30)의 고정 위치를 긴쪽 방향으로 이동 조정하기 위한 슬라이드 기구(도시하지 않음)가 실장되어 있다.
현장에서의 고정설치 시에는, X선 조사 유닛(20)과 이차원 X선 검출기(30)를 이동 조정함으로써, 미리 설정된 사양에 맞춘 장치의 고정설치를 실현할 수 있다.
또, 상부 보유지지 부재(16)에는, 이차원 X선 검출기(30) 바로 앞에, 다이렉트 빔 스토퍼(31)가 설치된다. 이 다이렉트 빔 스토퍼(31)는, X선 조사 유닛(20)으로부터 시료(S)를 투과해서 직진해 온 X선을 차폐하여, 이차원 X선 검출기(30)에 입사시키지 않는 기능을 가지고 있다.
선회 암(11)에는, 앞서 기술한 바와 같이 진공 패스(32)도 탑재된다. 각 암 부재(12, 13, 14)에는, 이 진공 패스(32)를 지지하기 위한 지지 부재(17)가 마련되어 있다. 진공 패스(32)는, 이들 지지 부재(17)에 지지되어, 시료(S)를 투과해 온 X선과 그 주위에 생기는 산란 X선의 광로 상에 배치된다. 진공 패스(32)의 상단면은, 이차원 X선 검출기(30) 근방에 위치결정된다.
그런데, 시료(S)를 투과해 온 산란 X선은, 방사형으로 퍼져서 이차원 X선 검출기(30)에 도달한다. 그래서, 진공 패스(32)는, 시료(S)와 대향하는 하단면의 직경을 작게 하고, 상단면으로 향함에 따라서 단계적으로 직경을 크게 한 구조로 되어 있다.
이 진공 패스(32)는, 내부가 밀폐되어 진공 상태를 형성하고 있으며, 양단면은, X선 흡수율이 작은 카본, 보론카바이드, 카프톤(Kapton) 등의 재료로 형성되어 있다. 이것에 의해, 시료(S)를 투과해 온 X선 및 산란 X선을 투과시킴과 함께, 공기 산란의 발생을 방지할 수가 있다.
[X선 조사 유닛을 포함하는 광학계와, 이차원 X선 검출기]
도 6은, X선 조사 유닛과 이차원 X선 검출기 사이에 구성되는 광학계를 모식적으로 도시하는 도면이다.
X선 조사 유닛(20)은, X선 관(21)과, 집광 미러(22)와, 애퍼처(23)를 구성요소로 포함하고 있다. 또, 시료(S) 바로 앞에는 가이드 슬릿(24)이 배치된다.
X선 관(21)으로서는, 타겟 상에서의 전자선 초점 사이즈가 70 ㎛ 이하, 바람직하게는 40 ㎛ 이하의 X선 관구(管球)를 이용한다. 타겟 재료로서는, 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 금(Au) 등을 선택할 수 있지만, 투과식의 경우, 기판인 Si 웨이퍼를 투과할 수 있는 에너지가 높은 X선이 필요하기 때문에, 그것을 가능하게 하는 몰리브덴(Mo)이나 은(Ag)을 이용하는 것이 바람직하다.
집광 미러(22)에는, 표면에 다층막이 형성된 두 다층막 미러를 L자형으로 배치해서 일체화한 사이드·바이·사이드 방식의 집광 미러(22)를 채용할 수가 있다. 또 그밖에도, 두 다층막 미러를 독립해서 배치한 커크패트릭·바에즈 방식(Kirkpatrick-Baez method)의 집광 미러를 채용해도 된다.
집광 미러(22)는, 이차원 X선 검출기(30)의 검출면에 초점이 맞도록 조정되고, 초점에 있어서 가로세로(종횡) 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 50 ㎛ 이하의 사각형(矩形) 스폿에 X선을 집광시키는 기능을 가지고 있다.
애퍼처(23)는, X선 관(21)으로부터 출사되어 온 X선이 집광 미러(22)에 입사되지 않고 그대로 외측으로 빠져나가 버리는 누설광을 차폐하는 기능을 가지고 있다. X선 관(21)으로부터 출사된 X선은, 애퍼처(23)에 의해 누설광이 차폐되고, 계속해서 집광 미러(22)에 의해서 단색화되고 또한 수속(컨버전스)된다.
가이드 슬릿(24)은, 게르마늄의 단결정으로 제작한 단결정 핀홀 슬릿이고, 선회 암(11)에 마련된 슬릿 지지 부재(도시하지 않음)에 지지되어, 시료(S) 바로 앞에 배치된다.
통상의 슬릿은, X선이 닿으면(조사되면) 기생 산란이 발생해서 백그라운드가 커지는 결점이 있다. 이에 비해 게르마늄의 단결정으로 형성된 가이드 슬릿(24)은, 기생 산란을 저감할 수 있어, 백그라운드를 억제할 수가 있다.
또한, 집광 미러(22)와 가이드 슬릿(24) 사이에, 또 X선의 단면적을 줄이기 위한 슬릿(25)을 배치해도 된다.
X선 관(21)으로부터 출사한 X선은, 애퍼처(23)에 의해 누설광이 차폐되어 집광 미러(22)에 입사된다. 그리고, 집광 미러(22)에 의해 단색화되고 또한 수속된 X선은, 가이드 슬릿(24)에 의해서 단면적이 줄여져서, 시료(S) 상에 있는 미소 면적의 피검사점에 조사된다.
계속해서, 시료(S)를 투과한 X선과, 그 주위의 소각 영역에 발생한 산란 X선은, 도 4에 도시한 진공 패스(32)를 지나서 이차원 X선 검출기(30)를 향해 진행한다. 이 중, X선 조사 유닛(20)으로부터 시료(S)를 투과해서 직진해 온 X선은, 이차원 X선 검출기(30) 바로 앞에 마련한 다이렉트 빔 스토퍼(31)에 의해 차폐된다. 이것에 의해, 이차원 X선 검출기(30)에는, X선의 소각 영역에 발생한 산란 X선만이 입사된다.
여기서, X선 관(21)의 초점으로부터 시료(S)까지의 거리 L1은, 시료(S)에 조사되는 X선의 집광 면적에 영향을 미친다. 즉, 거리 L1이 길수록, 시료(S)에 조사되는 X선의 집광 면적이 작아진다. 또, 투과형 소각 산란 장치에 있어서는, 시료(S)로부터 이차원 X선 검출기(30)까지의 거리 L2를 카메라 길이라고 칭하고, 이 카메라 길이 L2는 이차원 X선 검출기(30)의 각도 분해능에 영향을 미친다. 즉, 카메라 길이 L2가 길수록 각도 분해능이 향상된다.
그러나, 본 실시형태와 같이 세로형으로 배치한 투과형 소각 산란 장치에서는, 거리 L1이나 카메라 길이 L2를 길게 확보하는 데도 한계가 있다. 그래서, 이들 치수는, 본 장치를 고정설치하는 현장의 환경과, 시료(S) 상에서의 X선의 집광 면적과, 각도 분해능을 종합적으로 감안해서 적당히 결정하는 것이 바람직하다.
앞서 기술한 바와 같이, 선회 암(11)은, 제1 암 부재(12)에 대해서, 제2 암 부재(13)가 긴쪽 방향으로 슬라이드함과 함께, 제2 암 부재(13)에 대해서 제3 암 부재(14)가 긴쪽 방향으로 슬라이드하는 구성으로 되어 있으므로, 이들 슬라이드하는 각 암 부재(13, 14)의 슬라이드 위치를 적당히 조정함으로써, 카메라 길이 L2를 임의로 설정할 수가 있다.
또한, X선 조사 유닛(20)을 X선의 광축 방향으로 이동시켜서, 거리 L1을 임의로 변경하기 위한 위치 조정 기구를, 선회 암(11)에 마련할 수도 있다. 또, 이차원 X선 검출기(30)를 X선의 광축 방향으로 이동시켜서, 카메라 길이 L2를 임의로 변경하기 위한 위치 조정 기구를, 선회 암(11)에 탑재한 구성으로 할 수도 있다.
[시료 스테이지]
다음에, 도 7 내지 도 12를 주로 참조해서, 시료 스테이지의 상세 구조를 설명한다.
도 7은, 본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 구성하는 시료 스테이지의 외관을 도시하는 사시도이다. 도 8은, 시료를 지지하는 시료 보유지지부를 확대해서 도시하는 평면도, 도 9 내지 도 11은, 시료 위치결정 기구를 설명하기 위해서 시료 스테이지의 각각 다른 부위를 주목하여 본 사시도, 도 12는, 시료 스테이지의 종단면도이다.
앞서 기술한 바와 같이, 시료 스테이지(40)는, 시료(S)를 지지하는 시료 보유지지부(42)와, 이 시료 보유지지부(42)를 구동시키는 시료 위치결정 기구를 구비하고 있다.
시료 위치결정 기구는, 시료 보유지지부(42)에 지지된 시료(S)를 면내 회전(φ회전)시키기 위한 면내 회전 기구와, 시료 보유지지부(42)에 지지된 시료(S)의 표면과 평행한 전후 방향(Y축 방향)으로, 시료 보유지지부(42)를 이동시키기 위한 Y축 이동 기구와, 시료 보유지지부(42)에 지지된 시료(S)의 표면과 평행한 가로 방향(X축 방향)으로, 시료 보유지지부(42)를 이동시키기 위한 X축 이동 기구와, 시료 보유지지부(42)에 지지된 시료(S)의 표면과 수직인 상하 방향(Z축 방향)으로, 시료 보유지지부(42)를 이동시키기 위한 Z축 이동 기구와, 시료 보유지지부(42)를 χ축 둘레로 요동시키는 χ축 요동 기구를 포함하고 있다.
여기서, 시료 스테이지(40)는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 베이스 프레임(50) 위에 X축 이동 프레임(51)이 탑재되고, 이 X축 이동 프레임(51) 위에 χ축 선회대(52)가 탑재되고, 또 χ축 선회대(52) 위에 Y축 이동대(53)가 탑재되고, 또 Y축 이동대(53) 위에 Z축 구동대(54)와 Z축 이동대(55)가 탑재되고, 그리고 Z축 이동대(55) 위에 시료 보유지지부(42)를 형성하는 시료 보유지지 프레임(56)이 탑재된 구성으로 되어 있다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 시료 보유지지부(42)는, 원형으로 되어 있는 시료 보유지지 프레임(56)의 내측에 형성된다. 이 시료 보유지지 프레임(56)의 내측은 X선 투과구멍(57)으로 되어 있고, 이 X선 투과구멍(57)과 대면하는 상태에서 시료(S)를 지지하는 구성으로 되어 있다. 시료 보유지지 프레임(56)의 내주연에는, 복수 개소(도면에서는 4군데)로부터 흡착 지지편(58)이 내측으로 돌출되어 마련되어 있다.
시료(S)는, 이들 흡착 지지편(58)의 상면에 외주연부의 일부분이 배치되고, 이들 흡착 지지편(58)의 상면에 진공 흡착된다. 또한, 각 흡착 지지편(58)의 상면에는, 진공 노즐(59)이 개구되어 있고, 도시하지 않은 진공 흡인 장치에 의해 진공 노즐(59)은 진공 흡인된다.
시료 보유지지 프레임(56)의 내측에 형성된 X선 투과구멍(57)은, 도 1A 및 도 1B에 도시한 시료 스테이지(40)의 공동(43)과 연통되어 있다(도 12 참조). X선 조사 유닛(20)으로부터 출사된 X선은, 공동(43)으로부터 X선 투과구멍(57)을 빠져나와 흡착 지지편(58)에 지지된 시료(S)의 이면에 조사된다.
종래의 X선 검사 장치는, 카프톤 등의 X선 흡수율이 낮은 재료로 시료 보유지지부(42)를 형성하고, 시료(S)의 이면 전체를 그 시료 보유지지부(42)의 상면에 밀착시켜 배치하는 구성의 것이 일반적이다. 그러나, 예를 들면, 반도체 웨이퍼에 형성된 반도체 디바이스가 검사 대상이었던 경우는, 카프톤 등의 재료로 형성된 시료 보유지지부(42)에 반도체 웨이퍼의 이면이 접촉해서 오염될 우려가 있다.
본 실시형태의 시료 보유지지부(42)에 의하면, 시료(S)의 이면은, 외주연부의 한정된 일부만이 흡착 지지편(58)과 접촉할 뿐이기 때문에, 회로 패턴이 형성된 반도체 웨이퍼의 중앙 부분에 닿는(접촉하는) 일 없이 시료(S)를 지지할 수가 있다.
게다가, 흡착 지지편(58)에 의해서 지지된 일부 미소 영역을 제외한 시료(S)의 거의 전역에 대해, X선 조사 유닛(20)으로부터의 X선을 공동(43) 및 X선 투과구멍(57)을 통해서 조사할 수 있기 때문에, 측정가능 영역을 넓게 확보할 수가 있다. 또한, 흡착 지지편(58)에 의해서 지지된 일부 미소 영역에 대하여는, 시료(S) 반송 로봇에 의해 흡착 위치를 변경시킴으로써, X선을 조사하는 것이 가능해진다.
다음에, 도 8 및 도 9를 주로 참조해서, 면내 회전 기구에 대하여 상세하게 설명한다.
시료 보유지지부(42)를 구성하는 시료 보유지지 프레임(56)은, 원형의 외주연부에 회전 가이드부(60)가 형성되어 있고, 이 회전 가이드부(60)가 Z축 이동대(55)의 상면의 복수 개소(도면에서는 4군데)에 마련한 회전 지지부(61)에 의해, 면내 회전 자유롭게 지지되어 있다. 각 회전 지지부(61)는, 상하 한쌍의 지지 롤러(62)에 의해서 회전 가이드부(60)를 상하 방향으로부터 지지하고 있다.
시료 보유지지 프레임(56)에는 종동측 풀리(63)가 형성되어 있다. 또, Z축 이동대(55)에는, 면내 회전용 구동 모터(64)가 설치되어 있고, 이 면내 회전용 구동 모터(64)의 구동축에 마련한 구동측 풀리(65)와, 시료 보유지지 프레임(56)의 종동측 풀리(63) 사이에 구동 벨트(66)가 감아 걸려 있다.
이들 회전 가이드부(60), 회전 지지부(61), 면내 회전용 구동 모터(64), 구동측 풀리(65), 종동측 풀리(63) 및 구동 벨트(66)의 각 구성요소를 갖고서, 면내 회전 기구를 구성하고 있다. 즉, 면내 회전용 구동 모터(64)로부터의 회전 구동력이 구동 벨트(66)를 거쳐 시료 보유지지 프레임(56)으로 전달된다. 이 회전 구동력에 의해, 회전 지지부(61)에 지지된 시료 보유지지 프레임(56)이 면내 회전한다.
다음에, 도 10A를 주로 참조해서, X축 이동 기구, Y축 이동 기구, Z축 이동 기구에 대하여 상세하게 설명한다.
X축 이동 프레임(51)은, X축 이동 기구를 거쳐 베이스 프레임(50) 위에 탑재되어 있다.
X축 이동 기구는, X축 구동용 모터(67)와, 볼나사(68)와, 안내 레일(71)과, 슬라이더(72)를 포함하고 있다.
베이스 프레임(50)에는, X축 구동용 모터(67)와, 볼나사(68)의 나사축(69)과, 안내 레일(71)이 설치되어 있다.
안내 레일(71)은 X축 방향으로 연장되어 있고, 이 안내 레일(71)을 따라 슬라이더(72)가 이동 자유롭게(가능하게) 되어 있다. 안내 레일(71)은, 베이스 프레임(50)의 양단부에 각각 설치되어 있고, 각 안내 레일(71)에 조합된 슬라이더(72)가, X축 이동 프레임(51)을 이동 자유롭게 지지하고 있다.
볼나사(68)의 나사축(69)은, 베이스 프레임(50)에 마련한 축받이(베어링)(73)에 의해 회전 자유롭게 지지되어, X축 방향으로 연장되어 있다. 이 나사축(69)은, X축 구동용 모터(67)의 회전 구동축과 연결되어 있고, 이 모터(67)의 회전 구동력에 의해 회전 구동된다.
나사축(69)에는, 너트 부재(70)가 맞물려 있고, 나사축(69)의 회전에 수반하여, 너트 부재(70)가 X축 방향으로 이동한다. 너트 부재(70)는, X축 이동 프레임(51)에 고정되고, 너트 부재(70)와 일체로 X축 이동 프레임(51)이 X축 방향으로 이동한다.
이 X축 이동 프레임(51)에는, 도 10A 및 도 7에 도시하는 바와 같이, 한 쌍의 축받이(52a)가 양단부에 마련되어 있고, 이들 축받이(52a)에 요동 자유롭게 지지된 요동 지지축(74)을 거쳐, χ축 선회대(52)가 요동 자유롭게 탑재되어 있다. 그리고, 이 χ축 선회대(52) 위에 Y축 이동 기구를 거쳐 Y축 이동대(53)가 탑재되어 있다.
Y축 이동 기구는, Y축 구동용 모터(75)와, 볼나사(76)와, 도 12에 도시하는 안내 레일(91) 및 슬라이더(92)를 포함하고 있다. 안내 레일(91)은, χ축 선회대(52)의 양단부에 마련되고, Y축 방향으로 연장되어 있다. 각 안내 레일(91)에는 슬라이더(92)가 이동 자유롭게 조합되어 있고, 그들 슬라이더(92)에 의해서 Y축 이동대(53)가 지지되어 있다.
χ축 선회대(52)의 측벽에는, Y축 구동용 모터(75)와, 볼나사(76)의 나사축(77)이 설치되어 있다. 볼나사(76)의 나사축(77)은, χ축 선회대(52)의 측벽에 마련한 축받이(78)에 의해 회전 자유롭게 지지되어, Y축 방향으로 연장되어 있다. 이 나사축(77)은, Y축 구동용 모터(75)의 회전 구동축과 연결되어 있고, 이 모터(75)의 회전 구동력에 의해 회전 구동된다.
나사축(77)에는, 너트 부재(79)가 맞물려 있고, 나사축(77)의 회전에 수반하여, 너트 부재(79)가 Y축 방향으로 이동한다. 너트 부재(79)는, Y축 이동대(53)에 고정되고, 너트 부재(79)와 일체로 Y축 이동대(53)가 Y축 방향으로 이동한다.
또, Y축 이동대(53) 위에는 Z축 구동대(54)가 탑재되어 있다.
Y축 이동대(53) 위에는, Y축 방향으로 연장되는 안내 레일(93)이 설치되어 있고, 그 안내 레일(93)에 슬라이더(94)가 조합되어 있다(도 12 참조). Z축 구동대(54)는, 그 슬라이더(94)에 지지되어 Y축 이동대(53) 위에 탑재되어 있다.
또, Y축 이동대(53) 위에는, 도 12에 도시하는 볼나사(95)와, 도 10A에 도시하는 Z축 구동용 모터(80)가 설치되어 있고, 이 Z축 구동용 모터(80)의 회전 구동 축에 볼나사(95)의 나사축이 연결되어 있다. 이 나사축은, 도시되지 않은 베어링에 의해 Y축 이동대(53) 위에서 회전 자유롭게 지지되어 있다.
그리고, 도 12에 도시하는 너트 부재(96)가 그 나사축과 맞물려 있고, 그 나사축의 회전에 수반하여, 너트 부재(96)가 Y축 방향으로 이동한다. 너트 부재(96)는, Z축 구동대(54)에 고정되고, 그 너트 부재(96)와 일체로 Z축 구동대(54)가 Y축 방향으로 이동한다.
Z축 이동대(55)는, 도 10B에 도시하는 바와 같은 쐐기형으로 조합된 안내 부재(81)와 슬라이딩(접동) 부재(82)를 거쳐 Z축 구동대(54) 위에 지지되어 있다.
안내 부재(81)는, Z축 구동대(54)의 양단부에 각각 설치되어 있다. 그들 각 안내 부재(81)에 조합된 슬라이딩 부재(82)는, Z축 이동대(55)의 바닥면에 고정되어 있다.
또, Y축 이동대(53)의 양단부에는 Z축 방향으로 연장되는 안내 레일(83)이 설치되어 있고, Z축 이동대(55)에는, 이 안내 레일(83)과 조합된 슬라이더(84)가 고정되어 있다. 이것에 의해 Z축 이동대(55)는, 안내 레일(83)을 따라 슬라이더(84)와 일체로 Z축 방향으로 이동 자유롭게 되어 있다.
그리고, Z축 구동용 모터(80)의 회전 구동력을 받아서 Y축의 한 방향으로 Z축 구동대(54)가 이동하면, 안내 부재(81)도 동일한 방향으로 일체로 이동한다. 이 이동에 수반하여, 쐐기형으로 조합된 슬라이딩 부재(82)를 Z축 방향으로 밀어 올린다. 또, Z축 구동대(54)가 역방향으로 이동하면, 안내 부재(81)도 동일한 방향으로 일체로 이동하고, 쐐기형으로 조합된 슬라이딩 부재(82)가 하강한다. 이것에 의해 Z축 이동대(55)가, 안내 레일(83)을 따라 상하 방향으로 이동한다.
쐐기형으로 조합된 안내 부재(81)와 슬라이딩 부재(82) 사이는 항상 덜컹거리는 일 없이 슬라이딩접촉(摺接) 상태를 유지하고 있으므로, 시료 보유지지부(42)를 정확하게 상하 방향으로 이동시켜서 원하는 높이 위치에 위치결정시킬 수가 있다.
다음에, 도 11을 주로 참조해서, χ축 요동 기구에 대하여 상세하게 설명한다.
χ축 요동 기구는, X축 이동 프레임(51)과 χ축 선회대(52) 사이에 실장되어 있다. 즉, χ축 요동 기구는, χ축 구동용 모터(85)와, 구동력 전달 벨트(86)와, 웜(87) 및 웜 휠(88)을 포함하고 있다.
부채꼴(扇形)의 웜 휠(88)은, X축 이동 프레임(51)의 일단부에 마련된 축받이(52a)의 아래쪽 위치에 마련되고, 그의 피치 원은 축받이(52a)에 지지된 요동 지지축(74)의 동일축 상에 위치결정되어 있다.
χ축 구동용 모터(85)와 웜(87)은, χ축 선회대(52)의 측벽 외면에 설치되어 있다. 그리고, χ축 구동용 모터(85)의 회전 구동축에 마련한 구동측 풀리(89)와, 웜(87)의 회전축에 마련한 종동측 풀리(90) 사이에, 구동력 전달 벨트(86)가 감아 걸려 있다. 이것에 의해, χ축 구동용 모터(85)로부터의 회전 구동력이 구동력 전달 벨트(86)를 거쳐 웜(87)으로 전달된다. 이 회전 구동력에 의해, 웜(87)이 회전해서 웜 휠(88)의 피치 원을 따라 회동하고, 웜(87)과 일체로 χ축 선회대(52)가 요동 지지축(74)을 중심으로 해서 선회한다. 요동 지지축(74)의 중심축은, 도 1B에 도시한 χ축과 일치하도록 위치결정되어 있다.
시료 보유지지부(42)에 지지된 시료(S)에 대한 입사 X선의 광축 각도는, 상술한 χ축 요동 기구나, 고니오미터(10)의 선회 암(11)의 구동에 의해, 임의로 변경할 수가 있다.
본 실시형태의 시료 스테이지(40)는, 도 12에 도시하는 바와 같이, 공동(43)의 단면적을, 시료 보유지지 프레임(56)의 X선 투과구멍(57)에 연통되는 상단 개구부(43a)로부터, 입사 X선을 받아들이는(취입하는) 하단 개구부(43b)를 향해 넓힌 구성으로 되어 있다. 이것에 의해, 입사 X선이 공동(43)의 주위에 있는 부재에 의해서 가려지는(차폐되는) 일 없이 경사지게 할 수 있는 각도 범위(즉, 시료(S)에 대한 입사 X선의 광축을 경사지게 할 수 있는 각도 범위)가 넓어져, 갖가지 측정 조건에 유연하게 대응하는 것이 가능해진다.
예를 들면, 도 12에 도시한 치수예에서는, 반경 150 ㎜의 반도체 웨이퍼(시료(S))에 대해서, 연직 방향으로부터 입사되는 X선의 광축에 대해서, 각도 20°까지 경사시킬 수 있는 구조로 되어 있다.
[외부 케이싱의 구조]
도 13은, 본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 외부 케이싱으로 덮은 상태를 도시하는 사시도이다. 도 15A는 도 13과 같은 상태의 좌측면도, 도 15B는 도 13과 같은 상태의 평면도, 도 16은 도 13과 같은 상태의 종단면도이다. 도 14는, 외부 케이싱을 접은 상태를 도시하는 사시도이다.
일반적으로, X선을 사용하는 투과형 소각 산란 장치는, X선에 대한 방호를 위해서, 외부 케이싱에 의해 주위를 덮은 상태로 고정설치된다.
본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치(1)는, 시료 보유지지부(42)에 지지된 시료(S)에 대해서 연직 방향으로 X선을 조사하기 위해서, 세로 방향으로 긴 구조로 되어 있다(도 1A 내지 도 3 참조). 그 때문에, 도 13에 도시하는 바와 같이, 외부 케이싱(200)도 세로 방향으로 긴 구조로 된다.
여기서, 본 실시형태에서는, 이 외부 케이싱(200)을 케이싱 본체(201)와, 복수의 케이싱 요소 부재(202, 203)로 구성하고, 케이싱 본체(201)에 대해서 각 케이싱 요소 부재(202, 203)를 상하 방향으로 이동 자유로운 구조로 되어 있다.
구체적으로는, 도 15A 및 도 15B에 도시하는 바와 같이, 케이싱 본체(201)에 대해서 중간단의 케이싱 요소 부재(202)는, 안내 레일(210)을 따라 상하 방향으로 이동 자유롭게 되어 있고, 또 케이싱 요소 부재(202)에 대해서 상부단의 케이싱 요소 부재(203)가, 안내 레일(211)을 따라 상하 방향으로 이동 자유롭게 되어 있다.
그리고, 도시하지 않은 구동 모터로부터의 구동력을, 도시하지 않은 구동 기구를 거쳐 각 케이싱 요소 부재(202, 203)로 전달해서, 이들 각 케이싱 요소 부재(202, 203)를 상하 방향으로 구동시키는 구성으로 되어 있다.
외부 케이싱(200)을 운반하거나, 현장에 설치할 때에는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 각 케이싱 요소 부재(202, 203)를 모두 아래쪽 위치로 이동시켜서, 케이싱 본체(201)의 내측과 겹쳐(포개어) 접은 상태로 한다. 이와 같이, 높이 치수가 작은 콤팩트한 형태로 함으로써, 외부 케이싱(200)의 운반 작업이나 설치 작업이 매우 용이해져, 그 작업에 필요로 하는(소요되는) 작업 시간의 단축과 노력의 경감을 실현할 수가 있다.
외부 케이싱(200)은 중량물이기 때문에, 케이싱 본체(201)에 대해서 각 케이싱 요소 부재(202, 203)를 분해하는 구조에서는, 분해·조립 작업이 번잡하게 되지만, 상술한 바와 같이 구동 모터에 의한 구동력을 갖고서 케이싱 요소 부재(202, 203)를 상하 방향으로 구동시키는 구조로 함으로써, 현장에서의 분해·조립 작업이 필요없게 되어, 현장에서의 설치 작업이나 철거 작업이 한층 더 용이해진다.
또한, 도 13 내지 도 15A에서는, 외부 케이싱(200)의 내측을 시각적으로 확인(視認)하기 위해서, 투과형 소각 산란 장치를 덮는 벽면의 일부 또는 전부를 생략해서 도시되어 있다. 또, 외부 케이싱(200)의 정면에는, 후술하는 바와 같이 기판 반송 장치(310)가 병설되지만, 그 병설 개소에는 벽면은 마련되지 않고, 외부 케이싱(200)의 내부로 연통되도록 구성된다.
또, 도 16에 도시하는 바와 같이, 외부 케이싱(200)의 내부 공간은, 시료 스테이지(40)의 위쪽 위치에 수평 배치한 차폐 패널(220)에 의해 상하로 칸막이되어 있다. 그리고, 차폐 패널(220)에 의해 칸막이된 하측의 공간(즉, 시료 스테이지(40)가 설치된 하부 공간)에는, 외부 케이싱(200)의 외측에 병설되는 팬 필터 유닛(300)으로부터 고정밀도로 제진(除塵)된 에어가 공급된다. 이것에 의해 그 하부 공간은, 먼지가 매우 적은 깨끗한(청정한) 공간으로 되어, 시료 보유지지부(42)에 지지된 반도체 웨이퍼(시료(S))에 대해, 먼지의 부착을 방지할 수가 있다.
차폐 패널(220)은, 팬 필터 유닛(300)으로부터의 에어 위쪽으로의 유동을 차단하여(가로막아), 반도체 웨이퍼와 그 주변에 대한 에어의 효율적이면서도 경제적인 공급을 실현하고 있다.
[반도체 검사 장치로서의 전체 구조]
도 17은, 본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 실장한 반도체 검사 장치의 외관을 도시하는 사시도이다.
이 도 17에 도시하는 바와 같이, 투과형 소각 산란 장치의 주위를 덮는 외부 케이싱(200)의 외측에는, 상술한 팬 필터 유닛(300) 외에도, 기판 반송 장치(EFEM)(310)나, 전장부(電裝部)(320)가 병설되어, 반도체 검사 장치가 구축된다.
기판 반송 장치(310)는, 측정 대상이 되는 반도체 웨이퍼(시료(S))를 시료 보유지지부(42)로 자동 반송함과 함께, 측정이 종료된 반도체 웨이퍼를 시료 보유지지부(42)로부터 자동으로 반출하는 기능을 구비하고 있다. 또한, 반도체 웨이퍼는, 밀폐형 카셋트(FOUP) 내에 격납된 상태로 자동 반송된다.
또, 전장부(320)에는, 투과형 소각 산란 장치로의 전력 공급용 전원이나, 이 투과형 소각 산란 장치를 제어하기 위한 컴퓨터가 설치되어 있다.
또, 반도체 검사 장치는, 도시하지 않은 유틸리티 공급을 위한 설비를 구비하고 있다.
이들 구성에 의해, 본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 실장한 반도체 검사 장치는, 반도체 웨이퍼를 자동 반송하여, 반도체 제조 공정 도중에 있어서 인 라인에 의한 자동 측정의 실시를 실현하고 있다.
[제어계]
도 18은 본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치의 제어계를 도시하는 블록도이다.
X선 조사 유닛(20)의 제어는, X선 조사 컨트롤러(101)가 실행한다.
또, 광학 현미경(35)이 포착한(촬상한) 시료(S)의 화상은, 화상 인식 회로(102)에 의해 화상 인식된다. 이들 광학 현미경(35)과 화상 인식 회로(102)는, 시료 보유지지부(42)에 배치된 시료(S)의 화상을 관찰하는 화상 관찰 수단을 구성하고 있다. 또한, 광학 현미경(35)의 초점 위치는 포커스 컨트롤러(103)에 의해서 조정된다.
위치결정 컨트롤러(104)는, 시료 위치결정 기구(110)를 구동 제어한다. 특히, 시료(S)의 피검사점을 장치의 측정 위치(P)에 배치할 때에는, 광학 현미경(35)에 의해 포착되고, 화상 인식 회로(102)에 의해 인식된 시료(S)의 화상에 기초하여, 위치결정 컨트롤러(104)가 시료 위치결정 기구(110)를 구동 제어한다.
고니오미터(10)는, 고니오 컨트롤러(105)에 의해서 구동 제어된다.
X선 조사 컨트롤러(101), 화상 인식 회로(102), 포커스 컨트롤러(103), 위치결정 컨트롤러(104), 고니오 컨트롤러(105)의 각 구성부는, 중앙 처리 장치(100)로부터 보내져 오는 설정 정보에 기초하여 각각 작동한다. 여기서, 설정 정보는 레시피로서 미리 기억부(106)에 기억되어 있고, 중앙 처리 장치(100)가 읽어내어 상기 각 구성부로 출력한다.
이차원 X선 검출기(30)는, 검출 제어 회로(107)에 의해서 제어된다.
[측정 동작의 실행 순서]
도 19는, 상술한 구성의 본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치에 의한 측정 동작의 실행 순서를 도시하는 플로차트이다.
여기에서는, 반도체 디바이스의 회로 패턴이 형성된 반도체 웨이퍼를 시료(S)로 한 경우의 측정 동작에 대하여 설명한다.
기억부(106)에는, 소각 산란 측정을 실행하기 위한 소프트웨어가 미리 기억되어 있고, 중앙 처리 장치(100)(CPU)는 그의 소프트웨어에 따라서, 이하와 같은 처리 스텝을 실행해 간다.
시료 보유지지부(42)에 검사 대상이 되는 시료(S)인 반도체 웨이퍼를 흡착 지지한 후, 우선 위치결정 컨트롤러(104)가 시료 위치결정 기구(110)를 구동 제어해서, 반도체 웨이퍼를 광학 현미경(35)의 아래쪽 위치에 배치한다(스텝 S1).
다음에, 광학 현미경(35)에 의해서 반도체 웨이퍼의 표면을 관찰하고, 광학 현미경(35)으로부터의 화상 데이터에 기초하여, 화상 인식 회로(102)가 반도체 웨이퍼의 표면에 형성되어 있는 유니크 포인트를 인식한다(스텝 S2).
여기서, 기억부(106)에는, 반도체 웨이퍼의 표면에 형성되어 있는 유니크 포인트가, 레시피로서 미리 기억되어 있다. 유니크 포인트로서는, 예를 들면, 반도체 웨이퍼의 표면에 형성되는 특징적인 패턴 형상 등, 광학 현미경(35)으로부터의 화상 정보에 의해 화상 인식 회로(102)가 판단을 망설이는(고민하는) 일 없이 인식할 수 있는 부위가 설정된다.
다음에, 화상 인식 회로(102)에 의해 인식된 유니크 포인트를 기준으로 해서, 미리 설정해 두는 피검사점의 위치 정보에 기초하여, 위치결정 컨트롤러(104)가 시료 위치결정 기구(110)를 구동 제어해서, 피검사점을 장치의 측정 위치(P)에 배치한다(스텝 S3).
계속해서, 소각 산란 측정을 실행하고(스텝 S4), 중앙 처리 장치(100)가 측정 데이터를 해석한다(스텝 S5).
여기서, 예를 들면, 반도체 웨이퍼의 표면에 형성된 깊은 구멍(深穴)의 틸트각의 해석 등의 형상 해석 측정을 실시하는 경우는, 고니오미터(10)의 선회 암(11)을 구동시키거나, 또는 χ축 요동 기구에 의해 반도체 웨이퍼를 요동시켜서, 반도체 웨이퍼에 대한 X선의 광축 각도를 변경함으로써, 깊은 구멍의 틸트각 등의 형상 해석을 실행할 수가 있다.
상술한 S3 내지 S5의 각 스텝은, 반도체 웨이퍼에 설정한 피검사점 모두에 대하여 실행되고(스텝 S6), 모든 피검사점에 대해서 소각 산란 측정을 실행한 후, 측정 동작을 종료한다.
[반도체 디바이스의 측정예와, 반도체 웨이퍼의 기울기 측정 수단]
반도체 디바이스는, 통상, 반도체 웨이퍼 상에 형성되고, 측정 대상이 되는 산란체가 반도체 웨이퍼의 주면과 평행한 방향으로 주기적으로 배열되어 있다.
측정 대상으로서는, 반도체 디바이스를 구성하는 미세한 홀이나 필러를 들 수 있다.
반도체 디바이스는, 미세화·고집적화가 나날이 발전하며(일진월보로) 진화되고 있으며, 홀이나 필러의 지름이 수십 ㎚, 깊이(높이)가 수 ㎛로, 매우 미세하면서도 고애스펙트로 되는 케이스가 있다. 이와 같은 구조에 대해, 본 실시형태에 관계된 투과형 소각 산란 장치를 이용함으로써, 이들 홀이나 필러의 정확한 삼차원 형상을 특정할 수가 있다.
여기서, 소각 산란 측정을 행하기 전에, 반도체 웨이퍼의 표면 기울기를 측정하고, 입사 X선의 광축에 대해서 반도체 웨이퍼의 표면이 수직으로 되도록 조정하는 것이 바람직하다.
도 20A는, 반도체 웨이퍼의 기울기를 측정하기 위한 수단에 관한 구성예를 모식적으로 도시하는 정면 구성도이다.
도 20A에 도시하는 바와 같이, 고니오미터(10)의 선회 암(11)에, 이차원 X선 검출기(30)와 함께 레이저 기울기 측정기(36)를 병설한다. 이들 이차원 X선 검출기(30)와 레이저 기울기 측정기(36)는, 가로 방향으로 이동하는 이동 테이블(37)에 탑재되어 있다.
그리고, 도시하지 않은 구동 모터의 구동력을 갖고서 이동 테이블(37)이 가로 방향으로 이동해서, X선 조사 유닛(20)으로부터 출사되는 X선의 광축(O)과 대향하는 위치에, 이차원 X선 검출기(30)와 레이저 기울기 측정기(36)의 어느 것인가 한쪽을 전환해서 배치할 수 있는 구조로 되어 있다.
레이저 기울기 측정기(36)는, 레이저 광원(36a)와 레이저 검출기(36b)를 포함하고, 시료 보유지지부(42)에 지지된 반도체 웨이퍼(시료(S))의 표면에, 레이저 광원(36a)으로부터의 레이저광을 조사하여, 그 표면으로부터 반사되어 온 레이저광을 레이저 검출기(36b)에 의해 검출함으로써, 광축(O)에 대한 반도체 웨이퍼의 표면 기울기를 측정할 수 있는 기능을 가지고 있다.
이 레이저 기울기 측정기(36)에 의해 측정한 광축(O)에 대한 반도체 웨이퍼의 표면 기울기에 기초하여, 시료 스테이지(40)의 χ축 요동 기구나 면내 회전 기구를 구동시켜 입사 X선의 광축(O)에 대해서 반도체 웨이퍼의 표면이 수직으로 되도록 조정한다.
이와 같이 반도체 웨이퍼의 표면 기울기를 조정하면, 조정 후의 방위를 원점(χ=0°, θ=0°)으로 해서, χ축 요동 기구나 고니오미터(10)의 선회 암(11)을 구동시켜, 반도체 웨이퍼에 대한 X선의 광축 각도를 임의로 변경할 수가 있다.
반도체 웨이퍼의 표면 기울기 조정에 의해, 반도체 웨이퍼에 형성된 홀이나 필러의, 반도체 웨이퍼의 표면에 대한 위치 관계(기울기)를 측정하는 것이 가능해져, 디바이스 형상에 관한 유익한 정보를 얻을 수가 있다.
이 후, 도 19의 플로차트에 따라서, 소각 산란 측정을 실행해 간다.
도 20B는, 반도체 웨이퍼의 기울기를 측정하기 위한 수단에 관한 다른 구성예를 모식적으로 도시하는 측면 구성도이다.
도 20B에 도시하는 구성에서는, 레이저 기울기 측정기(36)를 광학 현미경(35)과 나란히 설치하고 있다. 반도체 웨이퍼의 표면 기울기를 측정하려면, 시료 스테이지(40)의 Y축 이동 기구나 X축 이동 기구를 구동시켜, 시료 보유지지부(42)에 지지한 반도체 웨이퍼(시료(S))를, 레이저 기울기 측정기(36)의 아래쪽 위치까지 이동시킨다.
레이저 기울기 측정기(36)는, 반도체 웨이퍼의 표면에 레이저 광원(36a)으로부터의 레이저광을 조사하여, 그 표면으로부터 반사되어 온 레이저광을 레이저 검출기(36b)에 의해 검출함으로써, 반도체 웨이퍼의 표면 기울기를 측정할 수 있는 기능을 가지고 있다.
여기서, 레이저 기울기 측정기(36)는, 예를 들면, 미리 수평면을 기준으로 한 기울기를 측정할 수 있도록 레이저 광원(36a) 및 레이저 검출기(36b)의 위치를 조정해 두면, 수평면 또는 연직축에 대한 반도체 웨이퍼의 표면 기울기를 측정할 수가 있다.
또한, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라 갖가지 변형 실시나 응용 실시가 가능한 것은 물론이다.
예를 들면, 선회 암은, 도 4에 도시한 바와 같이 세 암 부재(12, 13, 14)에 의한 구성에 한정되는 것은 아니고, 둘 또는 넷 이상의 암 부재로 구성할 수도 있다.
또, 외부 케이싱은, 도 13 내지 도 16에 도시한 바와 같이, 케이싱 본체(201)에 대해서 두 케이싱 요소 부재(202, 203)를 이동 자유롭게 한 구성에 한정되는 것은 아니고, 케이싱 본체에 대해서 하나 또는 셋 이상의 케이싱 요소 부재가 이동 자유로운 구성으로 해도 된다. 또, 이들 케이싱 요소 부재의 이동은, 구동 모터로부터의 구동력에 의한 것 외에도, 필요에 따라 수동에 의해 이동시키는 구성으로 할 수도 있다.
S： 시료, P： 측정 위치,
10： 고니오미터, 11： 선회 암, 12： 제1 암 부재, 13： 제2 암 부재, 14： 제3 암 부재, 12a, 13a： 안내 레일, 15： 하부 보유지지 부재, 16：상부 보유지지 부재, 17：지지 부재,
20： X선 조사 유닛, 21： X선 관, 22： 집광 미러, 23： 애퍼처, 24： 가이드 슬릿, 25： 슬릿,
30：이차원 X선 검출기, 31： 다이렉트 빔 스토퍼, 32： 진공 패스,
35： 광학 현미경, 36： 레이저 기울기 측정기, 36a： 레이저 광원, 36b： 레이저 검출기, 37： 이동 테이블,
40： 시료 스테이지, 41： 프레임체, 42： 시료 보유지지부, 43： 공동, 50： 베이스 프레임, 51： X축 이동 프레임, 52： χ축 선회대, 52a： 축받이, 53： Y축 이동대, 54： Z축 구동대, 55： Z축 이동대, 56： 시료 보유지지 프레임, 57： X선 투과구멍, 58： 흡착 지지편, 59： 진공 노즐, 60： 회전 가이드부, 61： 회전 지지부, 62： 지지 롤러, 63： 종동측 풀리, 64： 면내 회전용 구동 모터, 65： 구동측 풀리, 66： 구동 벨트, 67： X축 구동용 모터, 68： 볼나사, 69： 나사축, 70： 너트 부재, 71： 안내 레일, 72： 슬라이더, 73：축받이, 74： 요동 지지축, 75： Y축 구동용 모터, 76： 볼나사, 77： 나사축, 78： 축받이, 79： 너트 부재, 80： Z축 구동용 모터, 81： 안내 부재, 82： 슬라이딩 부재, 83： 안내 레일, 84： 슬라이더, 85： χ축 구동용 모터, 86： 구동력 전달 벨트, 87： 웜, 88： 웜 휠, 89： 구동측 풀리, 90：종동측 풀리, 91：안내 레일, 92：슬라이더, 93：안내 레일, 94： 슬라이더, 95： 볼나사, 96： 너트 부재,
100：중앙 처리 장치, 101： X선 조사 컨트롤러, 102： 화상 인식 회로, 103： 포커스 컨트롤러, 104： 위치결정 컨트롤러, 105： 고니오 컨트롤러, 106： 기억부, 107： 검출 제어 회로, 110： 시료 위치결정 기구,
200： 외부 케이싱, 201： 케이싱 본체, 202, 203： 케이싱 요소 부재, 210, 211： 안내 레일, 220： 차폐 패널,
300： 팬 필터 유닛, 310： 기판 반송 장치(EFEM), 320：전장부.

Claims (4)

  1. X선 조사 유닛과,
    이차원 X선 검출기와,
    검사 대상이 되는 시료를 배치하는 시료 보유지지부를 구비하고,
    상기 시료 보유지지부에 배치된 시료에 대해서, 상기 X선 조사 유닛으로부터 출사된 수속(收束) X선을 아래쪽으로부터 조사함과 함께, 당해 시료를 투과한 수속 X선 주위에 생긴 산란 X선을 상기 이차원 X선 검출기가 상기 시료의 위쪽 위치에서 검출하는 구성으로 하고 있으며,
    또한, 상기 시료 보유지지부를 X축 둘레로 요동시키는 X축 요동 기구를 구비하고, 당해 X축 요동 기구에 의해, 상기 시료 보유지지부에 배치된 시료에 대한 입사 X선의 광축 각도를 변경하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 투과형 소각 산란 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시료 보유지지부를 이동시키는 시료 위치 결정 기구를 구비하고,
    상기 시료 위치 결정 기구는, 상기 시료 보유지지부에 지지된 시료를 면내 회전시키기 위한 면내 회전기구와, 상기 시료 보유지지부를 전후 방향으로 이동시키기 위한 Y축 이동 기구와, 상기 시료 보유지지부를 횡방향으로 이동시키기 위한 X축 이동 기구와, 상기 시료 보유지지부를 상하 방향으로 이동시키기 위한 Z축 이동 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 투과형 소각 산란 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    입사 X선의 축광에 대한 시료 표면의 기울기를 측정하는 기울기 측정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 투과형 소각 산란 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기울기 측정 수단을, 상기 시료 보유지지부에 지지된 시료의 표면에, 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 조사하고, 상기 표면으로부터 반사되어 온 레이저광을 레이저 검출기에 의해 검출하는 레이저 기울기 측정기로 구성한 것을 특징으로 하는 투과형 소각 산란 장치.
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