WO2016059672A1 - Ｘ線薄膜検査装置 - Google Patents

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inspection apparatus
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尾形　潔
正 吉原
隆男 杵渕
志朗 梅垣
繁松 淺野
克隆 洞田
吉田宗生
本野　寛
秀明 ▲高▼橋
明房 樋口
表　和彦
伊藤　義泰
直樹 河原
中野　朝雄
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株式会社リガク
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Definitions

  • the present invention relates to an X-ray thin film inspection apparatus suitable for a technical field for manufacturing an element having a multilayer film structure in which a large number of thin films are laminated on a substrate, such as a semiconductor manufacturing field.
  • An element having a multilayer structure in which a large number of thin films are stacked on a substrate such as a semiconductor changes in characteristics depending on the state of the thin film to be formed, such as film thickness, density, and crystallinity.
  • these elements have been miniaturized and integrated, and the tendency has become remarkable.
  • a thin film inspection apparatus capable of accurately measuring the state of the formed thin film is required.
  • Conventionally known as this type of inspection apparatus are a direct measurement using a cross-sectional transmission electron microscope (TEM), a film thickness inspection apparatus using optical interference or ellipsometry, a photoacoustic apparatus, and the like.
  • TEMs Cross-sectional transmission electron microscopes
  • a film thickness inspection apparatus using photo interference or ellipsometry and a photoacoustic apparatus are suitable for in-line, but the accuracy is insufficient for measuring a thin film of several nm.
  • disposable wafers for inspection are a significant cost burden. In particular, in recent years, the diameter of semiconductor wafers has been increasing, and the cost of a single blanket wafer has also increased.
  • the present applicant proposes an X-ray thin film inspection apparatus that can be incorporated into the manufacturing process of a film forming product, directly inspecting the product itself, and capable of inspecting even a thin film of several nanometers with sufficient accuracy without throwing away the wafer.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2006-153767.
  • the present applicant has improved the previously proposed X-ray thin film inspection apparatus, and has completed the present invention.
  • the present invention comprises a sample stage on which the inspection object is arranged on the upper surface, Image observation means for observing the image of the inspection object arranged on the upper surface of the sample table; A positioning mechanism that is controlled based on the image observation result of the inspection object by the image observation means and moves the sample stage in two directions orthogonal to each other on the horizontal plane, in the height direction, and in the in-plane rotation direction; A goniometer comprising first and second swiveling members that respectively swivel along a virtual plane orthogonal to the upper surface of the sample stage; An X-ray irradiation unit mounted on the first swivel member; An X-ray detector mounted on the second swivel member; A fluorescent X-ray detector for detecting fluorescent X-rays generated from an inspection object by irradiation with X-rays; Is an X-ray thin film inspection apparatus.
  • the X-ray irradiation unit is An X-ray tube emitting X-rays; Consists of a confocal mirror that enters X-rays emitted from an X-ray tube, reflects a plurality of convergent X-rays monochromatic to a specific wavelength, and converges the plurality of convergent X-rays to a preset focal point An X-ray optical element, And a slit mechanism that allows an arbitrary number of convergent X-rays to pass through among the plurality of convergent X-rays reflected from the X-ray optical element.
  • the X-ray irradiation unit has a structure in which the X-ray optical element is rotated and adjusted around the central axis of a plurality of convergent X-rays reflected from the optical element.
  • the slit mechanism includes two shielding plates made of a material that shields X-rays, and is configured to allow an arbitrary number of convergent X-rays to pass through a gap formed between these shielding plates, and the gap can be arbitrarily widened. It is preferable to have a configuration with an adjustable function.
  • the X-ray optical element can be configured to reflect four X-ray converged X-rays at the four corners of the virtual quadrangle when viewed from the optical path direction of the X-ray reflected from the X-ray optical element. .
  • Such a bundle of four convergent X-rays has a high X-ray intensity and is suitable for fluorescent X-ray measurement.
  • the two convergent X-rays that have passed through the gap between the shielding plates have a virtual plane including the two convergent X-rays, It is preferable to adjust the positional relationship between the optical paths so that the X-rays are incident in parallel to the surface to be inspected when viewed from the optical path direction of the X-rays.
  • Such convergent X-rays have a small spread in the height direction and are suitable for X-ray reflectivity measurement.
  • the slit mechanism can be configured to allow only one convergent X-ray out of the four convergent X-rays reflected from the X-ray optical element to pass through the gap between the shielding plates.
  • Such convergent X-rays have a small spread in the height direction and width direction, and are suitable for X-ray reflectivity measurement using a fine pattern formed on a semiconductor wafer as an inspection target.
  • the X-ray irradiation unit An X-ray tube emitting X-rays; A double curved spectroscopic crystal plate made of a semiconductor single crystal plate having a reflective surface having a higher-order curved surface of a cubic surface or higher is fixed to a support block, and X-rays radiated from an X-ray tube are reflected on the reflecting surface. And an X-ray optical element that reflects convergent X-rays monochromatic to a specific wavelength. In such a configuration, it is preferable that the X-ray optical element bend in the length direction to set the X-ray capture angle and be also curved in the orthogonal width direction to set the X-ray capture angle. . Convergent X-rays emitted from the X-ray irradiation unit having such a configuration have high intensity and are suitable for fluorescent X-ray measurement.
  • the X-ray irradiation units having different structures described above can be mounted side by side in the turning direction on the first turning member of the goniometer.
  • a one-dimensional X-ray detector is mounted on the second swivel member, It can also be set as the structure which acquires the detection data of a X-ray by a TDI system, and implements a X-ray reflectivity measurement.
  • the entire range of X-rays reflected from the thin film sample to be inspected can be made incident on the one-dimensional X-ray detector without providing a light receiving slit.
  • the intensity of at least the reflected X-rays totally reflected from the thin film sample is attenuated by the X-ray absorbing member and incident on the one-dimensional X-ray detector.
  • a gap through which the incident X-ray incident on the thin film sample or the reflected X-ray from the thin film sample can pass is formed at a position opposite to the incident X-ray convergence position or reflected X-ray emission position on the surface of the thin film sample.
  • An X-ray shielding member may be disposed.
  • a scattering slit can be disposed in the optical path of the reflected X-ray reflected from the thin film sample with a gap through which the reflected X-ray can pass.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view of the first embodiment according to the X-ray irradiation unit.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the first embodiment according to the X-ray irradiation unit.
  • FIG. 9 is a diagram showing an X-ray reflection trajectory in the X-ray optical element.
  • FIG. 10A and FIG. 10B are views of the four convergent X-rays reflected from the X-ray optical element as seen from the optical path direction.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing four convergent X-ray trajectories irradiated from the X-ray irradiation unit onto the inspection surface of the semiconductor wafer and divergent X-ray trajectories reflected from the inspection surface and incident on the X-ray detector. It is.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the appearance of the first embodiment according to the X-ray irradiation unit, as in FIG. 6.
  • 13A and 13B are views of two convergent X-rays that have passed through the gap between the shielding plates of the slit mechanism as seen from the optical path direction.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the appearance of the first embodiment according to the X-ray irradiation unit, as in FIG. 6.
  • 13A and 13B are views of two convergent X-rays that have passed through the gap between the shielding plates of the slit mechanism as seen from the optical path direction.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing two convergent X-ray trajectories irradiated from the X-ray irradiation unit to the inspection surface of the semiconductor wafer and divergent X-ray trajectories reflected from the inspection surface and incident on the X-ray detector. It is.
  • FIG. 15 is a view of one convergent X-ray passing through the gap of the shield plate of the slit mechanism as viewed from the optical path direction.
  • FIG. 16 is a perspective view showing an appearance of the second embodiment according to the X-ray irradiation unit.
  • FIG. 17 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the second embodiment according to the X-ray irradiation unit.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the overall structure of an X-ray thin film inspection apparatus according to this embodiment
  • FIG. 2 is a front view of the apparatus.
  • the X-ray thin film inspection apparatus includes an optical microscope 70 (image observation means) including a sample stage 10, a positioning mechanism 20, a goniometer 30, an X-ray irradiation unit 40, an X-ray detector 50, a fluorescent X-ray detector 60, a CCD camera, and the like. It has.
  • the goniometer 30 includes first and second turning arms (turning members) 32 and 33 mounted on a goniometer body 31.
  • Each of the swivel arms 32 and 33 swivels around a virtual plane orthogonal to the upper surface of the sample stage around an axis ( ⁇ X axis, ⁇ D axis) perpendicular to the paper surface of FIG.
  • ⁇ X axis
  • ⁇ D axis
  • a plurality of (three in the figure) X-ray irradiation units 40 are mounted side by side in the turning direction on the first turning arm 32 that turns about the ⁇ X axis. Further, the second pivot arm 33 to pivot about the theta D shaft are mounted the X-ray detector 50. Note that the number of X-ray irradiation units 40 mounted on the first turning arm 32 can be arbitrarily set according to the application. For example, one, two, or four or more X-ray irradiation units 40 may be mounted on the first turning arm 32.
  • the X-ray irradiation unit 40 has a function of making X-rays generated from the X-ray tube monochromatic into X-rays having a specific wavelength and converging them in one place.
  • the position to be irradiated with X-rays from the X-ray irradiation unit 40 becomes the inspection position, and the measurement target part to be inspected arranged on the upper surface of the sample stage 10 is positioned to this inspection position by the positioning mechanism 20. Details of the X-ray irradiation unit 40 will be described later.
  • the X-ray detector 50 is used for X-ray reflectivity measurement (XRR) and X-ray diffraction measurement (XRD), and the fluorescent X-ray detector 60 is used for fluorescent X-ray measurement (XRF).
  • XRR X-ray reflectivity measurement
  • XRD X-ray diffraction measurement
  • XRF fluorescent X-ray measurement
  • the film thickness and density are derived by measuring the interference between the reflected X-rays on the film surface and the reflected X-rays at the interface between the film and the substrate. Accuracy is obtained.
  • the fluorescent X-ray measurement a relatively thick wiring film can be measured with high accuracy.
  • the X-ray thin film inspection apparatus of the present embodiment can perform X-ray diffraction measurement as necessary in addition to the X-ray reflectivity measurement and the fluorescent X-ray measurement.
  • the X-ray detector 50 for example, an avalanche photodiode (APD) having a wide dynamic range with respect to incident X-rays can be used.
  • a detector exchange mechanism is incorporated in the second swivel arm 33 and various X-ray detectors such as an APD, a one-dimensional X-ray detector, a two-dimensional detector, and a scintillation counter are mounted. It is also possible to adopt a configuration in which the line detector can be switched and used.
  • the fluorescent X-ray detector 60 is installed above the inspection position, and the optical microscope 70 is arranged at a position shifted from the inspection position by L P in the horizontal direction. Interference with the line detector 60 is avoided.
  • a measurement target part of an inspection target (for example, a semiconductor wafer) arranged on the sample stage 10 is arranged at a position below the optical microscope 70 by moving the sample stage 10 by the positioning mechanism 20. Then, by moving Lp from this position toward the inspection position in the horizontal direction, the measurement site of the inspection object (for example, a semiconductor wafer) is positioned at the inspection position.
  • X-ray thin film inspection apparatus According to the X-ray thin film inspection apparatus of the basic configuration described above, by mounting a plurality of (three in FIG. 1 and FIG. 2) X-ray irradiation units 40 side by side in the swivel direction on the first swivel arm 32, By simply turning the first turning arm 32, a plurality of X-ray irradiation units 40 can be selected, and the selected X-ray irradiation units 40 can be accurately positioned at an arbitrary angle with respect to the measurement position. .
  • an X-ray irradiation unit 40 that generates desired X-rays is selected, and X-rays are irradiated at a low angle of surface grazing on the semiconductor wafer to be measured.
  • the selected X-ray irradiation unit 40 may be arranged so as to do so. Further, when performing normal X-ray diffraction measurement, the position of the selected X-ray irradiation unit 40 is sequentially moved, and the incident angle of X-rays to the semiconductor wafer is changed as appropriate.
  • the angle scanning measurement in the X-ray reflectivity measurement can be performed.
  • the X-ray irradiation unit 40 that generates X-rays having a wavelength suitable for the fluorescent X-ray measurement is selected according to the inspection object (for example, a semiconductor wafer), and the first turning arm 32 is turned. It arrange
  • the fluorescent X-ray detector 60 it is possible to place the fluorescent X-ray detector 60 at a position closer to the surface of the inspection object than when the X-ray fluorescence detector 60 is lowered and other elements are measured. Thereby, the X-ray path (X-ray incident space) between the measurement surface to be inspected and the fluorescent X-ray detector 60 can be made into a minute space, and the fluorescent X-rays generated from the measurement surface to be inspected can be made. The fluorescent X-ray detector 60 can be captured before much is absorbed by air.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a control system of the X-ray thin film inspection apparatus according to this embodiment.
  • the XG controller 101 executes the supply of the high-voltage power supply 47 to the X-ray tube 42 incorporated in the X-ray irradiation unit 40 and the opening / closing operation of the shutter 45.
  • the image captured by the optical microscope 70 is recognized by the image recognition circuit 102. Note that the focus position of the optical microscope 70 is adjusted by the focus controller 103.
  • the positioning controller 104 drives and controls the positioning mechanism 20 based on image information captured by the optical microscope and recognized by the image recognition circuit 102.
  • the goniometer 30 is driven and controlled by the goniometer controller 106.
  • FIG. 4 is a control flowchart for executing an X-ray thin film inspection on a semiconductor wafer as an inspection target.
  • the measurement site of the semiconductor wafer is positioned at the inspection position (step S1). This positioning is performed with drive control of the positioning mechanism 20. That is, the optical microscope 70 captures the semiconductor wafer on the sample stage 10, and the positioning controller 104 drives and controls the positioning mechanism 20 based on the image information recognized by the image recognition circuit 102.
  • the positioning mechanism 20 moves in the two horizontal directions (XY direction) and the height direction (Z direction), and places the measured portion of the semiconductor wafer at the inspection position.
  • a minute pattern such as a specific part of the IC chip is stored in the image recognition circuit 102
  • the inspection target region of the semiconductor wafer to be inspected at the time of inspection is observed with the optical microscope 70, and the observation image is stored in advance.
  • the image recognition circuit 102 determines that the pattern is a minute pattern that is a measurement target part by comparing and matching the minute patterns. Based on the determination result, the positioning mechanism 20 positions the minute pattern, which is the part to be measured, at the position to be measured.
  • step S2 the tilt correction is performed by turning the first and second turning arms 32 and 33 of the goniometer 30 while the semiconductor wafer is fixed. If the incident angle of the X-rays irradiated from the X-ray irradiation unit 40 to the semiconductor wafer is ⁇ , the X-rays are reflected at an angle ⁇ from the surface of the semiconductor wafer. The reflected X-ray is detected by the X-ray detector 50. Thereby, the X-ray irradiation unit 40 and the X-ray detector 50 are arranged at the same angular position with respect to the surface of the semiconductor wafer, and each angle control can be executed with this point as the origin.
  • the X-ray reflectance measurement (XRR), fluorescent X-ray measurement (XRF), or X-ray diffraction measurement (XRD) is performed.
  • a line inspection is executed (step S3), the central processing unit analyzes the inspection data (step S4), and outputs an analysis result (step S5).
  • the above steps are executed for all of the measurement sites set on the semiconductor wafer (step S6), and are completed after the inspection of all the measurement sites is completed.
  • the above-described semiconductor wafer tilt correction (step S2) may be omitted.
  • the semiconductor wafer tilt correction (step S2) is usually omitted.
  • the X-ray irradiation unit 40 has an appearance as shown in FIG. 6, and as shown in FIGS. 7 and 8, an X-ray tube 42 and an X-ray tube 42, which are X-ray sources, are provided in a tube shield (unit main body) 41.
  • a module configuration incorporating the linear optical element 43 a small and light weight is realized.
  • the tube shield 41 is made of a metal material that shields X-rays, and is divided into a first tube 41 a containing the X-ray tube 42 and a second tube 41 b containing the X-ray optical element 43.
  • the tubes 41a and 41b are connected and integrated by fastening means such as bolts.
  • an X-ray passage for guiding X-rays radiated from the X-ray tube 42 to the X-ray exit 41c is formed in the tube shield 41, and this X-ray passage is formed in the first tube 41a.
  • a shutter 45 that opens and closes the line passage is provided. The shutter 45 is configured to open and close by rotation and to pass or shield X-rays emitted from the X-ray tube 42.
  • the X-ray tube 42 for example, a micro-focus X-ray tube having an electron beam focus size on the target of about ⁇ 30 ⁇ m and an output of about 30 W can be used.
  • the target material can be selected as necessary, such as copper (Cu) or molybdenum (Mo).
  • iron (Fe), cobalt (Co), tungsten (W), chromium (Cr), silver (Ag), gold (Au), and the like are used.
  • a plurality of X-ray irradiation units 40 each including an X-ray tube 42 of a different target material can be mounted on the first turning arm 32.
  • the confocal mirror As the X-ray optical element 43, a confocal mirror that converges X-rays generated from the X-ray tube 42 at a predetermined position is used. As shown in FIG. 8, the confocal mirror is composed of four multilayer mirrors 43a, 43b, 43c, and 43d. Each of the multilayer film mirrors 43a, 43b, 43c, and 43d is formed of a multilayer film having an elliptical arc surface, and each of the adjacent multilayer film mirrors 43a and 43b and 43c and 43d has an edge of an X-ray reflecting surface. It arrange
  • the X-ray optical element 43 composed of this confocal mirror can converge the X-rays generated by the X-ray tube 42 to a very small focal point and make the X-rays monochromatic.
  • X-rays can be monochromatic when the X-ray tube 42 is a Cu target and Cu ⁇ when the X-ray tube 42 is a Mo target.
  • FIG. 9 is a diagram showing an X-ray reflection trajectory in an X-ray optical element (confocal mirror).
  • the X-ray incident on the X-ray optical element 43 is reflected between two adjacent multilayer mirrors 43a and 43b among the four multilayer mirrors, and is emitted as a monochromatic convergent X-ray. . That is, the X-ray reflected first by the first multilayer mirror 43a is further reflected by the second multilayer mirror 43b to be emitted as a convergent X-ray having a rectangular cross section as shown in FIG. 10A.
  • the X-ray reflected first by the second multilayer mirror 43b is further reflected by the first multilayer mirror 43a to be output as a convergent X-ray having a rectangular cross section as shown in FIG. 10A. Is done.
  • X-rays are reflected between the other two adjacent multilayer mirrors 43c and 43d, and are emitted as convergent X-rays having a rectangular cross section as shown in FIG. 10A. Is done.
  • the X-ray optical element 43 emits four convergent X-rays Xa, Xb, Xc, and Xd, each having four rectangular shapes, at the four corners of the virtual rectangle as shown in FIG. 10A.
  • the convergent X-rays Xa, Xb, Xc, and Xd are cross-sections taken along the cutting plane A at an intermediate position that is reflected by the X-ray optical element 43 and reaches the convergence position b as shown in FIG.
  • the shape is shown, and at the convergence position b, these convergent X-rays Xa, Xb, Xc, and Xd overlap one another. Therefore, if the four convergent X-rays Xa, Xb, Xc, and Xd overlap one another at the convergence position b, an X-ray intensity four times that of the one convergent X-ray can be obtained.
  • an X-ray intensity twice that of the convergent X-ray can be obtained.
  • the convergence position b of the convergent X-rays Xa, Xb, Xc, and Xd shown in FIG. 9 is adjusted to the measurement position of the semiconductor wafer, and the arbitrary measurement site in the semiconductor wafer is provided with the positioning mechanism 20 described above at the convergence position b. Is positioned.
  • the measurement position is set on the ⁇ axis of the goniometer 30.
  • the focal size (length) of the electron beam in the X-ray tube 42 is F1
  • the distance from the focal point fa of the X-ray tube 42 to the reflection center position of the X-ray optical element 43 is L1
  • the focal size (length) F2 of the convergent X-ray is expressed by the following equation.
  • F2 F1 (L2 / L1) Therefore, in order to reduce the focal size F2 of the convergent X-ray, it is preferable to make the distance L1 from the focal point fa of the X-ray tube 42 to the reflection center position of the X-ray optical element 43 as long as possible. Note that the method of shortening the distance L2 from the reflection center position of the X-ray optical element 43 to the convergence position fb of the convergent X-ray is difficult due to restrictions such as interference with the semiconductor wafer.
  • the second tube 41b of the X-ray optical element 43 is configured so as to be rotatable and adjustable with respect to the first tube 41a.
  • the second tube 41b is fixed in a state where the second tube 41b is rotated by 45 degrees, and is incorporated therein.
  • the circumferential positions of the multilayer mirrors 43a, 43b, 43c, 43d of the X-ray optical element 43 can be rotated 45 degrees.
  • the trajectories of convergent X-rays Xa, Xb, Xc, and Xd reflected from the X-ray optical element 43 are changed.
  • 10A to 10B can be changed.
  • the X-ray reflectivity measurement is particularly accurate. The measurement result cannot be obtained.
  • the fluorescent X-ray measurement since the fluorescent X-ray Xf emitted from the semiconductor wafer is captured by the fluorescent X-ray detector 60, the spread of the reflected X-rays Xra, Xrb, Xrc, and Xrd increases the measurement accuracy. No effect.
  • the four convergent X-rays Xa, Xb, Xc, and Xd as shown in FIGS. 10A and 10B are used, and the X-ray intensity is four times that of the one convergent X-ray.
  • a statistical error among measurement errors in X-ray measurement is represented by ⁇ N (N is an X-ray intensity), and a statistical error rate is ⁇ (N / N).
  • the X-ray irradiation unit 40 includes a movable slit mechanism for blocking a part of the emitted X-rays in front of the X-ray emission port 41 c of the tube shield 41. 46 is provided.
  • this slit mechanism two shielding plates 46a and 46b arranged vertically are incorporated so as to be slidable in the orthogonal width direction (Y direction) and height direction (Z direction), respectively, and a drive motor (not shown) The position of these shielding plates 46a and 46b can be changed with the driving force from Each of the shielding plates 46a and 46b is made of a material that shields X-rays.
  • all four convergent X-rays Xa, Xb, Xc, and Xd can be emitted from the X-ray emission port 41c by moving the shielding plates 46a and 46b to the retracted positions shown in FIG. it can.
  • the shielding plates 46a and 46b are moved and arranged at a position to shield a part of the emitted X-rays as shown in FIG.
  • two convergent X-rays Xc and Xd or Xb and Xd can be emitted from the X-ray exit 41c.
  • the shielding plates 46a and 46b described above have a function of a diverging slit (DS: Divergence Slit).
  • the two convergent X-rays Xd and Xc (or Xb and Xd) that have passed through the gaps between the shielding plates 46a and 46b are the two convergent X-rays Xd and Xc.
  • the positional relationship between the optical paths is adjusted so that the virtual plane including (or Xb, Xd) is incident in parallel to the surface to be inspected of the semiconductor wafer as viewed from the optical path direction of the X-ray.
  • This positional relationship can be adjusted by adjusting the rotation of the second tube 41b in which the multilayer mirrors 43a, 43b, 43c, and 43d are incorporated.
  • the two convergent X-rays Xc and Xd or Xb and Xd emitted in this way are suitable for X-ray reflectivity measurement. That is, as shown in FIG. 14, when the surface to be inspected of the semiconductor wafer is irradiated with two convergent X-rays Xc and Xd (or Xb and Xd), the reflection X reflected from the surface to be inspected of the semiconductor wafer is reflected.
  • the lines Xrc, Xrd (or Xrb, Xrd) extend only in the width direction (Y direction) and do not expand in the height direction (Z direction). Therefore, it is suitable for X-ray reflectivity measurement.
  • the shielding plates 46a and 46b can be moved and arranged so that only one convergent X-ray Xc is emitted from the X-ray emission port 41c.
  • the X-ray intensity is halved compared to the case of using two convergent X-rays, it does not spread in either the width direction (Y direction) or the height direction (Z direction).
  • X-ray spread angle varies depending on the design. As an example, a single X-ray beam has a spread angle of 0.5 degrees and a spread angle of 4 degrees between the top and bottom.
  • XRF X-ray fluorescence measurement
  • XRR X-ray reflectivity measurement
  • XRR X-ray reflectivity measurement
  • a part of the X-ray beam to be used is shielded by the shielding plates 46a and 46b, and the beam width is limited to, for example, 0.2 degrees to 0.1 degrees. You can also.
  • a receiving slit (RS) can be provided to limit the angle, and the resolution can be changed according to the inspection object.
  • all four convergent X-rays are used as an X-ray source for fluorescent X-ray measurement, or two or one convergent X-ray is used. It can be used as an X-ray source for reflectance measurement.
  • X-ray intensity becomes small compared with the case where four convergent X-rays are utilized, it is also possible to perform fluorescent X-ray measurement using two or one convergent X-ray.
  • the X-ray irradiation unit 40 of the present embodiment is configured to be able to irradiate X-rays with a large intensity suitable for fluorescent X-ray measurement.
  • the X-ray irradiation unit 40 has an appearance as shown in FIG. 16, and as shown in FIG. 17, an X-ray tube 42 and an X-ray optical element as an X-ray source are provided in a tube shield (unit main body) 41. 43 has a built-in module configuration.
  • the tube shield 41 is made of a metal material that shields X-rays, and is divided into a first tube 41 a containing the X-ray tube 42 and a second tube 41 b containing the X-ray optical element 43. Each tube 41a, 41b is connected via a connecting member 41d.
  • an X-ray passage for guiding X-rays radiated from the X-ray tube 42 to the X-ray exit 41c is formed, and the first tube 41a is formed in the tube shield 41.
  • the shutter 45 is configured to open and close by rotation and to pass or shield X-rays emitted from the X-ray tube 42.
  • the target material of the X-ray tube 42 can be selected as necessary, such as gold (Au) or molybdenum (Mo).
  • gold Au
  • Mo molybdenum
  • copper Cu
  • iron Fe
  • cobalt Co
  • tungsten W
  • chromium Cr
  • silver Ag
  • the X-ray optical element 43 is a semiconductor single crystal plate made of germanium (Ge), silicon (Si), gallium arsenide (GaAs) or the like having a reflective surface having a higher-order curved surface of a cubic surface or higher.
  • the double curved spectral crystal plate (DCC) 43A made of is fixed to the support block 43B.
  • the X-ray optical element 43 is not only curved in the length direction to set the X-ray capture angle, but also curved in the width direction perpendicular to the length direction to set the X-ray capture angle.
  • the X-ray from the X-ray tube 42 is reflected with a large area and a large angle of incidence so that a high-intensity X-ray can be emitted.
  • the X-ray optical element 43 also has a function of making incident X-rays monochromatic.
  • the X-ray tube 42 is a Mo target
  • X-rays can be monochromated to Mo- ⁇
  • Au-L ⁇ can be monochromatic.
  • the double-curved spectral crystal plate 43A having a reflective surface having a higher-order curved surface than the above-described cubic curved surface can be manufactured by, for example, a high-temperature embossing method disclosed in International Publication WO2007 / 072906. it can.
  • a double-curved spectral crystal having a higher-order curved surface than a cubic curved surface having a large area and a large take-in angle by sandwiching a flat semiconductor single crystal plate between the embossing members and pressurizing it at a high temperature to cause plastic deformation.
  • the plate 43A can be manufactured.
  • the crystal lattice plane of the double curved spectral crystal plate 43A is adjusted to satisfy the X-ray diffraction conditions of, for example, an asymmetric Johann type or a Logarithmic spiral type.
  • the X-ray irradiation unit 40 is provided with an entrance side aperture 47a and an exit side aperture 47b in the tube shield 41.
  • the incident side aperture 47a is a transmission window member for narrowing down the X-rays radiated from the X-ray tube 42 and efficiently irradiating the reflecting surface of the double curved spectral crystal plate 43A.
  • the exit side aperture 47b is a transmission window member for narrowing down the X-rays reflected by the double curved spectral crystal plate 43A to efficiently converge the X-rays and lead them to the focal point.
  • the connecting member 41d of the tube shield 41 has a structure that can be moved and adjusted in the optical path direction of the X-ray emitted from the second tube 41b with respect to the first tube 41a.
  • the position of the reflection surface of the X-ray optical element 43 can be finely adjusted with respect to the X-ray optical path emitted from the X-ray.
  • the first tube 41a is configured to swing in the direction of the arrow ⁇ in FIG. 17 with respect to the connecting member 41d, and the swing angle ⁇ can be finely adjusted by operating the micrometer 48. Thereby, the incident angle ⁇ to the reflection surface of the X-ray optical element 43 can be finely adjusted with respect to the X-rays emitted from the X-ray tube 42.
  • the temperature correction system of the X-ray thin film inspection apparatus corrects the position variation based on the temperature change based on the following principle. If the factors (position variation factors) that fluctuate the inspection position (X-ray irradiation position) accompanying the temperature change are roughly classified, the movement of the X-ray beam, the movement of the inspection object, and the movement of the optical microscope 70 can be considered. For example, the X-ray beam moves due to expansion / contraction of the goniometer 30, the inspection object moves due to expansion / contraction of the sample stage 10, and the optical microscope 70 uses the expansion / contraction of the support frame that supports the optical microscope 70. The observation position moves.
  • the temperature constant Cn corresponds to the position change amount when the effective temperature changes by 1 ° C. Then, the position fluctuation ⁇ Z [i] in the height direction (Z direction) at the i-th measurement time point (measurement time t [i]) from the start of measurement is the effective temperature T En [i] and temperature of each position fluctuation factor. Using the constant Cn, it can be estimated as the following equation (3).
  • the inspection position Z [i] in the height direction at the i-th measurement time point (measurement time t [i]) from the start of measurement is set to Z [0] as a reference position in a state in which there is no position variation accompanying temperature change
  • the position variation ⁇ Z [i] accompanying the temperature change it can be estimated as the following equation (4).
  • the reference position Z [0] corresponds to the inspection position at the start of temperature measurement.
  • ⁇ Tn 0 and sufficient time is required as compared with the time constant of each position variation factor. It is preferable to use temperature measurement data after the passage. This is the same when obtaining position variations in the width direction (X direction) and the optical path direction (Y direction), which will be described later.
  • the time constant ⁇ n and temperature constant Cn of each position variation factor are obtained by actually measuring the inspection position in the height direction (Z direction) at the measurement time (measurement time t [i]) from the start of measurement to the i-th measurement. Is inserted into Z [i] in the above equation (4), and can be obtained by the least square method.
  • the position fluctuation ⁇ X [i] in the length direction (X direction) on the horizontal plane at the i-th measurement time point (measurement time t [i]) from the start of measurement is the effective temperature T E n [ Using i] and the temperature constant Cn, the following equation (5) can be used for estimation.
  • the inspection position X [i] in the length direction (X direction) on the horizontal plane at the i-th measurement time point (measurement time t [i]) from the start of measurement is the reference position in a state where there is no position variation due to temperature change.
  • the time constant ⁇ n and temperature constant Cn of each position variation factor are obtained by actually measuring the inspection position in the width direction (Y direction) on the horizontal plane at the i-th measurement time point (measurement time t [i]) from the start of measurement.
  • the actual inspection position can be inserted into Y [i] in the above equation (8) and obtained by the least square method.
  • the temperature correction system is configured to execute a temperature correction method described later based on temperature correction software stored in the central processing unit 100 shown in FIG.
  • the X-ray thin film inspection apparatus includes a temperature measurement unit 110 that is a component of the temperature correction system (see FIG. 3).
  • Various known temperature sensors and thermocouples can be used for the temperature measurement unit 110.
  • a temperature measurement unit should be used to measure the internal temperatures of various device components that are the cause of position fluctuations accompanying temperature changes, but it is difficult to measure the internal temperatures of many components one by one. It is not realistic. Therefore, in the present embodiment, the time constant ⁇ n and the temperature constant Cn are obtained so that the internal temperatures of the various apparatus constituent members need not be measured one by one. Therefore, the temperature may be measured at a point representing the external temperature of all the members constituting the apparatus.
  • the temperature measurement unit 110 measures the temperature of the air in the inspection room where the X-ray thin film inspection apparatus is installed and the temperature of the air discharged from the exhaust port of the inspection room. ) Was measured temperature T M [i].
  • the central processing unit 100 executes the following temperature correction method based on the stored temperature correction software.
  • the temperature correction method includes a preparation step for obtaining the time constant ⁇ n and the temperature constant Cn of the position variation factor in the above-described principle, and the above formula (1) (3) in which the obtained time constant ⁇ n and the temperature constant Cn of the position variation factor are inserted. ) (5) Based on (7), the temperature measurement and the position correction can be repeated.
  • Step S1 and S2 a position variation factor accompanying temperature change is set and measurement is started (steps S1 and S2), and temperature measurement and actual measurement of the inspection position are performed at regular measurement intervals. (Steps S3 and S4). These temperature measurement and actual measurement of the inspection position are repeatedly executed for a preset time (step S5). If the position variation is in the height direction (Z direction), the obtained measurement data is inserted into Z [i] in the above equation (4), and the time constant ⁇ n of the position variation factor and the temperature are calculated by the least square method. A constant Cn is obtained (step S6).
  • step S6 If the position variation is in the length direction (X direction) on the horizontal plane, the obtained measurement data is inserted into X [i] of the above equation (6), and the position variation factor is calculated by the least square method. A time constant ⁇ n and a temperature constant Cn are obtained (step S6). If the position variation is in the width direction (Y direction) on the horizontal plane, the obtained measurement data is inserted into Y [i] of the above equation (8), and the time constant of the position variation factor is obtained by the least square method. ⁇ n and temperature constant Cn are obtained (step S6).
  • the central axis of the X-rays emitted from the X-ray irradiation unit 40 is horizontal, and is incident on the center of the detection surface of the X-ray detector 50 arranged oppositely.
  • the sample stage 10 at the intermediate position is moved in the height direction (Z direction), and the X-ray intensity detected by the X-ray detector 50 is 1 / X of the X-ray intensity emitted from the X-ray tube 42. Adjust to 2 Thereby, 1 ⁇ 2 of the X-rays radiated from the X-ray tube 42 is blocked by the side surface of the sample stage 10 and the sample S, and the remaining 1 ⁇ 2 passes above the sample S to the X-ray detector 50.
  • the sample S is disposed at the incident position.
  • the upper surface of the sample S coincides with the central axis of the X-ray emitted from the X-ray tube 42.
  • This height position becomes the inspection position in the height direction, and X-ray thin film inspection is irradiated with X-rays from the X-ray irradiation unit 40 at this height position.
  • a series of these operations is generally referred to as “half split”.
  • this distance h is the measured position in the height direction (Z direction) with respect to the inspection position.
  • the inspection position (X-ray irradiation position by the X-ray irradiation unit 40) Px and the observation position Pc by the optical microscope 70 are on a horizontal plane. It is set at a position separated by a distance Lp. This is because, as shown in FIG. 22B, since the fluorescent X-ray detector 60 is installed above the inspection position, the optical microscope 70 cannot be installed at the same position. Therefore, first, as shown in FIG.
  • the sample stage 10 is moved horizontally, and the measurement point SA of the sample S arranged on the upper surface of the sample stage 10 is arranged at the center of the observation position Pc by the optical microscope 70.
  • This can be executed by recognizing an image captured by the optical microscope 70 by the image recognition circuit 102 and controlling the positioning mechanism 20 by the central processing unit 100 based on the image.
  • the measurement point SA of the sample S arranged at the inspection position is moved to the inspection position Px.
  • the sample stage 10 is horizontally moved while irradiating the X-ray from the X-ray irradiation unit 40 toward the inspection position Px, and emitted from the sample S by the fluorescent X-ray detector 60.
  • This can be performed by detecting fluorescent X-rays. That is, when the measurement point SA of the sample S is arranged at the inspection position Px (that is, the X-ray irradiation position by the X-ray irradiation unit 40), the fluorescent X-ray detected by the fluorescent X-ray detector 60 has the peak intensity.
  • the temperature correction sample S is made of a material that excites fluorescent X-rays by X-ray irradiation.
  • the movement amount in the length direction (X direction) when the measurement point SA of the sample S arranged on the sample stage 10 in this way is moved from the observation position by the optical microscope 70 to the inspection position Px.
  • x is an actually measured position in the length direction (X direction) on the horizontal plane with respect to the inspection position of the sample stage 10.
  • the movement amount y of the width (Y direction) when the measurement point SA of the sample S arranged at the inspection position of the sample stage 10 is moved from the observation position by the optical microscope 70 to the inspection position Px is expressed by the sample stage.
  • the time constant ⁇ n and temperature constant Cn of the position variation factor obtained by the above-described procedure are set as parameters of the above-described equations (1), (3), (5), and (7), and the central processing unit is set. 100 performs temperature correction based on these equations.
  • the execution stage of the temperature correction is performed in parallel with the execution of the X-ray thin film inspection. That is, during the execution of the X-ray thin film inspection, the central processing unit 100 inputs temperature measurement data sent from the temperature measurement unit 110, and based on the temperature measurement data, the equations (1) and (3) (5) The position fluctuation accompanying the temperature change at the inspection position is calculated from (7), and the position of the sample stage is finely adjusted by the fluctuation amount. Thereby, it is possible to always perform the X-ray thin film inspection with high accuracy by making the inspection position of the sample table 10 coincide with the X-ray irradiation point.
  • the present inventors pay attention to the difference in the time constant of each member constituting the X-ray thin film inspection apparatus as a factor of the position variation accompanying the temperature change, and a member having a large time constant ⁇ and a member having a small time constant ⁇ .
  • the position fluctuation accompanying the temperature change could be corrected with extremely high accuracy.
  • the time constant is determined by the specific heat and thermal expansion coefficient of the member and the heat conduction distance. For example, a thin pipe member has a small time constant, and a large size member has a large time constant.
  • FIG. 23 is a graph showing experimental results by the present inventors.
  • the internal temperature of the apparatus was measured, and the position fluctuation accompanying the temperature change of the apparatus was corrected.
  • position variation factor n1 there are two position variation factors associated with temperature changes: a time constant as small as 266.2 seconds (position variation factor n1) and a time constant as large as 10272.5 seconds (position variation factor n2).
  • position variation factor n2 the position variation factor associated with temperature changes.
  • the temperature constant of the position variation factor n1 is -12.98 ⁇ m / ° C.
  • the temperature constant of the position variation factor n2 is 13.20 ⁇ m / ° C.
  • the fluctuation amount is an extremely small value as shown by DATA4 in FIG.
  • This critical angle varies depending on the electron density of the material. As the incident angle of X-rays becomes larger than this critical angle, the X-rays gradually enter deeper into the material.
  • the critical angle is an angle greater than ⁇ c and the X-ray reflectivity is proportional to ⁇ -4 ( ⁇ is the X-ray incident angle). Decrease rapidly. Furthermore, when the surface of the substance is rough, the degree of reduction becomes even greater as shown by the broken line B.
  • I 0 is the incident X-ray intensity
  • I is the reflected X-ray intensity.
  • the thickness of the thin film 202 can be determined from the period of the vibration pattern C, and information on the surface and interface can be obtained from the angular dependence of the amplitude of the vibration pattern C. Furthermore, the density of the thin film 202 is obtained by considering both the period and amplitude of the vibration pattern.
  • X-ray reflectivity measurement XRR
  • a one-dimensional X-ray detector is used as the X-ray detector 50 in place of the avalanche photodiode (APD) already described, and TDI is used.
  • X-ray detection data can also be acquired by a scanning method called (Time Delay Integration).
  • TDI system As shown in FIG. 26, a plurality of detectors a1, a2, a3, and a4 arranged in parallel are scanned in the parallel direction (Q direction in the figure), and the timing t1 when one detector moves. , T2, t3, t4,..., TL, the detection data is read from each detector a1, a2, a3, a4,. Then, the detection data of the detectors a1, a2, a3, a4,..., AM are added together for each scanning angle 2 ⁇ 1 , 2 ⁇ 2 , 2 ⁇ 3 , 2 ⁇ 4 ,. 2 ⁇ 1 , 2 ⁇ 2 , 2 ⁇ 3 , 2 ⁇ 4 ,... X-ray intensity at 2 ⁇ N is obtained.
  • a control signal is output from the goniometer controller 106 for each unit angle ⁇ , and the swivel arms 32 and 33 of the goniometer 30 are swung.
  • the detection signal from the one-dimensional X-ray detector is read by using a control signal output from the gonio controller 106 for each unit angle ⁇ as a trigger.
  • the turning angle ⁇ of each of the turning arms 32 and 33 of the goniometer 30 is shifted at regular time intervals, and the detection signal from the one-dimensional X-ray detector is integrated.
  • the acquisition of X-ray detection data by the TDI method can be configured to be executed by software for the TDI method stored in the central processing unit 100.
  • the acquisition of X-ray detection data by the TDI method can also be executed by hardware or a signal control circuit (firmware) inside the one-dimensional X-ray detector.
  • the divergence width of the X-rays reflected from the inspection object is 2 ⁇
  • the pixel width xM of the one-dimensional X-ray detector is the detection range.
  • FIG. 27 shows an outline of an X-ray reflectivity measurement system employing these configurations.
  • incident X-rays (convergent X-rays) X 0 are irradiated from the X-ray irradiation unit 40 to the surface of a thin film sample W (for example, a semiconductor wafer) and reflected from the thin film sample W.
  • X 1 is detected by a one-dimensional X-ray detector 51.
  • the X-ray irradiation unit 40 for example, an X-ray optical element 43 having a configuration using a confocal mirror is used (see FIGS. 6 to 15). In this case, FIGS.
  • the TDI X-ray reflectivity measurement is performed using the entire range of the divergent X-ray without using the light receiving slit, the measurement speed is remarkably improved.
  • the film sample W one-dimensional X attenuates the intensity of the reflected X-ray X 1 coming reflected by the X-ray absorbing member 52 from A configuration for irradiating the line detector 51 is adopted.
  • the X-ray absorbing member 52 are arranged so as to be incident from the film sample to at least total internal reflection to come reflected X-ray X 1 in intensity is attenuated one-dimensional X-ray detector 51.
  • the X-ray absorbing member 52 includes the total reflection region Z shown in FIG.
  • the intensity of X-rays incident on the one-dimensional X-ray detector 51 becomes small as shown in FIG. 28A.
  • the X-ray detection data in this range is corrected by software and raised by an intensity corresponding to the amount of X-ray attenuation by the X-ray absorbing member 52 as shown in FIG. 28B, and the X-ray absorbing member 52 is interposed. The continuity with the X-ray detection data in the scanning angle range that is not present is ensured.
  • an X-ray shielding member 53 may be disposed at a position facing the convergence position of the incident X-ray X 0 (or the emission position of the reflected X-ray X 1 ) on the surface of the thin film sample W.
  • the X-ray shielding member 53 is formed in a wedge shape or a plate shape with a material that does not transmit X-rays, and is disposed so as to be orthogonal to the surface of the thin film sample W.
  • a gap between the surface of the thin film sample W and the X-ray shielding member 53 is a marginal gap through which incident X-rays X 0 incident on the thin film sample W (or reflected X-rays X 1 from the thin film sample W) can pass. It is open.
  • the X-ray shielding member 53 By arranging the X-ray shielding member 53 in this way, scattered X-rays from the air, ghosts from the reflection mirror, and the like are shielded by the X-ray shielding member 53, and one-dimensional X-rays of X-rays other than the reflected X-rays. Incident to the detector 51 can be suppressed and the background (BG) component can be reduced. As a result, the SN ratio can be improved in a relatively high angle region where the intensity of the reflected X-ray incident on the one-dimensional X-ray detector 51 is weak, and the dynamic range of the X-ray reflectivity measurement can be improved.
  • the optical path of the reflected X-ray X 1 A scattering slit 54 (SS: Scattering Slit) may be disposed.

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Abstract

　本発明のＸ線薄膜検査装置は、第１の旋回アーム３２に搭載されたＸ線照射ユニット４０と、第２の旋回アーム３３に搭載されたＸ線検出器５０と、Ｘ線の照射により検査対象から発生する蛍光Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線検出器６０と、を備えている。そして、Ｘ線照射ユニット４０は、Ｘ線管４２から放射されたＸ線を入射し、特定波長に単色化した複数本の収束Ｘ線を反射し、これら複数本の収束Ｘ線をあらかじめ設定した焦点に収束させる、コンフォーカルミラーで構成されたＸ線光学素子４３と、このＸ線光学素子４３から反射してきた複数本の収束Ｘ線のうち、任意本数の収束Ｘ線を通過させるスリット機構４６とを含んでいる。

Description

Ｘ線薄膜検査装置
　この発明は、半導体製造分野等、基板上に多数の薄膜を積層した多層膜構造の素子を製造する技術分野に好適なＸ線薄膜検査装置に関する。
　半導体等、基板上に多数の薄膜を積層した多層膜構造の素子は、成膜する薄膜の膜厚、密度、結晶性などの状態によって特性が変化する。近年、これらの素子の微細化・集積化が進み、その傾向は顕著になってきている。このため、成膜した薄膜の状態を、正確に測定できる薄膜検査装置が求められている。
　この種の検査装置として、従来より断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による直接計測や、光干渉やエリプソメトリを利用した膜厚検査装置や、光音響式装置などが知られている。断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、インライン製造工程に組み込みリアルタイムに検査対象の薄膜を検査することができず、しかも検査用に製造ラインから抜き取った製品は、検査後に廃棄されているのが実情であった。また、光干渉やエリプソメトリを利用した膜厚検査装置や、光音響式装置はインラインには適するが、数ｎｍの薄い膜の測定には精度が不足している。
　半導体デバイスメーカーにとっては、使い捨てにされる検査用ウエーハ（ブランケットウエーハ）が、コスト面で大きな負担となっている。特に、近年では半導体ウエーハの大口径化が進展しており、一枚のブランケットウエーハにかかるコストも高価格化してきている。
　そこで、本出願人は、成膜製品の製造工程に組み込み、製品そのものを直接検査し、ウエーハを使い捨てることなく数ｎｍの薄い膜でも充分な精度で検査可能とするＸ線薄膜検査装置を提案している（特許文献１：特開２００６－１５３７６７号公報参照）。
　さらに、本出願人は、先に提案したＸ線薄膜検査装置の改良を重ね、本発明を完成させるに至った。
　すなわち、本発明は、検査対象を上面に配置する試料台と、
　試料台の上面に配置された検査対象の画像を観察する画像観察手段と、
　画像観察手段による検査対象の画像観察結果に基づき制御され、試料台を水平面上で直交する２方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させる位置決め機構と、
　試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する第１，第２の旋回部材を備えたゴニオメータと、
　第１の旋回部材に搭載されたＸ線照射ユニットと、
　第２の旋回部材に搭載されたＸ線検出器と、
　Ｘ線の照射により検査対象から発生する蛍光Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線検出器と、
　を備えたＸ線薄膜検査装置である。
　ここで、Ｘ線照射ユニットは、
　Ｘ線を放射するＸ線管と、
　Ｘ線管から放射されたＸ線を入射し、特定波長に単色化した複数本の収束Ｘ線を反射し、これら複数本の収束Ｘ線をあらかじめ設定した焦点に収束させる、コンフォーカルミラーで構成されたＸ線光学素子と、
　Ｘ線光学素子から反射してきた複数本の収束Ｘ線のうち、任意本数の収束Ｘ線を通過させるスリット機構とを含んでいる。
　また、Ｘ線照射ユニットは、Ｘ線光学素子を、同光学素子から反射してきた複数本の収束Ｘ線の中心軸周りに回転調整する構造を備えた構成とすることが好ましい。
　スリット機構は、Ｘ線を遮蔽する材料で形成した２枚の遮蔽板を備え、これら遮蔽板の間に形成した隙間に任意本数の収束Ｘ線を通過させる構成であり、且つ隙間の広さを任意に調整できる機能を備えた構成とすることが好ましい。
　Ｘ線光学素子は、当該Ｘ線光学素子から反射してきたＸ線の光路方向から見て、仮想四角形の４隅にそれぞれ４本の矩形状をした収束Ｘ線を反射させる構成とすることができる。
　このような４本の収束Ｘ線の束は、Ｘ線強度が大きく、蛍光Ｘ線測定に好適である。
　かかる構成において、Ｘ線光学素子から反射してきた４本の収束Ｘ線のうち、遮蔽板の隙間を通過してきた２本の収束Ｘ線は、それら２本の収束Ｘ線を含む仮想平面が、同Ｘ線の光路方向から見て、検査対象の被検査面に対して平行に入射するように、互いの光路の位置関係を調整することが好ましい。
　このような収束Ｘ線は、高さ方向の広がりが小さく、Ｘ線反射率測定に好適である。
　また、スリット機構は、Ｘ線光学素子から反射してきた４本の収束Ｘ線のうち１本の収束Ｘ線のみを遮蔽板の隙間から通過させる構成とすることができる。
　このような収束Ｘ線は、高さ方向及び幅方向の広がりが小さく、半導体ウエーハ上に形成された微細なパターンを検査対象とするＸ線反射率測定に好適である。
　一方、Ｘ線照射ユニットは、
　Ｘ線を放射するＸ線管と、
　３次曲面以上の高次曲面をした反射面を有する半導体単結晶板からなる２重湾曲分光結晶板を、支持ブロックに固定した構成であって、Ｘ線管から放射されたＸ線を反射面に入射し、特定波長に単色化した収束Ｘ線を反射するＸ線光学素子とを含む構成としてもよい。
　かかる構成において、Ｘ線光学素子は、長さ方向に湾曲してＸ線の取込み角を設定するとともに、直交する幅方向にも湾曲させてＸ線の取込み角を設定した構成とすることが好ましい。
　このような構成のＸ線照射ユニットから出射される収束Ｘ線は、強度が大きく、蛍光Ｘ線測定に好適である。
　なお、上述した構造の異なる各Ｘ線照射ユニットは、ゴニオメータにおける第１の旋回部材に、旋回方向へ並べて搭載することができる。
　また、Ｘ線光学素子から反射してきた４本の収束Ｘ線のうち、遮蔽板の隙間を通過してきた１本の収束Ｘ線を利用して、
　第２の旋回部材に一次元Ｘ線検出器を搭載し、
　ＴＤＩ方式によりＸ線の検出データを取得してＸ線反射率測定を実施する構成とすることもできる。
　さらに、受光スリットを設けないで検査対象となる薄膜試料から反射してくるＸ線の全範囲を一次元Ｘ線検出器に入射させるように構成することもできる。
　ここで、薄膜試料から少なくとも全反射してくる反射Ｘ線の強度を、Ｘ線吸収部材により減衰させて一次元Ｘ線検出器に入射させるようにすることが好ましい。
　さらに、薄膜試料の表面における入射Ｘ線の収束位置又は反射Ｘ線の出射位置と対向する位置に、前記薄膜試料に入射する入射Ｘ線又は当該薄膜試料からの反射Ｘ線が通過できる隙間を開けて、Ｘ線遮蔽部材を配置してもよい。また、薄膜試料から反射してくる反射Ｘ線の光路に対して、当該反射Ｘ線が通過できる隙間を開けて、散乱スリットを配置することもできる。
　これにより、空気からの散乱Ｘ線や反射ミラーからのゴースト等をＸ線遮蔽部材や散乱スリットによって遮蔽し、それら反射Ｘ線以外のＸ線の一次元Ｘ線検出器への入射を抑制し、バックグラウンド（ＢＧ）成分を低減させることが可能となる。
図１は本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の全体構造を示す斜視図である。 図２は本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の全体構造を示す正面図である。 図３は本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の制御系を示すブロック図である。 図４は本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の制御フローチャートである。 図５は半導体ウエーハの傾き補正を説明するための模式図である。 図６はＸ線照射ユニットに係る第１の実施形態の外観を示す斜視図である。 図７はＸ線照射ユニットに係る第１の実施形態の縦断面図である。 図８はＸ線照射ユニットに係る第１の実施形態の横断面図である。 図９はＸ線光学素子におけるＸ線の反射軌道を示す図である。 図１０Ａ、図１０ＢはそれぞれＸ線光学素子から反射してきた４本の収束Ｘ線を光路方向から見た図である。 図１１はＸ線照射ユニットから半導体ウエーハの検査面に照射した４本の収束Ｘ線の軌道と、当該検査面から反射してＸ線検出器に入射する発散Ｘ線の軌道とを示す模式図である。 図１２は、図６と同じく、Ｘ線照射ユニットに係る第１の実施形態の外観を示す斜視図である。 図１３Ａ、図１３Ｂはスリット機構の遮蔽板の間隙を通過した２本の収束Ｘ線を光路方向から見た図である。 図１４はＸ線照射ユニットから半導体ウエーハの検査面に照射した２本の収束Ｘ線の軌道と、当該検査面から反射してＸ線検出器に入射する発散Ｘ線の軌道とを示す模式図である。 図１５はスリット機構の遮蔽板の間隙を通過した１本の収束Ｘ線を光路方向から見た図である。 図１６はＸ線照射ユニットに係る第２の実施形態の外観を示す斜視図である。 図１７はＸ線照射ユニットに係る第２の実施形態の構成を示す縦断面図である。 図１８は図１７に示したＸ線照射ユニットにおけるＸ線光学素子の外観を示す斜視図である。 図１９は図１７に示したＸ線照射ユニットを用いた蛍光Ｘ線測定を説明するための模式図である。 図２０は温度補正システムに係る実施形態における準備段階のステップを説明するためのフローチャートである。 図２１は温度補正システムに係る実施形態におけるＺ方向の検査位置の実測手順を説明するための模式図である。 図２２は温度補正システムに係る実施形態におけるＸ方向及びＹ方向の検査位置の実測手順を説明するための模式図である。 図２３は本発明者らによる温度補正に関する実験結果を示すグラフである。 図２４Ａ、図２４ＢはＸ線反射率測定の原理を説明するための図である。 図２５Ａ、図２５ＢはＸ線反射率測定の原理を説明するための図である。 図２６はＴＤＩ方式を説明するための図である。 図２７はＸ線反射率測定システムの改良に関する実施形態を説明するための模式図である。 図２８Ａ、図２８ＢはＸ線反射率測定システムの改良に関する実施形態を説明するための図である。 図２９は図２７に示したＸ線反射率測定システムをさらに改良した実施形態を示す模式図である。
１０：試料台、２０：位置決め機構、３０：ゴニオメータ、３１：ゴニオメータ本体、３２：第１の旋回アーム、３３：第２の旋回アーム、４０：Ｘ線照射ユニット、４１：チューブシールド、４１ａ：第１チューブ、４１ｂ：第２チューブ、４２：Ｘ線管、４３：Ｘ線光学素子、４６：スリット機構、４６ａ：遮蔽板、４６ｂ：遮蔽板、５０：Ｘ線検出器、５１：一次元Ｘ線検出器、５２：Ｘ線吸収部材、５３Ｘ線遮蔽部材、５４：散乱スリット、６０：蛍光Ｘ線検出器、７０：光学顕微鏡、１００：中央処理装置、１１０：温度測定ユニット
　以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔Ｘ線薄膜検査装置の基本構成〕
　図１は本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の全体構造を示す斜視図、図２は同装置の正面図である。
　Ｘ線薄膜検査装置は、試料台１０、位置決め機構２０、ゴニオメータ３０、Ｘ線照射ユニット４０、Ｘ線検出器５０、蛍光Ｘ線検出器６０、ＣＣＤカメラ等からなる光学顕微鏡７０（画像観察手段）を備えている。
　試料台１０の上面には、検査対象となる半導体ウエーハが配置され、位置決め機構２０によって駆動される。位置決め機構２０は、水平面内の直角２方向（Ｘ，Ｙ方向）へ移動自在な水平移動機構と、水平面と直交する上下方向（Ｚ方向）へ移動自在な昇降機構と、面内回転機構とを含み、試料台１０をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるとともに面内回転させて、その上面に配置された半導体ウエーハにおける任意の被測定部位を、照射Ｘ線の収束位置へ所定の向きに位置決めする機能を有している。
　ゴニオメータ３０は、ゴニオメータ本体３１に、第１，第２の旋回アーム（旋回部材）３２，３３を搭載している。各旋回アーム３２，３３は、図２の紙面に垂直な軸（θＸ軸、θＤ軸）を中心に、試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する。ここで、第１の旋回アーム３２の水平位置からの旋回角度をθＸ、第２の旋回アーム３３の水平位置からの旋回角度をθＤとして、ゴニオメータはθＸ＝θＤの関係を保持して、各旋回アーム３２，３３を旋回駆動させる。
　θＸ軸を中心に旋回する第１の旋回アーム３２には、複数台（図では３台）のＸ線照射ユニット４０が旋回方向に並べて搭載してある。また、θＤ軸を中心に旋回する第２の旋回アーム３３にはＸ線検出器５０が搭載してある。
　なお、第１の旋回アーム３２に搭載するＸ線照射ユニット４０の台数は、用途に応じて任意に設定することができる。例えば、第１の旋回アーム３２に１台、２台、または４台以上のＸ線照射ユニット４０を搭載した構成としてもよい。
　Ｘ線照射ユニット４０は、Ｘ線管から発生したＸ線を、特定の波長のＸ線に単色化するとともに、一箇所に収束させる機能を有している。
Ｘ線照射ユニット４０からのＸ線が照射される位置が検査位置となり、試料台１０の上面に配置された検査対象の被測定部位は、位置決め機構２０によってこの検査位置へ位置決めされる。
なお、Ｘ線照射ユニット４０の詳細については後述する。
　Ｘ線検出器５０は、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）やＸ線回折測定（ＸＲＤ）に用い、蛍光Ｘ線検出器６０は、蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）に用いる。Ｘ線反射率測定によれば、膜表面での反射Ｘ線と、膜と基板との界面での反射Ｘ線の干渉を測定して膜厚や密度を導くため、膜厚でオングストロームオーダーの測定精度が得られる。また、蛍光Ｘ線測定によれば、比較的厚い配線膜の測定を高精度に行うことができる。本実施形態のＸ線薄膜検査装置は、これらＸ線反射率測定と蛍光Ｘ線測定に加え、必要に応じてＸ線回折測定も実施できるようになっている。
　Ｘ線検出器５０としては、例えば、入射Ｘ線に対するダイナミックレンジの広いアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いることができる。
　なお、第２の旋回アーム３３に検出器交換機構を組み込むとともに、ＡＰＤ、一次元Ｘ線検出器、二次元検出器、シンチレーションカウンタなど各種のＸ線検出器を搭載し、検出器交換機構によりＸ線検出器を切り替えて利用できる構成とすることも可能である。
　また、上述した検査位置の上方位置には、蛍光Ｘ線検出器６０が設置してあり、また、光学顕微鏡７０は、検査位置からＬＰだけ水平方向にずらした位置に配置して、蛍光Ｘ線検出器６０との干渉を回避してある。
　試料台１０に配置した検査対象（例えば、半導体ウエーハ）の被測定部位は、位置決め機構２０により試料台１０を移動させることで、光学顕微鏡７０の下方位置に配置される。そして、この位置から検査位置に向かって水平方向へＬｐだけ移動させることで、検査対象（例えば、半導体ウエーハ）の被測定部位が検査位置に位置決めされる。
　なお、試料台１０の上方に機器交換機構を設け、この機器交換機構により蛍光Ｘ線検出器６０と光学顕微鏡７０のいずれか一方を選択して、検査位置の上方位置へ配置する構成としてもよい。
　上述した基本構成のＸ線薄膜検査装置によれば、第１の旋回アーム３２に、複数台（図１，図２では３台）のＸ線照射ユニット４０を旋回方向へ並べて搭載することで、第１の旋回アーム３２を旋回させるだけで、複数台のＸ線照射ユニット４０を選択するとともに、選択したＸ線照射ユニット４０を測定位置に対して任意の角度で高精度に位置決めすることができる。
　例えば、本装置によりＸ線反射率測定を実施する場合は、所望のＸ線を発生するＸ線照射ユニット４０を選択し、測定対象である半導体ウエーハに対し表面すれすれの低角度でＸ線を照射するように、選択したＸ線照射ユニット４０を配置すればよい。また、通常のＸ線回折測定を実施する場合は、選択したＸ線照射ユニット４０の位置を逐次移動させて、半導体ウエーハに対するＸ線の入射角度を適宜変更していく。さらに、蛍光Ｘ線測定を実施する場合は、測定対象に対して低角度でＸ線を照射するように、選択したＸ線照射ユニット４０を配置すればよい。
　本実施形態のＸ線薄膜査装置によれば、これらＸ線照射ユニット４０の選択と位置決めが、第１の旋回アーム３２を旋回移動させるだけで高精度に行うことができる。
　さらに、第１の旋回アーム３２にＸ線照射ユニット４０を搭載する構成によれば、第１の旋回アーム３２を旋回させるとともに、θＸ＝θＤの関係を保持して第２の旋回アーム３３を旋回させることで、Ｘ線反射率測定における角度走査測定を行うことが可能となる。
　Ｘ線反射率測定では、単層膜だけでなく、表面から数層の各々の層の膜厚、密度、ラフネスを同時に導出することが可能である。しかも、複数台のＸ線照射ユニット４０を第１の旋回アーム３２に搭載できるようになっているので、複数の異なる波長のＸ線ビームを利用したより精度の高い多層膜解析が実現可能となる。
　蛍光Ｘ線測定では、検査対象（例えば、半導体ウエーハ）に応じて蛍光Ｘ線測定に適した波長のＸ線を発生するＸ線照射ユニット４０が選択され、第１の旋回アーム３２が旋回して選択されたＸ線照射ユニットから検査対象に対して低角度の入射角度位置に配置する。
　このように入射角度を低角度に設定することで、検査対象への入射Ｘ線が蛍光Ｘ線検出器６０に遮られない余裕空間ができ、機器交換機構８０に内蔵されている上下移動機構により蛍光Ｘ線検出器６０を下降させ、他の元素を測定するときに比べ蛍光Ｘ線検出器６０を検査対象の表面に近接する位置に配置することが可能となる。
　これにより、検査対象の測定面と蛍光Ｘ線検出器６０との間のＸ線通路（Ｘ線の入射空間）を微小空間とすることができ、検査対象の測定面から発生する蛍光Ｘ線の多くを空気に吸収される前に蛍光Ｘ線検出器６０が捕捉可能となる。
　図３は本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の制御系を示すブロック図である。
　Ｘ線照射ユニット４０に組み込まれたＸ線管４２への高圧電源４７の供給、およびシャッター４５の開閉操作は、ＸＧコントローラ１０１が実行する。また、光学顕微鏡７０が捉えた画像は、画像認識回路１０２で画像認識される。なお、光学顕微鏡７０の焦点位置はフォーカスコントローラ１０３によって調整される。位置決めコントローラ１０４は、光学顕微鏡で捉えられ、画像認識回路１０２により認識された画像情報に基づいて位置決め機構２０を駆動制御する。ゴニオメータ３０は、ゴニオコントローラ１０６によって駆動制御される。
　ＸＧコントローラ１０１、画像認識回路１０２、フォーカスコントローラ１０３、位置決めコントローラ１０４、ゴニオコントローラ１０６は、中央処理装置（ＣＰＵ）１００からの設定情報に基づいてそれぞれ作動する。また、Ｘ線検出器５０と蛍光Ｘ線検出器６０は、それぞれ計数制御回路１０７，１０８によって制御される。これら各コントローラ、ＣＰＵ、計数制御回路が、Ｘ線薄膜検査装置の制御手段を構成している。
　図４は半導体ウエーハを検査対象としたＸ線薄膜検査を実行する際の制御フローチャートである。
　試料台１０上に検査対象となる半導体ウエーハを配置した後、まず半導体ウエーハの被測定部位を検査位置へ位置決めする（ステップＳ１）。この位置決めは、位置決め機構２０の駆動制御をもって実行される。すなわち、光学顕微鏡７０が試料台１０上の半導体ウエーハを捉え、画像認識回路１０２で認識した画像情報に基づいて位置決めコントローラ１０４が位置決め機構２０を駆動制御する。位置決め機構２０は、水平２方向（Ｘ－Ｙ方向）および高さ方向（Ｚ方向）に移動して、半導体ウエーハの被測定部位を検査位置へ配置する。
　半導体ウエーハに形成される半導体素子内の微小な薄膜パターンを被測定部位とする場合は、あらかじめ検査対象である半導体ウエーハに形成された位置決め用パターン、半導体素子のスクライブ・ライン、メモリー部、ダミーパターンやＩＣチップの特定部位など微小なパターンを画像認識回路１０２に記憶させておき、検査に際して検査対象である半導体ウエーハの検査対象領域を光学顕微鏡７０で観察し、その観察画像とあらかじめ記憶してある上記微小パターンを対比して合わせることにより、被測定部位である微小パターンであることを画像認識回路１０２が判別する。その判別結果に基づいて位置決め機構２０が被測定部位である微小パターンを被測定位置へ位置決めする。
　また、上述したように半導体ウエーハに形成される半導体素子内の微小な薄膜パターンを被測定部位とする場合、その長手方向をＸ線の入射方向に合わせて配置することが好ましい。この方向合わせは、位置決め機構２０による水平２方向（Ｘ－Ｙ方向）の移動と面内回転によって、短い移動距離で実現できる。
　次に、半導体ウエーハの傾き補正を行う（ステップＳ２）。この傾き補正は、図５に示すように、半導体ウエーハを固定したまま、ゴニオメータ３０の第１，第２の旋回アーム３２，３３を旋回させて行われる。Ｘ線照射ユニット４０から半導体ウエーハへ照射されるＸ線の入射角度がθであれば、半導体ウエーハの表面からはθの角度にＸ線が反射していく。この反射Ｘ線をＸ線検出器５０で検出する。これにより、半導体ウエーハの表面に対してＸ線照射ユニット４０とＸ線検出器５０とが同じ角度位置に配置され、ここを原点としてそれぞれの角度制御を実行することが可能となる。
　上述したように半導体ウエーハの被測定部を位置決めするとともに傾き補正を実行した後、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）、蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）のいずれかをもってＸ線検査を実行し（ステップＳ３）、中央処理装置が検査データを解析して（ステップＳ４）、解析結果を出力する（ステップＳ５）。
　以上の各ステップは半導体ウエーハに設定した被測定部位のすべてについて実行され（ステップＳ６）、すべての被測定部位の検査が終了した後に終了する。
　なお、低角での蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）やＸ線反射率測定（ＸＲＲ）において、スループットを優先する場合には、上述した半導体ウエーハの傾き補正（ステップＳ２）は省略することもある。また、低角以外での蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）においては、通常、半導体ウエーハの傾き補正（ステップＳ２）は省略される。
〔Ｘ線照射ユニット（その１）〕
　次に、Ｘ線照射ユニット４０に係る第１の実施形態について、図６～図１５を参照して詳細に説明する。
　Ｘ線照射ユニット４０は、図６に示すような外観をしており、図７及び図８に示すように、チューブシールド（ユニット本体）４１内に、Ｘ線源であるＸ線管４２とＸ線光学素子４３とを内蔵したモジュール構成として小形軽量化を実現している。チューブシールド４１は、Ｘ線を遮蔽する金属材料で構成してあり、Ｘ線管４２を内蔵する第１チューブ４１ａと、Ｘ線光学素子４３を内蔵する第２チューブ４１ｂとに分割されている。各チューブ４１ａ，４１ｂは、ボルト等の締結手段によって連結され一体化する。
　チューブシールド４１内には、図７に示すように、Ｘ線管４２から放射されたＸ線をＸ線出射口４１ｃへ導くＸ線通路が形成してあり、第１チューブ４１ａ内にはこのＸ線通路を開閉するシャッター４５が設けてある。シャッター４５は回転により開閉して、Ｘ線管４２から放射されたＸ線を通過又は遮蔽する構成となっている。
　Ｘ線管４２には、例えば、ターゲット上での電子線焦点サイズがφ３０μｍ程度で、出力が３０Ｗ程度の微小焦点Ｘ線管球を用いることができる。ターゲット材料は、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）など、必要に応じて選択することができる。他にも、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等が使用される。例えば、第１の旋回アーム３２に、それぞれターゲット材料の異なるＸ線管４２を内蔵した複数のＸ線照射ユニット４０を搭載することもできる。
　Ｘ線光学素子４３としては、Ｘ線管４２から発生したＸ線を所定位置に収束させるコンフォーカルミラーを用いている。コンフォーカルミラーは、図８に示すように、４枚の多層膜ミラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄによって構成される。各多層膜ミラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄは、それぞれ楕円弧面の多層膜で形成されており、隣接する多層膜ミラー４３ａと４３ｂ、及び４３ｃと４３ｄは、それぞれＸ線の反射面の端縁が約９０度の角度をもって交わるように配置されている。このコンフォーカルミラーで構成されたＸ線光学素子４３は、Ｘ線管４２で発生したＸ線を微小な焦点に収束できるとともに、Ｘ線を単色化する。例えば、Ｘ線管４２がＣｕターゲットのときにはＣｕΚα、ＭｏターゲットのときにはＭｏΚαにＸ線を単色化することができる。なお、単色化するＸ線の波長に応じて、多層膜ミラーを適宜選択して用いることが好ましい。
　図９はＸ線光学素子（コンフォーカルミラー）におけるＸ線の反射軌道を示す図である。
　Ｘ線光学素子４３に入射したＸ線は、４枚の多層膜ミラーのうち隣接する２枚の多層膜ミラー４３ａと４３ｂの間で反射し、単色化された収束Ｘ線となって出射される。すなわち、最初に第１の多層膜ミラー４３ａで反射したＸ線は、さらに第２の多層膜ミラー４３ｂで反射することで、図１０Ａに示すような断面矩形状の収束Ｘ線となって出射される。一方、最初に第２の多層膜ミラー４３ｂで反射したＸ線は、さらに第１の多層膜ミラー４３ａで反射することで、同じく図１０Ａに示すような断面矩形状の収束Ｘ線となって出射される。同様に、図には示されないが、隣接する他の２枚の多層膜ミラー４３ｃと４３ｄの間でもＸ線が反射して、図１０Ａに示すような断面矩形状の収束Ｘ線となって出射される。
　したがって、Ｘ線光学素子４３からは、図１０Ａに示すように仮想四角形の４隅に、それぞれ４本の矩形状をした収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが出射される。
　なお、図１０Ａに示す収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄは、図９に示すようにＸ線光学素子４３で反射して収束位置ｂに至る中間位置の切断面Ａで切断した際の断面形状を示しており、収束位置ｂではこれら各収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが一つに重なり合う。
　したがって、収束位置ｂで４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが一つに重なり合えば、１本の収束Ｘ線の４倍のＸ線強度を得ることができる。また、後述するように、収束位置ｂで２本の収束Ｘ線Ｘｂ，Ｘｄが一つに重なり合えば、１本の収束Ｘ線の２倍のＸ線強度を得ることができる。
　図９に示す収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄの収束位置ｂは半導体ウエーハの測定位置に合わせてあり、この収束位置ｂに既述した位置決め機構２０をもって半導体ウエーハ内の任意の被測定部位が位置決めされる。なお、測定位置はゴニオメータ３０のθ軸上に設定してある。
　ここで、図９に示すように、Ｘ線管４２における電子線の焦点サイズ（長さ）をＦ１、Ｘ線管４２の焦点ｆａからＸ線光学素子４３の反射中心位置までの距離をＬ１、Ｘ線光学素子４３の反射中心位置から収束Ｘ線の収束位置ｆｂまでの距離をＬ２としたとき、収束Ｘ線の焦点サイズ（長さ）Ｆ２は、次式で現される。
　　　Ｆ２＝Ｆ１（Ｌ２／Ｌ１）
　したがって、収束Ｘ線の焦点サイズＦ２を小さくするためには、Ｘ線管４２の焦点ｆａからＸ線光学素子４３の反射中心位置までの距離Ｌ１をできるだけ長くすることが好ましい。なお、Ｘ線光学素子４３の反射中心位置から収束Ｘ線の収束位置ｆｂまでの距離Ｌ２を短くする方法は、半導体ウエーハに干渉してしまう等の制約があって困難である。
　Ｘ線光学素子４３の第２チューブ４１ｂは、第１チューブ４１ａに対して回転調整自在に構成されており、例えば、第２チューブ４１ｂを４５度回転させた状態で固定することで、内部に組み込まれたＸ線光学素子４３の各多層膜ミラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄの周方向位置を４５度回転移動させることができる。このように各多層膜ミラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄの周方向位置を４５度回転移動させることで、Ｘ線光学素子４３から反射してくる収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄの軌道を、図１０Ａから図１０Ｂの位置に変更することができる。
　さて、既述したように、収束位置ｂで４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが一つに重なり合えば、１本の収束Ｘ線の４倍のＸ線強度を得ることができる。しかしながら、図１０Ａに示すような４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄを半導体ウエーハの被検査面に照射した場合、半導体ウエーハの被検査面から反射してくる反射Ｘ線Ｘrａ，Ｘrｂ，Ｘrｃ，Ｘrｄは、図１１に示すように広がってＸ線検出器５０に入射する。このように、Ｘ線検出器５０に入射する反射Ｘ線Ｘrａ，ＸrｂとＸrｄ，Ｘrｃとの間に高さ方向（Ｚ方向）の広がりがあると、特にＸ線反射率測定では、高精度な測定結果を得ることができない。
　一方、蛍光Ｘ線測定においては、半導体ウエーハから励起して出てくる蛍光Ｘ線Ｘｆを蛍光Ｘ線検出器６０で捕捉するため、反射Ｘ線Ｘrａ，Ｘrｂ，Ｘrｃ，Ｘrｄの広がりは測定精度に何ら影響しない。
　そこで、蛍光Ｘ線測定においては、図１０Ａや図１０Ｂに示すような４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄを利用して、１本の収束Ｘ線の４倍のＸ線強度をもって測定を実施することで、高精度な測定結果を得ることが可能となる。一般的に、Ｘ線計測における計測誤差のうち統計誤差は√Ｎであらわされ（ＮはＸ線強度）、統計誤差率は√（Ｎ／Ｎ）となる。Ｘ線強度が４倍になると、統計誤差率は√（４Ｎ／４Ｎ）＝１／２となる。すなわち、４倍のＸ線強度を有する上記構成とすることで、統計誤差率を１／２に低減することができる。
　図６及び図１２に示すように、Ｘ線照射ユニット４０には、チューブシールド４１のＸ線出射口４１ｃの前方に、出射してくるＸ線の一部を遮蔽するための可動式のスリット機構４６が設けられている。このスリット機構は、上下に配置された２枚の遮蔽板４６ａ、４６ｂが、それぞれ直交する幅方向（Ｙ方向）及び高さ方向（Ｚ方向）にスライド自在に組み込まれており、図示しない駆動モータからの駆動力をもってこれら遮蔽板４６ａ、４６ｂの位置を変更できる構成となっている。各遮蔽板４６ａ，４６ｂは、Ｘ線を遮蔽する材料で形成されている。
　そして、図６に示す退避位置に遮蔽板４６ａ、４６ｂを移動させることで、Ｘ線出射口４１ｃから４本すべての収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄ（図１０参照）を出射させることができる。
　一方、図１２に示すように出射してくるＸ線の一部を遮蔽する位置に一定の隙間を空けて遮蔽板４６ａ、４６ｂを移動配置することで、例えば、図１３Ａ又は図１３Ｂに示すように、Ｘ線出射口４１ｃから２本の収束Ｘ線Ｘｃ，Ｘｄ又はＸｂ，Ｘｄを出射させることができる。
　上述した遮蔽板４６ａ、４６ｂは、発散スリット（ＤＳ：Divergence Slit）の機能を有している。
　ここで、図１３Ａ又は図１３Ｂに示すように遮蔽板４６ａ，４６ｂの隙間を通過してきた２本の収束Ｘ線Ｘｄ，Ｘｃ（又はＸｂ，Ｘｄ）は、これら２本の収束Ｘ線Ｘｄ，Ｘｃ（又はＸｂ，Ｘｄ）を含む仮想平面が、同Ｘ線の光路方向から見て、半導体ウエーハの被検査面に対して平行に入射するように、互いの光路の位置関係が調整されている。この位置関係の調整は、各多層膜ミラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄが組み込まれた第２チューブ４１ｂの回転調整により行うことができる。
　このように出射された２本の収束Ｘ線Ｘｃ，Ｘｄ又はＸｂ，Ｘｄは、Ｘ線反射率測定に適している。すなわち、図１４に示すように、２本の収束Ｘ線Ｘｃ，Ｘｄ（又はＸｂ，Ｘｄ）を、半導体ウエーハの被検査面に照射した場合、半導体ウエーハの被検査面から反射してくる反射Ｘ線Ｘrｃ，Ｘrｄ（又はＸrｂ，Ｘrｄ）は、幅方向（Ｙ方向）だけに広がり、高さ方向（Ｚ方向）への広がりはない。したがって、Ｘ線反射率測定に適している。
　また、図１５に示すように、Ｘ線出射口４１ｃから１本だけの収束Ｘ線Ｘｃを出射させるように遮蔽板４６ａ、４６ｂを移動配置することもできる。２本の収束Ｘ線を利用する場合に比べてＸ線強度が１／２になるものの、幅方向（Ｙ方向）及び高さ方向（Ｚ方向）のいずれにも広がることがないため、この場合もＸ線反射率測定に利用することができる。
　なお、具体的な反射Ｘ線の広がり角度は設計によって異なってくるが、一例として１本のＸ線ビームでも０．５度の広がり角、上下２本間で４度の広がり角がある。蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）では４本のＸ線ビームを使用することが好ましい。一方、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）では１本又は２本のＸ線ビームを使用することが好ましい。さらに、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）では、使用するＸ線ビームの一部を遮蔽板４６ａ，４６ｂで遮蔽して、ビーム幅を例えば０．２度～０．１度に制限して使用することもできる。Ｘ線検出器の前には、受光スリット（ＲＳ：Receiving Slit）を設けて角度を制限し、検査対象に応じて分解能を変えることもできる。
　このように、Ｘ線照射ユニット４０の第１の構成によれば、４本の収束Ｘ線をすべて利用して蛍光Ｘ線測定のＸ線源としたり、２本又は１本の収束Ｘ線を利用して反射率測定のＸ線源とすることが可能となる。なお、４本の収束Ｘ線を利用する場合に比べてＸ線強度は小さくなるものの、２本又は１本の収束Ｘ線を利用して蛍光Ｘ線測定を実施することも可能である。
〔Ｘ線照射ユニット（その２）〕
　次に、Ｘ線照射ユニット４０に係る第２の実施形態について、図１６～図１９を参照して詳細に説明する。
　本実施形態のＸ線照射ユニット４０は、蛍光Ｘ線測定に適した大きな強度のＸ線を照射することができるように構成されている。
　Ｘ線照射ユニット４０は、図１６に示すような外観をしており、図１７に示すように、チューブシールド（ユニット本体）４１内に、Ｘ線源であるＸ線管４２とＸ線光学素子４３とを内蔵したモジュール構成としてある。チューブシールド４１は、Ｘ線を遮蔽する金属材料で構成してあり、Ｘ線管４２を内蔵する第１チューブ４１ａと、Ｘ線光学素子４３を内蔵する第２チューブ４１ｂとに分割されている。各チューブ４１ａ，４１ｂは、連結部材４１ｄを介して連結されている。
　チューブシールド４１内には、図１６Ｂ及び図１７に示すように、Ｘ線管４２から放射されたＸ線をＸ線出射口４１ｃへ導くＸ線通路が形成してあり、第１チューブ４１ａ内にはこのＸ線通路を開閉するシャッター４５が設けてある。シャッター４５は回転により開閉して、Ｘ線管４２から放射されたＸ線を通過又は遮蔽する構成となっている。
　Ｘ線管４２のターゲット材料は、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）など、必要に応じて選択することができる。他にも、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）等が使用される。
　Ｘ線光学素子４３は、図１８に示すように、３次曲面以上の高次曲面をした反射面を有するゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶板からなる２重湾曲分光結晶板（ＤＣＣ）４３Ａを、支持ブロック４３Ｂに固定した構成となっている。このＸ線光学素子４３は、長さ方向に湾曲してＸ線の取込み角を設定するだけでなく、長さ方向と直交する幅方向にも湾曲させてＸ線の取込み角を設定した構成となっており、広い面積で且つ大きな取込み角をもってＸ線管４２からのＸ線を反射させることで、大きな強度のＸ線を照射できるようにしてある。このＸ線光学素子４３も入射したＸ線を単色化する機能を有していることは勿論である。例えば、Ｘ線管４２がＭｏターゲットのときにはＭｏ－Κα、ＡｕターゲットのときにはＡｕ－ＬβにＸ線を単色化することができる。
　さて、上述した３次曲面以上の高次曲面をした反射面を有する２重湾曲分光結晶板４３Ａは、例えば、国際公開ＷＯ２００７／０７２９０６号公報に開示された高温型押しの製法をもって製作することができる。例えば、平板状の半導体単結晶板を型押し部材に挟み込んで高温加圧して塑性変形させることで、広い面積で且つ大きな取込み角を有する３次曲面以上の高次曲面をした２重湾曲分光結晶板４３Ａを製作することができる。ここで、２重湾曲分光結晶板４３Ａの結晶格子面は、例えば、非対称Ｊｏｈａｎｎ型又はＬｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ　ｓｐｉｒａｌ型のＸ線回折条件を満たすように調整してある。
　図１６及び図１７に戻り、Ｘ線照射ユニット４０は、チューブシールド４１内に入射側アパーチャ４７ａと出射側アパーチャ４７ｂが設けてある。入射側アパーチャ４７ａは、Ｘ線管４２から放射されたＸ線を絞り込んで２重湾曲分光結晶板４３Ａの反射面に効率的に照射させるための透過窓部材である。また出射側アパーチャ４７ｂは、２重湾曲分光結晶板４３Ａで反射してきたＸ線を絞り込んで効率的にＸ線を収束させて焦点に導くための透過窓部材である。
　入射側アパーチャ４７ａは、Ｘ線を遮蔽できる金属材料で形成された遮蔽部材の中央部にＸ線を透過する開口部を設けた構成となっている。また、出射側アパーチャ４７ｂは、Ｘ線を遮蔽できる金属材料で形成された遮蔽部材の中央部にＸ線を透過する開口部を設けるとともに、この遮蔽部材を直交する高さ方向（Ｚ方向）と幅方向（Ｙ方向）に移動できる構成としてある。そして、第２チューブ４１ｂに設けた高さ調整ねじ４７ｃをもってＸ線を透過させる開口部の高さ位置を微調整できる構成となっている。さらに、第２チューブ４１ｂに設けた横位置調整ねじ４７ｄをもってＸ線を透過させる開口部の幅方向位置を微調整できる構成となっている。
　また、図１７に示すように、チューブシールド４１の連結部材４１ｄは、第１チューブ４１ａに対し第２チューブ４１ｂを出射するＸ線の光路方向に移動調整できる構造としてあり、これによりＸ線管４２から出射されたＸ線の光路に対し、Ｘ線光学素子４３の反射面の位置を微調整できるようになっている。さらに、第１チューブ４１ａは連結部材４１ｄに対して図１７の矢印θ方向に首振りできるように構成してあり、マイクロメータ４８の操作によりその首振り角θを微調整することができる。これによりＸ線管４２から出射されたＸ線に対し、Ｘ線光学素子４３の反射面への入射角θを微調整できるようになっている。
　上述した構成のＸ線照射ユニット４０は、図１９に示すように蛍光Ｘ線測定に好適な光学系を形成することができる。すなわち、Ｘ線管４２から放射されたＸ線を、Ｘ線光学素子４３で単色化するとともに反射収束して、半導体ウエーハの被検査面に照射する。そして、半導体ウエーハから現れた蛍光Ｘ線を蛍光Ｘ線検出器６０で捕捉して分析する。
　図６～図１５に示した第１の実施形態のＸ線照射ユニット４０と、図１６～図１９に示した第２の実施形態のＸ線照射ユニット４０は、図１に示したＸ線薄膜検査装置における第１の旋回アーム３２にそれぞれ搭載することができる。例えば、図１に３台搭載したＸ線照射ユニット４０のうち、中央のＸ線照射ユニット４０を、図６～図１５に示した第１の実施形態のＸ線照射ユニット４０とし、また上部のＸ線照射ユニット４０を、Ａｕ－ＬβのＸ線を照射する図１６～図１９に示した第２の実施形態のＸ線照射ユニット４０とし、さらに下部のＸ線照射ユニット４０を、Ｍｏ－ΚαのＸ線を照射する図１６～図１９に示した第２の実施形態のＸ線照射ユニット４０とする。
　このように各種のＸ線照射ユニット４０を第１の旋回アーム３２に搭載しておけば、Ｘ線照射ユニット４０を旋回移動させるだけで、Ｘ線反射率測定や蛍光Ｘ線測定に適したＸ線照射ユニット４０を短時間で効率的にセッティングすることができる。
〔温度補正システム〕
　次に、Ｘ線薄膜検査装置の温度補正システムについて詳細に説明する。
　Ｘ線薄膜検査装置の内部温度が変化すると、同装置を構成する各部材が僅かながらではあるが膨張又は収縮し、Ｘ線の照射点である同装置の検査位置が３次元的に変動する。検査位置には、例えば、半導体ウエーハの微小パターン（被測定部位）が配置され、ここにＸ線が照射される。しかしながら、温度変化に伴い検査位置に変動が生じた場合、被測定部位である半導体ウエーハの微小パターンにＸ線を適正に照射できず、Ｘ線による測定精度の低下をまねくおそれがある。
　半導体製造ラインが設置されたクリーンルーム内は、高精度に温度管理がなされており、例えば、温度変化は１℃以内に保たれている。しかし、被測定部位である半導体ウエーハの微小パターンは数十μｍの微小面積であり、この微小面積に収束されたＸ線を照射してＸ線検査が行われる過程においては、ミクロン単位での位置変動も測定結果に大きく影響を及ぼす。
　そこで、本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置には、温度変化に伴う検査位置（Ｘ線の照射位置）の変動を補正して、Ｘ線の照射点に検査位置を合わせるための温度補正システムが組み込んである。
＜温度補正の原理＞
　本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の温度補正システムは、次の原理に基づいて温度変化に基づく位置変動を補正している。
温度変化に伴う検査位置（Ｘ線照射位置）を変動させる要因（位置変動要因）を大きく分類すると、Ｘ線ビームの移動、検査対象の移動、光学顕微鏡７０の移動が考えられる。例えば、ゴニオメータ３０の膨張・収縮などからＸ線ビームが移動し、試料台１０の膨張・収縮などから検査対象が移動し、光学顕微鏡７０を支持する支持枠の膨張・収縮などから光学顕微鏡７０による観察位置が移動する。
　そこで、温度変化に伴う位置変動の要因をＮ個に特定し、各位置変動要因の時間経過に関する係数（時定数τ）と温度変化に関する係数（温度定数Ｃ）とを考慮して、温度変化に伴う位置変動を推定する。
　具体的には、ｎ番目の位置変動要因の時定数をτｎ、温度定数をＣｎとし、ｔ秒間隔で温度を測定していき、測定開始からｉ回目の測定（測定時刻ｔ[ｉ]）における測定温度がＴＭ[ｉ]であったとする。このときの実効温度ＴＥｎ[ｉ]は、漸化式（１）で算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、温度測定開始時の測定温度ＴＭ[０]と、実効温度ＴＥｎ[０]との差を、ΔＴｎとすると、これらの間には次式（２）の関係が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　温度定数Ｃｎは、実効温度が１℃変化したときの位置変化量に対応する。そして、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における高さ方向（Ｚ方向）の位置変動ΔＺ[ｉ]は、各位置変動要因の実効温度ＴＥｎ[ｉ]と温度定数Ｃｎを用いて、次式（３）のように推定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　したがって、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における高さ方向の検査位置Ｚ[ｉ]は、温度変化に伴う位置変動がない状態の基準位置をＺ[０]として、これに上記温度変化に伴う位置変動ΔＺ[ｉ]を加えて、次式（４）のように推定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　なお、基準位置Ｚ[０]は、温度測定開始時の検査位置に対応する。しかし、温度測定開始時の各位置変動要因に関する測定温度と実効温度の差ΔＴｎを推定することは現実的に難しいため、ΔＴｎ＝０として、各位置変動要因の時定数に比べて十分な時間が経過してからの温度測定データを用いることが好ましい。これは、後述する幅方向（Ｘ方向）及び光路方向（Ｙ方向）の位置変動を求めるときも同様である。
　各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎは、測定開始からｉ回目までの測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における高さ方向（Ｚ方向）の検査位置を実測し、その実測検査位置を上記式（４）のＺ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により求めることができる。
　このようにして、各位置変動要因の変数（時定数τｎと温度定数Ｃｎ）を決定すれば、これらの変数を上記の式（１）及び式（３）に挿入し、これら各式に基づいて測定温度ＴＭ[ｉ]のデータから、測定時刻ｔ[ｉ]における検査位置の高さ方向の位置変動ΔＺ[ｉ]を算出することができる。
　次に、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上の長さ方向（Ｘ方向）の位置変動ΔＸ[ｉ]は、各位置変動要因の実効温度ＴＥｎ[ｉ]と温度定数Ｃｎを用いて、次式（５）のように推定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　したがって、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上の長さ方向（Ｘ方向）の検査位置Ｘ[ｉ]は、温度変化に伴う位置変動がない状態の基準位置をＸ[０]として、これに上記温度変化に伴う位置変動ΔＸ[ｉ]を加えて、次式（６）のように推定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　そして、各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎは、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上の長さ方向（Ｘ方向）の検査位置を実測し、その実測検査位置を上記式（６）のＸ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により求めることができる。
　このようにして、各位置変動要因の変数（時定数τｎと温度定数Ｃｎ）を決定すれば、これらの変数を上記の式（１）及び式（５）に挿入し、これら各式に基づいて測定温度ＴＭ[ｉ]のデータから、測定時刻ｔ[ｉ]における検査位置の水平面上での長さ方向（Ｘ方向）の位置変動ΔＸ[ｉ]を算出することができる。
　また、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上での幅方向（Ｙ方向）の位置変動ΔＹ[ｉ]は、各位置変動要因の実効温度ＴＥｎ[ｉ]と温度定数Ｃｎを用いて、次式（７）のように推定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　したがって、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上での幅方向（Ｙ方向）の検査位置Ｙ[ｉ]は、温度変化に伴う位置変動がない状態の基準位置をＹ[０]として、これに上記温度変化に伴う位置変動ΔＹ[ｉ]を加えて、次式（８）のように推定することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　そして、各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎは、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上での幅方向（Ｙ方向）の検査位置を実測し、その実測検査位置を上記式（８）のＹ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により求めることができる。
　このようにして、各位置変動要因の変数（時定数τｎと温度定数Ｃｎ）を決定すれば、これらの変数を上記の式（１）及び式（７）に挿入し、これら各式に基づいて測定温度ＴＭ[ｉ]のデータから、測定時刻ｔ[ｉ]における検査位置の水平面上での幅方向（Ｙ方向）の位置変動ΔＹ[ｉ]を算出することができる。
＜温度補正システムの概要＞
　本実施形態に係る温度補正システムは、図３に示した中央処理装置１００に格納された温度補正ソフトウエアに基づき、後述する温度補正方法を実行する構成となっている。
　また、Ｘ線薄膜検査装置は、温度補正システムの構成要素である温度測定ユニット１１０を備えている（図３参照）。温度測定ユニット１１０には、公知の各種温度センサや熱電対を用いることができる。本来は、温度測定ユニットにより、温度変化に伴う位置変動要因である各種装置構成部材の内部温度を測定すべきところであるが、多数の構成部材の内部温度を一つ一つ測定するのは困難であり現実的でない。そこで、本実施形態では、各種装置構成部材の内部温度をいちいち測らなくてもよいように、時定数τｎと温度定数Ｃｎを求めた。よって、温度は、装置を構成するすべて部材の外部温度を代表する地点で測定すればよい。具体的には、温度測定ユニット１１０により、Ｘ線薄膜検査装置が設置された検査室内の空気温度や、検査室の排気口から排出されてくる空気温度を測定し、これを上述した式（１）における測定温度ＴＭ[ｉ]とした。
＜温度補正方法＞
　中央処理装置１００は、格納された温度補正ソフトウエアに基づき、次の温度補正方法を実行する。温度補正方法は、上述した原理における位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを求める準備段階と、求めた位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを挿入した上記の式（１）（３）（５）（７）に基づき、温度測定と位置補正を繰り返す実行段階とに分けられる。
　まず、位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを求める準備段階について説明する。
　図２０のフローチャートに示すように、準備段階では、まず温度変化に伴う位置変動要因を設定して測定を開始し（ステップＳ１、Ｓ２）、一定の測定間隔毎に温度測定と検査位置の実測を行う（ステップＳ３，Ｓ４）。これら温度測定と検査位置の実測をあらかじめ設定した時間だけ繰り返し実行する（ステップＳ５）。
　そして、高さ方向（Ｚ方向）の位置変動であれば、得られた測定データを上記式（４）のＺ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを求める（ステップＳ６）。同様に、水平面上での長さ方向（Ｘ方向）の位置変動であれば、得られた測定データを上記式（６）のＸ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを求める（ステップＳ６）。また、水平面上での幅方向（Ｙ方向）の位置変動であれば、得られた測定データを上記式（８）のＹ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを求める（ステップＳ６）。
　ここで、高さ方向（Ｚ方向）の検査位置の実測は、次の手順で行うことができる。
　まず、図２１に示すように、試料台１０の上面に温度補正用の試料Ｓを配置し、この試料Ｓの被測定部ＳＡを、光学顕微鏡７０の下方位置へ移動させる。続いて、ゴニオメータ３０の各旋回アーム３２，３３を回転駆動して、所定のＸ線照射ユニット４０とＸ線検出器５０とが試料台１０を挟んで水平対向位置に配置されるように設定する。このような配置関係では、Ｘ線照射ユニット４０から照射されたＸ線の中心軸は水平となり、対向配置したＸ線検出器５０における検出面の中心へ入射する。
次いで、中間位置にある試料台１０を高さ方向（Ｚ方向）に移動し、Ｘ線検出器５０で検出されるＸ線の強度が、Ｘ線管４２から放射されるＸ線強度の１／２となるように調整する。これにより、Ｘ線管４２から放射されたＸ線の１／２が試料台１０及び試料Ｓの側面に遮られ、残りの１／２が試料Ｓの上方を通過してＸ線検出器５０に入射する位置に試料Ｓが配置される。この配置において、試料Ｓの上面はＸ線管４２から放射されるＸ線の中心軸と一致する。この高さ位置が高さ方向の検査位置となり、Ｘ線薄膜検査に際しては、この高さ位置にＸ線照射ユニット４０からＸ線が照射される。これら一連の操作を、一般に「半割り」と称している。
　次に、光学顕微鏡７０のオートフォーカス機構を用いて、図２１に示すように、光学顕微鏡７０の焦点を試料Ｓの被測定部位ＳＡに合わせて、光学顕微鏡７０から当該試料Ｓの上面までの距離ｈを測定する。本実施形態では、この距離ｈを検査位置に関する高さ方向（Ｚ方向）の実測位置としている。
　次に、水平面上で直交する長さ方向（Ｘ方向）及び幅方向（Ｙ方向）の検査位置の実測手順について説明する。
　図１に示したＸ線薄膜検査装置では、図２２Ａに示すように、検査位置（Ｘ線照射ユニット４０によるＸ線の照射位置）Ｐｘと、光学顕微鏡７０による観察位置Ｐｃとが、水平面上で距離Ｌｐだけ離間した位置に設定されている。これは、図２２Ｂに示すように、検査位置の上方には蛍光Ｘ線検出器６０が設置されるため、光学顕微鏡７０を同じ位置に設置できないからである。
　そこで、まず図２２Ａに示すように、試料台１０を水平移動して、試料台１０の上面に配置した試料Ｓの測定点ＳＡを、光学顕微鏡７０による観察位置Ｐｃの中心に配置する。これは光学顕微鏡７０が捉えた映像を、画像認識回路１０２で画像認識して、当該画像に基づき中央処理装置１００が位置決め機構２０を制御することで実行することができる。
　次いで、検査位置に配置した試料Ｓの測定点ＳＡを、検査位置Ｐｘに移動配置する。これは、図２２Ｂに示すように、検査位置Ｐｘに向けてＸ線照射ユニット４０からＸ線を照射しながら、試料台１０を水平移動させ、蛍光Ｘ線検出器６０で試料Ｓから出射される蛍光Ｘ線を検出することで実行することができる。すなわち、試料Ｓの測定点ＳＡが検査位置Ｐｘ、（すなわち、Ｘ線照射ユニット４０によるＸ線の照射位置）に配置されたとき、蛍光Ｘ線検出器６０で検出される蛍光Ｘ線がピーク強度に到達する。なお、温度補正用の試料Ｓは、Ｘ線照射により蛍光Ｘ線を励起する材料で構成する。
　本実施形態では、このようにして試料台１０に配置した試料Ｓの測定点ＳＡを、光学顕微鏡７０による観察位置から検査位置Ｐｘへと移動したときの、長さ方向（Ｘ方向）の移動量ｘを、試料台１０の検査位置に関する水平面上での長さ方向（Ｘ方向）の実測位置としている。
　同様に、試料台１０の検査位置に配置した試料Ｓの測定点ＳＡを、光学顕微鏡７０による観察位置から検査位置Ｐｘへと移動したときの、幅（Ｙ方向）の移動量ｙを、試料台１０の検査位置に関する水平面上での幅方向（Ｙ方向）の実測位置としている。
　温度補正の実行段階では、上述した手順で求めた位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを、上述した式（１）（３）（５）（７）のパラメータとして設定し、中央処理装置１００がこれらの式に基づいて温度補正を実行する。この温度補正の実行段階は、Ｘ線の薄膜検査の実行と並行して行われる。すなわち、Ｘ線の薄膜検査の実行している間、中央処理装置１００は、温度測定ユニット１１０から送られてくる温度測定データを入力し、この温度測定データに基づき、式（１）（３）（５）（７）から検査位置の温度変化に伴う位置変動を算出し、その変動量だけ試料台の位置を微調整する。
　これにより、常にＸ線の照射点に試料台１０の検査位置を合致させて、高精度なＸ線の薄膜検査を行うことが可能となる。
　さて、本発明者らは、温度変化に伴う位置変動の要因として、Ｘ線薄膜検査装置を構成する各部材の時定数の違いに着目し、時定数τが大きい部材と時定数τが小さい部材の２つに分け（すなわち、Ｎ＝２）、これら２つの位置変動要因を設定して、上述した温度補正を実行したとき、温度変化に伴う位置変動を極めて高精度に補正することができた。なお、時定数は、部材の比熱及び熱膨張率と熱伝導距離により決まる。例えば、薄いパイプ部材では時定数が小さく、サイズが大きい部材では時定数が大きくなる。
　図２３は本発明者らによる実験結果を示すグラフである。
　半導体製造ラインが設置されたクリーンルーム内に設置してあるＸ線薄膜検査装置を対象として、同装置の内部温度を測定し、同装置の温度変化に伴う位置変動を補正した。
　本実験では、温度変化に伴う位置変動要因として、時定数が２６６．２秒と小さいもの（位置変動要因ｎ１）と、時定数が１０２７２．５秒と大きいもの（位置変動要因ｎ２）の２つを設定し、上述した式（４）に基づいて、光学顕微鏡７０から試料台１０の上面までの距離ｈの計算値を算出した（図２３のＤＡＴＡ３参照）。なお、位置変動要因ｎ１の温度定数は－１２．９８μｍ／℃、位置変動要因ｎ２の温度定数は１３．２０μｍ／℃である。
　そして、光学顕微鏡７０から試料台１０の上面までの距離ｈの計算値と実測値との差分（すなわち、変動量）を求めた結果、図２３のＤＡＴＡ４に示すように変動量は極めて小さな値を示しており、この結果、本発明の温度補正システムにより、温度変化に伴う位置変動を高精度に補正することができることが明らかになった。
〔Ｘ線反射率測定システムの改良〕
　次に、Ｘ線薄膜検査装置のＸ線反射率測定に関するシステムの改良について説明する。
　周知のとおり、Ｘ線反射率測定は、特に薄膜の厚さや、薄膜表面の粗さ、薄膜と基材との間の界面の粗さ、薄膜の密度等を測定するのに適している。このＸ線反射率測定の原理は、以下のとおりである（図２４、図２５参照）。
　図２４Ａにおいて、表面が平坦な物質２０１の表面すれすれにＸ線を入射、すなわち低角度θからＸ線を入射すると、臨界角度以下では全反射を生じる。この臨界角度は非常に小さく、例えばＣｕＫαのＸ線に対し、Ｓｉやガラス板では０．２２°、Ｎｉでは０．４２°、そしてＡｕでは０．５７°である。
　この臨界角度は、物質の電子密度に依存して変化する。Ｘ線の入射角度がこの臨界角度よりも大きくなるにしたがって、Ｘ線は次第に物質中へ深く入り込んでいく。そして、理想的な平面をもった物質では、図２４Ｂに曲線Ａで示すように、臨界角度をθｃ以上の角度で、Ｘ線反射率がθ－４（θはＸ線入射角）に比例して急激に減少する。さらに、物質の表面が粗れていると、減少の程度は破線Ｂで示すように一層大きくなる。図の縦軸において、Ｉ０は入射Ｘ線強度であり、Ｉは反射Ｘ線強度である。
　図２５Ａに示すように、このような物質を基板２０１として、その基板２０１上に電子密度の異なる別の物質を均一に積層して薄膜２０２を形成する。そして、Ｘ線を低角度で入射すると、基板２０１と薄膜２０２との間の界面、および薄膜２０２の表面で反射したＸ線が、互いに強めあったり弱めあったりする。その結果、図２５Ｂに示すように、反射率曲線にＸ線の干渉による振動パターンＣが現れる。
　この振動パターンＣの周期から、薄膜２０２の厚さを決定でき、また振動パターンＣの振幅の角度依存性から、表面および界面の情報が得られる。さらに、振動パターンの周期と振幅の両方を併せて検討することにより、薄膜２０２の密度が求められる。
　本発明のＸ線薄膜検査装置によりＸ線反射率測定（ＸＲＲ）を実施する場合、Ｘ線検出器５０として、既出したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に代えて一次元Ｘ線検出器を用い、ＴＤＩ（Time Delay Integration）と称する走査方式をもってＸ線の検出データを取得することもできる。
　ＴＤＩ方式では、図２６に示すように、複数の並列配置された検出器ａ１、ａ２、ａ３、ａ４を並列方向（図のＱ方向）に走査して、検出器１個分が移動するタイミングｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、・・・、ｔＬで各検出器ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、・・・、ａＭから検出データを読み出す。そして、各検出器ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、・・・、ａＭの検出データを走査角度２θ１、２θ２、２θ３、２θ４、・・・、２θＮ毎に足し合わせて、各走査角度２θ１、２θ２、２θ３、２θ４、・・・、２θＮにおけるＸ線強度を求める。
　具体的には、ゴニオコントローラ１０６から単位角度Δθ毎に制御信号を出力して、ゴニオメータ３０の各旋回アーム３２，３３を旋回させる。この際、ゴニオコントローラ１０６から単位角度Δθ毎に出力される制御信号をトリガーとして、一次元Ｘ線検出器からの検出信号を読み出す。そして、一定時間毎にゴニオメータ３０の各旋回アーム３２，３３の旋回角度θをシフトして、一次元Ｘ線検出器からの検出信号を積分していく。
　本実施形態のＴＤＩ方式では、各旋回アーム３２，３３の旋回角θＸ＝θＤの関係を保持して、各旋回アーム３２，３３を旋回駆動させる。これにより、検査対象へのＸ線の入射角θ（＝θＸ）を変化させながら、且つ一次元Ｘ線検出器も検出角度位置を変化させて、反射Ｘ線を検出している。
　なお、ＴＤＩ方式によるＸ線検出データの取得は、中央処理装置１００に格納されたＴＤＩ方式用のソフトウエアで実行する構成とすることができる。また、ＴＤＩ方式によるＸ線検出データの取得は、一次元Ｘ線検出器内部のハードウエアや信号制御回路（ファームウエア）によって実行することも可能である。
　さて、検査対象から反射してくるＸ線の発散幅を２δとしたとき、ＴＤＩによる走査範囲を、角度発散幅２δ相当に制限すると効率的である。なお、一次元Ｘ線検出器のピクセル幅ｘＭが検出範囲となる。このとき、Ｘ線反射率測定を実施範囲を０～θmaxとすると、ゴニオメータの走査範囲θＸは、θ－δ～θmax＋δとなる。ＴＤＩによる走査範囲が２δより大きい場合は、ゴニオメータの走査範囲が増加して、スループットが低下する。
　このＴＤＩ方式を採用することにより、測定の迅速化とともに各走査角度において大きな検出強度を得ることが可能となる。
　これらの構成を採用したＸ線反射率測定システムの概要を図２７に示す。
　図２７に示すように、Ｘ線照射ユニット４０から入射Ｘ線（収束Ｘ線）Ｘ０を薄膜試料Ｗ（例えば、半導体ウエーハ）の表面すれすれに照射し、薄膜試料Ｗから反射してきた反射Ｘ線Ｘ１を一次元Ｘ線検出器５１で検出する。Ｘ線照射ユニット４０としては、例えば、既述したようなＸ線光学素子４３にコンフォーカルミラーを用いた構成のものを採用する（図６～図１５参照）。この場合、図１３や図１５に示したように反射Ｘ線Ｘ１の走査方向への発散を抑えて利用する必要が無く、逆に広い発散角の入射Ｘ線Ｘ０に対する反射Ｘ線を同時に計測ことにより計測時間を短縮することができる。そして、ＴＤＩ方式をもって一次元Ｘ線検出器５１を走査し、Ｘ線の検出データを取得する。
　上述したように、ＴＤＩの走査範囲を反射Ｘ線の角度発散幅δに絞った場合には、薄膜試料Ｗから反射してきた反射Ｘ線Ｘ１に対して、散乱Ｘ線を遮蔽するための受光スリット（ＲＳ：Receiving Slit）は設ける必要はない。
　このように受光スリットを使用せず発散Ｘ線の全範囲を利用してＴＤＩ方式のＸ線反射率測定を実施するために、測定速度が格段に向上する。
　一方、受光スリットを設けない場合、空気や検査対象表面からの散乱Ｘ線、検査対象から発生した蛍光Ｘ線等が一次元Ｘ線検出器に入射し、測定対象となる反射Ｘ線以外のバックグラウンド（ＢＧ）が増加し、一次元Ｘ線検出器５１のダイナミックレンジが減少する。
　そこで、本実施形態では、図２７に示すようにＸ線吸収部材５２を設置し、薄膜試料Ｗから反射してくる反射Ｘ線Ｘ１の強度をＸ線吸収部材５２により減衰させて一次元Ｘ線検出器５１へ照射する構成を採用している。このＸ線吸収部材５２は、薄膜試料から少なくとも全反射してくる反射Ｘ線Ｘ１の強度を減衰させて一次元Ｘ線検出器５１に入射させるように配置してある。好ましくは、Ｘ線吸収部材５２は、図２５Ｂに示した全反射領域Ｚを含むが、測定データとして重要な振動パターンＣが現れる走査角度には至らない任意の走査角度θｄまでの範囲をカバーするように配置する。すなわち、走査角度θｄよりも小さい走査角度範囲においては、薄膜試料Ｗから大きな強度のＸ線Ｘ１が反射してくる。このような大きな強度の反射Ｘ線Ｘ１の光路上にＸ線吸収部材５２を介在させ、同部材でその反射Ｘ線Ｘ１の一部を吸収する。
　Ｘ線吸収部材５２を介在させた走査角度範囲では、図２８Ａに示すように一次元Ｘ線検出器５１へ入射するＸ線の強度が小さくなる。この範囲のＸ線検出データは、ソフトウエアにより補正して、図２８Ｂに示すようにＸ線吸収部材５２によるＸ線の減衰量に対応する強度だけ嵩上げして、Ｘ線吸収部材５２を介在させていない走査角度範囲のＸ線検出データとの連続性を確保する。
　以上の構成により、一次元Ｘ線検出器５１を用いたＴＤＩ方式によるＸ線反射率測定の迅速化を実現することができる。
　さらに、図２９に示すように、薄膜試料Ｗの表面における入射Ｘ線Ｘ０の収束位置（又は反射Ｘ線Ｘ１の出射位置）と対向する位置にＸ線遮蔽部材５３を配置してもよい。Ｘ線遮蔽部材５３は、Ｘ線を透過させない材料でくさび状又は板状に形成してあり、薄膜試料Ｗの表面と直交するように配置してある。また、薄膜試料Ｗの表面とＸ線遮蔽部材５３との間には、薄膜試料Ｗに入射する入射Ｘ線Ｘ０（又は薄膜試料Ｗからの反射Ｘ線Ｘ１）が通過できるぎりぎりの隙間が開けてある。
　このようにＸ線遮蔽部材５３を配置することで、空気からの散乱Ｘ線や反射ミラーからのゴースト等をＸ線遮蔽部材５３によって遮蔽し、それら反射Ｘ線以外のＸ線の一次元Ｘ線検出器５１への入射を抑制し、バックグラウンド（ＢＧ）成分を低減させることが可能となる。これにより、主として一次元Ｘ線検出器５１に入射する反射Ｘ線強度が弱くなる比較的高角の領域においてＳＮ比を向上し、Ｘ線反射率測定のダイナミックレンジを向上することができる。
　空気や薄膜試料Ｗの表面からの散乱Ｘ線や、薄膜試料Ｗから発生した蛍光Ｘ線等の一次元Ｘ線検出器５１への入射を抑制するには、反射Ｘ線Ｘ１の光路に対して散乱スリット５４（ＳＳ：Scattering Slit）を配置してもよい。この場合、散乱スリット５４のみを反射Ｘ線Ｘ１が通過できるぎりぎりの隙間が開けて配置することもできるが、上述したＸ線遮蔽部材５３と併せて二重に散乱Ｘ線や蛍光Ｘ線を遮蔽する構成とすれば、いっそう効果的にそれら反射Ｘ線以外のＸ線の一次元Ｘ線検出器５１への入射を抑制し、バックグラウンド（ＢＧ）成分を低減させることが可能となる。
　なお、上述した実施形態では、一次元Ｘ線検出器を用いてＴＤＩ方式によるＸ線反射率測定を実施したが、二次元Ｘ線検出器を用いてＴＤＩ方式によるＸ線反射率測定を実施することもできる。この構成は、図１６及び図１７に示したように幅方向に拡がった２本のＸ線ビームを用いた場合や、Ｘ線散漫散乱を測定する場合に適している。
　また、Ｘ線吸収部材５２を一次元Ｘ線検出器又は二次元検出器の受光面に取り付けることもできる。この場合は、得られたＸ線検出データをソフトウエアにより補正して、角度ごとに積分していく。

Claims (20)

  1. 検査対象を上面に配置する試料台と、
    　前記試料台の上面に配置された前記検査対象の画像を観察する画像観察手段と、
    　前記画像観察手段による前記検査対象の画像観察結果に基づき制御され、前記試料台を水平面上で直交する２方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させる位置決め機構と、
    　前記試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する第１，第２の旋回部材を備えたゴニオメータと、
    　前記第１の旋回部材に搭載されたＸ線照射ユニットと、
    　前記第２の旋回部材に搭載されたＸ線検出器と、
    　Ｘ線の照射により前記検査対象から発生する蛍光Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線検出器と、
    　を備えたことを特徴とするＸ線薄膜検査装置。
  2. 　前記Ｘ線照射ユニットは、
    　Ｘ線を放射するＸ線管と、
    　前記Ｘ線管から放射されたＸ線を入射し、特定波長に単色化した複数本の収束Ｘ線を反射し、これら複数本の収束Ｘ線をあらかじめ設定した焦点に収束させる、コンフォーカルミラーで構成されたＸ線光学素子と、
    　前記Ｘ線光学素子から反射してきた複数本の収束Ｘ線のうち、任意本数の収束Ｘ線を通過させるスリット機構とを含む、請求項１のＸ線薄膜検査装置。
  3. 　前記Ｘ線照射ユニットは、前記Ｘ線光学素子を、同光学素子から反射してきた複数本の収束Ｘ線の中心軸周りに回転調整する構造を備える、請求項２のＸ線薄膜検査装置。
  4. 　前記スリット機構は、Ｘ線を遮蔽する材料で形成した２枚の遮蔽板を備え、これら遮蔽板の間に形成した隙間に前記任意本数の収束Ｘ線を通過させる構成であり、且つ前記隙間の広さを任意に調整できる機能を備えている、請求項３のＸ線薄膜検査装置。
  5. 　前記Ｘ線光学素子は、当該Ｘ線光学素子から反射してきたＸ線の光路方向から見て、仮想四角形の４隅にそれぞれ４本の矩形状をした収束Ｘ線を反射させる構成である、請求項４のＸ線薄膜検査装置。
  6. 　前記Ｘ線光学素子から反射してきた前記４本の収束Ｘ線のうち、前記遮蔽板の隙間を通過してきた２本の収束Ｘ線は、それら２本の収束Ｘ線を含む仮想平面が、同Ｘ線の光路方向から見て、前記検査対象の被検査面に対して平行に入射するように、互いの光路の位置関係が調整されている、請求項５のＸ線薄膜検査装置。
  7. 　前記スリット機構は、前記Ｘ線光学素子から反射してきた前記４本の収束Ｘ線のうち１本の収束Ｘ線のみを前記遮蔽板の隙間から通過させる、請求項５のＸ線薄膜検査装置。
  8. 　前記Ｘ線照射ユニットは、
    　Ｘ線を放射するＸ線管と、
    　３次曲面以上の高次曲面をした反射面を有する半導体単結晶板からなる２重湾曲分光結晶板を、支持ブロックに固定した構成であって、前記Ｘ線管から放射されたＸ線を前記反射面に入射し、特定波長に単色化した収束Ｘ線を反射するＸ線光学素子とを含む、請求項１のＸ線薄膜検査装置。
  9. 　前記Ｘ線光学素子は、長さ方向に湾曲してＸ線の取込み角を設定するとともに、直交する幅方向にも湾曲させてＸ線の取込み角を設定した構成である請求項８のＸ線薄膜検査装置。
  10. 　請求項２及び請求項８に記載したＸ線照射ユニットを、前記第１の旋回部材に旋回方向へ並べて搭載したことを特徴とする請求項１のＸ線薄膜検査装置。
  11. 　請求項７のＸ線薄膜検査装置において、
    　前記第２の旋回部材に一次元Ｘ線検出器を搭載し、
    　ＴＤＩ方式によりＸ線の検出データを取得してＸ線反射率測定を実施する構成としたＸ線薄膜検査装置。
  12. 　受光スリットを設けないで前記検査対象となる薄膜試料から反射してくるＸ線の全範囲を前記一次元Ｘ線検出器に入射させるようにした請求項１１のＸ線薄膜検査装置。
  13. 　前記薄膜試料から少なくとも全反射してくる反射Ｘ線の強度を、Ｘ線吸収部材により減衰させて前記一次元Ｘ線検出器に入射させるようにした請求項１２のＸ線薄膜検査装置。
  14. 　前記薄膜試料の表面における入射Ｘ線の収束位置又は反射Ｘ線の出射位置と対向する位置に、前記薄膜試料に入射する入射Ｘ線又は当該薄膜試料からの反射Ｘ線が通過できる隙間を開けて、Ｘ線遮蔽部材を配置した請求項１３のＸ線薄膜検査装置。
  15. 　前記薄膜試料から反射してくる反射Ｘ線の光路に対して、当該反射Ｘ線が通過できる隙間を開けて、散乱スリットを配置した請求項１３のＸ線薄膜検査装置。
  16. 　請求項６のＸ線薄膜検査装置において
    　前記第２の旋回部材に二次元Ｘ線検出器を搭載し、
    　ＴＤＩ方式によりＸ線の検出データを取得してＸ線反射率測定を実施する構成としたＸ線薄膜検査装置。
  17. 　受光スリットを設けないで前記検査対象となる薄膜試料から反射してくるＸ線の全範囲を前記二次元Ｘ線検出器に入射させるようにした請求項１６のＸ線薄膜検査装置。
  18. 　前記薄膜試料から少なくとも全反射してくる反射Ｘ線の強度を、Ｘ線吸収部材により減衰させて前記二次元Ｘ線検出器に入射させるようにした請求項１７のＸ線薄膜検査装置。
  19. 　前記薄膜試料の表面における入射Ｘ線の収束位置又は反射Ｘ線の出射位置と対向する位置に、前記薄膜試料に入射する入射Ｘ線又は当該薄膜試料からの反射Ｘ線が通過できる隙間を開けて、Ｘ線遮蔽部材を配置した請求項１８のＸ線薄膜検査装置。
  20. 　前記薄膜試料から反射してくる反射Ｘ線の光路に対して、当該反射Ｘ線が通過できる隙間を開けて、散乱スリットを配置した請求項１８のＸ線薄膜検査装置。
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