WO2020194986A1 - 透過型小角散乱装置 - Google Patents

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WO2020194986A1
WO2020194986A1 PCT/JP2020/000234 JP2020000234W WO2020194986A1 WO 2020194986 A1 WO2020194986 A1 WO 2020194986A1 JP 2020000234 W JP2020000234 W JP 2020000234W WO 2020194986 A1 WO2020194986 A1 WO 2020194986A1
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ray
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松嶋　直樹
尾形　潔
正 吉原
伊藤　義泰
表　和彦
本野　寛
繁松 淺野
克隆 洞田
千水 安田
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Rigaku Denki Co Ltd
Rigaku Corp
Original Assignee
Rigaku Denki Co Ltd
Rigaku Corp
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Definitions

  • the present invention relates to, for example, a transmission type small angle scattering device (T-SAXS: Transmission-Small Angle X-ray Scattering) capable of measuring a semiconductor device non-destructively at the site of a semiconductor manufacturing process.
  • T-SAXS Transmission-Small Angle X-ray Scattering
  • NAND flash memory (3D-NAND) with a three-dimensional structure is becoming more multi-layered as the capacitance density increases, and as a result, pillars with a large aspect ratio (diameter: tens to hundreds of nm, high). It has a structure with a few ⁇ m) and a trench (deep groove).
  • an optical dimension measurement (OCD: Optical Critical Dimension) device has been mainly used for measuring the three-dimensional structure of a semiconductor device, but there is a situation in which the above-mentioned complicated structure cannot be measured by the device. There is. If a scanning electron microscope (SEM: Scanning Electron Microscope) or a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope) is used, measurement in the depth direction is also possible. However, since the measurement by these electron microscopes is a measurement method in which the measurement target is destroyed, the semiconductor device manufactured in the semiconductor manufacturing process cannot be measured on the spot in a non-destructive manner.
  • SEM Scanning Electron Microscope
  • TEM Transmission Electron Microscope
  • An object of the present invention has been made in view of the above circumstances, and a transmission type capable of non-destructively and efficiently measuring even a fine shape of a semiconductor device having a complicated structure at a manufacturing process site.
  • An object of the present invention is to provide a small angle scattering device.
  • the transmission type small-angle scattering device includes a sample holding portion for arranging a sample to be inspected, a sample positioning mechanism for moving the sample holding portion, a goniometer including a swivel arm, and an X-ray mounted on the swivel arm. It is equipped with an irradiation unit and a two-dimensional X-ray detector mounted on a swivel arm.
  • the swivel arm is rotatable around the ⁇ -axis extending horizontally from the origin with the vertically arranged state as the origin, and the X-ray irradiation unit is mounted on the lower end of the swivel arm.
  • the dimensional X-ray detector is mounted on the upper end of the swivel arm, and the sample placed in the sample holding portion is irradiated with the convergent X-rays emitted from the X-ray irradiation unit from below, and the sample is irradiated.
  • the feature is that the two-dimensional X-ray detector detects the scattered X-rays generated around the convergent X-rays transmitted through the sample at an upper position of the sample. With such a vertical arrangement structure, it can be installed even on a floor surface having a relatively small area.
  • the swivel arm is composed of a plurality of arm members, one of which is fixed to the ⁇ rotation axis of the goniometer, and the other arm member slides with respect to the arm member fixed to the ⁇ rotation axis. It may be configured to overlap with each other. By folding each arm member in this way, the total length can be shortened to form a compact form.
  • the sample holding portion is formed inside the sample holding frame, and the inside of the sample holding frame is an X-ray transmission hole, and the sample may be supported in a state facing the X-ray transmission hole. .. Further, the inner peripheral edge of the sample holding frame may be provided with suction support pieces protruding inward from a plurality of locations, and a part of the outer peripheral edge portion of the sample may be suction-supported by these suction support pieces.
  • the sample can be supported without contacting a wide area on the back surface of the sample. Moreover, since X-rays from the X-ray irradiation unit can be irradiated through the X-ray transmission holes to almost the entire area of the sample except for a small region supported by the adsorption support piece, a wide measurable region can be secured. it can.
  • the sample positioning mechanism includes an in-plane rotation mechanism for in-plane rotation of the sample supported by the sample holding portion, a Y-axis moving mechanism for moving the sample holding portion in the front-rear direction, and a lateral sample holding portion.
  • the Z-axis moving mechanism includes an X-axis moving mechanism for moving in a direction, a Z-axis moving mechanism for moving the sample holding portion in the vertical direction, and a swinging mechanism for swinging the sample holding portion.
  • the guide member and the sliding member are combined in a shape, and the sliding member is pushed up by moving the guide member in one direction, and the sliding member is lowered by moving the guide member in the opposite direction. be able to.
  • the sample holding portion moves in the vertical direction together with the sliding member. According to this configuration, since the sliding contact state is always maintained without rattling between the wedge-shaped guide member and the sliding member, the sample holding portion can be accurately moved in the vertical direction to obtain a desired height. It can be positioned to the vertical position.
  • an external housing for covering the periphery of the transmission type small-angle scattering device.
  • the external housing includes a housing body and one or more housing element members, the housing element members can be moved in the vertical direction with respect to the housing body, and the housing element members are referred to as a housing body. It is configured so that it can form a form in which it is folded in layers and a form in which a housing element member is extended from the housing body. By stacking the housing element members on the housing body and folding them, a compact form with a small height can be formed, and the transportation work and the installation work of the external housing become extremely easy.
  • the X-ray irradiation unit and the two-dimensional X-ray detector are mounted on the swivel arm of the goniometer to form a vertical arrangement structure, so that the floor has a relatively small area. It can also be installed on a surface. As a result, even the fine shape of a semiconductor device having a complicated structure can be measured nondestructively and efficiently at the site of the manufacturing process.
  • FIG. 1A is a side configuration diagram schematically showing the overall structure of the transmission type small angle scattering device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is also a front configuration view.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the transmission type small angle scattering device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of the appearance of the transmission type small-angle scattering device according to the embodiment of the present invention as viewed from a direction different from that of FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the appearance of the swivel arm of the goniometer constituting the transmission type small-angle scattering device according to the embodiment of the present invention and the components mounted on the swivel arm.
  • FIG. 1A is a side configuration diagram schematically showing the overall structure of the transmission type small angle scattering device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is also a front configuration view.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the transmission type small angle scattering device
  • FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the swivel arm of the goniometer shown in FIG. 4 is folded to shorten the total length.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing an optical system configured between an X-ray irradiation unit and a two-dimensional X-ray detector.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the appearance of the sample stage constituting the transmission type small angle scattering device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an enlarged plan view showing a sample holding portion for supporting the sample and an in-plane rotation mechanism.
  • FIG. 9 is an enlarged perspective view showing a sample holding portion for supporting the sample and an in-plane rotation mechanism.
  • FIG. 10A is a perspective view showing an X-axis moving mechanism, a Y-axis moving mechanism, and a Z-axis moving mechanism.
  • FIG. 10B is a configuration diagram schematically showing a guide member and a sliding member.
  • FIG. 11 is a perspective view showing the ⁇ -axis swing mechanism.
  • FIG. 12 is a vertical cross-sectional view of the sample stage.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a state in which the transmission type small angle scattering device according to the embodiment of the present invention is covered with an outer housing.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a state in which the outer housing according to the embodiment of the present invention is folded.
  • FIG. 15A is a left side view showing a state in which the transmission type small angle scattering device according to the embodiment of the present invention is covered with an outer housing.
  • FIG. 15B is also a plan view.
  • FIG. 16 is a vertical cross-sectional view showing a state in which the transmission type small angle scattering device according to the embodiment of the present invention is covered with an outer housing.
  • FIG. 17 is a perspective view showing the appearance of a semiconductor inspection device incorporating the transmission type small-angle scattering device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a control system of the transmission type small angle scattering device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 20A is a frontal configuration diagram schematically showing a configuration example relating to a means for measuring the inclination of the semiconductor wafer.
  • FIG. 20B is a side configuration diagram schematically showing another configuration example relating to a means for measuring the inclination of the semiconductor wafer.
  • the small-angle scattering device is a reflective small-angle scattering device that irradiates the surface of the sample with X-rays and detects the scattered X-rays reflected from the surface of the sample, and the back surface of the sample is irradiated with X-rays and emitted from the surface.
  • the present invention is a transmission type small angle scattering device.
  • this transmission type small angle scattering device an X-ray source and a two-dimensional X-ray detector are arranged so as to face each other across the sample, X-rays from the X-ray source are irradiated to the back surface of the sample, and a specific angle from the surface of the sample. It has a basic structure that detects scattered X-rays emitted from the X-ray detector with a two-dimensional X-ray detector.
  • FIG. 1A is a side configuration diagram schematically showing the overall structure of the transmission type small angle scattering device according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is also a front configuration diagram. 2 and 3 are perspective views of the appearance of the transmission type small-angle scattering device as viewed from different directions.
  • the transmission type small-angle scattering device includes a goniometer 10.
  • the goniometer 10 has a function of swinging and driving the swivel arm 11 around a ⁇ -axis extending in the horizontal direction.
  • the swivel arm 11 is equipped with an X-ray irradiation unit 20 and a two-dimensional X-ray detector 30 at both ends thereof.
  • the swivel arm 11 has its origin in the vertically arranged state.
  • the X-ray irradiation unit 20 is mounted on the lower end portion, and the two-dimensional X-ray detector 30 is mounted on the upper end portion. With such a vertical arrangement structure, it can be installed even on a floor surface having a relatively small area.
  • the X-ray irradiation unit 20 and the two-dimensional X-ray detector 30 are arranged so as to face each other with the sample stage 40 in between, and the X-ray irradiation unit with respect to the sample S supported by the sample holding portion 42 of the sample stage 40. 20 irradiates X-rays from below. Then, the two-dimensional X-ray detector 30 detects the scattered X-rays generated in the minute angle region around the X-rays transmitted from the sample S.
  • the sample stage 40 is formed with a cavity 43 that transmits X-rays emitted from the X-ray irradiation unit 20, and is formed on the back surface of the sample S through the cavity 43. It is configured to irradiate X-rays.
  • a cylindrical vacuum path 32 is mounted on the swivel arm 11 of the goniometer 10.
  • the vacuum path 32 has a function of eliminating air scattering generated when X-rays transmitted through the sample S collide with air and improving the measurement accuracy of small-angle scattering.
  • the sample stage 40 is driven by a sample positioning mechanism described later to move the sample holding portion 42 in the front-rear direction (Y direction) and the lateral direction (X direction) parallel to the horizontal plane and the vertical direction (Z direction) perpendicular to the horizontal plane, respectively. It has a configuration in which the point to be inspected of the sample S is moved and positioned at the measurement position P of the transmission type small angle scattering device.
  • the sample positioning mechanism has a function of in-plane rotation ( ⁇ rotation) of the sample S supported by the sample holding portion 42. Further, the sample positioning mechanism has a function of swinging the sample S supported by the sample holding portion 42 around the ⁇ axis ( ⁇ swing). This ⁇ axis intersects the ⁇ axis of the goniometer 10 at right angles in the horizontal plane. The intersection of the ⁇ -axis and the ⁇ -axis is positioned so as to match the measurement position P of the transmission type small-angle scattering device.
  • the sample stage 40 is supported by the frame 41 as shown in FIGS. 2 and 3.
  • the frame body 41 and the swivel arm 11 of the goniometer 10 are adjusted in mutual positional relationship so as not to interfere with each other.
  • the transmission type small angle scattering device includes an optical microscope 35 that recognizes the surface of the sample S.
  • the optical microscope 35 is installed at a position that does not interfere with the surrounding components such as the parts driven by the sample positioning mechanism, the X-ray irradiation unit 20 swirled by the goniometer 10, and the two-dimensional X-ray detector 30. ..
  • the sample S can be moved to a lower position of the optical microscope 35 by the sample positioning mechanism.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the appearance of the swivel arm of the goniometer constituting the transmission type small-angle scattering device according to the present embodiment and the components mounted on the swivel arm.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the swivel arm of the goniometer shown in FIG. 4 is folded to shorten the total length.
  • the swivel arm 11 of the goniometer 10 is composed of a plurality of arm members.
  • the swivel arm 11 of the present embodiment shown in FIGS. 4 and 5 is composed of first, second, and third arm members 12, 13, and 14, and the first arm member 12 is a goniometer ⁇ rotation axis (FIG. 1A). It is fixed to the ⁇ axis).
  • the second arm member 13 slides in the longitudinal direction with respect to the first arm member 12, and the third arm member 14 slides in the longitudinal direction with respect to the second arm member 13, as shown in FIG. ,
  • Each arm member 12, 13 and 14 are overlapped and folded. By folding each arm member 12, 13 and 14 in this way, the total length can be shortened and a compact form can be obtained.
  • the transport work and the installation work at the site become extremely easy, and the work time required for the work and the labor can be reduced.
  • a guide rail 12a is provided on the surface of the first arm member 12 in the longitudinal direction, and the second arm member 13 is slidable along the guide rail 12a.
  • a guide rail 13a is provided on the surface of the second arm member 13 in the longitudinal direction, and the third arm member 14 is slidable along the guide rail 13a.
  • each arm member 12, 13, 14 is unfolded to extend the total length, and as shown in FIG. 5, each arm member 12, 13, 14 is folded.
  • a lock mechanism (not shown) is incorporated to hold the state in which the total length is shortened.
  • a lower holding member 15 for mounting the X-ray irradiation unit 20 is provided at the lower end of the first arm member 12.
  • the X-ray irradiation unit 20 is fixed to the lower holding member 15.
  • the lower holding member 15 incorporates a slide mechanism (not shown) for moving and adjusting the fixed position of the X-ray irradiation unit 20 in the longitudinal direction.
  • an upper holding member 16 for mounting the two-dimensional X-ray detector 30 is provided at the upper end portion of the third arm member 14.
  • the two-dimensional X-ray detector 30 is fixed to the upper holding member 16.
  • the upper holding member 16 also incorporates a slide mechanism (not shown) for moving and adjusting the fixed position of the two-dimensional X-ray detector 30 in the longitudinal direction.
  • a direct beam stopper 31 is installed in front of the two-dimensional X-ray detector 30.
  • the direct beam stopper 31 has a function of shielding the X-rays that have passed through the sample S from the X-ray irradiation unit 20 and traveling straight, and preventing the X-rays from entering the two-dimensional X-ray detector 30.
  • the swivel arm 11 is also equipped with a vacuum path 32 as described above.
  • Each arm member 12, 13 and 14 is provided with a support member 17 for supporting the vacuum path 32.
  • the vacuum path 32 is supported by these support members 17 and is arranged on the optical path of the X-rays that have passed through the sample S and the scattered X-rays generated around the X-rays.
  • the upper end surface of the vacuum path 32 is positioned in the vicinity of the two-dimensional X-ray detector 30.
  • the vacuum path 32 has a structure in which the diameter of the lower end surface facing the sample S is reduced and the diameter is gradually increased toward the upper end surface.
  • the inside of the vacuum path 32 is sealed to form a vacuum state, and both end faces are formed of a material such as carbon, boron carbide, or Kapton, which has a small X-ray absorption rate.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing an optical system configured between an X-ray irradiation unit and a two-dimensional X-ray detector.
  • the X-ray irradiation unit 20 includes an X-ray tube 21, a condensing mirror 22, and an aperture 23 as components. Further, a guard slit 24 is arranged in front of the sample S.
  • an X-ray tube having an electron beam focal size of 70 ⁇ m or less, preferably 40 ⁇ m or less on the target is used.
  • Copper (Cu), molybdenum (Mo), silver (Ag), gold (Au), etc. can be selected as the target material, but in the case of the transmission type, high-energy X-rays capable of transmitting through the Si wafer as the substrate are required. Therefore, it is desirable to use molybdenum (Mo) or silver (Ag) that makes it possible.
  • a side-by-side condensing mirror 22 in which two multilayer mirrors having a multilayer film formed on the surface thereof are arranged in an L shape and integrated can be adopted.
  • a Kirkpatrick Baez type condensing mirror in which two multilayer mirrors are independently arranged may be adopted.
  • the condensing mirror 22 is adjusted so as to focus on the detection surface of the two-dimensional X-ray detector 30, and has a function of condensing X-rays on a rectangular spot having a focal point of 100 ⁇ m or less, preferably 50 ⁇ m or less. There is.
  • the aperture 23 has a function of shielding the leaked light that the X-rays emitted from the X-ray tube 21 do not enter the condensing mirror 22 and pass through the outside as it is.
  • the X-rays emitted from the X-ray tube 21 are shielded from leaked light by the aperture 23, and subsequently monochromatic and converged by the condensing mirror 22.
  • the guard slit 24 is a single crystal pinhole slit made of a single crystal of germanium, and is supported by a slit support member (not shown) provided on the swivel arm 11 and arranged in front of the sample S.
  • a normal slit has a drawback that when it is exposed to X-rays, parasitic scattering occurs and the background becomes large.
  • the guard slit 24 made of a single crystal of germanium can reduce parasitic scattering and suppress the background.
  • a slit 25 for further reducing the cross-sectional area of X-rays may be arranged between the condensing mirror 22 and the guard slit 24.
  • the X-rays emitted from the X-ray tube 21 are shielded by the aperture 23 and enter the condensing mirror 22. Then, the X-rays monochromatic and focused by the condensing mirror 22 are narrowed in cross section by the guard slit 24 and irradiated to the inspection point having a small area on the sample S.
  • the X-rays transmitted through the sample S and the scattered X-rays generated in the small angle region around the sample S travel toward the two-dimensional X-ray detector 30 through the vacuum path 32 shown in FIG.
  • the X-rays that have passed through the sample S from the X-ray irradiation unit 20 and traveled straight are shielded by the direct beam stopper 31 provided in front of the two-dimensional X-ray detector 30.
  • the direct beam stopper 31 provided in front of the two-dimensional X-ray detector 30.
  • the distance L1 from the focal point of the X-ray tube 21 to the sample S affects the focused area of the X-rays applied to the sample S. That is, the longer the distance L1, the smaller the focused area of the X-rays irradiated on the sample S.
  • the distance L2 from the sample S to the two-dimensional X-ray detector 30 is referred to as a camera length, and this camera length L2 affects the angular resolution of the two-dimensional X-ray detector 30. That is, the longer the camera length L2, the better the angular resolution.
  • the camera length L2 can be arbitrarily set by appropriately adjusting the slide positions of the sliding arm members 13 and 14.
  • the swivel arm 11 can also be provided with a position adjusting mechanism for moving the X-ray irradiation unit 20 in the optical axis direction of the X-rays and arbitrarily changing the distance L1. Further, a position adjusting mechanism for moving the two-dimensional X-ray detector 30 in the optical axis direction of X-rays and arbitrarily changing the camera length L2 may be mounted on the swivel arm 11.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the appearance of the sample stage constituting the transmission type small angle scattering device according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is an enlarged plan view of the sample holding portion that supports the sample, and
  • FIGS. 9 to 11 are perspective views and views in which different parts of the sample stage are focused on in order to explain the sample positioning mechanism.
  • 12 is a vertical sectional view of the sample stage.
  • the sample stage 40 includes a sample holding unit 42 that supports the sample S and a sample positioning mechanism that drives the sample holding unit 42.
  • the sample positioning mechanism includes an in-plane rotation mechanism for in-plane rotation ( ⁇ -rotation) of the sample S supported by the sample holding portion 42 and a front-back direction parallel to the surface of the sample S supported by the sample holding portion 42.
  • the Y-axis moving mechanism for moving the sample holding portion 42 in the Y-axis direction) and the sample holding portion 42 in the lateral direction (X-axis direction) parallel to the surface of the sample S supported by the sample holding portion 42.
  • An X-axis moving mechanism for moving includes a Z-axis moving mechanism for moving the sample holding portion 42 in the vertical direction (Z-axis direction) perpendicular to the surface of the sample S supported by the sample holding portion 42, and a sample. It includes a ⁇ -axis swing mechanism that swings the holding portion 42 around the ⁇ -axis.
  • the X-axis moving frame 51 is mounted on the base frame 50
  • the ⁇ -axis swivel table 52 is mounted on the X-axis moving frame 51
  • ⁇ The Y-axis moving table 53 is mounted on the shaft swivel table 52
  • the Z-axis drive table 54 and the Z-axis moving table 55 are mounted on the Y-axis moving table 53
  • the sample is mounted on the Z-axis moving table 55.
  • the sample holding frame 56 forming the holding portion 42 is mounted.
  • the sample holding portion 42 is formed inside the circular sample holding frame 56.
  • the inside of the sample holding frame 56 is an X-ray transmission hole 57, and the sample S is supported in a state of facing the X-ray transmission hole 57.
  • suction support pieces 58 are provided so as to project inward from a plurality of locations (4 locations in the figure).
  • a part of the outer peripheral edge of the sample S is arranged on the upper surface of the suction support pieces 58, and the sample S is vacuum sucked on the upper surface of the suction support pieces 58.
  • a vacuum nozzle 59 is opened on the upper surface of each suction support piece 58, and the vacuum nozzle 59 is vacuum sucked by a vacuum suction device (not shown).
  • the X-ray transmission hole 57 formed inside the sample holding frame 56 communicates with the cavity 43 of the sample stage 40 shown in FIGS. 1A and 1B (see FIG. 12).
  • the X-rays emitted from the X-ray irradiation unit 20 pass through the X-ray transmission hole 57 from the cavity 43 and irradiate the back surface of the sample S supported by the adsorption support piece 58.
  • the conventional X-ray inspection apparatus has a configuration in which the sample holding portion 42 is formed of a material having a low X-ray absorption rate such as Kapton, and the entire back surface of the sample S is arranged in close contact with the upper surface of the sample holding portion 42. It is common. However, for example, when a semiconductor device formed on a semiconductor wafer is an inspection target, the back surface of the semiconductor wafer may come into contact with the sample holding portion 42 formed of a material such as Kapton and be contaminated.
  • the back surface of the sample S is a semiconductor wafer on which a circuit pattern is formed because only a limited part of the outer peripheral edge portion comes into contact with the suction support piece 58.
  • the sample S can be supported without touching the central portion.
  • X-rays from the X-ray irradiation unit 20 can be irradiated through the cavity 43 and the X-ray transmission hole 57 to almost the entire area of the sample S excluding a part of the minute region supported by the adsorption support piece 58, measurement is possible. A wide area can be secured. It is possible to irradiate a part of the minute region supported by the suction support piece 58 with X-rays by changing the suction position by the sample S transfer robot.
  • the sample holding frame 56 constituting the sample holding portion 42 has a rotation guide portion 60 formed on a circular outer peripheral edge portion, and the rotation guide portions 60 are provided at a plurality of locations (4 locations in the figure) on the upper surface of the Z-axis moving table 55. ),
  • the rotation support portion 61 is rotatably supported in the plane. Each rotation support portion 61 supports the rotation guide portion 60 from the vertical direction by a pair of upper and lower support rollers 62.
  • a driven side pulley 63 is formed on the sample holding frame 56. Further, an in-plane rotation drive motor 64 is installed on the Z-axis moving table 55, and the drive side pulley 65 provided on the drive shaft of the in-plane rotation drive motor 64 and the driven side of the sample holding frame 56 are provided. A drive belt 66 is wound between the pulley 63 and the drive belt 66.
  • the in-plane rotation mechanism is composed of the components of the rotation guide portion 60, the rotation support portion 61, the in-plane rotation drive motor 64, the drive side pulley 65, the driven side pulley 63, and the drive belt 66. That is, the rotational driving force from the in-plane rotational drive motor 64 is transmitted to the sample holding frame 56 via the drive belt 66. The rotation driving force causes the sample holding frame 56 supported by the rotation support portion 61 to rotate in-plane.
  • the X-axis moving frame 51 is mounted on the base frame 50 via an X-axis moving mechanism.
  • the X-axis moving mechanism includes an X-axis driving motor 67, a ball screw 68, a guide rail 71, and a slider 72.
  • the X-axis drive motor 67, the screw shaft 69 of the ball screw 68, and the guide rail 71 are installed on the base frame 50.
  • the guide rail 71 extends in the X-axis direction, and the slider 72 is movable along the guide rail 71.
  • the guide rails 71 are installed at both ends of the base frame 50, and the sliders 72 combined with the guide rails 71 movably support the X-axis moving frame 51.
  • the screw shaft 69 of the ball screw 68 is rotatably supported by a bearing 73 provided on the base frame 50 and extends in the X-axis direction.
  • the screw shaft 69 is connected to the rotary drive shaft of the X-axis drive motor 67, and is rotationally driven by the rotary drive force of the motor 67.
  • a nut member 70 is meshed with the screw shaft 69, and the nut member 70 moves in the X-axis direction as the screw shaft 69 rotates.
  • the nut member 70 is fixed to the X-axis moving frame 51, and the X-axis moving frame 51 moves integrally with the nut member 70 in the X-axis direction.
  • the X-axis moving frame 51 is provided with a pair of bearings 52a at both ends, via a swing support shaft 74 swingably supported by these bearings 52a. Therefore, the ⁇ -axis swivel base 52 is mounted swingably. Then, the Y-axis moving table 53 is mounted on the ⁇ -axis swivel table 52 via the Y-axis moving mechanism.
  • the Y-axis moving mechanism includes a Y-axis drive motor 75, a ball screw 76, and a guide rail 91 and a slider 92 shown in FIG.
  • the guide rails 91 are provided at both ends of the ⁇ -axis swivel table 52 and extend in the Y-axis direction.
  • Sliders 92 are movably combined with each guide rail 91, and the Y-axis moving base 53 is supported by these sliders 92.
  • a Y-axis drive motor 75 and a screw shaft 77 of the ball screw 76 are installed on the side wall of the ⁇ -axis swivel base 52.
  • the screw shaft 77 of the ball screw 76 is rotatably supported by a bearing 78 provided on the side wall of the ⁇ -axis swivel base 52 and extends in the Y-axis direction.
  • the screw shaft 77 is connected to the rotary drive shaft of the Y-axis drive motor 75, and is rotationally driven by the rotary drive force of the motor 75.
  • a nut member 79 is meshed with the screw shaft 77, and the nut member 79 moves in the Y-axis direction as the screw shaft 77 rotates.
  • the nut member 79 is fixed to the Y-axis moving table 53, and the Y-axis moving table 53 moves integrally with the nut member 79 in the Y-axis direction.
  • a Z-axis drive base 54 is mounted on the Y-axis moving base 53.
  • a guide rail 93 extending in the Y-axis direction is installed on the Y-axis moving table 53, and a slider 94 is combined with the guide rail 93 (see FIG. 12).
  • the Z-axis drive base 54 is supported by the slider 94 and mounted on the Y-axis moving base 53.
  • a ball screw 95 shown in FIG. 12 and a Z-axis drive motor 80 shown in FIG. 10A are installed on the Y-axis moving table 53, and the screw of the ball screw 95 is attached to the rotary drive shaft of the motor 80.
  • the axes are connected.
  • the screw shaft is rotatably supported on the Y-axis moving table 53 by a bearing (not shown).
  • the nut member 96 shown in FIG. 12 is meshed with the screw shaft, and the nut member 96 moves in the Y-axis direction as the screw shaft rotates.
  • the nut member 96 is fixed to the Z-axis drive base 54, and the Z-axis drive base 54 moves integrally with the nut member 96 in the Y-axis direction.
  • the Z-axis moving table 55 is supported on the Z-axis drive table 54 via a guide member 81 and a sliding member 82 that are combined in a rust shape as shown in FIG. 10B.
  • the guide members 81 are installed at both ends of the Z-axis drive base 54, respectively.
  • the sliding member 82 combined with each of the guide members 81 is fixed to the bottom surface of the Z-axis moving table 55.
  • guide rails 83 extending in the Z-axis direction are installed at both ends of the Y-axis moving table 53, and a slider 84 combined with the guide rail 83 is fixed to the Z-axis moving table 55.
  • the Z-axis moving table 55 is movable in the Z-axis direction integrally with the slider 84 along the guide rail 83.
  • the guide member 81 also moves integrally in the same direction.
  • the wedge-shaped combined sliding member 82 is pushed up in the Z-axis direction.
  • the guide member 81 also moves integrally in the same direction, and the wedge-shaped sliding member 82 descends.
  • the Z-axis moving table 55 moves in the vertical direction along the guide rail 83. Since the guide member 81 and the sliding member 82, which are combined in a wedge shape, are always in a sliding contact state without rattling, the sample holding portion 42 is accurately moved in the vertical direction to a desired height position. Can be positioned.
  • the ⁇ -axis swing mechanism is incorporated between the X-axis moving frame 51 and the ⁇ -axis swivel base 52. That is, the ⁇ -axis swing mechanism includes a ⁇ -axis drive motor 85, a driving force transmission belt 86, a worm 87, and a worm wheel 88.
  • the fan-shaped worm wheel 88 is provided at a position below the bearing 52a provided at one end of the X-axis moving frame 51, and its pitch circle is positioned on the same axis of the swing support shaft 74 supported by the bearing 52a. ing.
  • the ⁇ -axis drive motor 85 and the worm 87 are installed on the outer surface of the side wall of the ⁇ -axis swivel base 52.
  • a driving force transmission belt 86 is wound between the drive-side pulley 89 provided on the rotary drive shaft of the ⁇ -axis drive motor 85 and the driven-side pulley 90 provided on the rotary shaft of the worm 87.
  • the rotational driving force from the ⁇ -axis driving motor 85 is transmitted to the worm 87 via the driving force transmission belt 86.
  • the worm 87 rotates and rotates along the pitch circle of the worm wheel 88, and the ⁇ -axis swivel base 52 rotates around the swing support shaft 74 integrally with the worm 87.
  • the central axis of the swing support shaft 74 is positioned so as to coincide with the ⁇ axis shown in FIG. 1B.
  • the optical axis angle of the incident X-ray with respect to the sample S supported by the sample holding portion 42 can be arbitrarily changed by driving the above-mentioned ⁇ -axis swing mechanism and the swivel arm 11 of the goniometer 10.
  • the sample stage 40 of the present embodiment has a lower end opening that captures incident X-rays from an upper end opening 43a that communicates the cross section of the cavity 43 with the X-ray transmission hole 57 of the sample holding frame 56.
  • the configuration is widened toward 43b.
  • the angle range in which the incident X-rays can be tilted without being blocked by the members around the cavity 43 is widened, and is flexible to various measurement conditions. It becomes possible to correspond to.
  • the semiconductor wafer (sample S) having a radius of 150 mm has a structure that can be inclined up to an angle of 20 ° with respect to the optical axis of X-rays incident from the vertical direction. ..
  • FIG. 13 is a perspective view showing a state in which the transmission type small angle scattering device according to the present embodiment is covered with an outer housing.
  • 15A is a left side view
  • FIG. 15B is a plan view
  • FIG. 16 is a vertical sectional view.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a state in which the outer housing is folded.
  • a transmission type small-angle scattering device that uses X-rays is installed in a state of being covered with an external housing for protection against X-rays.
  • the transmission type small-angle scattering device 1 has a vertically long structure in order to irradiate the sample S supported by the sample holding portion 42 with X-rays in the vertical direction (FIG. 1A-3). Therefore, as shown in FIG. 13, the outer housing 200 also has a vertically long structure.
  • the external housing 200 is composed of a housing body 201 and a plurality of housing element members 202, 203, and each housing element member 202, 203 is attached to the housing body 201. It has a structure that can be moved in the vertical direction. Specifically, as shown in FIGS. 15A and 15B, the housing element member 202 in the middle stage with respect to the housing body 201 is movable in the vertical direction along the guide rail 210, and further, the housing is movable. The upper housing element member 203 with respect to the element member 202 is movable in the vertical direction along the guide rail 211. Then, the driving force from the drive motor (not shown) is transmitted to the housing element members 202 and 203 via a drive mechanism (not shown) to drive the housing element members 202 and 203 in the vertical direction. ..
  • the housing element members 202 and 203 are both moved to the lower position and folded on the inside of the housing body 201. It is in the state. As described above, by adopting a compact form having a small height dimension, the transportation work and the installation work of the outer housing 200 become extremely easy, and the work time required for the work can be shortened and the labor can be reduced. .. Since the outer housing 200 is a heavy object, disassembling and assembling the housing element members 202 and 203 with respect to the housing body 201 complicates the disassembling and assembling work. By adopting a structure that drives the housing element members 202 and 203 in the vertical direction, the on-site disassembly / assembly work becomes unnecessary, and the on-site installation work and removal work become easier.
  • FIGS. 13 to 15A in order to visually recognize the inside of the outer housing 200, a part or all of the wall surface covering the transmission type small-angle scattering device is omitted. Further, a substrate transfer device 310 is provided in front of the outer housing 200 as described later, but a wall surface is not provided at the side of the board transport device 310, and the board is configured to communicate with the inside of the outer housing 200. ..
  • the internal space of the outer housing 200 is vertically partitioned by a shielding panel 220 horizontally arranged above the sample stage 40. Then, in the lower space partitioned by the shielding panel 220 (that is, the lower space in which the sample stage 40 is installed), dust is removed with high accuracy from the fan filter unit 300 provided outside the outer housing 200. Air is supplied. As a result, the lower space becomes a clean space with extremely little dust, and it is possible to prevent dust from adhering to the semiconductor wafer (sample S) supported by the sample holding portion 42.
  • the shielding panel 220 shields the upward flow of air from the fan filter unit 300, and realizes an efficient and economical supply of air to the semiconductor wafer and its surroundings.
  • FIG. 17 is a perspective view showing the appearance of a semiconductor inspection device incorporating the transmission type small-angle scattering device according to the present embodiment.
  • a substrate transfer device (EFEM) 310 and an electrical component 320 are provided outside the outer housing 200 that covers the periphery of the transmission type small-angle scattering device.
  • Semiconductor inspection equipment is constructed.
  • the substrate transfer device 310 has a function of automatically transferring the semiconductor wafer (sample S) to be measured to the sample holding unit 42 and automatically carrying out the semiconductor wafer for which measurement has been completed from the sample holding unit 42.
  • the semiconductor wafer is automatically transported in a state of being stored in a closed cassette (FOUP).
  • the electrical component 320 is provided with a power source for supplying electric power to the transmission type small-angle scattering device and a computer for controlling the device.
  • the semiconductor inspection apparatus is provided with equipment for supplying utilities (not shown). With these configurations, the semiconductor inspection device incorporating the transmission type small-angle scattering device according to the present embodiment automatically conveys the semiconductor wafer and realizes in-line automatic measurement in the middle of the semiconductor manufacturing process.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a control system of the transmission type small angle scattering device according to the present embodiment.
  • the control of the X-ray irradiation unit 20 is executed by the X-ray irradiation controller 101.
  • the image of the sample S captured by the optical microscope 35 is image-recognized by the image recognition circuit 102.
  • the optical microscope 35 and the image recognition circuit 102 constitute an image observing means for observing an image of the sample S arranged in the sample holding unit 42.
  • the focal position of the optical microscope 35 is adjusted by the focus controller 103.
  • the positioning controller 104 drives and controls the sample positioning mechanism 110.
  • the positioning controller 104 positions the sample based on the image of the sample S captured by the optical microscope 35 and recognized by the image recognition circuit 102.
  • the mechanism 110 is driven and controlled.
  • the goniometer 10 is driven and controlled by the goniometer controller 105.
  • Each component of the X-ray irradiation controller 101, the image recognition circuit 102, the focus controller 103, the positioning controller 104, and the gonio controller 105 operates based on the setting information sent from the central processing unit 100.
  • the setting information is stored in the storage unit 106 in advance as a recipe, and the central processing unit 100 reads it out and outputs it to each of the above-mentioned components.
  • the two-dimensional X-ray detector 30 is controlled by the detection control circuit 107.
  • FIG. 19 is a flowchart showing an execution procedure of a measurement operation by the transmission type small-angle scattering device according to the present embodiment having the above-described configuration.
  • the measurement operation when the semiconductor wafer on which the circuit pattern of the semiconductor device is formed is used as the sample S will be described.
  • Software for executing small-angle scattering measurement is stored in advance in the storage unit 106, and the central processing unit 100 (CPU) executes the following processing steps according to the software.
  • the positioning controller 104 After sucking and supporting the semiconductor wafer, which is the sample S to be inspected, on the sample holding unit 42, the positioning controller 104 first drives and controls the sample positioning mechanism 110 to arrange the semiconductor wafer at a position below the optical microscope 35 (step). S1).
  • the image recognition circuit 102 recognizes the unique point formed on the surface of the semiconductor wafer based on the image data from the optical microscope 35 (step S2).
  • unique points formed on the surface of the semiconductor wafer are stored in advance as recipes.
  • a portion that can be recognized by the image recognition circuit 102 without hesitation is set based on the image information from the optical microscope 35, such as a characteristic pattern shape formed on the surface of the semiconductor wafer.
  • the positioning controller 104 drives and controls the sample positioning mechanism 110 based on the position information of the inspected point set in advance, and sets the inspected point as an apparatus. It is arranged at the measurement position P of (step S3).
  • step S4 small-angle scattering measurement is executed (step S4), and the central processing unit 100 analyzes the measurement data (step S5).
  • shape analysis measurement such as analysis of the tilt angle of a deep hole formed on the surface of a semiconductor wafer
  • the swing arm 11 of the goniometer 10 is driven, or the semiconductor is driven by a ⁇ -axis swing mechanism.
  • shape analysis such as analysis of the tilt angle of a deep hole formed on the surface of a semiconductor wafer
  • the swing arm 11 of the goniometer 10 is driven, or the semiconductor is driven by a ⁇ -axis swing mechanism.
  • step S6 Each step of S3 to S5 described above is executed for all the inspection points set on the semiconductor wafer (step S6), small-angle scattering measurement is executed for all the inspection points, and then the measurement operation is terminated.
  • the semiconductor device is usually formed on a semiconductor wafer, and scatterers to be measured are periodically arranged in a direction parallel to the main surface of the semiconductor wafer.
  • Examples of the measurement target include minute holes and pillars constituting the semiconductor device.
  • miniaturization and high integration are evolving day by day, and there are cases where the diameter of holes and pillars is several tens of nm and the depth (height) is several ⁇ m, resulting in extremely fine and high aspect ratio.
  • the transmission type small-angle scattering device according to the present embodiment for such a structure, it is possible to specify the accurate three-dimensional shape of these holes and pillars.
  • FIG. 20A is a frontal configuration diagram schematically showing a configuration example relating to a means for measuring the inclination of the semiconductor wafer.
  • a laser tilt measuring device 36 is attached to the swivel arm 11 of the goniometer 10 together with a two-dimensional X-ray detector 30.
  • the two-dimensional X-ray detector 30 and the laser tilt measuring device 36 are mounted on a moving table 37 that moves in the lateral direction. Then, the moving table 37 moves laterally with the driving force of a drive motor (not shown), and the two-dimensional X-ray detector 30 is placed at a position facing the optical axis O of the X-rays emitted from the X-ray irradiation unit 20.
  • the structure is such that either one of the laser tilt measuring instruments 36 can be switched and arranged.
  • the laser tilt measuring device 36 includes a laser light source 36a and a laser detector 36b, and irradiates the surface of the semiconductor wafer (sample S) supported by the sample holding portion 42 with the laser light from the laser light source 36a to form the same surface. By detecting the laser beam reflected from the laser detector 36b with the laser detector 36b, it has a function of measuring the inclination of the surface of the semiconductor wafer with respect to the optical axis O.
  • the ⁇ -axis swing mechanism and the in-plane rotation mechanism of the sample stage 40 are driven with respect to the optical axis O of the incident X-ray. Adjust so that the surface of the semiconductor wafer is vertical.
  • the optical axis angle of X-rays with respect to the semiconductor wafer can be arbitrarily changed.
  • FIG. 20B is a side configuration diagram schematically showing another configuration example relating to a means for measuring the inclination of the semiconductor wafer.
  • the laser inclination measuring device 36 is installed side by side with the optical microscope 35.
  • the semiconductor wafer (sample S) supported by the sample holding portion 42 by driving the Y-axis moving mechanism and the X-axis moving mechanism of the sample stage 40 is mounted on the laser inclination measuring device 36. Move it to the lower position.
  • the laser tilt measuring device 36 measures the tilt of the surface of the semiconductor wafer by irradiating the surface of the semiconductor wafer with the laser light from the laser light source 36a and detecting the laser light reflected from the surface by the laser detector 36b. It has a function that can be used. Here, for example, if the positions of the laser light source 36a and the laser detector 36b are adjusted in advance so that the laser inclination measuring device 36 can measure the inclination with reference to the horizontal plane, the surface of the semiconductor wafer with respect to the horizontal plane or the vertical axis can be adjusted. The tilt can be measured.
  • the swivel arm is not limited to the configuration of the three arm members 12, 13 and 14 as shown in FIG. 4, and may be composed of two or four or more arm members.
  • the external housing is not limited to a configuration in which the two housing element members 202 and 203 are movable with respect to the housing main body 201, and the housing is not limited to the housing.
  • One or three or more housing element members may be movable with respect to the main body. Further, the movement of these housing element members can be configured to be manually moved as needed, in addition to the driving force from the driving motor.

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Abstract

本発明の透過型小角散乱装置は、旋回アーム１１を含むゴニオメータ１０を備えている。旋回アーム１１は、鉛直方向の配置状態を原点として、当該原点から水平方向に延びるθ軸周りに回動自在である。そして、旋回アーム１１の下側端部にＸ線照射ユニット２０を搭載するとともに、旋回アーム１１の上側端部に二次元Ｘ線検出器３０を搭載する、縦型の配置構造となっている。

Description

透過型小角散乱装置
　この発明は、例えば、半導体製造工程の現場において非破壊で半導体デバイスを測定することができる透過型小角散乱装置（Ｔ－ＳＡＸＳ：Transmission - Small Angle X-ray Scattering）に関する。
　近年の半導体デバイスは、性能向上のために高密度化、多層化、回路パターンの複雑化などが進んでいる。特に、三次元構造のＮＡＮＤフラッシュメモリ（３Ｄ－ＮＡＮＤ）においては、容量密度の増大に伴い多層化が進んでおり、その結果として、アスペクト比の大きなピラー(直径：数十～数百ｎｍ、高さ：数μｍ)やトレンチ(深溝)を有する構造となっている。
　従来、半導体デバイスの三次元構造の測定には、主に光寸法計測（ＯＣＤ：Optical Critical Dimension）装置が用いられてきたが、同装置では上記のような複雑な構造を測定できない状況が生じている。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）を用いれば、深さ方向の測定も可能ではある。しかし、これらの電子顕微鏡による測定は、測定対象を破壊しての測定手法となるために、半導体製造工程において製造された半導体デバイスを、その場で非破壊にて測定することはできない。
　近年、特許文献１に開示されているような透過型の小角散乱装置を、半導体デバイスの構造測定に用いるべく、分析機器メーカー各社が開発を進めているが、未だ実用化には至っていないのが現状である。
特開２０１７－１２５８４８号公報
　本発明の目的は、上述した事情に鑑みてなされたもので、複雑な構造をした半導体デバイスの微細形状であっても、製造工程の現場において非破壊で効率的に測定することのできる透過型小角散乱装置の提供を目的とする。
　本発明に係る透過型小角散乱装置は、検査対象となる試料を配置する試料保持部と、試料保持部を移動させる試料位置決め機構と、旋回アームを含むゴニオメータと、旋回アームに搭載されたＸ線照射ユニットと、旋回アームに搭載された二次元Ｘ線検出器とを備えている。そして、旋回アームは、鉛直方向の配置状態を原点として、当該原点から水平方向に延びるθ軸周りに回動自在であり、Ｘ線照射ユニットは、旋回アームの下側端部に搭載され、二次元Ｘ線検出器は、旋回アームの上側端部に搭載されており、試料保持部に配置された試料に対して、Ｘ線照射ユニットから出射した収束Ｘ線を下方から照射するとともに、当該試料を透過した収束Ｘ線の周囲に生じた散乱Ｘ線を二次元Ｘ線検出器が試料の上方位置で検出する構成としたことを特徴とする。
　このような縦型の配置構造とすることで、比較的狭い面積の床面にも設置することができる。
　ここで、旋回アームは、複数のアーム部材によって構成し、そのうち一つのアーム部材をゴニオメータのθ回転軸に固定するとともに、当該θ回転軸に固定されたアーム部材に対し、他のアーム部材がスライドして重なり合う構成としてもよい。
　このように各アーム部材を畳むことにより、全長を短くしてコンパクトな形態とすることができる。
　また、試料保持部は、試料保持枠の内側に形成され、この試料保持枠の内側はＸ線透過孔となっており、このＸ線透過孔に対面する状態で試料を支持する構成としてもよい。
　さらに、試料保持枠の内周縁には、複数箇所から吸着支持片を内側へ突き出して設け、これら吸着支持片によって試料の外周縁部の一部分を吸着支持する構成としてもよい。
　このように構成することで、試料裏面の広い範囲に接触することなく、試料を支持することができる。
　しかも、吸着支持片によって支持された一部の微小領域を除く試料のほぼ全域に対し、Ｘ線照射ユニットからのＸ線をＸ線透過孔を通して照射できるため、測定可能領域を広く確保することができる。
　また、試料位置決め機構は、試料保持部に支持された試料を面内回転させるための面内回転機構と、試料保持部を前後方向に移動させるためのＹ軸移動機構と、試料保持部を横方向に移動するためのＸ軸移動機構と、試料保持部を上下方向に移動するためのＺ軸移動機構と、試料保持部を揺動させる揺動機構とを含み、Ｚ軸移動機構は、くさび状に組み合わされた案内部材と摺動部材とを含み、案内部材が一方向に移動することで摺動部材を押し上げ、案内部材が逆方向に移動することで摺動部材を下降させる構成とすることができる。試料保持部は、摺動部材とともに上下方向に移動する。
　この構成によれば、くさび状に組み合わされた案内部材と摺動部材との間は常にがたつくことなく摺接状態を保っているので、試料保持部を正確に上下方向へ移動させて所望の高さ位置へ位置決めすることができる。
　また、透過型小角散乱装置の周囲を覆うための外部筐体を備えることもできる。外部筐体は、筐体本体と、一または複数の筐体要素部材とを含み、筐体本体に対して筐体要素部材が上下方向に移動自在であり、筐体要素部材を筐体本体と重ねて畳んだ形態と、筐体要素部材を筐体本体から引き延ばした形態とを形成できる構成となっている。
　筐体要素部材を筐体本体に重ねて畳んだ状態とすることで、高さ寸法の小さいコンパクトな形態を形成でき、外部筐体の運搬作業や設置作業がきわめて容易となる。
　以上説明したように、本発明によれば、Ｘ線照射ユニットと二次元Ｘ線検出器とを、ゴニオメータの旋回アームに搭載して、縦型の配置構造としたので、比較的狭い面積の床面にも設置することができる。その結果、複雑な構造をした半導体デバイスの微細形状であっても、製造工程の現場において非破壊で効率的に測定することが可能となる。
図１Ａは、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置の全体構造を模式的に示す側面構成図である。図１Ｂは、同じく正面構成図である。 図２は、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置の外観を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置の外観を、図２とは異なる方向から見た斜視図である。 図４は、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置を構成するゴニオメータの旋回アームと、その旋回アームに搭載された構成要素の外観を示す斜視図である。 図５は、図４に示したゴニオメータの旋回アームを畳んで、全長を短くした状態を示す斜視図である。 図６は、Ｘ線照射ユニットと二次元Ｘ線検出器との間に構成される光学系を模式的に示す図である。 図７は、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置を構成する試料ステージの外観を示す斜視図である。 図８は、試料を支持する試料保持部と面内回転機構を拡大して示す平面図である。 図９は、試料を支持する試料保持部と面内回転機構を拡大して示す斜視図である。 図１０Ａは、Ｘ軸移動機構、Ｙ軸移動機構、Ｚ軸移動機構を示す斜視図である。図１０Ｂは、案内部材と摺動部材を模式的に示す構成図である。 図１１は、χ軸揺動機構を示す斜視図である。 図１２は、試料ステージの縦断面図である。 図１３は、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置を外部筐体で覆った状態を示す斜視図である。 図１４は、本発明の実施形態に係る外部筐体を畳んだ状態を示す斜視図である。 図１５Ａは、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置を外部筐体で覆った状態を示す左側面図である。図１５Ｂは、同じく平面図である。 図１６は、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置を外部筐体で覆った状態を示す縦断面図である。 図１７は、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置を組み込んだ半導体検査装置の外観を示す斜視図である。 図１８は、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置の制御系を示すブロック図である。 図１９は、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置による測定動作の実行手順を示すフローチャートである。 図２０Ａは、半導体ウェハの傾きを測定するための手段に関する構成例を模式的に示す正面構成図である。図２０Ｂは、半導体ウェハの傾きを測定するための手段に関する他の構成例を模式的に示す側面構成図である。
　Ｓ：試料、Ｐ：測定位置、
　１０：ゴニオメータ、１１：旋回アーム、１２：第１アーム部材、１３：第２アーム部材、１４：第３アーム部材、１２ａ，１３ａ：案内レール、１５：下部保持部材、１６：上部保持部材、１７：支持部材
　２０：Ｘ線照射ユニット、２１：Ｘ線管、２２：集光ミラー、２３：アパーチャ、２４：ガードスリット、２５：スリット
　３０：二次元Ｘ線検出器、３１：ダイレクトビームストッパ、３２：真空パス、
　３５：光学顕微鏡、３６：レーザ傾き測定器、３６ａ：レーザ光源、３６ｂ：レーザ検出器、３７：移動テーブル、
４０：試料ステージ、４１：枠体、４２：試料保持部、４３：空洞、５０：基枠、５１：Ｘ軸移動枠、５２：χ軸旋回台、５２ａ：軸受、５３：Ｙ軸移動台、５４：Ｚ軸駆動台、５５：Ｚ軸移動台、５６：試料保持枠、５７：Ｘ線透過孔、５８：吸着支持片、５９：真空ノズル、６０：回転ガイド部、６１：回転支持部、６２：支持ローラ、６３：従動側プーリ、６４：面内回転用駆動モータ、６５：駆動側プーリ、６６：駆動ベルト、６７：Ｘ軸駆動用モータ、６８：ボールねじ、６９：ねじ軸、７０：ナット部材、７１：案内レール、７２：スライダ、７３：軸受、７４：揺動支軸、７５：Ｙ軸駆動用モータ、７６：ボールねじ、７７：ねじ軸、７８：軸受、７９：ナット部材、８０：Ｚ軸駆動用モータ、８１：案内部材、８２：摺動部材、８３：案内レール、８４：スライダ、８５：χ軸駆動用モータ、８６：駆動力伝達ベルト、８７：ウォーム、８８：ウォームホイール、８９：駆動側プーリ、９０：従動側プーリ、９１：案内レール、９２：スライダ、９３：案内レール、９４：スライダ、９５：ボールねじ、９６：ナット部材、
　１００：中央処理装置、１０１：Ｘ線照射コントローラ、１０２：画像認識回路、１０３：フォーカスコントローラ、１０４：位置決めコントローラ、１０５：ゴニオコントローラ、１０６：記憶部、１０７：検出制御回路、１１０：試料位置決め機構、
　２００：外部筐体、２０１：筐体本体、２０２，２０３：筐体要素部材、２１０，２１１：案内レール、２２０：遮蔽パネル、
　３００：ファンフィルターユニット、３１０：基板搬送装置(ＥＦＥＭ)、３２０：電装部
　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。
〔概要〕
　まず、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置の概要を説明する。
　試料にＸ線ビームを照射したときに、Ｘ線ビームの進行方向の近傍の小さな角度領域（小角領域）でＸ線が散乱する。この散乱を小角散乱と称し、これを測定することにより物質に関する粒径や周期構造などを知ることができる。さらに近年においては、この小角散乱測定により、半導体デバイスを形成する薄膜に対して種々の情報を得るための分析手法の開発が進められている。
　この小角散乱を測定するための装置が、小角散乱装置である。
　小角散乱装置には、試料の表面にＸ線を照射し、試料表面から反射してきた散乱Ｘ線を検出する反射型の小角散乱装置と、試料の裏面にＸ線を照射し、表面から放出された散乱Ｘ線を検出する透過型の小角散乱装置とがある。
　本発明は透過型の小角散乱装置である。この透過型小角散乱装置は、試料を挟んでＸ線源と二次元Ｘ線検出器とを対向配置し、Ｘ線源からのＸ線を試料の裏面に照射し、試料の表面から特定の角度に放射されてきた散乱Ｘ線を二次元Ｘ線検出器で検出する基本構造を備えている。
　従来一般の小角散乱装置は、Ｘ線源と二次元Ｘ線検出器とを水平配置した横型の構造となっているため、大きな設置面積が必要となる。
　これに対し、本実施形態に係る透過型小角散乱装置は、半導体製造ラインが構築されたクリーンルーム内の制限された面積の床面にも設置可能とするために、Ｘ線源と二次元Ｘ線検出器とを上下方向に配置した縦型の構造となっている。
〔全体構造〕
　図１Ａは、本発明の実施形態に係る透過型小角散乱装置の全体構造を模式的に示す側面構成図、図１Ｂは、同じく正面構成図である。また、図２および図３は、透過型小角散乱装置の外観をそれぞれ異なる方向から見た斜視図である。
　本実施形態に係る透過型小角散乱装置は、ゴニオメータ１０を備えている。ゴニオメータ１０は、水平方向に延びるθ軸周りに旋回アーム１１を旋回駆動する機能を有している。旋回アーム１１には、その両端部にＸ線照射ユニット２０と二次元Ｘ線検出器３０とが搭載してある。ここで、旋回アーム１１は鉛直方向の配置状態を原点としてある。そして、Ｘ線照射ユニット２０は下側端部に、二次元Ｘ線検出器３０は上側端部にそれぞれ搭載してある。このような縦型の配置構造とすることで、比較的狭い面積の床面にも設置することができる。
　Ｘ線照射ユニット２０と二次元Ｘ線検出器３０は、試料ステージ４０を挟んで互いに対向配置されており、試料ステージ４０の試料保持部４２に支持された試料Ｓに対して、Ｘ線照射ユニット２０が下方からＸ線を照射する。そして、試料Ｓから透過してきたＸ線の周囲で微小角度領域に生じた散乱Ｘ線を二次元Ｘ線検出器３０で検出する構成となっている。
　ここで、試料ステージ４０には、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、Ｘ線照射ユニット２０から出射されたＸ線を透過する空洞４３が形成してあり、この空洞４３を通して試料Ｓの裏面にＸ線を照射する構成となっている。
　ゴニオメータ１０の旋回アーム１１には、円筒状の真空パス３２が搭載してある。この真空パス３２は、試料Ｓを透過してきたＸ線が空気に衝突した際に生じる空気散乱を無くして小角散乱の測定精度を向上させる機能を有している。
　試料ステージ４０は、後述する試料位置決め機構による駆動をもって、試料保持部４２を水平面と平行な前後方向（Ｙ方向）と横方向（Ｘ方向）、および水平面と垂直な上下方向（Ｚ方向）にそれぞれ移動して、試料Ｓの被検査点を透過型小角散乱装置の測定位置Ｐへ位置決めする構成を備えている。
　また、試料位置決め機構は、試料保持部４２に支持された試料Ｓを面内回転（φ回転）させる機能を備えている。さらに、試料位置決め機構は、試料保持部４２に支持された試料Ｓを、χ軸周りに揺動（χ揺動）させる機能を備えている。このχ軸は、水平面内でゴニオメータ１０のθ軸に対して直角に交わっている。このθ軸とχ軸の交点は、透過型小角散乱装置の測定位置Ｐと合致するように位置決めしてある。
　試料ステージ４０は、図２および図３に示すように、枠体４１に支持されている。枠体４１とゴニオメータ１０の旋回アーム１１は、互いに干渉しないように相互の位置関係を調整してある。
　また、本実施形態に係る透過型小角散乱装置は、試料Ｓの表面を認識する光学顕微鏡３５を備えている。光学顕微鏡３５は、試料位置決め機構により駆動される各部や、ゴニオメータ１０により旋回されるＸ線照射ユニット２０および二次元Ｘ線検出器３０など、周囲の各構成部と干渉しない位置に設置してある。
　試料Ｓは、試料位置決め機構によって、光学顕微鏡３５の下方位置へ移動することができる。
〔ゴニオメータの旋回アームと、同アームに搭載される構成要素〕
　次に、図４および図５を主に参照して、ゴニオメータの旋回アームと、それに搭載される各構成要素の詳細構造を説明する。
　図４は、本実施形態に係る透過型小角散乱装置を構成するゴニオメータの旋回アームと、その旋回アームに搭載された構成要素の外観を示す斜視図である。図５は、図４に示したゴニオメータの旋回アームを畳んで全長を短くした状態を示す斜視図である。
　ゴニオメータ１０の旋回アーム１１は、複数のアーム部材によって構成してある。図４および図５に示す本実施形態の旋回アーム１１は、第１，第２，第３アーム部材１２，１３，１４で構成され、第１アーム部材１２がゴニオメータのθ回転軸（図１Ａのθ軸）に固定されている。
　この第１アーム部材１２に対して、第２アーム部材１３が長手方向にスライドするとともに、第２アーム部材１３に対して第３アーム部材１４が長手方向にスライドして、図５に示すように、各アーム部材１２，１３，１４が重なり合って畳まれる構造としてある。
　このように各アーム部材１２，１３，１４を畳むことにより、全長を短くしてコンパクトな形態とすることができる。
　旋回アーム１１を図５に示すコンパクトな形態にすることで、搬送作業や現場での据付け作業がきわめて容易となり、その作業に要する作業時間の短縮と労力の軽減を実現することができる。
　具体的には、第１アーム部材１２の表面には長手方向に案内レール１２ａが設けてあって、この案内レール１２ａに沿って第２アーム部材１３がスライド自在となっている。同様に、第２アーム部材１３の表面にも長手方向に案内レール１３ａが設けてあって、この案内レール１３ａに沿って第３アーム部材１４がスライド自在となっている。
　旋回アーム１１には、図４に示すように、各アーム部材１２，１３，１４を展開して全長を引き延ばした状態と、図５に示すように、各アーム部材１２，１３，１４を畳んで全長を短くした状態とにおいて、それぞれその状態を保持するロック機構（図示せず）が組み込まれている。
　第１アーム部材１２の下端部には、Ｘ線照射ユニット２０を搭載するための下部保持部材１５が設けてある。Ｘ線照射ユニット２０はこの下部保持部材１５に固定される。下部保持部材１５には、Ｘ線照射ユニット２０の固定位置を長手方向に移動調整するためのスライド機構（図示せず）が組み込まれている。
　また、第３アーム部材１４の上端部には、二次元Ｘ線検出器３０を搭載するための上部保持部材１６が設けてある。二次元Ｘ線検出器３０はこの上部保持部材１６に固定される。上部保持部材１６にも、二次元Ｘ線検出器３０の固定位置を長手方向に移動調整するためのスライド機構（図示せず）が組み込まれている。
　現場での据付け時には、Ｘ線照射ユニット２０と二次元Ｘ線検出器３０を移動調整することで、あらかじめ設定した仕様に合わせた装置の据え付けを実現できる。
　また、上部保持部材１６には、二次元Ｘ線検出器３０の手前に、ダイレクトビームストッパ３１が設置される。このダイレクトビームストッパ３１は、Ｘ線照射ユニット２０から試料Ｓを透過して直進してきたＸ線を遮蔽して、二次元Ｘ線検出器３０に入射させない機能を有している。
　旋回アーム１１には、既述したように真空パス３２も搭載される。各アーム部材１２，１３，１４には、この真空パス３２を支持するための支持部材１７が設けてある。真空パス３２は、これらの支持部材１７に支持されて、試料Ｓを透過してきたＸ線とその周囲に生じる散乱Ｘ線の光路上に配置される。真空パス３２の上端面は、二次元Ｘ線検出器３０の近傍に位置決めされる。
　さて、試料Ｓを透過してきた散乱Ｘ線は、放射状に広がって二次元Ｘ線検出器３０に到達する。そこで、真空パス３２は、試料Ｓに対向する下端面の直径を小さくし、上端面に向かうに従い段階的に直径を大きくした構造としてある。
　この真空パス３２は、内部が密閉されて真空状態を形成しており、両端面は、Ｘ線吸収率は小さいカーボン、ボロンカーバイド、カプトンなどの材料で形成してある。これにより、試料Ｓを透過してきたＸ線および散乱Ｘ線を透過するとともに、空気散乱の発生を防止することができる。
〔Ｘ線照射ユニットを含む光学系と、二次元Ｘ線検出器〕
　図６は、Ｘ線照射ユニットと二次元Ｘ線検出器との間に構成される光学系を模式的に示す図である。
　Ｘ線照射ユニット２０は、Ｘ線管２１と、集光ミラー２２と、アパーチャ２３とを構成要素に含んでいる。また、試料Ｓの手前にはガードスリット２４が配置される。
　Ｘ線管２１としては、ターゲット上での電子線焦点サイズが７０μｍ以下、好ましくは４０μｍ以下のＸ線管球を用いる。ターゲット材料としては、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などが選択できるが、透過式の場合、基板であるＳｉウェハを透過できるエネルギーの高いＸ線が必要なため、それを可能にするモリブデン（Ｍｏ）や銀（Ａｇ）を用いることが望ましい。
　集光ミラー２２には、表面に多層膜が形成された２つの多層膜ミラーをＬ字型に配置して一体化したサイド・バイ・サイド方式の集光ミラー２２を採用することができる。またこの他にも、２つの多層膜ミラーを独立して配置したカークパトリック・バエズ方式の集光ミラーを採用してもよい。
　集光ミラー２２は、二次元Ｘ線検出器３０の検出面に焦点が合うように調整され、焦点において縦横１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下の矩形スポットにＸ線を集光させる機能を有している。
　アパーチャ２３は、Ｘ線管２１から出射してきたＸ線が集光ミラー２２に入射せずそのまま外側を抜けてしまう漏れ光を遮蔽する機能を有している。Ｘ線管２１から出射したＸ線は、アパーチャ２３により漏れ光が遮蔽され、続いて集光ミラー２２によって単色化されかつ収束される。
　ガードスリット２４は、ゲルマニウムの単結晶で製作した単結晶ピンホールスリットであり、旋回アーム１１に設けられたスリット支持部材（図示せず）に支持されて、試料Ｓの手前に配置される。
　通常のスリットは、Ｘ線が当たると寄生散乱が発生してバックグラウンドが大きくなる欠点がある。これに対してゲルマニウムの単結晶で形成されたガードスリット２４は、寄生散乱を低減でき、バックグラウンドを抑制することができる。
　なお、集光ミラー２２とガードスリット２４の間に、さらにＸ線の断面積を絞るためのスリット２５を配置してもよい。
　Ｘ線管２１から出射したＸ線は、アパーチャ２３により漏れ光が遮蔽されて集光ミラー２２に入射する。そして、集光ミラー２２で単色化されかつ収束されたＸ線は、ガードスリット２４によって断面積を絞られて、試料Ｓ上にある微小面積の被検査点に照射される。
　続いて、試料Ｓを透過したＸ線と、その周囲の小角領域に発生した散乱Ｘ線は、図４に示した真空パス３２を通って二次元Ｘ線検出器３０に向かって進行する。このうち、Ｘ線照射ユニット２０から試料Ｓを透過して直進してきたＸ線は、二次元Ｘ線検出器３０の手前に設けたダイレクトビームストッパ３１により遮蔽される。これにより、二次元Ｘ線検出器３０には、Ｘ線の小角領域に発生した散乱Ｘ線のみが入射する。
　ここで、Ｘ線管２１の焦点から試料Ｓまでの距離Ｌ１は、試料Ｓに照射されるＸ線の集光面積に影響する。すなわち、距離Ｌ１が長いほど、試料Ｓに照射されるＸ線の集光面積が小さくなる。また、透過型小角散乱装置においては、試料Ｓから二次元Ｘ線検出器３０までの距離Ｌ２をカメラ長と称し、このカメラ長Ｌ２は二次元Ｘ線検出器３０の角度分解能に影響を与える。すなわち、カメラ長Ｌ２が長いほど角度分解能が向上する。
　しかし、本実施形態のように縦型に配置した透過型小角散乱装置では、距離Ｌ１やカメラ長Ｌ２を長く確保するにも限界がある。そこで、これらの寸法は、本装置を据え付ける現場の環境と、試料Ｓ上でのＸ線の集光面積と、角度分解能とを総合的に勘案して適宜決定することが好ましい。
　既述したように、旋回アーム１１は、第１アーム部材１２に対して、第２アーム部材１３が長手方向にスライドするとともに、第２アーム部材１３に対して第３アーム部材１４が長手方向にスライドする構成となっているので、これらスライドする各アーム部材１３，１４のスライド位置を適宜調整することで、カメラ長Ｌ２を任意に設定することができる。
　なお、Ｘ線照射ユニット２０をＸ線の光軸方向へ移動させて、距離Ｌ１を任意に変更するための位置調整機構を、旋回アーム１１に設けることもできる。さらに、二次元Ｘ線検出器３０をＸ線の光軸方向へ移動させて、カメラ長Ｌ２を任意に変更するための位置調整機構を、旋回アーム１１に搭載した構成とすることもできる。
〔試料ステージ〕
　次に、図７～図１２を主に参照して、試料ステージの詳細構造を説明する。
　図７は、本実施形態に係る透過型小角散乱装置を構成する試料ステージの外観を示す斜視図である。図８は、試料を支持する試料保持部を拡大して示す平面図、図９～図１１は、試料位置決め機構を説明するために試料ステージのそれぞれ異なる部位を注目して見た斜視図、図１２は、試料ステージの縦断面図である。
　既述したように、試料ステージ４０は、試料Ｓを支持する試料保持部４２と、この試料保持部４２を駆動する試料位置決め機構を備えている。
　試料位置決め機構は、試料保持部４２に支持された試料Ｓを面内回転（φ回転）させるための面内回転機構と、試料保持部４２に支持された試料Ｓの表面と平行な前後方向（Ｙ軸方向）に、試料保持部４２を移動させるためのＹ軸移動機構と、試料保持部４２に支持された試料Ｓの表面と平行な横方向（Ｘ軸方向）に、試料保持部４２を移動するためのＸ軸移動機構と、試料保持部４２に支持された試料Ｓの表面と垂直な上下方向（Ｚ軸方向）に、試料保持部４２を移動するためのＺ軸移動機構と、試料保持部４２をχ軸周りに揺動させるχ軸揺動機構と、を含んでいる。
　ここで、試料ステージ４０は、図７に示すように、基枠５０の上にＸ軸移動枠５１が搭載され、このＸ軸移動枠５１の上にχ軸旋回台５２が搭載され、またχ軸旋回台５２の上にＹ軸移動台５３が搭載され、さらにＹ軸移動台５３の上にＺ軸駆動台５４とＺ軸移動台５５が搭載され、そしてＺ軸移動台５５の上に試料保持部４２を形成する試料保持枠５６が搭載された構成となっている。
　図８に示すように、試料保持部４２は、円形をした試料保持枠５６の内側に形成される。この試料保持枠５６の内側はＸ線透過孔５７となっており、このＸ線透過孔５７に対面する状態で試料Ｓを支持する構成となっている。試料保持枠５６の内周縁には、複数箇所（図では４箇所）から吸着支持片５８が内側へ突き出して設けてある。
　試料Ｓは、これら吸着支持片５８の上面に外周縁部の一部分が配置され、これら吸着支持片５８の上面に真空吸着される。なお、各吸着支持片５８の上面には、真空ノズル５９が開口しており、図示しない真空吸引装置により真空ノズル５９は真空吸引される。
　試料保持枠５６の内側に形成したＸ線透過孔５７は、図１Ａおよび図１Ｂに示した試料ステージ４０の空洞４３と連通している（図１２参照）。Ｘ線照射ユニット２０から出射されたＸ線は、空洞４３からＸ線透過孔５７を抜けて吸着支持片５８に支持された試料Ｓの裏面に照射される。
　従来のＸ線検査装置は、カプトンなどのＸ線吸収率の低い材料で試料保持部４２を形成し、試料Ｓの裏面全体をその試料保持部４２の上面に密着して配置する構成のものが一般的である。しかし、例えば、半導体ウェハに形成された半導体デバイスが検査対象であった場合は、カプトンなどの材料で形成された試料保持部４２に半導体ウェハの裏面が接触して汚染されるおそれがある。
　本実施形態の試料保持部４２によれば、試料Ｓの裏面は、外周縁部の限られた一部のみが吸着支持片５８に接触するだけであるため、回路パターンが形成された半導体ウェハの中央部分に触れることなく試料Ｓを支持することができる。
　しかも、吸着支持片５８によって支持された一部の微小領域を除く試料Ｓのほぼ全域に対し、Ｘ線照射ユニット２０からのＸ線を空洞４３およびＸ線透過孔５７を通して照射できるため、測定可能領域を広く確保することができる。なお、吸着支持片５８によって支持された一部の微小領域については、試料Ｓ搬送ロボットにより吸着位置を変更することで、Ｘ線を照射することが可能となる。
　次に、図８および図９を主に参照して、面内回転機構について詳細に説明する。
　試料保持部４２を構成する試料保持枠５６は、円形の外周縁部に回転ガイド部６０が形成してあり、この回転ガイド部６０がＺ軸移動台５５の上面の複数箇所（図では４箇所）に設けた回転支持部６１により、面内回転自在に支持されている。各回転支持部６１は、上下一対の支持ローラ６２によって回転ガイド部６０を上下方向から支持している。
　試料保持枠５６には従動側プーリ６３が形成してある。また、Ｚ軸移動台５５には、面内回転用駆動モータ６４が設置してあり、この面内回転用駆動モータ６４の駆動軸に設けた駆動側プーリ６５と、試料保持枠５６の従動側プーリ６３との間に駆動ベルト６６が巻掛けられている。
　これら回転ガイド部６０、回転支持部６１、面内回転用駆動モータ６４、駆動側プーリ６５、従動側プーリ６３および駆動ベルト６６の各構成要素をもって、面内回転機構を構成している。すなわち、面内回転用駆動モータ６４からの回転駆動力が駆動ベルト６６を介して試料保持枠５６に伝達される。この回転駆動力により、回転支持部６１に支持された試料保持枠５６が面内回転する。
　次に、図１０Ａを主に参照して、Ｘ軸移動機構、Ｙ軸移動機構、Ｚ軸移動機構について詳細に説明する。
　Ｘ軸移動枠５１は、Ｘ軸移動機構を介して基枠５０の上に搭載されている。
　Ｘ軸移動機構は、Ｘ軸駆動用モータ６７と、ボールねじ６８と、案内レール７１と、スライダ７２とを含んでいる。
　基枠５０には、Ｘ軸駆動用モータ６７と、ボールねじ６８のねじ軸６９と、案内レール７１とが設置してある。
　案内レール７１はＸ軸方向に延びており、この案内レール７１に沿ってスライダ７２が移動自在となっている。案内レール７１は、基枠５０の両端部にそれぞれ設置してあり、各案内レール７１に組み合わされたスライダ７２が、Ｘ軸移動枠５１を移動自在に支持している。
　ボールねじ６８のねじ軸６９は、基枠５０に設けた軸受７３により回転自在に支持されて、Ｘ軸方向に延びている。このねじ軸６９は、Ｘ軸駆動用モータ６７の回転駆動軸に連結してあり、同モータ６７の回転駆動力により回転駆動される。
　ねじ軸６９には、ナット部材７０が噛み合わされており、ねじ軸６９の回転に伴い、ナット部材７０がＸ軸方向に移動する。ナット部材７０は、Ｘ軸移動枠５１に固定され、ナット部材７０と一体にＸ軸移動枠５１がＸ軸方向に移動する。
　このＸ軸移動枠５１には、図１０Ａおよび図７に示すように、一対の軸受５２ａが両端部に設けてあり、これらの軸受５２ａに揺動自在に支持された揺動支軸７４を介して、χ軸旋回台５２が揺動自在に搭載されている。そして、このχ軸旋回台５２の上にＹ軸移動機構を介してＹ軸移動台５３が搭載されている。
　Ｙ軸移動機構は、Ｙ軸駆動用モータ７５と、ボールねじ７６と、図１２に示す案内レール９１およびスライダ９２とを含んでいる。案内レール９１は、χ軸旋回台５２の両端部に設けられ、Ｙ軸方向に延びている。各案内レール９１にはスライダ９２が移動自在に組み合わされており、それらスライダ９２によってＹ軸移動台５３が支持されている。
　χ軸旋回台５２の側壁には、Ｙ軸駆動用モータ７５と、ボールねじ７６のねじ軸７７とが設置してある。ボールねじ７６のねじ軸７７は、χ軸旋回台５２の側壁に設けた軸受７８により回転自在に支持されて、Ｙ軸方向に延びている。このねじ軸７７は、Ｙ軸駆動用モータ７５の回転駆動軸に連結してあり、同モータ７５の回転駆動力により回転駆動される。
　ねじ軸７７には、ナット部材７９が噛み合わされており、ねじ軸７７の回転に伴い、ナット部材７９がＹ軸方向に移動する。ナット部材７９は、Ｙ軸移動台５３に固定され、ナット部材７９と一体にＹ軸移動台５３がＹ軸方向に移動する。
　さらに、Ｙ軸移動台５３の上にはＺ軸駆動台５４が搭載されている。
　Ｙ軸移動台５３の上には、Ｙ軸方向に延びる案内レール９３が設置してあり、その案内レール９３にスライダ９４が組み合わされている（図１２参照）。Ｚ軸駆動台５４は、そのスライダ９４に支持されてＹ軸移動台５３の上に搭載されている。
　さらに、Ｙ軸移動台５３の上には、図１２に示すボールねじ９５と、図１０Ａに示すＺ軸駆動用モータ８０が設置してあり、同モータ８０の回転駆動軸にボールねじ９５のねじ軸が連結されている。このねじ軸は、図示されない軸受によりＹ軸移動台５３の上で回転自在に支持されている。
　そして、図１２に示すナット部材９６がそのねじ軸に噛み合わされており、当該ねじ軸の回転に伴い、ナット部材９６がＹ軸方向に移動する。ナット部材９６は、Ｚ軸駆動台５４に固定され、当該ナット部材９６と一体にＺ軸駆動台５４がＹ軸方向に移動する。
　Ｚ軸移動台５５は、図１０Ｂに示すようなくさび状に組み合わされた案内部材８１と摺動部材８２を介してＺ軸駆動台５４の上に支持されている。
　案内部材８１は、Ｚ軸駆動台５４の両端部にそれぞれ設置してある。それらの各案内部材８１に組み合わされた摺動部材８２は、Ｚ軸移動台５５の底面に固定されている。
　また、Ｙ軸移動台５３の両端部にはＺ軸方向に延びる案内レール８３が設置してあり、Ｚ軸移動台５５には、この案内レール８３と組み合わされたスライダ８４が固定してある。これによりＺ軸移動台５５は、案内レール８３に沿ってスライダ８４と一体にＺ軸方向に移動自在となっている。
　そして、Ｚ軸駆動用モータ８０の回転駆動力を受けてＹ軸の一方向へＺ軸駆動台５４が移動すると、案内部材８１も同じ方向へ一体に移動する。この移動に伴い、くさび状の組み合わされた摺動部材８２をＺ軸方向に押し上げる。また、Ｚ軸駆動台５４が逆方向へ移動すると、案内部材８１も同じ方向へ一体に移動し、くさび状に組み合わされた摺動部材８２が下降する。これによりＺ軸移動台５５が、案内レール８３に沿って上下方向に移動する。
　くさび状に組み合わされた案内部材８１と摺動部材８２との間は常にがたつくことなく摺接状態を保っているので、試料保持部４２を正確に上下方向へ移動させて所望の高さ位置へ位置決めすることができる。
　次に、図１１を主に参照して、χ軸揺動機構について詳細に説明する。
　χ軸揺動機構は、Ｘ軸移動枠５１とχ軸旋回台５２との間に組み込まれている。すなわち、χ軸揺動機構は、χ軸駆動用モータ８５と、駆動力伝達ベルト８６と、ウォーム８７およびウォームホイール８８とを含んでいる。
　扇形のウォームホイール８８は、Ｘ軸移動枠５１の一端部に設けられた軸受５２ａの下方位置に設けられ、そのピッチ円は軸受５２ａに支持された揺動支軸７４の同一軸上に位置決めされている。
　χ軸駆動用モータ８５とウォーム８７は、χ軸旋回台５２の側壁外面に設置してある。そして、χ軸駆動用モータ８５の回転駆動軸に設けた駆動側プーリ８９と、ウォーム８７の回転軸に設けた従動側プーリ９０との間に、駆動力伝達ベルト８６が巻掛けられている。これにより、χ軸駆動用モータ８５からの回転駆動力が駆動力伝達ベルト８６を介してウォーム８７に伝達される。この回転駆動力により、ウォーム８７が回転してウォームホイール８８のピッチ円に沿って回動し、ウォーム８７と一体にχ軸旋回台５２が揺動支軸７４を中心にして旋回する。揺動支軸７４の中心軸は、図１Ｂに示したχ軸と一致するように位置決めされている。
　試料保持部４２に支持された試料Ｓに対する入射Ｘ線の光軸角度は、上述したχ軸揺動機構や、ゴニオメータ１０の旋回アーム１１の駆動により、任意に変更することができる。
　本実施形態の試料ステージ４０は、図１２に示すように、空洞４３の断面積を、試料保持枠５６のＸ線透過孔５７に連通する上端開口部４３ａから、入射Ｘ線を取り込む下端開口部４３ｂに向かって広げた構成としてある。これにより、入射Ｘ線が空洞４３の周囲にある部材によって遮られることなく傾斜できる角度範囲（すなわち、試料Ｓに対する入射Ｘ線の光軸を傾斜できる角度範囲）が広がり、種々の測定条件に柔軟に対応することが可能となる。
　例えば、図１２に示した寸法例では、半径１５０ｍｍの半導体ウェハ（試料Ｓ）に対して、鉛直方向から入射するＸ線の光軸に対して、角度２０°まで傾斜させることができる構造としてある。
〔外部筐体の構造〕
　図１３は、本実施形態に係る透過型小角散乱装置を外部筐体で覆った状態を示す斜視図である。図１５Ａは同じく左側面図、図１５Ｂは同じく平面図、図１６は同じく縦断面図である。図１４は、外部筐体を畳んだ状態を示す斜視図である。
　一般に、Ｘ線を使用する透過型小角散乱装置は、Ｘ線に対する防護のために、外部筐体により周囲を覆った状態で据え付けられる。
　本実施形態に係る透過型小角散乱装置１は、試料保持部４２に支持された試料Ｓに対して鉛直方向にＸ線を照射するために、縦方向に長尺な構造となっている（図１Ａ～図３参照）。そのため、図１３に示すように、外部筐体２００も縦方向に長尺な構造となる。
　ここで、本実施形態では、この外部筐体２００を筐体本体２０１と、複数の筐体要素部材２０２，２０３とで構成し、筐体本体２０１に対して各筐体要素部材２０２，２０３を上下方向に移動自在な構造としてある。
　具体的には、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、筐体本体２０１に対して中段の筐体要素部材２０２は、案内レール２１０に沿って上下方向に移動自在となっており、さらに筐体要素部材２０２に対して上段の筐体要素部材２０３が、案内レール２１１に沿って上下方向に移動自在となっている。
　そして、図示しない駆動モータからの駆動力を、図示しない駆動機構を介して各筐体要素部材２０２、２０３に伝達して、これら各筐体要素部材２０２，２０３を上下方向に駆動する構成としてある。
　外部筐体２００を運搬したり、現場に設置する際には、図１４に示すように、各筐体要素部材２０２，２０３を共に下方位置へ移動させ、筐体本体２０１の内側に重ねて畳んだ状態とする。このように、高さ寸法の小さいコンパクトな形態とすることで、外部筐体２００の運搬作業や設置作業がきわめて容易となり、その作業に要する作業時間の短縮と労力の軽減を実現することができる。
　外部筐体２００は重量物のため、筐体本体２０１に対して各筐体要素部材２０２，２０３を分解する構造では、分解・組立て作業が煩雑となるが、上述したように駆動モータによる駆動力をもって筐体要素部材２０２、２０３を上下方向へ駆動する構造とすることで、現場での分解・組立て作業が必要なくなり、現場での設置作業や撤去作業がいっそう容易となる。
　なお、図１３～図１５Ａでは、外部筐体２００の内側を視認するために、透過型小角散乱装置を覆う壁面の一部または全部を省略して示してある。また、外部筐体２００の正面には、後述するように基板搬送装置３１０が併設されるが、その併設箇所には壁面は設けられず、外部筐体２００の内部へ連通するように構成される。
　また、図１６に示すように、外部筐体２００の内部空間は、試料ステージ４０の上方位置に水平配置した遮蔽パネル２２０により上下に仕切られている。そして、遮蔽パネル２２０で仕切られた下側の空間（すなわち、試料ステージ４０が設置された下部空間）には、外部筐体２００の外側に併設されるファンフィルターユニット３００から高精度に除塵されたエアーが供給される。これにより当該下部空間は、塵埃のきわめて少ないクリーンな空間となり、試料保持部４２に支持された半導体ウェハ（試料Ｓ）に対し、塵埃の付着を防止することができる。
　遮蔽パネル２２０は、ファンフィルターユニット３００からのエアーの上方への流動を遮り、半導体ウェハとその周辺に対するエアーの効率的かつ経済的な供給を実現している。
〔半導体検査装置としての全体構造〕
　図１７は、本実施形態に係る透過型小角散乱装置を組み込んだ半導体検査装置の外観を示す斜視図である。
　同図に示すように、透過型小角散乱装置の周囲を覆う外部筐体２００の外側には、上述したファンフィルターユニット３００の他、基板搬送装置(ＥＦＥＭ)３１０や、電装部３２０が併設されて、半導体検査装置が構築される。
　基板搬送装置３１０は、測定対象となる半導体ウェハ（試料Ｓ）を試料保持部４２へ自動搬送するとともに、測定が終了した半導体ウェハを試料保持部４２から自動で搬出する機能を備えている。なお、半導体ウェハは、密閉型カセット（ＦＯＵＰ）内に格納された状態で自動搬送される。
　また、電装部３２０には、透過型小角散乱装置への電力供給用の電源や、同装置を制御するためのコンピュータが設置されている。
　さらに、半導体検査装置は、図示しないユーティリティ供給のための設備を備えている。
　これらの構成により、本実施形態に係る透過型小角散乱装置を組み込んだ半導体検査装置は、半導体ウェハを自動搬送し、半導体製造工程の途中でインラインによる自動測定の実施を実現している。
〔制御系〕
　図１８は本実施形態に係る透過型小角散乱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２０の制御は、Ｘ線照射コントローラ１０１が実行する。
　また、光学顕微鏡３５が捉えた試料Ｓの画像は、画像認識回路１０２で画像認識される。これら光学顕微鏡３５と画像認識回路１０２は、試料保持部４２に配置された試料Ｓの画像を観察する画像観察手段を構成している。なお、光学顕微鏡３５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、試料位置決め機構１１０を駆動制御する。特に、試料Ｓの被検査点を装置の測定位置Ｐへ配置する際には、光学顕微鏡３５で捉えられ、画像認識回路１０２により認識された試料Ｓの画像に基づいて、位置決めコントローラ１０４が試料位置決め機構１１０を駆動制御する。
　ゴニオメータ１０は、ゴニオコントローラ１０５によって駆動制御される。
　Ｘ線照射コントローラ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１０５の各構成部は、中央処理装置１００から送られてくる設定情報に基づいてそれぞれ作動する。ここで、設定情報はレシピとしてあらかじめ記憶部１０６に記憶されており、中央処理装置１００が読み出して上記各構成部に出力する。
　二次元Ｘ線検出器３０は、検出制御回路１０７によって制御される。
〔測定動作の実行手順〕
　図１９は、上述した構成の本実施形態に係る透過型小角散乱装置による測定動作の実行手順を示すフローチャートである。
　ここでは、半導体デバイスの回路パターンが形成された半導体ウェハを試料Ｓとした場合の測定動作について説明する。
　記憶部１０６には、小角散乱測定を実行するためのソフトウエアがあらかじめ記憶されており、中央処理装置１００（ＣＰＵ）はそのソフトウエアに従い、以下のような処理ステップを実行していく。
　試料保持部４２に検査対象となる試料Ｓである半導体ウェハを吸着支持した後、まず位置決めコントローラ１０４が試料位置決め機構１１０を駆動制御して、半導体ウェハを光学顕微鏡３５の下方位置に配置する（ステップＳ１）。
　次に、光学顕微鏡３５によって半導体ウェハの表面を観察し、光学顕微鏡３５からの画像データに基づき、画像認識回路１０２が半導体ウェハの表面に形成されているユニークポイントを認識する（ステップＳ２）。
　ここで、記憶部１０６には、半導体ウェハの表面に形成されているユニークポイントが、レシピとしてあらかじめ記憶してある。ユニークポイントとしては、例えば、半導体ウェハの表面に形成される特徴的なパターン形状など、光学顕微鏡３５からの画像情報により画像認識回路１０２が判断に迷うことなく認識できる部位が設定される。
　次に、画像認識回路１０２により認識されたユニークポイントを基準として、あらかじめ設定してある被検査点の位置情報に基づき、位置決めコントローラ１０４が試料位置決め機構１１０を駆動制御して、被検査点を装置の測定位置Ｐに配置する（ステップＳ３）。
　続いて、小角散乱測定を実行し（ステップＳ４）、中央処理装置１００が測定データを解析する（ステップＳ５）。
　ここで、例えば、半導体ウェハの表面に形成された深穴のチルト角の解析などの形状解析測定を実施する場合は、ゴニオメータ１０の旋回アーム１１を駆動するか、またはχ軸揺動機構により半導体ウェハを揺動して、半導体ウェハに対するＸ線の光軸角度を変更することで、深穴のチルト角などの形状解析を実行することができる。
　上述したＳ３～Ｓ５の各ステップは、半導体ウェハに設定した被検査点のすべてについて実行され（ステップＳ６）、すべての被検査点に対して小角散乱測定を実行した後、測定動作を終了する。
〔半導体デバイスの測定例と、半導体ウェハの傾き測定手段〕
　半導体デバイスは、通常、半導体ウェハ上に形成され、測定対象となる散乱体が半導体ウェハの主面に平行な方向に周期的に配列している。
　測定対象としては、半導体デバイスを構成する微細なホールやピラーが挙げられる。
　半導体デバイスは、微細化・高集積化が日進月歩で進化しており、ホールやピラーの径が数十ｎｍ、深さ（高さ）が数μｍと、極めて微細かつ高アスペクトになるケースがある。このような構造に対し、本実施形態に係る透過型小角散乱装置を用いることで、これらホールやピラーの正確な三次元形状を特定することができる。
　ここで、小角散乱測定を行う前に、半導体ウェハの表面の傾きを測定し、入射Ｘ線の光軸に対して半導体ウェハの表面が垂直になるように調整することが好ましい。
　図２０Ａは、半導体ウェハの傾きを測定するための手段に関する構成例を模式的に示す正面構成図である。
　図２０Ａに示すように、ゴニオメータ１０の旋回アーム１１に、二次元Ｘ線検出器３０とともにレーザ傾き測定器３６を併設する。これら二次元Ｘ線検出器３０とレーザ傾き測定器３６は、横方向に移動する移動テーブル３７に搭載してある。
　そして、図示しない駆動モータの駆動力をもって移動テーブル３７が横方向に移動して、Ｘ線照射ユニット２０から出射されるＸ線の光軸Ｏと対向する位置に、二次元Ｘ線検出器３０とレーザ傾き測定器３６のいずれか一方を切り替えて配置できる構造となっている。
　レーザ傾き測定器３６は、レーザ光源３６ａとレーザ検出器３６ｂとを含み、試料保持部４２に支持された半導体ウェハ（試料Ｓ）の表面に、レーザ光源３６ａからのレーザ光を照射し、同表面から反射してきたレーザ光をレーザ検出器３６ｂにより検出することで、光軸Ｏに対する半導体ウェハの表面の傾きを測定できる機能を有している。
　このレーザ傾き測定器３６により測定した光軸Ｏに対する半導体ウェハの表面の傾きに基づき、試料ステージ４０のχ軸揺動機構や面内回転機構を駆動して入射Ｘ線の光軸Ｏに対して半導体ウェハの表面が垂直になるように調整する。
　このように半導体ウェハの表面の傾きを調整すれば、調整後の方位を原点（χ＝０°、θ＝０°）として、χ軸揺動機構やゴニオメータ１０の旋回アーム１１を駆動して、半導体ウェハに対するＸ線の光軸角度を任意に変更することができる。
　半導体ウェハの表面傾き調整により、半導体ウェハに形成されたホールやピラーの、半導体ウェハの表面に対する位置関係（傾き）を測定することが可能となり、デバイス形状に関する有益な情報を得ることができる。
　この後、図１９のフローチャートに従い、小角散乱測定を実行していく。
　図２０Ｂは、半導体ウェハの傾きを測定するための手段に関する他の構成例を模式的に示す側面構成図である。
　図２０Ｂに示す構成では、レーザ傾き測定器３６を光学顕微鏡３５と並べて設置してある。半導体ウェハ表面の傾きを測定するには、試料ステージ４０のＹ軸移動機構やＸ軸移動機構を駆動して、試料保持部４２に支持した半導体ウェハ（試料Ｓ）を、レーザ傾き測定器３６の下方位置まで移動させる。
　レーザ傾き測定器３６は、半導体ウェハの表面にレーザ光源３６ａからのレーザ光を照射し、同表面から反射してきたレーザ光をレーザ検出器３６ｂにより検出することで、半導体ウェハの表面の傾きを測定できる機能を有している。
　ここで、レーザ傾き測定器３６は、例えば、あらかじめ水平面を基準とした傾きを測定できるようにレーザ光源３６ａおよびレーザ検出器３６ｂの位置を調整しておけば、水平面または鉛直軸に対する半導体ウェハ表面の傾きを測定することができる。
　なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変形実施や応用実施が可能であることは勿論である。
　例えば、旋回アームは、図４に示したように３つのアーム部材１２，１３，１４による構成に限定されるものではなく、２または４つ以上のアーム部材で構成することもできる。
　また、外部筐体は、図１３～図１６に示したように、筐体本体２０１に対して２つの筐体要素部材２０２，２０３を移動自在とした構成に限定されるものではなく、筐体本体に対して１つまたは３つ以上の筐体要素部材が移動自在な構成としてもよい。さらに、これら筐体要素部材の移動は、駆動モータからの駆動力による以外にも、必要に応じて手動により移動させる構成とすることもできる。

Claims (6)

  1. 　検査対象となる試料を配置する試料保持部と、
    　前記試料保持部を移動させる試料位置決め機構と、
    　旋回アームを含むゴニオメータと、
    　前記旋回アームに搭載されたＸ線照射ユニットと、
    　前記旋回アームに搭載された二次元Ｘ線検出器とを備え、
    　前記旋回アームは、鉛直方向の配置状態を原点として、当該原点から水平方向に延びるθ軸周りに回動自在であり、
    　前記Ｘ線照射ユニットは、前記旋回アームの下側端部に搭載され、
    　前記二次元Ｘ線検出器は、前記旋回アームの上側端部に搭載されており、
    　前記試料保持部に配置された試料に対して、前記Ｘ線照射ユニットから出射した収束Ｘ線を下方から照射するとともに、当該試料を透過した収束Ｘ線の周囲に生じた散乱Ｘ線を前記二次元Ｘ線検出器が前記試料の上方位置で検出することを特徴とする透過型小角散乱装置。
  2. 　前記旋回アームは、複数のアーム部材によって構成してあり、そのうち一つのアーム部材が前記ゴニオメータのθ回転軸に固定されており、当該θ回転軸に固定されたアーム部材に対し、他のアーム部材がスライドして重なり合う構成としたことを特徴とする請求項１に記載の透過型小角散乱装置。
  3. 　前記試料保持部は、試料保持枠の内側に形成され、
    　前記試料保持枠の内側はＸ線透過孔となっており、このＸ線透過孔に対面する状態で前記試料を支持する構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載の透過型小角散乱装置。
  4. 　前記試料保持枠の内周縁には、複数箇所から吸着支持片が内側へ突き出しており、これら吸着支持片によって前記試料の外周縁部の一部分を吸着支持する構成であることを特徴とする請求項３に記載の透過型小角散乱装置。
  5. 　前記試料位置決め機構は、前記試料保持部に支持された試料を面内回転させるための面内回転機構と、前記試料保持部を前後方向に移動させるためのＹ軸移動機構と、前記試料保持部を横方向に移動するためのＸ軸移動機構と、前記試料保持部を上下方向に移動するためのＺ軸移動機構と、前記試料保持部を揺動させる揺動機構とを含み、
    　前記Ｚ軸移動機構は、くさび状に組み合わされた案内部材と摺動部材とを含み、前記案内部材が一方向に移動することで前記摺動部材を押し上げ、前記案内部材が逆方向に移動することで前記摺動部材を下降させる構成であって、当該摺動部材とともに前記試料保持部を上下方向に移動させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の透過型小角散乱装置。
  6. 　周囲を覆うための外部筐体を備えた透過型小角散乱装置であって、
    　前記外部筐体は、筐体本体と、一または複数の筐体要素部材とを含み、前記筐体本体に対して前記筐体要素部材が上下方向に移動自在であり、
    　前記筐体要素部材を前記筐体本体と重ねて畳んだ形態と、前記筐体要素部材を前記筐体本体から引き延ばした形態とを形成することを特徴とした請求項１乃至５のいずれか一項に記載の透過型小角散乱装置。
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