(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射Ｘ線を単色化するＸ線モノクロメータと、単色化したＸ線を全反射条件で試料表面に照射するための試料傾斜角度を調整できる機構と、試料より放出された光電子をエネルギー分別して検出する静電半球型光電子エネルギーアナライザとを有し、観測スペクトルにおける非弾性散乱電子によるバックグランド成分を減少させた全反射Ｘ線光電子分光装置において、入射Ｘ線に対する試料傾斜角と着目した光電子ピークに対するバックグランド強度比との関係を表すプロファイルに基づいて最適試料傾斜角を設定する手段を備えていることを特徴とする全反射Ｘ線光電子分光装置。
【請求項２】
照射Ｘ線を単色化するＸ線モノクロメータと、単色化したＸ線を全反射条件で試料表面に照射するための試料傾斜角度を調整できる機構と、試料より放出された光電子をエネルギー分別して検出する静電半球型光電子エネルギーアナライザとを有し、観測スペクトルにおける非弾性散乱電子によるバックグランド成分を減少させた全反射Ｘ線光電子分光装置において、試料傾斜角と試料極表面層の光電子ピークに対する基板層の光電子ピークの強度比との関係を表すプロファイルに基づいて最適試料傾斜角を設定する手段を備えていることを特徴とする全反射Ｘ線光電子分光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｘ線モノクロメータを備えたＸ線光電子分光装置（ＸＰＳ）に関し、特に全反射条件でＸ線光電子分光測定（以下、ＸＰＳ測定という）を行うための最適試料傾斜角度を容易に設定できるようにした全反射Ｘ線光電子分光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、Ｘ線モノクロメータを装着したＸ線光電子分光装置では、通常の単色化していないＸ線源を利用した装置に比べて、制動放射による連続Ｘ線を除去できるために、観測されるスペクトルは非弾性散乱電子によるバックグランド成分が著しく減少し、ピーク・バックグランド比（Ｐ／Ｂ比）がよいスペクトルが得られる。しかし、このようなＸ線モノクロメータを装着した測定装置においても、半導体ウェハ上などの微量な元素を検出することは困難である。
【０００３】
このような微量な元素の検出を困難にしている一つの要因として、光電子スペクトルのバックグランド信号がある。このバックグランド信号は、物質内部で発生した二次電子（光電子，オージェ電子等を含む）が物質表面に輸送される間に非弾性散乱によって運動エネルギーを失い、連続的なエネルギー分布を持つことに起因している。このバックグランド成分の信号強度が大きいと、微量元素の光電子信号はバックグランド信号の統計変動によるＳ／Ｎ比によって支配され、微量元素の光電子ピークを検出することは困難になる。
【０００４】
そこで微量元素の光電子ピークを検出するために、バックグランド信号の低減が有効な手段となる。バックグランド信号の低減は、光電子の励起源に使用する励起Ｘ線の試料に対する侵入深さを小さくし、発生した光電子が物質中で走行する距離を短くすることで実現できる。
【０００５】
Ｘ線の侵入深さは、Ｘ線の入射角（θ0 ：Ｘ線入射束の試料面に対する角）を、励起Ｘ線の波長と試料物質で決まるＸ線の全反射臨界角（θC ）以下に設定すると、全反射条件下におけるＸ線の侵入深さを表す図６に示すように、数nmから10nm程度の領域になる。なお、図６はＳi 基板上にＡlkα線（0.833nm)を入射角度を変化させて照射したときの、Ｘ線の侵入深さのシミュレーション結果を示す図で、横軸はθ0/θC を、縦軸は吸収を考慮したＸ線の侵入深さＬabs(nm）を示している。
【０００６】
したがって、従来は、全反射条件下でＸＰＳ測定を行うためには、被測定試料中の構成元素と入射Ｘ線の波長で決まる全反射臨界角θC を算出して、試料傾斜角度を設定するようにしている。また、全反射条件下でＸＰＳ測定を行うためには、Ｘ線源、分光結晶及び測定試料を正確にローランド円上に調整した後、試料表面に対して全反射の臨界角度以下に単色化されたＸ線の入射角度を設定する必要があるが、この入射角度を調整する際には、反射Ｘ線の強度／像をＸ線検出器でモニタしたり、試料の吸収電流をモニタするなどの方法が用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、被測定試料の構成元素と入射Ｘ線の波長で決まる全反射臨界角θC を算出することや、また反射Ｘ線の強度／像をＸ線検出器でモニタしたり、試料の吸収電流をモニタして入射角度の調整をすることには、かなり煩雑な作業を必要とするという問題点がある。
【０００８】
本発明は、従来のＸ線光電子分光装置において全反射条件でＸＰＳ測定を行う場合の試料傾斜角度の設定における上記問題点を解消するためになされたもので、全反射条件でＸＰＳ測定を行うための試料傾斜角を容易に設定できるようにした全反射Ｘ線光電子分光装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、本発明は、照射Ｘ線を単色化するＸ線モノクロメータと、単色化したＸ線を全反射条件で試料表面に照射するための試料傾斜角度を調整できる機構と、試料より放出された光電子をエネルギー分別して検出する静電半球型光電子エネルギーアナライザとを有し、観測スペクトルにおける非弾性散乱電子によるバックグランド成分を減少させた全反射Ｘ線光電子分光装置において、入射Ｘ線に対する試料傾斜角と着目した光電子ピークに対するバックグランド強度比との関係、又は試料傾斜角と試料極表面層の光電子ピークに対する基板層の光電子ピークの強度比との関係を表すプロファイルに基づいて最適試料傾斜角を設定する手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
このように、照射Ｘ線を単色化するＸ線モノクロメータを用い観測スペクトルにおける非弾性散乱電子によるバックグランド成分を減少させた全反射Ｘ線光電子分光装置において、入射Ｘ線に対する試料傾斜角と着目した光電子ピークに対するバックグランド強度比との関係、又は試料傾斜角と試料極表面層の光電子ピークに対する基板層の光電子ピークの強度比との関係を表すプロファイルに基づいて最適試料傾斜角を設定する手段を備えることによって、全反射条件下でのＸＰＳ測定に際して、被測定試料の構成元素と入射Ｘ線の波長で決まる全反射臨界角を算出することなく、Ｘ線入射角度の設定を容易に行うことができ、表面が平坦な種々の試料に対して全反射条件下でのＸＰＳ測定を容易に行うことが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、実施の形態について説明する。図１は本発明に係る全反射Ｘ線光電子分光装置の外観を示す概略図である。図１において、１は試料より発生した光電子のエネルギーを分別して検出する静電半球型光電子エネルギーアナライザ、２は試料ステージ部、３はＸ線モノクロメータ、４は試料にＸ線を照射するための標準Ｘ線源部である。
【００１２】
図２は、図１における試料ステージ部、Ｘ線モノクロメータ、励起Ｘ線源部の内部構成を示す拡大断面図である。図２において、11は試料ステージ、12は該試料ステージ11上に載置されたシリコンウェハ等の被測定試料、13は試料傾斜機構、14はＸ線モノクロメータ分光結晶、15はＸ線モノクロメータ分光結晶14にＸ線を照射するためのＸ線源、16は試料からの発生した光電子を捕集する光電子捕集レンズ、17は観測チャンバを示している。
【００１３】
このような構成と同様な従来の通常のＸ線モノクロメータを用いたＸ線光電子分光装置においては、Ｘ線源で発生させたＸ線をモノクロメータ分光結晶を用いて分光して、試料上に照射するようになっているが、通常の分光方式では光量をかせぐためにモノクロメータ分光結晶の立体角を全部使うように、試料は−10°〜−30°程度に傾斜させている。これに対して、本発明においては、全反射条件でＸＰＳ測定を行うことを前提としているため、非常に浅い傾斜角を設定するようにしている。
【００１４】
このように傾斜角を全反射を満たすように設定した場合、Ｘ線の侵入深さが浅いために、試料中で発生した光電子の試料表面までの飛程が短く、このため非弾性散乱による光電子のエネルギー損失確率が小さく、非弾性散乱に起因するスペクトルのバックグランド強度が、全反射臨界角度より大きい通常のＸ線入射角度で測定されるスペクトルに比べて小さい。この態様を、Ｓi 基板上にＡlkα線を照射した場合のバックグランド形状を表す図３の（Ａ），（Ｂ）に示す。図３の（Ａ）は全反射条件時のＸＰＳ測定スペクトル、図３の（Ｂ）は通常条件におけるＸＰＳ測定スペクトルを示しており、横軸は結合エネルギー、縦軸は任意単位で強度を表している。これらの図からわかるように全反射条件時においては、通常条件時よりもバックグランド強度Ｂが小さくなっていることがわかる。なお、図３の（Ａ），（Ｂ）において、Ｐはピークスペクトル強度を示している。
【００１５】
また、全反射条件におけるＸＰＳ測定スペクトルの特徴としては、Ｘ線の侵入深さが浅いため、極表面付近に存在する元素に起因する光電子が支配的である。この態様を、全反射条件と通常条件下における極表面層と基板層に起因する光電子ピークの比較を表す図４の（Ａ），（Ｂ）に示す。これらは、極薄い自然酸化膜が存在するＳi 基板にＡlkα線を照射した場合の、Ｓi2p 光電子ピークの強度を示す図で、図４の（Ａ）は全反射条件、図４の（Ｂ）は通常条件の場合を示す図である。これらの図からわかるように、全反射条件でＸ線を照射した場合は、基板表面に存在する酸化層に起因するＳi2p 光電子ピークの強度ＰSUR と基板層のＳi に起因するＳi2p 光電子ピークの強度ＰSUB の強度比が変化する。
【００１６】
このように、全反射条件におけるＸＰＳ測定スペクトルにおいては、バックグランド強度が通常のＸ線入射角度で測定されるスペクトルのバックグランド強度に比べて小さいという特徴、及び試料の極表面層に存在する元素に基因する光電子ピークと試料の基板層に起因する光電子ピークの強度比が変化するという特徴があり、本発明は、これらの点に着目して、ＸＰＳ測定を全反射条件で行うための入射Ｘ線の試料表面に対する入射角度の設定を、傾斜角度に対する着目した光電子ピークのＰ／Ｂ比（又はその逆数）の関係を示すプロファイル、又は試料傾斜角度に対する試料の極表面層に存在する元素に起因する光電子ピークと試料の基板層に起因する光電子ピークの強度比の関係を示すプロファイルを作成し、それらのプロファイルに基づいて最適試料傾斜角度を設定するようにするものである。
【００１７】
そのため、本発明においては、図１の実施の形態に示すように、試料ステージ11の傾斜角を設定するための傾斜機構13を駆動する駆動モータ５と、該駆動モータ５を制御するステージ制御ユニット６と、ＸＰＳスペクトルデータを光電子検出器７を介して取得するデータ収集ユニット８と、取得されたデータに基づいてプロファイルを作成し最適試料傾斜角を決定すると共に、各部の制御を行うＸＰＳ測定用コンピュータ９を備えている。なお、図１において10はゲート弁である。
【００１８】
次に、このように構成されている実施の形態における試料傾斜角設定の動作について、図５のフローチャートに基づいて説明する。まず、被測定試料12を試料ステージ11にセットし、通常のＸＰＳ測定で行う深い傾斜角度を設定して（ステップＳ１）、試料の全領域のワイドスペクトル測定を行う（ステップＳ２）。次いで、ワイドスペクトル測定結果に基づいて、どのスペクトルを目的のピークスペクトルとするか検出判断して、傾斜角度評価用ピークの設定を行う（ステップＳ３）。次に、傾斜角度評価用のプロファイルの作成のための測定ステップ（ステップＳ４）に入るが、ここでは試料傾斜角を少しづつ変えて設定し（ステップＳ４−１）、その都度ＸＰＳ測定を行い（ステップＳ４−２）、強度比又はＰ／Ｂ比の算出を行う（ステップＳ４−３）。ここでは、試料の極表面層に存在する元素に起因する光電子ピークと試料の基板層に起因する光電子ピークの強度比、あるいは着目した光電子ピークのＰ／Ｂ比の算出を行う。
【００１９】
このようなステップＳ４−１〜Ｓ４−３の動作を繰り返して行うことにより、傾斜角度評価用プロファイルが作成される。図示例では、試料傾斜角度θ／θC に対するＰ／Ｂ比の逆数の関係を表すプロファイルを示している。このようにして作成されたプロファイルから、極表面層と基板層のピーク強度比あるいは図示されているＰ／Ｂ比の逆数のミニマム近傍になる傾斜角度を求めて、全反射条件でのスペクトル測定を行うための最適試料傾斜角度を決定する（ステップＳ５）。この試料傾斜角度をステージ制御ユニットを介して試料ステージに設定して測定を行うことにより、全反射条件下でのＸＰＳ測定が行われる。
【００２０】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、本発明によれば、全反射条件下でのＸＰＳ測定に際して、被測定試料の構成元素と入射Ｘ線の波長で決まる全反射臨界角を算出することなくＸ線入射角度の設定を容易に行うことができ、表面が平坦な種々の試料に対して全反射条件下でＸＰＳ測定を容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る全反射Ｘ線光電子分光装置の実施の形態の概略外観図である。
【図２】図１に示した実施の形態の要部の内部構造を示す断面図である。
【図３】全反射条件と通常条件下におけるバックグランド強度を示す図である。
【図４】全反射条件と通常条件下における極表面層と基板層に起因する光電子ピークを示す図である。
【図５】図１に示した実施の形態の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】Ｓi 基板上にＡlkα線を入射角度を変化させて照射したときのＸ線の侵入深さのシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１  静電半球型光電子エネルギーアナライザ
２  試料ステージ部
３  Ｘ線モノクロメータ
４  標準Ｘ線源部
５  試料傾斜機構駆動モータ
６  ステージ制御ユニット
７  光電子検出器
８  データ収集ユニット
９  ＸＰＳ測定用コンピュータ
10  ゲート弁
11  試料ステージ
12  試料
13  試料傾斜機構
14  Ｘ線モノクロメータ分光結晶
15  Ｘ線源
16  光電子捕集レンズ
17  観測チャンバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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