(57)【要約】  本発明のＸ線検査装置は、検査対象となる試料を配置する試料配置部１１と、試料配置部１１を移動させる試料配置部位置決め機構３０と、独立して旋回する第１，第２の旋回部材２２，２３を含むゴニオメータ２０と、第１の旋回部材２２に搭載されたＸ線照射ユニット４０と、第２の旋回部材２３に搭載された二次元Ｘ線検出器５０とを備えている。そして、試料配置部位置決め機構３０は、測定点Ｐでθs軸及びθd軸と直交しかつ水平方向に延びるχ軸を中心に、試料配置部１１及びφ軸を回転させるχ回転機構３５を含んでいる。
2019130663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象となる試料を配置する試料配置部と、
前記試料配置部を移動させる試料配置部位置決め機構と、
独立して旋回する第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、
前記第１の旋回部材に搭載され、あらかじめ設定した測定点へＸ線を集光して照射するＸ線照射ユニットと、
前記第２の旋回部材に搭載された二次元Ｘ線検出器と、を備え、
前記ゴニオメータは、
前記測定点を通り水平方向に延びるθs軸を中心に、前記第１の旋回部材を旋回させ、前記試料配置部に配置された試料に対する前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線の入射角を設定するθs旋回機構と、
前記θs軸と一致するθd軸を中心に、前記第２の旋回部材を旋回させ、前記Ｘ線検出器の走査角を設定するθd旋回機構と、を含み、
前記試料配置部位置決め機構は、
前記試料配置部に配置された試料の表面と直交するφ軸を中心に、前記試料配置部を回転させるφ回転機構と、
前記試料配置部及びφ軸を、前記θs軸及びθd軸と直角に交叉するＸ方向へ直線移動させるＸ移動機構と、
前記試料配置部及びφ軸を、前記Ｘ方向と直角に交叉するＹ方向へ直線移動させるＹ移動機構と、
前記試料配置部を、当該試料配置部に配置された試料の表面と直交するＺ方向へ移動させるＺ移動機構と、
前記測定点で前記θs軸及びθd軸と直交しかつ水平方向に延びるχ軸を中心に、前記試料配置部及びφ軸を回転させるχ回転機構と、
前記測定点で前記χ軸と直交しかつ前記試料配置部に配置された試料の表面と平行に延びるχω軸を中心に、前記試料配置部及びφ軸を回転させるとともに、前記χ回転機構により前記χ軸周りに回転させられるχω回転機構と、を含み、
Ｘ線照射ユニットは、
Ｘ線の光軸と直角に交叉しかつ前記θs軸と平行な横方向へＸ線を集光するとともに、Ｘ線の光軸と直角に交叉しかつ前記θs軸とも直角に交叉する縦方向にもＸ線を集光する構成とした、
ことを特徴とするＸ線検査装置。
【請求項２】
前記Ｘ線照射ユニットは、前記測定点において、前記横方向及び縦方向へそれぞれ１００μｍ以内の半値幅にＸ線を集光させる構成であることを特徴とする請求項１のＸ線検査装置。
【請求項３】
前記Ｙ移動機構は、前記χ回転機構により前記試料配置部を水平に配置した状態で、当該試料配置部を移動させる方向（Ｙ方向）が前記θs軸及びθd軸と平行となるように構成してあり、当該Ｙ方向へ前記試料配置部を移動させることにより、あらかじめ設定してある試料交換位置へ前記試料配置部を配置する試料交換機構として機能することを特徴とする請求項１又は２のＸ線検査装置。
【請求項４】
前記試料配置部位置決め機構と、前記第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、前記Ｘ線照射ユニットとを制御して、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含む制御部を備え、
前記制御部は、
前記χ回転機構を駆動して、前記試料配置部に配置された試料の表面を鉛直配置し、
前記Ｚ移動機構を駆動して、前記試料配置部に配置された試料の被検査箇所を前記測定点の高さに合わせるとともに、
前記φ回転機構、Ｘ移動機構及びＹ移動機構を駆動して、前記試料の被検査箇所を前記測定点にあらかじめ設定した向きで位置決めし、
さらに、前記θs旋回機構及びχω回転機構を駆動して、前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線を、前記試料の表面に対して平行に近い方向から照射するとともに、
前記θs旋回機構と連動して前記θd旋回機構を駆動し、前記試料からブラッグの法則に従ってあらわれる回折Ｘ線を検出する位置へ前記二次元Ｘ線検出器を配置し、
かつ、前記θs旋回機構を駆動して、前記試料に対するＸ線の入射角を変化させて、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線検査装置。
【請求項５】
前記試料配置部位置決め機構と、前記第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、前記Ｘ線照射ユニットとを制御して、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含む制御部を備え、
前記制御部は、
前記χ回転機構を駆動して、前記試料配置部に配置された試料の表面を鉛直配置し、
前記Ｚ移動機構を駆動して、前記試料配置部に配置された試料の被検査箇所を前記測定点の高さに合わせるとともに、
前記φ回転機構、Ｘ移動機構及びＹ移動機構を駆動して、前記試料の被検査箇所を前記測定点にあらかじめ設定した向きで位置決めし、
さらに、前記θs旋回機構を駆動して、前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線を、前記試料の表面に対して平行に近い方向から照射するとともに、
前記θs旋回機構と連動して前記θd旋回機構を駆動し、前記試料からブラッグの法則に従ってあらわれる回折Ｘ線を検出する位置へ前記二次元Ｘ線検出器を配置し、
かつ、前記φ回転機構を駆動するとともに、その駆動に前記Ｘ移動機構及びＹ移動機構を連動させることで、前記試料の被検査箇所を前記測定点に保持しつつ、前記試料に対するＸ線の入射角を変化させて、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線検査装置。
【請求項６】
前記試料配置部位置決め機構と、前記第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、前記Ｘ線照射ユニットとを制御して、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含む制御部を備え、
前記制御部は、
前記χ回転機構を駆動して、前記試料配置部に配置された試料の表面を鉛直配置し、
前記Ｚ移動機構を駆動して、前記試料配置部に配置された試料の被検査箇所を前記測定点の高さに合わせるとともに、
前記φ回転機構、Ｘ移動機構及びＹ移動機構を駆動して、前記試料の被検査箇所を前記測定点にあらかじめ設定した向きで位置決めし、
さらに、前記θs旋回機構及びχω回転機構を駆動して、前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線を、前記試料の表面に対して平行に近い方向から照射するとともに、
前記θs旋回機構と連動して前記θd旋回機構を駆動し、前記試料からブラッグの法則に従ってあらわれる回折Ｘ線を検出する位置へ前記二次元Ｘ線検出器を配置し、
前記Ｘ線照射ユニットから前記試料へ集光して入射されるＸ線の集光角度の範囲で、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線検査装置。
【請求項７】
前記試料配置部位置決め機構と、前記第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、前記Ｘ線照射ユニットとを制御して、インプレーン回折測定を実施する制御機能を含む制御部を備え、
前記制御部は、
前記χ回転機構を駆動して、前記試料配置部に配置された試料の表面を鉛直配置し、
前記Ｚ移動機構を駆動して、前記試料配置部に配置された試料の被検査箇所を前記測定点の高さに合わせるとともに、
前記φ回転機構、Ｘ移動機構及びＹ移動機構を駆動して、前記試料の被検査箇所を前記測定点にあらかじめ設定した向きで位置決めし、
さらに、前記θs旋回機構及びχω回転機構を駆動して、前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線を、前記試料の表面に対して平行に近い方向から照射するとともに、
前記θs旋回機構と連動して前記θd旋回機構を駆動し、前記試料の表面からブラッグの法則に従ってあらわれる回折Ｘ線を検出する位置へ前記二次元Ｘ線検出器を配置して、インプレーン回折測定を実施する制御機能を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線検査装置。
【請求項８】
前記試料配置部位置決め機構と、前記第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、前記Ｘ線照射ユニットとを制御して、極点測定を実施する制御機能を含む制御部を備え、
前記制御部は、
前記χ回転機構を駆動して、前記試料配置部に配置された試料の表面を、前記χ軸を中心に回転させることにより、極点測定のあおり角αを０°から９０°までの範囲内で設定するとともに、
前記φ回転機構を駆動して、前記試料配置部に配置された試料の表面を、前記φ軸を中心に回転させることにより、極点測定の面内回転角βを設定して、極点測定を実施する制御機能を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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線検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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、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、いわゆるインラインでの検査ができず、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、インラインでの検査には適するものの、数ｎｍの薄い膜の測定には精度が不足している。【０００４】
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。【０００５】
本出願人は、このような事情に鑑み、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インライン型のＸ線薄膜検査装置を、先に提案した（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１５３７６７号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１０３７７号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００４／１１４３２５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
さらに、今日の先端ＬＳＩ（Large-Scale Integration）の技術分野では、ＳｉＧｅや化合物半導体の格子歪み、応力、組成比、膜厚等の厳密な測定が必要になっている。またＬＥＤや半導体レーザ（ＬＤ）などの光学系デバイスに用いられるＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族等の化合物半導体薄膜や、MEMS等に用いられる圧電薄膜についても、その結晶性を厳密に測定するニーズが増しており、これらに対応するＸ線検査装置の開発が要求されている。【０００８】
これらの用途に対応し、かつインラインで高効率な検査を実現するためには、例えば、Ｘ線回折におけるインプレーン（In-plane）回折を捉えたＸ線回折測定やロッキングカーブ（Rocking Curve）測定等を、高精度かつ高スループットに測定できることが必須である。しかし、従来のインライン型Ｘ線検査装置には、これらインプレーン（In-plane）回折を捉えたＸ線測定を高精度に実施できるものがなかった。【０００９】
本発明の目的は、製造工程に組み込み、上記のインプレーン回折を捉えたＸ線測定を、高精度かつ高効率に測定できるインライン型のＸ線検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明のＸ線検査装置は、
検査対象となる試料を配置する試料配置部と、
試料配置部を移動させる試料配置部位置決め機構と、
独立して旋回する第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、
第１の旋回部材に搭載され、あらかじめ設定した測定点へＸ線を集光して照射するＸ線照射ユニットと、
第２の旋回部材に搭載された二次元Ｘ線検出器と、を備えている。【００１１】
ここで、ゴニオメータは、
測定点を通り水平方向に延びるθs軸を中心に、第１の旋回部材を旋回させ、試料配置部に配置された試料に対するＸ線照射ユニットからのＸ線の入射角を設定するθs旋回機構と、
θs軸と一致するθd軸を中心に、第２の旋回部材を旋回させ、Ｘ線検出器の走査角を設定するθd旋回機構と、を含んでいる。【００１２】
また、試料配置部位置決め機構は、
試料配置部に配置された試料の表面と直交するφ軸を中心に、試料配置部を回転させるφ回転機構と、
試料配置部及びφ軸を、θs軸及びθd軸と直角に交叉するＸ方向へ直線移動させるＸ移動機構と、
試料配置部及びφ軸を、Ｘ方向と直角に交叉するＹ方向へ直線移動させるＹ移動機構と、
試料配置部を、当該試料配置部に配置された試料の表面と直交するＺ方向へ移動させるＺ移動機構と、
測定点でθs軸及びθd軸と直交しかつ水平方向に延びるχ軸を中心に、試料配置部及びφ軸を回転させるχ回転機構と、
測定点でχ軸と直交しかつ試料配置部に配置された試料の表面と平行に延びるχω軸を中心に、試料配置部及びφ軸を回転させるとともに、χ回転機構によりχ軸周りに回転させられるχω回転機構と、を含んでいる。【００１３】
さらに、Ｘ線照射ユニットは、Ｘ線の光軸と直角に交叉しかつθs軸と平行な横方向へＸ線を集光するとともに、Ｘ線の光軸と直角に交叉しかつθs軸とも直角に交叉する縦方向にもＸ線を集光する構成としてある。【００１４】
上述した構成の本発明に係るＸ線検査装置によれば、χ回転機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の表面を鉛直配置した状態で、試料表面にＸ線照射ユニットからの集光Ｘ線を照射するとともに、θs旋回機構により試料に対するＸ線の入射角を変化させることで、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施することができる。【００１５】
ここで、また、試料表面から一定範囲の回折角度であらわれる回折Ｘ線は、二次元Ｘ線検出器により一括して検出することができるので、高いスループットでの測定を実現することができる。【００１６】
しかも、試料表面には、Ｘ線照射ユニットで集光されたＸ線が微小スポットに照射されるので、その微小スポットからあらわれる回折Ｘ線を検出することで、高分解能でかつ高精度な測定を実現することができる。【００１７】
上述したＸ線照射ユニットは、測定点において、横方向及び縦方向へそれぞれ１００μｍ以内の半値幅にＸ線を集光させる構成であることが好ましい。【００１８】
また、Ｙ移動機構は、χ回転機構により試料配置部を水平に配置した状態で、当該試料配置部を移動させる方向（Ｙ方向）がθs軸及びθd軸と平行となるように構成することが好ましい。このような構成をもって、当該Ｙ方向へ試料配置部を移動（水平移動）させることにより、あらかじめ設定してある試料交換位置へ試料配置部を配置する試料交換機構としての機能を、Ｙ移動機構が兼ね備えることが可能となる。【００１９】
そして、Ｙ移動機構により試料配置部を移動させる方向（すなわち、Ｙ方向）を、第１の旋回部材の旋回中心となるθs軸や、第２の旋回部材の旋回中心となるθd軸と平行になるように構成したことで、第１の旋回部材に搭載されたＸ線照射ユニットの旋回軌道や、第２の旋回部材に搭載された二次元Ｘ線検出器の旋回軌道に干渉することなく、試料配置部を試料交換位置へ水平移動させることができる。そのため、成膜製品の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、いわゆるインラインでのＸ線検査が実現可能となる。【００２０】
一方、Ｙ移動機構が試料交換機構としての機能を備えることで、Ｙ方向への移動距離が長くなり、その結果、Ｙ移動機構が大形化することは否めない。そこで、本発明のＸ線検査装置では、Ｙ移動機構の上にφ回転機構を搭載するようにして、φ回転機構の駆動に必要となるトルクの軽減を図っている。これにより、φ回転機構の小形化と小さな電力での円滑な駆動を実現することができる。【００２１】
本発明のＸ線検査装置は、試料配置部位置決め機構と、第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、Ｘ線照射ユニットとを制御して、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含む制御部を備えた構成とすることもできる。【００２２】
そのとき、制御部は、
χ回転機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の表面を鉛直配置し、
Ｚ移動機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の被検査箇所を測定点の高さに合わせるとともに、
φ回転機構、Ｘ移動機構及びＹ移動機構を駆動して、試料の被検査箇所を測定点にあらかじめ設定した向きで位置決めし、
さらに、θs旋回機構及びχω回転機構を駆動して、Ｘ線照射ユニットからのＸ線を、試料の表面に対して平行に近い方向から照射するとともに、
θs旋回機構と連動してθd旋回機構を駆動し、試料からブラッグの法則に従ってあらわれる回折Ｘ線を検出する位置へ二次元Ｘ線検出器を配置し、
かつ、θs旋回機構を駆動して、試料に対するＸ線の入射角を変化させて、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含む、構成とする。【００２３】
また、制御部は、次のように構成することもできる。
すなわち、制御部は、
χ回転機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の表面を鉛直配置し、
Ｚ移動機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の被検査箇所を測定点の高さに合わせるとともに、
φ回転機構、Ｘ移動機構及びＹ移動機構を駆動して、試料の被検査箇所を測定点にあらかじめ設定した向きで位置決めし、
さらに、θs旋回機構を駆動して、Ｘ線照射ユニットからのＸ線を、試料の表面に対して平行に近い方向から照射するとともに、
θs旋回機構と連動してθd旋回機構を駆動し、試料からブラッグの法則に従ってあらわれる回折Ｘ線を検出する位置へ二次元Ｘ線検出器を配置し、
かつ、φ回転機構を駆動するとともに、その駆動にＸ移動機構及びＹ移動機構を連動させることで、試料の被検査箇所を測定点に保持しつつ、試料に対するＸ線の入射角を変化させて、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含む、構成とすることもできる。【００２４】
さらにまた、制御部は、次のように構成することもできる。
すなわち、制御部は、
χ回転機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の表面を鉛直配置し、
Ｚ移動機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の被検査箇所を測定点の高さに合わせるとともに、
φ回転機構、Ｘ移動機構及びＹ移動機構を駆動して、試料の被検査箇所を測定点にあらかじめ設定した向きで位置決めし、
さらに、θs旋回機構及びχω回転機構を駆動して、Ｘ線照射ユニットからのＸ線を、試料の表面に対して平行に近い方向から照射するとともに、
θs旋回機構と連動してθd旋回機構を駆動し、試料からブラッグの法則に従ってあらわれる回折Ｘ線を検出する位置へ二次元Ｘ線検出器を配置し、
Ｘ線照射ユニットから試料へ集光して入射されるＸ線の集光角度の範囲で、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含む、構成とすることもできる。【００２５】
このように構成すれば、θs旋回機構を駆動して試料に対するＸ線の入射角を変化させたり、φ回転機構を駆動して試料を面内方向（φ方向）に微小回転させたりすることなく、短時間でインプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施することができ、高いスループットでの測定を実現することができる。【００２６】
また、本発明のＸ線検査装置は、試料配置部位置決め機構と、第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、Ｘ線照射ユニットとを制御して、インプレーン回折測定を実施する制御機能を含む制御部を備えた構成とすることもできる。【００２７】
ここで、制御部は、
χ回転機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の表面を鉛直配置し、
Ｚ移動機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の被検査箇所を測定点の高さに合わせるとともに、
φ回転機構、Ｘ移動機構及びＹ移動機構を駆動して、試料の被検査箇所を測定点にあらかじめ設定した向きで位置決めし、
さらに、θs旋回機構及びχω回転機構を駆動して、Ｘ線照射ユニットからのＸ線を、試料の表面に対して平行に近い方向から照射するとともに、
θs旋回機構と連動してθd旋回機構を駆動し、試料の表面からブラッグの法則に従ってあらわれる回折Ｘ線を検出する位置へ二次元Ｘ線検出器を配置して、インプレーン回折測定を実施する制御機能を含む、構成とする。【００２８】
また、本発明のＸ線検査装置は、試料配置部位置決め機構と、第１，第２の旋回部材を含むゴニオメータと、Ｘ線照射ユニットとを制御して、極点測定を実施する制御機能を含む制御部を備えた構成とすることもできる。【００２９】
そのとき、制御部は、
χ回転機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の表面を、χ軸を中心に回転させることにより、極点測定のあおり角αを０°から９０°までの範囲内で設定するとともに、
φ回転機構を駆動して、試料配置部に配置された試料の表面を、φ軸を中心に回転させることにより、極点測定の面内回転角βを設定して、極点測定を実施する制御機能を含む、構成とする。【００３０】
上述した本発明によれば、製造工程に組み込みインラインにて、インプレーン回折を捉えたＸ線測定を、高精度かつ高効率に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１Ａは、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の全体構造を示す正面図である。図１Ｂは、同じく側面図である。
【図２】図２Ａは、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の主要構造を模式的に示す正面図である。図２Ｂは、同じく側面図である。
【図３】図３は、試料配置部位置決め機構による試料配置部の移動方向を模式的に示す図である。
【図４】図４Ａは、本発明の実施形態に係るＸ線照射ユニットの構成を模式的に示す正面図である。図４Ｂは、同じく底面図である。
【図５】図５は、図４Ａ及び図４Ｂに示したＸ線照射ユニットの斜視図である。
【図６】図６Ａは、図４Ａ、図４Ｂ及び図５に示したＸ線照射ユニットに含まれる第１のＸ線光学素子と第２のＸ線光学素子とを拡大して示す正面図である。図６Ｂは、同じく底面図である。
【図７】図７Ａ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回折Ｘ線の軌道とを模式的に示す正面図である。図７Ｂは、図７Ａにおける測定点Ｐの部分を拡大して示す平面図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の制御系（制御部）を示すブロック図である。
【図９】図９は、インプレーンＸ線回折測定を説明するための概念図である。
【図１０】図１０Ａは、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置によるインプレーンＸ線回折測定の実施手順を説明するための、図２に対応する正面図である。図１０Ｂは、同じく側面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置によるインプレーンＸ線回折測定の実施手順を説明するための、図３に対応する模式図である。
【図１２】図１２は、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を説明するための概念図である。
【図１３】図１３は、極点測定を説明するための概念図である。
【図１４】図１４Ａは、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の他の構成例を模式的に示す正面図である。図１４Ｂは、同じく側面図である。
【符号の説明】
【００３２】
Ｓ：試料、Ｐ：測定点、
１０：試料台、１１：試料配置部、
２０：ゴニオメータ、２１：ゴニオメータ本体、２２：第１の旋回アーム、２３：第２の旋回アーム、
３０：位置決め機構、３１：φ回転機構、３２：Ｘ移動機構、３３：Ｙ移動機構、３４：Ｚ移動機構、３５：χ回転機構、３６：χω回転機構、
４０：Ｘ線照射ユニット、４１：Ｘ線管、４２：第１のＸ線光学素子、４３：第２のＸ線光学素子、４４：集光スリット、
５０：Ｘ線検出器、
１００：中央処理装置、１０１：ＸＧコントローラ、１０２：位置決めコントローラ、１０３：ゴニオコントローラ、１０４：計数制御回路、１１０：記憶部、２０１：操作部、２０２：表示部、２０３：通信部
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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線検査装置の基本構成〕
図１Ａ，図１Ｂは、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の全体構造を示す図である。図２Ａ，図２Ｂは、同装置の主要構造を模式的に示す図である。
これらの図に示すように、本発明の実施形態に係るＸ線検査装置は、試料台１０、ゴニオメータ２０、試料配置部位置決め機構（以下、単に「位置決め機構」と称することもある）３０、Ｘ線照射ユニット４０、Ｘ線検出器５０を備えている。【００３４】
試料台１０の上面には試料配置部１１が形成されている。検査対象となる半導体ウエーハ（試料Ｓ）は、この試料配置部１１に配置される。試料台１０は、位置決め機構３０によって駆動される。Ｘ線検査装置にはあらかじめ測定点Ｐが設定してある。そして、位置決め機構３０によって試料台１０を駆動することで、試料配置部１１に配置した試料Ｓの被測定箇所が、当該測定点Ｐに位置決めされる。【００３５】
試料配置部１１には、試料Ｓを固定する機構（図示せず）が装備されている。この試料固定機構により、後述するように試料配置部１１の表面（試料台１０の上面）を鉛直配置したときも、試料配置部１１からの試料Ｓの脱落が防止される。
試料Ｓの固定機構としては、例えば、試料配置部１１の表面に複数の吸引ノズルを開口させ、当該吸引ノズルの中空部内を真空ポンプ等の吸引装置によって真空吸引することで、試料配置部１１の表面に試料Ｓを吸着する構成を採用することができる。勿論、これ以外の公知の試料固定機構を採用してもよい。【００３６】
ゴニオメータ２０は、ゴニオメータ本体２１にθs旋回機構とθd旋回機構とを内蔵している。
θs旋回機構は、あらかじめ設定された測定点Ｐを通り水平方向に延びるθs軸を中心に、第１の旋回アーム（旋回部材）２２を図２Ａの矢印θsの方向へ旋回させる。この第１の旋回アーム２２には、Ｘ線照射ユニット４０が搭載してある。そして、第１の旋回アーム２２の移動により、試料Ｓに対するＸ線照射ユニット４０からのＸ線の入射角が設定される。【００３７】
また、θd旋回機構は、あらかじめ設定された測定点Ｐを通り水平方向に延びるθd軸を中心に、第２の旋回アーム（旋回部材）２３を図２Ａの矢印θdの方向へ旋回させる。この第２の旋回アーム２３には、Ｘ線検出器５０が搭載してある。そして、第１の旋回アーム２２の移動により、Ｘ線検出器５０の走査角が設定される。すなわち、第１の旋回アーム２２の移動により、試料Ｓの表面からブラッグの法則に従ってあらわれる回折Ｘ線を検出する位置へＸ線検出器５０が配置される。
上述したθs軸とθd軸は、同軸上の旋回中心軸となっている。【００３８】
位置決め機構３０は、試料配置部１１を各方向へ移動させるためのφ回転機構３１、Ｘ移動機構３２、Ｙ移動機構３３、Ｚ移動機構３４、χ回転機構３５、χω回転機構３６を含んでいる。
図３は、位置決め機構３０による試料配置部１１の移動方向を模式的に示す図である。同図と図２Ａ，図２Ｂを参照して、位置決め機構３０を説明する。
φ回転機構３１は、試料配置部１１に配置された試料Ｓの表面と直交するφ軸を中心に、試料配置部１１を図の矢印φの方向へ回転させる、
Ｘ移動機構３２は、試料配置部１１及びφ軸を、θs軸及びθd軸と直角に交叉するＸ方向へ直線移動させる。
Ｙ移動機構３３は、試料配置部１１及びφ軸を、Ｘ方向と直角に交叉するＹ方向へ直線移動させる。
Ｚ移動機構３４は、試料配置部１１を、当該試料配置部１１に配置された試料Ｓの表面と直交するＺ方向へ移動させる。
χ回転機構３５は、測定点Ｐでθs軸及びθd軸と直交しかつ水平方向に延びるχ軸を中心に、試料配置部１１及びφ軸を図の矢印χの方向へ回転させる。
χω回転機構３６は、測定点Ｐでχ軸と直交しかつ試料配置部１１に配置された試料の表面と平行に延びるχω軸を中心に、試料配置部１１及びφ軸を図の矢印χωの方向へ回転させる。さらに、このχω回転機構３６は、χ回転機構３５によりχ軸周りに図の矢印χの方向へ回転させられる。【００３９】
さて、Ｘ線検査装置には、あらかじめ試料交換位置（図示せず）が設定してある。試料台１０の上面に形成した試料配置部１１は、この試料交換位置へ搬送される。試料交換位置では、ロボットアーム等の試料交換装置（図示せず）により、検査済みの試料Ｓが試料配置部１１から取り出されるとともに、検査対象となる新たな試料Ｓが試料配置部１１へ配置される。
本実施形態のＸ線検査装置では、Ｙ移動機構３３が、試料配置部１１を試料交換位置へ移動させるための試料交換機構として機能する構成としてある。【００４０】
ここで、χ回転機構３５により試料配置部１１を水平に配置した状態で、当該試料配置部１１を移動させる方向（Ｙ方向）が、θs軸及びθd軸と平行になるように構成してある。そして、当該方向への試料配置部１１の移動経路上に試料交換位置が設定してある。
このように、θs軸及びθd軸と平行な方向へ試料配置部１１を移動させることで、Ｘ線照射ユニット４０を搭載した第１の旋回アーム２２や、Ｘ線検出器５０を搭載した第２の旋回アーム２３と干渉することなく、試料配置部１１を試料交換位置まで移動させることが可能となる。【００４１】
一方、Ｙ移動機構３３が試料交換機構としての機能を備えることで、Ｙ方向への移動距離が長くなり、その結果、Ｙ移動機構３３が大形化することは否めない。そこで、本実施形態のＸ線検査装置では、Ｙ移動機構３３の上にφ回転機構３１を搭載するようにして、φ回転機構３１の駆動に必要となるトルクの軽減を図っている。これにより、φ回転機構３１の小形化と小さな電力での円滑な駆動を実現することができる。【００４２】
本実施形態のＸ線検査装置では、図１Ａ〜図２Ｂに示すように、χ回転機構３５の上にχω回転機構３６、Ｘ移動機構３２、Ｙ移動機構３３、Ｚ移動機構３４、φ回転機構３１及び試料台１０を搭載した構成としてある。具体的には、χ回転機構３５によってχω回転機構３６をχ軸周りに回転させる構成としてある。このχω回転機構３６の上に、Ｘ移動機構３２及びＹ移動機構３３が搭載してある。さらに、Ｙ移動機構３３の上に、Ｚ移動機構３４を搭載してある。さらに、このＺ移動機構３４の上に、φ回転機構３１を搭載してある。さらに、このφ回転機構３１の上に、試料台１０を搭載した構成としてある。【００４３】
Ｘ線照射ユニット４０は、Ｘ線管から発生したＸ線を、特定の波長の特性Ｘ線に単色化するとともに、一箇所に集光させる機能を有している。
Ｘ線照射ユニット４０は、あらかじめ設定してある測定点ＰにＸ線を集光して照射するように、Ｘ線の照射軌道が調整されている。測定点Ｐには、既述したように、試料配置部１１に配置した試料Ｓの被測定箇所が位置決めされる。
なお、Ｘ線照射ユニット４０の詳細構造については後述する。【００４４】
Ｘ線検出器５０には、二次元Ｘ線検出器を採用している。二次元Ｘ線検出器は、二次元で構成された面状のＸ線検出部を有しており、試料Ｓの表面からあらわれた回折Ｘ線を、この面状のＸ線検出部に一括して記録することができる。したがって、比例計数管（ＰＣ）やシンチレーションカウンタ（ＳＣ）等の一次元Ｘ線検出器と比較して、測定に要する時間を短縮できるという特徴を有している。【００４５】
また、近年では、Ｘ線検出部に、１００μｍ以下という非常に小さいピクセルサイズのシリコン半導体素子を多数配列し、これらの半導体素子により高い位置分解能をもって短時間で高精度にＸ線を検出することができる二次元半導体検出器も開発されている。この種の二次元半導体検出器をＸ線検出器５０として採用することで、製造工程におけるインラインでの高効率でかつ高精度なＸ検査を実現することが可能となる。【００４６】
〔Ｘ線照射ユニットの構成例〕
次に、Ｘ線照射ユニットについて、図４Ａ〜図７Ｂを参照して詳細に説明する。
図４Ａ〜図７Ｂに示すＸ線照射ユニット４０は、Ｘ線管４１と、第１のＸ線光学素子４２と、第２のＸ線光学素子４３と、集光スリット４４（スリット部材）とを構成要素として含んでいる。これらの各構成要素は、図示しないユニット本体に内蔵されている。ユニット本体は、第１の旋回アーム２２に搭載することができるコンパクトな寸法形状としてある。
なお、集光スリット４４は、図７Ａにのみ表示してあり、図４Ａ，図４Ｂ及び図５では省略してある。【００４７】
Ｘ線管４１には、例えば、ターゲット上での電子線焦点サイズがφ１００μｍ程度の微小焦点Ｘ線管球を用いることができる。ターゲット材料としては、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などを必要に応じて選択することができる。
特に、ターゲット材料として銅（Ｃｕ）を用いれば、後述する第１，第２のＸ線光学素子４２，４３により、高い角度分解能を有するＣｕ−Ｋα１の特性Ｘ線のみを取り出すことができる。したがって、このＣｕ−Ｋα１の特性Ｘ線を試料に照射することで、良好なスループットでのＸ線薄膜検査が実現可能となる。【００４８】
第１，第２のＸ線光学素子４２，４３は、Ｘ線管４１から放射されたＸ線ａ１を入射し、特定波長の特性Ｘ線のみを取り出すとともに、当該取り出した特性Ｘ線ａ２を試料台１０に配置された試料の表面上に集光させる機能を有している。【００４９】
図４Ａ〜図７Ｂに示すように、第１のＸ線光学素子４２と第２のＸ線光学素子４３は、Ｘ線が入射し且つ特性Ｘ線を反射させる表面（以下、単に「表面」という）４２ａ，４３ａを互いに直交して配置してある。そして、図７Ａに示すように、これら第１のＸ線光学素子４２と第２のＸ線光学素子４３は、特定波長の特性Ｘ線ａ２を試料台１０に配置された試料の表面上で四角形状の微小スポットとなるように集光する。なお、図７Ｂは、試料（半導体ウエーハ）の表面における特性Ｘ線ａ２が集光する位置を模式的に示した拡大平面図である。【００５０】
なお、本実施例では、第１のＸ線光学素子４２と第２のＸ線光学素子４３を、互いに１辺が接するＳｉｄｅ−ｂｙ−Ｓｉｄｅ方式で配置したが、これに限定されず、Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋ−Ｂａｅｚ（ＫＢ）と呼ばれる直列方式で配置することもできる。【００５１】
試料台１０に配置された試料の表面において、第１，第２のＸ線光学素子４２，４３で反射して取り出された特性Ｘ線が集光する位置が測定点Ｐとなる。このように測定点Ｐへ特性Ｘ線を集光させるために、各Ｘ線光学素子４２，４３の表面４２ａ，４３ａは、凹面状に湾曲して形成してある。【００５２】
ここで、第１のＸ線光学素子４２は、Ｘ線の光軸に直交しθs軸と直交する縦方向にＸ線を集光する。
一方、第２のＸ線光学素子４３は、Ｘ線の光軸に直交しθs軸と平行な横方向にＸ線を集光する。【００５３】
さらに、第１のＸ線光学素子４２は、高い結晶性を有する結晶材料で構成してある。換言すると、第１のＸ線光学素子４２は、固有のロッキングカーブ幅（すなわち、平行ビームを反射することができる角度範囲）が極めて小さい結晶材料によって構成してある。このように固有のロッキングカーブ幅が極めて小さい結晶材料としては、格子欠陥や不純物の極めて少ない完全結晶に相当する結晶材料が該当する。【００５４】
本実施形態では、固有のロッキングカーブ幅が０．０６゜以下の結晶材料によって構成してある。かかる結晶材料から取り出された特性Ｘ線ａ２を使用することで、Ｘ線薄膜測定において０．０６゜以下の高い角度分解能を得ることができる。
結晶材料としては、例えば、Ｇｅ（１ １ １）やＳｉ（１ １ １）を使用することができる。Ｇｅ（１ １ １）を用いた場合は、０．０６°以下のロッキングカーブ幅が得られる。また、Ｓｉ（１ １ １）を用いた場合は、０．０２°以下のロッキングカーブ幅が得られる。【００５５】
さらに、第１のＸ線光学素子４２によれば、測定点Ｐにおいて、縦方向へ１００μｍ以内の半値幅にＸ線を集光させることができる。
また、第１のＸ線光学素子４２は、特定波長の特性Ｘ線のみを取り出して単色化する機能を有している。【００５６】
一方、第２のＸ線光学素子４３は、多層膜ミラーによって構成してある。この第２のＸ線光学素子４３は、特定波長の特性Ｘ線のみを取り出して単色化する機能を有している。ここで、第２のＸ線光学素子４３からは、第１のＸ線光学素子４２で取り出される特性Ｘ線と同じ波長の特性Ｘ線が取り出されるように調整されている。
さらに、第２のＸ線光学素子４３によれば、測定点Ｐにおいて、横方向へ１００μｍ以内の半値幅にＸ線を集光させることができる。【００５７】
図６Ａ，図６Ｂに拡大して示すように、Ｘ線管４１から出射して第２のＸ線光学素子４３の表面４３ａに入射したＸ線ｂ１は、このＸ線光学素子４３で単色化されて反射し、横方向に集光するように進んで、次に第１のＸ線光学素子４２の表面４２ａへ入射する。そして、第１のＸ線光学素子４２の表面４２ａに入射したＸ線ｂ２は、このＸ線光学素子４２でも単色化されて反射し、縦方向に集光するように進んで、図４Ａ，図４Ｂに示す測定点Ｐへ照射される。【００５８】
一方、Ｘ線管４１から出射して第１のＸ線光学素子４２の表面４２ａに入射したＸ線ｃ１は、このＸ線光学素子４２で単色化されて反射し、縦方向に集光するように進んで、次に第２のＸ線光学素子４３の表面４３ａへ入射する。そして、第２のＸ線光学素子４３の表面４３ａに入射したＸ線ｃ２は、横方向に集光するように進み、図４Ａ，図４Ｂに示す測定点Ｐへ照射される。【００５９】
このように、Ｘ線管４１から出射してきたＸ線ａ１は、第１のＸ線光学素子４２の表面４２ａと第２のＸ線光学素子４３の表面４３ａとでそれぞれ１回ずつ反射し、その過程で特定波長の特性Ｘ線ａ２のみが取り出され、当該特性Ｘ線ａ２が測定点Ｐへ集光する。【００６０】
なお、上述した特許文献２及び特許文献３には、完全結晶とマルチレイヤ光学部品を組み合わせた構成のＸ線ビーム調整システムが開示されている。しかし、これらの文献には、半導体ウエーハを検査対象の試料とするＸ線検査装置に最適化された構成は開示されていない。【００６１】
集光スリット４４は、第１，第２のＸ線光学素子４２，４３で反射してきた特性Ｘ線ａ２を、上述した縦方向の両側から一部遮蔽するように配置してある。この集光スリット４４は、第１，第２のＸ線光学素子４２，４３で反射してきた集光Ｘ線ａ２の縦方向の集光を制限する機能を有している。【００６２】
上述した構成のＸ線照射ユニット４０を第１の旋回アーム２２に搭載したＸ線検査装置によれば、第１のＸ線光学素子４２、第２のＸ線光学素子４３及び集光スリット４４によってＸ線を微小領域へ集光させることができる。したがって、半導体ウエーハの表面における極めて微小な検査領域にＸ線を照射して薄膜測定を実施することが可能となる。しかも、第１のＸ線光学素子４２は、固有のロッキングカーブ幅が極めて小さい結晶材料によって構成してあるので、かかる結晶材料で取り出された特性Ｘ線ａ２を使用することで、Ｘ線薄膜測定において極めて高い角度分解能を得ることができる。【００６３】
〔Ｘ線検査装置の制御系〕
図８はＸ線検査装置の制御系（制御部）を示すブロック図である。
Ｘ線照射ユニット４０の制御は、ＸＧ（X-ray Generator）コントローラ１０１が実行する。
位置決めコントローラ１０２は、位置決め機構３０を駆動制御する。
ゴニオメータ２０は、ゴニオコントローラ１０３によって駆動制御される。
ＸＧコントローラ１０１、位置決めコントローラ１０２、ゴニオコントローラ１０３の各構成部は、中央処理装置（ＣＰＵ）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１１０に記憶されており、中央処理装置（ＣＰＵ）１００が読み出して上記各構成部に出力する。
Ｘ線検出器５０は、計数制御回路１０４によって制御される。
これらの各構成部及び中央処理装置１００は、コンピュータによって構成され、あらかじめ記憶部１１０にインストールされて制御用プログラムに従ってそれぞれの制御動作を実行する。【００６４】
また、Ｘ線検査装置は、装置の動作に必要な各種設定をオペレータが入力するためのキーボードやマウス等からなる操作部２０１を備えている。さらに、Ｘ線検査装置は、液晶ディスプレイ等で構成された表示部２０２と、ネットワーク経由してのデータ通信を実行する通信部２０３とを備えている。【００６５】
〔インプレーンＸ線回折測定〕
次に、上述した構成のＸ線検査装置が備えるインプレーンＸ線回折測定の機能について説明する。
インプレーンＸ線回折測定は、図９に示すように、薄膜試料Ｓの表面すれすれにＸ線ａを入射し、薄膜試料Ｓにおける表面と直交する結晶格子面で、ブラッグの法則に従って回折してくる回折Ｘ線ｂを測定する手法である。このインプレーンＸ線回折測定により、薄膜試料Ｓの表面と直交する方向の結晶の大きさや配向性に関する情報を得ることができる。【００６６】
図８に示した制御系（制御部）は、位置決め機構３０と、ゴニオメータ２０と、Ｘ線照射ユニット４０とを制御して、インプレーン回折測定を実施する制御機能を含んでいる。
すなわち、図８に示した制御系（制御部）における記憶部１１０には、インプレーンＸ線回折測定を実施するための制御プログラムがあらかじめインストールされている。さらに、記憶部１１０には、インプレーンＸ線回折測定に必要となる設定情報が、レシピとしてあらかじめ記憶されている。中央処理装置（ＣＰＵ）１００は、当該制御プログラムに従い、必要な設定情報を読み出して、制御系の各構成部に出力する。【００６７】
具体的には、図１０Ａ，図１０Ｂ及び図１１に示すように、試料配置部１１に配置された試料Ｓの表面を鉛直配置した状態で、インプレーン回折測定を実施することができる。
すなわち、位置決めコントローラ１０２が、位置決め機構３０を構成するχ回転機構３５を駆動制御して、試料配置部１１に配置された試料Ｓの表面を鉛直配置する。【００６８】
次いで、位置決めコントローラ１０２が、Ｚ移動機構３４を駆動制御して、試料配置部１１に配置された試料Ｓの被検査箇所を測定点Ｐの高さに合わせる。さらに、位置決めコントローラ１０２が、φ回転機構３１、Ｘ移動機構３２及びＹ移動機構３３を駆動制御して、試料Ｓの被検査箇所を測定点Ｐにあらかじめ設定した向きで位置決めする。【００６９】
さらに、位置決めコントローラ１０２が、χω回転機構３６を駆動制御して、Ｘ線照射ユニット４０からの入射Ｘ線ａが試料Ｓの表面に対してすれすれの角度（Δω）で入射するように調整する。このように、試料Ｓの表面に対してＸ線ａの入射方向に微小角度を設定するのは、試料Ｓの表面から吸収の少ない状態でＸ線を結晶格子面に照射させるためである。【００７０】
併せて、ゴニオコントローラ１０３が、ゴニオメータ２０のθs旋回機構を駆動制御して、試料Ｓに対するＸ線照射ユニット４０からのＸ線ａの入射角を設定する。【００７１】
この状態で、ＸＧコントローラ１０１が、Ｘ線照射ユニット４０を制御して、試料Ｓに向けてＸ線ａを照射する。試料Ｓの内部では、試料表面と直交する結晶格子面においてブラッグの法則に従ってＸ線が回折する。そして、試料Ｓの表面から回折Ｘ線ｂがあらわれる。
ゴニオコントローラ１０３は、ゴニオメータ２０のθd旋回機構を駆動制御して、試料Ｓの表面からあらわれた回折Ｘ線ｂを検出する位置へＸ線検出器５０を配置する。Ｘ線検出器５０は、計数制御回路１０４によって制御され、回折Ｘ線ｂを検出する。【００７２】
本実施形態のＸ線検査装置によれば、Ｘ線照射ユニット４０により高い分解能で微小面積に集光するＸ線ａを試料Ｓへ照射できるので、その集光角度範囲のＸ線ａの束を一括して試料Ｓに照射してＸ線回折測定を実施することができる。そして、Ｘ線検出器５０として二次元Ｘ線検出器を採用したことで、集光角度範囲のＸ線ａの束に対応し一定の角度範囲で回折してきた回折Ｘ線ｂの束を一括して検出することができ、測定時間の短縮化を実現することができる。【００７３】
〔インプレーン回折のロッキングカーブ測定〕
次に、上述した構成のＸ線検査装置が備えるインプレーン回折のロッキングカーブ測定の機能について説明する。【００７４】
インプレーン回折は、既述したとおり、図９に示すように、薄膜試料Ｓにおける表面と直交する結晶格子面にＸ線を入射したとき、同格子面においてブラッグの法則に従って生じる回折現象である。
かかるインプレーン回折に着目してロッキングカーブ測定を実施することで、試料Ｓの面内に配向性がある試料において、その配向性を評価することができる。すなわち、図１２に示すように、試料Ｓを面内方向（φ方向）に微小回転させてロッキングカーブ測定を実施することで、その回転方位の結晶方位のばらつきの程度を評価することができる。
具体的には、薄膜試料Ｓにおける表面と直交する結晶格子面に対してθの角度でＸ線を入射させたとき、ブラッグの法則に従って当該格子面からＸ線が回折してくる方向（入射Ｘ線の光軸に対して２θの角度方向）にＸ線検出器５０を固定する。この状態で、試料Ｓを面内方向（φ方向）に微小回転させてロッキングカーブ測定を実施する。【００７５】
図８に示した制御系（制御部）は、位置決め機構３０と、ゴニオメータ２０と、Ｘ線照射ユニット４０とを制御して、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する制御機能を含んでいる。
すなわち、図８に示した制御系（制御部）における記憶部１１０には、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施するための制御プログラムがあらかじめインストールされており、かつ同測定に必要となる設定情報がレシピとしてあらかじめ記憶されている。中央処理装置（ＣＰＵ）１００は、当該制御プログラムに従い、必要な設定情報を読み出して、制御系の各構成部に出力する。【００７６】
具体的には、図１０Ａ，図１０Ｂ及び図１１に示すように、試料配置部１１に配置された試料の表面を鉛直配置した状態で、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施することができる。
すなわち、位置決めコントローラ１０２が、位置決め機構３０を構成するχ回転機構３５を駆動制御して、試料配置部１１に配置された試料の表面を鉛直配置する。【００７７】
次いで、位置決めコントローラ１０２が、Ｚ移動機構３４を駆動制御して、試料配置部１１に配置された試料Ｓの被検査箇所を測定点Ｐの高さに合わせる。さらに、位置決めコントローラ１０２が、φ回転機構３１、Ｘ移動機構３２及びＹ移動機構３３を駆動制御して、試料Ｓの被検査箇所を測定点Ｐにあらかじめ設定した向きで位置決めする。【００７８】
さらに、位置決めコントローラ１０２が、χω回転機構３６を駆動制御して、Ｘ線照射ユニット４０からの入射Ｘ線が試料Ｓの表面に対してすれすれの角度（Δω）で入射するように調整する。
併せて、ゴニオコントローラ１０３が、ゴニオメータ２０のθs旋回機構を駆動制御して、試料Ｓに対するＸ線照射ユニット４０からのＸ線ａの入射角を設定する。それとともに、ゴニオコントローラ１０３が、ゴニオメータ２０のθd旋回機構を駆動制御して、試料Ｓからブラッグの法則に従ってあらわれる回折Ｘ線を検出する位置へ、Ｘ線検出器５０を配置する。【００７９】
この状態で、ＸＧコントローラ１０１が、Ｘ線照射ユニット４０を制御して、試料Ｓに向けてＸ線ａを照射する。そして、計数制御回路１０４がＸ線検出器５０を制御して、試料Ｓの表面からあらわれた回折Ｘ線ｂをＸ線検出器５０によって検出する。【００８０】
さらに、ゴニオコントローラ１０３が、ゴニオメータ２０のθs旋回機構を駆動制御して、試料Ｓに対するＸ線の入射角を変化させる。この入射角の変更動作は、図１２において試料Ｓを面内方向（φ方向）に微小回転させる動作に相当する。この動作をもって、インプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する。【００８１】
また、図１２において試料Ｓを面内方向（φ方向）に微小回転させる動作は、位置決めコントローラ１０２によって、図１０Ａ，図１０Ｂ及び図１１に示したφ回転機構３１を駆動制御するとともに、その駆動にＸ移動機構３２及びＹ移動機構３３を連動させるように制御することで、実現することもできる。【００８２】
上述した構成の本実施形態に係るＸ線検査装置は、試料台１０の直下にφ回転機構３１を設置してあるので（図２Ａ，図２Ｂ参照）、Ｘ移動機構３２とＹ移動機構３３を駆動制御して試料Ｓの被測定箇所を測定点Ｐに位置決めしたとき、試料Ｓとともにφ回転機構３１がＸＹ方向に移動して、φ軸が測定点Ｐから偏心してしまうことがある。そのため、測定点Ｐから偏心したφ軸を中心に微小回転させたときの測定点Ｐにおける回転角を、当該偏心の無い状態での回転角に修正する必要がある。
そこで、φ回転機構３１とともにＸ移動機構３２及びＹ移動機構３３を連動して駆動制御することで、φ方向への回転動作を修正している。【００８３】
また、本実施形態のＸ線検査装置によれば、Ｘ線照射ユニット４０により高い分解能で微小面積に集光するＸ線ａを試料Ｓへ照射できるので、その集光角度範囲のＸ線ａの束を一括して試料Ｓに照射してＸ線回折測定を実施することができる。そして、Ｘ線検出器５０として二次元Ｘ線検出器を採用したことで、集光角度範囲のＸ線ａの束に対応し一定の角度範囲で回折してきた回折Ｘ線ｂの束を一括して検出することができる。したがって、図１２に示したように、試料Ｓを面内方向（φ方向）に微小回転させることなく、短時間でインプレーン回折のロッキングカーブ測定方法を実施することも可能となる。【００８４】
一般に、基板結晶に薄膜結晶をエピタキシャル成長させた試料Ｓを対象としてのロッキングカーブ測定方法では、試料表面に対するＸ線の入射角度θを２゜以上の範囲で変化させている。したがって、Ｘ線照射ユニット４０から試料表面に照射するＸ線は、集光スリット４４により２゜以上の集光角度に設定し、当該２゜以上の角度範囲のＸ線を試料の表面に照射することが好ましい。
なお、前述したように、試料Ｓを面内方向（φ方向）に微小回転させてインプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施する場合は、スリット等を設けて、試料Ｓに照射するＸ線の絞り込むようにすればよい。【００８５】
〔インプレーン回折のロッキングカーブ測定の具体的実施例〕
本発明に係るＸ線検査装置は、例えば、基板上に形成されたＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）エピタキシャル薄膜等に対し、インプレーン回折を用いたロッキングカーブ測定を実施することが可能である。【００８６】
例えば、本発明に係るＸ線検査装置によれば、シリコン基板上に形成した、ＳｉＯ２薄膜上のＳｉＧｅ薄膜（ＳＧＯＩ: SiGe on Insulator）を測定対象として、次のようにしてインプレーン回折のロッキングカーブ測定を実施することができる。【００８７】
例えば、ＳＧＯＩは、Ｓｉ（１ ０ ０）面が基板表面に平行なシリコン基板上にＳｉＧｅ薄膜を結晶成長させ、次に酸素イオンを照射し、これを適切な条件で高温処理することにより、シリコン基板とＳｉＧｅ膜の間にＳｉＯ２膜を形成させることにより作製される。      【００８８】
このように作製されたＳＧＯＩのＳｉＧｅは、ＳｉＯ２膜の存在により横方向の格子定数がＳｉより緩和している。一方で、ＳｉＯ２膜の形成条件が適正でないと、転位が発生する恐れがある。すなわち、ＳＧＯＩの結晶品質を評価・管理するためには、ＳｉＧｅの横方向の格子定数を高精度に測定することが極めて重要である。【００８９】
つまり、基板表面に垂直な格子面に対してのＸ線回折を評価できること、すなわちインプレーン回折測定ができることが極めて大きい意義を持つことが分かる。【００９０】
さらに、ＳｉＧｅ薄膜の膜厚は数十nm程度と非常に薄いため、高入射角ではＸ線が透過してしまい十分な回折線が得られない。
これに対して、インプレーン回折であればＸ線を基板表面に対してすれすれに入射するので、十分な回折線を検出できデータの精度を確保できるというメリットがある。【００９１】
基板表面に垂直なＳｉＧｅ格子面の一例として、ＳｉＧｅ（４ ０ ０）についてロッキングカーブ測定を実施するには、次のような手順で行えばよい。
試料台１０の上にＳＧＯＩが形成された基板（試料Ｓ）を配置して固定し、χ回転機構３５を駆動して基板を水平面に対しておおよそ垂直に位置させる。Ｘ線入射方向と完全に平行にするとＸ線が入射できないので、χ回転機構３５又はχω回転機構３６を駆動調整して、Ｘ線が基板に対してすれすれに入射できるよう基板を配置する。【００９２】
次に、Ｘ移動機構３２とＹ移動機構３３を駆動して測定ポイントを決めた後、φ回転機構３１又はゴニオメータ２０を駆動調整して、Ｓｉ結晶格子面（４ ０ ０）において、Ｘ線がブラッグ反射する角度に基板及びＸ線照射ユニット４０を設定する。【００９３】
このように設定することで、Ｓｉ基板結晶の（４ ０ ０）面から反射してくる回折Ｘ線と、そこからわずかにずれた方向にＳｉＧｅ（４ ０ ０）面から反射してきた回折Ｘ線のピーク強度が検出される。Ｘ線検出器５０は、Ｓｉ基板結晶からの回折Ｘ線とＳｉＧｅからの回折Ｘ線が一括して検出できるよう配置する。【００９４】
Ｘ線照射ユニット４０は、高い分解能で微小面積に集光する単色Ｘ線を表面に照射できるので、当該集光角度範囲のＸ線の束を一括して基板に照射することができる。したがって、Ｘ線照射ユニット４０、Ｘ線検出器５０、基板などを走査することなく、極めて短時間にロッキングカーブ測定を行うことができる。【００９５】
もちろん、Ｘ線源からのＸ線に対し、ビームスリット等で発散角を絞るとともに、Ｘ線源が搭載されたゴニオメータを走査することによってもロッキングカーブの測定は可能である。【００９６】
一方、上述したように本実施形態に係るＸ線検査装置では、Ｘ線検出器５０に二次元検出器を用いているので、Ｘ線源に合わせてＸ線検出器５０を走査することは必須ではない。また、試料の測定点を回転中心としてφ回転機構３１、Ｘ移動機構３２及びＹ移動機構３３を駆動調整して走査することによってもロッキングカーブ測定は可能である。【００９７】
本発明のＸ線検査装置によれば、以上のようにして、ＳｉＧｅエピタキシャル薄膜等に対し、インプレーン回折でのロッキングカーブ測定を高精度かつ高速に行うことができ、当該薄膜の結晶品質の分析・管理に極めて重要な役割を果たすことが可能である。【００９８】
〔極点測定〕
次に、上述した構成のＸ線検査装置が備える極点測定の機能について説明する。
極点測定では、図１３に示すように、試料Ｓのある結晶格子面に着目し、試料Ｓのあおり角αと面内回転角βの２つのパラメータを変化させ、試料Ｓに対してさまざまな方向からＸ線を入射させて、結晶格子面から回折してきた回折Ｘ線を測定する。そして、どのα，βの位置で回折線が観測されるかを、α，βをパラメータとする極点図に回折Ｘ線の強度分布を描いて分析する測定手法が、極点測定である。
この極点測定により、薄膜材料、特に多結晶薄膜の結晶方位やその配向性などを評価することができる。【００９９】
図８に示した制御系（制御部）は、位置決め機構３０と、ゴニオメータ２０と、Ｘ線照射ユニット４０とを制御して、極点測定を実施する制御機能を含んでいる。
すなわち、図８に示した制御系（制御部）における記憶部１１０には、極点測定を実施するための制御プログラムがあらかじめインストールされている。さらに、記憶部１１０には、極点測定に必要となる設定情報がレシピとしてあらかじめ記憶されている。中央処理装置（ＣＰＵ）１００は、当該制御プログラムに従い、必要な設定情報を読み出して、制御系の各構成部に出力する。【０１００】
具体的には、位置決めコントローラ１０２が、位置決め機構３０を構成するχ回転機構３５を駆動制御して、試料配置部１１に配置された試料Ｓの表面を、χ軸を中心に回転させることにより、極点測定のあおり角αを０°から９０°までの範囲内で変化させる。
また、位置決めコントローラ１０２が、位置決め機構３０を構成するφ回転機構３１を駆動制御して、試料配置部１１に配置された試料Ｓの表面を、φ軸を中心に回転させることにより、極点測定の面内回転角βを変化させる。
このようにして、一定位置に固定したＸ線照射ユニット４０をＸＧコントローラ１０１が制御して、試料Ｓに向けてＸ線ａを照射する。そして、試料から回折してきた回折Ｘ線を一定の位置でＸ線検出器５０が検出するように、計数制御回路１０４がＸ線検出器５０を制御する。【０１０１】
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、その他にも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、上述した実施形態のＸ線検査装置は、半導体製造ラインを流れる半導体ウエーハを検査対象としていたが、これに限らず、例えば、半導体製造ラインの後工程において半導体素子の微小部位を被測定部位としたＸ線検査にも適用することが可能である。【０１０２】
また、上述した実施形態では、インプレーンＸ線回折測定、インプレーン回折のロッキングカーブ測定及び極点測定の機能について説明したが、本発明のＸ線検査装置は、これらの測定のみならず、通常のＸ線回折測定やロッキングカーブ測定、Ｘ線反射率測定、逆格子マップ測定など実施できることは勿論である。【０１０３】
また、図２Ａ，図２Ｂに示したＸ線検査装置では、Ｘ移動機構３２を、Ｙ移動機構３３とχω回転機構３６の間に設けた構成としたが、図１４Ａ，図１４Ｂに示すように、Ｘ移動機構３２をχ回転機構３５の下に設け、試料台１０、φ回転機構３１、Ｚ移動機構３４及びＹ移動機構３３、のみならず、χω回転機構３６及びχ回転機構３５もＸ方向へ直線移動させる構成とすることもできる。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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