(57)【要約】【課題】  入射ビームのビーム厚みによる回折Ｘ線像のぼけを低減し、かつ、ダイナミックレンジの大きな画像を再生することにより、明度差のある鮮明なポトグラフ画像を得ること。【解決手段】  ビーム厚みが経時的に変化した入射Ｘ線ビーム２を測定試料３に入射して回折させ、該回折した回折Ｘ線ビーム４を２次元の回折画像として画素単位で経時的に連続して画像検出部１５０にて検出し、演算処理部２００において、該検出された２次元の回折画像の画素毎に、入射Ｘ線ビーム２の経時的なビーム厚みの変化量Δξに対する回折Ｘ線ビーム４のＸ線強度の明度変化率ΔＭ／Δξを算出し、該２次元の回折画像の算出値である明度変化率ΔＭ／Δξを画素毎に積算し、該積算した積算値マトリックスＩｍをポトグラフ画像として生成する。【選択図】  図１
2006058241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線トポグラフィー測定装置であって、
入射Ｘ線ビームのビーム厚みを経時的に変化させるビーム可変手段と、
前記ビーム厚みが経時的に変化した入射Ｘ線ビームを測定試料に入射して回折させることにより、該回折した回折Ｘ線ビームを２次元の回折画像として画素単位で経時的に連続して検出する画像検出手段と、
前記検出された２次元の回折画像の画素毎に、前記入射Ｘ線ビームの経時的なビーム厚みの変化に対する前記回折Ｘ線ビームのＸ線強度の変化率を算出し、該算出された２次元の回折画像の算出値を画素毎に積算することにより、該積算された積算値をポトグラフ画像として生成する画像処理手段と
を具えたことを特徴とするＸ線トポグラフィー測定装置。
【請求項２】
ビーム可変手段は、
前記入射Ｘ線ビームに対してブラッグ回折条件を満たすシリコン単結晶の部材からなることを特徴とする請求項１記載のＸ線トポグラフィー測定装置。
【請求項３】
Ｘ線トポグラフィー測定方法であって、
入射Ｘ線ビームのビーム厚みを経時的に変化させるビーム可変工程と、
前記ビーム厚みが経時的に変化した入射Ｘ線ビームを測定試料に入射して回折させることにより、該回折した回折Ｘ線ビームを２次元の回折画像として画素単位で経時的に連続して検出する画像検出工程と、
前記検出された２次元の回折画像の画素毎に、前記入射Ｘ線ビームの経時的なビーム厚みの変化に対する前記回折Ｘ線ビームのＸ線強度の変化率を算出し、該算出された２次元の回折画像の算出値を画素毎に積算することにより、該積算された積算値をポトグラフ画像として生成する画像処理工程と
を具えたことを特徴とするＸ線トポグラフィー測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線トポグラフィー装置、および、Ｘ線トポグラフィー測定方法に関し、より詳細には、より明度差のある鮮明なセクショントポグラフィー画像（以下、トポグラフ画像という）を得るための装置、および、測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の半導体素子はますます微細化の傾向にあり、それに伴って微細加工により発生する局所歪が素子の性能を大きく左右するようになってきた。Ｘ線トポグラフィーは、このような歪を評価するために、広く用いられている測定方法である。Ｘ線による方法は、Ｘ線の透過力が大きいため、数百ミクロンの深部の歪評価が可能であること、および感度が高く１０−７といった微小歪までも検出できるといった点でラマン分光等の他の手法より優れている。
【０００３】
Ｘ線トポグラフィーの中でも、セクショントポグラフィーは試料断面の歪分布を測定できる手法として広く用いられている。その例としては、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
図５は、従来のセクショントポグラフィー装置を示す。
図中、３０１は測定試料、３０２はトポグラフ画像を記録するための写真フィルム、原子核乾板、イメージングプレート、あるいは２次元ＣＣＤ素子等のイメージ記録デバイス、３０３は入射Ｘ線ビーム３０４をＸ線ビーム３０５に整形するためのスリットである。
【０００５】
Ｘ線ビーム３０５は、試料３０１を透過し、試料３０１の結晶格子面の一つに対して入射Ｘ線がブラッグ回折条件を満たすように、試料の角度（Ｘ線入射角度）を調節する。
【０００６】
これにより、Ｘ線ビーム３０５の各部から発せられる回折Ｘ線３０６の像がイメージ記録デバイス３０２に記録され、試料断面の回折Ｘ線像が記録される。歪により格子面間隔、あるいは格子面の傾きが変化すると、ブラッグ回折条件を満たす試料の回転角が変化する。従って、試料３０１の微小回転により、各ポイントにおいて試料回転角と回折Ｘ線強度を求めることによって、断面内での歪の分布を求めることができる。
【０００７】
図６は、試料３０１への入射Ｘ線ビーム３０４のビーム厚みの影響を説明するための図である。
【０００８】
入射Ｘ線ビーム３０４に厚みがあると、図６の点Ｐから点Ｑの範囲で回折されたＸ線が記録面の１点Ｒに記録されることになり、鮮明な断面像が得られなくなる。従って、セクショントポグラフィーでは、入射Ｘ線ビーム３０５を薄いシート形状断面に整形する必要がある。ビーム厚みは、１０μｍ程度が一般的である。シート状Ｘ線ビームを得るためには、上記の図５に示すようなスリット３０３を用いるのが一般的である。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−１２４９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のＸ線セクショントポグラフィーの課題の第１の理由は、シート状入射ビームの形成に関するものである。
【００１１】
図６で説明したとおり、Ｘ線セクショントポグラフィーで鮮明な画像を得るためには、入射Ｘ線ビーム３０４を薄いシート状に整形する必要がある。
【００１２】
しかし、一般に入射Ｘ線ビームのビーム厚みは、１０μｍ程度が限界である。その理由の１つは、機械加工により１０μｍ以下のスリットを製作するのが困難なためである。
【００１３】
Ｘ線は、物質に対する透過率が高く、例えばセクショントポグラフィーでよく用いられるＥ＝１７．５ｋｅＶ付近のＸ線エネルギー領域において、ビーム厚み１００μｍの鋼板のＸ線透過率は約１％である。
【００１４】
従って、このエネルギー領域の鋼製スリットの板厚は、１００μｍ以上でなければならない。これにより、１０μｍ以下のスリットでは、アスペクト比（厚みと開口幅の比）が１０以上となり、均等な隙間を有するスリットを製作するのが困難になる。
【００１５】
次に、第２の理由は、光の性質そのものにある。
スリットを通過した光の発散角θは、
θ＝λ／Ｄ            …（１）
で表される。
【００１６】
ここで、λは光の波長、Ｄはスリットの開口幅である。Ｅ＝１７．５ｋｅＶにおいて、λ＝０．０７１ｎｍであるから、Ｄ＝１０μｍではθ＝７．１×１０−６ｒａｄである。従って、スリットから試料までの距離を１００ｍｍとすると、試料位置でのビーム幅は１０μｍ＋（１０００００μｍ×７．１×１０−６）＝１０．７１μｍとなり、スリットの幅がほぼ保存されたビームが試料に入射する。
【００１７】
ところが、Ｄ＝１μｍにしようとすると、θ＝７．１×１０−５ｒｅｄとなり、試料位置でのビーム幅は１μｍ＋（１０００００μｍ×７．１×１０−５）＝８．１μｍとなって、仮に１μｍ幅のスリットが製作されたとしてもその意味がなくなる。
【００１８】
また、検出できる歪みはθにほぼ等しいため、幅１μｍのスリットを用いた場合の歪み検出感度は約１０−４である。
【００１９】
最近の半導体材料の評価では、１０−６以下の歪みの測定が必要となっているため、幅１μｍのスリットによる測定では、検出感度に対する要求を満たすことも難しい。
【００２０】
次に、従来のＸ線トポグラフィーの他の課題として、２次元画像記録デバイスのダイナミックレンジに関する問題である。
【００２１】
最近のＸ線トポグラフィーでは、ＣＣＤアレイ等の２次元記録デバイスが積極的に用いられるようになった。これらの素子では画像の各点の強度をデジタル信号に変換するため、そのビット数で明るさの階調が決定される。
【００２２】
例えば、通常用いられる１０ビットのＣＣＤ素子では階調は１０２４である。これは測定できる画像強度のダイナミックレンジが３桁であることを意味している。
【００２３】
さらに、ノイズにより低強度部分が識別できなくなるケースでは、実質上のダイナミックレンジは２桁程度しか保証されない場合も生じる。イメージングプレート等の記録媒体が６桁のダイナミックレンジを有することを考えると、２次元デバイスのダイナミックレンジは極めて不十分なものと言わざるを得ない。
【００２４】
そこで、本発明の目的は、入射ビームのビーム厚みによる回折Ｘ線像のぼけを低減し、かつダイナミックレンジの大きな画像を再生することにより、明度差のある鮮明なトポグラフ画像を得ることが可能な、Ｘ線トポグラフィー測定装置、および、その測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、Ｘ線トポグラフィー測定装置であって、入射Ｘ線ビームのビーム厚みを経時的に変化させるビーム可変手段と、前記ビーム厚みが経時的に変化した入射Ｘ線ビームを測定試料に入射して回折させることにより、該回折した回折Ｘ線ビームを２次元の回折画像として画素単位で経時的に連続して検出する画像検出手段と、前記検出された２次元の回折画像の画素毎に、前記入射Ｘ線ビームの経時的なビーム厚みの変化に対する前記回折Ｘ線ビームのＸ線強度の変化率を算出し、該算出された２次元の回折画像の算出値を画素毎に積算することにより、該積算された積算値をポトグラフ画像として生成する画像処理手段とを具えることによって、Ｘ線トポグラフィー測定装置を構成する。
【００２６】
ここで、ビーム可変手段は、前記入射Ｘ線ビームに対してブラッグ回折条件を満たすシリコン単結晶の部材により構成してもよい。
【００２７】
本発明は、Ｘ線トポグラフィー測定方法であって、入射Ｘ線ビームのビーム厚みを経時的に変化させるビーム可変工程と、前記ビーム厚みが経時的に変化した入射Ｘ線ビームを測定試料に入射して回折させることにより、該回折した回折Ｘ線ビームを２次元の回折画像として画素単位で経時的に連続して検出する画像検出工程と、前記検出された２次元の回折画像の画素毎に、前記入射Ｘ線ビームの経時的なビーム厚みの変化に対する前記回折Ｘ線ビームのＸ線強度の変化率を算出し、該算出された２次元の回折画像の算出値を画素毎に積算することにより、該積算された積算値をポトグラフ画像として生成する画像処理工程とを具えることによって、Ｘ線トポグラフィー測定方法を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ビーム厚みが経時的に変化した入射Ｘ線ビームを測定試料に入射して回折させ、該回折した回折Ｘ線ビームを２次元の回折画像として画素単位で経時的に連続して検出し、該検出された２次元の回折画像の画素毎に、入射Ｘ線ビームの経時的なビーム厚みの変化量Δξに対する回折Ｘ線ビームのＸ線強度の明度変化率ΔＭ／Δξを算出し、該２次元の回折画像の算出値である明度変化率ΔＭ／Δξを画素毎に積算し、該積算した積算値マトリックスＩｍをトポグラフ画像として生成するようにしたので、従来よりもはるかに鮮明なトポグラフ画像を得ることができる。
【００２９】
また、本発明によれば、画像デバイスのダイナミックレンジの制約を超えた明度差のある画像を再生することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
［第１の例］
本発明の第１の実施の形態を、図１〜図３に基づいて説明する。
【００３１】
図１は、Ｘ線トポグラフィー測定装置の構成例を示す。
本装置は、入射Ｘ線ビーム１のビーム厚みを経時的に変化させるビーム可変部１００と、そのビーム厚みが加工整形されたシート状Ｘ線ビーム２を測定試料３に入射して回折した回折Ｘ線ビーム４を検出する画像検出部１５０と、その検出された画像データを画像処理してポトグラフ画像として生成する画像処理部２００とに大別される。
【００３２】
ビーム可変部１００は、スリット１０１と、ブレード１０２と、パルスモータ１０３と、スリット１０１の開口幅を操作するための制御装置１０４とからなる。制御装置１０４によりパルスモータ１０３を駆動してブレード１０２を操作することにより、スリット１０１の開口幅を変化させる構造となっている。
【００３３】
画像検出部１５０は、例えば、ピクセル数１０２４×１０２４の２次元ＣＣＤアレイからなる。
【００３４】
画像処理部２００は、演算装置２０１と、画像モニタ２０２とからなる。
演算装置２０１は、検出された２次元の回折画像の画素毎に、入射Ｘ線ビーム２の経時的なビーム厚みの変化に対する回折Ｘ線ビーム４のＸ線強度の変化率を算出する処理と、この算出された２次元の回折画像の算出値を画素単位で連続的に積算する処理とを実行する。
【００３５】
画像モニタ２０２は、その画素毎に積算された積算値を、トポグラフ画像として画面上に表示する。
【００３６】
（装置動作）
以下、本装置の動作について説明する。
本例は、放射光Ｘ線を利用するもので、図示しない放射光施設において発生したＸ線を単色化して入射Ｘ線ビーム１として用いる。入射Ｘ線ビーム１のフォトンエネルギーは、Ｅ＝１９ｋｅＶである。
【００３７】
このようにして発生した入射Ｘ線ビーム１は、スリット１０１においてシート状Ｘ線ビーム２に加工整形される。
【００３８】
図２は、スリット１０１におけるブレード１０２の形状を示す。
図２は、ブレード１０２の正面図を示す。今、入射Ｘ線ビーム１の発生時点でのビーム形状として、Ｙ方向のビーム厚みをＡとし、Ｘ方向のビーム幅をＢとする。そして、パルスモータ１０３によりブレード１０２をＹ方向すなわちビーム厚み方向に操作移動させることにより、スリット１０１のＹ方向の開口幅Ｃが調整される。従って、入射Ｘ線ビーム１がその開口幅Ｃのスリット１０１を通過することによって、ビーム厚みがＡの入射Ｘ線ビーム１からビーム厚みがＣ（開口幅）へ変更されたシート状Ｘ線ビーム２が加工整形して得られることになる。
【００３９】
本例では、シート状Ｘ線ビーム２のビーム厚みは、Ｃ＝９μｍから１０μｍの範囲で変化する。すなわち、ビーム厚みの変化量Δξ＝１．０μｍである。
【００４０】
スリット１０１を通過してビーム厚みが加工整形されたシート状Ｘ線ビーム２は、試料３に入射することにより、回折Ｘ線像を得る。
【００４１】
ここでの試料３としては、Ｓｉ（１００）ウエハを用いる。この試料３での回折条件は、Ｓｉ（４４０）ラウエケース反射である。
【００４２】
そして、このようにして得られた回折Ｘ線ビーム４の回折Ｘ線像は、２次元ＣＣＤアレイからなる画像検出部１５０に画像データとして検出された後、演算装置２０１に送られる。この演算装置２０１では、ビーム厚みの変化量Δξに対する明度変化率ΔＭ／Δξを求め、明度変化率ΔＭ／Δξを画素単位で積算した積算値、すなわち、画像データの差分画像強度の積算値マトリックスＩｍ
Ｉｍ＝Σ（ΔＭ／Δξ）      …（１）
を計算し、トポグラフ画像として出力する。この出力画像は、画像モニタ２０２にて表示される。
【００４３】
なお、Ｘ線は、物質に対する透過力が大きいため、スリット１０１のブレード１０２は、Ｘ線を遮断し得る十分な厚みが要求される。
【００４４】
例えば、銅製のブレード１０２を用いる場合、Ｅ＝１９ｋｅＶにおいてＸ線の強度を１／１００に減衰させるためには、ブレード１０２の厚みを１３０μｍ以上にする必要がある。
【００４５】
ブレード１０２の端部は、ビーム幅に対して十分に平滑でかつビームに対して平行であることが要求されるため、厚いブレードでこの条件を満たすためには高度な工作技術が要求される。
【００４６】
（演算処理）
ここで、演算装置２０１での積算値マトリックスＩｍの演算処理について説明する。
本例では、入射Ｘ線ビーム２のビーム厚みを少なくとも２段階に変化させる。
【００４７】
今、画像検出部１５０で検出される回折Ｘ線像の明度データを、明度データマトリックスＭとして表すものとする。ビーム厚みの変化量Δξに対する明度変化率ΔＭ／Δξは、入射Ｘ線ビーム２のビーム厚みの変化量Δξに相当する部分の回折Ｘ線像の明度に比例する。
【００４８】
そして、ΔＭ／Δξを一定時間積算することにより、ビーム厚みの変化量Δξをもつ入射Ｘ線ビーム２を用いるのと同等の鮮明なＸ線トポグラフ画像を得ることができる。
【００４９】
なお、実際の入射Ｘ線ビーム２のビーム厚みは十分大きく設定することができるため、発散角の増大による歪み検出感度の低下を招くことがない。
【００５０】
また、実際に画像検出部１５０が受信するのは、入射Ｘ線ビーム２のビーム厚みによってボケを生じた回折Ｘ線像であるため、明度差の小さいものである。
【００５１】
従って、画像検出部１５０のダイナミックレンジは、この明度差の小さい元画像を再現できるものであればよい。すなわち、本例では、画像検出部１５０のダイナミックレンジを越えるトポグラフ画像を再生することが可能である。
【００５２】
（具体例）
ここで、演算処理の具体例について説明する。
本例における画像検出部１５０は、ピクセル数１０２４×１０２４の２次元ＣＣＤアレイである。従って、明度データマトリックスＭおよび積算値マトリックスＩｍは、２次元ＣＣＤアレイ１５０のピクセル数に対応した１０２４次元正方行列である。
【００５３】
図３は、演算処理を示すフローチャートである。
【００５４】
画像データである差分画像を得るための演算は、以下の手順で行う。
積算処理のための初期設定を行った後、まず、ステップＳ１では、ビーム厚みＡ＝９μｍに固定した状態で、例えば、１秒間だけ画像データ(すなわち、回折Ｘ線ビーム４の回折Ｘ線像)を取り込み、２次元ＣＣＤアレイ１５０の各ピクセル単位において平均化処理を施して、明度データマトリックスＭ１を得る。
【００５５】
ステップＳ２では、ビーム厚みＡ＝１０μｍに変更し、同様にして１秒間だけ画像データを取り込み、各ピクセル単位において平均化処理を施して、明度データマトリックスＭ２を得る。
【００５６】
ステップＳ３では、Ｄ１＝（Ｍ２−Ｍ１）／Δξ１を算出する。この場合、Δξ１＝１である。
【００５７】
ステップＳ４では、再度、ビーム厚みＡ＝９μｍに変更し、同様にして１秒間だけ画像データを取り込み、各ピクセル単位において平均化処理を施して、明度データマトリックスＭ３を測定する。
【００５８】
ステップＳ５では、Ｄ２＝（Ｍ３−Ｍ２）／Δξ２を算出する。この場合は、Δξ２＝−１である。
【００５９】
ステップＳ６では、以上のビーム厚みの操作と、明度データマトリックスの演算とをｎ回繰り返すことによって、Ｄ１，Ｄ２，…，Ｄｎを求める。
【００６０】
ステップＳ７では、Ｄ１，Ｄ２，…，Ｄｎを得た後、積算マトリックスＩｍ、
【００６１】
【数１】
2006058241.tif 000003
【００６２】
を計算する。
【００６３】
上述したように、ビーム厚みが経時的に変化した入射Ｘ線ビーム２を測定試料３に入射して回折させ、該回折した回折Ｘ線ビーム４を２次元の回折画像として画素単位で経時的に連続して画像検出部１５０にて検出し、演算処理部２００において、該検出された２次元の回折画像の画素毎に、入射Ｘ線ビーム２の経時的なビーム厚みの変化量Δξに対する回折Ｘ線ビーム４のＸ線強度の明度変化率ΔＭ／Δξを算出し、該２次元の回折画像の算出値である明度変化率ΔＭ／Δξを画素毎に積算し、該積算した積算値マトリックスＩｍをトポグラフ画像として生成することにより、従来よりもはるかに鮮明なトポグラフ画像を得ることができる。
【００６４】
［第２の例］
本発明の第２の実施の形態を図４に基づいて説明する。
【００６５】
図４は、Ｘ線トポグラフィー測定装置の構成例を示す。
例えば、ブレード１０２の端面の凹凸は、変化量Δξに比べて十分小さい必要がある。従って、第１の例のごとく、Δξ＝１μｍとするためには、ブレード１０２の端面の凹凸は、少なくとも０．１μｍ以下でなければならない。
【００６６】
また、通常の機械加工で可能な粗さは、この０．１μｍ程度であることから、第１の例ではΔξ＝１μｍが限界となる。
【００６７】
しかし、より鮮明なトポグラフ画像を得るためには、変化量Δξをできる限り小さくする必要がある。
【００６８】
そこで、本例では、加工整形された入射Ｘ線ビーム２のビーム厚みをさらに変化させるために、ビーム可変手段としてシリコン（Ｓｉ）単結晶１２０を用いる。
【００６９】
Ｓｉ単結晶１２０のような完全性の高い結晶では、表面でのＸ線回折によって１００％に近い反射率を得ることができる。また、単結晶は、へき開により原子レベルで平坦な断面が得られる。
【００７０】
そこで、入射Ｘ線ビーム２の片方からＳｉ単結晶１２０を挿入して入射Ｘ線ビーム１に対してブラッグ回折条件を満たすように配置させ、このＳｉ単結晶１２０の位置をパルスモータ１０３で制御することにより、シート状Ｘ線ビーム２のビーム厚みを変化させる。
【００７１】
本例では、シート状Ｘ線ビーム２のビーム厚みを、９．８μｍから１０μｍの範囲で変化させる。すなわち、変化量Δξ＝０．２μｍである。
【００７２】
そして、図３のフローチャートで説明したような演算処理を行い、（２）式の積算マトリックスＩｍを求めることによって、第１の例よりも一段と明度差のある鮮明なトポグラフ画像を得ることができる。
【００７３】
上述したように、ビーム可変手段として、入射Ｘ線ビームのビーム厚みに対してブラッグ回折条件を満たすシリコン単結晶の部材を用いたことにより、画像デバイスのダイナミックレンジの制約を超えた明度差のある画像を再生することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施の形態である、Ｘ線トポグラフィー測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】スリットにおけるブレードの形状を示す説明図である。
【図３】演算処理を示すフローチャートである
【図４】本発明の第２の実施の形態である、Ｘ線トポグラフィー測定装置の構成を示すブロック図である。
【図５】従来のトポグラフィー装置の構成を示すブロック図である。
【図６】セクショントポグラフィーにおける入射Ｘ線の厚みの影響を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１    入射Ｘ線ビーム
２    シート状Ｘ線ビーム
３    測定試料
４    回折Ｘ線ビーム
１００    ビーム可変部
１０１    スリット
１０２    ブレード
１０３    パルスモータ
１０４    制御装置
１１０    ブレード
１２０    ビーム可変手段（シリコン単結晶）
１５０    画像検出部
２００    画像処理部
２０１    演算装置
２０２    画像モニタ
３０１    測定試料
３０２    イメージ記録デバイス
３０３    スリット
３０４    入射Ｘ線ビーム
３０５    Ｘ線ビーム
３０５    スリット
３０６    回折Ｘ線
【図１】
2006058241.tif 000004
【図２】
2006058241.tif 000005
【図３】
2006058241.tif 000006
【図４】
2006058241.tif 000007
【図５】
2006058241.tif 000008
【図６】
2006058241.tif 000009