(57)【要約】  本発明のＸ線薄膜検査装置は、第１の旋回アーム３２に搭載されたＸ線照射ユニット４０と、第２の旋回アーム３３に搭載されたＸ線検出器５０と、Ｘ線の照射により検査対象から発生する蛍光Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線検出器６０と、Ｘ線薄膜検査装置の温度に相当する温度を測定する温度測定ユニット１１０と、温度測定ユニット１１０により測定した温度に基づき検査位置を補正する温度補正システム（中央委処理装置１００）とを備えている。
2016059673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象を上面に配置する試料台と、
前記試料台の上面に配置された前記検査対象における被検査部位の画像を観察する画像観察手段と、
前記画像観察手段による画像観察結果に基づき制御され、前記試料台を水平面上で直交する２方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させて、前記検査対象の被測定部位をあらかじめ設定された装置の検査位置へ位置決めする位置決め機構と、
前記検査位置に配置された前記検査対象の被測定部位へＸ線を照射するＸ線照射ユニットと、
前記検査位置に配置された前記検査対象の被測定部位から発生する蛍光Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線検出器と、
このＸ線薄膜検査装置の内部温度に相当する温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段により測定した温度に基づき前記検査位置を補正する温度補正システムと、
を備えたＸ線薄膜検査装置。
【請求項２】
前記試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する第１，第２の旋回部材を備えたゴニオメータを備え、
前記Ｘ線照射ユニットは、前記第１の旋回部材に搭載され、
前記第２の旋回部材には、前記検査位置に配置された前記検査対象の被測定部位から反射又は回折してくるＸ線を検出するＸ線検出器が搭載されている請求項１のＸ線薄膜検査装置。
【請求項３】
前記温度補正システムは、前記測定した温度に対して、一定の時定数をもって遅延して変化する実効温度に基づき前記検査位置を補正する請求項１又は２のＸ線薄膜検査装置。
【請求項４】
前記温度補正システムは、前記温度測定手段による温度測定を繰り返し、
次の（４−１）及び（４−２）のステップを実行する温度補正ソフトウエアにより前記検査位置を補正する請求項１又は２のＸ線薄膜検査装置。
（４−１）  温度変化に伴う位置変動の要因をＮ個に特定し、ｎ番目の位置変動要因の時間経過に関する係数である時定数をτｎ、温度変化に関する係数である温度定数をＣｎとし、前記温度測定手段による温度測定をｔ秒間隔で実行していき、温度測定の開始からｉ回目の測定（測定時刻ｔ[ｉ]）における測定温度ＴＭ[ｉ]に基づき、そのときの前記ｎ番目の位置変動要因の実効温度ＴＥｎ[ｉ]を、次式（ａ）から推定する。
【数１０】
2016059673.tif 000014
（４−２）  温度測定の開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における位置変動ΔＰ[ｉ]を、次式（ｂ）によって算出する。
【数１１】
2016059673.tif 000015
【請求項５】
前記温度補正システムは、次の（５−１）及び（５−２）のステップを実行する前記温度補正ソフトウエアにより、前記各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを算出する請求項４のＸ線薄膜検査装置。
（５−１）  前記温度測定手段による温度測定をｔ秒間隔で実行するとともに、各温度測定時点での前記検査位置を実測する。
（５−２）  温度変化に伴う位置変動がない状態の基準位置をＰ[０]とした次の関係式（ｃ）を用いて、温度測定の開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における検査位置Ｐ[ｉ]に、当該測定時点において前記（５−１）のステップで実測した検査位置を挿入し、最小二乗法により前記各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを算出する。
【数１２】
2016059673.tif 000016
【請求項６】
前記温度測定手段は、このＸ線薄膜検査装置の内部温度に相当する温度として、当該Ｘ線薄膜検査装置が設置された検査室内の空気温度、又は当該検査室の排気口から排出されてくる空気温度を測定する請求項１のＸ線薄膜検査装置。
【請求項７】
前記温度補正システムは、前記画像観察手段による画像観察結果を参照して、前記検査位置を実測する請求項５のＸ線薄膜検査装置。
【請求項８】
前記温度補正システムは、前記試料台が移動する高さ方向の検査位置を補正する構成であり、次の（８−１）乃至（８−４）のステップを実行する前記温度補正ソフトウエアにより当該高さ方向の検査位置を実測する請求項７のＸ線薄膜検査装置。
（８−１）  前記ゴニオメータを制御して、前記第１の旋回部材に搭載されたＸ線照射ユニットから出射されるＸ線の中心軸を水平に調整するとともに、当該Ｘ線の中心軸上に前記第２の旋回部材に搭載されたＸ線検出器を対向配置する。
（８−２）  前記Ｘ線照射ユニットを制御して、前記Ｘ線検出器に向けてＸ線を照射する。
（８−３）  前記位置決め機構を制御して、前記Ｘ線検出器が検出するＸ線強度が、前記Ｘ線照射ユニットから出射されるＸ線の強度の１／２となるように、前記試料台を高さ方向に移動する。
（８−４）  前記画像観察手段を制御し、上方から前記検査位置に当該画像観察手段の焦点を合わせて、高さ方向の前記検査位置を実測する。
【請求項９】
前記Ｘ線照射ユニットによるＸ線の照射位置と、前記画像観察手段による画像観察位置とが水平面上の異なる位置に設定されたＸ線薄膜検査装置において、
前記温度補正システムは、前記試料台が移動する水平面上の検査位置を補正する構成であり、次の（９−１）乃至（９−４）のステップを実行する前記温度補正ソフトウエアにより当該水平面上の検査位置を実測する請求項７のＸ線薄膜検査装置。
（９−１）  前記位置決め機構を制御して、温度補正用の試料が前記検査位置に配置された前記試料台を水平移動し、前記画像観察手段からの画像情報に基づき、前記検査位置を前記画像観察手段の上方位置に配置する。
（９−２）  前記Ｘ線照射ユニットから照射位置に向けてＸ線を照射する。
（９−３）  前記位置決め機構を制御して、前記検査位置に配置された前記温度補正用の試料に前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線が照射され、当該試料から発生する蛍光Ｘ線がピーク強度に到達する位置へ、前記試料台を水平移動する。
（９−４）  前記ステップ（９−１）の位置から前記ステップ（９−３）の位置までの前記試料台の移動量に基づいて、水平面上の前記検査位置を実測する。
【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線薄膜検査装置に関する。
【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。
この種の検査装置として、従来より断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による直接計測や、光干渉やエリプソメトリを利用した膜厚検査装置や、光音響式装置などが知られている。断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、インライン製造工程に組み込みリアルタイムに検査対象の薄膜を検査することができず、しかも検査用に製造ラインから抜き取った製品は、検査後に廃棄されているのが実情であった。また、光干渉やエリプソメトリを利用した膜厚検査装置や、光音響式装置はインラインには適するが、数ｎｍの薄い膜の測定には精度が不足している。
半導体デバイスメーカーにとっては、使い捨てにされる検査用ウエーハ（ブランケットウエーハ）が、コスト面で大きな負担となっている。特に、近年では半導体ウエーハの大口径化が進展しており、一枚のブランケットウエーハにかかるコストも高価格化してきている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本出願人は、成膜製品の製造工程に組み込み、製品そのものを直接検査し、ウエーハを使い捨てることなく数ｎｍの薄い膜でも充分な精度で検査可能とするＸ線薄膜検査装置を提案している（特許文献１：特開２００６−１５３７６７号公報参照）。
さらに、本出願人は、先に提案したＸ線薄膜検査装置の改良を重ね、本発明を完成させるに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
Ｘ線薄膜検査装置の周囲温度が変化すると、同装置を構成する各部材が僅かながらではあるが膨張又は収縮し、Ｘ線の照射点である同装置の検査位置が３次元的に変動する。検査位置には、例えば、半導体ウエーハの微小パターン（被検査部位）が配置され、ここにＸ線が照射される。しかしながら、温度変化に伴い検査位置に変動が生じた場合、被検査部位である半導体ウエーハの微小パターンにＸ線を適正に照射できず、Ｘ線による測定精度の低下をまねくおそれがある。
半導体製造ラインが設置されたクリーンルーム内は、高精度に温度管理がなされており、例えば、温度変化は１℃以内に保たれている。しかし、被検査部位である半導体ウエーハの微小パターンは数十μｍの微小面積であり、この微小面積に収束されたＸ線を照射してＸ線検査が行われる過程においては、ミクロン単位での位置変動も測定結果に大きく影響を及ぼす。
そこで、本発明に係るＸ線薄膜検査装置は、温度変化に伴う検査位置の変動を補正して、Ｘ線の照射点に検査位置を合わせるための温度補正システムが組み込んである。【０００５】
すなわち、本発明のＸ線薄膜検査装置は、
検査対象を上面に配置する試料台と、
試料台の上面に配置された検査対象における被検査部位の画像を観察する画像観察手段と、
画像観察手段による画像観察結果に基づき制御され、試料台を水平面上で直交する２方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させて、検査対象の被測定部位をあらかじめ設定された装置の検査位置へ位置決めする位置決め機構と、
検査位置に配置された検査対象の被測定部位へＸ線を照射するＸ線照射ユニットと、
検査位置に配置された検査対象の被測定部位から発生する蛍光Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線検出器と、
このＸ線薄膜検査装置の内部温度に相当する温度を測定する温度測定手段と、
温度測定手段により測定した温度に基づき、検査位置を補正する温度補正システムと、を備えている。【０００６】
さらに、本発明のＸ線薄膜検査装置は、
試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する第１，第２の旋回部材を備えたゴニオメータを備え、
Ｘ線照射ユニットは、前記第１の旋回部材に搭載し、
第２の旋回部材には、前記検査位置に配置された前記検査対象の被測定部位から反射又は回折してくるＸ線を検出するＸ線検出器を搭載した構成とすることもできる。【０００７】
また、前記温度補正システムは、前記測定した温度に対して、一定の時定数をもって遅延して変化する実効温度に基づき前記検査位置を補正する構成とすることができる。【０００８】
ここで、温度補正システムは、温度測定手段による温度測定を繰り返し、次の（４−１）及び（４−２）のステップを実行する温度補正ソフトウエアにより検査位置を補正する構成とすることが好ましい。
（４−１）  温度変化に伴う位置変動の要因をＮ個に特定し、ｎ番目の位置変動要因の時間経過に関する係数である時定数をτｎ、温度変化に関する係数である温度定数をＣｎとし、温度測定手段による温度測定をｔ秒間隔で実行していき、温度測定の開始からｉ回目の測定（測定時刻ｔ[ｉ]）における測定温度ＴＭ[ｉ]に基づき、そのときのｎ番目の位置変動要因の実効温度ＴＥｎ[ｉ]を、次式（ａ）から推定する。【０００９】
【数１０】
2016059673.tif 000003
（４−２）  温度測定の開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における位置変動ΔＰ[ｉ]を、次式（ｂ）によって算出する。【００１０】
【数１１】
2016059673.tif 000004
【００１１】
さらに、温度補正システムは、次の（５−１）及び（５−２）のステップを実行する温度補正ソフトウエアにより、各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを算出する構成とすることが好ましい。
（５−１）  温度測定手段による温度測定をｔ秒間隔で実行するとともに、各温度測定時点での検査位置を実測する。
（５−２）  温度変化に伴う位置変動がない状態の基準位置をＰ[０]とした次の関係式（ｃ）を用いて、温度測定の開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における検査位置Ｐ[ｉ]に、当該測定時点において（５−１）のステップで実測した検査位置を挿入し、最小二乗法により各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを算出する。【００１２】
【数１２】
2016059673.tif 000005
【００１３】
また、温度測定手段は、このＸ線薄膜検査装置の内部温度に相当する温度として、当該Ｘ線薄膜検査装置が設置された検査室内の空気温度、又は当該検査室の排気口から排出されてくる空気温度を測定する構成とすることができる。【００１４】
また、温度補正システムは、画像観察手段による画像観察結果を参照して、次のように検査位置を実測する構成とすることができる。【００１５】
すなわち、温度補正システムは、次の（８−１）乃至（８−４）のステップを実行する温度補正ソフトウエアにより、試料台が移動する高さ方向の検査位置を実測することができる。
（８−１）  ゴニオメータを制御して、第１の旋回部材に搭載されたＸ線照射ユニットから出射されるＸ線の中心軸を水平に調整するとともに、当該Ｘ線の中心軸上に第２の旋回部材に搭載されたＸ線検出器を対向配置する。
（８−２）  Ｘ線照射ユニットを制御して、Ｘ線検出器に向けてＸ線を照射する。
（８−３）  位置決め機構を制御して、Ｘ線検出器が検出するＸ線強度が、Ｘ線照射ユニットから出射されるＸ線の強度の１／２となるように、試料台を高さ方向に移動する。
（８−４）  画像観察手段を制御し、上方から検査位置に当該画像観察手段の焦点を合わせて、高さ方向の検査位置を実測する。【００１６】
また、Ｘ線薄膜検査装置において、Ｘ線照射ユニットによるＸ線の照射位置と、画像観察手段による画像観察位置とが水平面上の異なる位置に設定されている場合に、
温度補正システムは、次の（９−１）乃至（９−４）のステップを実行する温度補正ソフトウエアにより、試料台が移動する水平面上の検査位置を実測することができる。
（９−１）  位置決め機構を制御して、温度補正用の試料が検査位置に配置された試料台を水平移動し、画像観察手段からの画像情報に基づき、検査位置を画像観察手段の上方位置に配置する。
（９−２）  Ｘ線照射ユニットから照射位置に向けてＸ線を照射する。
（９−３）  位置決め機構を制御して、検査位置に配置された温度補正用の試料にＸ線照射ユニットからのＸ線が照射され、当該試料から発生する蛍光Ｘ線がピーク強度に到達する位置へ、試料台を水平移動する。
（９−４）  ステップ（９−１）の位置からステップ（９−３）の位置までの試料台の移動量に基づいて、水平面上の検査位置を実測する。【００１７】
上述した温度補正システムにより、温度変化に伴う検査位置の変動を補正して、Ｘ線の照射点に検査位置を合わせることができ、これにより高精度なＸ線薄膜検査を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の全体構造を示す斜視図である。
【図２】図２は本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の全体構造を示す正面図である。
【図３】図３は本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の制御系を示すブロック図である。
【図４】図４は本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の制御フローチャートである。
【図５】図５は半導体ウエーハの傾き補正を説明するための模式図である。
【図６】図６はＸ線照射ユニットに係る第１の実施形態の外観を示す斜視図である。
【図７】図７はＸ線照射ユニットに係る第１の実施形態の縦断面図である。
【図８】図８はＸ線照射ユニットに係る第１の実施形態の横断面図である。
【図９】図９はＸ線光学素子におけるＸ線の反射軌道を示す図である。
【図１０】図１０Ａ、図１０ＢはそれぞれＸ線光学素子から反射してきた４本の収束Ｘ線を光路方向から見た図である。
【図１１】図１１はＸ線照射ユニットから半導体ウエーハの検査面に照射した４本の収束Ｘ線の軌道と、当該検査面から反射してＸ線検出器に入射する発散Ｘ線の軌道とを示す模式図である。
【図１２】図１２は、図６と同じく、Ｘ線照射ユニットに係る第１の実施形態の外観を示す斜視図である。
【図１３】図１３Ａ、図１３Ｂはスリット機構の遮蔽板の間隙を通過した２本の収束Ｘ線を光路方向から見た図である。
【図１４】図１４はＸ線照射ユニットから半導体ウエーハの検査面に照射した２本の収束Ｘ線の軌道と、当該検査面から反射してＸ線検出器に入射する発散Ｘ線の軌道とを示す模式図である。
【図１５】図１５はスリット機構の遮蔽板の間隙を通過した１本の収束Ｘ線を光路方向から見た図である。
【図１６】図１６はＸ線照射ユニットに係る第２の実施形態の外観を示す斜視図である。
【図１７】図１７はＸ線照射ユニットに係る第２の実施形態の構成を示す縦断面図である。
【図１８】図１８は図１７に示したＸ線照射ユニットにおけるＸ線光学素子の外観を示す斜視図である。
【図１９】図１９は図１７に示したＸ線照射ユニットを用いた蛍光Ｘ線測定を説明するための模式図である。
【図２０】図２０は温度補正システムに係る実施形態における準備段階のステップを説明するためのフローチャートである。
【図２１】図２１は温度補正システムに係る実施形態におけるＺ方向の検査位置の実測手順を説明するための模式図である。
【図２２】図２２は温度補正システムに係る実施形態におけるＸ方向及びＹ方向の検査位置の実測手順を説明するための模式図である。
【図２３】図２３は本発明者らによる温度補正に関する実験結果を示すグラフである。
【図２４】図２４Ａ、図２４ＢはＸ線反射率測定の原理を説明するための図である。
【図２５】図２５Ａ、図２５ＢはＸ線反射率測定の原理を説明するための図である。
【図２６】図２６はＴＤＩ方式を説明するための図である。
【図２７】図２７はＸ線反射率測定システムの改良に関する実施形態を説明するための模式図である。
【図２８】図２８Ａ、図２８ＢはＸ線反射率測定システムの改良に関する実施形態を説明するための図である。
【図２９】図２９は図２７に示したＸ線反射率測定システムをさらに改良した実施形態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０：試料台、２０：位置決め機構、３０：ゴニオメータ、３１：ゴニオメータ本体、３２：第１の旋回アーム、３３：第２の旋回アーム、４０：Ｘ線照射ユニット、４１：チューブシールド、４１ａ：第１チューブ、４１ｂ：第２チューブ、４２：Ｘ線管、４３：Ｘ線光学素子、４６：スリット機構、４６ａ：遮蔽板、４６ｂ：遮蔽板、５０：Ｘ線検出器、５１：一次元Ｘ線検出器、５２：Ｘ線吸収部材、５３Ｘ線遮蔽部材、５４：散乱スリット、６０：蛍光Ｘ線検出器、７０：光学顕微鏡、１００：中央処理装置、１１０：温度測定ユニット
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔Ｘ線薄膜検査装置の基本構成〕
図１は本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の全体構造を示す斜視図、図２は同装置の正面図である。
Ｘ線薄膜検査装置は、試料台１０、位置決め機構２０、ゴニオメータ３０、Ｘ線照射ユニット４０、Ｘ線検出器５０、蛍光Ｘ線検出器６０、ＣＣＤカメラ等からなる光学顕微鏡７０（画像観察手段）を備えている。【００２１】
試料台１０の上面には、検査対象となる半導体ウエーハが配置され、位置決め機構２０によって駆動される。位置決め機構２０は、水平面内の直角２方向（Ｘ，Ｙ方向）へ移動自在な水平移動機構と、水平面と直交する上下方向（Ｚ方向）へ移動自在な昇降機構と、面内回転機構とを含み、試料台１０をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるとともに面内回転させて、その上面に配置された半導体ウエーハにおける任意の被測定部位を、照射Ｘ線の収束位置へ所定の向きに位置決めする機能を有している。【００２２】
ゴニオメータ３０は、ゴニオメータ本体３１に、第１，第２の旋回アーム（旋回部材）３２，３３を搭載している。各旋回アーム３２，３３は、図２の紙面に垂直な軸（θＸ軸、θＤ軸）を中心に、試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する。ここで、第１の旋回アーム３２の水平位置からの旋回角度をθＸ、第２の旋回アーム３３の水平位置からの旋回角度をθＤとして、ゴニオメータはθＸ＝θＤの関係を保持して、各旋回アーム３２，３３を旋回駆動させる。【００２３】
θＸ軸を中心に旋回する第１の旋回アーム３２には、複数台（図では３台）のＸ線照射ユニット４０が旋回方向に並べて搭載してある。また、θＤ軸を中心に旋回する第２の旋回アーム３３にはＸ線検出器５０が搭載してある。
なお、第１の旋回アーム３２に搭載するＸ線照射ユニット４０の台数は、用途に応じて任意に設定することができる。例えば、第１の旋回アーム３２に１台、２台、または４台以上のＸ線照射ユニット４０を搭載した構成としてもよい。【００２４】
Ｘ線照射ユニット４０は、Ｘ線管から発生したＸ線を、特定の波長のＸ線に単色化するとともに、一箇所に収束させる機能を有している。
Ｘ線照射ユニット４０からのＸ線が照射される位置が検査位置となり、試料台１０の上面に配置された検査対象の被測定部位は、位置決め機構２０によってこの検査位置へ位置決めされる。
なお、Ｘ線照射ユニット４０の詳細については後述する。【００２５】
Ｘ線検出器５０は、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）やＸ線回折測定（ＸＲＤ）に用い、蛍光Ｘ線検出器６０は、蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）に用いる。Ｘ線反射率測定によれば、膜表面での反射Ｘ線と、膜と基板との界面での反射Ｘ線の干渉を測定して膜厚や密度を導くため、膜厚でオングストロームオーダーの測定精度が得られる。また、蛍光Ｘ線測定によれば、比較的厚い配線膜の測定を高精度に行うことができる。本実施形態のＸ線薄膜検査装置は、これらＸ線反射率測定と蛍光Ｘ線測定に加え、必要に応じてＸ線回折測定も実施できるようになっている。【００２６】
Ｘ線検出器５０としては、例えば、入射Ｘ線に対するダイナミックレンジの広いアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いることができる。
なお、第２の旋回アーム３３に検出器交換機構を組み込むとともに、ＡＰＤ、一次元Ｘ線検出器、二次元検出器、シンチレーションカウンタなど各種のＸ線検出器を搭載し、検出器交換機構によりＸ線検出器を切り替えて利用できる構成とすることも可能である。【００２７】
また、上述した検査位置の上方位置には、蛍光Ｘ線検出器６０が設置してあり、また、光学顕微鏡７０は、検査位置からＬＰだけ水平方向にずらした位置に配置して、蛍光Ｘ線検出器６０との干渉を回避してある。
試料台１０に配置した検査対象（例えば、半導体ウエーハ）の被測定部位は、位置決め機構２０により試料台１０を移動させることで、光学顕微鏡７０の下方位置に配置される。そして、この位置から検査位置に向かって水平方向へＬｐだけ移動させることで、検査対象（例えば、半導体ウエーハ）の被測定部位が検査位置に位置決めされる。【００２８】
なお、試料台１０の上方に機器交換機構を設け、この機器交換機構により蛍光Ｘ線検出器６０と光学顕微鏡７０のいずれか一方を選択して、検査位置の上方位置へ配置する構成としてもよい。【００２９】
上述した基本構成のＸ線薄膜検査装置によれば、第１の旋回アーム３２に、複数台（図１，図２では３台）のＸ線照射ユニット４０を旋回方向へ並べて搭載することで、第１の旋回アーム３２を旋回させるだけで、複数台のＸ線照射ユニット４０を選択するとともに、選択したＸ線照射ユニット４０を測定位置に対して任意の角度で高精度に位置決めすることができる。【００３０】
例えば、本装置によりＸ線反射率測定を実施する場合は、所望のＸ線を発生するＸ線照射ユニット４０を選択し、測定対象である半導体ウエーハに対し表面すれすれの低角度でＸ線を照射するように、選択したＸ線照射ユニット４０を配置すればよい。また、通常のＸ線回折測定を実施する場合は、選択したＸ線照射ユニット４０の位置を逐次移動させて、半導体ウエーハに対するＸ線の入射角度を適宜変更していく。さらに、蛍光Ｘ線測定を実施する場合は、測定対象に対して低角度でＸ線を照射するように、選択したＸ線照射ユニット４０を配置すればよい。
本実施形態のＸ線薄膜査装置によれば、これらＸ線照射ユニット４０の選択と位置決めが、第１の旋回アーム３２を旋回移動させるだけで高精度に行うことができる。【００３１】
さらに、第１の旋回アーム３２にＸ線照射ユニット４０を搭載する構成によれば、第１の旋回アーム３２を旋回させるとともに、θＸ＝θＤの関係を保持して第２の旋回アーム３３を旋回させることで、Ｘ線反射率測定における角度走査測定を行うことが可能となる。【００３２】
Ｘ線反射率測定では、単層膜だけでなく、表面から数層の各々の層の膜厚、密度、ラフネスを同時に導出することが可能である。しかも、複数台のＸ線照射ユニット４０を第１の旋回アーム３２に搭載できるようになっているので、複数の異なる波長のＸ線ビームを利用したより精度の高い多層膜解析が実現可能となる。【００３３】
蛍光Ｘ線測定では、検査対象（例えば、半導体ウエーハ）に応じて蛍光Ｘ線測定に適した波長のＸ線を発生するＸ線照射ユニット４０が選択され、第１の旋回アーム３２が旋回して選択されたＸ線照射ユニットから検査対象に対して低角度の入射角度位置に配置する。
このように入射角度を低角度に設定することで、検査対象への入射Ｘ線が蛍光Ｘ線検出器６０に遮られない余裕空間ができ、機器交換機構８０に内蔵されている上下移動機構により蛍光Ｘ線検出器６０を下降させ、他の元素を測定するときに比べ蛍光Ｘ線検出器６０を検査対象の表面に近接する位置に配置することが可能となる。
これにより、検査対象の測定面と蛍光Ｘ線検出器６０との間のＸ線通路（Ｘ線の入射空間）を微小空間とすることができ、検査対象の測定面から発生する蛍光Ｘ線の多くを空気に吸収される前に蛍光Ｘ線検出器６０が捕捉可能となる。【００３４】
図３は本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の制御系を示すブロック図である。
Ｘ線照射ユニット４０に組み込まれたＸ線管４２への高圧電源４７の供給、およびシャッター４５の開閉操作は、ＸＧコントローラ１０１が実行する。また、光学顕微鏡７０が捉えた画像は、画像認識回路１０２で画像認識される。なお、光学顕微鏡７０の焦点位置はフォーカスコントローラ１０３によって調整される。位置決めコントローラ１０４は、光学顕微鏡で捉えられ、画像認識回路１０２により認識された画像情報に基づいて位置決め機構２０を駆動制御する。ゴニオメータ３０は、ゴニオコントローラ１０６によって駆動制御される。
ＸＧコントローラ１０１、画像認識回路１０２、フォーカスコントローラ１０３、位置決めコントローラ１０４、ゴニオコントローラ１０６は、中央処理装置（ＣＰＵ）１００からの設定情報に基づいてそれぞれ作動する。また、Ｘ線検出器５０と蛍光Ｘ線検出器６０は、それぞれ計数制御回路１０７，１０８によって制御される。これら各コントローラ、ＣＰＵ、計数制御回路が、Ｘ線薄膜検査装置の制御手段を構成している。【００３５】
図４は半導体ウエーハを検査対象としたＸ線薄膜検査を実行する際の制御フローチャートである。
試料台１０上に検査対象となる半導体ウエーハを配置した後、まず半導体ウエーハの被測定部位を検査位置へ位置決めする（ステップＳ１）。この位置決めは、位置決め機構２０の駆動制御をもって実行される。すなわち、光学顕微鏡７０が試料台１０上の半導体ウエーハを捉え、画像認識回路１０２で認識した画像情報に基づいて位置決めコントローラ１０４が位置決め機構２０を駆動制御する。位置決め機構２０は、水平２方向（Ｘ−Ｙ方向）および高さ方向（Ｚ方向）に移動して、半導体ウエーハの被測定部位を検査位置へ配置する。【００３６】
半導体ウエーハに形成される半導体素子内の微小な薄膜パターンを被測定部位とする場合は、あらかじめ検査対象である半導体ウエーハに形成された位置決め用パターン、半導体素子のスクライブ・ライン、メモリー部、ダミーパターンやＩＣチップの特定部位など微小なパターンを画像認識回路１０２に記憶させておき、検査に際して検査対象である半導体ウエーハの検査対象領域を光学顕微鏡７０で観察し、その観察画像とあらかじめ記憶してある上記微小パターンを対比して合わせることにより、被測定部位である微小パターンであることを画像認識回路１０２が判別する。その判別結果に基づいて位置決め機構２０が被測定部位である微小パターンを被測定位置へ位置決めする。【００３７】
また、上述したように半導体ウエーハに形成される半導体素子内の微小な薄膜パターンを被測定部位とする場合、その長手方向をＸ線の入射方向に合わせて配置することが好ましい。この方向合わせは、位置決め機構２０による水平２方向（Ｘ−Ｙ方向）の移動と面内回転によって、短い移動距離で実現できる。【００３８】
次に、半導体ウエーハの傾き補正を行う（ステップＳ２）。この傾き補正は、図５に示すように、半導体ウエーハを固定したまま、ゴニオメータ３０の第１，第２の旋回アーム３２，３３を旋回させて行われる。Ｘ線照射ユニット４０から半導体ウエーハへ照射されるＸ線の入射角度がθであれば、半導体ウエーハの表面からはθの角度にＸ線が反射していく。この反射Ｘ線をＸ線検出器５０で検出する。これにより、半導体ウエーハの表面に対してＸ線照射ユニット４０とＸ線検出器５０とが同じ角度位置に配置され、ここを原点としてそれぞれの角度制御を実行することが可能となる。【００３９】
上述したように半導体ウエーハの被測定部を位置決めするとともに傾き補正を実行した後、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）、蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）のいずれかをもってＸ線検査を実行し（ステップＳ３）、中央処理装置が検査データを解析して（ステップＳ４）、解析結果を出力する（ステップＳ５）。
以上の各ステップは半導体ウエーハに設定した被測定部位のすべてについて実行され（ステップＳ６）、すべての被測定部位の検査が終了した後に終了する。【００４０】
なお、低角での蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）やＸ線反射率測定（ＸＲＲ）において、スループットを優先する場合には、上述した半導体ウエーハの傾き補正（ステップＳ２）は省略することもある。また、低角以外での蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）においては、通常、半導体ウエーハの傾き補正（ステップＳ２）は省略される。【００４１】
〔Ｘ線照射ユニット（その１）〕
次に、Ｘ線照射ユニット４０に係る第１の実施形態について、図６〜図１５を参照して詳細に説明する。
Ｘ線照射ユニット４０は、図６に示すような外観をしており、図７及び図８に示すように、チューブシールド（ユニット本体）４１内に、Ｘ線源であるＸ線管４２とＸ線光学素子４３とを内蔵したモジュール構成として小形軽量化を実現している。チューブシールド４１は、Ｘ線を遮蔽する金属材料で構成してあり、Ｘ線管４２を内蔵する第１チューブ４１ａと、Ｘ線光学素子４３を内蔵する第２チューブ４１ｂとに分割されている。各チューブ４１ａ，４１ｂは、ボルト等の締結手段によって連結され一体化する。【００４２】
チューブシールド４１内には、図７に示すように、Ｘ線管４２から放射されたＸ線をＸ線出射口４１ｃへ導くＸ線通路が形成してあり、第１チューブ４１ａ内にはこのＸ線通路を開閉するシャッター４５が設けてある。シャッター４５は回転により開閉して、Ｘ線管４２から放射されたＸ線を通過又は遮蔽する構成となっている。【００４３】
Ｘ線管４２には、例えば、ターゲット上での電子線焦点サイズがφ３０μｍ程度で、出力が３０Ｗ程度の微小焦点Ｘ線管球を用いることができる。ターゲット材料は、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）など、必要に応じて選択することができる。他にも、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等が使用される。例えば、第１の旋回アーム３２に、それぞれターゲット材料の異なるＸ線管４２を内蔵した複数のＸ線照射ユニット４０を搭載することもできる。【００４４】
Ｘ線光学素子４３としては、Ｘ線管４２から発生したＸ線を所定位置に収束させるコンフォーカルミラーを用いている。コンフォーカルミラーは、図８に示すように、４枚の多層膜ミラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄによって構成される。各多層膜ミラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄは、それぞれ楕円弧面の多層膜で形成されており、隣接する多層膜ミラー４３ａと４３ｂ、及び４３ｃと４３ｄは、それぞれＸ線の反射面の端縁が約９０度の角度をもって交わるように配置されている。このコンフォーカルミラーで構成されたＸ線光学素子４３は、Ｘ線管４２で発生したＸ線を微小な焦点に収束できるとともに、Ｘ線を単色化する。例えば、Ｘ線管４２がＣｕターゲットのときにはＣｕΚα、ＭｏターゲットのときにはＭｏΚαにＸ線を単色化することができる。なお、単色化するＸ線の波長に応じて、多層膜ミラーを適宜選択して用いることが好ましい。【００４５】
図９はＸ線光学素子（コンフォーカルミラー）におけるＸ線の反射軌道を示す図である。
Ｘ線光学素子４３に入射したＸ線は、４枚の多層膜ミラーのうち隣接する２枚の多層膜ミラー４３ａと４３ｂの間で反射し、単色化された収束Ｘ線となって出射される。すなわち、最初に第１の多層膜ミラー４３ａで反射したＸ線は、さらに第２の多層膜ミラー４３ｂで反射することで、図１０Ａに示すような断面矩形状の収束Ｘ線となって出射される。一方、最初に第２の多層膜ミラー４３ｂで反射したＸ線は、さらに第１の多層膜ミラー４３ａで反射することで、同じく図１０Ａに示すような断面矩形状の収束Ｘ線となって出射される。同様に、図には示されないが、隣接する他の２枚の多層膜ミラー４３ｃと４３ｄの間でもＸ線が反射して、図１０Ａに示すような断面矩形状の収束Ｘ線となって出射される。
したがって、Ｘ線光学素子４３からは、図１０Ａに示すように仮想四角形の４隅に、それぞれ４本の矩形状をした収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが出射される。【００４６】
なお、図１０Ａに示す収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄは、図９に示すようにＸ線光学素子４３で反射して収束位置ｂに至る中間位置の切断面Ａで切断した際の断面形状を示しており、収束位置ｂではこれら各収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが一つに重なり合う。
したがって、収束位置ｂで４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが一つに重なり合えば、１本の収束Ｘ線の４倍のＸ線強度を得ることができる。また、後述するように、収束位置ｂで２本の収束Ｘ線Ｘｂ，Ｘｄが一つに重なり合えば、１本の収束Ｘ線の２倍のＸ線強度を得ることができる。【００４７】
図９に示す収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄの収束位置ｂは半導体ウエーハの測定位置に合わせてあり、この収束位置ｂに既述した位置決め機構２０をもって半導体ウエーハ内の任意の被測定部位が位置決めされる。なお、測定位置はゴニオメータ３０のθ軸上に設定してある。【００４８】
ここで、図９に示すように、Ｘ線管４２における電子線の焦点サイズ（長さ）をＦ１、Ｘ線管４２の焦点ｆａからＸ線光学素子４３の反射中心位置までの距離をＬ１、Ｘ線光学素子４３の反射中心位置から収束Ｘ線の収束位置ｆｂまでの距離をＬ２としたとき、収束Ｘ線の焦点サイズ（長さ）Ｆ２は、次式で現される。
Ｆ２＝Ｆ１（Ｌ２／Ｌ１）
したがって、収束Ｘ線の焦点サイズＦ２を小さくするためには、Ｘ線管４２の焦点ｆａからＸ線光学素子４３の反射中心位置までの距離Ｌ１をできるだけ長くすることが好ましい。なお、Ｘ線光学素子４３の反射中心位置から収束Ｘ線の収束位置ｆｂまでの距離Ｌ２を短くする方法は、半導体ウエーハに干渉してしまう等の制約があって困難である。【００４９】
Ｘ線光学素子４３の第２チューブ４１ｂは、第１チューブ４１ａに対して回転調整自在に構成されており、例えば、第２チューブ４１ｂを４５度回転させた状態で固定することで、内部に組み込まれたＸ線光学素子４３の各多層膜ミラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄの周方向位置を４５度回転移動させることができる。このように各多層膜ミラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄの周方向位置を４５度回転移動させることで、Ｘ線光学素子４３から反射してくる収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄの軌道を、図１０Ａから図１０Ｂの位置に変更することができる。【００５０】
さて、既述したように、収束位置ｂで４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが一つに重なり合えば、１本の収束Ｘ線の４倍のＸ線強度を得ることができる。しかしながら、図１０Ａに示すような４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄを半導体ウエーハの被検査面に照射した場合、半導体ウエーハの被検査面から反射してくる反射Ｘ線Ｘrａ，Ｘrｂ，Ｘrｃ，Ｘrｄは、図１１に示すように広がってＸ線検出器５０に入射する。このように、Ｘ線検出器５０に入射する反射Ｘ線Ｘrａ，ＸrｂとＸrｄ，Ｘrｃとの間に高さ方向（Ｚ方向）の広がりがあると、特にＸ線反射率測定では、高精度な測定結果を得ることができない。
一方、蛍光Ｘ線測定においては、半導体ウエーハから励起して出てくる蛍光Ｘ線Ｘｆを蛍光Ｘ線検出器６０で捕捉するため、反射Ｘ線Ｘrａ，Ｘrｂ，Ｘrｃ，Ｘrｄの広がりは測定精度に何ら影響しない。
そこで、蛍光Ｘ線測定においては、図１０Ａや図１０Ｂに示すような４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄを利用して、１本の収束Ｘ線の４倍のＸ線強度をもって測定を実施することで、高精度な測定結果を得ることが可能となる。一般的に、Ｘ線計測における計測誤差のうち統計誤差は√Ｎであらわされ（ＮはＸ線強度）、統計誤差率は√（Ｎ／Ｎ）となる。Ｘ線強度が４倍になると、統計誤差率は√（４Ｎ／４Ｎ）＝１／２となる。すなわち、４倍のＸ線強度を有する上記構成とすることで、統計誤差率を１／２に低減することができる。【００５１】
図６及び図１２に示すように、Ｘ線照射ユニット４０には、チューブシールド４１のＸ線出射口４１ｃの前方に、出射してくるＸ線の一部を遮蔽するための可動式のスリット機構４６が設けられている。このスリット機構は、上下に配置された２枚の遮蔽板４６ａ、４６ｂが、それぞれ直交する幅方向（Ｙ方向）及び高さ方向（Ｚ方向）にスライド自在に組み込まれており、図示しない駆動モータからの駆動力をもってこれら遮蔽板４６ａ、４６ｂの位置を変更できる構成となっている。各遮蔽板４６ａ，４６ｂは、Ｘ線を遮蔽する材料で形成されている。
そして、図６に示す退避位置に遮蔽板４６ａ、４６ｂを移動させることで、Ｘ線出射口４１ｃから４本すべての収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄ（図１０参照）を出射させることができる。
一方、図１２に示すように出射してくるＸ線の一部を遮蔽する位置に一定の隙間を空けて遮蔽板４６ａ、４６ｂを移動配置することで、例えば、図１３Ａ又は図１３Ｂに示すように、Ｘ線出射口４１ｃから２本の収束Ｘ線Ｘｃ，Ｘｄ又はＸｂ，Ｘｄを出射させることができる。【００５２】
上述した遮蔽板４６ａ、４６ｂは、発散スリット（ＤＳ：Divergence Slit）の機能を有している。【００５３】
ここで、図１３Ａ又は図１３Ｂに示すように遮蔽板４６ａ，４６ｂの隙間を通過してきた２本の収束Ｘ線Ｘｄ，Ｘｃ（又はＸｂ，Ｘｄ）は、これら２本の収束Ｘ線Ｘｄ，Ｘｃ（又はＸｂ，Ｘｄ）を含む仮想平面が、同Ｘ線の光路方向から見て、半導体ウエーハの被検査面に対して平行に入射するように、互いの光路の位置関係が調整されている。この位置関係の調整は、各多層膜ミラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄが組み込まれた第２チューブ４１ｂの回転調整により行うことができる。【００５４】
このように出射された２本の収束Ｘ線Ｘｃ，Ｘｄ又はＸｂ，Ｘｄは、Ｘ線反射率測定に適している。すなわち、図１４に示すように、２本の収束Ｘ線Ｘｃ，Ｘｄ（又はＸｂ，Ｘｄ）を、半導体ウエーハの被検査面に照射した場合、半導体ウエーハの被検査面から反射してくる反射Ｘ線Ｘrｃ，Ｘrｄ（又はＸrｂ，Ｘrｄ）は、幅方向（Ｙ方向）だけに広がり、高さ方向（Ｚ方向）への広がりはない。したがって、Ｘ線反射率測定に適している。【００５５】
また、図１５に示すように、Ｘ線出射口４１ｃから１本だけの収束Ｘ線Ｘｃを出射させるように遮蔽板４６ａ、４６ｂを移動配置することもできる。２本の収束Ｘ線を利用する場合に比べてＸ線強度が１／２になるものの、幅方向（Ｙ方向）及び高さ方向（Ｚ方向）のいずれにも広がることがないため、この場合もＸ線反射率測定に利用することができる。【００５６】
なお、具体的な反射Ｘ線の広がり角度は設計によって異なってくるが、一例として１本のＸ線ビームでも０．５度の広がり角、上下２本間で４度の広がり角がある。蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）では４本のＸ線ビームを使用することが好ましい。一方、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）では１本又は２本のＸ線ビームを使用することが好ましい。さらに、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）では、使用するＸ線ビームの一部を遮蔽板４６ａ，４６ｂで遮蔽して、ビーム幅を例えば０．２度〜０．１度に制限して使用することもできる。Ｘ線検出器の前には、受光スリット（ＲＳ：Receiving Slit）を設けて角度を制限し、検査対象に応じて分解能を変えることもできる。【００５７】
このように、Ｘ線照射ユニット４０の第１の構成によれば、４本の収束Ｘ線をすべて利用して蛍光Ｘ線測定のＸ線源としたり、２本又は１本の収束Ｘ線を利用して反射率測定のＸ線源とすることが可能となる。なお、４本の収束Ｘ線を利用する場合に比べてＸ線強度は小さくなるものの、２本又は１本の収束Ｘ線を利用して蛍光Ｘ線測定を実施することも可能である。【００５８】
〔Ｘ線照射ユニット（その２）〕
次に、Ｘ線照射ユニット４０に係る第２の実施形態について、図１６〜図１９を参照して詳細に説明する。
本実施形態のＸ線照射ユニット４０は、蛍光Ｘ線測定に適した大きな強度のＸ線を照射することができるように構成されている。【００５９】
Ｘ線照射ユニット４０は、図１６に示すような外観をしており、図１７に示すように、チューブシールド（ユニット本体）４１内に、Ｘ線源であるＸ線管４２とＸ線光学素子４３とを内蔵したモジュール構成としてある。チューブシールド４１は、Ｘ線を遮蔽する金属材料で構成してあり、Ｘ線管４２を内蔵する第１チューブ４１ａと、Ｘ線光学素子４３を内蔵する第２チューブ４１ｂとに分割されている。各チューブ４１ａ，４１ｂは、連結部材４１ｄを介して連結されている。【００６０】
チューブシールド４１内には、図１６Ｂ及び図１７に示すように、Ｘ線管４２から放射されたＸ線をＸ線出射口４１ｃへ導くＸ線通路が形成してあり、第１チューブ４１ａ内にはこのＸ線通路を開閉するシャッター４５が設けてある。シャッター４５は回転により開閉して、Ｘ線管４２から放射されたＸ線を通過又は遮蔽する構成となっている。【００６１】
Ｘ線管４２のターゲット材料は、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）など、必要に応じて選択することができる。他にも、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）等が使用される。【００６２】
Ｘ線光学素子４３は、図１８に示すように、３次曲面以上の高次曲面をした反射面を有するゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶板からなる２重湾曲分光結晶板（ＤＣＣ）４３Ａを、支持ブロック４３Ｂに固定した構成となっている。このＸ線光学素子４３は、長さ方向に湾曲してＸ線の取込み角を設定するだけでなく、長さ方向と直交する幅方向にも湾曲させてＸ線の取込み角を設定した構成となっており、広い面積で且つ大きな取込み角をもってＸ線管４２からのＸ線を反射させることで、大きな強度のＸ線を照射できるようにしてある。このＸ線光学素子４３も入射したＸ線を単色化する機能を有していることは勿論である。例えば、Ｘ線管４２がＭｏターゲットのときにはＭｏ−Κα、ＡｕターゲットのときにはＡｕ−ＬβにＸ線を単色化することができる。【００６３】
さて、上述した３次曲面以上の高次曲面をした反射面を有する２重湾曲分光結晶板４３Ａは、例えば、国際公開ＷＯ２００７／０７２９０６号公報に開示された高温型押しの製法をもって製作することができる。例えば、平板状の半導体単結晶板を型押し部材に挟み込んで高温加圧して塑性変形させることで、広い面積で且つ大きな取込み角を有する３次曲面以上の高次曲面をした２重湾曲分光結晶板４３Ａを製作することができる。ここで、２重湾曲分光結晶板４３Ａの結晶格子面は、例えば、非対称Ｊｏｈａｎｎ型又はＬｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ  ｓｐｉｒａｌ型のＸ線回折条件を満たすように調整してある。【００６４】
図１６及び図１７に戻り、Ｘ線照射ユニット４０は、チューブシールド４１内に入射側アパーチャ４７ａと出射側アパーチャ４７ｂが設けてある。入射側アパーチャ４７ａは、Ｘ線管４２から放射されたＸ線を絞り込んで２重湾曲分光結晶板４３Ａの反射面に効率的に照射させるための透過窓部材である。また出射側アパーチャ４７ｂは、２重湾曲分光結晶板４３Ａで反射してきたＸ線を絞り込んで効率的にＸ線を収束させて焦点に導くための透過窓部材である。【００６５】
入射側アパーチャ４７ａは、Ｘ線を遮蔽できる金属材料で形成された遮蔽部材の中央部にＸ線を透過する開口部を設けた構成となっている。また、出射側アパーチャ４７ｂは、Ｘ線を遮蔽できる金属材料で形成された遮蔽部材の中央部にＸ線を透過する開口部を設けるとともに、この遮蔽部材を直交する高さ方向（Ｚ方向）と幅方向（Ｙ方向）に移動できる構成としてある。そして、第２チューブ４１ｂに設けた高さ調整ねじ４７ｃをもってＸ線を透過させる開口部の高さ位置を微調整できる構成となっている。さらに、第２チューブ４１ｂに設けた横位置調整ねじ４７ｄをもってＸ線を透過させる開口部の幅方向位置を微調整できる構成となっている。【００６６】
また、図１７に示すように、チューブシールド４１の連結部材４１ｄは、第１チューブ４１ａに対し第２チューブ４１ｂを出射するＸ線の光路方向に移動調整できる構造としてあり、これによりＸ線管４２から出射されたＸ線の光路に対し、Ｘ線光学素子４３の反射面の位置を微調整できるようになっている。さらに、第１チューブ４１ａは連結部材４１ｄに対して図１７の矢印θ方向に首振りできるように構成してあり、マイクロメータ４８の操作によりその首振り角θを微調整することができる。これによりＸ線管４２から出射されたＸ線に対し、Ｘ線光学素子４３の反射面への入射角θを微調整できるようになっている。【００６７】
上述した構成のＸ線照射ユニット４０は、図１９に示すように蛍光Ｘ線測定に好適な光学系を形成することができる。すなわち、Ｘ線管４２から放射されたＸ線を、Ｘ線光学素子４３で単色化するとともに反射収束して、半導体ウエーハの被検査面に照射する。そして、半導体ウエーハから現れた蛍光Ｘ線を蛍光Ｘ線検出器６０で捕捉して分析する。【００６８】
図６〜図１５に示した第１の実施形態のＸ線照射ユニット４０と、図１６〜図１９に示した第２の実施形態のＸ線照射ユニット４０は、図１に示したＸ線薄膜検査装置における第１の旋回アーム３２にそれぞれ搭載することができる。例えば、図１に３台搭載したＸ線照射ユニット４０のうち、中央のＸ線照射ユニット４０を、図６〜図１５に示した第１の実施形態のＸ線照射ユニット４０とし、また上部のＸ線照射ユニット４０を、Ａｕ−ＬβのＸ線を照射する図１６〜図１９に示した第２の実施形態のＸ線照射ユニット４０とし、さらに下部のＸ線照射ユニット４０を、Ｍｏ−ΚαのＸ線を照射する図１６〜図１９に示した第２の実施形態のＸ線照射ユニット４０とする。
このように各種のＸ線照射ユニット４０を第１の旋回アーム３２に搭載しておけば、Ｘ線照射ユニット４０を旋回移動させるだけで、Ｘ線反射率測定や蛍光Ｘ線測定に適したＸ線照射ユニット４０を短時間で効率的にセッティングすることができる。【００６９】
〔温度補正システム〕
次に、Ｘ線薄膜検査装置の温度補正システムについて詳細に説明する。
Ｘ線薄膜検査装置の内部温度が変化すると、同装置を構成する各部材が僅かながらではあるが膨張又は収縮し、Ｘ線の照射点である同装置の検査位置が３次元的に変動する。検査位置には、例えば、半導体ウエーハの微小パターン（被測定部位）が配置され、ここにＸ線が照射される。しかしながら、温度変化に伴い検査位置に変動が生じた場合、被測定部位である半導体ウエーハの微小パターンにＸ線を適正に照射できず、Ｘ線による測定精度の低下をまねくおそれがある。
半導体製造ラインが設置されたクリーンルーム内は、高精度に温度管理がなされており、例えば、温度変化は１℃以内に保たれている。しかし、被測定部位である半導体ウエーハの微小パターンは数十μｍの微小面積であり、この微小面積に収束されたＸ線を照射してＸ線検査が行われる過程においては、ミクロン単位での位置変動も測定結果に大きく影響を及ぼす。
そこで、本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置には、温度変化に伴う検査位置（Ｘ線の照射位置）の変動を補正して、Ｘ線の照射点に検査位置を合わせるための温度補正システムが組み込んである。【００７０】
＜温度補正の原理＞
本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の温度補正システムは、次の原理に基づいて温度変化に基づく位置変動を補正している。
温度変化に伴う検査位置（Ｘ線照射位置）を変動させる要因（位置変動要因）を大きく分類すると、Ｘ線ビームの移動、検査対象の移動、光学顕微鏡７０の移動が考えられる。例えば、ゴニオメータ３０の膨張・収縮などからＸ線ビームが移動し、試料台１０の膨張・収縮などから検査対象が移動し、光学顕微鏡７０を支持する支持枠の膨張・収縮などから光学顕微鏡７０による観察位置が移動する。
そこで、温度変化に伴う位置変動の要因をＮ個に特定し、各位置変動要因の時間経過に関する係数（時定数τ）と温度変化に関する係数（温度定数Ｃ）とを考慮して、温度変化に伴う位置変動を推定する。
具体的には、ｎ番目の位置変動要因の時定数をτｎ、温度定数をＣｎとし、ｔ秒間隔で温度を測定していき、測定開始からｉ回目の測定（測定時刻ｔ[ｉ]）における測定温度がＴＭ[ｉ]であったとする。このときの実効温度ＴＥｎ[ｉ]は、漸化式（１）で算出することができる。【００７１】
【数１】
2016059673.tif 000006
【００７２】
なお、温度測定開始時の測定温度ＴＭ[０]と、実効温度ＴＥｎ[０]との差を、ΔＴｎとすると、これらの間には次式（２）の関係が成立する。【００７３】
【数２】
2016059673.tif 000007
【００７４】
温度定数Ｃｎは、実効温度が１℃変化したときの位置変化量に対応する。そして、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における高さ方向（Ｚ方向）の位置変動ΔＺ[ｉ]は、各位置変動要因の実効温度ＴＥｎ[ｉ]と温度定数Ｃｎを用いて、次式（３）のように推定することができる。【００７５】
【数３】
2016059673.tif 000008
【００７６】
したがって、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における高さ方向の検査位置Ｚ[ｉ]は、温度変化に伴う位置変動がない状態の基準位置をＺ[０]として、これに上記温度変化に伴う位置変動ΔＺ[ｉ]を加えて、次式（４）のように推定することができる。【００７７】
【数４】
2016059673.tif 000009
【００７８】
なお、基準位置Ｚ[０]は、温度測定開始時の検査位置に対応する。しかし、温度測定開始時の各位置変動要因に関する測定温度と実効温度の差ΔＴｎを推定することは現実的に難しいため、ΔＴｎ＝０として、各位置変動要因の時定数に比べて十分な時間が経過してからの温度測定データを用いることが好ましい。これは、後述する幅方向（Ｘ方向）及び光路方向（Ｙ方向）の位置変動を求めるときも同様である。【００７９】
各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎは、測定開始からｉ回目までの測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における高さ方向（Ｚ方向）の検査位置を実測し、その実測検査位置を上記式（４）のＺ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により求めることができる。【００８０】
このようにして、各位置変動要因の変数（時定数τｎと温度定数Ｃｎ）を決定すれば、これらの変数を上記の式（１）及び式（３）に挿入し、これら各式に基づいて測定温度ＴＭ[ｉ]のデータから、測定時刻ｔ[ｉ]における検査位置の高さ方向の位置変動ΔＺ[ｉ]を算出することができる。【００８１】
次に、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上の長さ方向（Ｘ方向）の位置変動ΔＸ[ｉ]は、各位置変動要因の実効温度ＴＥｎ[ｉ]と温度定数Ｃｎを用いて、次式（５）のように推定することができる。【００８２】
【数５】
2016059673.tif 000010
【００８３】
したがって、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上の長さ方向（Ｘ方向）の検査位置Ｘ[ｉ]は、温度変化に伴う位置変動がない状態の基準位置をＸ[０]として、これに上記温度変化に伴う位置変動ΔＸ[ｉ]を加えて、次式（６）のように推定することができる。【００８４】
【数６】
2016059673.tif 000011
【００８５】
そして、各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎは、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上の長さ方向（Ｘ方向）の検査位置を実測し、その実測検査位置を上記式（６）のＸ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により求めることができる。【００８６】
このようにして、各位置変動要因の変数（時定数τｎと温度定数Ｃｎ）を決定すれば、これらの変数を上記の式（１）及び式（５）に挿入し、これら各式に基づいて測定温度ＴＭ[ｉ]のデータから、測定時刻ｔ[ｉ]における検査位置の水平面上での長さ方向（Ｘ方向）の位置変動ΔＸ[ｉ]を算出することができる。【００８７】
また、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上での幅方向（Ｙ方向）の位置変動ΔＹ[ｉ]は、各位置変動要因の実効温度ＴＥｎ[ｉ]と温度定数Ｃｎを用いて、次式（７）のように推定することができる。【００８８】
【数７】
2016059673.tif 000012
【００８９】
したがって、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上での幅方向（Ｙ方向）の検査位置Ｙ[ｉ]は、温度変化に伴う位置変動がない状態の基準位置をＹ[０]として、これに上記温度変化に伴う位置変動ΔＹ[ｉ]を加えて、次式（８）のように推定することができる。【００９０】
【数８】
2016059673.tif 000013
【００９１】
そして、各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎは、測定開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における水平面上での幅方向（Ｙ方向）の検査位置を実測し、その実測検査位置を上記式（８）のＹ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により求めることができる。【００９２】
このようにして、各位置変動要因の変数（時定数τｎと温度定数Ｃｎ）を決定すれば、これらの変数を上記の式（１）及び式（７）に挿入し、これら各式に基づいて測定温度ＴＭ[ｉ]のデータから、測定時刻ｔ[ｉ]における検査位置の水平面上での幅方向（Ｙ方向）の位置変動ΔＹ[ｉ]を算出することができる。【００９３】
＜温度補正システムの概要＞
本実施形態に係る温度補正システムは、図３に示した中央処理装置１００に格納された温度補正ソフトウエアに基づき、後述する温度補正方法を実行する構成となっている。【００９４】
また、Ｘ線薄膜検査装置は、温度補正システムの構成要素である温度測定ユニット１１０を備えている（図３参照）。温度測定ユニット１１０には、公知の各種温度センサや熱電対を用いることができる。本来は、温度測定ユニットにより、温度変化に伴う位置変動要因である各種装置構成部材の内部温度を測定すべきところであるが、多数の構成部材の内部温度を一つ一つ測定するのは困難であり現実的でない。そこで、本実施形態では、各種装置構成部材の内部温度をいちいち測らなくてもよいように、時定数τｎと温度定数Ｃｎを求めた。よって、温度は、装置を構成するすべて部材の外部温度を代表する地点で測定すればよい。具体的には、温度測定ユニット１１０により、Ｘ線薄膜検査装置が設置された検査室内の空気温度や、検査室の排気口から排出されてくる空気温度を測定し、これを上述した式（１）における測定温度ＴＭ[ｉ]とした。【００９５】
＜温度補正方法＞
中央処理装置１００は、格納された温度補正ソフトウエアに基づき、次の温度補正方法を実行する。温度補正方法は、上述した原理における位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを求める準備段階と、求めた位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを挿入した上記の式（１）（３）（５）（７）に基づき、温度測定と位置補正を繰り返す実行段階とに分けられる。【００９６】
まず、位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを求める準備段階について説明する。
図２０のフローチャートに示すように、準備段階では、まず温度変化に伴う位置変動要因を設定して測定を開始し（ステップＳ１、Ｓ２）、一定の測定間隔毎に温度測定と検査位置の実測を行う（ステップＳ３，Ｓ４）。これら温度測定と検査位置の実測をあらかじめ設定した時間だけ繰り返し実行する（ステップＳ５）。
そして、高さ方向（Ｚ方向）の位置変動であれば、得られた測定データを上記式（４）のＺ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを求める（ステップＳ６）。同様に、水平面上での長さ方向（Ｘ方向）の位置変動であれば、得られた測定データを上記式（６）のＸ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを求める（ステップＳ６）。また、水平面上での幅方向（Ｙ方向）の位置変動であれば、得られた測定データを上記式（８）のＹ[ｉ]に挿入して、最小二乗法により位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを求める（ステップＳ６）。【００９７】
ここで、高さ方向（Ｚ方向）の検査位置の実測は、次の手順で行うことができる。
まず、図２１に示すように、試料台１０の上面に温度補正用の試料Ｓを配置し、この試料Ｓの被測定部ＳＡを、光学顕微鏡７０の下方位置へ移動させる。続いて、ゴニオメータ３０の各旋回アーム３２，３３を回転駆動して、所定のＸ線照射ユニット４０とＸ線検出器５０とが試料台１０を挟んで水平対向位置に配置されるように設定する。このような配置関係では、Ｘ線照射ユニット４０から照射されたＸ線の中心軸は水平となり、対向配置したＸ線検出器５０における検出面の中心へ入射する。
次いで、中間位置にある試料台１０を高さ方向（Ｚ方向）に移動し、Ｘ線検出器５０で検出されるＸ線の強度が、Ｘ線管４２から放射されるＸ線強度の１／２となるように調整する。これにより、Ｘ線管４２から放射されたＸ線の１／２が試料台１０及び試料Ｓの側面に遮られ、残りの１／２が試料Ｓの上方を通過してＸ線検出器５０に入射する位置に試料Ｓが配置される。この配置において、試料Ｓの上面はＸ線管４２から放射されるＸ線の中心軸と一致する。この高さ位置が高さ方向の検査位置となり、Ｘ線薄膜検査に際しては、この高さ位置にＸ線照射ユニット４０からＸ線が照射される。これら一連の操作を、一般に「半割り」と称している。【００９８】
次に、光学顕微鏡７０のオートフォーカス機構を用いて、図２１に示すように、光学顕微鏡７０の焦点を試料Ｓの被測定部位ＳＡに合わせて、光学顕微鏡７０から当該試料Ｓの上面までの距離ｈを測定する。本実施形態では、この距離ｈを検査位置に関する高さ方向（Ｚ方向）の実測位置としている。【００９９】
次に、水平面上で直交する長さ方向（Ｘ方向）及び幅方向（Ｙ方向）の検査位置の実測手順について説明する。
図１に示したＸ線薄膜検査装置では、図２２Ａに示すように、検査位置（Ｘ線照射ユニット４０によるＸ線の照射位置）Ｐｘと、光学顕微鏡７０による観察位置Ｐｃとが、水平面上で距離Ｌｐだけ離間した位置に設定されている。これは、図２２Ｂに示すように、検査位置の上方には蛍光Ｘ線検出器６０が設置されるため、光学顕微鏡７０を同じ位置に設置できないからである。
そこで、まず図２２Ａに示すように、試料台１０を水平移動して、試料台１０の上面に配置した試料Ｓの測定点ＳＡを、光学顕微鏡７０による観察位置Ｐｃの中心に配置する。これは光学顕微鏡７０が捉えた映像を、画像認識回路１０２で画像認識して、当該画像に基づき中央処理装置１００が位置決め機構２０を制御することで実行することができる。【０１００】
次いで、検査位置に配置した試料Ｓの測定点ＳＡを、検査位置Ｐｘに移動配置する。これは、図２２Ｂに示すように、検査位置Ｐｘに向けてＸ線照射ユニット４０からＸ線を照射しながら、試料台１０を水平移動させ、蛍光Ｘ線検出器６０で試料Ｓから出射される蛍光Ｘ線を検出することで実行することができる。すなわち、試料Ｓの測定点ＳＡが検査位置Ｐｘ、（すなわち、Ｘ線照射ユニット４０によるＸ線の照射位置）に配置されたとき、蛍光Ｘ線検出器６０で検出される蛍光Ｘ線がピーク強度に到達する。なお、温度補正用の試料Ｓは、Ｘ線照射により蛍光Ｘ線を励起する材料で構成する。【０１０１】
本実施形態では、このようにして試料台１０に配置した試料Ｓの測定点ＳＡを、光学顕微鏡７０による観察位置から検査位置Ｐｘへと移動したときの、長さ方向（Ｘ方向）の移動量ｘを、試料台１０の検査位置に関する水平面上での長さ方向（Ｘ方向）の実測位置としている。
同様に、試料台１０の検査位置に配置した試料Ｓの測定点ＳＡを、光学顕微鏡７０による観察位置から検査位置Ｐｘへと移動したときの、幅（Ｙ方向）の移動量ｙを、試料台１０の検査位置に関する水平面上での幅方向（Ｙ方向）の実測位置としている。【０１０２】
温度補正の実行段階では、上述した手順で求めた位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを、上述した式（１）（３）（５）（７）のパラメータとして設定し、中央処理装置１００がこれらの式に基づいて温度補正を実行する。この温度補正の実行段階は、Ｘ線の薄膜検査の実行と並行して行われる。すなわち、Ｘ線の薄膜検査の実行している間、中央処理装置１００は、温度測定ユニット１１０から送られてくる温度測定データを入力し、この温度測定データに基づき、式（１）（３）（５）（７）から検査位置の温度変化に伴う位置変動を算出し、その変動量だけ試料台の位置を微調整する。
これにより、常にＸ線の照射点に試料台１０の検査位置を合致させて、高精度なＸ線の薄膜検査を行うことが可能となる。【０１０３】
さて、本発明者らは、温度変化に伴う位置変動の要因として、Ｘ線薄膜検査装置を構成する各部材の時定数の違いに着目し、時定数τが大きい部材と時定数τが小さい部材の２つに分け（すなわち、Ｎ＝２）、これら２つの位置変動要因を設定して、上述した温度補正を実行したとき、温度変化に伴う位置変動を極めて高精度に補正することができた。なお、時定数は、部材の比熱及び熱膨張率と熱伝導距離により決まる。例えば、薄いパイプ部材では時定数が小さく、サイズが大きい部材では時定数が大きくなる。【０１０４】
図２３は本発明者らによる実験結果を示すグラフである。
半導体製造ラインが設置されたクリーンルーム内に設置してあるＸ線薄膜検査装置を対象として、同装置の内部温度を測定し、同装置の温度変化に伴う位置変動を補正した。
本実験では、温度変化に伴う位置変動要因として、時定数が２６６．２秒と小さいもの（位置変動要因ｎ１）と、時定数が１０２７２．５秒と大きいもの（位置変動要因ｎ２）の２つを設定し、上述した式（４）に基づいて、光学顕微鏡７０から試料台１０の上面までの距離ｈの計算値を算出した（図２３のＤＡＴＡ３参照）。なお、位置変動要因ｎ１の温度定数は−１２．９８μｍ／℃、位置変動要因ｎ２の温度定数は１３．２０μｍ／℃である。【０１０５】
そして、光学顕微鏡７０から試料台１０の上面までの距離ｈの計算値と実測値との差分（すなわち、変動量）を求めた結果、図２３のＤＡＴＡ４に示すように変動量は極めて小さな値を示しており、この結果、本発明の温度補正システムにより、温度変化に伴う位置変動を高精度に補正することができることが明らかになった。【０１０６】
〔Ｘ線反射率測定システムの改良〕
次に、Ｘ線薄膜検査装置のＸ線反射率測定に関するシステムの改良について説明する。
周知のとおり、Ｘ線反射率測定は、特に薄膜の厚さや、薄膜表面の粗さ、薄膜と基材との間の界面の粗さ、薄膜の密度等を測定するのに適している。このＸ線反射率測定の原理は、以下のとおりである（図２４、図２５参照）。【０１０７】
図２４Ａにおいて、表面が平坦な物質２０１の表面すれすれにＸ線を入射、すなわち低角度θからＸ線を入射すると、臨界角度以下では全反射を生じる。この臨界角度は非常に小さく、例えばＣｕＫαのＸ線に対し、Ｓｉやガラス板では０．２２°、Ｎｉでは０．４２°、そしてＡｕでは０．５７°である。【０１０８】
この臨界角度は、物質の電子密度に依存して変化する。Ｘ線の入射角度がこの臨界角度よりも大きくなるにしたがって、Ｘ線は次第に物質中へ深く入り込んでいく。そして、理想的な平面をもった物質では、図２４Ｂに曲線Ａで示すように、臨界角度をθｃ以上の角度で、Ｘ線反射率がθ−４（θはＸ線入射角）に比例して急激に減少する。さらに、物質の表面が粗れていると、減少の程度は破線Ｂで示すように一層大きくなる。図の縦軸において、Ｉ０は入射Ｘ線強度であり、Ｉは反射Ｘ線強度である。【０１０９】
図２５Ａに示すように、このような物質を基板２０１として、その基板２０１上に電子密度の異なる別の物質を均一に積層して薄膜２０２を形成する。そして、Ｘ線を低角度で入射すると、基板２０１と薄膜２０２との間の界面、および薄膜２０２の表面で反射したＸ線が、互いに強めあったり弱めあったりする。その結果、図２５Ｂに示すように、反射率曲線にＸ線の干渉による振動パターンＣが現れる。【０１１０】
この振動パターンＣの周期から、薄膜２０２の厚さを決定でき、また振動パターンＣの振幅の角度依存性から、表面および界面の情報が得られる。さらに、振動パターンの周期と振幅の両方を併せて検討することにより、薄膜２０２の密度が求められる。【０１１１】
本発明のＸ線薄膜検査装置によりＸ線反射率測定（ＸＲＲ）を実施する場合、Ｘ線検出器５０として、既出したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に代えて一次元Ｘ線検出器を用い、ＴＤＩ（Time Delay Integration）と称する走査方式をもってＸ線の検出データを取得することもできる。【０１１２】
ＴＤＩ方式では、図２６に示すように、複数の並列配置された検出器ａ１、ａ２、ａ３、ａ４を並列方向（図のＱ方向）に走査して、検出器１個分が移動するタイミングｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、・・・、ｔＬで各検出器ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、・・・、ａＭから検出データを読み出す。そして、各検出器ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、・・・、ａＭの検出データを走査角度２θ１、２θ２、２θ３、２θ４、・・・、２θＮ毎に足し合わせて、各走査角度２θ１、２θ２、２θ３、２θ４、・・・、２θＮにおけるＸ線強度を求める。【０１１３】
具体的には、ゴニオコントローラ１０６から単位角度Δθ毎に制御信号を出力して、ゴニオメータ３０の各旋回アーム３２，３３を旋回させる。この際、ゴニオコントローラ１０６から単位角度Δθ毎に出力される制御信号をトリガーとして、一次元Ｘ線検出器からの検出信号を読み出す。そして、一定時間毎にゴニオメータ３０の各旋回アーム３２，３３の旋回角度θをシフトして、一次元Ｘ線検出器からの検出信号を積分していく。【０１１４】
本実施形態のＴＤＩ方式では、各旋回アーム３２，３３の旋回角θＸ＝θＤの関係を保持して、各旋回アーム３２，３３を旋回駆動させる。これにより、検査対象へのＸ線の入射角θ（＝θＸ）を変化させながら、且つ一次元Ｘ線検出器も検出角度位置を変化させて、反射Ｘ線を検出している。【０１１５】
なお、ＴＤＩ方式によるＸ線検出データの取得は、中央処理装置１００に格納されたＴＤＩ方式用のソフトウエアで実行する構成とすることができる。また、ＴＤＩ方式によるＸ線検出データの取得は、一次元Ｘ線検出器内部のハードウエアや信号制御回路（ファームウエア）によって実行することも可能である。【０１１６】
さて、検査対象から反射してくるＸ線の発散幅を２δとしたとき、ＴＤＩによる走査範囲を、角度発散幅２δ相当に制限すると効率的である。なお、一次元Ｘ線検出器のピクセル幅ｘＭが検出範囲となる。このとき、Ｘ線反射率測定を実施範囲を０〜θmaxとすると、ゴニオメータの走査範囲θＸは、θ−δ〜θmax＋δとなる。ＴＤＩによる走査範囲が２δより大きい場合は、ゴニオメータの走査範囲が増加して、スループットが低下する。【０１１７】
このＴＤＩ方式を採用することにより、測定の迅速化とともに各走査角度において大きな検出強度を得ることが可能となる。【０１１８】
これらの構成を採用したＸ線反射率測定システムの概要を図２７に示す。
図２７に示すように、Ｘ線照射ユニット４０から入射Ｘ線（収束Ｘ線）Ｘ０を薄膜試料Ｗ（例えば、半導体ウエーハ）の表面すれすれに照射し、薄膜試料Ｗから反射してきた反射Ｘ線Ｘ１を一次元Ｘ線検出器５１で検出する。Ｘ線照射ユニット４０としては、例えば、既述したようなＸ線光学素子４３にコンフォーカルミラーを用いた構成のものを採用する（図６〜図１５参照）。この場合、図１３や図１５に示したように反射Ｘ線Ｘ１の走査方向への発散を抑えて利用する必要が無く、逆に広い発散角の入射Ｘ線Ｘ０に対する反射Ｘ線を同時に計測ことにより計測時間を短縮することができる。そして、ＴＤＩ方式をもって一次元Ｘ線検出器５１を走査し、Ｘ線の検出データを取得する。【０１１９】
上述したように、ＴＤＩの走査範囲を反射Ｘ線の角度発散幅δに絞った場合には、薄膜試料Ｗから反射してきた反射Ｘ線Ｘ１に対して、散乱Ｘ線を遮蔽するための受光スリット（ＲＳ：Receiving Slit）は設ける必要はない。
このように受光スリットを使用せず発散Ｘ線の全範囲を利用してＴＤＩ方式のＸ線反射率測定を実施するために、測定速度が格段に向上する。【０１２０】
一方、受光スリットを設けない場合、空気や検査対象表面からの散乱Ｘ線、検査対象から発生した蛍光Ｘ線等が一次元Ｘ線検出器に入射し、測定対象となる反射Ｘ線以外のバックグラウンド（ＢＧ）が増加し、一次元Ｘ線検出器５１のダイナミックレンジが減少する。【０１２１】
そこで、本実施形態では、図２７に示すようにＸ線吸収部材５２を設置し、薄膜試料Ｗから反射してくる反射Ｘ線Ｘ１の強度をＸ線吸収部材５２により減衰させて一次元Ｘ線検出器５１へ照射する構成を採用している。このＸ線吸収部材５２は、薄膜試料から少なくとも全反射してくる反射Ｘ線Ｘ１の強度を減衰させて一次元Ｘ線検出器５１に入射させるように配置してある。好ましくは、Ｘ線吸収部材５２は、図２５Ｂに示した全反射領域Ｚを含むが、測定データとして重要な振動パターンＣが現れる走査角度には至らない任意の走査角度θｄまでの範囲をカバーするように配置する。すなわち、走査角度θｄよりも小さい走査角度範囲においては、薄膜試料Ｗから大きな強度のＸ線Ｘ１が反射してくる。このような大きな強度の反射Ｘ線Ｘ１の光路上にＸ線吸収部材５２を介在させ、同部材でその反射Ｘ線Ｘ１の一部を吸収する。【０１２２】
Ｘ線吸収部材５２を介在させた走査角度範囲では、図２８Ａに示すように一次元Ｘ線検出器５１へ入射するＸ線の強度が小さくなる。この範囲のＸ線検出データは、ソフトウエアにより補正して、図２８Ｂに示すようにＸ線吸収部材５２によるＸ線の減衰量に対応する強度だけ嵩上げして、Ｘ線吸収部材５２を介在させていない走査角度範囲のＸ線検出データとの連続性を確保する。【０１２３】
以上の構成により、一次元Ｘ線検出器５１を用いたＴＤＩ方式によるＸ線反射率測定の迅速化を実現することができる。【０１２４】
さらに、図２９に示すように、薄膜試料Ｗの表面における入射Ｘ線Ｘ０の収束位置（又は反射Ｘ線Ｘ１の出射位置）と対向する位置にＸ線遮蔽部材５３を配置してもよい。Ｘ線遮蔽部材５３は、Ｘ線を透過させない材料でくさび状又は板状に形成してあり、薄膜試料Ｗの表面と直交するように配置してある。また、薄膜試料Ｗの表面とＸ線遮蔽部材５３との間には、薄膜試料Ｗに入射する入射Ｘ線Ｘ０（又は薄膜試料Ｗからの反射Ｘ線Ｘ１）が通過できるぎりぎりの隙間が開けてある。
このようにＸ線遮蔽部材５３を配置することで、空気からの散乱Ｘ線や反射ミラーからのゴースト等をＸ線遮蔽部材５３によって遮蔽し、それら反射Ｘ線以外のＸ線の一次元Ｘ線検出器５１への入射を抑制し、バックグラウンド（ＢＧ）成分を低減させることが可能となる。これにより、主として一次元Ｘ線検出器５１に入射する反射Ｘ線強度が弱くなる比較的高角の領域においてＳＮ比を向上し、Ｘ線反射率測定のダイナミックレンジを向上することができる。【０１２５】
空気や薄膜試料Ｗの表面からの散乱Ｘ線や、薄膜試料Ｗから発生した蛍光Ｘ線等の一次元Ｘ線検出器５１への入射を抑制するには、反射Ｘ線Ｘ１の光路に対して散乱スリット５４（ＳＳ：Scattering Slit）を配置してもよい。この場合、散乱スリット５４のみを反射Ｘ線Ｘ１が通過できるぎりぎりの隙間が開けて配置することもできるが、上述したＸ線遮蔽部材５３と併せて二重に散乱Ｘ線や蛍光Ｘ線を遮蔽する構成とすれば、いっそう効果的にそれら反射Ｘ線以外のＸ線の一次元Ｘ線検出器５１への入射を抑制し、バックグラウンド（ＢＧ）成分を低減させることが可能となる。【０１２６】
なお、上述した実施形態では、一次元Ｘ線検出器を用いてＴＤＩ方式によるＸ線反射率測定を実施したが、二次元Ｘ線検出器を用いてＴＤＩ方式によるＸ線反射率測定を実施することもできる。この構成は、図１６及び図１７に示したように幅方向に拡がった２本のＸ線ビームを用いた場合や、Ｘ線散漫散乱を測定する場合に適している。
また、Ｘ線吸収部材５２を一次元Ｘ線検出器又は二次元検出器の受光面に取り付けることもできる。この場合は、得られたＸ線検出データをソフトウエアにより補正して、角度ごとに積分していく。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年4月5日(2017.4.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象を上面に配置する試料台と、
前記試料台の上面に配置された前記検査対象における被検査部位の画像を観察する画像観察手段と、
前記画像観察手段による画像観察結果に基づき制御され、前記試料台を水平面上で直交する２方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させて、前記検査対象の被測定部位をあらかじめ設定された装置の検査位置へ位置決めする位置決め機構と、
前記検査位置に配置された前記検査対象の被測定部位へＸ線を照射するＸ線照射ユニットと、
前記検査位置に配置された前記検査対象の被測定部位から発生する蛍光Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線検出器と、
このＸ線薄膜検査装置の内部温度に相当する温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段により測定した温度に基づき前記検査位置を補正する温度補正システムと、
を備えたＸ線薄膜検査装置。
【請求項２】
前記試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する第１，第２の旋回部材を備えたゴニオメータを備え、
前記Ｘ線照射ユニットは、前記第１の旋回部材に搭載され、
前記第２の旋回部材には、前記検査位置に配置された前記検査対象の被測定部位から反射又は回折してくるＸ線を検出するＸ線検出器が搭載されている請求項１のＸ線薄膜検査装置。
【請求項３】
前記温度補正システムは、前記測定した温度に対して、一定の時定数をもって遅延して変化する実効温度に基づき前記検査位置を補正する請求項１又は２のＸ線薄膜検査装置。
【請求項４】
前記温度補正システムは、前記温度測定手段による温度測定を繰り返し、
次の（４−１）及び（４−２）のステップを実行する温度補正ソフトウエアにより前記検査位置を補正する請求項１又は２のＸ線薄膜検査装置。
（４−１）  温度変化に伴うｎ個の位置変動の要因に対し、ｎ番目の位置変動要因の時間経過に関する係数である時定数をτｎ、温度変化に関する係数である温度定数をＣｎとし、前記温度測定手段による温度測定をｔ秒間隔で実行していき、温度測定の開始からｉ回目の測定（測定時刻ｔ[ｉ]）における測定温度ＴＭ[ｉ]に基づき、そのときの前記ｎ番目の位置変動要因の実効温度ＴＥｎ[ｉ]を、次式（ａ）から推定する。
【数１０】
2016059673.tif 000046
（４−２）  温度測定の開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における位置変動ΔＰ[ｉ]を、次式（ｂ）によって算出する。
【数１１】
2016059673.tif 000047
【請求項５】
前記温度補正システムは、次の（５−１）及び（５−２）のステップを実行する前記温度補正ソフトウエアにより、前記各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを算出する請求項４のＸ線薄膜検査装置。
（５−１）  前記温度測定手段による温度測定をｔ秒間隔で実行するとともに、各温度測定時点での前記検査位置を実測する。
（５−２）  温度変化に伴う位置変動がない状態の基準位置をＰ[０]とした次の関係式（ｃ）を用いて、温度測定の開始からｉ回目の測定時点（測定時刻ｔ[ｉ]）における検査位置Ｐ[ｉ]に、当該測定時点において前記（５−１）のステップで実測した検査位置を挿入し、最小二乗法により前記各位置変動要因の時定数τｎと温度定数Ｃｎを算出する。
【数１２】
2016059673.tif 000048
【請求項６】
前記温度測定手段は、このＸ線薄膜検査装置の内部温度に相当する温度として、当該Ｘ線薄膜検査装置が設置された検査室内の空気温度、又は当該検査室の排気口から排出されてくる空気温度を測定する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＸ線薄膜検査装置。
【請求項７】
前記温度補正システムは、前記画像観察手段による画像観察結果を参照して、前記検査位置を実測する請求項５のＸ線薄膜検査装置。
【請求項８】
前記温度補正システムは、前記試料台が移動する高さ方向の検査位置を補正する構成であり、次の（８−１）乃至（８−４）のステップを実行する前記温度補正ソフトウエアにより当該高さ方向の検査位置を実測する請求項５又は７のＸ線薄膜検査装置。
（８−１）  前記ゴニオメータを制御して、前記第１の旋回部材に搭載されたＸ線照射ユニットから出射されるＸ線の中心軸を水平に調整するとともに、当該Ｘ線の中心軸上に前記第２の旋回部材に搭載されたＸ線検出器を対向配置する。
（８−２）  前記Ｘ線照射ユニットを制御して、前記Ｘ線検出器に向けてＸ線を照射する。
（８−３）  前記位置決め機構を制御して、前記Ｘ線検出器が検出するＸ線強度が、前記Ｘ線照射ユニットから出射されるＸ線の強度の１／２となるように、前記試料台を高さ方向に移動する。
（８−４）  前記画像観察手段を制御し、上方から前記検査位置に当該画像観察手段の焦点を合わせて、高さ方向の前記検査位置を実測する。
【請求項９】
前記Ｘ線照射ユニットによるＸ線の照射位置と、前記画像観察手段による画像観察位置とが水平面上の異なる位置に設定されたＸ線薄膜検査装置において、
前記温度補正システムは、前記試料台が移動する水平面上の検査位置を補正する構成であり、次の（９−１）乃至（９−４）のステップを実行する前記温度補正ソフトウエアにより当該水平面上の検査位置を実測する請求項５又は７のＸ線薄膜検査装置。
（９−１）  前記位置決め機構を制御して、温度補正用の試料が前記検査位置に配置された前記試料台を水平移動し、前記画像観察手段からの画像情報に基づき、前記検査位置を前記画像観察手段の下方位置に配置する。
（９−２）  前記Ｘ線照射ユニットから照射位置に向けてＸ線を照射する。
（９−３）  前記位置決め機構を制御して、前記検査位置に配置された前記温度補正用の試料に前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線が照射され、当該試料から発生する蛍光Ｘ線がピーク強度に到達する位置へ、前記試料台を水平移動する。
（９−４）  前記ステップ（９−１）の位置から前記ステップ（９−３）の位置までの前記試料台の移動量に基づいて、水平面上の前記検査位置を実測する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
ここで、温度補正システムは、温度測定手段による温度測定を繰り返し、次の（４−１）及び（４−２）のステップを実行する温度補正ソフトウエアにより検査位置を補正する構成とすることが好ましい。
（４−１）  温度変化に伴うｎ個の位置変動の要因に対し、ｎ番目の位置変動要因の時間経過に関する係数である時定数をτｎ、温度変化に関する係数である温度定数をＣｎとし、温度測定手段による温度測定をｔ秒間隔で実行していき、温度測定の開始からｉ回目の測定（測定時刻ｔ[ｉ]）における測定温度ＴＭ[ｉ]に基づき、そのときのｎ番目の位置変動要因の実効温度ＴＥｎ[ｉ]を、次式（ａ）から推定する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、Ｘ線薄膜検査装置において、Ｘ線照射ユニットによるＸ線の照射位置と、画像観察手段による画像観察位置とが水平面上の異なる位置に設定されている場合に、
温度補正システムは、次の（９−１）乃至（９−４）のステップを実行する温度補正ソフトウエアにより、試料台が移動する水平面上の検査位置を実測することができる。
（９−１）  位置決め機構を制御して、温度補正用の試料が検査位置に配置された試料台を水平移動し、画像観察手段からの画像情報に基づき、検査位置を画像観察手段の下方位置に配置する。
（９−２）  Ｘ線照射ユニットから照射位置に向けてＸ線を照射する。
（９−３）  位置決め機構を制御して、検査位置に配置された温度補正用の試料にＸ線照射ユニットからのＸ線が照射され、当該試料から発生する蛍光Ｘ線がピーク強度に到達する位置へ、試料台を水平移動する。
（９−４）  ステップ（９−１）の位置からステップ（９−３）の位置までの試料台の移動量に基づいて、水平面上の検査位置を実測する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
ゴニオメータ３０は、ゴニオメータ本体３１に、第１，第２の旋回アーム（旋回部材）３２，３３を搭載している。各旋回アーム３２，３３は、図２の紙面に垂直な軸（θＸ軸、θＤ軸）を中心に、試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する。ここで、第１の旋回アーム３２の水平位置からの旋回角度をθＸ、第２の旋回アーム３３の水平位置からの旋回角度をθＤとする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
なお、図１０Ａに示す収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄは、図９に示すようにＸ線光学素子４３で反射して収束位置ｆｂに至る中間位置の切断面Ａで切断した際の断面形状を示しており、収束位置ｆｂではこれら各収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが一つに重なり合う。
したがって、収束位置ｆｂで４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが一つに重なり合えば、１本の収束Ｘ線の４倍のＸ線強度を得ることができる。また、後述するように、収束位置ｆｂで２本の収束Ｘ線Ｘｂ，Ｘｄが一つに重なり合えば、１本の収束Ｘ線の２倍のＸ線強度を得ることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
図９に示す収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄの収束位置ｆｂは半導体ウエーハの測定位置に合わせてあり、この収束位置ｆｂに既述した位置決め機構２０をもって半導体ウエーハ内の任意の被測定部位が位置決めされる。なお、測定位置はゴニオメータ３０のθ軸上に設定してある。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
さて、既述したように、収束位置ｆｂで４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄが一つに重なり合えば、１本の収束Ｘ線の４倍のＸ線強度を得ることができる。しかしながら、図１０Ａに示すような４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄを半導体ウエーハの被検査面に照射した場合、半導体ウエーハの被検査面から反射してくる反射Ｘ線Ｘrａ，Ｘrｂ，Ｘrｃ，Ｘrｄは、図１１に示すように広がってＸ線検出器５０に入射する。このように、Ｘ線検出器５０に入射する反射Ｘ線Ｘrａ，ＸrｂとＸrｄ，Ｘrｃとの間に高さ方向（Ｚ方向）の広がりがあると、特にＸ線反射率測定では、高精度な測定結果を得ることができない。
一方、蛍光Ｘ線測定においては、半導体ウエーハから励起して出てくる蛍光Ｘ線Ｘｆを蛍光Ｘ線検出器６０で捕捉するため、反射Ｘ線Ｘrａ，Ｘrｂ，Ｘrｃ，Ｘrｄの広がりは測定精度に何ら影響しない。
そこで、蛍光Ｘ線測定においては、図１０Ａや図１０Ｂに示すような４本の収束Ｘ線Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃ，Ｘｄを利用して、１本の収束Ｘ線の４倍のＸ線強度をもって測定を実施することで、高精度な測定結果を得ることが可能となる。一般的に、Ｘ線計測における計測誤差のうち統計誤差は√Ｎであらわされ（ＮはＸ線強度）、統計誤差率は√Ｎ／Ｎとなる。Ｘ線強度が４倍になると、統計誤差率は√（４Ｎ）／４Ｎ＝１／２×√Ｎ／Ｎとなる。すなわち、４倍のＸ線強度を有する上記構成とすることで、統計誤差率を１／２に低減することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
＜温度補正の原理＞
本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の温度補正システムは、次の原理に基づいて温度変化に基づく位置変動を補正している。
温度変化に伴う検査位置（Ｘ線照射位置）を変動させる要因（位置変動要因）を大きく分類すると、Ｘ線ビームの移動、検査対象の移動、光学顕微鏡７０の移動が考えられる。例えば、ゴニオメータ３０の膨張・収縮などからＸ線ビームが移動し、試料台１０の膨張・収縮などから検査対象が移動し、光学顕微鏡７０を支持する支持枠の膨張・収縮などから光学顕微鏡７０による観察位置が移動する。
そこで、温度変化に伴うｎ個の位置変動の要因に対し、各位置変動要因の時間経過に関する係数（時定数τ）と温度変化に関する係数（温度定数Ｃ）とを考慮して、温度変化に伴う位置変動を推定する。
具体的には、ｎ番目の位置変動要因の時定数をτｎ、温度定数をＣｎとし、ｔ秒間隔で温度を測定していき、測定開始からｉ回目の測定（測定時刻ｔ[ｉ]）における測定温度がＴＭ[ｉ]であったとする。このときの実効温度ＴＥｎ[ｉ]は、漸化式（１）で算出することができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
なお、基準位置Ｚ[０]は、温度測定開始時の検査位置に対応する。しかし、温度測定開始時の各位置変動要因に関する測定温度と実効温度の差ΔＴｎを推定することは現実的に難しいため、ΔＴｎ＝０として、各位置変動要因の時定数に比べて十分な時間が経過してからの温度測定データを用いることが好ましい。これは、後述する幅方向（Ｙ方向）及び光路方向（Ｘ方向）の位置変動を求めるときも同様である。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１９】
上述したように、ＴＤＩの走査範囲を反射Ｘ線の角度発散幅２δに絞った場合には、薄膜試料Ｗから反射してきた反射Ｘ線Ｘ１に対して、散乱Ｘ線を遮蔽するための受光スリット（ＲＳ：Receiving Slit）は設ける必要はない。
このように受光スリットを使用せず反射Ｘ線の全範囲を利用してＴＤＩ方式のＸ線反射率測定を実施するために、測定速度が格段に向上する。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２１】
2016059673.tif 000049
【国際調査報告】
2016059673.tif 000050
2016059673.tif 000051
2016059673.tif 000052