(57)【要約】【課題】  Ｘ線反射計についての改善された方法及びシステムを提供する。【解決手段】  サンプル表面を検査する方法は、焦点領域を持つ放射線ビームを面に照射してすれすれに入射させるステップを含み、それによって、前記放射線は前記面から反射する。前記面に対する前記焦点領域の位置を変えるために、調整レンジ内の複数の調整ステージを通じて少なくとも一つの焦点領域及びサンプルが調整される。前記複数の調整ステージで前記面から反射された放射線のそれぞれの角度プロファイルが測定され、前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の調整を選択するために、前記角度プロファイルが比較される。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点領域を持つ放射線ビームを面に照射してすれすれに入射させて、前記放射線を前記面から反射させるステップと、
前記面に対する前記焦点領域の位置を変えるために、調整レンジ内の複数の調整ステージを通じて少なくとも一つの焦点領域及びサンプルを調整するステップと、
前記複数の調整ステージで前記面から反射された放射線のそれぞれの角度プロファイルを測定するステップと、
前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の調整を選択するために、前記角度プロファイルを比較するステップと
を含むサンプル表面の検査方法。
【請求項２】
前記角度プロファイルを比較するステップは、
各プロファイルにおけるピーク領域を特定するステップと、
前記ピーク領域についての形状基準を評価するステップと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記形状基準を評価するステップは、前記ピーク領域の平坦さを見積もるステップを含み、前記角度プロファイルを比較するステップは、ピーク領域が最も平坦になる調整を選択するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
それぞれの角度プロファイルを測定するステップは、前記面に接する零度を含む角度の大きさにわたって反射した放射線を測定するステップを含み、前記形状基準を評価するステップは、前記零度を決定するために前記ピーク領域の第１端部を検出するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記形状基準を評価するステップは、前記面から外部へ全反射する臨界角を決定するために、前記ピーク領域の第２端部を検出するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも一つの焦点領域及びサンプルを調整するステップは、サンプルの面に垂直な方向にサンプルの位置を調整するステップを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
Ｘ線の集光ビームを面に照射してすれすれに入射させて、前記Ｘ線を前記面から反射させるステップと、
レンジの位置を通じて前記サンプルの位置を前記サンプルの面に対して垂直方向に調整するステップと、
前記レンジ内の複数の位置で前記面から反射された放射線のそれぞれの角度プロファイルを測定するステップと、
前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の位置を選択するために、前記角度プロファイルを比較するステップと
を含むサンプル表面の検査方法。
【請求項８】
前記プロファイルを比較するステップは、
前記各プロファイルにおけるピーク領域を特定するステップと、
前記ピーク領域についての形状基準を評価するステップと
を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記形状基準を評価するステップは、前記ピーク領域の平坦さを見積もるステップを含み、前記角度プロファイルを比較するステップは、ピーク領域が最も平坦になる調整を選択するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
それぞれの角度プロファイルを測定するステップは、前記面に接する零度を含む角度の大きさにわたって反射した放射線を測定するステップを含み、前記形状基準を評価するステップは、前記零度を決定するために前記ピーク領域の第１端部を検出するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記形状基準を評価するステップは、前記面から外部へ全反射する臨界角を決定するために、前記ピーク領域の第２端部を検出するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記それぞれの角度プロファイルを測定するステップは、前記面に接した零度を含む角度スケールにわたって反射されたＸ線を測定するステップを含むことを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記角度プロファイルを比較するステップは、前記面がＸ線の集光ビームの焦点領域を実質的に二等分するサンプルの位置を選択するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記面を照射するステップは、前記面に照射するためにＸ線源を向けるステップを含み、反射した放射線を測定するステップは、検出素子のアレイを用いて前記放射線を受けるステップを含み、
前記面について零度付近の検出素子の少なくとも一つによって、前記面から反射することなく前記源から直接のＸ線の一部を受けることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記面に照射しながら、前記サンプルの面に凸状を誘起させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記サンプルを前記面に平行な平面上で平行移動させて、Ｘ線ビームを前記面の複数の点に順に入射させるステップと、
前記位置を調整するステップを繰り返すステップと、
前記面が、いずれの位置についても好ましい配置にある位置を選択するために、前記角度プロファイルを測定し、比較するステップと
を含むことを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
サンプルの面についてすれすれ入射する角度にわたって放射線を照射して、前記放射線が前記面から反射するステップと、
前記面で反射した放射線の第１及び第２端部で境界付けられたピーク領域を有する角度プロファイルを測定するステップと、
前記面の接線の方向を決めるために前記プロファイルにおける前記第１端部の位置を特定するステップと
を含むサンプル表面を検査する方法。
【請求項１８】
前記面から外部に全反射する臨界角を決めるために前記ピーク領域の第２端部を特定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ピーク領域の半値全幅（ＦＷＨＭ）を決めるために、前記第１及び第２端部を特定することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記面を照射するステップは、Ｘ線集光ビームを前記面に指向させるステップを含むことを特徴とする請求項１７から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記集光ビームを指向させるステップは、前記面を照射するためにＸ線源を指向させるステップを含み、前記角度プロファイルを測定するステップは、検出素子のアレイを用いて前記放射線を受けるステップを含み、前記面の接線の付近における検出素子の少なくとも一つは、前記面で反射されることなく前記源から直接にＸ線の一部を受けることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
焦点領域を持つ放射線ビームをすれすれ入射させてサンプルの面を照射する放射線源であって、前記放射線が前記面から反射するために設けられた放射線源と、
前記面に対する前記焦点領域の位置を変えるために、調整レンジ内の複数の調整ステージを通じて少なくとも一つの焦点領域及び前記サンプルを調整する調整機構と、
前記複数の調整ステージで前記面から反射された放射線のそれぞれの角度プロファイルを測定する放射線検出器と、
前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の調整を選択するために、前記角度プロファイルを比較する信号処理器と
を備えたことを特徴とするサンプル表面の検査装置。
【請求項２３】
前記信号処理器は、各プロファイルにおけるピーク領域を特定して、前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の調整を選択するために、前記ピーク領域についての形状基準を評価するために設けられたことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記信号処理器は、前記ピーク領域の平坦さを見積もり、ピーク領域が最も平坦になる調整を選択するために設けられたことを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記放射線検出器は、前記面に接する零度を含む角度の大きさにわたって反射した放射線を測定するために設けられ、前記信号処理器は、前記零度を決定するために前記ピーク領域の第１端部を検出するために設けられたことを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記信号処理器は、前記面から外部へ全反射する臨界角を決定するために、前記ピーク領域の第２端部を検出するために設けられたことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記調整機構は、前記サンプルの面に垂直な方向に前記サンプルの位置を調整するために設けられたことを特徴とする請求項２２から２６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２８】
Ｘ線の集光ビームを面に照射してすれすれに入射させて、前記Ｘ線を前記面から反射させるために設けられたＸ線源と、
レンジの位置を通じて前記サンプルの位置を前記サンプルの面に対して垂直方向に調整するために設けられた可動ステージと、
前記レンジ内の複数の位置で前記面から反射された放射線のそれぞれの角度プロファイルを測定する放射線検出器と、
前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の位置を選択するために、前記角度プロファイルを比較する信号処理器と
を備えることを特徴とするサンプル表面の検査装置。
【請求項２９】
前記信号処理器は、前記各プロファイルにおけるピーク領域を特定し、前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の位置を選択するために、前記ピーク領域についての形状基準を評価するために設けられたことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記信号処理器は、前記ピーク領域の平坦さを見積もるために設けられたことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記放射線検出器は、前記面に接する零度を含む角度の大きさにわたって反射した放射線を測定するために設けられ、前記信号処理器は、前記零度を決定するために前記ピーク領域の第１端部を検出するために設けられたことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
前記信号処理器は、前記面から外部へ全反射する臨界角を決定するために、前記ピーク領域の第２端部を検出するために設けられたことを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記放射線検出器は、前記面に接した零度を含む角度範囲にわたって反射されたＸ線を測定するために設けられたことを特徴とする請求項２８から３２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３４】
前記信号処理器は、前記面がＸ線の集光ビームの焦点領域を実質的に二等分するサンプルの位置を選択するために設けられたことを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記放射線検出器は、検出素子アレイを備え、前記面について零度付近の検出素子の少なくとも一つによって、前記面から反射することなく前記源から直接のＸ線の一部を受けることを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記可動ステージは、前記サンプルの面に凸状を誘起させるために前記サンプルを保持するように連結されていることを特徴とする請求項２８から３２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
前記可動ステージは、前記サンプルを前記面に平行な平面上で平行移動させて、Ｘ線ビームを前記面の複数の点に順に入射させるために設けられており、前記信号処理器は、前記面が、いずれの位置についても好ましい配置にある位置を選択するために設けられたことを特徴とする請求項２８から３２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３８】
サンプルの面についてすれすれ入射する角度にわたって放射線を照射する放射線源であって、前記放射線は前記面から反射するように設けられた放射線源と、
前記面で反射した放射線の第１及び第２端部で境界付けられたピーク領域を有する角度プロファイルを測定する放射線検出器と、
前記面の接線の方向を決めるために前記プロファイルにおける前記第１端部の位置を特定する信号処理器と
を備えることを特徴とするサンプル表面の検査装置。
【請求項３９】
前記信号処理器は、前記面から外部に全反射する臨界角を決めるために前記ピーク領域の第２端部を特定することを特徴とする請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記第１及び第２端部によって前記ピーク領域の半値全幅（ＦＷＨＭ）を決定することを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記Ｘ線源は、Ｘ線集光ビームを前記面に向って指向させるために設けられたことを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４２】
前記放射線検出器は、検出素子アレイを備え、前記面の接線の付近における検出素子の少なくとも一つは、前記面で反射されることなく前記源から直接にＸ線の一部を受けることを特徴とする請求項４１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分析機器に関し、特に、Ｘ線を用いた薄膜分析用の機器及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線反射計（ＸＲＲ）は、基板上に堆積した薄膜層の厚さ、密度及び表面性を測定する周知技術の一つである。この測定は、集積回路製造の間に半導体ウエハ基板上に堆積した層を評価する場合に特に有用である。
【０００３】
Ｘ線反射計は、テクノス（大阪、日本）、シーメンス（ミュンヘン、ドイツ）、ベーデ・サイエンティフィック・インスツルメント（ダラム、イギリス）等の多くの会社から販売されている。この反射計は、およそＸ線ビームをすれすれに、すなわちサンプルの面に対して微小角で入射させて、サンプルの外部にほぼ全反射するようにサンプルを照射して動作させる。サンプルから反射したＸ線の強度を角度の関数として測定することによって、干渉縞のパターンが得られ、それが解析されて干渉縞を引き起こす原因となる薄膜層の特性が決定される。Ｘ線強度測定は、一般にゴニオメータ上にマウントされたディテクタを用いて行われる。
【０００４】
薄膜特性の正確な測定を得るためには、反射の角度目盛りを正確に較正する必要がある。この較正のためには、特に、反射角が零度の場合の正確な制御が必要であり、それによって面に対して反射したビームの角度を正確に決めることができる。本発明の出願との関連で、及び、クレームにおいて、「零度（zero angle）」の用語は放射線の入射点における反射面の接線の向きを示す。光学的に正確な反射計測定を得るためには、測定点での零度を０．００５°以下で得る必要がある。古典的な反射計では、ホーリー（Holy et al）、「薄膜及び多層膜からの高分解能Ｘ線散乱（High-Resolution X-ray Scattering from Thin Films and Multilayers）」、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ、１９９９、第１８−２１頁に記載のように精密なアライメント方法を用いて零度の較正が行われている。なお、この文献は本願明細書の一部をなすものとしてここに挙げておく。その方法には、照射するＸ線ビームに垂直なサンプルの面を（すなわち面に垂直な軸に沿って）位置合わせする方法を含み、ゴニオメータの目盛りに対して面の傾き角を調整する方法を含む。
【０００５】
近年、Ｘ線反射計は、比例計数管又はアレイディテクタ、フォトダイオードアレイ又は電荷結合素子（ＣＣＤ）等の位置検知形検出器を用いて大きく発展している。例えば、本願明細書の一部として挙げる米国特許第５６１９５４８号には、反射測定に基づくＸ線厚さゲージが記載されている。湾曲した反射性のＸ線モノクロメータを用いてＸ線をサンプルの表面に合焦させる。フォトダイオードディテクタアレイ等の位置検知形検出器によって表面から反射したＸ線を検知し、反射角の関数としての強度信号を生成する。角度依存する信号を解析して、サンプル上の薄膜の厚さ、密度、及び凹凸を含む構造特性を決定する。
【０００６】
本願明細書の一部をなすものとしてここに挙げる米国特許第５９２３７２０号には、湾曲した結晶モノクロメータに基づくＸ線スペクトロメータが記載されている。モノクロメータは、従来のモノクロメータよりサンプルの表面により鮮明に合焦できるように対数的に傾斜させた螺旋形状を有する。サンプル表面から散乱し、又は回折したＸ線は、位置検知形検知器で受ける。
【０００７】
米国特許第５７４０２２６号には、Ｘ線反射データを解析して薄膜厚さを決める方法が記載されている。Ｘ線の反射率を角度の関数として測定した後、平均反射率曲線を干渉スペクトルに適合させる。平均曲線は、減衰、バックグラウンド、薄膜の表面凹凸を表す式に基づく。適合させた平均反射率曲線は、干渉スペクトルの振動成分を抽出するために用いられる。この成分は、フーリエ変換されて薄膜の厚さが得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一つの目的は、Ｘ線反射計についての改善された方法及びシステムを提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、面の検査に用いる放射線源及び検出器を、素早く、正確にその面にアライメントする方法及びシステムを提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、反射計の検査に基づく面の零度の決定のための改善された方法及びデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態によれば、Ｘ線反射計は、ほぼすれすれ入射させてサンプルの面を照射する放射線源を備える。検出器アレイによって面から反射されたＸ線をとらえる。照射するＸ線を面にアラインするために、面に垂直な方向にサンプルは平行移動される。好ましくは、Ｘ線源は、Ｘ線を合焦させる光学系を備え、ビームが面に合焦されるように前記サンプルの位置が調整され、それによってビームは最も幅が狭くなるところで面に入射する。別の例では、サンプルは静止していてもよく、Ｘ線源が平行移動してもよく、あるいは他の調整方法であってもよい。
【００１２】
面がビームに対して正確にアラインされている場所を決定するために、反射されたＸ線の角度プロファイルは検出器アレイを用いて観測される。本発明者は、上述したように、ビームが平坦面に正確に合焦した場合に、反射プロファイルが広く、平坦なピーク領域を持つことを観測した。このピーク領域は、面に接する零度から、面から外部へ全反射する臨界角までの角度範囲にわたるサンプルからの反射に対応する。システムがアライメントからずれた場合には、ピークの平坦さが歪む。プロファイルの形状をサンプル位置の関数として解析することによって、ビームに対するサンプルの最適なアライメントを素早く、高精度に決めることができる。
【００１３】
上述のように、平坦なピーク領域のそれぞれの側のプロファイルの端部は、サンプルの零度及び臨界角に対応する。ピーク領域の低角側の端にある第１端部の位置は、検出アレイに対する面の零度を特定し、較正するために用いられる。この技術によって、従来の反射計のように、零度を較正するためにサンプルを傾けたり、検出器を移動させたりする必要がない。いったん、零度を特定すれば、ピーク領域の第２端部の位置によって臨界角を正確に決めることができる。
【００１４】
そこで、本発明に係るシステムにおいては、放射線源及び検出アレイを用いて、該アレイによって検出した反射した放射線の角度プロファイルに基づいて、サンプルを素早く、そしてうまくアラインすることができる。ここに記載した好ましい実施の形態は、角度プロファイルの特定の特性を決めることに基づいているが、較正を行うために、別に又は追加して、プロファイルの別の形態を同様に解析してもよい。さらに、これらの好ましい実施の形態は、特にＸ線反射計についてのものであるが、本発明の原理は別の型のシステムにおけるサンプルのアライメントについて用いてもよい。このような別の方法及び応用も本発明の範囲に含まれる。
【００１５】
本発明の好ましい形態によれば、サンプル表面の検査方法であって、
焦点領域を持つ放射線ビームを面に照射してすれすれに入射させて、前記放射線を前記面から反射させるステップと、
前記面に対する前記焦点領域の位置を変えるために、調整レンジ内の複数の調整ステージを通じて少なくとも一つの焦点領域及びサンプルを調整するステップと、
前記複数の調整ステージで前記面から反射された放射線のそれぞれの角度プロファイルを測定するステップと、
前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の調整を選択するために、前記角度プロファイルを比較するステップと
を含む。
【００１６】
好ましくは、前記角度プロファイルを比較するステップは、各プロファイルにおけるピーク領域を特定するステップと、前記ピーク領域についての形状基準を評価するステップとを含むことを特徴とする。さらに好ましくは、前記形状基準を評価するステップは、前記ピーク領域の平坦さを見積もるステップを含み、前記角度プロファイルを比較するステップは、ピーク領域が最も平坦になる調整を選択するステップを含むことを特徴とする。またさらに、それぞれの角度プロファイルを測定するステップは、前記面に接する零度を含む角度の大きさにわたって反射した放射線を測定するステップを含み、前記形状基準を評価するステップは、前記零度を決定するために前記ピーク領域の第１端部を検出するステップを含むことを特徴とする。また、前記形状基準を評価するステップは、前記面から外部へ全反射する臨界角を決定するために、前記ピーク領域の第２端部を検出するステップを含むことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の好ましい形態によれば、サンプル表面の検査方法であって、
Ｘ線の集光ビームを面に照射してすれすれに入射させて、前記Ｘ線を前記面から反射させるステップと、
レンジの位置を通じて前記サンプルの位置を前記サンプルの面に対して垂直方向に調整するステップと、
前記レンジ内の複数の位置で前記面から反射された放射線のそれぞれの角度プロファイルを測定するステップと、
前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の位置を選択するために、前記角度プロファイルを比較するステップと
を含む。
【００１８】
好ましくは、それぞれの角度プロファイルを測定するステップは、前記面に接する零度を含む角度の大きさにわたって反射した放射線を測定するステップを含み、前記形状基準を評価するステップは、前記零度を決定するために前記ピーク領域の第１端部を検出するステップを含むことを特徴とする。さらに好ましくは、前記角度プロファイルを比較するステップは、前記面がＸ線の集光ビームの焦点領域を実質的に二等分するサンプルの位置を選択するステップを含むことを特徴とする。好ましい実施の形態によれば、前記面を照射するステップは、前記面に照射するためにＸ線源を向けるステップを含み、反射した放射線を測定するステップは、検出素子のアレイを用いて前記放射線を受けるステップを含み、前記面について零度付近の検出素子の少なくとも一つによって、前記面から反射することなく前記源から直接のＸ線の一部を受けることを特徴とする。
【００１９】
好ましい形態によれば、この方法には、前記面に照射しながら、前記サンプルの面に凸状を誘起させるステップをさらに含むことを特徴とする。
【００２０】
さらに好ましい形態によれば、前記サンプルを前記面に平行な平面上で平行移動させて、Ｘ線ビームを前記面の複数の点に順に入射させるステップと、前記位置を調整するステップを繰り返すステップと、前記面が、いずれの位置についても好ましい配置にある位置を選択するために、前記角度プロファイルを測定し、比較するステップとを含むことを特徴とする。
【００２１】
さらに、本発明の好ましい形態によれば、サンプルの表面を検査する方法であって、
サンプルの面についてすれすれ入射する角度にわたって放射線を照射して、前記放射線が前記面から反射するステップと、
前記面で反射した放射線の第１及び第２端部で境界付けられたピーク領域を有する角度プロファイルを測定するステップと、
前記面の接線の方向を決めるために前記プロファイルにおける前記第１端部の位置を特定するステップと
を含む。
【００２２】
好ましくは、前記面から外部に全反射する臨界角を決めるために前記ピーク領域の第２端部を特定するステップをさらに含むことを特徴とする。
【００２３】
さらに好ましくは、前記面を照射するステップは、Ｘ線集光ビームを前記面に指向させるステップを含むことを特徴とする。
【００２４】
さらに、本発明の好ましい形態によれば、サンプル表面の検査装置であって、
焦点領域を持つ放射線ビームをすれすれ入射させてサンプルの面を照射する放射線源であって、前記放射線が前記面から反射するために設けられた放射線源と、
前記面に対する前記焦点領域の位置を変えるために、調整レンジ内の複数の調整ステージを通じて少なくとも一つの焦点領域及び前記サンプルを調整する調整機構と、
前記複数の調整ステージで前記面から反射された放射線のそれぞれの角度プロファイルを測定する放射線検出器と、
前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の調整を選択するために、前記角度プロファイルを比較する信号処理器と
を備えたことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の好ましい形態は、サンプル表面の検査装置であって、
Ｘ線の集光ビームを面に照射してすれすれに入射させて、前記Ｘ線を前記面から反射させるために設けられたＸ線源と、
レンジの位置を通じて前記サンプルの位置を前記サンプルの面に対して垂直方向に調整するために設けられた可動ステージと、
前記レンジ内の複数の位置で前記面から反射された放射線のそれぞれの角度プロファイルを測定する放射線検出器と、
前記面が、前記ビームについて望ましいアライメントにあるレンジ内の位置を選択するために、前記角度プロファイルを比較する信号処理器と
を備えることを特徴とする。
【００２６】
好ましくは、前記放射線検出器は、検出素子アレイを備え、前記面について零度付近の検出素子の少なくとも一つによって、前記面から反射することなく前記源から直接のＸ線の一部を受けることを特徴とする。
【００２７】
さらに、本発明に係る好ましい形態は、サンプル表面の検査装置であって、
サンプルの面についてすれすれ入射する角度にわたって放射線を照射する放射線源であって、前記放射線は前記面から反射するように設けられた放射線源と、
前記面で反射した放射線の第１及び第２端部で境界付けられたピーク領域を有する角度プロファイルを測定する放射線検出器と、
前記面の接線の方向を決めるために前記プロファイルにおける前記第１端部の位置を特定する信号処理器と
を備えることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を用いて以下に詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る機能強化されたアライメントと較正能力とを備えたＸ線反射計用システム２０の概略側面図である。半導体ウエハ等のサンプル２２は、モーション・ステージ２４、一般的にはＸ−Ｙ−Ｚ平行移動（translation）ステージの上にしっかりと取り付けられる。（以下の記載では、図に垂直な方向であって、サンプル２２の表面に垂直な方向はＺ軸である。）サンプルは、Ｘ線源２６、通常、Ｘ線管で照射される。源２６から出射されたＸ線ビームは、好ましくは、ＸＯＳ社（アルバニー、ニューヨーク）製のダブルベント・フォーカス・結晶光学系等の湾曲した結晶モノクロメータを備える適当なＸ線光学系２８によってサンプル２２の表面の一点に合焦される。他の適当な光学系としては、例えば、上述の米国特許第５６１９５４８号、米国特許第５９２３７２０号に記載されている。光学系２８は、上記に代えてサンプルの上に細長い合焦領域を形成する円筒形光学系を備えてもよい。
【００３０】
サンプル２２で反射されたＸ線は、当業者に知られた、Ｘ線検出用に適用されるシリコン検出素子を備えた電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイ等の検出素子３２で受ける。好ましくは、アレイ３０によって、サンプル表面について反射角が０°から３°の範囲にわたって反射されたＸ線を集光する。この範囲は、外部に全反射するサンプルの臨界角未満、臨界角を超えて拡がる。図示を簡単にするために、図１には比較的少ない数の素子を備えた検出素子３２の一つの矢印のみを示しているが、通常、アレイ３０は少なくとも線形又は２次元マトリクスアレイに配置されたより多くの素子を含む。さらに、システム２０の他の構成部材と共にアレイ３０の実行及び操作の形態について、本願明細書の一部をなすものとしてここに挙げる米国特許出願番号第０９／８３３９０２号に記載している。
【００３１】
信号処理器３４によって、サンプル２２から反射されたＸ線光子束の分布を所定エネルギーでの又はエネルギー範囲にわたる仰角φの関数として決めるためにアレイ３０の出力を解析する。処理器３４は、上述の米国特許出願番号第０９／８３３９０２号に記載のように、通常、検出器の出力を受ける適当な入力回路と、反射された放射線強度を解析するソフトウエアとを有する汎用コンピュータを備える。およそサンプル２２は、薄膜等の一以上の薄い表面層を有し、それによって、上記外部へ全反射する臨界角と、仰角の関数としての強度分布とは、層間の界面から反射されたＸ線波の間の干渉効果によって振動する構造を示す。振動する構造は、それより低い角度で表面の反射率がほぼ１００％となる臨界角に対応する明確なショルダを持つ。臨界角を測定する方法及び臨界角に基づいてサンプルの零度を決定する別の方法は、本願明細書の一部をなすものとしてここに挙げる米国特許出願番号第１０／０７８６４０号に記載されている。
【００３２】
図２は、サンプル２２の概略側面図であり、サンプルへの放射線の入射とサンプルからの反射の詳細を示している。源２６（図１）によって放出される放射線は、光学系２８によって、端部が矢印３８及び４４で図２に示されている集光コーンに合焦される。そして、Ｘ線は、サンプル２２の表面に矢印３８で示された上限角から矢印４０で示された下限角の間の角度範囲にわたって入射する。好ましくは、システム２０におけるサンプル２２の傾斜角ωは、図に示すように、集光コーンの下側境界がサンプル表面の平面より少し下側になるように設定される。この設定によって、表面の零度がコーン内に含まれるようにできる。もちろん、入射ビームの低い部分におけるサンプル上へのサンプル表面より下からの放射線の入射は、サンプルの側でカットオフされ、実際のところサンプルには入射しない。
【００３３】
光学系２８によって放射線のコーンをフォーカル・ウエスト（focal west）に合焦する。ウエストは、ビームが最小半径となるビーム軸上の点であり、それを超えるとビームは再び発散する。好ましくは、システム２０による正確な測定のために、ウエストの半径ができるだけ小さく、およそ４０μｍになるように、ビームが合焦される。図に示すように、サンプルの表面がウエスト４２を水平方向に二分するように、サンプル２２のＺ方向の位置をステージ２２によって調整することが好ましい。換言すれば、サンプルの表面のＺ座標をＺ＝０とし、ビームウエストの上限及び下限をそれぞれＺ１、Ｚ２とすると、｜Ｚ１｜＝｜Ｚ２｜となるように、サンプルのＺ座標位置が調整される。この位置で、サンプルの表面に形成するＸ線ビームを集光する焦点の大きさが最小となる。サンプル表面での焦点の大きさを最小にすることは、サンプル表面についてのシステム２０の測定の空間分解能を最適化するために重要であり、また、反射結果の角度の精度を向上させることができる。
【００３４】
Ｘ線は、入射コーンの範囲、すなわち０°と矢印３８で示される上限角の間の範囲に対応する角度範囲にわたってサンプル表面から反射される。外部に全反射する臨界角φｃｒｉｔは、図２において矢印４４で示されている。図示を簡単にするため、図では臨界角の大きさを誇張して大きくしている。実際にはφｃｒｉｔはおよそ１°未満である。上述のように、０°からφｃｒｉｔの間でサンプル２２の表面に入射した放射線はほぼ１００％反射される。また、Ｚ＝０からＺ＝Ｚ１の間でサンプル表面と角度をなすが、およそ平行な入射ビームの部分は、表面を超えて通過し、表面で反射されることなくアレイ３０の低部の検出器に直接衝突することが観測される。
【００３５】
上記の解析では、サンプルの表面は平坦であるか、又は、少なくとも凹面ではないと仮定している。表面が凹面の場合には、Ｘ線ビームについて影を生じ、零度近くでのＸ線の正確な測定は困難であるか、不可能となる。そのため、半導体ウエハ等の湾曲しやすいサンプルについては、サンプルの表面が平坦であって、許容範囲にうまく入るようにステージ２４がサンプルを保持するように構成されることが好ましい。サンプルの上面を少し凸状にするために、ステージの上面は少し凸状であってもよい。ここに記載したサンプル２２からのＸ線反射の測定は局所的な測定であるので、サンプルへのＸ線ビームの入射位置に依存するが、その測定は凸状であることによっては実質的に影響されない。
【００３６】
図３は、ある反射角の範囲にわたってサンプル２２のＺ軸に沿った複数の異なる点から処理器３４で得られた測定結果の概略図である。この場合にサンプルは、裸のシリコンウエハである。水平軸は、アレイ３０における検出素子３２の一つが対応するピクセル単位で示されている。この例では、検出素子の間隔は２４μｍであり、一方、Ｘ線ビームの焦点（ウエスト４２）からアレイ３０までの間隔は１９３ｍｍであった。そのため、図３の水平目盛りにおける各ピクセルは、仰角φの約０．００７１２°に対応する。
【００３７】
図３でプロットされた各測定は、所定測定間隔の間に対応する検出素子３２で測定された複数のカウント、すなわち複数のＸ線フォトンを与える。一番上のトレース５０は、図２の参照フレームで最も大きなＺ１の値を持つウエハの最も低い箇所に対応し、一方、一番下のトレース５６は、ウエハの最も高い箇所に対応し、トレース５２、５４は、その中間の高さに対応する。トレース５０とトレース５２とのウエハのＺ軸での差は、５μｍであり、データトレース５２とデータトレース５４との間も同様であって、一方、データトレース５４とデータトレース５６との間のＺ軸での差は１０μｍである。
【００３８】
図３に示されたどのデータトレースも、広く、平坦なピーク部分と、ピクセル４０−４５付近で立ち上がる端部と、およそピクセル７５で落ちる端部とを有している。ピーク領域の幅はおよそ０．２５°である。立ち上がり端部は、Ｘ線反射の零度に対応し、一方、落ちる端部は臨界角に対応する。また、立ち上がり端部付近では、検出素子に入射するフォトンは、サンプルからの反射が少しもなく、光学系２８から直接にアレイ３０に通る零度のフォトンからの寄与を含む。サンプルの位置が低くなるにつれて、これらの直接に到達するフォトンの寄与が増し、その結果、トレース５０の広いピーク領域の左側の丘部は高められ、トレース５２では明らかに丘部の高さは低い。幾何学的考察によって、｜Ｚ１｜＝｜Ｚ２｜の場合には、零度を超えての仰角の増加についての直接のフォトンの寄与の減少は、反射されたフォトンの増える寄与と正確に釣り合っている。そのため、サンプルの最適なＺ位置合わせによってトレース５２とトレース５４の間のどこかの信号トレースの最も広く、平坦なピーク領域が得られる。サンプルが高すぎた場合には、トレース５６として示すように、直接に到達するフォトンの寄与は切り捨てられ、ピーク領域の端部が低くなる。
【００３９】
図４は、本発明の好ましい実施の形態に係るシステム２０におけるサンプル２２の位置及び傾斜角のアライン方法及び較正方法のフローチャートである。およそシステム２０は、サンプル表面の複数の異なる点でのサンプル２２の反射測定を得るために用いられる。このために、ステージ２４によってサンプルをＸ−Ｙ面内で平行移動させることが好ましく、それによってＸ線ビームは、順に検査する各点に入射させることができる。以下に記載したアライメント及び較正方法は、表面の局所的な高さ及び傾斜角の変動による測定誤差を避けるために、個々の点で実行するために最も好ましい。本発明の利点は、このアライメントおよび較正方法をおよそ１秒未満ですばやく実行できることであり、それによって各点で上記方法を繰り返しても測定スループットはあまり低下しない。
【００４０】
曲線比較ステップ６０において、適当な周知技術を用いてシステム２０を粗くアラインした後、システム２０を動作させて、サンプルの複数の異なるＺ位置についてのＸ線信号の強度の角度（又はピクセル番号）に対するトレースを得る。このステップで得られた曲線は、図３のトレースの一般的な形を有する。異なるトレースにおけるサンプルのＺ座標点の数及び間隔は、システム２０の特徴によるものであり、求めるアライメントの精度に依存する。本発明者は、２μｍごとにＺ座標が増すトレースによってよい結果が得られることを見出した。
【００４１】
上述したように、平坦なピーク領域を伴うトレースが得られるサンプルのＺ位置は、次の反射分析で用いるために最適な位置、Ｚ＝０として特定される。”平坦さ”は発見的な語句であり、種々の基準を用いて最も平坦なトレースを特定することができる。考えられる一つの方法では、複数のトレースにおけるピーク領域での隣接する２つのレンジ、レンジ１及びレンジ２（図３のピクセル４６から５５及びピクセル５６から６５）を取り扱い、下記式を計算する。
【００４２】
【数１】
2004191376.tif 000002
ここでＣｊはピクセルｊで記録されたカウント数である。
【００４３】
そこで、サンプルについて最適なＺ位置は、ΔをＺに対してプロットすることによって得られ、Ｚ位置を選択してΔ＝０が得られる。”最も平坦な”トレースを見出す別の方法は当業者に明らかである。さらに、ステップ６０で集められたトレースに基づいてサンプル２２に位置付けるＺ位置を選択するために、平坦さに加えて、あるいは平坦さに代えて、別の発見的な基準を用いてもよい。
【００４４】
ひとたび適当なＺ調整方法が見つかれば、このＺ位置に近くで集められたトレースがサンプルの零度を較正するために用いられる。このために、ピーク検出ステップ６２で、Δを検出するために用いられる積算に基づいてピーク領域にわたる平均としてトレースのピーク値を算出することが好ましい。この場合のピーク値は、下記式で得られる。
【００４５】
【数２】
2004191376.tif 000003
ここで、Ｎは２つのレンジを一緒にしたピクセルの数である。
【００４６】
そして、中間点を検出するステップ６４で、ピーク領域の前縁及び後縁のそれぞれでＰより５０％低い（３ｄＢ）の点を検出する。これらの中間点の間の間隔は、選択したトレースの半値全幅（ＦＷＨＭ）である。３ｄＢの点を常に正確に検出することを保証するために、中間点の前後の両側のおよそ５ピクセルのカウント値に多項式を適合させることが好ましい。
【００４７】
角度較正ステップ６６では、トレースの前縁及び後縁での適合結果を用いてサンプル２２の零度及び臨界角を特定する。零度は、適合手順によって決定されるトレースの立ち上がり端部の３ｄＢ点に対応し、臨界角は、降下端部の３ｄＢ点に対応する。アレイ３０における各検出素子３２の角度範囲は、サンプル表面のＸ線の焦点からアレイまでの間隔によって分けられたアレイのピッチによって与えられる。これらのパラメータのいずれもがわかるので、選択したトレースでの３ｄＢ点の間の検出素子の数を数えることによって臨界角を簡単に決めることができる。別の例として、データから零度及び臨界角を抽出するために、曲線適合又は他の技術に基づいた他の形態の分析を、ステップ６０で検出したトレースに適用してもよい。
【００４８】
図３に示されたタイプの解析結果では、図４の方法を用いて、本発明者は、サンプルのシリコンウエハについての臨界角（銅ＣｕのＫａ１線の放射線についての臨界角φｃｒｉｔ≒０．２２７°）を理論値の約０．００６°以内に決定できる。この方法は、サンプル２２のＺ位置を補正し、サンプルの零度を１秒未満に較正するためにプロセッサ３４の制御下で、自動的に実行できる。ひとたびシステム２０を初期の粗調整を済ませると、サンプル又はＸ線源の傾斜調整は必要としない。上述の方法では、ステージ２４を垂直に移動させてシステム２０を調整するので、アレイ３０で生じる信号を観測し、解析し、その上、サンプル表面のＸ線焦点の好ましい位置を見つけるためにＸ線源２６及び／又は光学系２８を移動させることによって同様の調整を実行できる。
【００４９】
図１に示すように、システム２０は、Ｘ線反射計用に構成されているが、本発明の方法は、必要な変更を加えてＸ線解析の他の分野にも同じように用いることができることは理解できるであろう。適用できる可能性のある分野には、Ｘ線蛍光（ＸＲＦ）分光分析、特に、周知のＸＲＦ技術と同じように、すれすれ照射ＸＲＦ（Grazing emission XRF）を含む。例えば、すれすれ照射ＸＲＦは、ここに本願明細書の一部として挙げるＷｉｅｎｅｒらによる論文”すれすれに照射したＸ線蛍光分光分析による窒化チタン層の特性”、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、１２５（１９９８）、第１２９頁に記載されている。さらに、本発明の原理は、ガンマ線及び他の原子核放射の検出等のように他のエネルギーレンジについての位置検知形システムで実行させることができる。
【００５０】
そこで、上述の好ましい実施の形態は一例として挙げたものであり、本発明は上述のものに限定されないということが理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲には、当業者が先の記載を読んで得られる変化及び変形と同様に、上述した種々の特徴のコンビネーション及びサブコンビネーションをいずれも含む。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係るＸ線反射計のシステムの概略側面図である。
【図２】図１のシステムにおけるＸ線照射下にあるサンプルの概略側面図である。
【図３】図１のシステムにおけるサンプルから反射したＸ線の角度プロファイルの概略グラフである。
【図４】本発明の好ましい実施の形態に係るＸ線反射計用のシステムにおけるアライメント方法及び角度較正方法を概略的に示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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