(57)【要約】【課題】試料表面の微細な周期的構造を非破壊で計測できる微細表面周期構造の計測装置および方法を提供する。【解決手段】微細表面周期構造の計測装置は、表面に微細な周期的構造を有する試料Ｑに向けて、Ｘ線を発生するＸ線源１０と、試料Ｑに入射するＸ線を所定のビーム径に制御するための絞り部材１５と、Ｘ線が試料Ｑを通過し、試料Ｑによる位相変化に起因した回折の強度分布を測定する撮像素子２０と、測定した回折強度分布に所定の演算処理を施して、試料Ｑの表面形状を算出する信号処理部３０などで構成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に微細な周期的構造を有する試料に向けて、Ｘ線を発生するためのＸ線源と、
試料に入射するＸ線を所定のビーム径に制御するための絞り部材と、
Ｘ線が試料を通過し、試料による位相変化に起因した回折の強度分布を測定するための撮像素子と、
測定した回折強度分布に所定の演算処理を施して、試料の表面形状を算出するための信号処理部とを備えることを特徴とする微細表面周期構造の計測装置。
【請求項２】
信号処理部は、試料通過後におけるＸ線の振幅分布を一定として、撮像素子からの出力信号にフーリエ逆変換を施すことにより、試料通過後におけるＸ線の位相分布を算出することを特徴とする請求項１記載の微細表面周期構造の計測装置。
【請求項３】
Ｘ線源は、焦点の大きさが１０μｍ以下のマイクロフォーカス型のＸ線源であることを特徴とする請求項１記載の微細表面周期構造の計測装置。
【請求項４】
試料からの０次回折光を阻止するためのＸ線遮断部材が着脱自在に設けられることを特徴とする請求項１記載の微細表面周期構造の計測装置。
【請求項５】
Ｘ線の露光時間またはＸ線の強度を制御するためのＸ線制御部を備えることを特徴とする請求項１記載の微細表面周期構造の計測装置。
【請求項６】
表面に微細な周期的構造を有する試料にＸ線ビームを通過させて、試料による位相変化に起因したＸ線回折像を生成するステップと、
撮像素子を用いて、Ｘ線回折像の強度分布を測定するステップと、
測定した回折強度分布に所定の演算処理を施して、試料の表面形状を算出するステップとを含むことを特徴とする微細表面周期構造の計測方法。
【請求項７】
Ｘ線の露光時間またはＸ線の強度を制御して、試料からの０次回折光の強度を計測するステップを含むことを特徴とする請求項６記載の微細表面周期構造の計測方法。
【請求項８】
試料からの０次回折光を阻止して、０次以外の回折光の強度を計測するステップを含むことを特徴とする請求項６記載の微細表面周期構造の計測方法。
【請求項９】
試料表面の周期的構造の頂部高さを別の計測器で計測し、該計測値を用いて、算出した表面形状を校正するステップを含むことを特徴とする請求項６記載の微細表面周期構造の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料からのＸ線回折パターンを解析することによって、試料表面の微細な周期的構造を非破壊で計測できる微細表面周期構造の計測装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスやシリコン、石英などの試料の表面に、例えば５０ｎｍから５μｍの周期を有する微細な周期的構造、いわゆるナノスケール構造を形成することによって、種々の機能を付与した光ナノ構造デバイスが開発されつつある。こうした微細な周期的構造は表面に凹凸形状を有し、所望の光学的特性を得るには、アスペクト比（周期に対する深さの比）の大きな周期構造が必要となる。
【０００３】
微細な周期的構造の形状を計測する手法として、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、光波干渉型顕微鏡などが考えられる。
【０００４】
【非特許文献１】A. Taguchi, T. Miyoshi, Y. Takaya and S. Takahashi, "Optical inverse scattering phase method for nano-inprocess measurement of micro surface profile", Proceedings of SPIE, Vol. 4900, pp. 739-746, 2002
【非特許文献２】Naoto Yagi and Katsuaki Inoue, "Ultra-small-angle X-ray diffraction and scattering experiments using medium-length beamlines at SPring-8", J.Appl.Cryst. 36, pp. 783-786, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
走査電子顕微鏡は、表面上のパターン形状を計測することに優れており、近年では原子オーダーの分解能を有するものもある。しかし、凹凸の高さを計測するためには、試料を切断して断面を露出させる必要があり、破壊的な計測手法であることが難点である。
【０００６】
原子間力顕微鏡は、アスペクト比が小さい構造については空間分解能が優れているが、アスペクト比が大きな構造については、針の太さが影響して、空間分解能が低下してしまう。
【０００７】
光波干渉型顕微鏡は、高さの計測には優れているが、原理上、光の波長以下の横方向の空間分解能は得られず、ナノスケール構造の計測には限界がある。
【０００８】
このようにナノスケール構造の形状を非破壊で精度良く計測する手法は、現時点では未だ存在していない。
【０００９】
本発明の目的は、試料表面の微細な周期的構造を非破壊で計測できる微細表面周期構造の計測装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る微細表面周期構造の計測装置は、表面に微細な周期的構造を有する試料に向けて、Ｘ線を発生するためのＸ線源と、
試料に入射するＸ線を所定のビーム径に制御するための絞り部材と、
Ｘ線が試料を通過し、試料による位相変化に起因した回折の強度分布を測定するための撮像素子と、
測定した回折強度分布に所定の演算処理を施して、試料の表面形状を算出するための信号処理部とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明において、信号処理部は、試料通過後におけるＸ線の振幅分布を一定として、撮像素子からの出力信号にフーリエ逆変換を施すことにより、試料通過後におけるＸ線の位相分布を算出することが好ましい。
【００１２】
また本発明において、Ｘ線源は、焦点の大きさが１０μｍ以下のマイクロフォーカス型のＸ線源であることが好ましい。
【００１３】
また本発明において、試料からの０次回折光を阻止するためのＸ線遮断部材が着脱自在に設けられることが好ましい。
【００１４】
また本発明において、Ｘ線の露光時間またはＸ線の強度を制御するためのＸ線制御部を備えることが好ましい。
【００１５】
また本発明に係る微細表面周期構造の計測方法は、表面に微細な周期的構造を有する試料にＸ線ビームを通過させて、試料による位相変化に起因したＸ線回折像を生成するステップと、
撮像素子を用いて、Ｘ線回折像の強度分布を測定するステップと、
測定した回折強度分布に所定の演算処理を施して、試料の表面形状を算出するステップとを含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明において、Ｘ線の露光時間またはＸ線の強度を制御して、試料からの０次回折光の強度を計測するステップを含むことが好ましい。
【００１７】
また本発明において、試料からの０次回折光を阻止して、０次以外の回折光の強度を計測するステップを含むことが好ましい。
【００１８】
また本発明において、試料表面の周期的構造の頂部高さを別の計測器で計測し、該計測値を用いて、算出した表面形状を校正するステップを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、試料は表面に微細な周期的構造を有するため、Ｘ線が試料を通過する際、試料の厚さ分布に応じてＸ線の位相が空間的に変化する。そのため、試料を通過したＸ線は回折して、所定位置の像面においてＸ線の回折像が観察される。この回折像の強度分布は、試料表面の微細構造の周期や形状に依存していることから、撮像素子を用いて回折強度分布を電気信号に変換し、さらに所定の演算処理を施すことによって、試料の表面形状を非破壊で計測することができる。
【００２０】
また、演算処理としてフーリエ逆変換を適用する場合、Ｘ線回折像の振幅分布および位相分布が定まっていれば、試料表面でのＸ線の振幅分布および位相分布を正確に算出することができる。しかしながら、撮像素子からはＸ線の強度情報しか得られず、Ｘ線の位相情報が不足することになる。そこで、試料自体が薄く、Ｘ線吸収も小さいことを考慮すると、試料通過後におけるＸ線の振幅分布は一定と近似することができ、この近似によって、Ｘ線回折像の強度分布（＝振幅分布の２乗）のみから試料表面でのＸ線位相分布、すなわち試料の表面形状に換算することが可能になる。
【００２１】
また、マイクロフォーカス型のＸ線源は、Ｘ線管の陽極での焦点の大きさが１０μｍ以下で、従来のものより極めて小さく設計されているため、ほぼ理想的な点光源として取り扱うことができる。従って、Ｘ線源としてマイクロフォーカス型のＸ線源を用いることによって、像面でのフレアやにじみを低減できる。さらに、空間的コヒーレンスが良好なＸ線を発生できるため、試料の位相変化によるＸ線回折像を忠実に生成することができる。また、スプリング８などのシンクロトロン放射光源を使用する場合と比べて、格段に小型で可搬性のある計測装置を実現することができる。
【００２２】
また、０次回折光の強度は、試料の位相変化によって回折されたＸ線の強度と比べて桁違いに大きいため、撮像素子の撮像面において０次回折光の入射部分が飽和したり、他の画素に悪影響を及ぼすことがある。そのため、試料からの０次回折光を阻止するためのＸ線遮断部材を着脱自在に設けることによって、０次回折光をカットした状態でＸ線回折強度を精度良く測定する観測モードと、０次回折光の強度を測定する校正モードを簡単な切換え操作によって容易に実施することができる。
【００２３】
また、Ｘ線の露光時間またはＸ線の強度を制御するためのＸ線制御部を備えることによって、上述のような観測モードおよび校正モードにおいて撮像素子でのＸ線露光量を任意に制御することができるため、微弱な回折光の測定および高強度の０次光の測定を同一の計測装置で実施することが可能になる。
【００２４】
また、０次回折光の強度の測定値は、演算処理によって算出した表面形状の絶対高さの基準となるため、できる限り高精度の数値が要求される。そこで、０次回折光の強度測定の補助または代替として、原子間力顕微鏡などの別の計測器を用いて試料表面の周期的構造の頂部高さを別途計測して、該計測値を用いて、算出した表面形状を校正することによって、より高精度の表面構造計測を実現できる。
【００２５】
なお、本明細書中の「光」は、シンクロトロン放射光源や０次回折光のように、Ｘ線を含む電磁波の意味で使用することがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図である。微細表面周期構造の計測装置は、Ｘ線源１０と、Ｘ線制御部１１と、絞り部材１５と、撮像素子２０と、Ｘ線遮断部材２１と、信号処理部３０と、ディスプレイ３１などで構成される。
【００２７】
計測対象である試料Ｑは、ガラスやシリコン、石英などの基板の表面に、１００ｎｍから１μｍ前後の周期を有する微細な周期的構造、いわゆるナノスケール構造が形成されたもので、Ｘ線の光軸と基板の法線方向とが略一致するように保持される。
【００２８】
Ｘ線源１０は、電子線励起によるＸ線管などで構成され、試料Ｑに向けてＸ線を発生する。ここではＸ線回折を利用しているため、できる限り単色性および空間的コヒーレンスの良好なＸ線が望ましく、シンクロトロン放射光源の使用が理想的であるが、装置の小型軽量化の点で、焦点の大きさが１０μｍ以下のマイクロフォーカス型のＸ線源を使用することが好ましい。
【００２９】
マイクロフォーカス型のＸ線源は、陽極の焦点サイズが従来のものより極めて小さく、ほぼ理想的な点光源として取り扱うことができる。そのため、像面でのフレアやにじみを低減でき、試料の位相変化によるＸ線回折像を忠実に生成できる。
【００３０】
Ｘ線制御部１１は、Ｘ線源１０の管電圧や管電流、通電時間などを制御することによって、Ｘ線の露光時間またはＸ線の強度を制御することができる。
【００３１】
絞り部材１５は、スリットやアパーチャ、ピンホール、Ｘ線コリメータなどで構成され、試料Ｑに入射するＸ線を所定のビーム径に制御する。入射するＸ線の平行度を高めるため、Ｘ線源１０からの距離をできる限り大きく設定して、絞り部材１５を試料Ｑの直前に近接して配置することが好ましい。
【００３２】
撮像素子２０は、Ｘ線感度を有する撮像管や固体撮像デバイスなどで構成され、Ｘ線が試料Ｑを通過して、試料Ｑによる位相変化に起因した回折の強度分布を測定して、電気信号として出力する。撮像素子２０の画素ピッチは、図１に示すように、０次回折光Ｂ０、１次回折光Ｂ＋１、−１次回折光Ｂ−１、２次回折光Ｂ＋２、−２次回折光Ｂ−２など、ｎ次回折光（ｎは整数）が空間的に充分に分離できるように設定され、例えば、回折光の間隔Ｄに対して５個〜２０個程度の画素数となるように設定される。
【００３３】
Ｘ線遮断部材２１は、例えば鉛製のプレートなどで構成され、試料Ｑからの０次回折光Ｂ０を阻止したり通過させたりできるように、着脱自在あるいは退避自在に設けられる。
【００３４】
信号処理部３０は、例えばパーソナルコンピュータやＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）などで構成され、撮像素子２０からの出力信号に所定の演算処理を施して、試料Ｑの表面形状を算出することができる。
【００３５】
ディスプレイ３１は、ＣＲＴや液晶パネルなどで構成され、信号処理部３０の演算結果を数値データや２次元グラフ、３次元グラフなどの表現形式で表示する。
【００３６】
次に、信号処理部３０での演算処理について説明する。試料表面でのＸ線の振幅分布および位相分布からＸ線回折像の振幅分布および位相分布への変換は、フーリエ変換を用いて数学的に表現可能である。従って、後者から前者への逆変換は、フーリエ逆変換を用いて表現できる。
【００３７】
図１に示すように、Ｘ線の光軸をｚ軸、光軸に垂直な方向をｘ軸、試料表面を基準としてｚ軸から反時計周りの角度をθ、Ｘ線回折像の振幅分布をＵ（θ）、試料透過後の振幅分布をｕ（ｘ）と定義し、Ｘ線の波長λ、波数ｋ（＝２π／λ）、虚数ｉ、定数Ｃを用いて、上述のフーリエ逆変換は下記の式（１）で表される。なお、理解容易のために１次元形式で表現しているが、２次元形式でも同様に表現可能である。
【００３８】
【数１】
2005274431.tif 000003
【００３９】
但し、振幅分布Ｕ（θ）は各回折次数の積分強度から求めた振幅である。試料透過後の振幅分布ｕ（ｘ）は、振幅Ａ（ｘ）と位相φ（ｘ）を用いて下記の式（２）で表される。また、位相φ（ｘ）は、下記の式（３）で表される。但し、ｎは、試料のＸ線に対する屈折率であり、試料内部の屈折率は一様に分布していると考える。ｈ（ｘ）は、試料表面の周期構造の高さ分布である。
【００４０】
【数２】
2005274431.tif 000004
【００４１】
Ｘ線回折像の強度分布Ｉ（θ）は、下記の式（４）で表される。
【００４２】
【数３】
2005274431.tif 000005
【００４３】
ここで、撮像素子２０からはＸ線の強度情報しか得られず、Ｘ線の位相情報は得られない。そこで、試料ＱのＸ線吸収が小さいことを考慮すると、試料通過後におけるＸ線の振幅分布Ａ（ｘ）は一定と近似することができる。この近似によって、Ｘ線回折像の強度分布Ｉ（θ）だけから試料透過後のＸ線位相分布φ（ｘ）を算出できる。こうした位相復元アルゴリズムとして、Steepest-descentアルゴリズムやGerchberg-Saxtonアルゴリズム、SDMアルゴリズムが採用できる。
【００４４】
試料表面でのＸ線位相分布φ（ｘ）が算出されると、試料の屈折率ｎが既知であるため、式（３）を用いて、試料表面の高さ分布ｈ（ｘ）に換算することができる。
【００４５】
このように試料ＱによるＸ線回折像の各回折次数の強度を求め、試料通過後のＸ線強度分布は一定であると近似して、試料通過後の位相分布φ（ｘ）に基づいて試料表面の凹凸形状を算出することができる。
【００４６】
例えば、図１において、Ｘ線源１０の焦点から試料Ｑまでの距離Ｌａ＝１ｍ、試料Ｑから撮像素子２０の撮像面までの距離Ｌｂ＝１ｍ、Ｘ線の波長λ＝０．１ｎｍ、試料表面の微細構造の周期Λ＝０．５μｍ、試料に入射するＸ線のビーム径ｂ＝３０μｍ、にそれぞれ設定した場合、０次回折光Ｂ０と１次回折光Ｂ＋１の間隔Ｄは約２００μｍとなり、各回折次数の広がりΔＤは約６８μｍとなって、各回折次数の回折光が明瞭に分離できる。
【００４７】
各回折次数の広がりΔＤは、Ｘ線源１０の焦点寸法ａを用いて、幾何光学から下記の式（５）で表される。間隔Ｄは、下記の式（６）で表される。また、試料表面でのＸ線の可干渉範囲ρは、下記の式（７）で表される。
【００４８】
【数４】
2005274431.tif 000006
【００４９】
試料表面の周期Λがサブミクロンオーダであることから、Ｘ線が干渉する範囲が充分に大きいためには、Ｘ線源１０の焦点寸法が８μｍ程度という小さいことが必要となる。このことからマイクロフォーカス型Ｘ線源など、小さい焦点を有するＸ線源１０と、小さい開口を有する絞り部材１５を使用することが好ましい。
【００５０】
また、回折光の間隔Ｄが約２００μｍであるため、撮像素子２０として画素ピッチ７μｍ程度のＸ線用ＣＣＤカメラを用いれば、充分に計測可能であることが判る。回折光の間隔Ｄは、試料周期Λに反比例することから、試料Ｑの周期構造が微細になるほど回折角が大きくなり、回折光の間隔Ｄが増加するため、より高い分解能で表面構造計測を実現できる。
【００５１】
さらに、距離Ｌｂを大きく設定しても回折光の間隔Ｄが増加するため、空間分解能の低いＸ線撮像素子でも計測可能になる。特に、Ｘ線源１０として、スプリング８などのシンクロトロン放射光源を使用すると、干渉性がよくなるため、より高精度の表面構造計測が可能になる。例えば、距離Ｌｂ＝１５０ｍに設定した場合、回折光の間隔Ｄ＝３０ｍｍと大きくなるため、ビーム径ｂの大きいＸ線を試料に入射しても、広がりΔＤに比べて回折間隔Ｄが大きくなるため、より高精度の計測が可能になる。
【００５２】
次に、表面構造計測の手順について説明する。図２は、本発明に係る表面構造計測方法の一例を示すフローチャートであり、図２（ａ）は観測モード、図２（ｂ）は校正モードをそれぞれ示す。なお、観測モードおよび校正モードはいずれを先に実施しても構わない。
【００５３】
まず、観測モードについて説明する。ステップｓ１１において、Ｘ線遮断部材２１の挿入によって０次回折光Ｂ０を遮断した状態で、Ｘ線制御部１１はＸ線源１０を通電して、発生したＸ線ビームを試料Ｑに通過させて、試料Ｑによる位相変化に起因したＸ線回折像を生成する。その際、撮像素子２０が露出不足または露出オーバーとならないように、Ｘ線制御部１１はＸ線の露光時間またはＸ線の強度を調整する。一般に、０次以外の回折光は微弱であるため、０次回折光の強度測定と比べて長い露光時間に設定する。
【００５４】
次にステップｓ１２において、信号処理部３０は、撮像素子２０からの出力信号に基づいて、Ｘ線回折像の強度分布を測定し、一般にはデジタル値に変換する。このとき、０次回折光Ｂ０はカットされ、１次回折光Ｂ＋１、−１次回折光Ｂ−１、２次回折光Ｂ＋２、−２次回折光Ｂ−２など、０次以外の回折強度が測定される。
【００５５】
次にステップｓ１３において、信号処理部３０は、測定した回折強度分布に、適当な位相を仮定して上述のフーリエ逆変換などの演算処理を施して、式（２）〜式（３）のアルゴリズムを適用する。このアルゴリズムでは、フーリエ逆変換で物体透過直後の振幅と位相を計算し、位相はそのままにして、この振幅を一定値に置き換えて、フーリエ変換し、回折光の振幅と位相を計算し、位相はそのままにして、この振幅を計測値と置き換えて、さらにフーリエ逆変換し、以下、こうした手順を繰り返すことにより、透過直後の振幅と位相が収束する。そのときの位相を用いて試料の表面形状を算出し、そしてディスプレイ３１上に数値データや２次元グラフ、３次元グラフなどの表現形式で表示する。
【００５６】
次に、校正モードについて説明する。ステップｓ２１において、０次回折光Ｂ０が撮像素子２０に到達可能なようにＸ線遮断部材２１を外した状態で、Ｘ線制御部１１はＸ線源１０を通電し、発生したＸ線ビームを試料Ｑに通過させ、０次回折光Ｂ０の強度を測定する。このとき０次回折光Ｂ０の強度は、０次以外の回折光と比べて桁違いに大きいため、撮像素子２０が露出オーバーとならないように、Ｘ線制御部１１はＸ線の露光時間またはＸ線の強度を調整する。こうして得られた０次回折光Ｂ０の強度に基づいて、試料の表面形状の頂部高さを決定する。なお、ステップｓ２１の０次光の強度測定は、ステップｓ１２の前または後で実施することが好ましい。
【００５７】
図３は実際の試料表面構造を示し、図３（ａ）はその立体形状を示す３次元グラフ、図３（ｂ）はｘ軸に沿った形状を示すグラフ、図３（ｃ）はｘ軸およびｚ軸に垂直なｙ軸に沿った形状を示すグラフである。
【００５８】
図４は、この表面構造によって生じる回折光を計算し、それをもとに演算処理によって算出した試料表面構造を示し、図４（ａ）はその立体形状を示す３次元グラフ、図４（ｂ）はｘ軸に沿った形状を示すグラフ、図４（ｃ）はｘ軸およびｚ軸に垂直なｙ軸に沿った形状を示すグラフである。
【００５９】
両者のグラフを比較すると、１周期分の単位形状がほぼ再現されており、試料通過後におけるＸ線の振幅分布Ａ（ｘ）は一定と近似してフーリエ逆変換を実行する手法が実用的なレベルに達していることが判る。
【００６０】
なお、校正モードにおいて０次回折光Ｂ０の強度測定値は、演算処理によって算出した表面形状の絶対高さの基準となるため、できる限り高精度の数値が要求される。
【００６１】
そこで、ステップｓ２２において、０次回折光Ｂ０の強度測定の補助または代替として、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などの別の計測器を用いて試料表面の周期的構造の頂部高さを別途計測して、該計測値を用いて、算出した表面形状を校正することができる。こうした校正によって、より高精度の表面構造計測を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、ナノスケール構造などの試料表面の微細な周期的構造を非破壊で計測できる点で有用な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係る微細表面周期構造の計測方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】実際の試料表面構造を示し、図３（ａ）はその立体形状を示す３次元グラフ、図３（ｂ）はｘ軸に沿った形状を示すグラフ、図３（ｃ）はｘ軸およびｚ軸に垂直なｙ軸に沿った形状を示すグラフである。
【図４】この表面構造によって生じる回折光を計算し、それをもとに演算処理によって算出した試料表面構造を示し、図４（ａ）はその立体形状を示す３次元グラフ、図４（ｂ）はｘ軸に沿った形状を示すグラフ、図４（ｃ）はｘ軸およびｚ軸に垂直なｙ軸に沿った形状を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１０  Ｘ線源
１１  Ｘ線制御部
１５  絞り部材
２０  撮像素子
２１  Ｘ線遮断部材
３０  信号処理部
３１  ディスプレイ
【図１】
2005274431.tif 000007
【図２】
2005274431.tif 000008
【図３】
2005274431.tif 000009
【図４】
2005274431.tif 000010