(57)【要約】【課題】試料表面及び厚さ方向の構造を精度よく分析できる試料構造の分析方法及び分析装置を提供する。【解決手段】この分析装置は、試料２００が配置されるステージ１０３と、Ｘ線照射機１０１と、Ｘ線検出器１０２と、針状電極１０５と、針状電極１０５と同期してレーザーを走査するレーザー照射装置１０６と、少なくともステージ１０３、該ステージ１０３に設置される試料２００、及び針状電極１０５が収容される真空チャンバ１２１と、電源装置１０８とを備え、試料２００にＸ線１１１を照射して、該試料にて回折されたＸ線１１２をＸ線検出器１０２で検出する工程と、試料２００に高電圧及びレーザー１１３を印加して、針状電極１０５と試料２００の間に生じた電界強度とレーザーパワーにより、該試料表面を電界蒸発して掘削する工程とを交互に行うように制御されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面にＸ線を照射し、試料にて回折されたＸ線を検出して該試料表面の結晶構造を分析するＸ線回折分析工程と、
前記試料に高電圧を印加しつつ、該試料表面に針状電極及びレーザーを走査させて、前記針状電極と前記試料の間に生じた電界強度とレーザーパワーにより、試料表面を電解蒸発して掘削する掘削工程とを交互に行うことを特徴とする試料構造の分析方法。
【請求項２】
前記Ｘ線回折分析工程において、前記試料表面の結晶構造の分析を、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折法により行う、請求項１に記載の試料構造の分析方法。
【請求項３】
前記掘削工程において、前記電界蒸発によって前記試料の表面から脱離した原子を検出して元素分析する、請求項１又は２に記載の試料構造の分析方法。
【請求項４】
試料が配置されるステージと、
前記ステージに設置される試料にＸ線を照射するＸ線照射機と、
前記ステージに設置される試料にて回折されたＸ線を検出するＸ線検出器と、
前記ステージに設置される試料との間で高電圧を印加しつつ試料表面を走査する針状電極と、
前記針状電極と同期してレーザーを走査するレーザー照射装置と、
少なくとも前記ステージ、該ステージに設置される試料、及び前記針状電極が収容される真空チャンバと、
前記ステージに設置される試料と前記針状電極との間に高電圧を印加する電源装置とを備え、
前記ステージに配置された試料にＸ線を照射して、該試料にて回折されたＸ線を前記Ｘ線検出器で検出する工程と、前記ステージに設置した試料に高電圧及びレーザーを印加して、前記針状電極と前記試料の間に生じた電界強度とレーザーパワーにより、該試料表面を電界蒸発して掘削する工程とを交互に行うように制御されることを特徴とする試料構造の分析装置。
【請求項５】
更に、前記真空チャンバ内に、前記電界蒸発によって前記試料の表面から脱離した原子を検出して元素分析する原子検出器が配置されている、請求項４に記載の試料構造の分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、半導体薄膜、多層積層膜等の薄膜の試料構造の分析方法及び分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の結晶構造の分析方法の一つとして、Ｘ線回折分析法がある。また、Ｘ線回折分析法には、測定する格子面の方向によって、Ｏｕｔ−ｏｆ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折法と、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折法がある。このうち、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折法は、試料へのＸ線入射角度を全反射臨界角度付近まで浅くして測定する方法であり、試料へのＸ線の侵入深さが極めて小さく、例えば多層膜の界面に形成される化合物の同定といった非常に薄い層の結晶構造を測定できる（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折法では、試料の厚さ方向の分析は困難であるが、特許文献１には、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折法による試料表面の結晶構造測定と、グロー放電による試料表面の掘削とを交互に行って、試料の厚さ方向の結晶構造を測定することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９８５９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】富士時報Ｖｏ．８０  Ｎｏ．３  ２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折法による試料表面の結晶構造測定と、グロー放電による試料表面の掘削とを交互に行って、試料の厚さ方向の結晶構造を測定しているが、グロー放電によって試料が損傷して結晶構造が変化することがあり、分析精度が劣り易かった。また、絶縁性の試料には適用することができなかった。
【０００７】
よって、本発明の目的は、試料表面及び厚さ方向の構造を精度よく分析できる試料構造の分析方法及び分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の試料構造の分析方法は、試料表面にＸ線を照射して、試料にて回折されたＸ線を検出して該試料表面の結晶構造を分析するＸ線回折分析工程と、前記試料に高電圧を印加しつつ、該試料表面に針状電極及びレーザーを走査させて、前記針状電極と前記試料の間に生じた電界強度とレーザーパワーにより、試料表面を電解蒸発して掘削する掘削工程とを交互に行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明の試料構造の分析方法は、前記Ｘ線回折分析工程において、前記試料表面の結晶構造の分析を、Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折法により行うことが好ましい。
【００１０】
本発明の試料構造の分析方法は、前記掘削工程において、前記電界蒸発によって前記試料の表面から脱離した原子を検出して元素分析することが好ましい。
【００１１】
また、本発明の試料構造の分析装置は、試料が配置されるステージと、前記ステージに設置される試料にＸ線を照射するＸ線照射機と、前記ステージに設置される試料にて回折されたＸ線を検出するＸ線検出器と、前記ステージに設置される試料との間で高電圧を印加しつつ試料表面を走査する針状電極と、前記針状電極と同期してレーザーを走査するレーザー照射装置と、少なくとも前記ステージ、該ステージに設置される試料、及び前記針状電極が収容される真空チャンバと、前記ステージに設置される試料と前記針状電極との間に高電圧を印加する電源装置とを備え、前記ステージに配置された試料にＸ線を照射して、該試料にて回折されたＸ線を前記Ｘ線検出器で検出する工程と、前記ステージに設置した試料に高電圧及びレーザーを印加して、前記針状電極と前記試料の間に生じた電界強度とレーザーパワーにより、該試料表面を電界蒸発して掘削する工程とを交互に行うように制御されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の試料構造の分析装置は、更に、前記真空チャンバ内に、前記電界蒸発によって前記試料の表面から脱離した原子を検出して元素分析する原子検出器が配置されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、上記Ｘ線回折分析工程と上記掘削工程とを交互に行うので、試料表面及び厚さ方向の結晶構造を分析できる。
【００１４】
また、掘削工程では、試料に高電圧を印加しつつ、該試料表面に針状電極及びレーザーを走査させて、針状電極と試料の間に生じた電界強度とレーザーパワーにより、試料表面を電解蒸発して掘削するので、試料の結晶構造を損傷することなく、原子層単位で掘削でき、厚さ方向の結晶構造の分析精度に優れる。また、針状電極と試料の間に生じた電界強度とレーザーパワーとを併用して試料表面を電解蒸発するので、試料が絶縁物であっても掘削できる。なお、電界強度単独、またはレーザー単独で試料を掘削した場合、損傷が大きく結晶構造が変化することが懸念される。電界強度とレーザーパワーとを併用することで、試料の結晶構造を変化させることなく、原子層単位で試料を掘削できる。
【００１５】
そして、原子層単位で試料を掘削することが可能となるため、試料の厚さ方向の結晶構造の分布を原子層レベルで精度よく測定することができる。また、掘削工程時において、電界蒸発によって試料の表面から脱離した原子を検出して元素分析することで、試料の厚さ方向の元素の分布を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の試料構造の分析方法を適用した分析装置の概略図である。
【図２】本発明の分析方法の操作概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の試料構造の分析方法を適用した分析装置の一実施形態の概略図である。
【００１８】
図１に示すように、この分析装置は、Ｘ線シールド１２０で覆われた真空チャンバ１２１内に、試料２００が配置されるステージ１０３と、試料２００にＸ線（入射Ｘ線）１１１を照射するＸ線照射機１０１と、試料２００にて回折されたＸ線（回折Ｘ線）１１２を検出するＸ線検出器１０２と、試料表面を走査する針状電極１０５と、試料表面にレーザー１１３を照射するレーザー照射装置１０６と、原子検出器１０７とを有している。
【００１９】
本発明の測定対象の試料２００としては、特に限定は無い。複数の半導体薄膜、絶縁体薄膜、金属薄膜等の各種薄膜が積層した多層薄膜、厚さ方向に結晶性が変化している単層膜等が挙げられる。
【００２０】
Ｘ線照射機１０１と試料２００との間の入射Ｘ線１１１の光路上には、入射スリット１１５が配置されており、入射スリット１１５でスリットされた入射Ｘ線１１１が、試料２００の被検査位置に照射される。
【００２１】
試料２００とＸ線検出器１０２との間の回折Ｘ線１１２の光路上には、受光スリット１１６が配置され、受光スリット１１６でスリットされた回折Ｘ線１１２が、Ｘ線検出器１０２に入射される。
【００２２】
針状電極１０５は、高電圧パルス電源１０８に接続しており、ステージ１０３に配置した試料２００を高電圧パルス電源１０８に接続し、高電圧パルス電源１０８から電圧が印加すると、試料２００と針状電極１０５との間に高電圧が印加される。
【００２３】
レーザー照射装置１０６は、針状電極１０５と同期してレーザー１１３を走査するように構成されており、試料２００の高電圧が印加されている範囲に、レーザー１１３が照射されるように制御されている。
【００２４】
次に、図２を併せて参照しながら、本発明の試料構造の分析方法について説明する。なお、図２において、試料２００は、基板２０４上に、薄膜２０３、２０２、２０１が積層されている。基板２０４としては、例えば、シリコン、シリコンカーバイド、アルミニウム、ガラス等が挙げられる。薄膜２０３、２０２、２０１としては、例えば、二酸化ケイ素、シリコン、金属酸化物、金属等が挙げられる。
【００２５】
まず、ステージ１０３に試料２００を配置し、試料２００を高電圧パルス電源１０８に接続し、真空チャンバ１２１内を真空引きする。
【００２６】
そして、Ｘ線照射機１０１から試料２００の薄膜２０１に入射Ｘ線１１１を照射する。ステージ１０３とＸ線検出器１０２とを同期させて試料面内方向に動かして検査範囲に入射Ｘ線１１１を照射し、薄膜２０１にて回折された回折Ｘ線１１２をＸ線検出器１０２で検出して、試料２００の最表層である薄膜２０１の結晶構造を分析する（Ｘ線回折分析工程、図２（ａ）参照）。なお、この時点では、高電圧パルス電源１０８からの電圧印加は停止している。
【００２７】
入射Ｘ線１１１の入射角は１°以下が好ましい。入射Ｘ線の入射角を１°以下にすること、すなわち、試料表面の結晶構造の分析をＩｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｘ線回折法で測定することで、試料２００へのＸ線の侵入深さが小さくなり、試料表面の結晶構造を精度よく分析できる。
【００２８】
次に、入射Ｘ線１１１の照射を停止する。そして、薄膜２０１に対して電界蒸発が起こる電圧以下の高電圧を針状電極１０５に印加し、薄膜２０１の高電圧が印加されている範囲に、レーザー照射装置１０６からのレーザー１１３を照射する（掘削工程、図２（ｂ）参照）。レーザー１１３のレーザー強度は、電界強度とレーザーパワー合わせることによって電界蒸発が起こる程度の大きさにする。そして、針状電極１０５と、レーザー１１３を同期させながら薄膜２０１表面を走査させる。これにより、薄膜２０１表面のレーザー１１３が照射された部分のみ電解蒸発が起り、原子２０５が除去される。電界強度とレーザーパワー合わせて、薄膜２０１表面を電解蒸発するので、薄膜２０１の結晶構造を損傷することなく、原子層単位で薄膜２０１を掘削できる。また、針状電極１０５と薄膜２０１の間に生じた電界強度とレーザーパワーとを併用して試料表面を電解蒸発するので、薄膜２０１が絶縁物であっても掘削できる。薄膜２０１から脱離した原子２０５は、原子検出器１０７で捕捉して、薄膜２０１の元素分析を行う。
【００２９】
レーザー１１３の種類は、試料の材質により異なり、適宜最適なものを選択する。
【００３０】
レーザー１１３のビームサイズは、１μｍ以上が好ましい。ビームサイズが上記範囲であると、走査によってｍｍオーダー角以上の領域を加工することが可能である。
【００３１】
このようにして、薄膜２０１の厚さ分だけ掘削したのち、レーザー１１３の照射及び、高電圧パルス電源１０８からの電圧印加を停止する。そして、掘削により露出した薄膜２０２に入射Ｘ線１１１を照射し、薄膜２０２にて回折された回折Ｘ線１１２をＸ線検出器１０２で検出して薄膜２０２の結晶構造を分析する（Ｘ線回折分析工程、図２（ｃ）参照）。
【００３２】
次に、入射Ｘ線１１１の照射を停止し、試料に対して電界蒸発が起こる電圧以下の高電圧を針状電極１０５に印加し、薄膜２０２の高電圧が印加されている範囲に、レーザー照射装置１０６からのレーザー１１３を照射する（掘削工程、図２（ｄ）参照）。そして、針状電極１０５と、レーザー１１３を同期させながら薄膜２０２表面を走査させる。薄膜２０２表面のレーザー１１３が照射された部分のみ電解蒸発が起り、原子２０６が除去される。原子２０６は原子検出器１０７で捕捉して、薄膜２０２の元素分析を行う。
【００３３】
薄膜２０２の厚さ分だけ掘削したのち、レーザー１１３の照射及び、高電圧パルス電源１０８からの電圧印加を停止する。そして、掘削により露出した薄膜２０３に入射Ｘ線１１１を照射し、薄膜２０３にて回折された回折Ｘ線１１２をＸ線検出器１０２で検出して薄膜２０３の結晶構造を分析する（Ｘ線回折分析工程、図２（ｅ）参照）。
【００３４】
このようにして、試料の厚さ方向の結晶構造を分析できる。また、この実施形態では、掘削工程時に試料表面から脱離した原子を捕捉して元素分析するので、試料の厚さ方向の元素分析も同時に行うことができる。
【００３５】
なお、この実施形態では複数の薄膜が形成された試料の各薄膜の構造分析を行ったが、単層膜で、厚さ方向に結晶性が変化している試料の厚さ方向の構造分析も同様にして行うことができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０１：Ｘ線照射機
１０２：Ｘ線検出器
１０３：ステージ
１０５：針状電極
１０６：レーザー照射装置
１０７：原子検出器
１０８：高電圧パルス電源
１１１：入射Ｘ線
１１２：回折Ｘ線
１１３：レーザー
１１５：入射スリット
１１６：受光スリット
１２０：Ｘ線シールド
１２１：真空チャンバ
２００：試料
２０１、２０２，２０３：薄膜
２０４：基板
２０５、２０６：原子
【図１】
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【図２】
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