(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線解析装置であって、
平面において平坦な表面で解析される前記平坦な表面を有する試料を収容するための試料の場所、
前記試料においてＸ線を発生させるための手段、
前記試料において発生させられたＸ線を検出するための位置感知性の検出器、
線状の焦点の形態で前記検出器に前記試料から発するＸ線を集束させる為に、前記試料及び前記位置感知性の検出器の間のビーム経路に配置されるフォーカシングＸ線鏡、
前記位置感知性の検出器及び前記フォーカシングＸ線鏡が、前記位置感知性の検出器の位置感知性の方向が線状の焦点に平行に延在するような様式で互いに相対的に配置されること
を含む、Ｘ線解析装置において、
前記フォーカシングＸ線鏡が、グレージング出射条件で試料の表面から発するＸ線を捕捉すると共に、前記線状の焦点の方向が、前記平面の横断方向に延在するような様式で、前記フォーカシングＸ線鏡は、前記Ｘ線鏡の表面及び前記平面に平行な平面の交わりが曲線であるように、前記平面に平行に延在する平面において湾曲させられた、及び、前記Ｘ線鏡の表面及び前記平面に垂直な平面の交わりが直線であるように、前記平面に垂直に延在する平面において湾曲させられたものではない、湾曲フォーカシングＸ線鏡として、前記試料の表面に対して相対的に寸法が加減された及び配置されたものであることを特徴とする、Ｘ線解析装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＸ線解析装置であって、
前記試料においてＸ線を発生させるための手段は、Ｘ線管及び毛管Ｘ線光学部品用のユニットの組み合わせによって形成される、Ｘ線解析装置。
【請求項３】
請求項１に記載のＸ線解析装置であって、
前記試料においてＸ線を発生させるための手段は、Ｘ線管の陽極に線の形状の焦点のスポットを形成するように配置されるＸ線管によって形成される、Ｘ線解析装置。
【請求項４】
請求項１に記載のＸ線解析装置であって、
前記試料においてＸ線を発生させるための手段は、前記試料を電子ビームによって照射するように配置される電子源によって形成される、Ｘ線解析装置。
【請求項５】
請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載されるＸ線解析装置であって、
前記試料においてＸ線を発生させるための手段は、前記Ｘ線が前記試料に発生させられる前記スポットが、前記スポットから前記Ｘ線鏡までの距離の３％と比べてより小さいものであるような様式で配置される、Ｘ線解析装置。
【請求項６】
請求項５に記載のＸ線解析装置であって、
前記スポットの寸法は、前記距離の１％と比べてより少ないものである、Ｘ線解析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、解析される試料を載せる試料位置と、試料内にX線を発生させる手段と、試料内に発生されたX線を検出する位置感知検出器と、試料と検出器の間のビーム路上に配置され、試料から放射するＸ線を焦点線として検出器上に集束する集束X線鏡とを含み、その検出器と集束X線鏡とは検出器の位置感知方向が焦点線と平行に延在するように相対的に配置されるX線解析装置に係る。
【０００２】
このような装置は公開された国際特許出願第９７／１３１４２号に開示される。そこに開示されるX線解析装置は、集束X線鏡と検査される試料から発生した蛍光放射線を検出するための位置感知検出器（PSD）とを有する蛍光ユニットを含む。試料の照射領域から発生する蛍光放射線ビームは（図１の紙面方向と図１の紙面に垂直方向の）二方向に分岐する。このビームは集束X線鏡に捕捉され、集束X線鏡の表面は捕捉する部分が円筒状になっている。円筒状の性質により、ビームは所定範囲内で集束し、よってビームの大部分がPSD上に到達する。そして集束X線鏡は解析素子として機能する。すなわちPSD上の各位置は鏡上の所定の位置に対応し、鏡上の所定の位置は蛍光放射線の所定の波長と対応する。
【０００３】
このような解析素子（通常は単結晶かそれ自体で知られる多層鏡）の（周知の）動作は周知のブラッグ関係式 2d.sinθ=nλ（dは結晶または鏡の反射面の距離を、θは反射面上のX線の入射角度を、nは反射の次数を、λはX線波長を示す）に特に基づく。この関係式は、解析素子に正しい角度θで入射する放射線のみが反射することを説明する。
【０００４】
従来の装置において試料に対して集束X線鏡の広がりと位置とを決めることにより、反射した波長とPSD上の位置の間に関係が存在する。入射放射線の強度はPSDの各素子内で決定されるので、配列されたすべての素子を読み出すことにより、蛍光放射線の波長の関数として強度スペクトルが形成される。
【０００５】
現行のX線解析では、例えば集積電子回路（IC）の層の厚さや層内の所定化学分子の濃度といったような試料上の薄層の性質を決定する必要がある。このため、一般的に普及している方法によると、試料は励起放射線により照射され、蛍光放射線が試料から発生する。前記層の性質に関連する情報は、蛍光放射線を計測することにより得られる。しかし、従来のX線蛍光（XRF）方法の場合、一回の計測で濃度と層の厚さとの積に関する情報しか得られず、それぞれの量に関する情報は個別に得られない。この後者の情報は、グレージング出射Ｘ線蛍光（GEXRF）法として知られる既存の検出方法によって得ることができる。GEXRFの場合、試料（例えば集積回路）は滑らかで平らな表面を有する。所定の望ましい波長（とりわけ解析に適した化学分子の特性波長）を有する蛍光放射線の強度は、試料表面に対する出射角の関数として計測される。この観点から、例えば０°から約７°の小さい角度の出射角（グレージング出射）のみが重要である。すなわち、出射角の関数として強度変化を計測するためには、非常に細いスリットを用いて角度範囲を走査することが必要となる。なぜならGEXRFの場合、とても厳しい条件が角度分解能に課されるからである。結果として、この細いスリットは低いX線パワーしか伝送しないので、計測時間が比較的長くなる。これは欠点である。なぜなら通常、このような計測は（比較的高価な）無塵製造室におけるスループット時間が大切な生産因子を示すIC製造の際に行われるからである。
【０００６】
極小の細部（ディテール）を有する試料、例えばICを研究する傾向により、GEXRFにおいて高い位置分解能を実現することが更に必要になる。これは試料の望ましい小領域を発生源とする蛍光放射線だけを計測することにより可能になる。つまり蛍光放射線は前記の小領域のみから発生される。しかし、これは蛍光放射線の全体としてのパワーが著しく減少し、これらの計測により時間がかかるという欠点を有する。この問題の困難さを以下の数値例を基に説明する。
【０００７】
従来のX線管内でX線が発生される場合に、陽極により送出されたX線パワーＰxが、Ｘ線管によって集められたパワーＰeに比例係数ｃで比例する、すなわち、Ｐx＝ｃ.Ｐeと表すことができると仮定する。陽極は立体角２π（すなわち半球体）にX線パワーを放射する。もし立体角Ωの一部のみが使用されるのであれば、着目している試料領域内の有効なX線パワーＰsを得るために、得られたX線パワーにΩ／（２π）を掛けなければならない。これは次式のように表せる。
Ｐs＝ｃＰeΩ／２π                                            （１）
この時点で試料上に励起スポットを形成する可能性についての比較が可能になる。この場合、比例係数ｃは無関係である。なぜならその値は考え得るすべての可能性に対し同じ値になるからである。
【０００８】
従来の蛍光管の場合、Ω＝１.６ステラジアンが成り立つ。この値は蛍光管で生成されたＸ線ビームが典型的に約４１.５°の開口αの半分の角度を有するという事実に基づき決定される。このΩの値は、Ω＝２α（１−cosα）の関係に従う。Ｐe＝４kWという典型的な値を用いると、Ｐs＝１０３ｃとなる。
【０００９】
（例えば、１ｍｍの規模の）望ましい小さな励起スポットを実現するには、典型的に陽極に約５０μｍの焦点と４０WになるパワーＰeとを有する微小焦点管を使用することが考えられ得る。この微小焦点管において、焦点から試料までの典型的な距離の長さは２２ｍｍになり、望ましい１ｍｍの焦点サイズに対して立体角値Ω１.６×１０−３ステラジアンが得られる。このように定められた値を使用するとｐｓ＝１０−２ｃとなり、従来の蛍光管の値より１０５倍小さい。以上述べられた数値例では、計測に長い時間がかかることに関する前記の問題は解決されていないことが明らかになるであろう。
【００１０】
前記の国際特許出願中に記載された装置も、波長分散型計測を実行するべく形成されており、角度走査を行わないので、前記の問題を解決することができない。
【００１１】
本発明の目的は、GEXRF条件における出射角の関数として、蛍光放射線の強度分布を捕捉するのに適し、計測時間が大幅に長くなることのないX線解析装置を提供することである。
【００１２】
これを達成するために、上記のX線解析装置は、X線鏡がグレージング出射条件で試料表面から放射するX線を捕捉し、焦点線の方向が試料表面の横方向に延在するようにX線鏡は試料の表面に対して広がりと位置が決められることを特徴とする。
【００１３】
X線鏡は望ましい波長に対する波長選択効果を持つ必要があるので、望ましい波長を正しい角度で鏡面に入射させるため、鏡表面は試料上のスポットに対し正しく向けられなければならない。鏡面の非湾曲方向は試料表面の横方向に延在するので、鏡に入射する高さと蛍光放射線の出射角との間に対応関係がある。結果として、鏡により形成される焦点線でも、焦点線上の位置と出射角との間に対応関係がある。焦点線がPSDと対応するように形成されると、PSD上の各素子は放射線の所定の出射角と対応し、強度分布は（１回の照射中に）不連続的に出射角の関数として捕捉される。
【００１４】
X線鏡は、その高さ（すなわち試料表面に垂直方向の鏡の寸法、つまり鏡の非湾曲方向の寸法）が、すべてのグレージング出射蛍光放射線、すなわち試料表面と平行となる０°の角度と、層の厚さ及び層内に在る化学分子に依存するが一般的に１０°よりも小さい角度との間の角度で試料表面から放射する放射線を捕捉可能なように形成されるのが好ましい。
【００１５】
本発明における一実施例において、試料内にX線を発生させる手段は、X線管と毛管X線光学ユニットとが組み合わされて構成される。
【００１６】
このような組立体を使用すると、蛍光放射線の低いパワーに関する問題は軽減される。というのは、毛管X線光学ユニットが、通常X線管から発生し、非常に発散し易いX線を、Ｘ線を伝導させる毛管を用いて、照射される試料の領域に伝達し、比較的高強度の小さなスポットを形成するからである。そのようなX線操作のための毛管構造はすでに知られており、例えば、米国特許第５４９７００８号に開示される。
【００１７】
本発明における他の実施例では、試料内にX線を発生せさる手段は、X線管の陽極に線状の焦点を形成するように配置されたX線管で構成される。
【００１８】
焦点線を有する管は、X線回折に使用されるので、一般的に回折管と称される。GEXRFにおいて回折管を使用する利点は、その管に典型的な数値を使用して前記（１）の式により説明される。回折管は寸法が１×１０ｍｍである焦点線を陽極に備える。直径０．６６ｍｍの丸いダイアフラムを陽極から１０ｍｍ離れたところに設置すると、陽極から１５ｍｍ離れた試料上に、約１mmの直径を有するX線スポットが形成される。焦点線全体の中で約２．５ｍｍ（従って２．５平方cmの表面）の焦点線の部分が試料上のスポットに寄与することがわかる。このような管のパワーの典型的な値は、４８０W／ｍｍ２であり、この場合はＰe＝１．２ｋWである。上記の幾何学的構造に対し、空間角度Ω＝０．６×１０−３ステラジアンが成り立つ。これらの数値を当てはめると、式（１）は、Ｐs＝０．６６ｃとなり、つまり大きなスポットを有する従来の蛍光管を使用して試料に照射する場合よりも約１５００倍少ない。本発明における角度走査は一回の操作で行われるため、励起ビーム内の低いX線パワーは不連続的な角度走査時の利得により補償される。
【００１９】
本発明の好適な実施例において、試料内にX線を発生させる手段は、試料を電子ビームで照射するよう配置された電子源で構成される。
【００２０】
蛍光放射線は（１次）X線を試料に照射して発生されるだけでなく、電子によって試料内の原子を励起しても発生させ得る。電子ビーム励起の最大の利点は、極小励起スポットがそのような電子ビームによりとても簡単に実現可能であるということである。このような観点から１０ｎｍから数百ｎｍの大きさのオーダーの典型的なスポット寸法と、１０ｎAの大きさのオーダーのビーム電流が実現可能である。X線管内の電流と電子ビームの電流を比較することで、集束電子ビームにより試料内に放出されたX線力を推定することが可能になる。そのような（近似）計算によって、前記回折管の場合よりも約１０倍高いパワーを備えた蛍光放射線量が得られる。また電子ビームを使用すると、X線励起の場合よりも何倍も励起スポットが小さい（よって、位置分解能が相当高くなる）という利点が得られる。
【００２１】
本発明の更なる実施例において、試料内にX線を発生させる手段は、試料内でX線が発生されるスポットがそのスポットからX線鏡までの距離の３％よりも小さくなるよう形成される。
【００２２】
このようなスポットの寸法が設定される時、角度走査の角度範囲が１００mradであるならば、３mradの大きさのオーダーの角度分解能が達成可能と算出される。
【００２３】
計測される角範囲に亘り走査されるGEXRF計測において（つまり連続計測中に）、計測時間の長さを許容範囲に保ったまま約１mradの角度分解能が達成可能である。本発明を用いることにより、同じ角度分解能と依然として許容範囲である計測時間が達成できるとすると特に魅力的である。よって本発明の更なる実施例におけるスポットの寸法は前記距離の１％より小さい。
【００２４】
本発明は、一つの図１を参照し、以下に詳細に説明する。図１は、本発明を実施するGEXRF装置の関連ある部分を図示したものである。
【００２５】
被検査試料２を図示されるように装置に設置する。試料は電子集積回路（IC）、または他の種類の試料で形成される場合もある。試料は平らで滑らかな表面４を有することが大切である。粗く及び／または湾曲した表面ではグレージング出射の角度が適切に定義されないからである。試料表面４は、図１で符号６と示される仮想平面上に位置する。
【００２６】
X線は試料２内で発生する。このX線は好適な手段８、例えばX線管または電子源によって発生される。使用するX線管は、例えばフィリップス社で販売されているX線回折管の場合がある。このような管は典型的に２．２ｋWのパワーと陽極に１×１０ｍｍの焦点線を有する。励起X線（１次X線とも称する）はX線ビーム１０という形でX線管を離れる。このビームは、例えば０．６６ｍｍ大の丸い開口部を有するダイアフラム１２により望ましい断面形状に遮断される。ダイアフラムは陽極より１０ｍｍ離れたところに位置する。このように照射される丸い領域（X線スポット１４）は試料上に形成され、前記スポットは１ｍｍの直径を有する。管内で発生した１次X線は広帯域X線であり、管の陽極材料表すX線スペクトルラインが重ね合わされたX線連続体に構成される光線である。１次広帯域X線はこのように試料２上に照射される領域にスポットを形成する。
【００２７】
X線が電子ビーム１０を用いて試料内に発生される際は、どのような電子源を使用しても構わない。例えば電子顕微鏡に使用される電子源でも構わない。電子ビームは、電子顕微鏡で使用する従来の電子レンズの一式を用いて集束可能である。このような場合、試料上にスポット１４の直径を画成するためにビームを制限するダイアフラムは必要としない。集束した電子ビームの場合、スポットの直径は電子源の物理的寸法と焦点レンズ系の倍率とレンズ欠陥とにより決定する。電子源の種類とレンズの品質によって、スポットは１０ｎｍから数百ｎｍの寸法を有する場合がある。蛍光放射線が電子ビームによって発生される場合、自由電子が運動する解析装置の部分（すなわち、電子源の陰極から試料までの空間）は除去される。ソフト蛍光放射線を検出する場合も同じである。
【００２８】
１次放射線または電子ビームにより試料２から発生する蛍光放射線は、原則としてすべての方向に伝搬する。GEXRFの場合、試料表面に対して小さな角度（１００mradまで）をなす方向だけが重要である。この角度範囲内で発生する蛍光放射線の一部は湾曲集束X線鏡１６に捕捉される。
【００２９】
湾曲集束X線鏡は湾曲した単結晶または公知の人工多層鏡で形成する場合がある。この鏡は平面６と平行に延在する平面上で湾曲する。すなわち、鏡の表面と平面６に平行して延在する平面との交差部分は、曲線を形成する。このような曲線は図１では１８ａと１８ｂとして示される。Ｘ線蛍光学で知られるように、曲線によって形成された焦点線の鋭さに関して要求される条件と波長選択性とに依存して、この曲線の形状は対数螺線または円状、またはこれらの形状に類似した好適な形状となる。
【００３０】
鏡１６は平面６に垂直に延在する平面では湾曲していない。すなわち、鏡の表面と平面６の横方向に延在する平面との交差部分は、直線を形成する。このような直線は図１では２０ａと２０ｂとして示される。図示されるように、これらの線は平面６に対して垂直に延在し、さらには、試料表面４に対しても垂直である。
【００３１】
点１４から放射される蛍光放射線は、焦点線２２を形成するよう鏡１６によりスポットが合わされる。焦点線２２が形成される場所に位置感知検出器（ＰＳＤ）２４が設置される。このような位置感知検出器はＸ線解析技術においては周知されているのでここでは説明しない。位置感知検出器は、それぞれがＸ線に敏感なＰＳＤ素子の積み重ねによって形成される。素子に入射するＸ線の強度は素子毎に決定される。この場合、位置感知検出器の位置感知方向は、焦点線の方向であり、ＰＳＤ素子の積み重ね方向である。この位置感知検出器の位置感知方向は、図１に示すように平面６に対して垂直に延在し、さらには、試料表面４に対しても垂直である。
【００３２】
本発明に関する装置の動作を説明するために、スポット１４から放射する蛍光放射線内の多数の光線が識別される。光線２６ａと２６ｂは試料表面４から同じ角度で放射し、しかし出射面では互いに違う方向に出る。光線２６ａは、鏡１６で反射され光線２６ｃとして位置感知検出器２２の方向に進み、その光線は位置感知検出器２２でＰＳＤ素子２６ｅに入射する。鏡１６は光線２６ｂを光線２６ｄとして位置感知検出器２２の方向に反射させ、そしてその光線もＰＳＤ分子２６ｅに入射する。鏡１６は光線２８ａを光線２８ｃとして位置感知検出器２２の方向に反射させ、ＰＳＤ素子２８ｅに入射する。鏡１６は光線２８ｂを光線２８ｄとして位置感知検出器２２の方向に反射させ、そしてその光線もＰＳＤ素子２８ｅに入射する。これは試料表面４を同じ角度で離れる光線は、同じＰＳD素子に反射されることを意味する。よって強度分布は出射角の関数として決定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を実施するGEXRF装置の関連ある部分を示す図である。
【図１】
0004257034.tif 000002