JP4280709B2 - Ｘ線を方向付ける多層構造体および蛍光ｘ線分光方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線放射を反射するための多層構造体、及びそれに関連する蛍光Ｘ線分光法によって試料の原子組成又は分子組成を分析する方法に関するものである。

多層反射器またはブラッグ反射器は、構造分析のため、及び特定の原子又は分子の有無を検出するためにしばしば使用される。この処理は一般に蛍光Ｘ線分光法として知られている。このような処理は、対象試料中に存在する微小量の不純物の検出に有用である。例えば、蛍光Ｘ線分光法は、高度に集積された回路の基礎となるシリコン及びゲルマニウムのウェハ中の不純物を検出するために、半導体産業において使用される。

典型的な処理では、Ｘ線がシリコン・ウェハなどの試料に導かれる。放射の衝突により、蛍光Ｘ線が誘導され、それが多層体すなわちブラッグ反射器に入射する。この蛍光Ｘ線は、この多層体によって測定用または分析用検出器に向けられる。

ブラッグの式を満足する蛍光Ｘ線だけが反射されるので、この多層体は反射光学部品および周波数選択器のどちらの働きもする。ブラッグの式は一般的に次式で表される。
（１） ｎλ＝２ｄｓｉｎθ

前記の式において、ｎは整数、λは初期のＸ線の波長、ｄは多層体の格子構造の周期、及び２θは回折角である。

規則的な格子構造を有するある種の結晶は、ブラッグの式を自然に満足する。しかし、典型的な結晶の格子間隔は１０分の数ナノメートルであり、軟Ｘ線の波長は１〜１０ナノメートルであるので、（１）式は満足されない。したがって、ブラッグ型の反射を利用する軟Ｘ線分析の場合、多層反射器が必要である。

典型的な多層体は、２種の異なる材料がその上に連続して被着されて厚さｄの周期的な層が形成された基板から成る。一般的に、材料のうちの１方は高誘電率を有し、他方は低誘電率を有する。入射放射線がこれらの異なる誘電率材料間の界面に衝突すると、入射放射線の約１０^−２〜１０^−３の放射線が反射される。したがって、１０^２〜１０^３の層を有する多層構造体は、理論的には、ほとんど全ての入射放射線を反射するはずである。多層構造体には特製設計できるという追加の利点がある。つまり、対象とする様々な波長に対してブラッグの式を満足するようにｄ間隔を調整することができる。例えば、多層構造体を使用して、半導体産業で日常的に使用されるボロフォスフォシリケート（ホウ素・リン・ケイ化物）などの酸素含有材料のホウ素含有量を決定することができる。

一般の多層体は、モリブデン・炭化ホウ素（Ｍｏ／Ｂ_４Ｃ）周期体、ランタン・炭化ホウ素（Ｌａ／Ｂ_４Ｃ）周期体、及びランタン・ホウ素（Ｌａ／Ｂ）周期体から成る。Ｍｏ／Ｂ_４Ｃ多層体は従来技術よりも改善されると考えられたが、これによっても依然としてホウ素不純物の検出は問題の多いままであった。最も重要なことには、Ｍｏ／Ｂ_４Ｃの対はホウ素の検出に最適化されているが、この対も、Ｓｉ−Ｌα線として知られるケイ素の輝線であるＥ＝９０ｅＶのエネルギーにおける極めて大きい反射率を特徴とする。この潜在的な反射率は、シリコン・ウェハ等の、あるケイ素含有試料におけるバックグラウンド信号を増大させる。この制限によって半導体業界でのＭｏ／Ｂ_４Ｃ対の使用が妨げられている。

さらに、この分野の発展によって多層用Ｌａ／Ｂ_４Ｃ及びＬａ／Ｂ対という技術革新がもたらされた。Ｍｏ／Ｂ_４Ｃ対に比べると、ランタン基の対は、対象とするホウ素の輝線、Ｂ−Ｋα線の反射率が非常に大きい。さらに、Ｓｉ−Ｌα線から生じるバックグラウンド・ノイズがかなり抑制された。

しかし、ランタン基の対は、構造体上の特殊性を有しており、通常の処理中に多層体に損傷をもたらす。例えば、ランタン基の対は、構造上軟らかく、成形及び取付処理の際に破断、割れ、又は変形をおこす傾向がある。さらに、ランタン基の対は、耐水性が低く、このため、洗浄処理に、細心の注意を要し、時間が掛かり、かつ光学部品を損傷させる潜在的可能性がある。

したがって、本発明は、Ｘ線分析によるホウ素の検出能を向上させる装置および方法から成る。本発明は、多層反射器の支持されている理論から逸脱しており、従来の材料の対とは対照的に、周期元素が３つの群として現れる多層構造体を導入する。本発明は、３部の周期性を実現することによって、従来技術の限界を克服しつつ、同時にその利点の全てを保持する。

具体的には、本発明は、３層のそれぞれが所定の材料である三つ組層を、少なくとも１つ有する多層構造体から成る。これらの材料のうちの１つはランタン、酸化ランタン、又はランタン基合金を含む群から選ばれる。第２材料は、第１材料と第３材料との間に配置される。第２材料は、炭素、ケイ素、ホウ素、炭化ホウ素、又は炭化ケイ素を含む群から選ばれる。第３材料は、ホウ素又は炭化ホウ素を含む群から選ばれる。

第２具体例では、第４材料を追加して多層構造体をさらに強くし、その耐水性を向上させる。第４材料は、ケイ素、ホウ素、炭化ホウ素、又は炭化ケイ素を含む群から選ばれる。第４材料は、多層第ｎ周期の第３層と多層第（ｎ−１）周期の第１層との間に配置されて、ｎ個の周期の全てにわたってそれぞれの第１層と第３層とが隣接しないようにする。

本発明の好ましい実施例により、図１に対象試料の蛍光Ｘ線分析のための装置１０を図示する。Ｘ線源２０は、反射光学部品２２に向けられたＸ線１２を放射する。この反射光学部品２２は、Ｘ線放射１２を平行にし、又は単色化するために使用できる。或いは、この装置１０を反射光学部品２２無しで作動させることもできる。

しかし、図示したように、化学的不純物を測定するために分析する必要のあるシリコン・ウェハ等の対象試料２４にＸ線１２を衝突させる。Ｘ線１２と試料２４との間の周知の物理的反応によって、蛍光Ｘ線１４が試料から放射される。蛍光Ｘ線１４は、試料２４に存在する原子または分子の元素の種類に関する情報を、放射輝線の形で含んでいる。蛍光Ｘ線１４は、本発明の多層構造体２６により選択的に反射され、その結果、反射蛍光Ｘ線３６が生成される。この反射蛍光Ｘ線３６は、その後に、反射蛍光Ｘ線３６の定性的および定量的な特性を解明するようにされている検出器２８に受け入れられ分析される。

放射線は、ブラッグの式、すなわち前記式（１）に従って多層構造体２６により選択的に反射される。式中の距離ｄは、図２に参照番号１８で図解的に示す。図２に示すように、表面に角度θで衝突する入射放射線１６は、ｄ間隔１８に対応する間隔で反射される。所定数の層１８間の干渉による強め合いによって、反射放射線１７の均一場が形成される。

図３に本発明の好ましい実施例による多層構造体２６を図示する。この多層構造体２６は、一般に、一連の三つ組層３０をその上に周期的に形成することのできる基板３４を含む。図示するように、この基板３４は本来、平面形状である。しかし、代替実施例では、この基板３４を湾曲した部材に形成することもできる。例えば、特定の目的を達成するために必要に応じて、この基板３４を楕円面、放物面、または回転楕円面に形成できる。

一連の三つ組層３０を基板３４上に周期的に形成して本発明の多層構造体２６を作製する。それぞれの三つ組層３０は、層３２ａ、３２ｂ、３２ｃの三つ組を含み、それらを基板３４上に連続的に被着させて必要な周期性を作り出す。この多層構造体２６は、１〜１００組の三つ組層３０、すなわち、３〜３００層の個々の層３２ａ、３２ｂ、３２ｃから成る。好ましい実施例では、多層構造体２６は、３０〜６０組の三つ組層３０から成り、それぞれの三つ組層３０の厚さは５〜６０ナノメートルである。この厚さを多層構造体２６のｄ間隔とも呼ぶ。

前記のように、それぞれの三つ組層３０は、第１層３２ａ、第２層３２ｂ、及び第３層３２ｃを含む層３２ａ、３２ｂ、３２ｃの三つ組から成る。好ましくは、第１層３２ａはランタン（Ｌａ）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、又はランタン基合金を含む第１群からの１つの材料で構成される。第２層３２ｂは、好ましくは、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む第２群からの１つの材料で構成される。第３層３２ｃは、好ましくは、ホウ素（Ｂ）、又は炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を含む第３群からの１つの材料で構成される。図３に示すように、第２層３２ｂは、好ましくは、第１層３２ａと第３層３２ｃとの間に配置される。

図４に示す本発明の第２の好ましい実施例では、多層構造体２６の基本周期３１が、層３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの四つ組を少なくとも１つ含む。一連の四つ組層３１を基板３４上に周期的に形成して本発明の多層構造体２６を作製する。それぞれの四つ組層３１は、層３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの四つ組を含み、それらを基板３４上に連続的に被着させて必要な周期性を作り出す。この多層構造体２６は、１〜１００組の四つ組層３１、すなわち、４〜４００層の個々の層３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄから成る。好ましい実施例では、多層構造体２６は、３０〜６０組の四つ組層３１から成り、それぞれの四つ組層３０の厚さは５〜６０ナノメートルである。この厚さを多層構造体２６のｄ間隔とも呼ぶ。

前記のように、それぞれの四つ組層３１は、第１層３６ａ、第２層３６ｂ、第３層３６ｃ、及び第４層３６ｄを含む層３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの四つ組から成る。好ましくは、第１層３６ａはランタン（Ｌａ）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、又はランタン基合金を含む第１群からの１つの材料で構成される。第２層３６ｂは、好ましくは、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む第２群からの１つの材料で構成される。第３層３６ｃは、好ましくは、ホウ素（Ｂ）、又は炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を含む第３群からの１つの材料で構成される。第４層３６ｄは、好ましくは、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む第４群からの１つの材料で構成される。

好ましい実施例では、第２層３６ｂおよび第４層３６ｄは化学的に同一であるが、それぞれの幾何学的特性は、好ましくは同一ではない。図４に示すように、第２層３６ｂは、好ましくは、第１層３６ａと第３層３６ｃとの間に配置され、第３層３６ｃは、好ましくは、第２層３６ｂと第４層３６ｄとの間に配置される。

多層構造体２６を、装置１０の性能を最大にするように成形、又は他の方法で調整できることが、本発明の特徴である。例えば、図３及び図４に示す多層構造体２６を、多層構造体２６の表面の様々な点での入射角θの大きさを調整するために、楕円面、双曲面、又は球面などの円錐断面に形成することができる。多層構造体２６の表面を成形することによって、蛍光Ｘ線反射３６を好ましい方法で検出器２８に集束させるような特定の方式で、蛍光Ｘ線１４を調整することができる。

さらに、図３および図４に示した多層構造体２６のｄ間隔、すなわち、三つ組層３０又は四つ組層３１の厚さを、多層構造体２６の深さに沿って変え、或いは多層構造体２６の横軸に沿って変えることができる。この巧みな操作は、それぞれ、深さ（層の厚さ）方向勾配付きｄ間隔、及び横方向（層の面内）勾配付きｄ間隔として知られる。

本発明をその好ましい実施例で説明してきたが、これにより、とりわけホウ素の蛍光Ｘ線放射に関して向上したスペクトル分解能を備える、耐久性のある多層構造体が提供され、蛍光Ｘ線分光法処理が改善される。具体的には、三つ組又は四つ組周期から成る多層構造体を形成することにより、蛍光Ｘ線分光装置の全体的な性能が大幅に向上する。三つ組及び四つ組周期のどちらも、装置に構造体的な完全性を加えることによって多層体の光学部品の寿命を増大させ、かつ耐水性も劇的に向上させる。

前記で説明した実施例は、本発明の多くの可能な具体的な実施例のほんの少しについての単なる例示に過ぎないことが当業者なら判るはずである。当業者なら、前記の特許請求の範囲の原理及び範疇から逸脱することなく、多くの様々な他の構成を容易に工夫することができる。

本発明の蛍光Ｘ線分光法の概略構成図。 ブラッグの式を満たす材料からのＸ線放射の反射を示す概略構成図。 ３つの別々の層を有する本発明の好ましい多層構造体の概略断面図。 ４つの別々の層を有する本発明の好ましい多層構造体の概略断面図。

Claims (30)

1. 第１層、第２層、及び第３層を含む少なくとも１つの三つ組層を含むＸ線反射用の多層構造体において、
   前記第１層が、ランタン（Ｌａ）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、又はランタン基合金のうちの１つを含み、前記第２層が、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうちの１つを含み、前記第３層が、ホウ素（Ｂ）を含み、
   前記第２層が、前記第１層と前記第３層との間に配置されているＸ線反射用多層構造体。
2. 前記第１層が、ランタン（Ｌａ）又は酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）のうちの１つを含む請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
3. 前記第３層が、ホウ素（Ｂ）から成る請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
4. 前記第２層が、炭素（Ｃ）又はケイ素（Ｓｉ）のうちの１つを含む請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
5. 前記第２層が、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうちの１つを含む請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
6. 前記第１層がランタン（Ｌａ）から成り、前記第２層が炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）から成り、前記第３層がホウ素（Ｂ）から成る請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
7. 前記第１層が酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）から成り、前記第２層がケイ素（Ｓｉ）から成り、前記第３層がホウ素（Ｂ）から成る請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
8. 前記第１層が酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）から成り、前記第２層が炭素（Ｃ）から成り、前記第３層がホウ素（Ｂ）から成る請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
9. 前記構造体が、１〜１００組の三つ組層から成ることを特徴とする請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
10. 前記構造体が、３０〜６０組の三つ組層から成ることを特徴とする請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
11. 前記構造体が層の面内方向に勾配が付いていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線反射用多層構造体。
12. 前記構造体が層の厚さ方向に勾配が付いていることを特徴とする請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
13. 前記第１層の厚さ、前記第２層の厚さ、及び前記第３層の厚さが実質的に等しい請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
14. 前記構造体が楕円形状に湾曲していることを特徴とする請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
15. 前記構造体が放物線形状に湾曲していることを特徴とする請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
16. 前記構造体が球状に湾曲していることを特徴とする請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
17. 前記少なくとも１つの三つ組層の厚さが５〜６０ナノメートルである請求項１に記載されたＸ線反射用多層構造体。
18. 蛍光Ｘ線分光方法において、該方法が、
    Ｘ線を準備する段階と、
    分析試料に前記Ｘ線を照射して、それによって、請求項１に規定された多層構造体により蛍光Ｘ線を誘導する段階とを含む蛍光Ｘ線分光方法。
19. 前記試料に照射した後、前記蛍光Ｘ線を分析する段階をさらに含む請求項１８に記載された蛍光Ｘ線分光方法。
20. 少なくとも１つの四つ組層を含むＸ線反射用の多層構造体であって、
    第１層がランタン（Ｌａ）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、又はランタン基合金のうちの１つを含み、第２層が炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうちの１つを含み、第３層がホウ素（Ｂ）を含み、第４層が炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうちの１つを含み、
    前記第２層が前記第１層と前記第３層との間に配置され、前記第３層が前記第２層と前記第４層との間に配置されているＸ線反射用多層構造体。
21. 前記多層構造体は、個々の層が少なくとも１つの周期を有し、前記周期における前記個々の層の数が３又は４であり、
    Ｘ線に応答して試料から放射された蛍光Ｘ線を受けて、前記多層構造体が選択的に前記蛍光Ｘ線を反射するようになっている請求項１または請求項２０に記載されたＸ線反射用多層構造体。
22. 前記構造体が１〜１００組の四つ組層から成ることを特徴とする請求項２０に記載されたＸ線反射用多層構造体。
23. 前記構造体が３０〜６０組の四つ組層から成ることを特徴とする請求項２０に記載されたＸ線反射用多層構造体。
24. 前記構造体が層の面内方向に勾配が付いていることを特徴とする請求項２０に記載されたＸ線反射用多層構造体。
25. 前記構造体が層の厚さ方向に勾配が付いていることを特徴とする請求項２０に記載されたＸ線反射用多層構造体。
26. 前記第１層の厚さ、前記第２層の厚さ、前記第３層の厚さ、及び前記第４層の厚さが実質的に等しい請求項２０に記載されたＸ線反射用多層構造体。
27. 前記構造体が楕円状に湾曲していることを特徴とする請求項２０に記載されたＸ線反射用多層構造体。
28. 前記構造体が放物線状に湾曲していることを特徴とする請求項２０に記載されたＸ線反射用多層構造体。
29. 前記構造体が球状に湾曲していることを特徴とする請求項２０に記載されたＸ線反射用多層構造体。
30. 前記少なくとも１つの四つ組層の厚さが、５〜６０ナノメートルである請求項２０に記載されたＸ線反射用多層構造体。

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