JPH09159627A

JPH09159627A - Ｘ線評価装置

Info

Publication number: JPH09159627A
Application number: JP7322778A
Authority: JP
Inventors: Tadao Katsuragawa; 忠雄桂川
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 1997-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】分光後のＸ線の入射角の制約を受けることな
く試料に強度の強いＸ線を入射させてＳ／Ｎを向上さ
せ、試料のデータ解析精度を向上させる。【解決手段】Ｘ線源１４からのＸ線を分光するＸ線分
光器１８と、試料２０を下向きに保持するマニピュレー
タ２１と、超薄膜の重原子膜と軽原子膜とを交互に積層
させた多層膜構造の凹球面状反射面２２ａを有してＸ線
分光器１８からのＸ線を試料２０に対し入射させる入射
角可変自在なＸ線反射集光ミラー２２と、試料から出射
されるＸ線及び電子線を検出する２次元検出器２５と、
これらのＸ線源１４とＸ線分光器１８と試料２０とマニ
ピュレータ２１とＸ線反射集光ミラー２２と２次元検出
器２５とを内蔵した真空チャンバ１２とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、超高真空
中で成膜された試料の最上表面の原子・電子構造など
の、物質の表面構造の測定解析に適したＸ線を利用した
Ｘ線評価装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年にあっては、表面や界面に各種機能
を持たせたデバイス材料の研究・開発が盛んであり、材
料表面の組成ないしは構造分析等が重要となっている。

【０００３】このような物質の表面原子・電子構造を評
価する手法として、電子線、Ｘ線、中性子線、イオン線
等をプローブとして用いたものが多数ある。例えば、電
子線によるものとしては、検出量を透過電子として原子
配列、欠陥構造、界面構造等を解析する透過顕微鏡（Ｔ
ＥＭ）とか、検出量を反射電子として表面原子構造等を
解析する反射顕微鏡（ＲＥＭ）等がある。また、Ｘ線に
よるものとしては、検出量を電子（エネルギースペクト
ル）としてバンド構造、状態密度分布、化学結合状態等
を解析する光電子分光法（ＸＰＳ＝Ｘ-ray Ｐhotoelect
ron Ｓpectroscopy）とか、検出量をＸ線（回折、定在
波、吸収微細構造）及び蛍光Ｘ線（エネルギースペクト
ル）として結晶構造、局所的原子構造（原子間距離）を
解析するＸ線解析法又は拡張Ｘ線吸収微細構造法（ＥＸ
ＡＦＳ＝Ｅxtended Ｘ-ray Ａbsorption Ｆine Ｓtruct
ure）等がある。

【０００４】これらのプローブの内、Ｘ線以外の電子
線、中性子線、イオン線等は、概して空気中で吸収・散
乱されやすい欠点を有する。このため、これらのＸ線以
外のものでは、真空中に試料を設置して評価するものが
多い。この点、Ｘ線は空気中でも吸収・散乱が殆どない
ものであり、有望といえる。もっとも、Ｘ線の内でも、
軟Ｘ線と称される数十Å以上のＸ線は、空気中では吸収
・散乱されやすいために、ＸＰＳ法に採用されているよ
うに真空チャンバを使うことが多い。

【０００５】ところで、これらの何れのプローブ光によ
る場合も、試料面にすれすれに光を入射させて表面最上
層の情報を得ようとする手法が各種研究・開発されてい
る。例えば、全反射蛍光Ｘ線分析法等がある。この内、
上記のように有望視されているＸ線を用いた表面分析法
としては、表面蛍光ＥＸＡＦＳ法とか視斜角Ｘ線計測法
等がある。これらは、何れもＸ線を試料面に対してすれ
すれの低入射角で入射させて、試料表面の原子・電子構
造や、表面・界面粗さ、密度、膜厚等を評価しようとす
るものである。この場合、従来にあっては、主として数
Å以下の波長の硬Ｘ線を用いるものとされている。

【０００６】また、上記の評価に使用される従来のＸ線
検出器は、ＰＣ（プロポーショナルカウンタ）、ＳＣ
（シンチレーションカウンタ）、ＳＳＤ（半導体検出
器）、イオンチャンバ等の大きなものであり、かつ、１
次元であり２次元の空間分解能を持たないため、面分析
も不可能なものである。

【０００７】このような従来の状況を考慮した場合、試
料の最表面の原子・電子構造といった表面構造、特に、
成膜中の表面構造を測定し解析する上では、成膜中の粒
子による吸収・散乱の殆どないＸ線、特に、軟Ｘ線をプ
ローブとして用いる評価方式が好ましいといえる。

【０００８】しかし、より良好なる評価を行うには、成
膜中の粒子によるＸ線、特に軟Ｘ線の吸収・散乱が極力
少ないことが望まれる。また、物質の表面構造をより広
範な計測法で評価できる汎用性を持ち得ることが要望さ
れるが、従来方式にあってはこのような点まで言及され
ていないものである。

【０００９】そこで、物質の表面構造を広範な計測法で
計測し得るようにしたＸ線評価装置が、例えば、特開平
６−１６０３１２号公報により開示されている。図２は
同公報中に示されるＸ線評価装置を示し、Ｘ線源１と、
このＸ線源１からのＸ線を分光するＸ線分光器２と、試
料３を下向きに保持するマニピュレータ４と、Ｘ線分光
器２からのＸ線を試料３に対して入射させる入射角可変
自在なＸ線全反射ミラー５と、試料３から出射されるＸ
線及び電子線を検出する２次元検出器６とを真空チャン
バ７内に内蔵し、Ｘ線を真空中で取扱うように構成され
ている。８はＸ線分光器２が内蔵された分光チャンバ
で、ベリリウム窓８ａ，８ｂを有する。９はＸ線全反射
ミラー５の回転軸である。また、Ｘ線分光器２として
は、例えば、チャンネルカットモノクロメータが用いら
れている。このチャンネルカットモノクロメータはチャ
ンネルカットした結晶、例えば、Ｓｉ（１１１）結晶を
（＋，＋）配置させて連動するようにしたものであり、
Ｘ線を４個の分光用結晶で４回反射させることにより分
光するものである。

【００１０】このような構成によれば、Ｘ線を真空中で
取扱うため、Ｘ線、特に軟Ｘ線であっても、吸収・散乱
の少ないものとなる。また、Ｘ線を用いるため、試料３
に対する成膜中であってもその粒子による散乱・吸収等
の影響の少ないものとなる。また、試料３を動かさずＸ
線全反射ミラー５側を動かすことにより試料３に対する
入射光路、即ち、入射角の可変調整を行うので、調整が
簡便にして精度のよいものとなる。また、Ｘ線全反射ミ
ラー５は図３に示すように入射角αがカットオフの臨界
角θ_Cより大きい場合には、波長λ〔Å〕の入射Ｘ線中
に含まれる２次高調波を反射させずにカットオフするこ
とができる。反射材料の比重をρ、その反射材料の原子
番号をＺ、原子量をＡとして臨界角θ_Cを数式で表す
と、 θ_C〔mrad〕＝２．３２λ・√（ρＺ／Ａ）〔Å〕で示される。即ち、Ｘ線分光器２の分光結晶で単色化し
た入射Ｘ線中の２次高調波を除去することができる。も
ちろん、Ｘ線全反射ミラー５の反射面は平面性がよく変
形がないことが条件となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、分光結晶で
単色化させたＸ線は、空間的分布特性を有し、分光後に
広がる。図２に例示したＸ線分光器２ではチャンネルカ
ットした結晶を（＋，＋）配置させて連動するようにし
４回反射させているので、通常の１回又は２回の反射に
よる場合よりもＸ線の広がりは原理上狭くなる。しか
し、現実には、Ｓｉ単結晶（１１１）面を用いているの
で、その強度分布特性の半値幅は図４に示すように１mm
位ある。通常は、このままでは広がりすぎており使用で
きないので、図５に示すように、スリット１０を用いて
Ｘ線の一部をカットして（絞って）利用するようにして
いる。しかし、スリット１０を用いるとＸ線にロスを生
じてしまい、好ましくない。元々、実験室で用いるロー
タターゲット等のＸ線発生源１からのＸ線は放射光（Ｓ
ＯＲ）に比べて強度が弱い上に、分光結晶で分光した特
定波長のＸ線以外のＸ線強度は弱い性質を有しているの
で、ロスの生ずるスリット１０を用いる方式は好ましく
ない。

【００１２】この点、前述した特開平６−１６０３１２
号公報によれば、Ｘ線全反射ミラー５を凹面鏡形状とす
ることにより、分光されたＸ線を集光でき、試料３に入
射させるＸ線強度を向上させ得ることが示唆されてい
る。

【００１３】ところが、単にＸ線全反射ミラー５の形状
を凹面鏡形状としただけでは、このＸ線全反射ミラー５
に対するＸ線の入射角αを大きくとることができず（数
度以内）、光路を大きく曲げたいような場合に制約を受
ける。観点を変えると、Ｘ線全反射ミラー５はあくまで
も全反射により２次高調波をカットすることが主目的で
あり、例えば、数百Å以下の波長の軟Ｘ線を用いた場合
に、入射角を大きくとると、反射率が低下してしまい、
試料に入射させるＸ線強度の低下も避けられない。

【００１４】そこで、本発明は、分光後のＸ線の入射角
の制約を受けることなく試料に強度の強いＸ線を入射さ
せてＳ／Ｎを向上させ、試料のデータ解析精度が向上す
るＸ線評価装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のＸ線評価
装置では、Ｘ線源と、このＸ線源からのＸ線を分光する
Ｘ線分光器と、試料を下向きに保持するマニピュレータ
と、超薄膜の重原子膜と軽原子膜とを交互に積層させた
多層膜構造の凹球面状反射面を有して前記Ｘ線分光器か
らのＸ線を前記試料に対し入射させる入射角可変自在な
Ｘ線反射集光ミラーと、前記試料から出射されるＸ線及
び電子線を検出する２次元検出器と、これらのＸ線源と
Ｘ線分光器と試料とマニピュレータとＸ線反射集光ミラ
ーと２次元検出器とを内蔵した真空チャンバとを備えて
いる。

【００１６】従って、超薄膜の重原子膜と軽原子膜とを
交互に積層させた多層膜構造の凹球面状反射面を有する
Ｘ線反射集光ミラーは、Ｘ線分光器により分光されて単
色化されたＸ線を回折現象によって試料に向けて集光さ
せるので、Ｘ線反射集光ミラーに対するＸ線の入射角を
大きくとることができる。よって、試料に強度の強いＸ
線を入射させることができ、Ｓ／Ｎが向上し、試料のデ
ータ解析精度が向上する。

【００１７】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
Ｘ線評価装置に加えて、Ｘ線分光器とＸ線反射集光ミラ
ーとの間の光路上にＸ線全反射ミラーを有している。従
って、Ｘ線全反射ミラーによって２次高調波がカットさ
れる。

【００１８】請求項３記載の発明では、請求項１又は２
記載のＸ線評価装置において、Ｘ線反射集光ミラーにお
ける凹球面状反射面の集光焦点が試料の回転中心に設定
されている。従って、最も強度の強い状態でＸ線が試料
に入射される。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態を図１に基
づいて説明する。まず、真空排気装置１１に連通されて
内部が高真空状態とされる真空チャンバ１２が設けられ
ている。この真空チャンバ１２は厚さ０．１mmのベリリ
ウム窓１３ａ，１３ｂにより仕切られたＸ線源１４の領
域と、分光領域とを連設したもので、分光領域を形成す
る分光チャンバ１５中にはスリット（目的によっては、
ピンホールでもよい）１６とともに分光器１７が内蔵さ
れ、分光器１７内にはＸ線分光器となるチャンネルカッ
トモノクロメータ１８が内蔵されている。

【００２０】また、前記分光器１７と前記ベリリウム窓
１３ｂとの間には、前記分光チャンバ１５中において前
記Ｘ線源１４からのＸ線の進路を殆ど変化させることな
く全反射させるように全反射面１９ａが配置されたＸ線
全反射ミラー１９が設けられている。ちなみに、全反射
面１９ａに対するＸ線の入射角は数mradであるので、図
面上は直線（全反射面１９ａに一体平行）で示されてい
る。このＸ線全反射ミラー１９はＸ線の入射光軸上に回
転中心を有し、この回転中心を中心としてステッピング
モータ（図示せず）により任意に回転させ得る構造とさ
れている。これにより、全反射面１９ａに対するＸ線の
入射角が調整自在とされている。

【００２１】本来の真空チャンバ１２内では、測定対象
となる試料２０が回転可能なマニピュレータ２１により
下向きに保持されているとともに、前記チャンネルカッ
トモノクロメータ１８で分光され、かつ、全反射ミラー
１９により全反射されてベリリウム窓１３ｂを通して出
射するＸ線を前記試料２０表面に向けて集光状態で低入
射角で入射させるＸ線反射集光ミラー２２が設けられて
いる。このＸ線反射集光ミラー２２は、重原子層と軽原
子層とを超薄膜なる膜厚の周期で交互に積層させること
により多層膜構造に形成された凹球面状反射面２２ａを
有する。凹球面状形状は、例えば、加熱オイル中でわん
曲させて加工することにより形成される。このＸ線反射
集光ミラー２２の集光焦点は試料２０の回転中心に設定
されているとともに、Ｘ線反射集光ミラー２２は回転軸
２３を中心に回動自在とされ、試料２０に対する入射角
を０．０００１°単位で可変し得るように設定されてい
る。

【００２２】また、Ｘ線反射集光ミラー２２・試料２０
間の光路上には試料２０に対する入射Ｘ線強度を計測す
るための小型のイオンチャンバ２４が介在されている。
さらに、前記試料２０からの出射側光路上には２次元検
出器２５が配設されている。加えて、本実施の形態では
成膜中の分析を可能とするため、前記試料２０の下方に
位置させて成膜装置であるＫセル２６が設けられてい
る。２７はそのシャッタである。

【００２３】ここで、各部について説明する。まず、Ｘ
線源１４は主として実験室用に多用されるロータターゲ
ットを用いるのがよいが、プラズマＸ線源やレーザＸ線
源と称されるものでもよく、さらには、封入管タイプの
ものでもよい。もっとも、簡便性、使いやすさを考える
と、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｇ
（銀）、Ａｌ（アルミニウム）等をターゲットとし、電
子線を照射することにより発生する白色Ｘ線を用いるロ
ータターゲットがよい。本実施の形態では、例えばＭｏ
をターゲットとするロータターゲットとされている。

【００２４】真空チャンバ１２内の真空度は１０~⁶Ｔor
r 以上、好ましくは１０~⁹Ｔorr 以上の高真空、より好
ましくは１０~¹⁰Ｔorr以上の超高真空がよい。一方、分
光チャンバ１５内の真空度は１０~⁴Ｔorr 以上とされて
いる。

【００２５】Ｘ線分光器となるチャンネルカットモノク
ロメータ１８はチャンネルカットした結晶、ここでは、
Ｓｉ（１１１）結晶を（＋，＋）配置させて連動するよ
うにしたものであり、スリット１６により制限されたＸ
線を４個の分光用結晶で４回反射させることにより分光
するものである。分光用結晶としては、Ｓｉ（１１１）
に限らず、Ｇｅ（４４０）等であってもよい。

【００２６】Ｘ線全反射ミラー１９はＸ線を全反射させ
るものであり、表面凹凸が１５Å以下であることが望ま
しい。材料としては、カーボン，ＢＮ，ＳｉＣ等が用い
られる。本実施の形態では、例えばカーボン製とされて
いる。

【００２７】Ｘ線反射集光ミラー２２の凹球面状反射面
２２ａを形成する重原子層と軽原子層との多層膜構造に
関して、重原子としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ（鉛）、
Ｗ，Ｍｏ，Ｒｕ（ルテニウム）等を用いることができ、
軽原子としては、カーボン、Ｓｉ等が用いられ、これら
の膜厚は用いるＸ線波長に応じて選択される。このよう
な多層膜は現に市販されており、また、軟Ｘ線用多層膜
に関しては、例えば、文献「軟Ｘ線用多層膜の形成とそ
の利用」（山本正樹、応用物理第６２巻第７号（１
９９３）抜冊）中にも紹介されている。本実施の形態で
は、例えばＷによる重原子層と、Ｓｉによる軽原子層と
を例えば８０Å膜厚の周期で交互に積層させることによ
り多層膜構造の凹球面状反射面２２ａが形成されてい
る。

【００２８】２次元検出器２５はＰＳＤ（半導***置検
出素子）とマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）との
アセンブリよりなるもので、例えば、浜松ホトニクス株
式会社製のＰＩＡＳ−ＴＩ等のように、直径７０nm、長
さ５０nm程度の小型のものである。この２次元検出器２
５は可動部がなく、かつ、ガス放出がないため、高真空
中での使用が可能なものである。

【００２９】このような構成において、例えば、試料２
０をＫセル２６を用いて成膜した後、Ｘ線源１４からの
Ｘ線をこの試料２０表面にすれすれなる低入射角（１０
度以下）で入射させ、反射ＸＡＮＥＳ、反射ＥＸＡＦＳ
を測定する場合を考える。

【００３０】まず、Ｘ線源１４から出射された白色Ｘ線
はスリット１６で制限された後、チャンネルカットモノ
クロメータ１８の４個の結晶で４回反射されることによ
り分光される。分光されたＸ線はＸ線全反射ミラー１９
で全反射されることで２次高調波がカットされ、Ｘ線反
射集光ミラー２２の凹球面状反射面２２ａに入射する。
そこで、多層膜構造の凹球面状反射面２２ａにより回折
現象を利用して回折反射されながら集光状態となって、
試料２０表面に低入射角で入射する。この際、Ｘ線反射
集光ミラー２２は回動し得るものであり、試料２０への
入射角は調整可能である。

【００３１】このＸ線反射集光ミラー２２により回折反
射されて試料２０表面へ入射するＸ線の強度はイオンチ
ャンバ２４により計測される。試料２０表面へ入射した
Ｘ線は、その一部が吸収されるが、散乱・反射される大
半は、２次元検出器２５に入る。この際、図中には示さ
ないが、成膜後は試料２０直下へ別の２次元検出器を配
設することで、試料２０から出射される２次電子を検出
し、ＥＸＡＦＳのデータをとるようにした。

【００３２】具体的に、Ｋセル２６を用いて膜厚約４０
０ÅのＡｌ膜をＳｉウエハ上に成膜した試料２０を用意
し、チャンネルカットモノクロメータ１８により１．５
ｋｅＶに分光したＸ線をＸ線反射集光ミラー２２を用い
ずに試料２０に照射したところ、試料２０の回転中心位
置でのビーム幅（半値幅）は０．８mmとなったが、Ｘ線
反射集光ミラー２２を用いた場合には試料２０の回転中
心位置でのビーム幅（半値幅）を０．１５mmに絞ること
ができた。

【００３３】この結果、Ｘ線反射集光ミラー２２を用い
ない場合にはＳ／Ｎが低く、試料２０からのＸ線反射デ
ータからはＡｌ膜のデータを解析できなかったが、Ｘ線
反射集光ミラー２２を用いた場合には、その一例とし
て、Ａｌ膜密度；２．５±０．１〔ｇ／cm〕表面粗さ；１２±１〔Å〕界面粗さ；７±１〔Å〕膜厚；３９０±６〔Å〕の如き解析データが得られたものである。

【００３４】このように、本実施の形態によれば、分光
後のＸ線を多層膜構造の凹球面状反射面２２ａを有する
Ｘ線反射集光ミラー２２を用いて試料２０の回転中心位
置に集光させているので、実験室レベルのＸ線源１４か
ら長波長のＸ線を試料２０に照射させる場合であっても
強い反射強度を得ることができ、Ｓ／Ｎが向上するの
で、試料２０のデータ解析の精度が向上する。特に、多
層膜構造の凹球面状反射面２２ａによる回折現象を利用
して回折反射させているので、この凹球面状反射面２２
ａに対するＸ線の入射角αが大きくても（０°から約１
８０°）発散することなく試料２０側に集光させること
ができ、十分な強度を持って試料２０に入射させること
ができる。また、多層膜構造の凹球面状反射面２２ａだ
けでは２次高調波をカットすることはできないが、Ｘ線
全反射ミラー１０が併用されているので、２次高調波が
カットされたＸ線を試料２０に照射させることができ
る。

【００３５】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、Ｘ線分光
器により分光されて単色化されたＸ線を、超薄膜の重原
子膜と軽原子膜とを交互に積層させた多層膜構造の凹球
面状反射面を有するＸ線反射集光ミラーでの回折現象に
よって試料に向けて集光させるようにしたので、Ｘ線反
射集光ミラーに対するＸ線の入射角を大きくとることが
でき、よって、試料に強度の強いＸ線を入射させること
ができ、試料から得られるデータのＳ／Ｎを向上させ、
試料のデータ解析精度を向上させることができる。

【００３６】請求項２記載の発明によれば、Ｘ線分光器
とＸ線反射集光ミラーとの間の光路上にＸ線全反射ミラ
ーを有しているので、Ｘ線全反射ミラーによって２次高
調波をカットして試料にＸ線を集光照射させることがで
きる。

【００３７】請求項３記載の発明によれば、Ｘ線反射集
光ミラーにおける凹球面状反射面の集光焦点を試料の回
転中心に設定したので、最も強度の強い状態でＸ線を試
料に集光照射させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示し、（ａ）は装置全
体の概略正面図、（ｂ）はＸ線反射集光ミラーを拡大し
て示す概略正面図である。

【図２】従来例を示す概略正面図である。

【図３】Ｘ線全反射ミラーを示す概略正面図である。

【図４】ビームの強度分布を示す特性図である。

【図５】ビーム径を絞るスリットの作用を示す縦断正面
図である。

【符号の説明】

１２真空チャンバ１４Ｘ線源１８Ｘ線分光器１９Ｘ線全反射ミラー２０試料２１マニピュレータ２２Ｘ線反射集光ミラー２２ａ凹球面状反射面２５２次元検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ線源と、このＸ線源からのＸ線を分光
するＸ線分光器と、試料を下向きに保持するマニピュレ
ータと、超薄膜の重原子膜と軽原子膜とを交互に積層さ
せた多層膜構造の凹球面状反射面を有して前記Ｘ線分光
器からのＸ線を前記試料に対し入射させる入射角可変自
在なＸ線反射集光ミラーと、前記試料から出射されるＸ
線及び電子線を検出する２次元検出器と、これらのＸ線
源とＸ線分光器と試料とマニピュレータとＸ線反射集光
ミラーと２次元検出器とを内蔵した真空チャンバとを備
えることを特徴とするＸ線評価装置。
【請求項２】Ｘ線分光器とＸ線反射集光ミラーとの間
の光路上にＸ線全反射ミラーを有することを特徴とする
請求項１記載のＸ線評価装置。
【請求項３】Ｘ線反射集光ミラーにおける凹球面状反
射面の集光焦点が試料の回転中心に設定されていること
を特徴とする請求項１又は２記載のＸ線評価装置。