TWI630384B - Ｘ射線薄膜檢查裝置 - Google Patents

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吉原正
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梅垣志朗
淺野繁松
洞田克隆
吉田宗生
本野寬
高橋秀明
樋口明房
表和彥
伊藤義泰
河原直樹
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Abstract

本發明之X射線薄膜檢查裝置，其具備有：X射線照射單元40，其係搭載於第1旋轉臂32；X射線檢測器50，其係搭載於第2旋轉臂33；及螢光X射線檢測器60，其藉由X射線之照射檢測自檢查對象所產生之螢光X射線。而且，X射線照射單元40包含有：X射線光學元件43，其由共焦反射鏡所構成，且使放射自X射線管42之X射線入射，將單色化為特定波長之複數條聚合X射線進行反射，而使該等複數條聚合X射線聚合於預先設定之焦點；及狹縫機構46，其使反射自X射線光學元件43之複數條聚合X射線中的任意條聚合X射線通過。

Description

X射線薄膜檢查裝置
本發明係關於X射線薄膜檢查裝置，其適用於半導體製造領域等，製造在基板上層積有多層薄膜之多層膜構造的元件之技術領域。
半導體等，於基板上層積有多層薄膜之多層膜構造的元件，其特性係根據成膜之薄膜之膜厚、密度、結晶性等之狀態而變化。近年來，隨著該等元件的微細化、積體化，該傾向越來越明顯。因此，需要一種能正確地測量所成膜薄膜的狀態之薄膜檢查裝置。
作為此種檢查裝置，從過去已知有藉由穿透式電子顯微鏡(TEM)所進行之直接測量、利用光干涉或橢圓偏振術之膜厚檢查裝置、或光音響式裝置等。而穿透式電子顯微鏡(TEM)無法組入連續式(in-line)製程中而即時地檢查對象之薄膜，而且為了檢查而自生產線取出之產品，存在有於檢查後被廢棄之實情。此外，利用光干涉或橢圓偏振術之膜厚檢查裝置、光音響式裝置，雖適合於連續式生產，但對於數nm之薄膜之測量，精準度並不足。
對半導體裝置製造廠商而言，一次性之檢查用晶圓(空白晶圓；blanker wafer)於成本方面為極大之負擔。尤其，近年來半導體 晶圓逐漸趨向於大口徑化，一片空白晶圓所花費之成本也越來越高價化。
因此，本案申請人提出了一種X射線薄膜檢查裝置，其可組入成膜產品之製程中，直接對產品本身進行檢查，而不必使用完即廢棄晶圓且即使為數nm之薄膜，也可以充分之精準度進行檢查(參照專利文獻1：日本專利特開2006-153767號公報)。
而且，本案申請人反覆地對先前所提出之X射線薄膜檢查裝置進行改良，最終完成了本發明。
亦即，本發明係一種X射線薄膜檢查裝置，其具備有：試樣台，其於上表面配置檢查對象；影像觀察手段，其觀察被配置於試樣台上表面之檢查對象之影像；定位機構，其根據影像觀察手段之對檢查對象之影像觀察結果進行控制，使試樣台朝在水平面上正交之2個方向、高度方向及面內旋轉方向移動；測角儀，其具備有分別沿著與試樣台之上表面正交之虛擬平面進行旋轉之第1、第2旋轉構件；X射線照射單元，其係搭載於第1旋轉構件；X射線檢測器，其係搭載於第2旋轉構件；及螢光X射線檢測器，其檢測藉由X射線之照射而自檢查對象 產生之螢光X射線。
此處，X射線照射單元包含有：X射線管，其放射X射線；X射線光學元件，其由共焦反射鏡構成，且使放射自X射線管之X射線入射，將單色化為特定波長之複數條聚合X射線進行反射，而使該等複數條聚合X射線聚合於預先設定之焦點；及狹縫機構，其使反射自X射線光學元件之複數條聚合X射線中的任意條聚合X射線通過。
此外，X射線照射單元較佳為具備有繞反射自X射線光學元件之複數條聚合X射線之中心軸地對該光學元件進行旋轉調整之構成。
狹縫機構較佳為具備有以遮蔽X射線之材料所形成之2片遮蔽板，並使任意條數之聚合X射線通過形成於該等遮蔽板間的間隙之構成，且具備有可任意地調整間隙之寬度的功能。
從反射自X射線光學元件之X射線之光路方向觀察，該X射線光學元件可構成為使4條呈矩形之聚合X射線分別反射於虛擬四邊形之四個角落。
此種4條聚合X射線之光束，其X射線強度較大，適合於螢光X射線的測量。
於上述構成中，在反射自X射線光學元件之4條聚合X射線中，通過遮蔽板之間隙而來之2條聚合X射線，較佳為以自該等2條聚合X射線之光路方向觀察時，使包含該等2條聚合X射線之虛擬平面平行地入射於檢查對象之被檢查面的方式，調整彼此之光路之位置關係。
此種聚合X射線，其高度方向之擴散較小，適合於X射線反射率的測量。
此外，狹縫機構可構成為僅使反射自X射線光學元件之4條聚合X射線中的1條聚合X射線，從遮蔽板之間隙通過。
此種聚合X射線，其高度方向及寬度方向之擴散較小，適合於將形成於半導體晶圓上之微細圖案作為檢查對象之X射線反射率的測量。
另一方面，X射線照射單元亦可構成為包含有：X射線管，其放射X射線；及X射線光學元件，其係將由半導體單結晶板所構成之雙重彎曲分光結晶板固定於支撐塊之構成，且將放射自X射線管之X射線入射於反射面，將單色化為特定波長之聚合X射線進行反射，該半導體單結晶板具有呈三次曲面以上之高次曲面之反射面。
於上述構成中，X射線光學元件較佳係構成為於長度方向彎曲而設定X射線之受光角，並且也於正交之寬度方向彎曲而設定X射線之受光角。
自此種構成之X射線照射單元所出射之聚合X射線，其強度較大，適合於螢光X射線的測量。
再者，上述之不同構造之各X射線照射單元，可朝旋轉方向排列而搭載於測角儀之第1旋轉構件。
此外，也可構成為，利用反射自X射線光學元件之4條聚合X射線中，通過遮蔽板之間隙而來之1條聚合X射線，於第2旋轉構件搭載一維X射線檢測器，且藉由TDI方式取得X射線之檢測資料來實施X射線反射率的 測量。
而且，也可構成為不設置受光狹縫而使反射自作為檢查對象之薄膜試樣之X射線之全範圍入射於一維X射線檢測器。
此處，較佳為藉由X射線吸收構件使至少全反射自薄膜試樣之反射X射線之強度衰減而入射於一維X射線檢測器。
而且，也可於與薄膜試樣之表面上入射X射線的聚合位置或反射X射線之出射位置相對向之位置，隔開能使入射於薄膜試樣之入射X射線或來自該薄膜試樣之反射X射線通過之間隙，而配置X射線遮蔽構件。此外，也可相對於反射自薄膜試樣之反射X射線之光路，隔開能使該反射X射線通過之間隙，而配置散射狹縫。
藉此，可藉由X射線遮蔽構件或散射狹縫，將來自之空氣之散射X射線或來自反射鏡之重像等予以遮蔽，來抑制該等反射X射線以外之X射線朝一維X射線檢測器之入射，從而減少背景(BG)成分。
10‧‧‧試樣台
20‧‧‧定位機構
30‧‧‧測角儀
31‧‧‧測角儀本體
32、33‧‧‧第1、第2旋轉臂(旋轉構件)
40‧‧‧X射線照射單元
41‧‧‧管屏蔽罩(單元本體)
41a‧‧‧第1管
41b‧‧‧第2管
41c‧‧‧X射線出射口
41d‧‧‧連結構件
42‧‧‧X射線管
43‧‧‧X射線光學元件
43A‧‧‧雙重彎曲分光結晶板
43B‧‧‧支撐塊
43a、43b、43c、43d‧‧‧多層膜反射鏡
45‧‧‧光閘
46‧‧‧狹縫機構
46a、46b‧‧‧遮蔽板
47‧‧‧高壓電源
47a‧‧‧入射側光閘口
47b‧‧‧出射側光閘口
47c‧‧‧高度調整螺絲
47d‧‧‧寬度位置調整螺絲
50‧‧‧X射線檢測器
51‧‧‧一維X射線檢測器
52‧‧‧X射線吸收構件
53‧‧‧X射線遮蔽構件
54‧‧‧散射狹縫
60‧‧‧螢光X射線檢測器
70‧‧‧光學顯微鏡(影像觀察手段)
80‧‧‧機器交換機構
100‧‧‧中央處理裝置
101‧‧‧XG控制器
102‧‧‧影像辨識電
103‧‧‧焦點控制器
104‧‧‧定位控制器
106‧‧‧測角儀控制器
107、108‧‧‧計數控制回路
110‧‧‧溫度測量單元
201‧‧‧基板
202‧‧‧薄膜
A‧‧‧曲線
a1、a2、a3、a4‧‧‧檢測器
B‧‧‧虛線
C‧‧‧振動圖案
Cn‧‧‧溫度常數
F1‧‧‧電子束之焦點尺寸(長度)
F2‧‧‧聚合X射線之焦點尺寸(長度)
fa‧‧‧焦點
fb‧‧‧聚合位置
h‧‧‧距離
I‧‧‧反射X射線強度
Io‧‧‧入射X射線強度
L1‧‧‧距離
L2‧‧‧距離
Lp‧‧‧距離
Pc‧‧‧觀察位置
Px‧‧‧檢查位置
Q‧‧‧方向
R‧‧‧全反射區域
S‧‧‧試樣
S1~S6‧‧‧步驟
SA‧‧‧測量點
t1、t2、t3、t4‧‧‧時間點
W‧‧‧薄膜試樣
Xa、Xb、Xc、Xd‧‧‧聚合X射線
Xf‧‧‧螢光X射線
Xra、Xrb、Xrc、Xrd‧‧‧反射X射線
X0、X1‧‧‧反射X射線
x‧‧‧移動量
y‧‧‧移動量
X、Y、Z‧‧‧方向
θ‧‧‧X射線入射角；旋轉角度；擺動角
θc‧‧‧角度
θd‧‧‧掃描角度
θD‧‧‧旋轉角(度)
θX‧‧‧旋轉角(度)
θ1、θ2、θ3、θ4‧‧‧掃描角度
τn‧‧‧時間常數
圖1為顯示本發明之實施形態之X射線薄膜檢查裝置之整體構造之立體圖。
圖2為顯示本發明之實施形態之X射線薄膜檢查裝置之整體構造之前視圖。
圖3為顯示本發明之實施形態之X射線薄膜檢查裝置之控制系統之方塊圖。
圖4為本發明之實施形態之X射線薄膜檢查裝置之控制流程 圖。
圖5為用以說明半導體晶圓之傾斜度修正之示意圖。
圖6為顯示X射線照射單元之第1實施形態之外觀之立體圖。
圖7為X射線照射單元之第1實施形態之縱剖視圖。
圖8為X射線照射單元之第1實施形態之橫剖視圖。
圖9為顯示X射線光學元件之X射線之反射軌道之圖。
圖10A及圖10B分別為自光路方向所觀察反射自X射線光學元件之4條聚合X射線之圖。
圖11為顯示自X射線照射單元照射於半導體晶圓之檢查面之4條聚合X射線之軌道、及反射自該檢查面而入射於X射線檢測器之發散X射線之軌道之示意圖。
圖12與圖6相同，為顯示X射線照射單元之第1實施形態之外觀之立體圖。
圖13A及圖13B為自光路方向所觀察通過狹縫機構之遮蔽板之間隙的2條聚合X射線之圖。
圖14為顯示自X射線照射單元照射於半導體晶圓之檢查面之2條聚合X射線之軌道、及反射自該檢查面而入射於X射線檢測器之發散X射線之軌道之示意圖。
圖15為自光路方向所觀察通過狹縫機構之遮蔽板之間隙的1條聚合X射線之圖。
圖16A及圖16B為顯示X射線照射單元之第2實施形態之外觀之立體圖。
圖17為顯示X射線照射單元之第2實施形態之構成之縱剖視圖。
圖18為顯示圖17所示之X射線照射單元中X射線光學元件之外觀之立體圖。
圖19為用以說明使用圖17所示之X射線照射單元之螢光X射線的測量之示意圖。
圖20為用以說明溫度修正系統之實施形態中準備階段之步驟之流程圖。
圖21為用以說明溫度修正系統之實施形態中Z方向的檢查位置之實測順序之示意圖。
圖22A及圖22B為用以說明溫度修正系統之實施形態中X方向及Y方向的檢查位置之實測順序之示意圖。
圖23為顯示由本案發明者等所進行關於溫度修正之實驗結果之曲線圖。
圖24A及圖24B為用以說明X射線反射率測量之原理之圖。
圖25A及圖25B為用以說明X射線反射率測量之原理之圖。
圖26為用以說明TDI方式之圖。
圖27為用以說明關於X射線反射率測量系統之改良之實施形態之示意圖。
圖28A及圖28B為用以說明關於X射線反射率測量系統之改良之實施形態之圖。
圖29為顯示對圖27所示之X射線反射率測量系統進一步進行改良之實施形態之示意圖。
以下，參照圖式對本發明之實施形態詳細地進行說明。
〔X射線薄膜檢查裝置之基本構成〕
圖1為顯示本實施形態之X射線薄膜檢查裝置之整體構造之立體圖，圖2為該裝置之前視圖。
X射線薄膜檢查裝置具備有試樣台10、定位機構20、測角儀30、X射線照射單元40、X射線檢測器50、螢光X射線檢測器60、及由CCD(電荷耦合之件)照相機等所構成之光學顯微鏡70(影像觀察手段)。
於試樣台10之上表面，配置有作為檢查對象之半導體晶圓，並藉由定位機構20進行驅動。定位機構20包含有朝水平面內之直角2方向(X、Y方向)移動自如之水平移動機構、朝與水平面正交之上下方向(Z方向)移動自如之昇降機構、及面內旋轉機構，且具有以下之功能：使試樣台10朝X、Y、Z方向移動並且進行面內旋轉，而將被配置於其上表面之半導體晶圓任意之被測量部位，朝規定之方向定位於照射X射線之聚合位置。
測角儀30係於測角儀本體31，搭載第1、第2旋轉臂(旋轉構件)32、33。各旋轉臂32、33係以垂直於圖2之紙面之軸(θX軸、θD軸)為中心，沿著與試樣台之上表面正交之虛擬平面分別進行旋轉。此處，將第1旋轉臂32自水平位置開始之旋轉角度設為θX、將第2旋轉臂33自水平位置開始之旋轉角度設為θD，測角儀係保持θX=θD之關係，旋轉驅動各旋轉臂32、33。
於以θX軸為中心旋轉之第1旋轉臂32，沿旋轉方向排列而搭載有複數台(圖中為3台)之X射線照射單元40。此外，於以θD軸為中心旋轉之第2旋轉臂33，搭載有X射線檢測器50。
再者，搭載於第1旋轉臂32之X射線照射單元40之台數，可 根據用途任意地設定。例如，也可構成為於第1旋轉臂32搭載1台、2台或4台以上之X射線照射單元40。
X射線照射單元40具有將自X射線管所產生之X射線單色化為特定波長之X射線，並且使其等聚合於一處之功能。
來自X射線照射單元40之X射線所照射之位置即為檢查位置，被配置於試樣台10上表面之檢查對象之被測量部位，係藉由定位機構20而定位於該檢查位置。
再者，關於X射線照射單元40之細節，係如後所述。
X射線檢測器50係使用於X射線反射率的測量(XRR)、或X射線繞射的測量(XRD)，螢光X射線檢測器60係使用於螢光X射線的測量(XRF)。由於根據X射線反射率的測量，測量在膜表面之反射X射線及在膜與基板之界面的反射X射線之干涉而導出膜厚或密度，因此，可在膜厚上獲得埃(Å)等級之測量精度。此外，根據螢光X射線的測量，可高精度地進行厚度相對較厚之配線膜之測量。本實施形態之X射線薄膜檢查裝置，除了該等X射線反射率的測量及螢光X射線的測量外，還可根據需要實施X射線繞射的測量。
作為X射線檢測器50，例如，可使用相對於入射X射線動態範圍較寬之突崩光二極體(APD)。
再者，也可構成為，於第2旋轉臂33組入檢測器交換機構，並且搭載APD、一維X射線檢測器、二維X射線檢測器、閃爍計數器等各種X射線檢測器，並藉由檢測器交換機構來切換而利用X射線檢測器。
此外，於上述檢查位置之上方位置，設置有螢光X 射線檢測器60，而且，光學顯微鏡70配置於自檢查位置朝水平方向僅偏離LP之位置，以避免與螢光X射線檢測器60之干涉。
配置於試樣台10之檢查對象(例如，半導體晶圓)之被測量部位，係藉由利用定位機構20使試樣台10移動，而被配置於光學顯微鏡70之下方位置。而且，藉由從該位置朝水平方向僅向檢查位置移動Lp，而將檢查對象(例如，半導體晶圓)之被測量部位定位於檢查位置。
再者，也可構成為，於試樣台10之上方設置機器交換機構，藉由該機器交換機構選擇螢光X射線檢測器60及光學顯微鏡70之任一者，而配置於檢查位置之上方位置。
根據上述基本構成之X射線薄膜檢查裝置，藉由於第1旋轉臂32朝旋轉方向並排搭載複數台(圖1、圖2中為3台)X射線照射單元40，則只要使第1旋轉臂32旋轉，即可選擇複數台之X射線照射單元40，並且可以任意之角度高精度地將所選擇之X射線照射單元40定位於測量位置。
例如，於藉由本裝置實施X射線反射率測量之情形時，只要選擇產生所希望之X射線之X射線照射單元40，並以幾乎照射到表面之低角度對作為測量對象之半導體晶圓照射X射線之方式配置所選擇之X射線照射單元40即可。而且，於實施一般之X射線繞射測量之情形時，使所選擇之X射線照射單元40之位置逐步移動，適宜地變更X射線相對於半導體晶圓之入射角度。此外，於實施螢光X射線測量之情形時，只要以低角度對測量對象照射X射線之方式，配置所選擇之X射線照射單元40即可。
根據本實施形態之X射線薄膜檢查裝置，只要使第1旋轉臂 32旋轉移動，即可高精度地進行該等X射線照射單元40之選擇及定位。
此外，根據於第1旋轉臂32搭載X射線照射單元40之構成，藉由使第1旋轉臂32旋轉，並且保持θX=θD之關係而使第2旋轉臂33旋轉，即可進行X射線反射率測量中角度掃描的測量。
於X射線反射率測量中，不僅單層膜，也可同時導出表面所形成數層中各層的膜厚、密度、粗糙度。而且，由於可將複數台X射線照射單元40搭載於第1旋轉臂32，因此，可實現藉由利用複數種不同波長之X射線束之高精度之多層膜解析。
於螢光X射線測量中，可根據檢查對象(例如，半導體晶圓)選擇產生適合於螢光X射線測量之波長的X射線之X射線照射單元40，並自使第1旋轉臂32旋轉所選擇之X射線照射單元相對於檢查對象而配置於低角度之入射角度位置。
藉由如上述將入射角度設定為低角度，可形成使朝向檢查對象之入射X射線不被螢光X射線檢測器60遮蔽之寬裕空間，並藉由內置於機器交換機構80之上下移動機構使螢光X射線檢測器60下降，可相較於測量其他之元素時，將螢光X射線檢測器60配置於靠近檢查對象表面之位置。
藉此，可將檢查對象之測量面與螢光X射線檢測器60間之X射線通路(X射線之入射空間)設為微小空間，而可使大部分自檢查對象之測量面所產生之螢光X射線在被空氣吸收之前，由螢光X射線檢測器60所捕捉。
圖3為顯示本實施形態之X射線薄膜檢查裝置之控制 系統之方塊圖。
朝組入X射線照射單元40之X射線管42所進行高壓電源47之供給及光閘45之開閉操作，係由XG控制器101所執行。而且，光學顯微鏡70所捕捉之影像，係於影像辨識回路102進行影像辨識。再者，光學顯微鏡70之焦點位置，係藉由焦點控制器103所調整。定位控制器104係根據由光學顯微鏡所捕捉且藉由影像辨識回路102所辨識之影像資訊，而對定位機構20進行驅動控制。測角儀30係藉由測角儀控制器106而驅動控制。
XG控制器101、影像辨識回路102、焦點控制器103、定位控制器104、測角儀控制器106，係根據來自中央處理裝置(CPU)100之設定資訊而各自運作。而且，X射線檢測器50及螢光X射線檢測器60，係分別藉由計數控制回路107、108所控制。該等各控制器、CPU、計數控制回路，係構成X射線薄膜檢查裝置之控制手段。
圖4為在執行將半導體晶圓作為檢查對象之X射線薄膜檢查時之控制流程圖。
於試樣台10上配置作為檢查對象之半導體晶圓後，首先將半導體晶圓之被測量部位定位於檢查位置(步驟S1)。該定位係利用定位機構20之驅動控制而執行。亦即，光學顯微鏡70捕捉試樣台10上之半導體晶圓，並根據以影像辨識回路102所辨識之影像資訊，而由定位控制器104對定位機構20進行驅動控制。定位機構20係朝水平2方向(X-Y方向)及高度方向(Z方向)移動，而將半導體晶圓之被測量部位配置於檢查位置。
在將形成於半導體晶圓之半導體元件內之微小薄膜圖案作為被測量部位之情形時，預先將形成於作為檢查對象之半導 體晶圓之定位用圖案、半導體元件之切割線、記憶體部、假圖案或IC晶片之特定部位等之微細圖案儲存於影像辨識回路102，在檢查時以光學顯微鏡70觀察作為檢查對象之半導體晶圓之檢查對象區域，並藉由將該觀察影像與預先儲存之上述微細圖案重疊比對，而由影像辨識回路102判斷為作為被測量部位的微細圖案。根據該判斷結果，定位機構20係將作為被測量部位的微小圖案定位於被測量位置。
而且，在如上述將形成於半導體晶圓之半導體元件內之微小薄膜圖案作為被測量部位之情形時，較佳為將其長邊方向對準X射線之入射方向而配置。該方向對準，可藉由定位機構20所進行水平2方向(X-Y方向)之移動及面內旋轉，而以較短之移動距離來實現。
其次，進行半導體晶圓之傾斜度修正(步驟S2)。如圖5所示，該傾斜度修正係在固定半導體晶圓固定之狀態下，使測角儀30之第1、第2旋轉臂32、33旋轉而進行。若自X射線照射單元40朝半導體晶圓所照射X射線之入射角度為θ，則自半導體晶圓之表面以θ之角度反射X射線。藉由X射線檢測器50檢測該反射X射線。藉此，X射線照射單元40及X射線檢測器50係相對於半導體晶圓之表面，被配置於相同之角度位置，而可將該位置作為原點而執行各自的角度控制。
在如上述定位半導體晶圓之被測量部並且執行傾斜度修正後，利用X射線反射率測量(XRR)、X射線螢光測量(XRF)、X射線繞射測量(XRD)之任一者執行X射線檢查(步驟S3)，由中央處理裝置對檢查資料進行解析(步驟S4)，並輸出解析結果(步驟S5)。
上述各步驟係對設定於半導體晶圓之所有被測量部位執行(步驟S6)，並於所有被測量部位之檢查結束後，結束上述各步驟。
再者，於低角度之X射線螢光測量(XRF)或X射線反射率測量(XRR)中，於優先產能之情形時，有時也會省略上述半導體晶圓之傾斜度修正(步驟S2)。而且，於低角度以外之X射線螢光測量(XRF)中，通常會省略半導體晶圓之傾斜度修正(步驟S2)。
〔X射線照射單元(其一)〕
其次，參照圖6至圖15對X射線照射單元40之第1實施形態詳細地說明。
X射線照射單元40具有如圖6所示之外觀，並如圖7及圖8所示，係於管屏蔽罩(tube shield；單元本體)41內內置有作為X射線來源的X射線管42及X射線光學元件43之模組構成，可實現小型輕量化。管屏蔽罩41係由遮蔽X射線之金屬材料所構成，且被分割為內置有X射線管42之第1管41a、及內置有X射線光學元件43之第2管41b。各管41a、41b係藉由螺栓等緊固手段而連結成一體。
如圖7所示，於管屏蔽罩41內形成有，將放射自X射線管42之X射線朝向X射線出射口41c導引之X射線通路，而於第1管41a內，設置有開閉該X射線通路之光閘45。光閘45係藉由旋轉進行開閉，而使放射自X射線管42之X射線通過或加以遮蔽之構成。
X射線管42例如可使用在標靶上之電子束焦點尺寸為Φ30μm左右，且輸出為30W左右之微小焦點X射線管球。靶材 可根據需要，而選擇銅(Cu)、鉬(Mo)等。除此之外，還可使用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎢(W)、鉻(Cr)、銀(Ag)、金(Au)等。例如，也可於第1旋轉臂32搭載分別內置有不同靶材之X射線管42之複數個X射線照射單元40。
作為X射線光學元件43，係使用使自X射線管42所產生之X射線聚合於既定位置之共焦反射鏡。如圖8所示，共焦反射鏡係由4片多層膜反射鏡43a、43b、43c、43d所構成。各多層膜反射鏡43a、43b、43c、43d分別由橢圓弧面之多層膜所形成，相鄰接之多層膜反射鏡43a與43b、及43c與43d，分別被配置為使X射線之反射面之端緣以約90度之角度相交。由該共焦反射鏡所構成之X射線光學元件43，可將以X射線管42產生之X射線聚合於微小之焦點上，並將X射線單色化。例如，X射線管42係在Cu靶時，可將X射線單色化為Cu-Kα，而在Mo靶時，可將X射線單色化為Mo-Kα。再者，較佳為根據單色化之X射線之波長，適宜地選用多層膜反射鏡。
圖9為顯示X射線光學元件(共焦反射鏡)中X射線之反射軌道之圖。
入射於X射線光學元件43之X射線，係於4片多層膜反射鏡中相鄰接之2片多層膜反射鏡43a與43b之間進行反射，並成為單色化之聚合X射線而出射。亦即，最初由第1多層膜反射鏡43a反射之X射線，再藉由第2多層膜反射鏡43b反射，成為如圖10A所示截面矩形之聚合X射線而出射。另一方面，最初由第2多層膜反射鏡43b所反射之X射線，再藉由第1多層膜反射鏡43a反射，同樣地成為如圖10A所示截面矩形之聚合X射線而出射。同樣地， 雖未圖示，但X射線亦於相鄰接之其他2片多層膜反射鏡43c與43d之間進行反射，並成為如圖10A所示截面矩形之聚合X射線而出射。
因此，如圖10A所示，自X射線光學元件43朝虛擬四邊形之四個角落，分別出射有4條呈為矩形之聚合X射線Xa、Xb、Xc、Xd。
再者，圖10A所示之聚合X射線Xa、Xb、Xc、Xd，係顯示利用如圖9所示由X射線光學元件43反射而抵達聚合位置fb之中間位置之切斷面A切斷時之截面形狀，而於聚合位置fb，該等各聚合X射線Xa、Xb、Xc、Xd係重疊為一。
因此，只要4條聚合X射線Xa、Xb、Xc、Xd於聚合位置fb重疊為一，即可獲得1條聚合X射線4倍之X射線強度。而且，如後所述，只要2條聚合X射線Xb、Xd於聚合位置fb重疊為一，即可獲得1條聚合X射線2倍之X射線強度。
圖9所示之聚合X射線Xa、Xb、Xc、Xd之聚合位置fb，係對準於半導體晶圓之測量位置，半導體晶圓內任意之被測量部位，係利用前述之定位機構20被定位於該聚合位置fb。再者，測量位置係設定於測角儀30之θ軸上。
此處，如圖9所示，於將X射線管42中電子束之焦點尺寸(長度)設為F1，將自X射線管42之焦點fa至X射線光學元件43之反射中心位置為止之距離設為L1，並將自X射線光學元件43之反射中心位置至聚合X射線之聚合位置fb為止之距離設為L2時，聚合X射線之焦點尺寸(長度)F2，係以下式來表示。
F2=F1(L2/L1)
因此，為了減小聚合X射線之焦點尺寸F2，較佳為盡可能增長自X射線管42之焦點fa至X射線光學元件43之反射中心位置為止之距離L1。再者，縮短自X射線光學元件43之反射中心位置至聚合X射線之聚合位置fb為止之距離L2之方法，因存在會干涉到半導體晶圓等之限制而有困難。
X射線光學元件43之第2管41b，係相對於第1管41a旋轉調整自如地構成，例如，藉由於使第2管41b旋轉45度之狀態下加以固定，可使被組入內部之X射線光學元件43之各多層膜反射鏡43a、43b、43c、43d之圓周方向位置旋轉移動45度。如此，藉由使各多層膜反射鏡43a、43b、43c、43d之周方向位置旋轉移動45度，可將反射自X射線光學元件43之聚合X射線Xa、Xb、Xc、Xd之軌道，自圖10A變更為圖10B之位置。
如前述般，只要4條聚合X射線Xa、Xb、Xc、Xd於聚合位置fb重疊為一，即可獲得1條聚合X射線4倍之X射線強度。然而，於將如圖10A所示之4條聚合X射線Xa、Xb、Xc、Xd照射於半導體晶圓之被檢查面之情形時，反射自半導體晶圓之被檢查面之反射X射線Xra、Xrb、Xrc、Xrd，係如圖11所示般擴散而入射於X射線檢測器50。如此，若在入射於X射線檢測器50之反射X射線Xra、Xrb與Xrd、Xrc之間存在高度方向(Z方向)之擴散，尤其在X射線反射率的測量時，便無法獲得高精度之測量結果。
另一方面，於螢光X射線測量時，由於以螢光X射線檢測器60捕捉自半導體晶圓激勵而射出之螢光X射線Xf，因此，反射X射線Xra、Xrb、Xrc、Xrd之擴散對測量精度並無任何影響。
因此，於螢光X射線測量時，藉由利用如圖10A或圖10B所示之4條聚合X射線Xa、Xb、Xc、Xd，並以1條聚合X射線4倍之X射線強度來實施測量，可獲得高精度之測量結果。一般而言，X射線測量時測量誤差中的統計誤差，係以√N表示(N為X射線強度)，而統計誤差率即為√(N/N)。若X射線強度為4倍，則統計誤差率為√(N/4N)=1/2。亦即，藉由具有4倍X射線強度之上述構成，可將統計誤差率減少為1/2。
如圖6及圖12所示，於X射線照射單元40，在管屏蔽罩41之X射線出射口41c之前方，設置有用以遮蔽出射而來之X射線之一部分的可動式之狹縫機構46。該狹縫機構係構成為，分別可沿正交之寬度方向(Y方向)及高度方向(Z方向)滑動自如地組入有上下地配置之2片遮蔽板46a、46b，且可利用來自未圖示之驅動馬達之驅動力變更該等遮蔽板46a、46b之位置。各遮蔽板46a、46b係由遮蔽X射線之材料所形成。
而且，藉由使遮蔽板46a、46b移動至圖6所示之退避位置，可使4條之聚合X射線Xa、Xb、Xc、Xd(參照圖10)全部自X射線出射口41c出射。
另一方面，藉由如圖12所示般，於遮蔽出射而來之X射線之一部分之位置隔間一定之間隙移動配置遮蔽板46a、46b，例如，如圖13A或圖13B所示，可使2條聚合X射線Xc、Xd或Xb、Xd自X射線出射口41c出射。
上述遮蔽板46a、46b具有發散狹縫(DS：Divergence Slit)之功能。
此處，如圖13A或圖13B所示般通過遮蔽板46a、46b 之間隙而來之2條聚合X射線Xd、Xc(或Xb、Xd)，係以自該等2條聚合X射線之光路方向觀察時，使包含該等2條聚合X射線Xd、Xc(或Xb、Xd)之虛擬平面平行地入射於半導體晶圓之被檢查面的方式，調整彼此之光路之位置關係。該位置關係之調整，可藉由組入有各多層膜反射鏡43a、43b、43c、43d之第2管41b之旋轉調整而進行。
如此被出射之2條聚合X射線Xc、Xd或Xb、Xd，適合於X射線反射率的測量。亦即，如圖14所示，於將2條聚合X射線Xc、Xd(或Xb、Xd)照射於半導體晶圓之被檢查面之情形時，反射自半導體晶圓之被檢查面而來之反射X射線Xrc、Xrd(或Xrb、Xrd)，僅沿寬度方向(Y方向)擴散，並未朝高度方向(Z方向)擴散。因此，適合於X射線反射率的測量。
而且，如圖15所示，也可以使自X射線出射口41c僅出射1條聚合X射線Xc的方式，移動配置遮蔽板46a、46b。雖然相較於利用2條聚合X射線之情形，X射線強度會變為1/2，但由於無論沿寬度方向(Y方向)及高度方向(Z方向)皆不會擴散，因此，該情形也可利用於X射線反射率的測量。
再者，雖然具體之反射X射線之擴散角度會依照設計而不同，但作為一例，即使一條X射線束仍有0.5之擴散角，而於上下2條之間有4度之擴散角。螢光X射線測量(XRF)較佳為使用4條X射線束。另一方面，X射線反射率測量(XRR)較佳為使用1條或2條X射線。此外，X射線反射率測量(XRR)也可以遮蔽板46a、46b遮蔽使用之X射線束之一部分，而將束寬度例如限制於0.2度~0.1度來使用。於X射線檢測器之前亦可設置受光狹縫(RS： Receiving Slit)來限制角度，並根據檢查對象來改變解析度。
如此，根據X射線照射單元40之第1構成，可全部利用4條聚合X射線作為螢光X射線測量之X射線來源，或者利用2條或1條聚合X射線作為X射線反射率測量之X射線來源。再者，相較於利用4條聚合X射線之情形，雖然X射線強度會變小，但利用2條或1條聚合X射線也可實施螢光X射線的測量。
〔X射線照射單元(其二)〕
其次，參照圖16圖至圖19，對X射線照射單元40之第2實施形態詳細地說明。
本實施形態之X射線照射單元40，係構成為可照射適合於螢光X射線測量之較大強度之X射線。
X射線照射單元40具有如圖16所示之外觀，並如圖17所示，係於管屏蔽罩(單元本體)41內內置有作為X射線來源之X射線管42及X射線光學元件43之模組構成。管屏蔽罩41係由遮蔽X射線之金屬材料所構成，且被分割為內置有X射線管42之第1管41a及內置有X射線光學元件43之第2管41b。各管41a、41b係經由連結構件41d所連結。
如圖16B及圖17所示，於管屏蔽罩41內形成有，將放射自X射線管42之X射線朝向X射線出射口41c導引之X射線通路，而於第1管41a內，設置有開閉該X射線通路之光閘45。光閘45係藉由旋轉進行開閉，而使放射自X射線管42之X射線通過或加以遮蔽之構成。
X射線管42之靶材，可根據需要，而選擇金(Au)、 鉬(Mo)等。除此之外，也可使用銅(Cu)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎢(W)、鉻(Cr)、銀(Ag)等。
如圖18所示，X射線光學元件43係將由鍺(Ge)、矽(Si)、砷化鎵(GaAs)等之半導體單結晶板所構成之雙重彎曲分光結晶板(DCC)43A固定於支撐塊43B而構成，該半導體單結晶板具有呈三次曲面以上之高次曲面之反射面。該X射線光學元件43係構成為不僅沿長度方向彎曲而設定X射線之受光角，而且還沿與長度方向正交之寬度方向彎曲而設定X射線之受光角，並藉由以寬面積且大受光角使來自X射線管42之X射線反射，而可照射較大強度之X射線。該X射線光學元件43當然具有也將入射之X射線單色化之功能。例如，X射線管42係在Mo靶時，可將X射線單色化為Mo-kα，而在Au靶時，可將X射線單色化為Au-Lβ。
具有上述呈三次曲面以上之高次曲面之反射面的雙重彎曲分光結晶板43A，例如可利用國際專利公開WO2007/072906號公報所揭示之高溫凸壓之製法來製造。例如，藉由將平板狀之半導體單結晶板夾入凸壓構件間進行高溫加壓而使其塑性變形，可製作寬面積且具有大受光角之三次曲面以上之高次曲面的雙重彎曲分光結晶板43A。此處，雙重彎曲分光結晶板43A之結晶格子面，例如，係以滿足非對稱Johann(約翰)型或Logarithmic spiral(對數螺線)型之X射線繞射條件之方式進行調整。
回到圖16及圖17，X射線照射單元40係於管屏蔽罩41內設置有入射側光閘口(aperture)47a及出射側光閘口47b。入射側光閘口47a係用以使放射自X射線管42之X射線縮小而有效率地照射於雙重彎曲分光結晶板43A之反射面之透明窗構件。而且， 出射側光閘口47b係用以使由雙重彎曲分光結晶板43A反射而來之X射線縮小而有效地使X射線聚合並導向向焦點之透明窗構件。
入射側光閘口47a係構成為於由可遮蔽X射線之金屬材料所形成遮蔽構件之中央部，設置供X射線穿透之開口部。而且，出射側光閘口47b係於由可遮蔽X射線之金屬材料所形成遮蔽構件之中央部，設置供X射線穿透之開口部，並且可沿正交之高度方向(Z方向)及寬度方向(Y方向)移動該遮蔽構件之構成。而且，其構成為可以設於第2管41b之高度調整螺絲47c，微調整供X射線穿透之開口部之高度位置。此外，其構成為可以設於第2管41b之寬度位置調整螺絲47d，微調整供X射線穿透之開口部之寬度方向位置。
而且，如圖17所示，管屏蔽罩41之連結構件41d係相對於第1管41a可將第2管41b出射之X射線之光路方向移動調整之構造，藉此，可相對於自X射線管42出射之X射線之光路，微調整X射線光學元件43之反射面之位置。此外，第1管41a係構成為可相對於連結構件41d朝圖17之箭頭θ方向擺動，並可藉由微調儀48之操作，微調整其擺動角θ。藉此，可相對於自X射線管42出射之X射線，微調整朝向X射線光學元件43之反射面之入射角θ。
上述構成之X射線照射單元40，係可如圖19所示般形成適合於螢光X射線測量之光學系統。亦即，以X射線光學元件43將放射自X射線管42之X射線單色化並且加以反射聚合，而照射於半導體晶圓之被檢查面。然後，以螢光X射線檢測器60捕捉出現於半導體晶圓之螢光X射線並加以分析。
圖6至圖15所示之第1實施形態之X射線照射單元40、及圖16至圖19所示之第2實施形態之X射線照射單元40，可分別搭載於圖1所示之X射線薄膜檢查裝置之第1旋轉臂32。例如，將圖1所搭載3台之X射線照射單元40中，中央之X射線照射單元40作為圖6至圖15所示之第1實施形態之X射線照射單元40，並將上部之X射線照射單元40作為照射Au-Lβ之X射線之圖16至圖19所示之第2實施形態之X射線照射單元40，再將下部之X射線照射單元40作為照射Mo-Kα之X射線之圖16~圖19所示之第2實施形態之X射線照射單元40。
如此，若將各種X射線照射單元40搭載於第1旋轉臂32，則只要使X射線照射單元40旋轉移動，即可於短時間內有效率地設置適合於X射線反射率測量或螢光X射線測量之X射線照射單元40。
〔溫度修正系統〕
其次，對X射線薄膜檢查裝置之溫度修正系統詳細地說明。
若X射線薄膜檢查裝置之內部溫度發生變化，雖僅有微量的程度，但構成該裝置之各構件會膨脹或收縮，而使作為X射線之照射點之該裝置之檢查位置三維地變動。於檢查位置，配置有例如半導體晶圓之微小圖案(被測量部位)，X射線係照射於此。然而，於伴隨著溫度變化而使檢查位置產生變動之情形時，存在有無法正確地將X射線照射於作為被測量部位之半導體晶圓之微小圖案，而招致X射線之測量精度降低之可能性。
設置有半導體生產線之無塵室內，係高精度地進行溫度管理， 例如，溫度變化被保持於1℃以內。然而，作為被測量部位之半導體晶圓之微小圖案係數十μm之微小面積，於對該微小面積照射經聚合之X射線而進行X射線檢查之過程中，即便微米單位之位置變動也會對測量結果產生很大的影響。
因此，於本實施形態之X射線薄膜檢查裝置組入有溫度修正系統，其係用以修正伴隨著溫度變化之檢查位置(X射線之照射位置)之變動，而使檢查位罩對準於X射線之照射點。
<溫度修正之原理>
本實施形態之X射線薄膜檢查裝置之溫度修正系統，係根據以下原理進行根據溫度變化之位置變動的修正。
若大致對伴隨著溫度變化而使檢查位置(X射線照射位置)變動之要因(位置變動要因)進行分類，則可區分為X射線束之移動、檢查對象之移動、光學顯微鏡70之移動等。例如，X射線束因測角儀30之膨脹、收縮等而移動，檢查對象因試樣台10之膨脹、收縮等而移動，光學顯微鏡70之觀察位置因支撐光學顯微鏡70之支撐框架之膨脹、收縮等而移動。
因此，將伴隨著溫度變化之位置變動之要因特定為N個，並考量與各位置變動要因之時間經過有關之係數(時間常數τ)及與溫度變化有關之係數(溫度常數C)，來推斷伴隨著溫度變化之位置變動。
具體而言，將第n個位置變動要因之時間常數設為τn，將溫度常數設為Cn，並以t秒間隔測量溫度，則自測量開始至第i次測量(測量時刻t[i])時之測量溫度為TM[i]。此時之實效溫度TEn[i]，可以遞迴式(1)來算出。
再者，若將溫度測量開始時之測量溫度TM[0]，與實效溫度TEn[0]之差設為△Tn，則於該等之間成立下式(2)之關係。
[數式2]TEn[0]=TM[0]+△Tn．．．(2)
溫度常數Cn係對應於實效溫度變化1℃時之位置變化量。而且，自測量開始至第i次測量時間點(測量時刻t[i])時高度方向(Z方向)之位置變動△Z[i]，可使用各位置變動要因之實效溫度TEn[i]及溫度常數Cn，而如下式(3)進行推斷。
因此，自測量開始至第i次測量時間點(測量時刻t[i])時高度方向之檢查位置Z[i]，可將無伴隨著溫度變化之位置變動的狀態之基準位置設為Z[0]，並加上伴隨著上述溫度變化之位置變動△Z[i]，而如下式(4)進行推斷。
再者，基準位置Z[0]係對應於溫度測量開始時之檢查位置。然而，由於現實上難以推斷有關溫度測量開始時之各位置變 動要因相關之測量溫度與實效溫度之差△Tn，因此，作為△Tn=0，較佳為使用相較於各位置變動要因之時間常數經過充足之時間後之溫度測量資料。與求取後述之長度方向(X方向)及寬度方向(Y方向)之位置變動時亦同此。
各位置變動要因之時間常數τn及溫度常數Cn，可對自測量開始至第i次為止之測量時間點(測量時刻t[i])時高度方向(Z方向)之檢查位置進行實測，將該實測檢查位置代入上述式(4)之Z[i]，並藉由最小二乘法來求取。
如此一來，只要決定各位置變動要因之變數(時間常數τn及溫度常數Cn)，將該等變數代入上述式(1)及式(3)，即可根據該等各式而自測量溫度TM[i]之資料，算出測量時刻t[i]時檢查位置之高度方向之位置變動△Z[i]。
其次，自測量開始至第i次之測量時間點(測量時刻t[i])時水平面上之長度方向(X方向)之位置變動△X[i]，可使用各位置變動要因之實效溫度TEn[i]及溫度常數Cn，而如下式(5)進行推斷。
因此，自測量開始至第i次測量時間點(測量時刻t[i])時水平面上之長度方向(X方向)之檢查位置X[i]，可將無伴隨著溫度變化之位置變動之狀態之基準位置設為X[0]，並對此加上伴隨著上述溫度變化之位置變動△X[i]，而如下式(6)進行推斷。
[數式6]
而且，各位置變動要因之時間常數τn及溫度常數Cn，可對自測量開始至第i次測量時間點(測量時刻t[i])時水平面上之長度方向(X方向)之檢查位置進行實測，將該實測檢查位置代入上述式(6)之X[i]，並藉由最小二乘法來求取。
如此一來，只要決定各位置變動要因之變數(時間常數τn及溫度常數Cn)，將該等變數代入上述式(1)及式(5)，即可根據該等各式而自測量溫度TM[i]之資料，算出測量時刻t[i]時檢查位置之水平面上之長度方向(X方向)之位置變動△X[i]。
而且，自測量開始至第i次測量時間點(測量時刻t[i])時水平面上之寬度方向(Y方向)之位置變動△Y[i]，可使用各位置變動要因之實效溫度TEn[i]及溫度常數Cn，而如下式(7)進行推斷。
因此，自測量開始至第i次測量時間點(測量時刻t[i])時水平面上之寬度方向(Y方向)之檢查位置Y[i]，可將無伴隨著溫度變化之位置變動之狀態之基準位置設為Y[0]，並對此加上伴隨著上述溫度變化之位置變動△Y[i]，而如下式(8)進行推斷。
而且，各位置變動要因之時間常數τn及溫度常數 Cn，可對自測量開始至第i次測量時間點(測量時刻t[i])時水平面上之寬度方向(Y方向)之檢查位置進行實測，將該實測檢查位置代入上述式(8)之Y[i]，並藉由最小二乘法來求取。
如此一來，只要決定各位置變動要因之變數(時間常數τn及溫度常數Cn)，將該等變數代入上述式(1)及式(7)，即可根據該等各式而自測量溫度TM[i]之資料，算出測量時刻t[i]時檢查位置之水平面上之寬度方向(Y方向)之位置變動△Y[i]。
<溫度修正系統之概要>
本實施形態之溫度修正系統，係構成為根據被儲存於圖3所示之中央處理裝置100之溫度修正軟體，而執行後述之溫度修正方法。
而且，X射線薄膜檢查裝置具備有作為溫度修正系統之構成要素之溫度測量單元110(參照圖3)。溫度測量單元110可使用周知之各種溫度感測器或熱電偶。原本，雖然應藉由溫度測量單元，測量作為伴隨著溫度變化之位置變動要因之各種裝置構成構件之內部溫度，但一個個地測量多數之構成構件之內部溫度有困難並不實際。因此，於本實施形態中，以即使不一一測量各種裝置構成構件之內部溫度亦可之方式，來求取時間常數τn及溫度常數Cn。因此，只要於代表構成裝置所有構件之外部溫度的地點測量溫度即可。具體而言，藉由溫度測量單元110，測量設置有X射線薄膜檢查裝置之檢查室內之空氣溫度、或自檢查室之排氣口所排出之空氣溫度，並將該等測量溫度作為上述式(1)之測量溫度TM[i]。
<溫度修正方法>
中央處理裝置100係根據所儲存之溫度修正軟體，執行以下之溫度修正方法。溫度修正方法係區分為準備階段及執行階段，於準備階段，係求取上述原理中位置變動要因之時間常數τn及溫度常數Cn，而於執行階段，係根據代入所求得之位置變動要因之時間常數τn及溫度常數Cn之上述式(1)(3)(5)(7)而反覆地進行溫度測量及位置修正。
首先，對求取位置變動要因之時間常數τn及溫度常數Cn之準備階段進行說明。
如圖20之流程圖所示，於準備階段，首先設定伴隨著溫度變化之位置變動要因，並開始進行測量(步驟S1、S2)，每固定之測量間隔進行溫度測量及檢查位置之實測(步驟S3、S4)。以預先設定之時間反覆地執行該等溫度測量及檢查位置之實測(步驟S5)。
然後，若是高度方向(Z方向)之位置變動，則將所獲得之測量資料代入上述式(4)之Z[i]，並藉由最小二乘法求取位置變動要因之時間常數τn及溫度常數Cn(步驟S6)。同樣地，若是水平面上長度方向(X方向)之位置變動，則將所獲得之測量資料代入上述式(6)之X[i]，並藉由最小二乘法求取位置變動要因之時間常數τn及溫度常數Cn(步驟S6)。而且，若是水平面上寬度方向(Y方向)之位置變動，則將所獲得之測量資料代入上述式(8)之Y[i]，並藉由最小二乘法求取位置變動要因之時間常數τn及溫度常數Cn(步驟S6)。
此處，高度方向(Z方向)之檢查位置之實測，係以如下之順序進行。
首先，如圖21所示，於試樣台10之上表面配置溫度修正用之試樣S，並使該試樣S之被測量部SA朝向光學顯微鏡70之下方位 置移動。接著，旋轉驅動測角儀30之各旋轉臂32、33，將既定之X射線照射單元40與X射線檢測器50以隔著試樣台10而配置於水平對向位置之方式設定。於此種配置關係中，照射自X射線照射單元40之X射線之中心軸係成為水平，而朝對向配置之X射線檢測器50之檢測面之中心入射。
接著，使位於中間位置之試樣台10朝高度方向(Z方向)移動，以使由X射線檢測器50所檢出之X射線之強度成為放射自X射線管42之X射線強度之1/2的方式進行調整。藉此，試樣S被配置於，自X射線管42之X射線之1/2被試樣台10及試樣S之側面所遮蔽，且剩餘之1/2通過試樣S上方而入射於X射線檢測器50之位置。於該配置中，試樣S之上表面係與放射自X射線管42之X射線之中心軸一致。該高度位置成為高度方向之檢查位置，而於X射線薄膜檢查時，X射線係自X射線照射單元40照射於該高度位置。
其次，使用光學顯微鏡70之自動對焦機構，如圖21所示，將光學顯微鏡70之焦點對準於試樣S之被測量部位SA，而測量自光學顯微鏡70至該試樣S上表面之距離h。於本實施形態中，將該距離h作為與檢查位置相關之高度方向(Z方向)之實測位置。
其次，對在水平面上正交之長度方向(X方向)及寬度方向(Y方向)之檢查位置之實測順序進行說明。
於圖1所示之X射線薄膜檢查裝置中，如圖22A所示，檢查位置(X射線照射單元40之X射線之照射位置)Px與光學顯微鏡70之觀察位置Pc，係設定於水平面上僅相隔距離Lp之位置。這是因 為如圖22B所示，於檢查位置之上方設置有螢光X射線檢測器60，因此無法將光學顯微鏡70設置於相同位置。
因此，首先，如圖22A所示，水平移動試樣台10，將配置於試樣台10上表面之試樣S的測量點SA配置於光學顯微鏡70之觀察位置Pc之中心。這可藉由以影像辨識回路102對光學顯微鏡70所捕捉之映像進行影像辨識，並根據該影像而由中央處理裝置100控制定位機構20來執行。
接著，將配置於檢查位置之試樣S之測量點SA，移動配置於檢查位置Px。如圖22B所示，這可藉由一邊自X射線照射單元40朝向檢查位置Px照射X射線，一邊水平移動試樣台10，而以螢光X射線檢測器60對自試樣S出射之螢光X射線進行檢測來執行。亦即，於試樣S之測量點SA被配置於檢查位置Px(亦即，X射線照射單元40之X射線之照射位置)時，以螢光X射線檢測器60所檢出之螢光X射線會達到峰值強度。再者，溫度修正用之試樣S係由利用X射線照射來激勵螢光X射線之材料所構成。
於本實施形態中，將如上述使配置於試樣台10之試樣S之測量點SA自光學顯微鏡70之觀察位置朝向檢查位置Px移動時長度方向(X方向)之移動量x，作為在與試樣台10之檢查位置相關之水平面上之長度方向(X方向)之實測位置。
同樣地，將使配置於試樣台10之檢查位置之試樣S的測量點SA自光學顯微鏡70之觀察位置朝向檢查位置Px移動時寬度(Y方向)之移動量y，作為在與試樣台10之檢查位置相關之水平面上之寬度方向(Y方向)之實測位置。
於溫度修正之執行階段，將以上述順序所求得位置變 動要因之時間常數τn及溫度常數Cn，作為上述式(1)(3)(5)(7)之參數而加以設定，中央處理裝置100係根據該等數式來執行溫度修正。該溫度修正之執行階段，係與X射線之薄膜檢查之執行同時進行。亦即，於執行X射線之薄膜檢查之期間，中央處理裝置100係輸入傳送自溫度測量單元110而來之溫度測量資料，並根據該溫度測量資料，而自式(1)(3)(5)(7)算出伴隨著檢查位置之溫度變化之位置變動，並對試樣台之位置僅微調整該變動量。
藉此，可隨時使試樣台10之檢查位置對準於X射線之照射點，而進行高精度之X射線之薄膜檢查。
作為伴隨著溫度變化之位置變動之要因，本發明者等係著眼於構成X射線薄膜檢查裝置各構件之時間常數之差異，將其區分為時間常數τ大之構件及時間常數τ小之構件兩個要因(亦即，N=2)，並於設定該等2個位置變動要因而執行上述溫度修正時，可極高精度地修正伴隨著溫度變化之位置變動。再者，時間常數係取決於構件之比熱及熱膨脹率與熱傳導距離。例如，薄的管構件時間常數小，而尺寸大之構件時間常數大。
圖23為顯示本發明者等所進行實驗結果之曲線圖。
以設置有半導體生產線之無塵室內所設置之X射線薄膜檢查裝置為對象，測量該裝置之內部溫度，並修正伴隨著該裝置之溫度變化之位置變動。
於本實驗中，作為伴隨著溫度變化之位置變動要因，設定時間常數為266.2秒之較小者(位置變動要因n1)、及時間常數為10272.5秒之較大者(位置變動要因n2)的兩個要因，並根據上述式(4)，算出自光學顯微鏡70至試樣台10上表面之距離h之計算值(參照圖23 之DATA3)。再者，位置變動要因n1之溫度常數為-12.98μm/℃，位置變動要因n2之溫度常數為13.20μm/℃。
然後，求取自光學顯微鏡70至試樣台10上表面之距離h之計算值與實測值與之差分(即變動量)的結果，如圖23之DATA4所示變動量係顯示極小之值，其結果，可知藉由本發明之溫度修正系統，能高精度地修正伴隨著溫度變化之位置變動。
〔X射線反射率測量系統之改良〕
其次，對與X射線薄膜檢查裝置之X射線反射率測量相關之系統之改良進行說明。
如周知，X射線反射率測量特別適合於測量薄膜之厚度、薄膜表面之粗糙度、薄膜與基材間界面的粗糙度、薄膜之密度等。該X射線反射率測量之原理，係如下(參照圖24、圖25)。
於圖24A中，若使X射線以幾乎照射到表面為平坦之物質201之表面的方式入射、即若使X射線子自低角度θ入射，則臨界角度以下將產生全反射。該臨界角度非常小，例如相對於Cu-Kα之X射線，Si或玻璃板時為0.22°，Ni時為0.42°，而Au時則為0.57°。
該臨界角度係依據物質之電子密度而變化。隨著X射線之入射角度變得較臨界角度大，X射線係逐漸地深入物質中。而且，於具有理想平面之物質中，如圖24B之曲線A所示，臨界角度為θc以上之角度，X射線反射率係與θ-4(θ為X射線入射角)成比例急劇地減少。此外，若物質之表面粗糙，則減少之程度係如虛線B所示進一步增大。於圖之縱軸中，I0為入射X射線強度，I 為反射X射線強度。
如圖25A所示，將此種物質作為基板201，而於該基板201上均勻地積層電子密度不同之其他物質而形成薄膜202。而且，若將X射線以低角度入射，則於基板201與薄膜202間之界面、及薄膜202之表面反射之X射線，相互增強或減弱。其結果，如圖25B所示，於反射率曲線出現因X射線之干涉所產生之振動圖案C。
根據該振動圖案C之週期，可決定薄膜202之膜厚，而根據振動圖案C振幅之角度依賴性，可獲得表面及界面之資訊。此外，藉由一併檢討振動圖案之週期及振幅之雙方，可求得薄膜202之密度。
於藉由本發明之X射線薄膜檢查裝置來實施X射線反射率測量(XRR)之情形時，作為X射線檢測器50，也可使用一維X射線檢測器來取代前述之突崩光二極體(APD)，而以名為TDI(時間延遲積分；Time Delay Integration)之掃描方式來取得X射線之檢測資料。
TDI方式係如圖26所示，沿並排方向(圖之Q方向)掃描複數個並排配置之檢測器a1、a2、a3、a4，而於移動一個檢測器之時間點t1、t2、t3、t4、…tL自各檢測器a1、a2、a3、a4、…aM讀出檢測資料。然後，對每個掃描角度2θ1、2θ2、2θ3、2θ4、…2θN加上各檢測器a1、a2、a3、a4、…aM之檢測資料，來求得各掃描角度2θ1、2θ2、2θ3、2θ4、…2θN之X射線強度。
具體而言，於每個單位角度△θ自測角儀控制器106輸出控制信號，使測角儀30之各旋轉臂32、33旋轉。此時，將於每個單位角度△θ自測角儀控制器106所輸出之控制信號作為觸 發，讀出來自一維X射線檢測器之檢測信號。然後，每隔一定時間使測角儀30之各旋轉臂32、33之旋轉角度θ位移，而逐步地對來自一維X射線檢測器之檢測信號進行積分。
於本實施形態之TDI方式中，保持各旋轉臂32、33之旋轉角θX=θD之關係，旋轉驅動各旋轉臂32、33。藉此，一邊使朝向檢查對象之X射線之入射角θ(=θx)變化，且一維X射線檢測器也一邊使檢測角度位置變化，而檢出反射X射線。
再者，藉由TDI方式之X射線檢測資料之取得，可構成為利用被儲存於中央處理裝置100之TDI方式用之軟體來執行。而且，藉由TDI方式之X射線檢測資料之取得，也可藉由一維X射線檢測器內部之硬體或信號控制回路(韌體)來執行。
於將反射自檢查對象而來之X射線之發散寬度設為2δ時，若將TDI之掃描範圍限制為等同於角度發散寬度2δ，則較有效率。再者，一維X射線檢測器之像素寬度xM為檢測範圍。此時，若將X射線反射率測量之實施範圍設為0~θmax，則測角儀之掃描範圍θX為θ-δ~θmax+δ。於TDI之掃描範圍大於2δ之情形時，測角儀之掃描範圍增加，產能降低。
藉由採用該TDI方式，可使測量變得迅速，並且於各掃描角度獲得較大的檢測強度。
於圖27顯示採用該等構成之X射線反射率測量系統之概要。
如圖27所示，將自X射線照射單元40入射之X射線(聚合X射線)X0以幾乎照射到薄膜試樣W(例如，半導體晶圓)之表面的方式照射，而以一維X射線檢測器51檢測反射自薄膜試樣W而來之 反射X射線X1。作為X射線照射單元40，例如採用前述之X射線光學元件43使用共焦反射鏡之構成者(參照圖6至圖15)。於該情形時，不需要如圖13或圖15所示般抑制反射X射線X1朝向掃描方向之發散而加以利用，相反地可藉由同時測量相對於較廣之發散角之入射X射線X0之反射X射線來縮短測量時間。然後，以TDI方式掃描一維X射線檢測器51，來取得X射線之檢測資料。
如上所述，於將TDI之掃描範圍縮小為反射X射線之角度發散寬度2δ之情形時，就不需要設置相對於反射自薄膜試樣W之反射X射線X1，用以遮蔽散射X射線之受光狹縫(RS：Receiving Slit)。
如此，由於不使用受光狹縫而利用反射X射線之全範圍來實施TDI方式之X射線反射率測量，因此可大幅提高測量速度。
另一方面，於不設置受光狹縫之情形時，來自空氣或檢查對象表面之散射X射線、自檢查對象所產生之螢光X射線等入射於一維X射線檢測器，作為測量對象之反射X射線以外之背景(BG)便增加，而一維X射線檢測器51之動態範圍則減少。
因此，於本實施形態中，如圖27所示般採用設置X射線吸收構件52，並藉由X射線吸收構件52反射使自薄膜試樣W而來之反射X射線X1之強度衰減而朝向一維X射線檢測器51照射之構成。該X射線吸收構件52係配置為使至少全反射自薄膜試樣之反射X射線X1之強度衰減而入射於一維X射線檢測器51。較佳為，X射線吸收構件52係配置為雖包含圖25B所示之全反射區域R，但涵蓋不會達到作為測量資料而出現重要之振動圖案C之掃描角度之任意掃描角度θd為止之範圍。亦即，在小於掃描角度θd 之掃描角度範圍內，較大強度之X射線X1係自薄膜試樣W反射而來。使X射線吸收構件52介於此種較大強度之反射X射線X1之光路上，而利用該X射線吸收構件52吸收該反射X射線X1之一部分。
於介設有X射線吸收構件52之掃描角度範圍內，如圖28A所示，朝向一維X射線檢測器51入射之X射線之強度會變小。該範圍之X射線檢測資料係藉由軟體進行修正，而如圖28B所示般僅提高與X射線吸收構件52所造成X射線之衰減量對應之強度，以確保與未介設有X射線吸收構件52之掃描角度範圍之X射線檢測資料之連續性。
藉由以上之構成，可實現使用一維X射線檢測器51之TDI方式之X射線反射率測量之迅速化。
此外，如圖29所示，也可於薄膜試樣W表面上與入射X射線X0之聚合位置(或反射X射線X1之出射位置)相對向之位置，配置X射線遮蔽構件53。X射線遮蔽構件53係以不使X射線穿透之材料形成為楔狀或板狀，且配置為與薄膜試樣W之表面正交。而且，於薄膜試樣W之表面與X射線遮蔽構件53之間，隔開有剛好可供入射於薄膜試樣W之入射X射線X0(或來自薄膜試樣W之反射X射線X1)通過之間隙。
如此，藉由配置X射線遮蔽構件53，可藉由X射線遮蔽構件53遮蔽來自空氣之散射X射線或來自反射鏡之重像等，而抑制該等反射X射線以外之X射線朝向一維X射線檢測器51之入射，從而減少背景(BG)成分。藉此，主要可在入射於一維X射線檢測器51之反射X射線強度變弱之相對高角度之區域提高SN比(信號對 雜訊比)，從而提高X射線反射率測量之動態範圍。
為了抑制來自空氣或薄膜試樣W表面之散射X射線、或自薄膜試樣W所產生之螢光X射線等朝向一維X射線檢測器51之入射，也可相對於反射X射線X1之光路配置散射狹縫54(SS：Scattering Slit)。於該情形時，雖然也可隔開剛好能使反射X射線X1通過之間隙而僅配置散射狹縫54，但若連同上述X射線遮蔽構件53設為雙重地遮蔽散射X射線或螢光X射線之構成，則可更加有效地抑制該等反射X射線以外之X射線朝向一維X射線檢測器51之入射，而減少背景(BG)成分。
再者，於上述實施形態中，雖然使用一維X射線檢測器實施TDI方式之X射線反射率測量，但也可使用二維X射線檢測器實施TDI方式之X射線反射率測量。該構成係適合於如圖16及圖17所示之使用朝寬度方向擴散之2條X射線束之情形、或測量X射線散射之情形。
此外，也可於一維X射線檢測器或二維X射線檢測器之受光面安裝X射線吸收構件52。於該情形時，係藉由軟體對所獲得之X射線檢測資料進行修正，而對每個角度逐步進行積分。

Claims (16)

  1. 一種X射線薄膜檢查裝置，其具備有：試樣台，其於上表面配置檢查對象；影像觀察手段，其觀察被配置於上述試樣台上表面之上述檢查對象之影像；定位機構，其根據上述影像觀察手段之對檢查對象之影像觀察結果進行控制，使上述試樣台朝在水平面上正交之2個方向、高度方向及面內旋轉方向移動；測角儀，其具備有分別沿著與上述試樣台之上表面正交之虛擬平面進行旋轉之第1、第2旋轉構件；X射線照射單元，其係搭載於上述第1旋轉構件；X射線檢測器，其係搭載於上述第2旋轉構件；及螢光X射線檢測器，其檢測藉由X射線之照射而自上述檢查對象產生之螢光X射線；上述X射線照射單元包含有：X射線管，其放射X射線；X射線光學元件，其由共焦反射鏡構成，且使放射自上述X射線管之X射線入射，將單色化為特定波長之複數條聚合X射線進行反射，而使該等複數條聚合X射線聚合於預先設定之焦點；及狹縫機構，其使反射自上述X射線光學元件之複數條聚合X射線中的任意條聚合X射線通過；上述X射線照射單元進一步具備有繞反射自上述X射線光學元件之複數條聚合X射線之中心軸地對該光學元件進行旋轉調整之構成。
  2. 如申請專利範圍第1項之X射線薄膜檢查裝置，其中，上述狹縫機構係具備有以遮蔽X射線之材料所形成之2片遮蔽板，並使上述任意條數之聚合X射線通過形成於該等遮蔽板間的間隙之構成，且具備有可任意地調整上述間隙之寬度的功能。
  3. 如申請專利範圍第2項之X射線薄膜檢查裝置，其中，從反射自上述X射線光學元件之X射線之光路方向觀察，該X射線光學元件係使4條呈矩形之聚合X射線分別反射於虛擬四邊形之四個角。
  4. 如申請專利範圍第3項之X射線薄膜檢查裝置，其中，在反射自上述X射線光學元件之上述4條聚合X射線中，通過上述遮蔽板之間隙而來之2條聚合X射線，自該X射線之光路方向觀察時，係使包含該等2條聚合X射線之虛擬平面平行地入射於上述檢查對象之被檢查面的方式，來調整彼此之光路之位置關係。
  5. 如申請專利範圍第3項之X射線薄膜檢查裝置，其中，上述狹縫機構係僅使反射自上述X射線光學元件之前述4條聚合X射線中的1條聚合X射線，從上述遮蔽板之間隙通過。
  6. 如申請專利範圍第1項之X射線薄膜檢查裝置，其中，其具備有第2X射線照射單元，該第2X射線照射單元包含有：第2X射線管，其放射X射線；及第2X射線光學元件，其係將由半導體單結晶板所構成之雙重彎曲分光結晶板固定於支撐塊之構成，且將放射自上述第2X射線管之X射線入射於上述反射面，將單色化為特定波長之聚合X射線進行反射，而該半導體單結晶板係具有呈三次曲面以上之高次曲面之反射面； 上述第2X射線光學元件係於長度方向彎曲而設定X射線之受光角，並且也於正交之寬度方向彎曲而設定X射線之受光角，將上述X射線照射單元與上述第2X射線照射單元朝旋轉方向排列而搭載於上述第1旋轉構件。
  7. 如申請專利範圍第5項之X射線薄膜檢查裝置，其中，於上述第2旋轉構件搭載一維X射線檢測器，且藉由TDI方式取得X射線之檢測資料來實施X射線反射率的測量。
  8. 如申請專利範圍第7項之X射線薄膜檢查裝置，其中，不設置受光狹縫而使反射自作為上述檢查對象之薄膜試樣之X射線之全範圍入射於上述一維X射線檢測器。
  9. 如申請專利範圍第8項之X射線薄膜檢查裝置，其中，藉由X射線吸收構件使至少全反射自上述薄膜試樣之反射X射線之強度衰減而入射於上述一維X射線檢測器。
  10. 如申請專利範圍第9項之X射線薄膜檢查裝置，其中，於與上述薄膜試樣之表面上入射X射線的聚合位置或反射X射線之出射位置相對向之位置，隔開能使入射於上述薄膜試樣之入射X射線或來自該薄膜試樣之反射X射線通過之間隙，而配置X射線遮蔽構件。
  11. 如申請專利範圍第9項之X射線薄膜檢查裝置，其中，相對於反射自上述薄膜試樣之反射X射線之光路，隔開能使該反射X射線通過之間隙，而配置散射狹縫。
  12. 如申請專利範圍第4項之X射線薄膜檢查裝置，其中，其構成為， 於上述第2旋轉構件搭載二維X射線檢測器，且藉由TDI方式取得X射線之檢測資料來實施X射線反射率的測量。
  13. 如申請專利範圍第12項之X射線薄膜檢查裝置，其中，不設置受光狹縫而使反射自作為上述檢查對象之薄膜試樣之X射線之全範圍入射於上述二維X射線檢測器。
  14. 如申請專利範圍第13項之X射線薄膜檢查裝置，其中，藉由X射線吸收構件使至少全反射自上述薄膜試樣之反射X射線之強度衰減而入射於上述二維X射線檢測器。
  15. 如申請專利範圍第14項之X射線薄膜檢查裝置，其中，於與上述薄膜試樣之表面上入射X射線的聚合位置或反射X射線之出射位置相對向之位置，隔開能使入射於上述薄膜試樣之入射X射線或來自該薄膜試樣之反射X射線通過之間隙，而配置X射線遮蔽構件。
  16. 如申請專利範圍第14項之X射線薄膜檢查裝置，其中，相對於反射自上述薄膜試樣之反射X射線之光路，隔開能使該反射X射線通過之間隙，而配置散射狹縫。
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