JP3629520B2 - Ｘ線分光素子およびそれを用いた蛍光ｘ線分析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射層とスペーサ層からなる層対を基板上に多数積層して構成されたＸ線分光素子およびそれで分光された１次Ｘ線を試料に照射する蛍光Ｘ線分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、Ｓｉ （シリコン）ウエハを試料としてその上の微量な付着物を検出するために、試料に微小な入射角で１次Ｘ線を照射して全反射蛍光Ｘ線分析を行う場合、十分な強度の蛍光Ｘ線を発生させかつバックグラウンドを抑制するため、試料に照射する１次Ｘ線は、高強度で適切に単色化されたものが望ましい。このような場合に、Ｗ（タングステン）をターゲットとするＸ線管から発生するＸ線を、Ｗ／Ｂ_４Ｃ（反射層：タングステン／スペーサ層：炭化ホウ素）の多層膜Ｘ線分光素子で分光し、単色化されたＷ−Ｌβ線（９６７０ｅＶ）を１次Ｘ線として利用することがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｗ／Ｂ_４ＣのＸ線分光素子では、単色化（分解能）が不十分で、分析を行う上で妨害線となるＷ−Ｌα線（８３９６ｅＶ）までも１次Ｘ線に含まれてしまい、十分に正確な分析ができない。かといって、分解能を高めるために、同じＸ線分光素子を２枚用いて、つまり、１枚で分光したＸ線をさらにもう１枚で分光すると、分光によるＷ−Ｌβ線（主反射線）の強度の減衰が大きくなってしまう。このように、主反射線の強度を十分に保持しつつ弊害となるＸ線を十分に除去することができないという問題は、蛍光Ｘ線分析において１次Ｘ線の単色化に用いる場合に限らず、従来の多層膜Ｘ線分光素子が本質的に抱えている。
【０００４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、主反射線の強度を十分に保持しつつ弊害となるＸ線を十分に除去することができるＸ線分光素子およびそれで分光された１次Ｘ線を試料に照射する蛍光Ｘ線分析装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のＸ線分光素子は、反射層とスペーサ層からなる層対を基板上に多数積層して構成されたＸ線分光素子であって、所定の周期長を有する複数の層対からなる多層膜を２つ備え、基板側の第１多層膜で反射されるＸ線のうち所望のエネルギーのＸ線が、入射面側の第２多層膜で反射されるＸ線と干渉して除去されるように、第２多層膜における前記所定の周期長および／または層対を構成する物質が第１多層膜と異なっているとともに、第２多層膜における層対数が設定されている。
【０００６】
本発明のＸ線分光素子では、主反射線を強く反射する第１多層膜の上に、適切に反射特性の異なる第２多層膜が設けられるので、両多層膜での反射Ｘ線の干渉効果により、特定のエネルギーのＸ線を著しく減衰させて除去（消滅）できる。特に、第２多層膜の層対数を変えることにより、第２多層膜での反射Ｘ線の振幅を調整することができるので、第１多層膜での反射Ｘ線のうち特定のエネルギーのＸ線を効果的に除去できる。しかも、全体としては単一のＸ線分光素子であり、同じＸ線分光素子を２枚用いた従来の場合のように分光が２回行われるわけではないので、主反射線の強度の減衰が大きくなることもない。したがって、主反射線の強度を十分に保持しつつ弊害となるＸ線を十分に除去することができる。ここで、Ｘ線分光素子の製作の容易のためには、第２多層膜における反射層の物質およびスペーサ層の物質が第１多層膜と同じであることが好ましい。また、本発明のＸ線分光素子は、蛍光Ｘ線分析において、Ｘ線源から発生するＸ線を分光して、試料に照射する１次Ｘ線とするために好適に用いられる。
【０００７】
本発明の蛍光Ｘ線分析装置は、前記本発明のＸ線分光素子で分光された１次Ｘ線を試料に照射するＸ線照射手段と、試料から発生する蛍光Ｘ線の強度を測定する検出手段とを備え、前記本発明のＸ線分光素子と同様の作用効果を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態の蛍光Ｘ線分析装置を図面にしたがって説明する。この装置は、図２に示すように、１次Ｘ線５を試料１の表面に対して例えば０．１度程度の微小な入射角α（図においては誇張して表す）で照射させる全反射蛍光Ｘ線分析装置であって、Ｘ線分光素子４で分光された１次Ｘ線５を、試料台１０に載置されたＳｉ ウエハなどの試料１に照射するＸ線照射手段６と、試料１から発生する蛍光Ｘ線７の強度を測定する検出手段であるＳＳＤ８とを備えている。ただし、本発明の蛍光Ｘ線分析装置は、全反射蛍光Ｘ線分析装置に限定されない。Ｘ線照射手段６は、ここでは固有Ｘ線としてＷ−Ｌβ線を含むＸ線２を発生するＸ線源３、すなわちＷのターゲットからＸ線２を発生するＸ線管３と、そのＸ線管３から発生するＸ線２を分光するＸ線分光素子４とを有する。
【０００９】
このＸ線分光素子４は、単独でも本発明の一実施形態をなすもので、本発明のＸ線分光素子には種々の用途、構成が考えられるが、２つの代表的な用途、構成のものを、以下に第１、第２の実施形態のＸ線分光素子として説明する。
【００１０】
第１実施形態のＸ線分光素子４は、蛍光Ｘ線分析において、Ｘ線管３から発生するＸ線２を分光して、Ｗ−Ｌβ線を試料１に照射する１次Ｘ線５とするために用いられ、図１に示すように、反射層４ａとスペーサ層４ｂからなる層対をＳｉ 基板４ｃ上に多数積層して構成されたＸ線分光素子４であって、所定の周期長ｄを有する複数の層対からなる多層膜４ｅを２つ備えており、まず、基板４ｃ側の第１多層膜４ｅ１ では、Ｗ−Ｌβ線をブラッグ反射するように、１層対４ａ，４ｂの厚さである周期長ｄ１ および入射角θ（入射角θについては第２多層膜４ｅ２ と共通）が設定されている。そして、第１多層膜４ｅ１ で反射されるＸ線のうち分析を行う上で妨害線となるＷ−Ｌα線が、入射面４ｆ側の第２多層膜４ｅ２ で反射されるＸ線と干渉して除去されるように、第２多層膜４ｅ２ における前記所定の周期長ｄ２ が第１多層膜４ｅ１ における周期長ｄ１ と異なっているとともに、第２多層膜４ｅ２ における層対数が設定されている。
【００１１】
この実施形態では、Ｘ線分光素子４の製作の容易のため、第２多層膜４ｅ２ における反射層４ａの物質およびスペーサ層４ｂの物質が第１多層膜４ｅ１ と同じで、反射層４ａの物質がＷ、スペーサ層４ｂの物質がＢ_４Ｃであるが、各層の物質については本発明では特に限定されない。また、反射層４ａとスペーサ層４ｂとの膜厚比も、特に限定されない。形状については、図では平板型として示しているが、湾曲型でもよい。なお、湾曲型の場合、１つの多層膜（深さ方向に周期長および層対の物質が一定の多層膜）において、湾曲方向に異なる部分でも同じエネルギーのＸ線を反射するように、湾曲方向に沿って周期長ｄを変化させることは、周知技術であり、本発明にこの周知技術を適用してもよい。
【００１２】
さて、Ｓｉ 基板のＷ／Ｂ_４Ｃの多層膜Ｘ線分光素子について、本発明のＸ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を２〜６としたものと、第１多層膜のみからなる従来のＸ線分光素子とで、１０００〜２００００ｅＶの連続Ｘ線を分光したときの反射率をシミュレーション計算して比較した結果を図３〜７に示す。実線が本発明のＸ線分光素子の反射率で、破線が従来のＸ線分光素子の反射率である。ここで、Ｗ−Ｌβ線をブラッグ反射するように、第１多層膜は、周期長２１Åの層対を１５０積層したものであり、Ｘ線分光素子への入射角は、いずれも１．７６度である。第２多層膜の周期長は、第１多層膜の周期長２１Åの０．８倍の１６．８Åとした。
【００１３】
これによると、第２多層膜の層対数Ｎ_２が２〜６のいずれであっても、本実施形態で主反射線であるＷ−Ｌβ線（９６７０ｅＶ）の反射率は、従来のＸ線分光素子と同程度に保持されるが、Ｎ_２＝２とした場合には、本実施形態で妨害線となるＷ−Ｌα線（８３９６ｅＶ）の付近で反射率が従来よりも著しく小さくなることが分かる。したがって、第１実施形態のＸ線分光素子４における第２多層膜４ｅ２ の層対数Ｎ_２としては、２が適切である。
【００１４】
そこで、第２多層膜の層対数Ｎ_２を２として、第２多層膜の周期長ｄ２ を第１多層膜の周期長ｄ１ ＝２１Åに対して変化させたときに、反射率が従来よりも著しく小さくなるエネルギー位置、すなわち除去（カット）できるＸ線エネルギー位置について、図３〜７と同様にシミュレーション計算して得た結果を図８に示す。これによると、第２多層膜の周期長ｄ２ を、第１多層膜の周期長２１Åの０．８倍の１６．８Åとしたときに、本実施形態で妨害線となるＷ−Ｌα線（８３９６ｅＶ）がカットされることが分かる。したがって、第１実施形態のＸ線分光素子４における第２多層膜４ｅ２ の周期長ｄ２ としては、１６．８Åが適切である。
【００１５】
さらに、第２多層膜の層対数Ｎ_２を２、周期長ｄ２ を１６．８Åとして、第１多層膜の層対数Ｎ_１を変化させたときの、Ｗ−Ｌβ線の反射強度のＷ−Ｌα線の反射強度に対する比を、同様にシミュレーション計算した結果を図９に示す。層対数１５０における下側のプロットは、第２多層膜のない、つまり従来のＸ線分光素子における値である。これによると、第１実施形態のＸ線分光素子４における第１多層膜４ｅ１ の層対数Ｎ_１としては、強度比が従来値よりも十分に大きくなるように、５０以上が好ましく、１５０で十分と考えられる。
【００１６】
以上のような検討結果から、第１多層膜４ｅ１ の周期長ｄ１ ＝２１Å、層対数Ｎ_１＝１５０、第２多層膜４ｅ２ の周期長ｄ２ ＝１６．８Å、層対数Ｎ_２＝２のＷ／Ｂ_４ＣのＸ線分光素子を第１実施形態のＸ線分光素子４として作製した。一方、比較のため、第２多層膜４ｅ２ のないものを従来のＸ線分光素子として用意した。
【００１７】
そして、図２の全反射蛍光Ｘ線分析装置を用いて、ターゲットがＷであるＸ線管３から発生するＸ線２を、それぞれのＸ線分光素子で分光して、分光されたＷ−Ｌβ線を１次Ｘ線５として、Ｓｉ ウエハである試料１に入射角αを変えて（０．０７〜０．１３度）照射し、試料１から発生するＷ−Ｌβ線７とＷ−Ｌα線７の強度をＳＳＤ８で測定した。図１０に、それぞれのＸ線分光素子によるＷ−Ｌα線のＷ−Ｌβ線に対する強度比と、入射角αとの関係を示す。実線が第１実施形態のＸ線分光素子による強度比で、破線が従来のＸ線分光素子による強度比である。強度比０は、Ｗ−Ｌα線のピークが観測されなかったことを示す。これによると、第１実施形態のＸ線分光素子４では、妨害線Ｗ−Ｌα線の主反射線Ｗ−Ｌβ線に対する強度比が、従来に比べ１桁以上下がり、妨害線Ｗ−Ｌα線が実質的に消滅して除去されたことが分かる。
【００１８】
以上のように、第１実施形態のＸ線分光素子４では、主反射線であるＷ−Ｌβ線を強く反射する第１多層膜４ｅ１ の上に、適切に反射特性の異なる第２多層膜４ｅ２ が設けられるので、両多層膜４ｅ１ ，４ｅ２ での反射Ｘ線の干渉効果により、妨害線となるＷ−Ｌα線を著しく減衰させて除去（消滅）できる。しかも、全体としては単一のＸ線分光素子４であり、同じＸ線分光素子を２枚用いた従来の場合のように分光が２回行われるわけではないので、主反射線であるＷ−Ｌβ線の強度の減衰が大きくなることもない。したがって、主反射線であるＷ−Ｌβ線の強度を十分に保持しつつ妨害線となるＷ−Ｌα線を十分に除去することができる。第１実施形態のＸ線分光素子で分光された１次Ｘ線を試料に照射する図２の実施形態の蛍光Ｘ線分析装置も、同様の作用効果を有する。
【００１９】
次に、第２実施形態のＸ線分光素子４について説明する。第２実施形態のＸ線分光素子４も、蛍光Ｘ線分析において、Ｘ線管３から発生するＸ線２を分光して、Ｗ−Ｌβ線を試料１に照射する１次Ｘ線５とするために用いられ、図１に示すように、反射層４ａとスペーサ層４ｂからなる層対をＳｉ 基板４ｃ上に多数積層して構成されたＸ線分光素子４であって、所定の周期長ｄを有する複数の層対からなる多層膜４ｅを２つ備えており、まず、基板４ｃ側の第１多層膜４ｅ１ では、Ｗ−Ｌβ線をブラッグ反射するように、１層対４ａ，４ｂの厚さである周期長ｄ１ および入射角θ（入射角θについては第２多層膜４ｅ２ と共通）が、第１実施形態のＸ線分光素子と同じ値に設定されている。
【００２０】
そして、第１多層膜４ｅ１ で反射されるＸ線のうち分析を行う上で妨害線となるＷ−Ｌα線が、入射面４ｆ側の第２多層膜４ｅ２ で反射されるＸ線と干渉して除去されるように、第２多層膜４ｅ２ における反射層４ａの物質がＮｉ （ニッケル）で、第１多層膜４ｅ１ における反射層４ａの物質Ｗと異なっているとともに、第２多層膜４ｅ２ における層対数が設定されている。ここで、スペーサ層４ｂの物質は、いずれの多層膜４ｅ１ ，４ｅ２ においてもＢ_４Ｃである。また、第２多層膜４ｅ２ における前記所定の周期長ｄ２ も第１多層膜４ｅ１ の周期長ｄ１ と同じで、ｄ２ ＝ｄ１ ＝２１Åである。その他の構成については、第２多層膜４ｅ２ における層対数Ｎ_２を除き、第１実施形態のＸ線分光素子と同様で、第１多層膜４ｅ１ の層対数Ｎ_１も１５０とする。
【００２１】
さて、以上のような構成で第２多層膜の層対数Ｎ_２を１〜６とした本発明のＸ線分光素子と、第１多層膜のみからなる従来のＸ線分光素子とで、図３〜７と同様に、１０００〜２００００ｅＶの連続Ｘ線を分光したときの反射率をシミュレーション計算して比較した結果を図１１〜１６に示す。実線が本発明のＸ線分光素子の反射率で、破線が従来のＸ線分光素子の反射率である。
【００２２】
これによると、第２多層膜の層対数Ｎ_２が１〜６のいずれであっても、本実施形態で主反射線であるＷ−Ｌβ線（９６７０ｅＶ）の反射率は、従来のＸ線分光素子と同程度に保持されるが、Ｎ_２＝４とした場合には、本実施形態で妨害線となるＷ−Ｌα線（８３９６ｅＶ）の付近で反射率が従来よりも著しく小さくなることが分かる。したがって、第２実施形態のＸ線分光素子４における第２多層膜４ｅ２ の層対数Ｎ_２としては、４が適切である。
【００２３】
第２実施形態のＸ線分光素子４においても、主反射線であるＷ−Ｌβ線を強く反射する第１多層膜４ｅ１ の上に、適切に反射特性の異なる第２多層膜４ｅ２ が設けられるので、両多層膜４ｅ１ ，４ｅ２ での反射Ｘ線の干渉効果により、妨害線となるＷ−Ｌα線を著しく減衰させて除去（消滅）できる。しかも、全体としては単一のＸ線分光素子４であり、同じＸ線分光素子を２枚用いた従来の場合のように分光が２回行われるわけではないので、主反射線であるＷ−Ｌβ線の強度の減衰が大きくなることもない。したがって、主反射線であるＷ−Ｌβ線の強度を十分に保持しつつ妨害線となるＷ−Ｌα線を十分に除去することができる。
【００２４】
また、両多層膜において層対の構成物質が同じで周期長が異なる場合（第１実施形態を含む）の図３〜７と、層対の構成物質が異なり周期長が同じ場合（第２実施形態を含む）の図１１〜１６とを対比すると分かるように、第２実施形態のＸ線分光素子４においては、主反射線Ｗ−Ｌβ線に対して妨害線Ｗ−Ｌα線の反対側、つまりここでは主反射線Ｗ−Ｌβ線よりも高エネルギー側で、従来よりも分解能が低下する（反射率が高くなる）、ということがない。第２実施形態のＸ線分光素子で分光された１次Ｘ線を試料に照射する図２の実施形態の蛍光Ｘ線分析装置も、同様の作用効果を有する。
【００２５】
なお、本発明においては、第２多層膜において、層対の構成物質を第１多層膜と異なるようにするにあたり、反射層かスペーサ層のいずれか一方の物質が第１多層膜と異なるようにしてもよいし、反射層の物質とスペーサ層の物質の両方が第１多層膜と異なるようにしてもよい。さらに、層対の構成物質か周期長のいずれか一方が第１多層膜と異なるようにしてもよいし、層対の構成物質と周期長の両方が第１多層膜と異なるようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のＸ線分光素子では、主反射線を強く反射する第１多層膜の上に、適切に反射特性の異なる第２多層膜が設けられるので、両多層膜での反射Ｘ線の干渉効果により、特定のエネルギーのＸ線を著しく減衰させて除去（消滅）できる。特に、図３〜７や図１１〜１６を用いて検討したように、第２多層膜の層対数を変えることにより、第２多層膜での反射Ｘ線の振幅を調整することができるので、第１多層膜での反射Ｘ線のうち特定のエネルギーのＸ線を効果的に除去できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、第２実施形態であるＸ線分光素子を示す図である。
【図２】同Ｘ線分光素子を用いた本発明の一実施形態である全反射蛍光Ｘ線装置を示す図である。
【図３】本発明のＸ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を２としたものと、従来のＸ線分光素子とについて、連続Ｘ線を分光したときの反射率をシミュレーション計算して比較した一例を示す図である。
【図４】本発明のＸ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を３として、図３と同様に比較した一例を示す図である。
【図５】本発明のＸ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を４として、図３と同様に比較した一例を示す図である。
【図６】本発明のＸ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を５として、図３と同様に比較した一例を示す図である。
【図７】本発明のＸ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を６として、図３と同様に比較した一例を示す図である。
【図８】本発明のＸ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を２として、第２多層膜の周期長ｄ２ を第１多層膜の周期長ｄ１ に対して変化させたときの、カットできるＸ線エネルギー位置を、シミュレーション計算した結果を示す図である。
【図９】同Ｘ線分光素子で、周期長を１６．８Åとして、第１多層膜の層対数Ｎ_１を変化させたときの、Ｗ−Ｌβ線の反射強度のＷ−Ｌα線の反射強度に対する比を、シミュレーション計算した結果を示す図である。
【図１０】第１実施形態のＸ線分光素子と従来のＸ線分光素子とについて、それぞれで分光した１次Ｘ線によるＷ−Ｌα線測定強度のＷ−Ｌβ線測定強度に対する比と１次Ｘ線の入射角との関係を示す図である。
【図１１】図３〜７とは別の構成の本発明のＸ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を１としたものと、従来のＸ線分光素子とについて、連続Ｘ線を分光したときの反射率をシミュレーション計算して比較した一例を示す図である。
【図１２】同Ｘ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を２として、図１１と同様に比較した一例を示す図である。
【図１３】同Ｘ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を３として、図１１と同様に比較した一例を示す図である。
【図１４】同Ｘ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を４として、図１１と同様に比較した一例を示す図である。
【図１５】同Ｘ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を５として、図１１と同様に比較した一例を示す図である。
【図１６】同Ｘ線分光素子で第２多層膜の層対数Ｎ_２を６として、図１１と同様に比較した一例を示す図である。
【符号の説明】
１…試料、２…Ｘ線源から発生するＸ線、３…Ｘ線源（Ｘ線管）、４…Ｘ線分光素子、４ａ…反射層、４ｂ…スペーサ層、４ｃ…基板、４ｅ１ …第１多層膜、４ｅ２ …第２多層膜、４ｆ…入射面、５…１次Ｘ線、６…Ｘ線照射手段、７…試料から発生する蛍光Ｘ線、８…検出手段、ｄ…周期長。

Claims (3)

1. 反射層とスペーサ層からなる層対を基板上に多数積層して構成されたＸ線分光素子であって、
   所定の周期長を有する複数の層対からなる多層膜を２つ備え、
   基板側の第１多層膜で反射されるＸ線のうち所望のエネルギーのＸ線が、入射面側の第２多層膜で反射されるＸ線と干渉して除去されるように、第２多層膜における前記所定の周期長および／または層対を構成する物質が第１多層膜と異なっているとともに、第２多層膜における層対数が設定されているＸ線分光素子。
2. 請求項１において、
   前記第２多層膜における反射層の物質およびスペーサ層の物質が第１多層膜と同じであるＸ線分光素子。
3. 請求項１または２のＸ線分光素子で分光された１次Ｘ線を試料に照射するＸ線照射手段と、
   試料から発生する蛍光Ｘ線の強度を測定する検出手段とを備えた蛍光Ｘ線分析装置。

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