JPH0961600A - 走査型ｘ線顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウエハレベル、ディスクレベルの大きさの領
域において、高空間分解能で化学状態を分析できる走査
型Ｘ線顕微鏡を提供する。 【構成】 試料６を微動ステージ７上に設置し、微動ス
テージ７を粗動ステージ８上に設置する。光学素子３を
用いてＸ線５を試料６に集光、照射しながら上記ステー
ジを走査し、発生した光電子を検出して試料６表面の化
学状態を画像化する。 【効果】 高精度走査が可能な微動ステージと、広範囲
走査が可能な粗動ステージとを組み合わせた試料ステー
ジを用いることにより、Ｘ線マイクロビームで広範囲、
高精度で試料面を走査できる。この結果、１０ｍｍ角以
上の大領域全域にわたり化学状態を高空間分解能で分析
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表面分析技術に係り、特
に高空間分解能での化学状態分析に好敵な走査型Ｘ線顕
微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子、ストレージの高集積化、大
容量化に伴い、材料となる薄膜の局所的な化学状態を精
密に制御することが必要になってきた。この制御のため
には、１〜０．１μｍ程度の空間分解能での化学状態に
関する情報が不可欠である。分析対象によっては、結晶
粒界の化学状態分析のように、数１０ｎｍの空間分解能
での分析が要求される場合もある。

【０００３】化学状態に関する詳細な情報を得ることが
できる分析技術として、Ｘ線分光分析技術がある。この
分析技術では、試料表面にＸ線を照射して、発生した光
子や光電子のエネルギーを測定する。このエネルギーの
解析から、試料表面を構成する元素の種類や化学結合状
態、組成に関する詳細な情報を得ることができる。この
種の技術は、例えば特開昭６３−２４３８５５号公報、
特開平１−２３９５００号公報、並びに特開平２−２５
７３７号公報に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｘ線分光分析技術を高
分解能化するために、プローブビームであるＸ線を集光
して化学状態分析を行なう走査型Ｘ線顕微鏡の研究開発
が活発に行なわれている。この技術開発では、斜入射反
射鏡や多層膜反射鏡、ゾーンプレート等のＸ線光学素子
を用いてＸ線マイクロビームを形成して試料表面に照射
し、発生した粒子（光子や光電子等）のエネルギーをエ
ネルギー分析器を用いて測定している。このＸ線マイク
ロビームで試料表面を走査することにより、高空間分解
能での化学状態分析が可能である。

【０００５】マイクロビームの走査方式としては、ビー
ムを固定して試料（もしくは試料ステージ）をステップ
移動させるステージ走査方式がとられている。先に述べ
たように、走査型Ｘ線顕微鏡の主要応用分野である半導
体やストレージ分野では、化学状態分析に必要な空間分
解能は１〜０．１μｍあるいはそれ以下である。この空
間分解能を達成するためには、微細Ｘ線マイクロビーム
の形成に加え、試料ステージの走査精度（１ステップあ
たりの送り幅）が重要である。一般的に、ステージの走
査精度に関しては、目標とする空間分解能に比べ１桁高
い精度が要求される。これを先に述べた電子デバイス分
野にあてはめると、ステージ走査に要求される精度は、
０．１μｍ〜１０ｎｍあるいはそれ以下と、非常に高い
走査精度が要求される。現在開発されている走査型Ｘ線
顕微鏡では、試料面上でのマイクロビーム走査に単一の
ステージが用いられている。しかし、ステージガイドの
機械的精度のため、単一のステージを用いて、広い走査
範囲でこのように高い走査精度を実現することは極めて
難しい。この結果、従来の走査型Ｘ線顕微鏡では、高空
間分解能での化学状態分析が可能な領域（範囲）は数ｍ
ｍ角に制限されていた。

【０００６】このように狭い分析範囲では、半導体やス
トレージ分野での計測要求に応えることは難しい。現
在、最先端の２５６ＭｂＤＲＡＭを例にとると、パタン
サイズは０．２μｍ、半導体素子１チップの大きさは１
０ｍｍ角以上である。１チップの半導体素子の中で化学
状態を比較しなければならない場合を考えると、少なく
とも１０ｍｍ角以上の範囲にわたり数１０ｎｍの空間分
解能が必要である。さらに、将来的には、外観検査装置
のように、ウエハやディスク全体を非破壊で化学状態分
析したいという要求が高まる傾向にある。これらの要求
に対し、従来の走査型Ｘ線顕微鏡では応えることができ
ない。

【０００７】本発明の目的は、半導体ウエハや磁気ディ
スク等の大きさに相当する広い範囲にわたり、高空間分
解能での化学状態分析を行うことができる走査型Ｘ線顕
微鏡を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、Ｘ線発生手段、Ｘ線を集光し且つ分析すべき試料に
照射する手段（望ましくは、Ｘ線マイクロビームの形成
手段）、Ｘ線照射により試料表面から発生する粒子（光
子、光電子等）のエネルギー分析、検出手段、および必
要に応じて、これら手段を格納する真空容器とその排気
手段とから構成される走査型Ｘ線顕微鏡において、走査
精度の異なる複数のステージから構成される試料ステー
ジと試料ステージの制御手段を設けた。例えば、試料ス
テージを２つのステージで構成する場合、各ステージの
走査精度は２〜３桁の差をもって設計するとよい。

【０００９】

【作用】Ｘ線発生手段からのＸ線は、マイクロビーム形
成手段により試料表面に集光、照射される。ここで、Ｘ
線発生手段としては、電子衝撃型のＸ線源やレーザプラ
ズマＸ線源、あるいはシンクロトロン放射光が考えられ
る。必要に応じて、Ｘ線の分光、単色化手段を、Ｘ線発
生手段とマイクロビーム形成手段との間に設置できるも
のとする。一方、マイクロビーム形成手段としては、ピ
ンホールの他、斜入射反射鏡や多層膜反射鏡等の反射型
光学素子、あるいはゾーンプレート等の回折、干渉型の
光学素子が考えられる。

【００１０】先に述べたように、上記マイクロビーム照
射により試料面上の照射領域から光子や光電子等の粒子
が発生する。この粒子のエネルギーをエネルギー分析、
検出手段を用いて測定することにより、照射微小領域の
化学状態に関する詳細な情報を得ることができる。

【００１１】本発明においては、分析試料は試料ステー
ジ上に設置されている。この試料ステージは、異なる走
査精度を持つ複数のステージから構成されている。たと
えば、粗動ステージ上に微動ステージが設置され、微動
ステージ上に試料が設置される構成が考えられる。この
場合、粗動ステージは、たとえば、パルスモータやサー
ボモータ駆動ステージであり、微動ステージはピエゾ素
子で駆動されるステージでよい。

【００１２】パルスモータやサーボモータで駆動される
ステージは、走査範囲が数１０〜数１００ｍｍと極めて
大きく、走査範囲の全域にわたり１μｍの走査精度を保
障することができる。一方、ピエゾ駆動ステージは走査
範囲は数１００μｍと狭いものの、数ｎｍの高い走査精
度を持っている。従って、粗動ステージ上に微動ステー
ジを設置した構成では、数１０〜数１００ｍｍの走査範
囲で数ｎｍの走査精度を実現できる。これらステージ系
の制御にはステージの制御手段を用いる。具体的には、
各ステージコントローラを計算機を用いて制御すればよ
い。

【００１３】以下に、試料ステージの使用方法を簡単に
説明する。μｍオーダの走査精度でよい場合には、粗動
ステージを用いて試料面上でのマイクロビーム走査を行
う。また、先に述べた半導体チップの分析のように、１
０ｍｍ以上の走査範囲にわたりｎｍオーダの走査精度が
必要な場合には、まず、分析の開始位置近傍まで粗動ス
テージを用いて試料を移動し、粗動ステージ位置を固定
して、微動ステージによりマイクロビーム走査を開始す
る。微動ステージが、その許容走査範囲内で定められた
範囲を走査終了すると、微動ステージを元に戻すと同時
に、粗動ステージを微動ステージの走査範囲に相当する
距離だけ移動する。その後、再び微動ステージの走査を
行う。これらステージ操作を繰り返すことにより、広い
範囲を高精度でマイクロビーム走査できる。以上のステ
ージ操作は制御装置に自動的により行われる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。

【００１５】＜実施例１＞図１に最も簡単な実施例を示
した。Ｘ線発生手段１からのＸ線５を、光学素子３を用
いて試料６上に集光する。Ｘ線５の照射により、試料６
からは光子や光電子等の粒子が発生する。本実施例で
は、この粒子として光電子を想定している。発生した光
電子は、検出器９を用いてその運動エネルギーが測定さ
れ検出される。ここで，検出器９としては、電子レンズ
付きの半球型エネルギー分析器、円筒鏡型エネルギー分
析器、あるいは角度分解用映像型エネルギー分析器等、
光電子のエネルギー測定機能を有するエネルギー分析器
ならば、種類を問わず本発明に使用できる。また、試料
６は光学素子３の光軸（あるいは試料６上に集光される
Ｘ線５の中心軸）に対しほぼ直角に配置されている。こ
のような配置をとることにより、試料６上でのＸ線マイ
クロビームスポットの大きさを最小にすることができ
る。

【００１６】本実施例においては、試料６は微動ステー
ジ７の上に設置され、微動ステージ７は粗動ステージ８
の上に取り付けられている。微動ステージ７は、たとえ
ばピエゾ駆動ステージであり、粗動ステージ８はパルス
モータやサーボモータ駆動ステージでよい。各ステージ
はそれぞれのステージコントローラ１０、１１により駆
動制御され、これらコントローラは制御装置１３（たと
えば計算機）により制御されている。図には示されてい
ないが、それぞれのステージに位置検出のためのフィー
ドバック機構を付加すれば、ステージの走査精度をさら
に向上できる。このフィードバック機構としては、ピエ
ゾ駆動ステージに対してはコイルを用いた差動トランス
型センサや静電容量型センサ、またモータ駆動ステージ
に対しては、ロータリーエンコーダによるモータ回転角
監視機構やレーザ測長システムが考えられる。

【００１７】微動ステージ７と粗動ステージ８を用いた
マイクロビーム走査を、図２（ａ）〜（ｄ）を用いて詳
しく説明する。ここで、（ａ）〜（ｄ）は試料６と微動
ステージ７、粗動ステージ８を真上（Ｘ線５の入射方
向）から見た図である。（ａ）はマイクロビーム走査前
の状態であり、ビームスポットは点Ｏにある。マイクロ
ビームで試料６上の領域Ａ（対角線ＯＰで定義される領
域）を走査する場合を考える。この場合、まず、点Ｏか
ら距離ｘだけ離れた点Ｑに向けマイクロビームで走査す
る。このために、微動ステージ７をＸ軸方向に所望のス
テップ幅（走査精度）で距離ｘだけステップ移動させる
（図２（ｂ））。次に、微動ステージ７を元の位置に戻
し所望のステップ幅だけＹ軸方向に移動させ、再び微動
ステージ７をＸ軸方向に先程と同じステップ移動させ
る。この操作を必要回数繰り返すことにより、マイクロ
ビームスポットを点Ｐに到達させることができる（図２
（ｃ））。この結果、領域Ａをマイクロビームで走査す
ることができる。

【００１８】領域Ａに隣接した領域Ｂを引き続き走査す
る場合は、微動ステージ７を走査前の状態（ａ）に戻す
と同時に、粗動ステージ８をＸ軸方向に距離ｘだけ移動
させ（図２（ｄ））、上に述べたステージ走査（ａ）〜
（ｃ）を繰り返せばよい。

【００１９】以上述べた微動ステージ７と粗動ステージ
８との併用により、試料６上の任意の大きさの領域を高
精度にＸ線マイクロビームで走査できる。なお、本ステ
ージ操作では、必要な走査範囲と走査精度を制御装置１
３に入力すると、制御装置１３において、必要なステー
ジの選択、選択されたステージの走査範囲と走査精度、
および各ステージの走査手順が自動的に設定される。

【００２０】最後に、上記マイクロビーム走査を用いた
高空間分解能化学状態分析を説明する。先に述べたよう
に、Ｘ線マイクロビーム照射により、照射領域から光電
子が放出される。検出器９を用いて特定のエネルギーを
持つ光電子を検出し、この光電子検出信号がコントロー
ラ１２から制御装置１３に出力される。制御装置１３で
は、光電子検出信号を微動ステージ７と粗動ステージ８
の位置、すなわちマイクロビームの照射位置の関数とし
て記憶、処理する。この処理結果を表示装置１４のモニ
タ画面上に表示する。たとえば、モニタ画面上に座標を
設け、マイクロビーム照射位置に対応する位置にピクセ
ルを設定し、光電子検出信号の強度をもとにピクセルの
濃淡もしくは色調を決定し、マイクロビーム照射領域を
ピクセルで表示することにより、試料面の化学状態分布
を表示できる。

【００２１】本実施例によれば、高精度走査が可能な微
動ステージ７と、広範囲走査が可能な粗動ステージ８と
の組み合わせにより、広い範囲わたり高精度にマイクロ
ビーム走査ができる。この結果、ウエハやディスクレベ
ルでの高分解能化学状態分析が可能になる。

【００２２】＜実施例２＞実施例１において、試料ステ
ージの位置を検出するフィードバック機構に触れた。図
３に示した実施例では、このフィードバック機構を粗動
ステージ８に付加した。すなわち、粗動ステージ８に取
り付けられた反射鏡２５でレーザ測長機２２からのレー
ザ光２３を反射させて、粗動ステージ８の位置を検出し
ている。この計測結果はレーザ測長機２２のコントロー
ラ２６から、粗動ステージ８のコントローラ１１に入力
される。コントローラ１１では、この入力信号を受け、
粗動ステージ８の位置補正を行う。本実施例において
は、粗動ステージ８のみのフィードバックを行っている
が、微動ステージ７に対しても同様の制御を行うことが
できる。さらに、実施例１に関連して述べたようなレー
ザ測長機以外のフィードバック機構を用いても、同様の
制御ができる。

【００２３】本実施例では、Ｘ線照射により発生する蛍
光Ｘ線をＸ線検出器２０で観測することにより、試料６
の化学状態分析を行っている。蛍光Ｘ線の検出信号を用
いて化学状態の画像化を行う方法については、実施例１
と本質的に同じである。コントローラ１２から光電子検
出信号のかわりに、コントローラ２１からの蛍光Ｘ線検
出信号を用いればよい。Ｘ線５や蛍光Ｘ線のエネルギー
が高い場合には、空気中でのＸ線の吸収が少ない。この
ような場合には、真空チャンバ１５は必ずしも必要な
く、省略することが可能である。その他の部分に関して
は実施例１と同様である。

【００２４】本実施によれば、試料ステージのフィード
バック機構を付加しているため、より高精度でマイクロ
ビーム走査が可能である。この結果、広い範囲わたりよ
り高い精度で化学状態分析が可能である。

【００２５】＜実施例３＞図４は、透過型Ｘ線顕微鏡の
実施例の一例である。本実施例では、光学素子３を用い
てＸ線５をマイクロビーム化し、試料６に照射してい
る。試料６を透過したＸ線は、Ｘ線検出器３２により検
出される。試料６は微動ステージ３０の上に設置され、
微動ステージ３０は粗動ステージ３１の上に設置されて
いる。実施例１と同じく、制御装置１３に必要項目を入
力することにより、コントローラ３４、３５を介して、
微動ステージ３０および粗動ステージ３１を走査、制御
できる。この方法を用いたマイクロビーム走査による試
料６の化学状態画像化については、実施例１と同様であ
る。

【００２６】本実施例における化学状態の分析方法を以
下に述べる。まず、分析目的とする元素の吸収端よりも
高エネルギー側のＸ線と低エネルギー側のＸ線とを用い
て、それぞれ独立に試料６の透過Ｘ線イメージでの走査
像をとる。これら走査像の取得には、上記微動ステージ
３０および粗動ステージ３１を用いる。次に、両走査像
の差をとることにより、目的とする元素の分布等を観察
することが可能である。さらに、Ｘ線検出器として、エ
ネルギー分散型Ｘ線検出器（ＥＤＸ）のようなエネルギ
ー分析機能を有するＸ線検出器を用いれば、試料６から
発生する蛍光Ｘ線のエネルギー分析ができ、元素種や原
子結合状態等のより精密な分析が可能である。

【００２７】本実施例においても、実施例２と同等の効
果が期待できる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、高精度走査が可能な微
動ステージと、広範囲走査が可能な粗動ステージとを組
み合わせた試料ステージ上に試料を設置することによ
り、Ｘ線マイクロビームで広範囲、高精度で試料面を走
査できる。このマイクロビーム走査を行いながら、試料
から放出される特定のエネルギーを持つ粒子を検出する
ことにより、たとえば、ウエハレベルの大きさの領域全
域にわたり、化学状態を高空間分解能で分析できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【図２】本発明におけるステージ走査の一例を示す図で
ある。

【図３】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【図４】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【符号の説明】

１…Ｘ線発生手段、２…アパーチャ、３…光学素子、４
…位置調整機構、５…Ｘ線、６…試料、７…微動ステー
ジ、８…粗動ステージ、９…検出器、１０、１１、１２
…コントローラ、１３…制御装置、１４…表示装置、２
０…Ｘ線検出器、２１…コントローラ、２２…レーザ測
長機、２３…レーザ光、２４…鏡、２５…反射鏡、２６
…コントローラ、３０…微動ステージ、３１…粗動ステ
ージ、３２…Ｘ線検出器、３３、３４、３５…コントロ
ーラ。

フロントページの続き (72)発明者 山本 健一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｘ線の発生手段、Ｘ線マイクロビームの形
   成手段、Ｘ線マイクロビーム照射により試料表面から発
   生する粒子の検出手段もしくは試料を透過したＸ線マイ
   クロビーム強度の測定手段とから構成され、試料上での
   Ｘ線マイクロビーム走査により試料の化学状態分布を観
   察する走査型Ｘ線顕微鏡において、走査範囲と走査ステ
   ップ幅の異なる複数のステージから構成される試料ステ
   ージと試料ステージの制御手段を設けた走査型Ｘ線顕微
   鏡。
2. 【請求項２】上記試料ステージが，２次元平面内でステ
   ップ移動可能なステージを、２次元平面内で該ステージ
   よりも大きな走査ステップ幅を持つステージ上に設置し
   た試料ステージである請求項１記載の走査型Ｘ線顕微
   鏡。
3. 【請求項３】試料上でのＸ線マイクロビームの走査範囲
   と走査ステップ幅を試料ステージの制御手段へ入力する
   ことにより、上記複数のステージの選択、走査範囲、走
   査ステップ幅が自動的に決定される請求項２記載の走査
   型Ｘ線顕微鏡。
4. 【請求項４】上記粒子が光電子もしくは蛍光Ｘ線である
   請求項１から３記載の走査型Ｘ線顕微鏡。
5. 【請求項５】粒子の検出手段が特定のエネルギーを持つ
   光電子の検出手段である請求項４記載の走査型Ｘ線顕微
   鏡。
6. 【請求項６】異なるエネルギーを持つ複数のＸ線を用い
   て上記透過Ｘ線のビーム強度を測定し、ビーム強度の差
   をとることで試料の分析を行う請求項１から３記載の走
   査型Ｘ線顕微鏡。