DE19540195A1 - Verfahren der Röntgenfluoreszenzmikroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der Rönt­ genfluoreszenzmikroskopie, bei dem die Röntgenstrahlung eines gepulsten Pinchplasmas od. dgl. auf eine hinsichtlich minde­ stens eines Elements zu analysierende Probe fokussiert wird, und bei dem von der Probe emittierte Röntgenfluoreszenzstrah­ lung mittels einer auf die Strahlungswellenlänge des zu un­ tersuchenden Elements der Probe abgestimmte Fresnel-Zonen­ platte od. dgl. röntgenoptischen Abbildungsmitteln auf einen fluoreszenzstrahlungsempfindlichen bildgebenden Detektor ab­ gebildet wird.

Aus der DE-Z: Jahresbericht ILT 1994 ist ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt. Die zu analy­ sierende Probe besteht aus einer Vanadiumfolie, die mit der anregenden Strahlung bestrahlt wird und selbst Fluoreszenz­ strahlung abgibt. Dabei ist Vanadium ein Element höherer Kernladungszahl, deren Fotoabsorptionswirkungsquerschnitt für die Erzeugung von Röntgenfluoreszenzstrahlung noch hinnehmbar groß ist, so daß auch die Fluoreszenzstrahlung entsprechend stark und auswertbar ist. Bei der Analyse von Elementen mit kleineren Kernladungszahlen ergibt sich jedoch eine ver­ gleichsweise geringere Effizienz der Fluoreszenzerzeugung. Dementsprechend ist auch die Fluoreszenzstrahlung schwächer ausgebildet und zum Analysieren weniger geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten so aus­ zubilden, daß der Anregungsprozeß eine hohe Effizienz hat.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die die Probe an­ regende Strahlung eine Wellenlänge aufweist, die dicht unter­ halb einer Absorptionskante des zu untersuchenden Elements liegt.

Bei diesem Verfahren ergibt sich eine hohe Absorption der anregenden Strahlung in der Probe insbesondere durch er­ hebliche Fotoabsorption, verbunden mit einer daraus entste­ henden entsprechend starken Fluoreszenzstrahlung. Die Ein­ dringtiefe der anregenden Strahlung ist wegen der hohen Ab­ sorption vergleichsweise gering, während die die Fluoreszenz darstellenden Fluoreszenzquanten die Probe vergleichsweise ungehindert verlassen können.

Es erfolgt eine wellenlängenselektive Abbildung der Fluoreszenzstrahlung, so daß die örtliche Verteilung der Emitter dieser Strahlung bestimmt werden kann. Je nach Aus­ wahl der röntgenoptischen Abbildungsmittel ergibt sich eine erheblich verbesserte laterale Auflösung, wobei das theoreti­ sche Limit für die Ortsauflösung durch die Leistungsfähigkeit der röntgenoptischen Abbildungsmittel für die jeweilige Strahlungswellenlänge festgelegt wird. Infolgedessen sind auch bei Elementen mit vergleichsweise niedrigen Kernladungs­ zahlen, den sogenannten leichten oder weichen Elementen, Aus­ sagen über die örtliche Verteilung der Elemente auf der Probe mit Ortsauflösungen im Bereich der 10-Nanometerskala möglich. Um eine Aussage über die örtliche Verteilung der Elemente an der Oberfläche der Probe machen zu können, ist kein Abrastern mit einem kollimierten Strahl notwendig, wie es bei bekannten Vorrichtungen teilweise unumgänglich ist.

Es ist zweckmäßig, das Verfahren so durchzuführen, daß als Röntgenstrahlungsquelle laserinduziertes Plasma, ein Syn­ chrotron oder eine Röntgenröhre verwendet wird. Mit fokus­ sierter Laserstrahlung kann im Pulsbetrieb Plasma erzeugt werden, dessen Strahlung im erforderlichen Wellenlängenbe­ reich der Röntgenstrahlung und insbesondere der weichen Rönt­ genstrahlung liegt. Dabei können die spektralen Strahldichten weit über denen herkömmlicher Röntgenröhren liegen. Der Ein­ satz von Röntgenröhren ist jedoch dann vorteilhaft, wenn das die Röhre abschließende vakuumdichte Fenster hohe Transmis­ sionsraten für die gewünschte Röntgenstrahlung zuläßt und Elemente mit Kernladungszahlen Z<10 analysiert werden sollen. Die vorgenannten Röntgenstrahlungsquellen haben den Vorteil lokal verfügbar und ortsveränderlich einsetzbar zu sein. Als Röntgenstrahlungsquelle kann jedoch auch ein Synchrotron ein­ gesetzt werden, das die vorgenannten Vorteile nicht aufweist, bei dem jedoch eine hohe spektrale Strahldichte der Synchro­ tronstrahlung ausgenutzt werden kann, um damit ortsaufgelöste Röntgenfluoreszenzanalysen durchführen zu können.

Das Verfahren muß so durchgeführt werden, daß die von einer Röntgenquelle erzeugte, die zu analysierende Probe an­ regende Strahlung exakt auf den an der Probe zu untersuchen­ den Ortsbereich gelangt. Darüber hinaus muß gewährleistet sein, daß eine ausreichend hohe Bestrahlungsintensität auf der Probe erreicht wird, was insbesondere mit den üblichen kompakten Röntgenquellen, wie laserproduzierten Plasmen und Pinchplasmen, nicht ohne weiteres der Fall ist. Das Verfahren wird daher vorteilhafterweise so durchgeführt, daß die die Probe anregende Strahlung mittels einer Fresnel-Zonenplatte und/oder mittels eines Röntgenspiegel und/oder mittels eines röntgenoptischen Kristalls auf die Probe gestrahlt wird. Mit Hilfe der vorgenannten, als Kondensoren wirkenden Bauteile kann die anregende Strahlung fokussiert werden, und zwar dorthin, wo analysiert werden soll, und in der Bestrahlungs­ intensität, die an der betreffenden Stelle notwendig ist, da­ mit von dort für den Nachweis ausreichend viel Röntgenfluo­ reszenzstrahlung emittiert wird. Die röntgenoptischen Konden­ soren ermöglichen eine effektivere Ausnutzung der aus der Röntgenstrahlungsquelle stammenden Strahlung, von der mit ei­ ner Rastersondenmethode ein Großteil der Strahlung ausgeblen­ det werden müßte, um einen kollimierten Strahl zu erhalten. Die Kondensoren tragen also zu einer verbesserten Emission von Röntgenfluoreszenzstrahlung bei.

Des weiteren kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß die optischen Abbildungsmittel mit einer Gegenstandsweite von der Probe und mit einer Bildweite vom optischen Detektor jeweils der Wellenlänge der abzubildenden Strahlung entspre­ chend angeordnet werden. Unter Berücksichtigung des Abbil­ dungsgesetzes können dann Abbildungen der betreffenden Wel­ lenlänge und damit Abbildungen vorbestimmter Emitter ortsauf­ gelöst scharf dargestellt werden.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß es bei der Analyse von Proben für Elemente mit Kernladungszahlen z<10 eingesetzt wird. Die Effizienz der Anregung ist insbe­ sondere auch bei leichten Elementen gegeben, also bei Elemen­ ten mit Kernladungszahlen Z<10. Das ist besonders vorteil­ haft, weil deren Fotoabsorptionswirkungsquerschnitt für die Erzeugung von Röntgenfluoreszenzstrahlung bei den herkömmli­ cherweise eingesetzten Anregungsenergien vergleichsweise ge­ ring ist. Der Bereich der leichten Elemente (Z<10) ist jedoch von sehr großer Wichtigkeit, weil es bei der Halbleiterent­ wicklung und bei der Prozeßkontrolle während der Halbleiter­ fertigung darauf ankommt, leichte Elemente quantitativ oder in ihrer räumlichen Verteilung zerstörungsfrei vermessen zu können.

Es ist möglich, das Verfahren so durchzuführen, daß die gesamte breitbandige Röntgenemission der Röntgenstrahlungs­ quelle zur Anregung der Probe verwendet wird. Dieses Verfah­ ren ist insoweit am effektivsten einzusetzen, weil die gesam­ te breitbandige Röntgenemission eines gepulsten Plasmas zur Anregung genutzt werden kann, ohne dazu ein wellenlängense­ lektives Element einsetzen zu müssen, das mit Verlusten und einer Einschränkung der Bandbreite behaftet ist.

Das Verfahren kann aber auch so durchgeführt werden, daß die Probe mit schmalbandiger Röntgenstrahlung angeregt wird, die mittels Filterung aus dem gesamten Spektrum der Röntgen­ strahlungsquelle erzeugt wird. Für eine derartige schmalban­ dige Röntgenstrahlung bieten sich Linienstrahlungen insbeson­ dere von Resonanzlinien aus Plasmen an. Eine grobe Filterung des Spektrums mit einer spektralen Auflösung von λ/Δλ<10 ist im allgemeinen ausreichend. Es ergibt sich eine bessere Quan­ tifizierbarkeit des Ergebnisses. Eine Filterung mit röntgen­ optischen Komponenten, wie Fresnel-Zonenplatten, ergibt darü­ ber hinaus eine Beschränkung der Anregung auf kleine räumli­ che Bereiche, um damit bereits im Anregungsverfahren eine im­ manente Ortsauflösung zu haben.

Das Verfahren kann vorteilhaft so durchgeführt werden, daß die anregende Strahlung mit Quantenenergien < 5 keV einge­ setzt wird. Die niederenergetische Strahlung gepulst erzeug­ ter Plasmen wird bei der Anregung der Probe in besonders großem Umfang ausgenutzt, weil die Fotoabsorption mit sehr großen Wirkungsquerschnitten dominiert.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß es zur Bestimmung der Schichtdicke eines Elements in Bezug auf die Eindringtiefe der anregenden Strahlung verwendet wird. Dabei wird davon ausgegangen, daß die insgesamt emittierte Fluores­ zenzstrahlung umso schwächer ist, je dünner die Schichtdicke des Elements ist, so daß aus der Stärke des Fluoreszenzsig­ nals unter Bezug auf die gesamte Eindringtiefe der anregenden Strahlung auf die Dicke der Schicht des zu bestimmenden Ele­ ments rückgeschlossen werden kann.

Die Erfindung wird anhand von Vorrichtungen zur Röntgen­ fluoreszenzmikroskopie erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung für die Röntgenfluoreszenzmikro­ skopie mit einer Fresnel-Zonenplatte als abbilden­ dem System für Fluoreszenzstrahlung,

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung einer Vorrich­ tung zur Analyse in Bezug auf zwei unterschiedli­ che Elemente einer Probe, und

Fig. 3 die Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten ei­ nes bestimmten Elements von der Wellenlänge zur Erläuterung eines speziellen Einsatzes der Vor­ richtung.

Fig. 1 zeigt eine Röntgenstrahlungsquelle 10, die ein Stickstoff-Pinch-Plasma ist. Der Durchmesser des Plasmas be­ trägt ca. 1 mm. Das Plasma gibt Strahlung während einer Emis­ sionszeit von einigen Nanosekunden ab, und zwar mit einer Wellenlänge von ca. 2 nm. Die Photonenenergie der Röntgen­ quelle beträgt etwa 600 eV.

Die anregende Strahlung 11 der Röntgenquelle 10 ist mit einem ellipsoidalen Spiegelkondensor 16 auf eine zu analysie­ rende Probe 12 gestrahlt und auf deren Oberfläche fokussiert. Der Strahlfleck bzw. das Beleuchtungsfeld auf der Probe liegt in der Größenordnung des Durchmessers der Röntgenquelle, also bei ca. 1 mm. Bei dem genutzten Wellenlängenbereich von ca. 2 nm läßt sich eine Energiedichte von ca. 0,5 J/cm² pro Puls der anregenden Strahlung 11 erreichen.

Die Probe 12 ist eine vergleichsweise dünne, struktu­ rierte Folie, die gemäß Fig. 1 unten eine wabenförmige Struk­ tur hat. Von der zu analysierenden Probe 12 wird die anregen­ de Strahlung 11 im wesentlichen absorbiert. Die dabei erfol­ gende Fotoabsorption führt dazu, daß von dem angeregten Be­ reich Röntgenfluoreszenzstrahlung 13 abgegeben wird. Die Fluoreszenzstrahlung ist abhängig von den Stoffen bzw. von den Elementen, die in dem angeregten Bereich vorhanden sind. Daher läßt sich mit Hilfe dieser Fluoreszenzstrahlung die Zu­ sammensetzung der Probe in ihrem angeregten Bereich analysie­ ren. Insbesondere ist es möglich, die Probe 12 auf das Vor­ handensein eines bestimmten Elements oder mehrerer bestimmter Elemente zu untersuchen, denn die Wellenlängen der Röntgen­ fluoreszenzstrahlung der Elemente sind an sich bekannt. Um eine Auflösung der Fluoreszenzstrahlung nach charakteristi­ schen Wellenlängen zu erreichen, wird die Fluoreszenzstrah­ lung 13 mittels spezieller röntgenoptischer Abbildungsmittel spektral selektiert und auf einen bildgebenden Detektor 14 gegeben. Als Abbildungsmittel ist eine Fresnel-Zonenplatte 15 vorhanden. Damit wird die Fluoreszenzstrahlung 13 auf den De­ tektor 14 fokussiert und bildet dort die Struktur der Probe 12 ab. Hierbei wurde vorausgesetzt, daß die Probe 12 aus ei­ nem einzigen, die vorgenannte Struktur aufweisenden Werkstoff besteht.

Um dem Detektor 14 eine auswertbare Abbildung zu vermit­ teln, müssen die röntgenoptischen Abbildungsmittel bzw. muß die Fresnel-Zonenplatte 15 auf die Strahlungswellenlänge des zu untersuchenden Elements der Probe 12 abgestimmt sein. Ins­ besondere muß die Brennweite f auf die Wellenlänge des zu se­ lektierenden Elements der Probe 12 abgestimmt sein, und zwar entsprechend der Beziehung fα1/λ, wobei λ die Wellenlänge der kennzeichnenden Fluoreszenzstrahlung 13 des zu untersuchenden Elements ist. Darüber hinaus muß die räumliche Anordnung zwi­ schen dem Detektor 14, der Fresnel-Zonenplatte 15 und der Probe 12 so sein, daß die Gegenstandsweite g, also der Ab­ stand der Probe 12 von der Fresnel-Zonenplatte 15, und die Bildweite b, also der Abstand der Fresnel-Zonenplatte 15 vom Detektor 14, dem Abbildungsgesetz 1/f(λ) = 1/g(λ) + 1/b(λ) ge­ horcht. Das Abbild, das auf dem röntgenoptischen Detektor 14 angezeigt wird, gibt dann die örtliche Struktur der angereg­ ten Stelle der Probe 12 wieder. Dabei versteht sich, daß nur diejenigen Bereiche abgebildet werden, die mittels der Abbil­ dungsmittel wellenlängenselektiv ausgewählt wurden, woraus die entsprechende ortsaufgelöste Elementanalyse resultiert.

Fig. 2 veranschaulicht, daß die Vorrichtung nicht auf die Analyse eines einzigen Elements beschränkt ist. Wenn die Pro­ be 12 beispielsweise die beiden Elemente A, B aufweist, so enthält die Fluoreszenzstrahlung 13 sowohl Strahlungsanteile des Elements A, als auch des Elements B. Die Elemente A,B sind Emitter von Licht mit den charakteristischen Wellenlän­ gen λ_A bzw. λ_B im Röntgenbereich. Durch wellenlängenselektive Abbildung der Strahlung 13 kann auch in diesem Fall die ört­ liche Verteilung der Emitter bestimmt werden.

In der Probe 12 sind die Elemente A, B durch einen Kreis bzw. durch ein Kreuz gekennzeichnet. Beide Symbole sind in­ einander gezeichnet, um eine beliebige örtliche Verteilung auf der Probe 12 zu symbolisieren. Wenn die beiden Fresnel- Zonenplatten 15 jeweils auf eine der Beziehungen fα1/λ_A und fα1/λ_B und damit auf die Elemente A, B bzw. deren charakteri­ stische Fluoreszenzstrahlung 13 abgestimmt sind, gelingt die wellenlängenselektive Abbildung auf den zugehörigen Detekto­ ren 14, wenn das oben genannte Abbildungsgesetz jeweils für die Gegenstandsweiten g₁, g₂ und b₁, b₂ bezüglich der zugeordne­ ten Fresnel-Zonenplatten 15 erfüllt ist. Die separaten Symbo­ le der beiden Detektoren 14 veranschaulichen Bilder für die Selektion von Röntgenfluoreszenzstrahlungen 13 entsprechend den Wellenlängen λ_A und λ_B. Damit ergeben sich getrennte Dar­ stellungen bzw. Abbildungen der Verteilung der Elemente A, B auf der Oberfläche der Probe 12. Dementsprechend können Mehr- Element-Proben analysiert werden. Die tatsächliche räumliche Verteilung der Elemente in der Probe wird möglich, insbeson­ dere auch bei leichten Elementen. Leichte Elemente, wie Bor, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Fluor und Chlor spielen bei der Halbleiterfertigung und bei der Untersuchung organi­ scher Materialien eine wichtige Rolle.

Die Wirkung der anregenden Strahlung 11 sollte möglichst effizient sein. Es sollte also möglichst wenig anregende Strahlung 11 verlorengehen, beispielsweise indem sie durch die Probe hindurchtritt und nicht absorbiert wird. Es kommt also unter anderem darauf an, die Eindringtiefe der anregen­ den Strahlung auf die Schichtdicke 17 abzustimmen. Bzw. es kommt darauf an, eine anregende Strahlung 11 mit der Wellen­ länge λ_ein auszuwählen, die von der Probe möglichst vollstän­ dig absorbiert wird. Es ist nun so, daß die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung in Festkörper im Submikrometerbereich liegt, wenn weiche Röntgenstrahlung verwendet wird, also Röntgen­ strahlung mit einer Wellenlänge λ < 0,5 nm. Bei Anwendung die­ ser Röntgenstrahlung können auch sehr dünne Proben 12 analy­ siert werden, ohne daß es zu einem wirkungslosen Verlust der anregenden Strahlung kommt.

Von besonderer Bedeutung für die Effizienz des Anre­ gungsvorgangs ist es jedoch, daß der Absorptionskoeffizient der anregenden Strahlung vergleichsweise groß ist. Fig. 3 zeigt einen typischen Verlauf des Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Röntgenstrahlung für ein Element, beispielsweise Sauerstoff. Es zeigt sich eine physi­ kalisch bedingte Absorptionskante bei der Wellenlänge λ_K. Die­ se Absorptionskante bedeutet, daß Röntgenstrahlung mit λ = λ_ein < λ_K besser absorbiert werden kann, als λ = λ_ein < λ_A, wo­ bei A das zu analysierende Element ist, hier beispielsweise Sauerstoff. Dementsprechend wird die Wellenlänge λ_ein der an­ regenden Strahlung in die Nähe der Absorptionskante λ_K gelegt, so daß eine maximale Absorption der anregenden Strahlung er­ folgt. Infolgedessen kann erreicht werden, daß die Absorption der kennzeichnenden Fluoreszenzstrahlung mit der Wellenlänge λ_A kleiner ist, als die Absorption der anregenden Strahlung mit der Wellenlänge λ_ein, wodurch die Fluoreszenzstrahlung die Probe 12 nahezu ohne Verluste verlassen kann. Damit ist es möglich, auch leichte Elemente mit hoher Ortsauflösung zu analysieren. Es ist daher vorteilhaft, die Vorrichtung bei einer Analyse von Proben 12 für Elemente mit Kernladungszah­ len Z<10 einzusetzen.

Oben wurde dargelegt, daß die Eindringtiefe der einfal­ lenden Strahlung die Schichtdicke festlegt, über die Informa­ tionen über die Elementverteilung in der Probe 12 zu erhalten sind. Ist die Eindringtiefe der anregenden Strahlung dicker, als die Dicke des ein zu untersuchendes Element A aufweisende Schicht, so fällt die Fluoreszenzstrahlung 13 um so schwächer aus, je dünner die Schicht des Elements A ist. Infolgedessen ist eine elementselektive Schichtdickenmessung im Bereich der Eindringtiefe der einfallenden Strahlung 11 möglich. Das ist besonders vorteilhaft, wenn sehr dünne Element-Schichten un­ tersucht werden sollen, wie es beispielsweise in der Halblei­ tertechnik der Fall ist, wenn z. B. Dotierungen untersucht werden.

Claims (9)

1. Verfahren der Röntgenfluoreszenzmikroskopie, bei dem die Röntgenstrahlung eines gepulsten Pinchplasmas od. dgl. auf eine hinsichtlich mindestens eines Elements zu ana­ lysierende Probe (12) fokussiert wird, und bei dem von der Probe (12) emittierte Röntgenfluoreszenzstrahlung (13) mittels einer auf die Strahlungswellenlänge des zu untersuchenden Elements (A) der Probe (12) abgestimmte Fresnel-Zonenplatte (15) od. dgl. röntgenoptischen Abbil­ dungsmitteln auf einen fluoreszenzstrahlungsempfindli­ chen bildgebenden Detektor (14) abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die die Probe (12) anregende Strah­ lung (11) eine Wellenlänge aufweist, die dicht unterhalb einer Absorptionskante (λ_K) des zu untersuchenden Ele­ ments (A, B) liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Röntgenstrahlungsquelle (10) laserinduziertes Plas­ ma, ein Synchrotron oder eine Röntgenröhre verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Probe (12) anregende Strahlung (11) mittels einer Fresnel-Zonenplatte und/oder mittels eines Röntgenspiegel und/oder mittels eines röntgenoptischen Kristalls auf die Probe (12) gestrahlt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die röntgenoptischen Ab­ bildungsmittel die Fluoreszenzstrahlung (13) jeweils nur für eine einzige Wellenlänge (λ_A) scharf auf dem Detektor (14) abbilden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es bei der Analyse von Proben (12) für Elemente (A, B) mit Kernladungszahlen Z<10 eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte breitbandige Röntgenemission der Röntgenstrahlungsquelle (10) zur An­ regung der Probe (12) verwendet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (12) mit schmalbandiger Röntgenstrahlung angeregt wird, die mit­ tels Filterung aus dem gesamten Spektrum der Röntgen­ strahlungsquelle (10) erzeugt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anregende Strahlung (11) mit Quantenenergien < 5 keV eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Bestimmung der Schichtdicke eines Elements (A, B) in Bezug auf die Ein­ dringtiefe der anregenden Strahlung (11) verwendet wird.