JP2016502119A - 面内斜入射回折を用いた表面マッピングのための装置、および、方法 - Google Patents

Abstract

結晶試料の表面を検査するための装置は、位置感知検出器を用いて面内斜入射回折を使用する。Ｘ線源は、試料の拡張された領域を照射し、適宜な格子方位を有する結晶部分について、伸張された回折信号が生成される。該回折信号がそれら他の領域に対応するように、試料の相対位置とＸ線ビームは、試料の異なる領域を照射するように変化させることができる。試料前面に渡って走査することによって、試料表面の空間プロファイルが生成される。該システムは、試料表面上での、結晶境界、欠陥、又は減衰物質の存在の場所を定めるために使用される。

Description

本発明は、一般的にはＸ線回折の分野に関連し、より具体的には、面内斜入射回折（ＩＰＧＩＤ）に関する。

波長λのＸ線回折、放射線の分野では、サブナノメートル範囲内においては所与の原子間の間隔ｄを伴った結晶性物質に向けられる。その結晶性物質に対する入射角θがブラッグ公式、λ＝２ｄｓｉｎθを満たすとき、干渉的補強信号（回折信号）は出射角が入射角と等しくなって現れる物質として観察でき、それら両方の角度は目的の原子間の間隔の法線方向に対して測定される。入射放射線と回折信号とによって規定される面は、一般に散乱面と呼ばれる。

ある物質が単結晶からなる場合、特定の長さの原子間の間隔が全て同じ方位を共有しており、このことは、目的の原子間の間隔への入射角がブラッグ公式を満たすようにその物質が正確に配置されていなければならないことを意味する。ある物質が多結晶である場合、すななち、複数の結晶から構成される場合、原子間の間隔は一般的にランダムな方位を有し、このためその物質は回折分析のために正確に配置されている必要はない。

物質表面から放出された回折信号を増強するために、面内斜入射回折（ＩＰＧＩＤ）と呼ばれる幾何学的形状を使用することができる。ＩＰＧＩＤでは、散乱面は、物質表面の面とほぼ一致している。物質表面の面からの散乱面のズレが、「アルファ角」と呼ばれている。入射ビームに関して、この角度は「アルファ入射」（α_I）と呼ばれ、一方、回折信号に関して、この角度は「アルファ終端」（α_F）と呼ばれる。ＩＰＧＩＤの分析に関して、α_Iは、物質の全外部反射角に等しいか又は非常に近くに設定され、これにより強度を顕著に増加させる技法を与える。その角度が典型的に非常に低いとき、それは物質表面上で拡散されたビームとなり、また、点検出器を備えた平行板コリメータは、回折信号の角度からの拡散された低角度入射放射線を分離するために使用される。このような技法は、面内の入射放射線の方向θ_Iが散乱面の仰角α_Iから分離されるように、物質の単結晶または多結晶の領域を測定するために使用することができる。

本発明は、面内斜入射回折を用いた表面マッピングのための改善された、装置、および、方法を提供することにある。

本発明によれば、面内斜入射回折を位置感知型検出器と共に使用して結晶性試料の表面を検査およびマッピングするために方法および装置が提供される。一実施形態では、Ｘ線源が、試料表面に対して斜めに試料に入射し、所定の方位で結晶構造を有する試料の区間から面内斜入射Ｘ線回折信号の生成を引き起こすＸ線ビームを生成するように位置する。Ｘ線ビームは、第１の方向で実質的に試料の長さ全体に延びる試料領域を同時に照明するようなものである。位置感知型Ｘ線検出器は、試料の照明された領域に対応する空間プロファイルを有するＸ線回折信号を受け取るように配置される。すなわち、回折信号は、Ｘ線ビームが入射する試料のエリアからの回折されたＸ線エネルギーを表し、照明された領域にわたるＸ線回折の強さに対応する空間強度分布を有する。次いで、変位機構が使用され、Ｘ線ビームを試料に対して変位させ、それによって照明される試料の領域を変更する。

本発明の位置感知型検出器は、試料表面に対する回折されたＸ線ビームの空間マッピングを可能にする。一実施形態では、検出器は、おおよそ線形のプロファイルを有するＸ線回折信号を検出することが可能である１次元検出器であり、一方、他の実施形態では、検出器は、２次元Ｘ線検出器である。試料の照明された領域は、所定の厚さを有する線に近くなり、これは同様の形状を有する回折信号をもたらす。

Ｘ線ビームと試料との間での相対移動を提供する変位機構は、その上に試料がある可動サポートを含む。試料の移動は、平行移動および／または回転であってもよく、Ｘ線ビームが試料の異なる領域に入射するようにする。本発明による方法では、Ｘ線ビームおよび試料は、互いに複数回変位され、各変位ごとに、回折されたＸ線ビームが検出され、対応する強度情報が回折信号の空間プロファイルに対して記録される。次いで、試料表面の空間プロファイルを構築するために、この強度情報が各変位から組み立てられる。

本発明の一応用例では、試料表面の空間プロファイルを解析し、堆積されている信号減衰材料の存在および場所を識別する。この実施形態の一変形例は、そのような信号減衰材料の相対的な厚さの空間プロファイルの決定を含む。そのような方法は、半導体作製中に使用するためのマスキング剤を含む信号減衰材料が堆積されるシリコンウェハを含む試料を検査することを含む。また、本発明による方法は、試料表面の空間プロファイルを解析し、試料内の粒界の存在および場所を識別することを含む。同様の方法を使用し、試料内に結晶欠陥が存在することを識別する。他の変形例では、試料表面の空間プロファイルの解析を使用し、その中の湾曲を突き止める。

本発明による他の方法は、試料表面の平面内におけるＸ線ビームと試料の相対的な回転方位を変更することを含む。異なる結晶方位を有する領域を有する試料の場合、回転方位のこの変更は、方位変更前に回折条件が存在していなかった試料の領域で回折条件を作り出すために使用することができる。回転方位は、検出器で回折された信号の強度プロファイルを検出している間に繰り返し変更され、変化する強度プロファイルを使用し、試料の異なる領域における結晶方位の空間プロファイルを組み立てる。

本発明によるＸ線回折システムの概略図である。 図１のシステムを使用した試料の検査に由来する強度プロファイルの画像である。 図２Ａのものと同様であるが、検査される試料の表面上に減衰材料が存在することにより信号の１つの領域に強度減衰がある強度プロファイルの画像である。 横方向または回転方向に移動される試料サポートを含む本発明によるシステムの概略図である。 図３に示されているものなどのシステムを使用して試料について得られた強度分布のグラフである。 図３に示されているものなどのシステムを使用して試料について得られた空間強度プロファイルの画像である。 信号減衰材料が認識可能なパターンで堆積されている試料の画像である。 図３に示されているものなどのシステムを使用して図６の試料について得られた空間強度プロファイルの画像である。

図１には、本発明によるＸ線回折システムの概略図が示されている。この実施形態では単結晶である試料材料１０が、結晶構造の格子面に対して角度θ₁を有する入射Ｘ線ビーム１２によって照明される。図では、Ｘ線ビーム１２は、Ｘ線源１１によって放射され、３つの線、すなわちビームの中心を示す濃い実線、および共にビーム幅を示す２本の点線によって表されている。当業者なら、図１が原寸に比例していないこと、およびビームの入射角は、実際には、図内で見えるものよりはるかに小さい（たとえば、約１°）ことをも理解する。Ｘ線ビーム１２は、有限の厚さを有し、本実施形態では、円形の断面形状を有する。しかし、非常に小さい入射角のために、ビームは、図では破線１４によって示されているように材料の長く狭い区間を照明する。

図１に示されている２本の線１６は、図のように原子間間隔ｄによって分離されている結晶の２つの格子面の場所を表す（原寸に比例していない）。また、面内入射放射角θ₁が示されており、散乱平面仰角α₁も同様に示されている。これらの角度は、それぞれやはり図に示されているθ_Fおよびα_Fに等しい。したがって、入射ビームが正しい角度にあるとき、幅広い回折信号が材料から放射され、検出器１８に向かって送られる。入射ビームの場合と同様に、図では、回折信号は、ビーム中心を示す濃い実線、および信号の２つの反対側の極値を示す２本の点線によって表されている。しかし、入射ビームによって示されている領域の細長い形状により、回折信号もまた、細長い形状を有し、検出器１８の表面上で線２０のように見える。すなわち、回折信号は、幅広いプロファイル（２本の点線によって示されている）を有するが、他の方向では狭い。

入射角θ₁、α₁と回折角θ_F、α_Fとの間の関係のため、検出器１８に到達する回折信号２０は、入射ビームがそれに沿って試料材料１０を照明する線１４に対する直接的な空間対応を有する。すなわち、回折信号２０に沿った任意の点での強度は、入射ビームと、線１４に沿った試料の対応する区間との間の相互作用に依存する。入射Ｘ線ビームが結晶と相互作用することが（表面汚染物質によってなど）妨げられる線１４に沿った区間がある場合、その汚染の場所に対応するビームのその部分の強度は、強度が低減されることになる。同様に、（たとえば、結晶欠陥、またはブラッグ条件を満たすように正しく配向されない格子方位を有するクリスタライト区間により）ブラッグの法則を満たす格子構造を有していない結晶材料の領域がある場合、回折信号の強度は、この領域内で低減されることになる。したがって、回折信号２０の空間解析は、不可欠な回折条件を満たさない線１４に沿った材料１０の一部を示すことになる。

図１に示されている回折技法の空間依存性は、結晶の表面上に信号減衰材料２２が存在することによって実証される。この材料２２は、たとえばシリコンウェハ結晶上の汚染物質など、試料表面上に偶然または意図的に堆積されるいくつかの異なる物質のいずれかを表す。この例では、材料２２は、Ｘ線放射を、普通なら下にある結晶に入射するはずのビームの部分から散乱させるようなものである。その結果、検出器１８に到達したとき回折ビームの対応する区間内には、回折された信号エネルギーがほとんどないか又は無い。比較的低い強度のこの区間は、図１に示されている線形ビーム２０の領域２４として示される。この効果は、それぞれ図２Ａおよび図２Ｂに示されている、記録された強度分布でも明らかである。図２Ａに示されている分布は、表面材料による信号減衰がなく、多少のわずかな強度変動を示すが、回折信号内に著しい空間ギャップを示していない。しかし、図２Ｂの分布は、図１に示されているものなどの状況に対応しており、異常（この場合には、堆積された表面材料）が回折された信号の区間を妨害しており、強度の対応する低下を引き起こすことが明らかにわかる。

位置感知型検出器を使用することによって、本発明は、結晶試料材料の表面にわたって結晶欠陥、表面汚染物質、または他の材料異常の場所を突き止めるための方法を提供する。図１の構成では、線１４に従う試料１０の表面に沿った細長い帯に対して、空間相関がなされる。これは、材料のおおよそ線形のセグメントについて回折信号を提供する。すなわち、試料の表面に沿って主に１次元での情報を与える。しかし、Ｘ線ビームを試料にわたって走査することによって、材料表面の２次元の特徴描写を生成することをも可能である。これを行うための１つの構成が図３に示されている。

図３は、横方向ならびに回転方向に移動させることができる（下記でより詳細に論じられている）試料サポート２４上に試料２２が位置する測定システムの概略図である。本実施形態では、サポート２４は、Ｘ線源３０から放射されるＸ線ビーム２８によって照明される試料の細長い区間２６の主方向に対して直交する方向で横方向に徐々に移動される。この例では、試料は、集積回路作製に使用されることになる単結晶シリコンウェハである。ウェハの完全な特徴描写を行うために、試料サポートは、最初に、Ｘ線ビームが試料２２の１つの端部で入射するように位置決めされる。回折された信号が検出器３２によって検出され、線形エネルギープロファイルが記録される。次いで試料サポート２４が徐々に進められ、一方、試料表面に沿った各位置について同様のプロファイルが記録される。このようにして、試料全体のプロファイルが構築される。

図４は、図３のシリコンウェハなど試料についての強度分布のグラフ表現である。この図では、ｘｙ平面は、試料表面がある平面であり、ｘ方向は、Ｘ線ビームによって照明される領域２６の方向であり、ｙ方向は、材料移動の方向である。図の第３の次元は強度を表し、その結果、３次元強度プロファイルが容易に明らかである。

上述など走査の実際の結果が図５に示されており、画像のより明るいエリアは、より高い強度の領域を示す。わかるように、結晶性ウェハの形態が明らかに示されており、いくつかの強度パターンが見える。たとえば、ウェハ画像の中央は、濃い円形であり、これは結晶表面上に薄いアモルファス層が存在することによる。また、画像の左上部分に、右側に比べて相対的に高い強度が示されており、これは入射Ｘ線ビームと結晶格子との間の角度対応に変動を作るウェハのわずかな湾曲による。

図５のようなプロファイルは、たとえば面内結晶方位が試料の肉眼的特徴に対して決定されるように、試料の面内方位を決定するためにも使用される。これは、あるタイプの集積回路作製にとって重要であるシリコンウェハフラットの適正な場所を確認するために特に重要なものである。そのフラットは、ウェハ生産プロセス中にウェハの側部に機械加工され、後続の作製ステップで参照される面内結晶構造の方位に対する指針を提供する。図５では、ウェハフラットは、画像の下部近くに明らかに見え、入射ビームの方向を表す「単一の走査」線が、ウェハフラットに対するその方位を指示するように示されている。

図５に示す例は、単結晶材料に関する方位情報を提供する。しかし、本発明は、複数の方位領域を有する材料のマッピングをも可能にする。結晶作製の分野では、完全な単結晶構造が形成されず、むしろ互いに境界を画し、それぞれが異なる面内方位を有する２つ以上の別個の結晶領域が発達する、ことが起こることがある。そのような場合、関心のある第１の領域の走査中には、他の領域から放射される回折信号の大きさは無視できるものであるはずであり、したがって、画像のこれらのエリア内の強度は、最小限になるはずである。しかし、この後で、それらの領域のもう一方についてブラッグ条件を満たすように試料が再位置決めされ、その領域について関連の方位情報が記録される。次いで、完全な方位マップが作り出されるまで、それらの領域のそれぞれについてこのプロセスが繰り返される。

これなどの方法は、図３に示されているものなどのシステムを利用する。しかし、試料内の異なるクリスタライトすべての検出を可能にするために、各検出後、試料サポートが回転され、試料をＸ線ビームに対して異なる回転方位で再位置決めする。試料は、たとえば、Ｘ線ビームがその幾何学的中心を通過し、３６０°の角度範囲を通じて試料サポートを徐々に回転させることによって試料の完全なプロファイルが得られる状態で位置してもよい。

本発明と共に実施される他のマッピング方法は、物質がどのように単結晶材料の表面上に分布するか決定することを可能にする。図１に関連して上記で論じられているように、結晶の表面上の層は、それによって放射される回折された信号を減衰させることになり、減衰の量は、層の厚さに比例する。したがって、本発明の一実施形態では、結晶材料の走査を使用し、表面層材料の存在および厚さを評価する。

図６には、表面上に認識可能なパターンを有するアモルファス被覆がある単結晶ウェハの写真が示されている。この後で、このウェハは、本発明による位置感知型検出器を使用して面内斜入射回折にかけられた。走査の結果が図７に示されており、画像は反転されている（すなわち、濃い領域がより高い強度のエリアを示す）。この図では、入射Ｘ線ビームのそれぞれの方向、関心のある原子間間隔、および回折された信号が、矢印によって示されている。わかるように、結晶表面上に形成されたパターンが明らかに見える。さらに、領域３６、３８など表面材料の厚さが大きい領域は、回折された信号においてより高い減衰度を示す。フラット３４などウェハの肉眼的特徴もまた容易に明らかであり、図の右下側近くでの強度の低下も同様に明らかであり、ウェハ表面における湾曲を示す。

本発明のマッピング能力は、リソグラフィパターニングで使用されるマスクなど結晶上の表面被覆の特徴描写を可能にする。マスク材料の正確な分布を決定することに加えて、試料表面にわたって材料の厚さを特徴描写するように、減衰度も空間的相対的に決定される。この技法は、半導体作製で使用されることになるマスク材料の適正な用途を確認することに応用される。

本発明の他の実施形態では、試料上に堆積された層が事実上結晶性であり、マッピングの対象である。すなわち、所望のパターンを有する結晶性材料が基板上に堆積されている場合、本発明を使用し、堆積された層の面内斜入射回折解析を実施する。このようにして、得られる画像内で高い強度の領域を生成することになる堆積された材料の分布および相対的な厚さがマッピングされる。

本発明について、その例示的な実施形態を参照して示し述べたが、当業者には、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、形態および詳細の様々な変更が加えられることを理解される。

Claims (22)

1. 面内斜入射回折を用いて結晶試料の表面を検査する装置であって、
   特定方位の結晶構造を有する試料の切片から面内斜入射Ｘ線回折信号の生成をもたらす試料表面に対してある角度で該試料に入射するＸ線ビームを発生するＸ線源であって、該ビームは、第１の方向における前記試料の長さ全体に実質的に延びる試料領域を同時に照射する、該Ｘ線源と、
   前記Ｘ線回折信号を受信する位置感知Ｘ線検出器であって、該Ｘ線回折信号は前記試料の照射される領域に対応する空間プロファイルを有する、該位置感知Ｘ線検出器と、
   前記試料の照射される領域を変化させるように前記Ｘ線ビームと前記試料との相対位置を変化させるための変位機構と
   を備えたことを特徴とする装置。
2. 前記位置感知Ｘ線検出器は、１次元Ｘ線検出器であることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記位置感知Ｘ線検出器は、２次元Ｘ線検出器であることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記試料の照射される領域は、所定の厚さをもつラインを近似することを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記検出器によって検出される前記回折信号は、所定の厚さをもつラインを近似することを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記変位機構は、前記Ｘ線ビームに対する前記試料の横方向位置を変化させるように調整することができる試料支持体を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記変位機構は、前記Ｘ線ビームに対する前記試料の回転位置を変化させるように調整することができる試料支持体を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 結晶試料の表面を検査する方法であって、
   特定方位の結晶構造を有する試料の切片から面内斜入射Ｘ線回折信号の生成をもたらす試料表面に対してある角度で該試料に対してＸ線ビームを向けるステップであって、該ビームは、第１の方向における前記試料の長さ全体に実質的に延びる試料領域を同時に照射する、該ステップと、
   位置感知Ｘ線検出器を用いて前記Ｘ線回折信号を検出するステップであって、該Ｘ線回折信号は前記試料の照射される領域に対応する空間プロファイルを有する、該ステップと、
   前記Ｘ線ビームにより前記試料の照射される領域を変化させるように前記Ｘ線ビームと前記試料とを互いに相対的に変位させるステップと
   を備えたことを特徴とする装置。
9. 前記Ｘ線ビームと前記試料とを互いに相対的に変位させる前記ステップは、前記Ｘ線ビームと前記試料との相対的な横方向位置を変化させるステップを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記Ｘ線ビームと前記試料との相対的な横方向位置を変化させるステップは、前記第１の方向に直交する方向における前記相対的な横方向位置を変化させるステップを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記Ｘ線ビームと前記試料とは複数回互いに相対的に変位され、各変位について前記回折されるＸ線ビームが検出され、対応する強度情報が前記回折信号の前記空間プロファイルに対して記録され、
    前記各変位から前記試料表面の空間プロファイルを構築するように前記強度情報を組立てるステップをさらに備えたことを特徴とする請求項８記載の方法。
12. 堆積された信号減衰物質の存在および位置を識別するために、前記試料表面の前記空間プロファイルを分析するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記信号減衰物質の相対的な厚さの空間プロファイルを決定するために、前記試料表面の前記空間プロファイルを分析するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記試料はシリコンウェアを含み、前記信号減衰物質は半導体製造中に使用されるマスキング剤を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. 前記試料中における結晶粒界の存在を同定するために、前記試料表面の前記空間プロファイルを分析するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１１記載の方法。
16. 前記試料中における結晶欠陥の存在を同定するために、前記試料表面の前記空間プロファイルを分析するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１１記載の方法。
17. その中に曲率を見つけるために、前記試料表面の前記空間プロファイルを分析するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１１記載の方法。
18. 前記Ｘ線ビームと前記試料とを互いに相対的に変位させる前記ステップは、前記Ｘ線ビームと前記試料との相対的な回転位置を変化させるステップを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
19. 回折条件が姿勢変化以前に存在しなかった場合に前記試料の領域内で回折条件を生成するように、前記試料表面の面内において前記Ｘ線ビームと前記試料との相対的な回転位置を変化させるステップをさらに備えたことを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 前記検出器を用いて前記回折信号の強度プロファイルを検出している間、方位変化を繰返すステップをさらに備え、前記強度プロファイルの変化を使用して前記試料の異なる領域内において前記結晶方位のプロファイルを組立てるようにしたことを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 前記位置感知Ｘ線検出器を用いて前記Ｘ線回折信号を検出するステップは、１次元Ｘ線検出器を用いてＸ線回折信号を検出するステップを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
22. 前記位置感知Ｘ線検出器を用いて前記Ｘ線回折信号を検出するステップは、２次元Ｘ線検出器を用いてＸ線回折信号を検出するステップを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。