JP5148945B2 - Ｘ線ビームスポットサイズの制御 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、一般的には、分析装置に関し、特別には、Ｘ線を使用する物質分析の装置と方法に関する。

発明の背景
Ｘ線反射率測定法（ＸＲＲ）は、基板上に堆積した薄膜層の厚さ、密度、および表面品質を測定するための、良く知られている技術である。Ｘ線反射率計は、典型的には、試料を、試料物質の合計外部反射角の近傍において、すれすれの入射角、つまり、試料の表面に対して小さな角度でＸ線ビームを照射することで作動する。検出器アレイを備えるＸ線検出器は、反射されたＸ線を感知する。試料から反射されたＸ線の強度を、角度の関数として測定することにより、干渉縞のパターンが得られ、このパターンを分析することにより、縞パターンの原因となる膜層の特性を決定する。ＸＲＲの例としてのシステムおよび方法は、米国特許第５，６１９，５４８号、第５，９２３，７２０号、第６，５１２，８１４号、第６，６３９，９６８号、および第６，７７１，７３５号に記載されており、その開示は、本明細書に参考文献として組み込まれる。

試料表面に入射するＸ線ビームのスポットサイズと角度的広がりは、ＸＲＲ測定結果の空間的および角度的分解能に影響する。これらの要因を制御するため、例えば、米国特許第６，６３９，９６８号は、Ｘ線ビーム中に介在する動的ナイフエッジとシャッターを開示している。小さな入射角での測定に対しては、ナイフエッジは表面近くまで降下され、入射Ｘ線ビームを区切り、それにより、表面上のスポットの水平方向の寸法を短くする。（本特許出願および請求項において、表面上のビーム軸の投影に平行な表面に沿う方向におけるスポットの寸法は、慣習に従って、水平方向の寸法と称され、一方、ビーム軸に直交する方向における寸法は、横方向の寸法と称される）。動的シャッターが使用される大きな角度での測定に対しては、ナイフエッジは、経路から上昇され、Ｘ線ビームの全強度が使用されるようになる。別の例としては、米国特許第６，７７１，７３５号では、Ｘ線ビームのある部分を阻止するために２つの「ゲート」を使用する。

その開示が、本明細者に参考文献として組み込まれる、米国特許第６，８９５，０７５号は、ＸＲＲを、小角Ｘ線散乱測定法（ＳＡＸＳ）と組み合わせたシステムを記載している。このシステムは、米国特許第６，６３９，９６８号の動的ナイフエッジおよびシャッターを使用して、水平方向におけるビームを横方向の寸法を制限するためのスリットと共に、垂直方向（試料の表面に直交）における入射ビームを制御する。最小スリット幅は、約１００μｍであると言われている。

米国特許出願公開第２００６／００６２３５１号は、その開示は本明細者に参考文献として組み込まれるが、別の多機能Ｘ線分析システムを記載しており、このシステムは、ＸＲＲを、ＳＡＸＳおよびＸ線回折（ＸＲＤ）測定法と組み合わせている。本明細書の図５に示される１つの実施の形態においては、ナイフエッジは、金属ワイヤのような、円筒形の、Ｘ線吸収材質から作られている。この装置においては、試料を傷つける危険性なしで、ナイフの下側エッジを、表面上約３μｍまで試料の表面に接近して設置することができると言われている。ワイヤは、表面と正確に整列させることができ、これにより、典型的には、０°から４°の関心対象の全角度範囲に渡り、その有効高さが均一である表面上に小さな隙間を設けることができる。この例に基づけば、本特許出願と請求項において、「ナイフエッジ」という用語は、ナイフエッジと表面の間にこの隙間を構築し、隙間の外側のＸ線を阻止するために試料の表面近くに設置される任意のタイプの直線状のエッジ（非常に鋭利であることは必ずしも必要でない）のことであることが理解されるであろう。

本発明の実施の形態により、試料の表面上の目標領域における放射線ビームの有効スポットサイズと角度的広がりを制御するための改善された装置と方法が提供される。ここで使用される用語「有効スポットサイズ」とは、試料表面上のスポットサイズのことであり、そこから散乱（反射、または他の方法で）された放射線が検出器により受信される。

ある実施の形態においては、ビーム制御アセンブリは、試料表面に非常に近接して設置できる下側部を有するビームブロッカーを備えている。ビームブロッカーは、前部および後部スリットを含み、これらのスリットは、典型的には、ビームブロッカーの下側部に直交している。ビームブロッカーは、スリットが目標領域の反対側に位置し、目標領域を含むビーム面を画定するように設置される。これらの実施の形態のいくつかにおいては、ビームリミッターがビーム面内に設置され、その面の一部を阻止するようになっている。ビームリミッターは、ビーム面を横切る方向で、典型的には、ビームブロッカーの下側部の下方に突出しているナイフエッジを有している。ビーム制御アセンブリは、上述した、ＸＲＲ、ＸＲＤ、およびＳＡＸＳのような、種々のＸ線検査技術において使用することができる。

典型的なＸＲＲにおいては、例えば、アセンブリは、ビーム面が試料に入射するＸ線ビームと整列し、ナイフエッジが、目標領域に隣接し、試料の表面に、接触することなく平行に位置するように設置される。この構成においては、表面上に形成されたＸ線スポットの横方向の寸法と、ビームの横方向の角度的広がりは、スリットの幅により制限される。スポットの水平方向の寸法は、ナイフエッジにより制限される。（または、ビームブロッカーは、それ自身により、ナイフエッジなしで、および／または、水平方向のスポット寸法を制限する他の手段により、スポットの横方向の寸法を制限するために使用できる）。

スポットサイズはこのように、横方向において、数ミクロン以下の大きさで、非常に小さくすることができる。更に、ビームブロッカーは、十分広くすることができ、ビームブロッカーの下側部は、試料の表面に十分接近して設置でき、それにより、ある最小角を超える角度で、スリットの領域の外部の試料表面に入射するすべてのＸ線は、ビームブロッカーに当り、このようにして、ＸＲＲ検出器に到達することを防止できる。（この最小角未満のＸ線は、「発明の背景」において記述したように、動的シャッターにより別の方法で阻止することもできる）。このように、ビーム制御アセンブリを使用すると、別の方法で達成できるよりも更に精細な空間的および角度的分解能での、試料表面のＸ線分析を容易にする。

他の実施の形態においては、ビームの横方向の広がりは、上述したタイプのビームブロッカーを必ずしも使用しなくても制御される。これらの実施の形態は、本発明者の、Ｘ線のようなエネルギー性放射線を収束させるシステムは、仰角の関数として変化する、試料上の焦点スポットの、横方向のオフセットにより一般的に特徴付けられるという発見に基づいている。このオフセットにより、従来技術において既知であるＸＲＲシステムと同様に、試料がある角度範囲に渡って照射されるときに、スポットサイズの事実上の増加がもたらされる。

この問題を克服するために、本発明のある実施の形態においては、ビームは、連続する、多数の異なる仰角のそれぞれにおいて（または、これらの異なる仰角のそれぞれの近傍における、異なる部分的角度範囲において）、目標領域上に当るように制御される。ビームのそれぞれの、横方向のオフセットは、異なる角度それぞれに対して決定され、横方向の補正が、ビームまたは試料のいずれかに、またはその両者に加えられ、それぞれのオフセットを補償する。このように、異なる仰角において、試料上の照射されるスポット間の重なりを最大にすることにより、スポットの横方向の事実上の広がりが最小化される。

従って、本発明の１つの実施の形態によれば、試料を分析する装置であって、放射線ビームをビーム軸に沿って導き、試料の表面上の目標領域に当てるように構成された放射線源と、試料から散乱された放射線を感知するように構成された検出器アセンブリと、ビーム制御アセンブリであって、試料の表面に隣接する下側部を有し、下側部に直交し、ビーム軸を含み、目標領域を通過するビーム面を画定する前部および後部スリットを含むビームブロッカーを備えるビーム制御アセンブリを備え、前部スリットは、放射線源と目標領域の間に位置し、後部スリットは、目標領域と検出器アセンブリの間に位置する装置が提供される。

開示された実施の形態において、放射線源は、放射線が、試料の表面に対する仰角のある範囲に渡って、目標領域に収束すべくビームを生成するように構成されており、検出器アセンブリは、散乱された放射線を、仰角の関数として分解するように構成されている。典型的には、放射線はＸ線を含み、検出器アセンブリは、目標領域における試料の表面上の薄膜の特性を示す、Ｘ線の反射スペクトルを検出するように構成されている。

典型的には、ビームブロッカーは、前部および後部スリット間に幅を有し、下側部が所定の高さの隙間により、試料の表面から分離されるように位置決めされ、幅と高さは、放射線源から、試料の表面に対して所定の角度より大きい仰角で放射された放射線が、隙間を通過して、検出器アセンブリに当ることを阻止するように選択される。１つの実施の形態においては、幅と高さは、関係式α_min≒２ｈ／Ｗを満たすように選択され、ここにおいてα_minは、所定の角度、ｈは高さ、Ｗは幅である。追加的に、あるいは、代替として、装置は、放射線源と試料の間に位置し、所定の角度未満で放射線源から放射された放射線を阻止するように位置決めされているシャッターを備える。

ある実施の形態においては、ビーム制御アセンブリは、ビーム面を横切る前部および後部スリットの間に位置決めされているビームリミッターを備え、ビームリミッターは、ビームブロッカーの下側部と試料の間で、目標領域内の試料の表面に隣接し、かつ平行に突出するナイフエッジを備え、ナイフエッジは、試料の表面と、ナイフエッジの間に隙間を画定し、隙間を通過しないビームの部分を阻止する。１つの実施の形態においては、目標領域に隣接する、ナイフエッジの下側部は丸められており、隙間は３μｍ以下である。追加的に、あるいは代替として、ビームリミッターは中心部を備え、中心部はビーム面を区切り、ナイフエッジを備え、中心部の外側で試料の表面に隣接し、ナイフエッジから離れるように上方に傾斜している外部エッジを備える。

１つの実施の形態においては、ビームブロッカーは、単一ブロックの物質を備え、この単一ブロックの物質は、そこを通過して形成された縦方向スリットを有し、縦方向スリットは、前部および後部スリットを備える。別の実施の形態においては、ビームブロッカーは、それぞれが前部および後部スリットを含む分離された前部および後部ブロッカーユニットを備える。更に別の実施の形態においては、前部および後部スリットの少なくとも１つは、ビーム面を横切る方向において、非均一な幅の外形を有する。

開示された実施の形態においては、前部および後部スリットは、５０μｍ以下である、ビーム軸を横切る方向の寸法を有し、寸法は、１０μｍ以下であってもよい。

本発明の実施の形態によれば、試料を分析する方法であって、放射線ビームをビーム軸に沿って導き、試料の表面上の目標領域に当てることと、ビーム中にビームブロッカーを介在させ、ビームブロッカーは、ビーム軸を含み、目標領域を通過するビーム面を画定する前部および後部スリットを含み、ビームブロッカーの介在により、ビームブロッカーの下側部が試料の表面に隣接し、放射線ビームが、目標領域に当る前に前部スリットを通過し、ビーム面内の試料から散乱された放射線が、後部スリットを通過するようにすることと、放射線が後部スリットを通過後に、試料から散乱された放射線を感知することを含む方法が提供される。

本発明の実施の形態によれば、試料を分析する装置であって、放射線ビームをビーム軸に沿って導き、試料の表面上の目標領域に当てるように構成された放射線源と、試料から散乱された放射線を感知するように構成された検出器アセンブリと、放射線源と試料の間に介在され、それにより、試料に当るビームの寸法を、ビーム軸を横切る方向において、５０μｍ以下に制限するビーム制御アセンブリを備える装置が更に提供される。

ある実施の形態においては、寸法は、１０μｍ以下である。

本発明の実施の形態によれば、試料を分析する方法であって、放射線ビームをビーム軸に沿って導き、試料の表面上の目標領域に当てることと、ビーム制御アセンブリを適用して、試料に当るビームの寸法を、ビーム軸を横切る方向において、５０μｍ以下に制限することと、試料から散乱された放射線を感知することを含む方法が更に提供される。

本発明の実施の形態によれば、試料を分析する方法であって、放射線ビームを、ビーム軸に沿って、連続する、複数の異なる仰角のそれぞれにおいて、試料の表面上の目標領域上に当てるように導くことと、異なる角度のそれぞれに対して、ビーム軸を横切る方向における、ビームのそれぞれのオフセットを決定することと、異なる仰角のそれぞれにおいて、目標領域上に当てるように放射線ビームを導く間、それぞれのオフセットを補償するために、ビームと試料の少なくとも１つに対して横方向の補正を加えることと、ビームが、横方向の補正を受ける、異なる仰角のそれぞれにおいて目標領域を照射する間に、試料から散乱された放射線を感知することを含む方法が更に提供される。

開示された実施の形態においては、ビームを導くことは、放射線を導いて、連続する、異なる仰角のそれぞれの近傍における角度範囲のそれぞれに渡って、目標領域上に収束させることを含み、放射線を感知することは、散乱放射線を、それぞれの範囲内の仰角の関数として分解することを含む。典型的には、放射線はＸ線を含み、散乱放射線を分解することは、目標領域における試料の表面上の薄膜の特性を示す、Ｘ線の反射スペクトルを検出することを含む。

ある実施の形態においては、ビームを導くことは、ビームリミッターを、放射線源と試料の間に位置決めすることと、ビームリミッターを調整して、連続する、異なる仰角のそれぞれにおいて放射線を通過させ、一方、別の仰角で放射線源から放射された放射線は阻止することを含む。１つの実施の形態においては、ビームリミッターを位置決めすることは、各所定の仰角に対して、シャッターを位置決めして、所定仰角未満の仰角のいずれかで、放射線源から放射された放射線を阻止することと、ビームクリッパーを位置決めして、所定仰角を超える仰角のいずれかで、放射線源から放射された放射線を阻止することを含む。

典型的には、ビームは、目標領域内のそれぞれのスポット上に、異なる仰角で当り、横方向の補正を加えることは、それぞれのスポットの相互の重なりが最大になるように横方向の補正を選択することを含む。開示された実施の形態においては、スポットは、ビーム軸を横切る方向において、５０μｍ以下の寸法を有する。

典型的には、横方向の補正を加えることは、ビームと試料の少なくとも１つを、試料の表面に平行な方向にずらすことを含む。

本発明の実施の形態によれば、試料を分析する装置であって、放射線ビームを、仰角のある範囲に渡って、試料の表面上の目標領域に向けて導くように構成された放射線源と、試料から散乱された放射線を感知するように構成された検出器アセンブリと、ビームを制御して、放射線が、範囲内で、連続する複数の異なる仰角のそれぞれにおいて、ビーム軸に沿う目標領域上に当るように構成されたビームリミッターと、ビームと試料の少なくとも１つを、ビーム軸を横切る方向にずらすように構成された可動アセンブリと、異なる仰角のそれぞれにおける、ビーム軸を横切る方向のビームのそれぞれのオフセットを記録し、可動アセンブリを、ビームが異なる仰角のそれぞれにおいて、目標領域を照射する間、それぞれのオフセットを補償するために、横方向の補正をビームと試料の少なくとも１つに加えるように制御するために結合されたプロセッサを備える装置もまた提供される。

本発明の実施の形態によれば、試料を分析する方法であって、放射線ビームを、ビーム軸に沿って、複数の異なる仰角のそれぞれにおいて、試料の表面上の目標領域上に当てるように導くことと、異なる角度のそれぞれに対して、ビーム軸を横切る方向における、ビームのそれぞれのオフセットを決定することと、連続する、異なる仰角のそれぞれにおいて、試料から散乱された放射線を感知することと、異なる仰角のそれぞれにおいて放射線を感知する間、異なる仰角のそれぞれにおける、それぞれのオフセットを補償するために、ビームと試料の少なくとも１つに対して横方向の補正を加えることを含む方法が追加的に提供される。

本発明は、図と共に、下記の実施の形態の詳細な記述により更に完全に理解されるであろう。

図１は、本発明の実施の形態による、半導体ウェーハー２２のような試料のＸ線反射率測定法（ＸＲＲ）用システム２０の模式図である。システム２０は、例えば、半導体製造設備において、プロセスの欠陥を特定し、ウェーハー製造プロセスの異なる段階でのプロセスパラメータの推定に使用できる。試料２２は、可動ステージ２４のような搭載アセンブリに搭載され、試料の位置および向きの正確な調整が可能になる。Ｘ線源２６は、試料２２上の目標領域２８を、Ｘ線の収束ビーム２７で照射する。試料から散乱された発散ビーム２９におけるＸ線は、典型的には、検出器アレイを備える検出器アセンブリ３０により集光される。この構成において使用できるＸ線源と検出器アセンブリの詳細は、「発明の背景」で引用した文献に説明されている。

ＸＲＲ測定においては、収束ビーム２７は、より広い、または狭い範囲も可能であるが、典型的には、約０°から４．５°の入射角の範囲に渡って、すれすれの角度で領域２８に当る。この構成においては、検出器アセンブリ３０は、約０°と少なくとも２°、典型的には、最大３°の間の仰角（φ）の関数として、垂直方向における角度の範囲に渡って発散ビーム２９を集光する。この範囲には、合計外部反射に対する試料の臨界角Φ_c未満およびそれを超える角度が含まれる。（明確に例示するために、図に示されている角度範囲は、Ｘ線源２６および検出器アセンブリ３０の、試料２２の面からの仰角のように誇張されている。利便性と明確性のため、この図および後述の説明においては、試料面は、任意のＸ−Ｙ面であり、ここでＹ軸は、試料表面上のＸ線ビームの軸の投影に平行である。Ｚ軸は、垂直方向であり、試料面に直交している）。

動的ビーム制御アセンブリ３６と、シャッターアセンブリ３８は、Ｘ線の入射ビーム２７の角度的広がりを、垂直（Ｚ）および水平（Ｘ）方向において制限するために使用される。ビーム制御アセンブリは、後続の図を参照して詳細に説明されるナイフエッジユニット３９を備えている。試料表面に対する、ナイフエッジユニットとシャッターの高さは、行われている測定のタイプと、関心対象の測定角度の範囲に従って調整可能である。

信号プロセッサ４０は、検出器アセンブリ３０の出力を受信して分析し、試料２２から散乱されたＸ線光子束の分布４２を、所与のエネルギーにおける、またはあるエネルギー範囲に渡る角度の関数として決定する。典型的には、試料２２は、１枚、または２枚以上の、薄膜のような、薄い表面層を領域２８において有しており、角度の関数としての分布４２は、外部層および層間の境界面による干渉効果に特徴的な構造を提示する。プロセッサ４０は、角度分布の特徴を分析して、試料の１枚または２枚以上の表面層の特徴を決定し、また、システムコントローラとしても機能し、他のシステム構成要素の位置と構成を設定、および調整する。

パターン化された半導体ウェーハー上の薄膜層のテストのような、あるＸＲＲの適用においては、目標領域２８におけるＸ線ビームのスポットサイズを、少なくとも横方向（Ｘ）の寸法において、約１から１０μｍ程度に、非常に小さくすることは望ましい。この大きさの焦点スポットであれば、可動ステージ２４の適切な位置決めと共に、入射Ｘ線ビームの目標領域を、Ｙ軸に沿って整列されたダイ間のスクライブ線のような、ウェーハーの均一領域に重ねることができる。この場合の「均一」とは、ウェーハーの表面層およびその下にある薄膜のそれぞれが、焦点スポットの領域全体に渡って均一であることを意味する。この条件下では、非均一性によるブレ効果が減少されるので、分布４２の角度に関しての分解能は向上する。試料表面における空間的分解能もまた、当然、増加する。これらの改善は、下記に記載されるビーム制御アセンブリ３６の新規設計により達成される。

図２Ａと２Ｂは、本発明の実施の形態による、ナイフエッジユニット３９の詳細を示している。図２Ａは、底面図（ウェーハー２２の表面から見た図）であり、図２Ｂは、側面図である。ユニット３９は、ビームリミッター５４が収まっている、縦方向スリット５３を有するビームブロッカー５２を備えている。ビームリミッターはこのように、スリット５３を、まとめて単にスリット５３と称されているが、前部スリット５３ａと後部スリット５３ｂに分割している。ビームブロッカーとビームリミッターは共に、金属または他のＸ線吸収材料から構成されている。例えば、ビームブロッカーとビームリミッターは、ニッケルを添付した、タングステン−炭素から構成できる。

典型的には、ビームリミッターの位置（および、特に高さ）は、ビームブロッカーに対して調整可能である。または、ビームブロッカーとビームリミッターは、明確にするために、分離したユニットとして示され、記載されているが、両者は、単一の材料から統合して製作することもできる。更に、代替として、あるいは追加的に、ビームブロッカー５２は、固体単一ブロック物質として図には示されているが、ここで記載され、請求項で引用される構造的および機能的特徴を達成するために、他の構成モードを使用することもできる。例としての代替の実施の形態は、図３Ａ−３Ｃと、図４Ａ−４Ｂを参照して、下記に記載される。

ビームブロッカー５２は、面を画定する下側部５０を有しており、ウェーハー２２の表面に近接し、表面上方、わずかな距離に位置している。下側部は、図では、平坦かつ単一で、ウェーハー表面に平行な表面を備えるように示されているが、これとは別に、凹部または他の表面の変形を有してもよい。ある実施の形態においては、ビームブロッカーの下側部は、「仮想表面」、つまり、ウェーハー表面に近接しているビームブロッカーの機能により画定される空間において面を画定できる。図３Ａ−３Ｃ、図４Ａと４Ｂの代替の実施の形態は、この種類の下側部を有している。

図２Ｂで、ｈで示されている、下側部５０とウェーハー表面２２の間の距離は、約１０μｍのレベルであってよいが、適用条件によっては、それより長い、または短い距離を使用することもできる。図２ＢでＷと記されている、軸（Ｙ）方向におけるビームブロッカー５２の幅は、典型的には、ｈよりも遥かに大きい。スリット５３はビーム面を画定し、ビーム面は、Ｙ−Ｚ面において入射Ｘ線ビームと整列し、このようにして、目標領域２８を通過する。スリットは、典型的には、５０μｍ程度の幅であるが、横方向（Ｘ）方向において、ビームの広がりを制限するために、所望する幅に狭めることもできる（これは技術的に可能である）。例えば、スリットの横方向の寸法は、それにより試料２２上のＸ線スポットの、横方向の寸法を制限するために、１０μｍ以下であってもよい。ビームブロッカー５２は、前部スリット５３ａが放射線源２６と目標領域２８の間に位置するように位置決めされるが、後部スリット５３ｂは、目標領域と検出器アレイ３２の間に位置する。このように、光線５６のような、スリット内のＹ−Ｚ面におけるＸ線は、仰角の全範囲に渡ってスリット５３ａを通過し、ビームリミッター５４の下のウェーハー２２の表面で反射され、スリット５３ｂから出射して、検出器アレイ３２に当る。

スリット５３の外側のＸ線は、ビームブロッカー５２の前部により阻止されるか、または、ビームブロッカーの下側部と、ウェーハー表面の間の隙間を通過する。光線５８のような、ある最小角α_minよりも大きな仰角でウェーハー表面に当る後者の光線は、ウェーハーで反射して、ビームブロッカー５２の下側部に当り、そこで吸収される。所与のＷとｈに対して、α_min≒２ｈ／Ｗであることが分かる。α_min未満の角度で入射する光線は、シャッター３８の適切な設定により阻止される。典型的なＸＲＲ構成においては、α_minは、ウェーハー２２の臨界角Φ_cよりわずかに小さな角度に設定でき、つまり、α_min＝０．２°である。これらの条件においては、ｈ＝１０μｍでは、幅Ｗ≧５．７３ｍｍのビームブロッカーは、α_minを超える光線を実質的にすべて阻止する。

または、α_minは適用条件により、変更してもよい。例えば、ブロッカー５２は、小角度での測定に影響を与えない、ウェーハー２２上方、更に高い場所に設置してもよい。表面層からのＸＲＲ信号は、そのような小角度の場合はいずれも強度が強くなる傾向があるので、所望の測定領域外の領域（スクライブ線に沿って測定している場合の、スクライブ線から離れた領域など）からの信号に混入する背景雑音の影響は無視できる。スリット５３は、背景雑音の影響がより問題である、より大きな角度において、依然としてビームを制限している。

ビームリミッター５４は、スリット５３を横切る平面においてユニット３９により保持され、少なくともスリットの下側部を阻止する。ビームリミッターは、ビームブロッカー５２の下側部の下から一般的に突出しているナイフエッジ６０を有している。または、ある適用においては、ビームリミッターを引っ込めて、ナイフエッジがビームブロッカーの下側部の上方になるようにしてもよい。ウェーハー２２表面上のＸ線スポットの、水平方向（Ｙ）の寸法を最小にするために、ナイフエッジ６０を、例えば、表面から１から３μｍの範囲で、ウェーハー表面に近接して設置することもできる。ウェーハーへの損傷の可能性を削減し、関心対象の角度範囲の全体に渡って均一であるウェーハー上のナイフエッジの有効高さを維持するために、上記の米国特許出願公開第２００６／００６２３５１号に記載されているように、エッジ６０を丸めることもできる。例えば、エッジ６０は、適切な径のタンタル線を備えてもよい。または、エッジ６０は、他の任意の適切なプロセスにより製作してもよく、他の任意の材料（上述したタングステン／炭素／ニッケル材料のような）を備えてもよく、また、従来技術において知れている他の任意の適切な形状を有してもよい。

ここで図３Ａ−３Ｃを参照すると、本発明の別の実施の形態による、ビーム制御アセンブリ７０が模式的に示されている。アセンブリ７０は、図１のシステムにおけるビーム制御アセンブリ３９の代わりに使用できる。図３Ａは、アセンブリ７０の底面図（ウェーハー２２からＺ軸に沿って上方を見た場合）であり、図３Ｂと３Ｃは、図３Ａの線ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢとＩＩＩＣ−ＩＩＩＣそれぞれに沿う断面図である。

アセンブリ７０の作動原理は、アセンブリ３９と類似しており、種々の図において、類似の要素には、同じ番号を付けてある。しかし、アセンブリ７０においては、前部および後部ブロッカーユニット７２と７４が、ビームブロッカー５２と置き換えられている。ブロッカーユニットは、スリット５３ａと５３ｂの役割を果たす、前部および後部スリット７６と７８をそれぞれ有している。典型的には、ブロッカーユニット７２と７４は整列され、一緒に取り付け台に保持され、取り付け台は、ユニットをウェーハー２２に関して上下に移動する。この場合は、２つのブロッカーユニットの下側エッジが、ビームブロッカーの下側部を構成しており、ウェーハー上の高さｈにおいて位置決めされる表面を画定している。または、この２つのブロッカーユニットは、個別に調整可能であってもよい。

ビームリミッター８０は、スリット７６と７８の面を横切るブロッカーユニット７２と７４の間に位置決めされ、この面における放射線の少なくとも一部を阻止する。典型的には、ビームリミッターのエッジ６０は、ブロッカーユニットの下側エッジにより画定された下側表面の下方の、ウェーハー２２の表面に非常に近接して位置決めされる。または、ビームリミッター８０は、より高い位置に引き上げてもよい。

図３Ｃに示すように、ビームリミッター８０は、スリット７６と７８よりかなり広くてもよい。この種の広いビームリミッターは、ビームブロッカーユニットの下方で散乱し、検出器アレイ３２に当る迷走放射線量を削減するのに有効である。一方、広いビームリミッターは、特に、ウェーハー表面が完全には平坦でないことにより、ウェーハー表面に平行、かつ非常に近接してエッジ６０を位置決めするときに困難をもたらす。そのような困難を改善するために、図に示すように、エッジ６０を、ビームリミッター８０の中心部分にのみ形成し、外部エッジ８２をわずかに上方に傾斜させてもよい。視覚的に明確にするために、外部エッジ８２は、図３Ｃにおいては、エッジ６０に対して鋭角的に傾斜させているが、実際は、外部エッジは、０．１°から１°程度の、もっと小さな角度で上方に傾斜している。

図４Ａと４Ｂは、本発明の更に別の実施の形態による、ビーム制御アセンブリ９０を模式的に示している。アセンブリ９０は、図１のシステムにおけるアセンブリ３９の代わりに使用でき、類似の特徴的部分は、ここでも同じ番号を付けてある。図４Ａは、アセンブリ９０の底面図であり、図４Ｂは、側面図である。

アセンブリ９０は、そこを貫通しているスリット９４を有するビームブロッカー９２を備えている。ビームブロッカー３９と同様に、スリット９４は、ビームリミッター５４により、前部および後部スリット９４ａと９４ｂに分割されている。スリット９４ａと９４ｂは、図４Ａに示すようにＸ方向において均一でない幅の外形を有しており、ビームブロッカーの前部および後部表面において、相対的に広い外端部を有し、中央においては狭いウェスト部を有している。この例において、スリットの外形は三角形であるが、他の均一でない外形もまた同様に使用できる。収束ビーム２７は、Ｘ方向に収束するので（図１におけるＺ方向の収束と共に）、三角形のスリットは、目標領域２８に入射し、検出器アレイ３２上で反射するビームのパワー量を増大するためには有効である。

図４Ｂに示すように、ビームブロッカー９２の下側部は平坦ではなく、ウェーハー２２の表面との位置合わせに都合がいいように凹んでいる。ウェーハー表面上の高さｈにおける下側表面は、この場合は、前部および後部下側エッジ９６と９８により画定される。ビームブロッカー９２の形状（上記に示した、他のビームブロッカーおよびビームリミッターの形状と同様）は、例としてのみ示しているだけであり、類似の効果を得るために使用できる他の形状は、この技術に精通した者には明白であり、本発明の範囲に含まれるものとする。

図５は、本発明の実施の形態のよる、仰角の関数としての、ビームオフセットのプロット図である。このプロット図を描くために、放射線源２６（図１）からのビームがテスト表面に照射され、検出器アセンブリ３０により、反射ビームの強度が、仰角の関数として測定された。検出器アセンブリ３２の各要素から出力される信号の強度は、入射ビームを横切るＸ方向において、垂直ナイフエッジ（図示せず）がゆっくりと動くときに、モニターされた。ある検出器要素からの信号が、その元々の強度の半分に落ちる場所のナイフエッジのＸ座標を、対応する仰角に対する入射ビームの中心とした。このように、プロセッサ４０は、異なる仰角に対して、ビーム２７により、目標領域２８において形成されたスポットの中心の横方向（Ｘ方向）のオフセットを決定できる。

Ｘ線源２６が光学的に完全であるとすると、ビームの中心は、仰角に無関係に同一のＸ座標を有することになる。しかし、ビームの中心は、仰角が０°から４°に増加するときに、合計で約２５μｍシフトすることが図５から分かる。このシフトは、目標領域２８上へビーム２７を集光するために使用されるＸ線機器における収差によることは明らかである。（しかし、下記に記述するシフトを補正する方法は、シフトの原因如何に拘わらず使用できる）。このシフトは、制御できなければ、目標領域２８上のスポットをシフトの合計分だけ、事実上、広げてしまう。つまり、単一の仰角における焦点スポットの横方向のサイズが４０から５０μｍの場合、０°と４°の間の角度範囲に渡る、実際のスポットサイズは、約６５から７５μｍとなる。これにより、システム２０の検出分解能は低下する。

図６Ａ−６Ｃは、この問題を解決するために使用できる、本発明の実施の形態による、ビームリミッターと、可動制御アセンブリの要素の模式側面図である。この実施の形態におけるビームリミッターは、シャッター１００とビームクリッパー１０２を備えており、それらは、上述したシャッターと、構成と動作が類似していてもよい。または、他のタイプのビーム制限装置を使用して、このビームリミッターの目的を達成しすることもでき、これは、この技術に精通した者には明白であろう。

図６Ａ−６Ｃのそれぞれにおいて、シャッター１００とクリッパー１０２は、ビーム２７内の仰角の異なる範囲に渡る放射線を容認するように調整されており、一方では、範囲外の角度における放射線を阻止する。このように、例えば、図６Ａは、０°から１°の範囲における放射線が、目標領域２８に当ることが可能な調整構成を示しており、一方、図６Ｂと図６Ｃの調整構成は、それぞれ１°から２°、および２°から３°の範囲の放射線が当ることを可能にする。（視覚的に明確にするために、これらの図においては、角度は誇張されている）。または、ビームリミッターは、上記の範囲より大きい、または小さい範囲である、より少ない、またはより多くの異なる範囲に渡る放射線を容認するように調整可能である。

プロセッサ４０（図１）は、ビームリミッターを、連続する、異なる仰角で進める。各範囲に対して、プロセッサは、対応するビーム軸の仰角に関連する、横方向ビームオフセットの値を決定する。これらのオフセット値は、典型的には、図５を参照して上述したような較正手順を使用して、前もって表にまとめられている。プロセッサは、例えば、各範囲の中心において測定されたオフセット値を使用することもでき、または各範囲に渡ってのオフセット値の平均値を使用することもできる。そして、並進ステージのような可動アセンブリを駆動して、横方向の補正を、ウェーハー２２の位置に対して行い、それによりオフセットが正確に補償される。つまり、例えば、図５に示す較正データを参照すると、図６Ａの０から１°の範囲のＸＲＲ測定に対しては、プロセッサは、ステージ２４を駆動して、ゼロ基準位置に対して、Ｘ方向に−５μｍシフトする。そして、図６Ｂの１から２°の範囲の測定に対しては、ゼロ基準位置に対して、ステージを＋３μｍ駆動し、以降これを続ける。または、可動アセンブリは、ウェーハー２２をシフトする代わりに、あるいはそれに追加して、オフセットを補償するためにＸ線源をシフトしてもよい。

この較正および補正手順の結果として、異なる仰角において、ビーム２７より形成された目標領域２８のスポットの相互の重なりが最大化される。従って、事実上の横方向のスポットサイズは、仰角に依存する収差なしに、Ｘ線機器の集光限度に近い値に制限される。

または、他の手段を使用して、反射放射線が感知される範囲に渡る、仰角の範囲を制限できる。例えば、１つの実施の形態（図示せず）において、ビームリミッターは、図に示すように、ビーム２７ではなく、ビーム２９を、角度の所望範囲に制限するように位置が決められる。更に別の例として、仰角の範囲は、横方向の補正を適切に調整しながら、検出器アレイ２２の異なる要素、または要素のグループを連続して選択することにより制限することもできる。

システム２０の特徴を、ＸＲＲを具体的に参照して記載したが、本発明の原理、特別には、上記に示したビーム制御アセンブリの原理は、ＳＡＸＳおよびＸＲＤのような、Ｘ線分析の他の領域にも同様に適用できる。更に、これらの原理は、Ｘ線分野に制限されることなく、ある角度で試料に当る粒子ビーム照射と同様に、ガンマ放射線のような他の波長範囲における電磁放射線を使用する分析にも適用できる。従って、上述した実施の形態は、例として引用したものであり、本発明は、上記に特別に示し、記載したものに制限されないことは理解されよう。また、本発明の範囲は、この技術に精通した者には上記の説明を読むことにより発想可能であり、従来技術には開示されていない変形および修正と同様に、上記に記載した種々の特徴の組み合わせおよび部分的組み合わせも含む。

図１は、本発明の実施の形態による、ＸＲＲ用システムの模式側面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態による、ビーム制御アセンブリの、それぞれ模式底面図および側面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態による、ビーム制御アセンブリの、それぞれ模式底面図および側面図である。 図３Ａは、本発明の別の実施の形態による、ビーム制御アセンブリの模式底面図である。 図３Ｂは、図３Ａにおいて、それぞれ、線ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢとＩＩＩＣ−ＩＩＩＣに沿う、図３Ａのビーム制御アセンブリの模式断面図である。 図３Ｃは、図３Ａにおいて、それぞれ、線ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢとＩＩＩＣ−ＩＩＩＣに沿う、図３Ａのビーム制御アセンブリの模式断面図である。 図４Ａは、本発明の更に別の実施の形態による、ビーム制御アセンブリの、それぞれ、模式底面図および側面図である。 図４Ｂは、本発明の更に別の実施の形態による、ビーム制御アセンブリの、それぞれ、模式底面図および側面図である。 図５は、仰角の関数としての、横方向のビームオフセットの模式プロット図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態による、３つの異なる角度設定における、ビームリミッターの模式側面図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態による、３つの異なる角度設定における、ビームリミッターの模式側面図である。 図６Ｃは、本発明の実施の形態による、３つの異なる角度設定における、ビームリミッターの模式側面図である。

Claims (26)

1. 試料を分析する装置であって、
   放射線ビームをビーム軸に沿って導き、前記試料の表面上の目標領域に当てるように構成された放射線源と、
   前記試料から散乱された前記放射線を感知するように構成された検出器アセンブリと、
   前記試料の前記表面に隣接する下側部を有し、前記下側部に直交し、前記ビーム軸を含み、前記目標領域を通過するビーム面を画定する前部および後部スリットを含むビームブロッカーを備えるビーム制御アセンブリと、を備え、前記前部スリットは、前記放射線源と前記目標領域の間に位置し、前記後部スリットは、前記目標領域と前記検出器アセンブリの間に位置し、
   前記ビームブロッカーは、前記前部および後部スリット間に幅を有し、前記下側部が所定の高さの隙間により、前記試料の前記表面から分離されるように位置決めされ、前記幅と高さは、前記放射線源から、前記試料の前記表面に対して所定の角度より大きい仰角で放射された前記放射線が、前記隙間を通過して、前記検出器アセンブリに当ることを阻止するように選択され、
   前記幅と高さは、関係式α _min ≒２ｈ／Ｗを満たすように選択され、ここにおいてα _min は、前記所定の角度、ｈは前記高さ、Ｗは前記幅であることを特徴とする装置。
2. 前記放射線源は、前記放射線が、前記試料の前記表面に対する仰角のある範囲に渡って、前記目標領域に収束すべく前記ビームを生成するように構成されており、前記検出器アセンブリは、前記散乱された放射線を、仰角の関数として分解するように構成されている請求項１に記載の装置。
3. 前記放射線はＸ線を含み、前記検出器アセンブリは、前記目標領域における前記試料の前記表面上の薄膜の特性を示す、前記Ｘ線の反射スペクトルを検出するように構成されている請求項２に記載の装置。
4. 前記放射線源と前記試料の間に位置し、前記所定の角度未満で前記放射線源から放射された前記放射線を阻止するように位置決めされているシャッターを備える請求項１に記載の装置。
5. 前記ビーム制御アセンブリは、前記ビーム面を横切る前記前部および後部スリットの間に位置決めされているビームリミッターを備え、前記ビームリミッターは、前記ビームブロッカーの前記下側部と前記試料の間で、目標領域内の前記試料の前記表面に隣接し、かつ平行に突出するナイフエッジを備え、前記ナイフエッジは、前記試料の前記表面と、前記ナイフエッジの間に隙間を画定し、前記隙間を通過しない前記ビームの部分を阻止する請求項１に記載の装置。
6. 前記目標領域に隣接する、前記ナイフエッジの下側部は丸められている請求項５に記載の装置。
7. 前記隙間は３μｍ以下である請求項５に記載の装置。
8. 前記ビームリミッターは中心部を備え、前記中心部は前記ビーム面を区切り、前記ナイフエッジを備え、前記中心部の外側で前記試料の表面に隣接し、前記ナイフエッジから離れるように上方に傾斜している外部エッジを備える請求項５に記載の装置。
9. 前記ビームブロッカーは、単一ブロックの物質を備え、前記単一ブロックは、そこを通過して形成された縦方向スリットを有し、前記縦方向スリットは、前記前部および後部スリットを備える請求項１に記載の装置。
10. 前記ビームブロッカーは、それぞれが前記前部および後部スリットを含む分離された前部および後部ブロッカーユニットを備える請求項１に記載の装置。
11. 前記前部および後部スリットの少なくとも１つは、前記ビーム面を横切る方向において、非均一な幅の外形を有する請求項１に記載の装置。
12. 前記前部および後部スリットは、５０μｍ以下である、前記ビーム軸を横切る方向の寸法を有する請求項１に記載の装置。
13. 前記スリットの寸法は、１０μｍ以下である請求項８に記載の装置。
14. 試料を分析する方法であって、
    放射線ビームをビーム軸に沿って導き、前記試料の表面上の目標領域に当ることと、
    前記ビーム中にビームブロッカーを介在させ、前記ビームブロッカーは、前記ビーム軸を含み、前記目標領域を通過するビーム面を画定する前部および後部スリットを含み、前記ビームブロッカーの介在により、前記ビームブロッカーの下側部が前記試料の前記表面に隣接し、前記放射線ビームが、前記目標領域に当る前に前記前部スリットを通過し、前記ビーム面内の前記試料から散乱された前記放射線が、前記後部スリットを通過するようにすることと、
    前記放射線が前記後部スリットを通過後に、前記試料から散乱された前記放射線を感知することと、を備え、
    前記ビームブロッカーは、前記前部および後部スリットの間に幅を有し、前記ビームブロッカーを介在させることは、前記ビームブロッカーを位置決めし、それにより、前記下側部が、所定の高さの隙間により、前記試料の前記表面から分離されるようにすることと、前記幅と高さを選択して、前記試料の前記表面に対して、ある所定の角度より大きい仰角で、前記放射線が、前記隙間を通過することを阻止するようにすることと、を備え、
    前記幅と高さは、関係式α _min ≒２ｈ／Ｗであって、ここにおいてα _min は前記所定の角度、ｈは前記高さ、およびＷは前記幅である前記関係式を満たすように選択されることを特徴とする方法。
15. 前記ビームは、前記放射線が、前記試料の前記表面に対する仰角のある範囲に渡って、前記目標領域上に収束するように導かれ、前記放射線を感知することは、前記散乱放射線を仰角の関数として分解することを備える請求項１４に記載の方法。
16. 前記放射線はＸ線を含み、前記散乱放射線を分解することは、前記目標領域における前記試料の前記表面上の薄膜の特性を示す、前記Ｘ線の反射スペクトルを検出することを備える請求項１５に記載の方法。
17. 前記ビームを導くことは、放射線源と前記試料の間でシャッターを位置決めし、それにより前記所定の角度未満の前記放射線を阻止することを備える請求項１４に記載の方法。
18. ナイフエッジを備えるビームリミッターを、前記ビーム面を横切る前記前部および後部スリットの間で位置決めし、それにより、前記ナイフエッジは、前記ビームブロッカーの前記下側部と前記試料の間で、目標領域内の前記試料の前記表面に隣接し、かつ平行に突出し、前記試料の前記表面と、前記ナイフエッジの間に隙間を画定し、前記隙間を通過しない前記ビームの部分を阻止することを備える請求項１４に記載の方法。
19. 前記目標領域に隣接する、前記ナイフエッジの下側部は丸められている請求項１８に記載の方法。
20. 前記隙間は３μｍ以下である請求項１８に記載の方法。
21. 前記前部および後部スリットは、５０μｍ以下である、前記ビーム軸を横切る方向の寸法を有する請求項１４に記載の方法。
22. 前記スリットの前記寸法は、１０μｍ以下である請求項２１に記載の方法。
23. 試料を分析する装置であって、
    放射線ビームをビーム軸に沿って導き、前記試料の表面上の目標領域に当てるように構成された放射線源と、
    前記試料から散乱された前記放射線を感知するように構成された検出器アセンブリと、
    前記放射線源と前記試料の間に介在され、それにより、前記試料に当る前記ビームの寸法を、前記ビーム軸を横切る方向において、５０μｍ以下に制限し、且つ前記試料の前記表面に隣接する下側部を有するビーム制御アセンブリと、を備え、
    前記ビーム制御アセンブリは、前記下側部が所定の高さの隙間により、前記試料の前記表面から分離されるように位置決めされ、前記寸法と高さは、前記放射線源から、前記試料の前記表面に対して所定の角度より大きい仰角で放射された前記放射線が、前記隙間を通過して、前記検出器アセンブリに当ることを阻止するように選択され、
    前記寸法と高さは、関係式α _min ≒２ｈ／Ｗを満たすように選択され、ここにおいてα _min は、前記所定の角度、ｈは前記高さ、Ｗは前記寸法であることを特徴とする装置。
24. 前記寸法は、１０μｍ以下である請求項２３に記載の装置。
25. 試料を分析する方法であって、
    放射線ビームをビーム軸に沿って導き、前記試料の表面上の目標領域に当ることと、
    ビーム制御アセンブリを適用して、前記試料に当る前記ビームの寸法を、前記ビーム軸を横切る方向において、５０μｍ以下に制限することと、
    前記試料から散乱された前記放射線を感知することと、を備え、
    前記ビーム制御アセンブリは、前記試料の前記表面に隣接する下側部を有し、前記ビーム制御アセンブリを適用することは、前記下側部が、所定の高さの隙間により、前記試料の前記表面から分離されるようにすることと、前記寸法と高さを選択して、前記試料の前記表面に対して、ある所定の角度より大きい仰角で、前記放射線が、前記隙間を通過することを阻止するようにすることと、を備え、
    前記寸法と高さは、関係式α _min ≒２ｈ／Ｗであって、ここにおいてα _min は前記所定の角度、ｈは前記高さ、およびＷは前記寸法である前記関係式を満たすように選択されることを特徴とする方法。
26. 前記寸法は、１０μｍ以下である請求項２５に記載の方法。

Images