KR101889863B1

KR101889863B1 - Ｘ선 산란 측정장치 및 ｘ선 산란 측정방법

Info

Publication number: KR101889863B1
Application number: KR1020117027820A
Authority: KR
Inventors: 카즈히코 오모테; 보리스 버만; 리사이 지앙
Original assignee: 가부시키가이샤 리가쿠
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2018-08-20
Also published as: TWI449904B; US8767918B2; KR20120027262A; JP2010261737A; DE112010001832T5; WO2010125913A1; US20120051518A1; JP5237186B2; TW201100789A; DE112010001832B4

Abstract

본 발명은, 반사형 소각 산란이나 회절이 이루어진 X선 강도를 고분해능으로 측정할 수 있고, 시료표면의 미세구조를 간편하고도, 또한 정확하게 계측할 수 있는 X선 산란 측정장치 및 X선 산란 측정방법을 제공한다. 시료표면상의 미세구조의 계측에 적합한 X선 산란 측정장치(100)로서, X선을 발생시키는 X선원(140)과, 발생한 X선을 연속하여 반사하는 제1의 미러 및 제2의 미러와, 반사된 X선이 조사되는 시료(S)를 지지하는 시료대(110)와, 시료표면에서 산란된 X선을 검출하는 2차원 검출기(170)를 구비하고, 제1의 미러는, 발생한 X선을, 시료표면에 평행한 면내에서 2차원 검출기(170) 상으로 집광하며, 제2의 미러는, 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 시료표면상에 수직인 면내에서 시료표면으로 집광한다.

Description

Ｘ선 산란 측정장치 및 Ｘ선 산란 측정방법{X-RAY SCATTERING MEASUREMENT DEVICE AND X-RAY SCATTERING MEASUREMENT METHOD}

본 발명은, 시료표면상의 미세구조의 계측에 적합한 X선 산란 측정장치 및 X선 산란 측정방법에 관한 것이다.

표면에 형성된 나노도트(nanodots)나 반도체 디바이스의 나노가공 등의 국소적인 평가에는, ＳＥＭ이나 ＡＦＭ 등이 많이 이용되고 있다. 한편, 그것과 상보적인 평균 구조를 측정하는 방법으로서, 최근 X선을 미소한 각도로 표면에 조사하고, 그 산란 강도를 해석함으로써 표면의 나노 구조를 측정하는 미소각 입사 X선 소각 산란법(grazing-incidence small-angle X-ray scattering, ＧＩＳＡＸＳ)이, 강력한 방사 광원(synchrotron source)의 실현에 의해 보급되어 있다.

이러한 소각 산란에 관한 기술로는, 광학소자에 의해 X선의 초점을 검출기 상에 맺음으로써 고분해능을 달성하고자 하는 것이 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 특허문헌 1에 기재된 2차원 소각 X선 카메라는, 미소 초점 선원(small focus source) 및 2차원 다층 광학소자의 조합에 의해 양호하게 규정된 2차원 빔을 형성하고 있다.

또한, 이것과 유사한 기술로서, 커크패트릭-바에즈법(Kirkpatrick-Baez scheme)에 의해 2개의 미러를 사용하여 검출기의 근방에 X선을 집광(集光)하는 기술이 개시되어 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조). 비특허문헌 1에는, 2개의 미러를 인접하게 배치하여 집광하는 광학계도 개시되어 있다.

한편, 소각 산란에 관해서, 시료 상에 X선의 초점을 맺는 기술도 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 특허문헌 2에 기재된 장치는, 제1 미러에 의해 수평방향의 X선을 수속(收束)시키며, 제2 미러에 의해 수직방향의 X선을 수속시켜 시료 상의 0.1mm×0.1mm의 영역으로 집광하고 있다.

일본 특허공표 2008-542751호 공보 일본 특허공개공보 평 5-256800호 공보

Licai Jiang, Boris Verman, Bonglea Kim, Yuri Platonov, Zaid Al-Mosheky, Rick Smith, Nick Grupido, "APPLICATION OF MULTILAYAR OPTICS TO X-RAY DIFFRACTION SYSTEMS", THE RIGAKU JOURNAL, RIGAKU,21.10.2001, Vol.18, No.2, P.13-22

상기와 같은 시료표면의 나노구조의 평가가, 디바이스나 시료제작 직후에 가능하게 되면, 간편성의 면에서 유효하다. 이를 위해서는, 방사광으로 소각 산란을 행한 경우에 필적할 만큼 충분한 해석이 가능하고, 또한 실험실 정도의 넓이를 가지는 장소에서 사용할 수 있는 장치가 필요하게 된다.

그렇지만, 특허문헌 1이나 비특허문헌 1에 기재되어 있는 장치는, X선을 시료에 투과시켜 검출기에 있어서의 분해능을 높이는 것이며, 시료표면의 미세구조를 계측하는데는 적합하지 않다. 설령, 이러한 장치를, X선을 시료에서 반사시켜 검출기에 집속(集束)시키는 광학계에 이용하였다고 해도, 조사 방향으로 스폿 사이즈가 확대되어, 검출기에 있어서 분해능이 저하한다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 장치는, 시료 상에 집광하고 있지만, 검출기에 있어서 스폿 사이즈가 확대되어 소기의 분해능이 얻어지지 않는다.

본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 반사형 소각 산란이나 회절(回折)이 이루어진 X선 강도를 고분해능에 의해 측정할 수 있으며, 시료표면의 미세구조를 간편하고, 또 정확하게 계측할 수 있는 X선 산란 측정장치 및 X선 산란 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치는, 시료표면상의 미세구조의 계측에 적합한 X선 산란 측정장치로서, X선을 발생시키는 X선원(X-ray source)과, 상기 발생한 X선을 반사하는 제1의 미러와, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 반사하는 제2의 미러와, 상기 제2의 미러에 의해 반사된 X선이 조사되는 상기 시료를 지지하는 시료대와, 상기 시료표면에서 산란된 X선을 검출하는 2차원 검출기를 구비하고, 상기 제1의 미러는, 상기 발생한 X선을, 상기 시료표면에 평행한 면내에서 상기 2차원 검출기 상에 집광하고, 상기 제2의 미러는, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을, 상기 시료표면에 수직인 면내에서 상기 시료표면상에 집광하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, 본 발명의 X선 산란 측정장치는, 제2의 미러에 의해 시료표면에 X선을 집광하기 위해서, 조사 방향의 스폿 사이즈의 확대를 최소한으로 억제할 수 있다. 그리고, 분해능을 저하시키지 않고, 반사형 소각 산란이 측정 가능하게 된다. 또한, 2차원적인 주기성을 가지는 표면 미세구조에 대해서는 X선의 회절을 이용함으로써 계측이 가능하게 된다. 이와 같이 X선에 의해 시료표면의 나노미터 사이즈의 미세구조를 정확하게 측정할 수 있다.

또한, 예를 들면 기판표면에 만들어진 반도체나 자성 기록매체의 가공 형상을 평가할 수 있다. 금후, 구조체의 미세화가 진행했을 때, 광(光)에 의한 방법은 파장에 의한 한계에 의해 원리적인 검출 한계가 가까워진다고 생각되지만, X선을 이용하면, 그러한 제한은 없으며, 궁극의 원자 레벨까지 구조계측이 가능하게 된다. 또한, 종래 방사광(synchrotron source)에 의해 행해지고 있던 ＧＩＳＡＸＳ의 대부분이 실험실에서 측정가능하게 되며, 간편하게 디바이스나 시료제작 직후에, 시료에 손상을 주지 않고 방사광에 의해 얻어지는 데이터에 필적하는 충분한 데이터가 얻어지게 되며, 다양한 디바이스의 제조 공정의 관리에도 이용할 수 있다.

(2) 또, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치는, 시료표면상의 미세구조의 계측에 적합한 X선 산란 측정장치로서, X선을 발생시키는 X선원과, 상기 발생한 X선을 반사하는 제1의 미러와, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 반사하는 제2의 미러와, 상기 제2의 미러에 의해 반사된 X선이 조사되는 상기 시료를 지지하는 시료대와, 상기 시료표면에서 산란된 X선을 검출하는 2차원 검출기를 구비하고, 상기 제1의 미러는, 상기 발생한 X선을, 상기 시료표면에 수직인 면내에서 상기 시료표면상에 집광하고, 상기 제2의 미러는, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을, 상기 시료표면에 평행한 면내에서 상기 2차원 검출기 상에 집광하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, 시료표면에 수직인 면내에서 시료표면에 X선을 집광하기 위하여, 고분해능인 반사형 소각 산란의 측정이 가능하게 된다. 또한, X선 회절을 이용함으로써 2차원적인 주기성을 가지는 표면 미세구조의 정확한 계측이 가능하게 된다. 이와 같이 X선에 의해 시료표면의 미소한 구조를 측정할 수 있다.

(3) 또한, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치는, 상기 제1의 미러 및 제2의 미러를 반사면이 서로 직교하도록 배치하여 일체로 지지하는 미러 지지부를 더 구비하고, 상기 미러 지지부는, 상기 제1의 미러에 의한 X선의 반사각을 변화하는 동시에 상기 제2의 미러를 그 X선 입사면에 수직으로 이동시키는 회전축과, 상기 제2의 미러에 의한 X선의 반사각을 변화하는 동시에 상기 제1의 미러를 그 X선 입사면에 수직으로 이동시키는 회전축으로, 2축 회전가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 제1의 미러의 조정과 제2의 미러의 조정을 독립하여 행할 수 있어, 다른 초점위치를 가지는 2개의 미러의 조정이 용이하게 된다.

(4) 또, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치는, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을, 상기 시료표면에 수직인 면내에서 상기 시료표면상에 집광하는 상기 제2의 미러가, 상기 시료표면에서의 X선의 스폿 사이즈를, 상기 시료표면에 수직인 방향에 대해서, 50㎛ 이하로 제한가능한 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, X선의 조사 방향의 스폿 사이즈의 확대를 억제하여, 시료표면에 형성된 미세구조를 반영한 X선의 산란 강도를 높은 분해능으로 측정할 수 있으며, 미세한 구조를 정확하게 계측할 수 있다.

(5) 또한, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치는, 상기 발생한 X선을, 상기 시료표면에 평행한 면내에서 검출기 상에 집광하는 상기 제1의 미러가, 상기 검출기 상에서의 X선의 스폿 사이즈를, 상기 시료표면에 평행한 방향에 대하여, 200㎛ 정도 혹은 검출기의 픽셀사이즈 정도인 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, X선의 검출기 상에서의 시료표면에 평행한 방향의 스폿 사이즈의 확대를 억제하여, 시료표면에 형성된 미세구조를 반영한 X선의 산란 강도를 높은 분해능으로 측정할 수 있으며, 미세한 구조를 정확하게 계측할 수 있다.

(6) 또, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치는, 상기 시료대는, 상기 발생한 X선의 상기 시료표면에 대한 입사각을 변경하는 회전 및 상기 시료표면의 면내 회전이 가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

이것에 의해, 시료표면에 형성된 주기구조로부터의 회절 X선을 브래그(Ｂｒａｇｇ)의 회절 조건을 충족시키도록 시료를 방위각 방향(azimuth direction)으로 자전 회전시켜 다수의 회절 피크를 검출하여, 주기구조(periodic structure)의 피치(pitch)나 라인 폭을 고정밀도로 측정할 수 있다. 또한 주기적으로 설치된 구조체의 단면형상에 관해 측벽의 경사나 거칠기(roughness)를 독립적으로 평가할 수 있다. 이와 같이, 미세구조의 특징을 정확하게 특정할 수 있다.

(7) 또, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치는, 상기 제1 또는 제2의 미러가, 다층막 미러인 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 제1 또는 제2의 미러는 X선의 입사 위치에 따라 격자정수를 변화시킬 수 있다. 이 때문에, 입사각이 변경되었을 때라도 격자정수를 조정해서 회절을 일으키게 할 수 있다. 그 결과, 제1의 미러에 의한 2차원 검출기 상의 집광 및 제2의 미러에 의한 시료표면상의 집광에 대해서, 특성선(ＣｕＫα)의 파장의 X선만을 선택적으로 취출(取出)하며, 백그라운드(background)가 낮은 측정이 가능하게 된다.

(8) 또한, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치는, 상기 제1 또는 제2의 미러가, 결정판(crystal plate)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 예를 들면, 제1 또는 제2의 미러는 Ｋα1의 X선만을 취출할 수 있다. 그 결과, 단색성(monochromaticity)이 높은 X선을 생성할 수 있으며, 고분해능인 검출이 더욱 가능하게 된다.

(9) 또, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치는, 상기 제2의 미러와 상기 시료 사이의 X선 통로부에, 1쌍의 콜리메이션 블럭를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 이것에 의해, 정밀하게 X선을 저지하여 콜리메이션의 정밀도를 높일 수 있다.

(10) 또, 본 발명에 관한 X선 산란 측정방법은, 시료표면상의 미세구조의 계측에 적합한 X선 산란 측정방법으로서, X선원에 의해 발생된 X선을 제1의 미러에 의해 반사시키는 스텝과, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 제2의 미러에 의해 반사시키는 스텝과, 상기 제2의 미러에 의해 반사된 X선을 상기 시료에 입사시키는 스텝과, 상기 시료표면에서 산란된 X선을 2차원 검출기로 검출하는 스텝을 포함하고, 상기 제1의 미러에 의해, 상기 발생한 X선을 집광하는 동시에, 상기 제2의 미러에 의해, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 집광하며, 상기 시료표면에 평행한 면내에서의 집광위치를 상기 2차원 검출기 상으로 하고, 상기 시료표면에 수직인 면내에서의 집광위치를 상기 시료표면상으로 하면서, 상기 시료표면에서 소각 산란된 X선을 검출하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, 시료표면에 수직인 면내에서 시료표면에 X선을 집광하기 때문에, 고분해능인 반사형 소각 산란의 측정이 가능하게 된다. 또한, X선 회절을 이용함으로써 2차원적인 주기성을 가지는 표면 미세구조의 정확한 계측이 가능하게 된다. 이와 같이 X선에 의해 시료표면의 미소한 구조를 측정할 수 있다.

(11) 또한, 본 발명에 관한 X선 산란 측정방법은, 시료표면상의 미세구조의 계측에 적합한 X선 산란 측정방법으로서, X선원에 의해 발생한 X선을 제1의 미러에 의해 반사시키는 스텝과, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 제2의 미러에 의해 반사시키는 스텝과, 상기 제2의 미러에 의해 반사된 X선을 상기 시료에 입사시키는 스텝과, 상기 시료표면에서 산란된 X선을 2차원 검출기로 검출하는 스텝을 포함하고, 상기 제1의 미러에 의해, 상기 발생한 X선을 집광하는 동시에, 상기 제2의 미러에 의해, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 집광하며, 상기 시료표면에 평행한 면내에서의 집광위치를 상기 2차원 검출기 상으로 하고, 상기 시료표면에 수직인 면내에서의 집광위치를 상기 시료표면상으로 하면서, 상기 시료를 상기 시료표면 면내에서 회전시켜, 상기 시료표면에 있어서의 주기구조에 의해 회절된 X선을 검출하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따르면, 반사형 소각 산란이나 회절이 이루어진 X선 강도를 고분해능으로 측정할 수 있고, 시료표면의 미세구조를 간편하고도, 또한 정확하게 계측할 수 있다.

도 1은, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치의 광학계를 나타내는 평면도이다.
도 3은, 본 발명에 관한 X선 산란 측정장치의 광학계를 나타내는 측면도이다.
도 4는, 미러 유닛 내부의 사시도이다.
도 5는, 시료위치에 있어서의 X선원으로부터의 거리와 빔의 반값 전폭(the full width at half maximum)과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은, 시료위치에 있어서의 Ｚ위치와 X선 산란 강도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은, 2차원 검출기 위치에 있어서의 X선원으로부터의 거리와 빔의 반값 전폭과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은, 2차원 검출기 위치에 있어서의 Ｙ위치와 X선 산란 강도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는, 실험에 의해 얻어진 회절 패턴을 나타내는 도면이다.

그 다음에, 본 발명의 실시의 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 설명의 이해를 쉽게 하기 위해서, 각 도면에 있어서 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 첨부하고, 중복하는 설명은 생략한다.

[X선 산란 측정장치의 구성]

(전체 구성)

도 1은, X선 산란 측정장치(100)의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, X선 산란 측정장치(100)는, 시료대(110), 아암(120, 130), X선원(140), 미러 유닛(150), 슬릿부(160), 2차원 검출기(170) 및 빔 스톱(Beam stop, 180)을 구비하고 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 시료대(110)는, 평면의 스테이지 상에서 시료(S)를 지지하고, 고정부(111), 상하 가동부(112), 회전 가동부(113) 및 ＸＹ스테이지(114)를 가지고 있다. 고정부(111)는, 시료대(110) 전체를 지지하여 고정한다. 상하 가동부(112)는, 고정부(111)에 연결되어, 조작을 받아서 ＸＹ스테이지(114)를 스테이지 표면(시료표면)에 수직인 Ｚ방향으로 상하이동시킨다. 이로써, X선 조사 전에 시료(S)의 Ｚ위치를 조정할 수 있다.

또한, 회전 가동부(113)는, 상하 가동부(112)에 연결되어, 조작을 받아서 ＸＹ스테이지(114)를 스테이지의 면내(φ 방향)에서 회전시킨다. 이 회전축에 의해, X선 조사 전에 시료(S)의 방향을 조정할 수 있고, 또한 X선 조사시에도 시료(S)를 회전시킬 수 있다. 그 결과, 주기구조에 의한 회절 패턴을 측정하는 경우에, 시료(S)에 의한 산란 강도를, 회절 조건을 충족시키면서 측정할 수 있다. ＸＹ스테이지(114)는, 회전 가동부(113) 위에 설치되어, 스테이지 위에 시료(S)를 고정하는 것이 가능하게 되어 있다. 그리고, 조작에 의해 스테이지 표면과 X선의 입사면과의 교차선(交線) 방향(X방향)과, 스테이지 표면에 평행하며 X방향에 수직인 방향(Y방향)으로 스테이지를 이동할 수 있다. 이로써, X선 조사 전에 시료(S)의 ＸＹ면에 있어서의 위치를 조정할 수 있다.

시료(S)는, 표면에 미세구조를 가지는 부재이다. 예를 들면, 시료표면의 나노미터 사이즈의 주기적 구조를 가지는 기판에 대해서 회절 패턴을 측정하는데 X선 산란 측정장치(100)는 유효하다. 따라서, 라인&스페이스나 도트(lines, spaces and dots)로 형성된 각종 디바이스의 표면구조의 계측에 응용할 수 있다. 또한, 주기적 구조가 아니더라도 나노미터 사이즈를 가지는 구조의 소각 산란의 패턴을 분석해도 좋다. 예를 들면, 실리콘 기판 위에 형성된 나노도트의 계측에도 이용할 수 있다. 한편, 시료(S)가 표면에 주기구조를 가지는 경우에는, 그 방향성과 입사 X선의 방향성과의 정합(整合)을 취하도록 시료(S)의 면내에서의 방위를 조정하고, 시료(S)를 배치한다.

아암(120)은, X선원(140), 조작을 받아서 미러 유닛(150) 및 슬릿부(160)를, 시료위치를 중심으로 회전시키며, X선의 시료(S)에 대한 입사각(α)을 변경시킨다. 또한, 아암(130)은, 조작을 받아서 2차원 검출기(170)를, 시료위치를 중심으로 회전시켜, 출사각(β)의 원점위치를 조정한다. 이때, 시료표면에 주기적으로 설치된 구조체의 높이 방향에 대해서도, 출사각(β)에 따른 산란 강도 데이터로부터 측벽부분의 밀도의 변화가 측벽의 경사인지, 거칠기인지 판정할 수 있다. 이와 같이, 미세구조의 특징을 정확하게 특정할 수 있다.

X선원(140)은, X선을 발생시킨다. 발생한 X선은, 미러 유닛(150) 및 슬릿부(160)를 경유해서 시료(S)에 입사한다. 미러 유닛(150)은, 2개의 미러 및 미러 조절 기구를 가지고 있다. 2개의 미러 및 미러 조절 기구의 상세는 후술한다.

슬릿부(160)는, 미러에 의해 반사된 X선을 더욱 좁히기 위하여 설치되어 있지만, 미러에 의한 집광이 충분하다면 필요없다. 슬릿부(160)는, 예를 들면 2개의 콜리메이션 블럭(collimation blocks)(161, 162)에 의해 구성되지만, 콜리메이션 블럭 대신에 나이프 에지(knife edges)여도 좋다. 콜리메이션 블럭(161, 162)은, X선을 차폐가능한 부재로 형성되어 있으며, 정밀하게 X선을 저지하여 콜리메이션의 정밀도를 높일 수 있다.

콜리메이션 블럭(161, 162)은, X선 빔을 좁히기 위하여, 제2의 미러(152)와 시료(S)와의 사이에 설치되는 것이며, 크라키블럭(Kratky block)이라고도 불린다. 1개의 블록의 바닥면은, 다른 블록의 상면과 실질적으로 평행하며, 이들의 블록은 선회축(163)의 주위로 빔에 대하여 회전가능하다. 콜리메이션 블럭(161, 162)의 위치는, 도 3에 나타낸 바와 같이 콜리메이션 블럭 사이의 중심에 있는 선회축(163)의 주위로 요동(搖動)시킴으로써, 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 회전 중심은 콜리메이션 블럭(161, 162) 중 1개의 블록의 모서리부로 할 수도 있다.

2차원 검출기(170)는, 시료(S)의 표면에서 산란된 X선을 검출한다. X선 산란 측정장치(100)의 광학계는, 시료위치로부터 2차원 검출기(170)까지의 거리(L)를 고정하여 구성되어 있다. 빔 스톱(180)은, 시료(S)를 투과 또는 경면(鏡面)반사한 입사 X선을 받아낸다.

(미러)

다음에, X선 산란 측정장치(100)의 광학계의 기본원리와 함께 각 미러의 특징을 설명한다. 도 2는, X선 산란 측정장치(100)의 광학계를 나타내는 평면도이다. 또한, 도 3은, X선 산란 측정장치(100)의 광학계를 나타내는 측면도이다. 한편, 도 2에서는, 콜리메이션 블럭(161, 162)을 생략하고 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 제1의 미러(151)는, 발생한 X선을, 시료표면에 평행한 면내에서 반사하고, 2차원 검출기(170)에 집광한다. 출사각(β) 및 면내의 산란각(2θ)으로 산란된 X선은 2차원 검출기(170)에 의해 검출된다. 제1의 미러(151)는, 시료표면에 평행한 면내에서 X선을 반사하여 2차원 검출기(170)로 집광하도록 소정의 곡률로 만곡되어 있다.

또한, 도 3에 나타낸 바와 같이 제2의 미러(152)는, 발생한 X선을, 시료표면에 수직인 면내에서, 시료표면상에 집광한다. 산란각(2θ)으로 산란된 X선은 2차원 검출기(170)에 의해 검출된다. 제2의 미러(152)는, X선을 반사하여 시료표면으로 집광하도록 소정의 곡률로 만곡되어 있다.

이러한 구성에 의해, X선이 시료표면에 수직인 면내에서 시료표면에 집속되고, 시료표면에 평행한 면내에서 2차원 검출기(170)로 집속된다. 그 결과, 시료표면에 평행한 방향의 구조에 대해서, 고분해능으로 Ｑｙ방향의 상(像)을 검출 수 있다. 또한, 시료표면의 높이 방향의 구조에 대해서는 충분한 강도로 Ｑｚ방향의 상을 검출 수 있다.

한편, X선원(140)으로부터 발생한 X선을, 제1의 미러(151), 제2의 미러(152)의 순서로 반사시켜 시료(S)에 입사시키도록 제1의 미러(151)가 X선원(140)에 가까운 위치에 설치되며, 제2의 미러(152)가 시료(S)에 가까운 위치에 설치되어 있다. 이와 같이, 시료표면상으로 집광하는 제2의 미러(152)를 시료(S)에 가까운 위치에 설치함으로써, 시료표면상의 스폿 사이즈를 작게 할 수 있다. 단, 동일한 효과가 기대되는 경우에는, 제1의 미러(151)에 의한 집광 위치와 제2의 미러(152)에 의한 집광 위치를 교체해도 좋다.

또한, 제1의 미러(151) 또는 제2의 미러(152)로는, 전반사(total reflection) 미러, 다층막 미러 및 결정판 중 어느 하나가 이용되는 것이 바람직하다. 전반사 미러는, 유리판 그 자체나, 유리판의 표면에 Ｎｉ(니켈), Ａｕ(금）, Ｐｔ(백금) 등을 막(膜)형성하여 형성된 반사판 등을 만곡시킴으로써 형성된다.

다층막 미러는, 전자밀도가 다른 층을 매끄러운 표면을 가진 기판 위에 교대로 복수 회 적층함으로써 형성된다. 다층의 적층구조를 주기적으로 복수 층 반복함으로써, 특성(特性) X선, 예를 들면 ＣｕＫα선을 효율적으로 회절시킬 수 있다. 기판의 재료로서는 유리판, 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 등이 이용된다.

다층막 미러를 이용함으로써, 제1의 미러(151) 또는 제2의 미러(152)는 X선의 입사 위치에 따라 격자정수를 변화시킬 수 있다. 이 때문에, 입사각(α)이 변경되었을 때라도 격자정수를 조정하여 회절을 일으킬 수 있다. 그 결과, 제1의 미러(151)에 의한 2차원 검출기(170) 상의 집광 및 제2의 미러(152)에 의한 시료표면상의 집광에 대해서, 특성선(ＣｕＫα)의 파장의 X선만을 선택적으로 취출하며, 백그라운드가 낮은 측정이 가능하게 된다.

결정판은, α-ＳｉＯ₂(수정), Ｓｉ(실리콘), Ｇｅ(게르마늄) 등의 단결정판을 이용해서 형성할 수 있다. 이것에 의해, 예를 들면, 제1의 미러(151) 또는 제2의 미러(152)는 Kα1의 X선만을 취출할 수 있다. 그 결과, 단색성이 높은 X선을 생성할 수 있으며, 고분해능인 검출이 더욱 가능하게 된다.

이와 같이, 2개의 미러를 이용함으로써, 시료(S)의 위치에 있어서 X선의 입사면에 수직인 방향의 X선의 스폿 사이즈를 작게 할 수 있다. 그 결과, 2차원 검출기(170)에 있어서의 분해능을 향상시킬 수 있고, 시료표면상의 미세구조의 계측에 적합하다.

상기한 바와 같이, 제1의 미러(151) 및 제2의 미러(152)는, 각각 다른 초점거리를 가지도록 형성되어 있지만, 사용시에는, 소정 위치에 X선을 집속시키기 위해서 각 미러의 반사각을 미세조정(fine adjustments)할 필요가 있다. 이하에, 미러 유닛(150)이 가지는 미러의 조정 기구를 설명한다.

(미러의 조정 기구)

도 4는, 미러 유닛(150) 내부의 사시도이다. 미러 지지부(153)는, 제1의 미러(151) 및 제2의 미러(152)를, 각 반사면이 서로 직교하도록 조정된 상태로 일체로 지지한다. 미러 지지부(153)는, 제1의 미러(151)의 반사각을 변경하는 동시에 제2의 미러(152)를 그 X선 입사면에 수직으로 이동시키는 회전축(A1)에 의해 회전가능하게 설치되어 있다. 또한, 제2의 미러(152)의 반사각을 변경하는 동시에 제1의 미러(151)를 그 X선 입사면에 수직으로 이동시키는 회전축(B1)에 의해 회전가능하게 설치되어 있다.

즉, 미러 지지부(153)는, 회전축(A1) 및 회전축(B1)의 2축에 의해 회전가능하게 설치되어 있다. 회전축(A1)은 제2의 미러(152)의 표면에 수직인 축(A2)에 평행하며, 회전축(B1)은 제1의 미러(151)의 표면에 수직인 축(B2)에 평행하다. 회전축(A1)은 축(B2)과 직교하고 있으며, 회전축(B1)은 축(A2)과 직교하고 있다. 이것에 의해, 제1의 미러(151)의 조정과 제2의 미러(152)의 조정을 행할 때에, 서로의 조정이 서로 간섭하는 일이 없어진다. 그 결과, 독립적으로 미러의 조정을 행할 수 있어, 작업이 용이하게 된다. 미러는, 나사(도시 생략)의 선단을 미러에 접촉시키고, 나사를 돌려 조이거나, 돌려 풀어냄으로써, 변위시키는 것이 가능하게 되어 있다. 나사의 선단이 항상 미러에 접촉하도록 미러에는 탄성력이 가해져 있다. 한편, 도 4에 나타낸 바와 같이, 회전축(A1)은 제1의 미러(151)의 X선 입사 방향 중앙부에 설정되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 회전축(B1)은, 제2의 미러의 X선 입사 방향 중앙부에 설정되어 있는 것이 바람직하다.

제2의 미러(152)는, 시료표면에서의 X선의 스폿 사이즈를, 시료표면에 수직인 면내에서 50㎛ 이하로 제한가능하다. 상기의 스폿 사이즈를 30㎛ 이하로 제한할 수 있는 것이 바람직하며, 20㎛ 이하로 제한할 수 있으면 더욱 바람직하다. 한편, 시료표면에 평행한 면내의 스폿 사이즈는, 100ｎｍ 정도의 주기구조를 측정하는 경우에는 200㎛ 정도로 충분하며, 2차원 검출기(170)의 사이즈에 맞춰도 좋다.

[표면 미세구조의 측정방법]

다음에, 상기한 바와 같이 구성된 X선 산란 측정장치(100)를 이용하여 시료표면상의 미세구조를 측정하는 방법을 설명한다. 우선, 시료(S)의 표면 미세구조의 방향성을 고려하여 시료대(110)에 설치한다. 그리고, 시료(S)의 Ｚ위치, ＸＹ면에 있어서의 위치 및 시료(S)의 방향을 조정한다. 제1의 미러(151) 및 제2의 미러(152)는, 미리 초점위치를 각각 2차원 검출기 및 시료위치에 맞추도록 미세조정해 둔다.

그리고, X선원(140)으로부터 발생한 X선을, 제1의 미러(151), 제2의 미러(152)의 순서로 반사시켜 시료(S)에 입사시킨다. 이때는, 제1의 미러(151)에 의해 시료표면에 평행한 면내에서 2차원 검출기(170) 상에 집광하는 동시에, 제2의 미러(152)에 의해 시료표면에 수직인 면내에서 시료표면에 집광한다. 그리고, 시료표면에 미소한 입사각으로 X선을 조사해서 산란된 X선을 2차원 검출기(170)로 검출한다.

이와 같이 하여, X선 출사각(β) 및 면내의 산란각(2θ)에 따른 X선 강도를 측정한다. 주기적 구조에 의한 X선의 회절을 이용하는 경우에는, 필요에 따라 시료(S)를, Z축을 중심으로 하여 면내에서 회전하면서 측정한다.

얻어진 소각 산란 패턴 또는 회절 패턴에는, 시료표면의 3차원적인 형상의 정보가 포함되어 있다. 예를 들면, 시료(S)의 주기적 구조의 단위구조체(unit structure)의 형상을 특정하는 파라미터에 의해, 시료 모델을 가정하여, 시뮬레이션으로 X선 산란 강도를 계산하고, 이것에 근거해서 시료 모델에 의해 산출되는 X선의 산란 강도를 측정된 산란 강도에 피팅(fitting)한다. 그리고, 피팅의 결과, 단위구조체의 형상을 특정하는 파라미터의 최적값을 결정하는 것이 가능하다.

[실시예 1]

실제로, 상기의 구성을 가지는 X선 산란 측정장치(100)를 제작했다. 제작된 X선 산란 측정장치(100)에서는, 시료위치에 시료표면에 수직인 면내에서 X선을 집속시키도록 제1의 미러(151)를 배치하고, 시료위치로부터 400mm의 위치에, 시료표면에 평행한 면내에서 X선을 집속시키도록 제2의 미러(152)를 배치했다.

이러한 X선 산란 측정장치(100)에 대해서 광학계의 기초 데이터를 측정했다. 우선, X선의 진행 방향으로의 거리와 빔의 확대 간의 관계를 측정했다. 이때는, 소정의 위치에서 나이프 에지를 스캔함으로써 측정했다. 도 5는, 시료위치에 있어서의 X선원(140)으로부터의 거리와 빔의 반값 전폭(the full width at half maximum) 간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, X선원(140)으로부터 290mm의 위치에서 X선 빔의 반값 전폭이 가장 작은 것이 확인되었다.

또한, X선원으로부터 290mm의 위치(초점위치)에 있어서, Z방향의 위치와 X선 강도의 관계를 계측했다. 도 6은, 시료위치에 있어서의 Ｚ위치와 X선 강도와의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, X선 빔의 반값 전폭은, 약35㎛이며, 충분히 X선이 집속되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

그 다음에, 시료위치로부터의 X선의 진행 방향으로의 거리와 빔의 확대 간의 관계를 측정했다. 도 7은, 2차원 검출기 위치에 있어서의 시료위치로부터의 거리와 빔의 반값 전폭 간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 시료위치로부터 400mm의 위치에서 X선 빔의 반값 전폭이 가장 작은 것이 확인되었다.

또한, 시료위치로부터 400mm의 위치(초점위치)에 있어서, Y방향의 위치와 X선 강도의 관계를 계측했다. 도 8은, 시료위치에 있어서의 Y위치와 X선 강도와의 관계를 나타내는 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, X선 빔의 반값 전폭은, 약230㎛이었다. 이와 같이 하여, 제1의 미러(151)에 의해 2차원 검출기(170)로 집광하고, 제2의 미러(152)에 의해 시료표면에도 충분히 집광할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

[실시예 2]

제작한 X선 산란 측정장치(100)를 이용하여, 실리콘 기판표면에 100ｎｍ 피치의 그레이팅 시료(grating sample)에 입사각 0.16°로 X선을 조사하고, 시료를 Z축 주위로 회전시키면서 측정했다. 도 9는, 실험에 의해 얻어진 회절 패턴을 나타내는 도면이다. 도 9에 나타내는 회절 패턴은, 2차원 검출기(170) 상의 (로그스케일, log scale) 데이터로서 나타나 있다. 도 9에 나타내는 회절 패턴에서는, 면내 2θ방향으로 그레이팅에서 유래하는 다수의 피크가 관측되어 있을 뿐만 아니라, 출사각(β) 방향으로도, 그레이팅의 높이를 반영한 간섭 무늬(interference fringes)를 확인할 수 있었다. 이들의 데이터를 해석함으로써, 비파괴로 그레이팅의 2차원 단면을 측정할 수 있다.

100 X선 산란 측정장치
110 시료대
111 고정부
112 상하 가동부
113 회전 가동부
114 ＸＹ스테이지
120, 130 아암
140 X선원
150 미러 유닛
151 제1의 미러
152 제2의 미러
153 미러 지지부
160 슬릿부
161, 162 콜리메이션 블럭
163 선회축
170 2차원 검출기
180 빔 스톱
A1 회전축
B1 회전축
A2 회전축(A1)에 평행한 축
B2 회전축(B1)에 평행한 축
S 시료

Claims

시료표면상의 미세구조의 계측에 적합한 X선 산란 측정장치로서,
X선을 발생시키는 X선원(X-ray source)과,
상기 발생한 X선을 반사하는 제1의 미러와,
상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 반사하는 제2의 미러와,
상기 제2의 미러에 의해 반사된 X선이 조사되는 상기 시료를 지지하는 시료대와,
상기 시료표면에서 산란된 X선을 검출하는 2차원 검출기를 구비하고,
상기 제1의 미러는, 상기 발생한 X선을, 상기 시료표면에 평행한 면내에서 상기 2차원 검출기 상의 초점위치로 집광하고,
상기 제2의 미러는, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을, 상기 시료표면에 수직인 면내에서 상기 시료표면상의 초점위치로 집광하는 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정장치.
시료표면상의 미세구조의 계측에 적합한 X선 산란 측정장치로서,
X선을 발생시키는 X선원과,
상기 발생한 X선을 반사하는 제1의 미러와,
상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 반사하는 제2의 미러와,
상기 제2의 미러에 의해 반사된 X선이 조사되는 상기 시료를 지지하는 시료대와,
상기 시료표면에서 산란된 X선을 검출하는 2차원 검출기를 구비하고,
상기 제1의 미러는, 상기 발생한 X선을, 상기 시료표면에 수직인 면내에서 상기 시료표면상의 초점위치로 집광하고,
상기 제2의 미러는, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을, 상기 시료표면에 평행한 면내에서 상기 2차원 검출기 상의 초점위치로 집광하는 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1의 미러 및 제2의 미러를 반사면이 서로 직교하도록 배치하여 일체로 지지하는 미러 지지부를 더 구비하고,
상기 미러 지지부는, 상기 제1의 미러에 의한 X선의 반사각을 변경하는 동시에 상기 제2의 미러를 그 X선 입사면에 수직으로 이동시키는 회전축과, 상기 제2의 미러에 의한 X선의 반사각을 변경하는 동시에 상기 제1의 미러를 그 X선 입사면에 수직으로 이동시키는 회전축에 의해, 2축 회전가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 제2의 미러는, 상기 시료표면에서의 X선의 스폿 사이즈를, 상기 시료표면에 수직인 방향에 대하여, 50㎛ 이하로 제한가능한 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정장치.
제2항에 있어서,
상기 제1의 미러는, 상기 시료표면에서의 X선의 스폿 사이즈를, 상기 시료표면에 수직인 방향에 대하여, 50㎛ 이하로 제한가능한 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 시료대는, 상기 시료표면의 면내 회전이 가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 또는 제2의 미러는, 다층막 미러인 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 또는 제2의 미러는, 결정판으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2의 미러와 상기 시료와의 사이의 X선 통로부에, 1쌍의 콜리메이션 블럭를 구비하는 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정장치.
시료표면상의 미세구조의 계측에 적합한 X선 산란 측정방법으로서,
X선원에 의해 발생된 X선을 제1의 미러에 의해 반사시키는 스텝과,
상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 제2의 미러에 의해 반사시키는 스텝과,
상기 제2의 미러에 의해 반사된 X선을 상기 시료에 입사시키는 스텝과,
상기 시료표면에서 산란된 X선을 2차원 검출기로 검출하는 스텝을 포함하고,
상기 제1의 미러에 의해, 상기 발생한 X선을 집광하는 동시에, 상기 제2의 미러에 의해, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 집광하며, 상기 제1 또는 제2의 미러의 일방에 의한 상기 시료표면에 평행한 면내에서의 초점위치를 상기 2차원 검출기 상으로 하고, 상기 제1 또는 제2의 미러의 타방에 의한 상기 시료표면에 수직인 면내에서의 초점위치를 상기 시료표면상으로 하면서, 상기 시료표면에서 소각 산란된 X선을 검출하는 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정방법.
시료표면상의 미세구조의 계측에 적합한 X선 산란 측정방법으로서,
X선원에 의해 발생된 X선을 제1의 미러에 의해 반사시키는 스텝과,
상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 제2의 미러에 의해 반사시키는 스텝과,
상기 제2의 미러에 의해 반사된 X선을 상기 시료에 입사시키는 스텝과,
상기 시료표면에서 산란된 X선을 2차원 검출기로 검출하는 스텝을 포함하고,
상기 제1의 미러에 의해, 상기 발생한 X선을 집광하는 동시에, 상기 제2의 미러에 의해, 상기 제1의 미러에 의해 반사된 X선을 집광하고, 상기 제1 또는 제2의 미러의 일방에 의한 상기 시료표면에 평행한 면내에서의 초점위치를 상기 2차원 검출기 상으로 하며, 상기 제1 또는 제2의 미러의 타방에 의한 상기 시료표면에 수직인 면내에서의 초점위치를 상기 시료표면상으로 하면서, 상기 시료를 상기 시료표면 면내에서 회전시켜, 상기 시료표면에 있어서의 주기구조에 의해 회절된 X선을 검출하는 것을 특징으로 하는 X선 산란 측정방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제