X射线检查装置
阅读说明：本技术 X射线检查装置 (X-ray inspection apparatus ) 是由 松嶋直树 尾形洁 表和彦 吉原正 伊藤义泰 本野宽 高桥秀明 樋口明房 梅垣志朗 于 2018-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明的X射线检查装置具备：试样配置部(11),配置作为检查对象的试样；试样配置部定位机构(30),使试样配置部(11)移动；测角仪(20),包括独立回转的第一、第二回转部件(22、23)；X射线照射单元(40),搭载于第一回转部件(22)；以及二维X射线检测器(50),搭载于第二回转部件(23)。而且,试样配置部定位机构(30)包括以在测定点P与θs轴及θd轴正交并且在水平方向上延伸的χ轴为中心,使试样配置部(11)以及<Image he="63" wi="50" file="DDA0002557688110000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>轴旋转的χ旋转机构(35)。(An X-ray inspection apparatus according to the present invention includes: a sample arrangement unit (11) for arranging a sample to be examined; a sample arrangement part positioning mechanism (30) for moving the sample arrangement part (11); an goniometer (20) including first and second rotating members (22, 23) that rotate independently; an X-ray irradiation unit (40) mounted on the first revolving member (22); and a two-dimensional X-ray detector (50) mounted on the second rotating member (23). The sample arrangement part positioning mechanism (30) includes a sample arrangement part (11) and a chi-axis extending in the horizontal direction and perpendicular to the theta s-axis and the theta d-axis at the measurement point P as a center And a chi-rotation mechanism (35) for rotating the shaft.)
技术领域
本发明涉及适合于半导体制造领域等用于制造多层膜构造的元件的技术领域的X射线检查装置，该多层膜构造的元件在基板上层叠有大量的薄膜。
背景技术
半导体等在基板上层叠有大量薄膜的多层膜构造的元件的特性根据所形成的薄膜的膜厚、密度、结晶性等的状态而变化。近年来，这些元件的精细化以及集成化得到发展，该倾向越来越明显。因此，人们需求能够准确测定所形成的薄膜的状态的薄膜检查装置。
作为这种检查装置，以往已知利用剖面透射电子显微镜(TEM)进行的直接测量、利用光干涉或椭圆偏振仪的膜厚检查装置、声光式装置等。在剖面透射电子显微镜(TEM)中，无法进行嵌入于制造工序中而实时检查检查对象的薄膜的所谓的在线地检查，而且，实际情况是，为了检查用而从生产线取出的产品在检查后将被废弃。另外，利用光干涉或椭圆偏振仪的膜厚检查装置、声光式装置虽然适于在线地检查，但在几nm的薄的膜的测定中精度不够。
对于半导体设备厂商来说，一次性使用的检查用晶片(空白晶片)在成本方面造成很大的负担。特别是，近年来，半导体晶片的大口径化不断发展，在一张空白晶片上花费的成本也变得越来越昂贵。
鉴于上述情况，在此之前，本发明的发明人提出有如下在线型的X射线薄膜检查装置：嵌入到成膜产品的制造工序中，直接检查产品本身，即使是几nm的薄的膜也能够以足够的精度进行检查，而无需抛弃晶片(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-153767号公报
专利文献2：日本特开2013-210377号公报
专利文献3：国际公开WO2004/114325号
发明内容
进而，在当前的尖端LSI(Large-Scale Integration，大规模集成电路)的技术领域中，需要严格地测定SiGe、化合物半导体的晶格畸变、应力、组成比、膜厚等。另外，关于LED、半导体激光器(LD)等光学系统设备中使用的III-V族、II-VI族等的化合物半导体薄膜、MEMS等中使用的压电薄膜，严格地测定其结晶性的需求也在增加，要求开发应对这些需求的X射线检查装置。
为了应对这些用途、并以在线方式实现高效的检查，例如，必须能够高精度且高吞吐量地实施用于捕捉X射线衍射中的面内(In-plane)衍射的X射线衍射测定、摇摆曲线(Rocking Curve)测定等。但是，在以往的在线型X射线检查装置中，尚无能够高精度地实施捕捉这些面内(In-plane)衍射的X射线测定的装置。
本发明的目的在于提供一种能够嵌入到制造工序、高精度且高效地实施用于捕捉上述面内衍射的X射线测定的在线型的X射线检查装置。
即，本发明的X射线检查装置具备：
试样配置部，配置作为检查对象的试样；
试样配置部定位机构，使试样配置部移动；
测角仪，包括独立回转的第一回转部件、第二回转部件；
X射线照射单元，搭载于第一回转部件，向预先设定的测定点聚光照射X射线；以及
二维X射线检测器，搭载于第二回转部件。
在此，测角仪包括：
θs回转机构，以通过测定点且在水平方向上延伸的θs轴为中心，使第一旋回部件回转，设定来自X射线照射单元的X射线相对配置于试样配置部的试样的入射角；以及
θd回转机构，以与θs轴一致的θd轴为中心，使第二旋回部件回转，设定X射线检测器的扫描角。
另外，试样配置部定位机构包括：
旋转机构，以与配置于试样配置部的试样的表面正交的轴为中心，使试样配置部旋转；
X移动机构，使试样配置部及轴向与θs轴及θd轴直角交叉的X方向直线移动；
Y移动机构，使试样配置部及轴向与X方向直角交叉的Y方向直线移动；
Z移动机构，使试样配置部向与配置于该试样配置部的试样的表面正交的Z方向移动；
χ旋转机构，以χ轴为中心而使试样配置部及轴旋转，该χ轴在测定点与θs轴以及θd轴正交且在水平方向上延伸；以及
χω旋转机构，以χω轴为中心而使试样配置部及轴旋转，并且通过χ旋转机构而绕χ轴旋转，χω轴在测定点与χ轴正交且与配置于试样配置部的试样的表面平行地延伸。
进而，X射线照射单元为如下结构：
向与X射线的光轴直角交叉且与θs轴平行的横向聚光X射线，并且向与X射线的光轴直角交叉且与θs轴也直角交叉的纵向也聚光X射线。
根据上述结构的本发明的X射线检查装置，在驱动χ旋转机构而使配置于试样配置部的试样的表面铅直配置的状态下，对试样表面照射来自X射线照射单元的聚光X射线，并且利用θs回转机构使X射线相对试样的入射角变化，从而能够实施面内衍射的摇摆曲线测定。
在此，另外，能够利用二维X射线检测器一并地检测从试样表面以一定范围的衍射角度出现的衍射X射线，所以能够实现高吞吐量下的测定。
而且，在试样表面，由X射线照射单元将聚光了的X射线照射在微小光点，所以通过检测从该微小光点出现的衍射X射线，能够实现高分辨率且高精度的测定。
另外，优选为：所述X射线照射单元是使X射线在测定点向横向以及纵向分别聚光在100μm以内的半值宽度的结构。
另外，优选Y移动机构构成为在通过χ旋转机构水平地配置试样配置部的状态下，使该试样配置部移动的方向(Y方向)与θs轴以及θd轴平行。根据这样的结构，Y移动机构能够兼具作为试样更换机构的功能，该试样更换机构通过使试样配置部向该Y方向移动(水平移动)，向预先设定的试样更换位置配置试样配置部。
而且，构成为使利用Y移动机构移动试样配置部的方向(即Y方向)与作为第一回转部件的回转中心的θs轴、作为第二回转部件的回转中心的θd轴平行，从而不会干扰搭载于第一回转部件的X射线照射单元的回转轨迹、搭载于第二回转部件的二维X射线检测器的回转轨迹，而能够使试样配置部水平移动到试样更换位置。因此，能够实现所谓的在线的X射线检查，即嵌入到成膜产品的制造工序中而实时地检查作为检查对象的薄膜。
另一方面，通过Y移动机构具备作为试样更换机构的功能，向Y方向的移动距离变长，其结果，不可否认的是Y移动机构将大型化。因此，在本发明的X射线检查装置中，设为在Y移动机构上搭载旋转机构，从而减轻驱动旋转机构所需的转矩。由此，能够实现旋转机构的小型化和小功率下的顺利驱动。
本发明的X射线检查装置具备控制部，该控制部包括对试样配置部定位机构、包括第一回转部件、第二回转部件的测角仪以及X射线照射单元进行控制，从而实施面内衍射的摇摆曲线测定的控制功能。
此时，控制部构成为包括如下控制功能：
驱动χ旋转机构，使配置于试样配置部的试样的表面铅直配置，
驱动Z移动机构，使配置于试样配置部的试样的被检查部位匹配测定点的高度，并且，
驱动旋转机构、X移动机构以及Y移动机构，使试样的被检查部位以预先设定的朝向定位到测定点，
进而，驱动θs回转机构以及χω旋转机构，从相对试样的表面接近平行的方向照射来自X射线照射单元的X射线，并且，
与θs回转机构连动地驱动θd回转机构，向检测从试样依照布拉格定律出现的衍射X射线的位置配置二维X射线检测器，
并且，驱动θs回转机构，使X射线相对试样的入射角变化，实施面内衍射的摇摆曲线测定。
另外，控制部还能够如下构成。
即，控制部还能够构成为具备如下控制功能：
驱动χ旋转机构，使配置于试样配置部的试样的表面铅直配置，
驱动Z移动机构，使配置于试样配置部的试样的被检查部位匹配测定点的高度，并且，
驱动旋转机构、X移动机构以及Y移动机构，使试样的被检查部位以预先设定的朝向定位到测定点，
进而，驱动θs回转机构，从相对试样的表面接近平行的方向照射来自X射线照射单元的X射线，并且，
与θs回转机构连动地驱动θd回转机构，向检测从试样依照布拉格定律出现的衍射X射线的位置配置二维X射线检测器，
并且，驱动旋转机构，并且使X移动机构以及Y移动机构与该驱动连动，从而在将试样的被检查部位保持于测定点的同时，使X射线相对试样的入射角变化，实施面内衍射的摇摆曲线测定。
进而，另外，控制部还能够如下构成。
即，控制部还能够构成为包括如下控制功能：
驱动χ旋转机构，使配置于试样配置部的试样的表面铅直配置，
驱动Z移动机构，使配置于试样配置部的试样的被检查部位匹配测定点的高度，并且，
驱动旋转机构、X移动机构以及Y移动机构，使试样的被检查部位以预先设定的朝向定位到测定点，
进而，驱动θs回转机构以及χω旋转机构，从相对试样的表面接近平行的方向照射来自X射线照射单元的X射线，并且，
与θs回转机构连动地驱动θd回转机构，向检测从试样依照布拉格定律出现的衍射X射线的位置配置二维X射线检测器，
在从X射线照射单元向试样聚光入射的X射线的聚光角度的范围，实施面内衍射的摇摆曲线测定。
如果这样构成，则无需驱动θs回转机构而使X射线相对试样的入射角变化、或者驱动旋转机构而使试样在面内方向(方向)上旋转微小角度，就能够在短时间内实施面内衍射的摇摆曲线测定，能够实现高吞吐量下的测定。
另外，本发明的X射线检查装置具备控制部，该控制部包括对试样配置部定位机构、包括第一回转部件、第二回转部件的测角仪以及X射线照射单元进行控制，从而实施面内衍射测定的控制功能。
在此，控制部构成为包括如下控制功能：
驱动χ旋转机构，使配置于试样配置部的试样的表面铅直配置，
驱动Z移动机构，使配置于试样配置部的试样的被检查部位匹配测定点的高度，并且，
驱动旋转机构、X移动机构以及Y移动机构，使试样的被检查部位以预先设定的朝向定位到测定点，
进而，驱动θs回转机构以及χω旋转机构，从相对试样的表面接近平行的方向照射来自X射线照射单元的X射线，并且，
与θs回转机构连动地驱动θd回转机构，向检测从试样的表面依照布拉格定律出现的衍射X射线的位置配置二维X射线检测器，实施面内衍射测定。
另外，本发明的X射线检查装置具备控制部，该控制部包括对试样配置部定位机构、包括第一、第二回转部件的测角仪以及X射线照射单元进行控制，实施极点测定的控制功能。
此时，控制部构成为包括如下控制功能：
驱动χ旋转机构，使配置于试样配置部的试样的表面以χ轴为中心而旋转，从而在0°至90°的范围内设定极点测定的仰角α，并且，
驱动旋转机构，使配置于试样配置部的试样的表面以轴为中心而旋转，从而设定极点测定的面内旋转角β，实施极点测定。
根据上述本发明，能够嵌入到制造工序中，以在线方式高精度且高效地实施用于捕捉面内衍射的X射线测定。
附图说明
图1A是示出本发明的实施方式的X射线检查装置的整体构造的主视图。图1B是该X射线检查装置的整体构造的侧视图。
图2A是示意地示出本发明的实施方式的X射线检查装置的主要构造的主视图。图2B是该X射线检查装置的主要构造的侧视图。
图3是示意地示出利用试样配置部定位机构移动试样配置部的移动方向的图。
图4A是示意地示出本发明的实施方式的X射线照射单元的结构的主视图。图4B是该X射线照射单元的结构的仰视图。
图5是图4A以及图4B所示的X射线照射单元的立体图。
图6A是放大示出图4A、图4B以及图5所示的X射线照射单元所包含的第一X射线光学元件和第二X射线光学元件的主视图。图6B是该第一X射线光学元件和第二X射线光学元件的仰视图。
图7A是示意地示出从X射线照射单元照射到半导体晶片的检查面的X射线的轨迹、和从该检查面反射并入射到X射线检测器的衍射X射线的轨迹的主视图。图7B是放大示出图7A中的测定点P的部分的俯视图。
图8是示出本发明的实施方式的X射线检查装置的控制系统(控制部)的框图。
图9是用于说明面内X射线衍射测定的概念图。
图10A是用于说明利用本发明的实施方式的X射线检查装置实施的面内X射线衍射测定的实施步骤的、对应于图2的主视图。图10B是相应的侧视图。
图11是用于说明利用本发明的实施方式的X射线检查装置实施的面内X射线衍射测定的实施步骤的对应于图3的示意图。
图12是用于说明面内衍射的摇摆曲线测定的概念图。
图13是用于说明极点测定的概念图。
图14A是示意地示出本发明的实施方式的X射线检查装置的其他结构例的主视图。图14B是相应的侧视图。
(符号说明)
S：试样；P：测定点；10：试样台；11：试样配置部；20：测角仪；21：测角仪主体；22：第一回转臂；23：第二回转臂；30：定位机构；31：旋转机构；32：X移动机构；33：Y移动机构；34：Z移动机构；35：χ旋转机构；36：χω旋转机构；40：X射线照射单元；41：X射线管；42：第一X射线光学元件；43：第二X射线光学元件；44：聚光狭缝；50：X射线检测器；100：中央处理装置；101：XG控制器；102：定位控制器；103：角控制器；104：计数控制电路；110：存储部；201：操作部；202：显示部；203：通信部。
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明本发明的实施方式。
〔X射线检查装置的基本结构〕
图1A、图1B是示出本发明的实施方式的X射线检查装置的整体构造的图。图2A、图2B是示意地示出该装置的主要构造的图。
如这些图所示，本发明的实施方式的X射线检查装置具备试样台10、测角仪20、试样配置部定位机构(以下还有时简称为“定位机构”)30、X射线照射单元40、X射线检测器50。
在试样台10的上表面形成有试样配置部11。作为检查对象的半导体晶片(试样S)配置于该试样配置部11。试样台10由定位机构30驱动。在X射线检查装置中预先设定有测定点P。而且，利用定位机构30驱动试样台10，从而将配置于试样配置部11的试样S的被测定部位定位到该测定点P。
试样配置部11装备有用于固定试样S的机构(未图示)。通过该试样固定机构，即使在如后所述使试样配置部11的表面(试样台10的上表面)铅直配置时，也可以防止试样S从试样配置部11脱落。
作为试样S的固定机构，例如，能够采用如下结构：在试样配置部11的表面开口出多个吸引喷嘴，利用真空泵等吸引装置对该吸引喷嘴的中空部内进行真空吸引，从而将试样S吸附在试样配置部11的表面。当然，也可以采用除此以外的公知的试样固定机构。
测角仪20在测角仪主体21中内置有θs回转机构和θd回转机构。
θs回转机构以通过预先设定的测定点P且在水平方向上延伸的θs轴为中心，使第一回转臂(回转部件)22向图2A的箭头θs的方向回转。在该第一回转臂22搭载有X射线照射单元40。而且，通过第一回转臂22的移动，设定来自X射线照射单元40的X射线相对试样S的入射角。
另外，θd回转机构以通过预先设定的测定点P且在水平方向上延伸的θd轴为中心，使第二回转臂(回转部件)23向图2A的箭头θd的方向回转。在该第二回转臂23搭载有X射线检测器50。而且，通过第一回转臂22的移动，设定X射线检测器50的扫描角。即，通过第一回转臂22的移动，向用于检测从试样S的表面依照布拉格定律出现的衍射X射线的位置配置X射线检测器50。
上述θs轴和θd轴为同轴上的回转中心轴。
定位机构30包括：用于使试样配置部11向各方向移动的旋转机构31、X移动机构32、Y移动机构33、Z移动机构34、χ旋转机构35、χω旋转机构36。
图3是示意地示出利用定位机构30移动试样配置部11的移动方向的图。参照该图和图2A、图2B来说明定位机构30。
旋转机构31以与配置于试样配置部11的试样S的表面正交的轴为中心，使试样配置部11向图的箭头的方向旋转。
X移动机构32使试样配置部11以及轴向与θs轴以及θd轴直角交叉的X方向直线移动。
Y移动机构33使试样配置部11以及轴向与X方向直角交叉的Y方向直线移动。
Z移动机构34使试样配置部11向与配置于该试样配置部11的试样S的表面正交的Z方向移动。
χ旋转机构35以χ轴为中心，使试样配置部11以及轴向图的箭头χ的方向旋转，该χ轴在测定点P与θs轴及θd轴正交并且在水平方向上延伸。
χω旋转机构36以χω轴为中心，使试样配置部11以及轴向图的箭头χω的方向旋转，该χω轴在测定点P与χ轴正交并且与配置于试样配置部11的试样的表面平行地延伸。进而，该χω旋转机构36通过χ旋转机构35绕χ轴向图的箭头χ的方向旋转。
另外，在X射线检查装置中预先设定有试样更换位置(未图示)。形成于试样台10的上表面的试样配置部11被搬送到该试样更换位置。在试样更换位置，通过机器臂等试样更换装置(未图示)，从试样配置部11取出已检查的试样S，并且将作为检查对象的新的试样S配置到试样配置部11。
在本实施方式的X射线检查装置中，Y移动机构33是作为用于使试样配置部11移动到试样更换位置的试样更换机构发挥功能的结构。
在此，构成为：在通过χ旋转机构35水平地配置试样配置部11的状态下，使该试样配置部11移动的方向(Y方向)与θs轴以及θd轴平行。而且，在向该方向移动试样配置部11的移动路径上，设定有试样更换位置。
这样，通过使试样配置部11向与θs轴以及θd轴平行的方向移动，不会与搭载有X射线照射单元40的第一回转臂22、搭载有X射线检测器50的第二回转臂23干扰，而能够使试样配置部11移动至试样更换位置。
另一方面，Y移动机构33具备作为试样更换机构的功能，从而向Y方向的移动距离变长，其结果，不可否认的是Y移动机构33将大型化。因此，在本实施方式的X射线检查装置中，通过在Y移动机构33上搭载旋转机构31，从而减小驱动旋转机构31所需的转矩。由此，能够实现旋转机构31的小型化，并且能够以小功率实现顺利驱动。
在本实施方式的X射线检查装置中，如图1A～图2B所示，构成为：在χ旋转机构35上搭载有χω旋转机构36、X移动机构32、Y移动机构33、Z移动机构34、旋转机构31以及试样台10。具体而言，构成为通过χ旋转机构35使χω旋转机构36绕χ轴旋转。在该χω旋转机构36上搭载有X移动机构32以及Y移动机构33。进而，在Y移动机构33上搭载有Z移动机构34。进而，在该Z移动机构34上搭载有旋转机构31。进而，设为在该旋转机构31上搭载有试样台10的结构。
X射线照射单元40具有如下功能：使从X射线管产生的X射线单色化为特定波长的特性X射线，并且聚光到一个部位。
X射线照射单元40调整X射线的照射轨迹，以对预先设定的测定点P聚光照射X射线。如上所述，配置于试样配置部11的试样S的被测定部位定位在测定点P。
此外，X射线照射单元40的详细构造后述。
作为X射线检测器50，采用二维X射线检测器。二维X射线检测器具有二维地构成的面状的X射线检测部，能够将从试样S的表面出现的衍射X射线一并记录到该面状的X射线检测部。因此，与比例计数管(PC)、闪烁计数器(SC)等一维X射线检测器相比，具有能够缩短测定所需的时间的特征。
另外，近年来，还开发出如下二维半导体检测器：在X射线检测部中排列大量的100μm以下的非常小的像素尺寸的硅半导体元件，能够利用这些半导体元件以高位置分辨率短时间且高精度地检测X射线。通过将这种二维半导体检测器用作X射线检测器50，能够实现制造工序中的在线的高效率且高精度的X射线检查。
〔X射线照射单元的结构例〕
接下来，参照图4A～图7B，详细说明X射线照射单元。
图4A～图7B所示的X射线照射单元40作为构成要素而包括X射线管41、第一X射线光学元件42、第二X射线光学元件43以及聚光狭缝44(狭缝部件)。这些各构成要素内置于未图示的单元主体。单元主体为能够搭载到第一回转臂22的紧凑的尺寸形状。
此外，仅在图7A中显示出聚光狭缝44，在图4A、图4B以及图5中省略了聚光狭缝44。
作为X射线管41，例如，能够使用标靶上的电子射线焦点尺寸为左右的微小焦点X射线管球。作为标靶材料，能够根据需要而选择铜(Cu)、钼(Mo)、铁(Fe)、钴(Co)、钨(W)、铬(Cr)、银(Ag)、金(Au)等。
特别是，如果作为标靶材料而使用铜(Cu)，则能够通过后述第一X射线光学元件42、第二X射线光学元件43仅取出具有高角度分辨率的Cu-Kα1的特性X射线。因此，通过对试样照射该Cu-Kα1的特性X射线，能够实现吞吐量良好的X射线薄膜检查。
第一X射线光学元件42、第二X射线光学元件43具有如下功能：入射从X射线管41放射的X射线a1，仅取出特定波长的特性X射线，并且使该取出的特性X射线a2聚光到配置于试样台10的试样的表面上。
如图4A～图7B所示，第一X射线光学元件42和第二X射线光学元件43彼此正交地配置有入射X射线并且使特性X射线反射的表面(以下简称为“表面”)42a、43a。而且，如图7A所示，这第一X射线光学元件42和第二X射线光学元件43使特定波长的特性X射线a2在配置于试样台10的试样的表面上聚光为四边形形状的微小光点。此外，图7B是示意地示出了试样(半导体晶片)的表面中的特性X射线a2所聚光的位置的放大俯视图。
此外，在本实施例中，以彼此1条边相接的Side-by-Side方式配置第一X射线光学元件42和第二X射线光学元件43，但不限于此，还能够以被称为Kirkpatrick-Baez(KB)的串联方式配置。
在配置于试样台10的试样的表面，由第一X射线光学元件42、第二X射线光学元件43反射而取出的特性X射线进行聚光的位置为测定点P。这样，为了使特性X射线聚光到测定点P，各X射线光学元件42、43的表面42a、43a弯曲形成为凹面状。
在此，第一X射线光学元件42使X射线向与X射线的光轴正交且与θs轴正交的纵向聚光。
另一方面，第二X射线光学元件43使X射线向与X射线的光轴正交且与θs轴平行的横向聚光。
进而，第一X射线光学元件42由具有高结晶性的结晶材料构成。换言之，第一X射线光学元件42由固有的摇摆曲线幅度(即，能够反射平行波束的角度范围)极小的结晶材料构成。作为这样的固有的摇摆曲线幅度极小的结晶材料，可以使用与晶格缺陷、杂质极少的完全结晶相对应的结晶材料。
在本实施方式中，由固有的摇摆曲线幅度为0.06°以下的结晶材料构成。通过使用从上述结晶材料取出的特性X射线a2，能够在X射线薄膜测定中得到0.06°以下的高角度分辨率。
作为结晶材料，例如，能够使用Ge(1 1 1)、Si(1 1 1)。在使用Ge(1 1 1)的情况下，得到0.06°以下的摇摆曲线幅度。另外，在使用Si(1 1 1)的情况下，得到0.02°以下的摇摆曲线幅度。
进而，根据第一X射线光学元件42，能够使X射线在测定点P向纵向聚光在100μm以内的半值宽度。
另外，第一X射线光学元件42具有仅取出特定波长的特性X射线而单色化的功能。
另一方面，第二X射线光学元件43由多层膜反射镜构成。该第二X射线光学元件43具有仅取出特定波长的特性X射线而单色化的功能。在此，调整成为从第二X射线光学元件43取出与由第一X射线光学元件42取出的特性X射线相同的波长的特性X射线。
进而，根据第二X射线光学元件43，能够使X射线在测定点P向横向聚光在100μm以内的半值宽度。
如在图6A、图6B中放大示出的那样，从X射线管41射出并入射到第二X射线光学元件43的表面43a的X射线b1通过该X射线光学元件43被单色化并反射，并以在横向上聚光的方式前进，接着入射到第一X射线光学元件42的表面42a。然后，入射到第一X射线光学元件42的表面42a的X射线b2通过该X射线光学元件42也被单色化并反射，并以在纵向上聚光的方式前进，照射到图4A、图4B所示的测定点P。
另一方面，从X射线管41射出并入射到第一X射线光学元件42的表面42a的X射线c1通过该X射线光学元件42被单色化并反射，以在纵向上聚光的方式前进，接着入射到第二X射线光学元件43的表面43a。然后，入射到第二X射线光学元件43的表面43a的X射线c2以在横向上聚光的方式前进，照射到图4A、图4B所示的测定点P。
这样，从X射线管41射出的X射线a1在第一X射线光学元件42的表面42a和第二X射线光学元件43的表面43a分别各反射1次，在该过程中仅取出特定波长的特性X射线a2，该特性X射线a2聚光到测定点P。
此外，在上述专利文献2以及专利文献3中公开了组合完全结晶和多层光学零件的结构的X射线波束调整系统。但是，在这些文献中，未公开最适合于将半导体晶片作为检查对象的试样的X射线检查装置的结构。
聚光狭缝44配置成从上述纵向的两侧遮挡住由第一X射线光学元件42、第二X射线光学元件43反射来的特性X射线a2一部分。该聚光狭缝44具有限制由第一X射线光学元件42、第二X射线光学元件43反射来的聚光X射线a2的纵向的聚光的功能。
根据将上述结构的X射线照射单元40搭载到第一回转臂22的X射线检查装置，能够通过第一X射线光学元件42、第二X射线光学元件43以及聚光狭缝44使X射线聚光到微小区域。因此，能够对半导体晶片的表面中的极其微小的检查区域照射X射线，实施薄膜测定。而且，第一X射线光学元件42由固有的摇摆曲线幅度极其小的结晶材料构成，所以通过使用由上述结晶材料取出的特性X射线a2，能够在X射线薄膜测定中获得极高的角度分辨率。
〔X射线检查装置的控制系统〕
图8是示出X射线检查装置的控制系统(控制部)的框图。
XG(X-ray Generator，X射线发生器)控制器101执行X射线照射单元40的控制。
定位控制器102对定位机构30进行驱动控制。
测角仪20由角控制器103驱动控制。
XG控制器101、定位控制器102、角控制器103的各结构部根据从中央处理装置(CPU)100送来的设定信息各自进行动作。在此，将设定信息作为配置数据(recipe)预先存储到存储部110，由中央处理装置(CPU)100读出并输出到上述各结构部。
X射线检测器50由计数控制电路104控制。
这些各结构部以及中央处理装置100由计算机构成，预先安装到存储部110而依照控制用程序执行各个控制动作。
另外，X射线检查装置具备包括键盘、鼠标等的操作部201，用于由操作人员输入装置工作所需的各种设定。进而，X射线检查装置具备：由液晶显示器等构成的显示部202和用于执行经由网络的数据通信的通信部203。
〔面内X射线衍射测定〕
接下来，说明上述结构的X射线检查装置具备的面内X射线衍射测定的功能。
如图9所示，面内X射线衍射测定是如下方法：几乎贴着薄膜试样S的表面入射X射线a，测定在薄膜试样S中的与表面正交的结晶晶格面依照布拉格定律而衍射来的衍射X射线b。利用该面内X射线衍射测定，能够获得和与薄膜试样S的表面正交的方向的结晶的大小、取向性有关的信息。
图8所示的控制系统(控制部)包括如下控制功能：控制定位机构30、测角仪20以及X射线照射单元40，实施面内衍射测定
即，在图8所示的控制系统(控制部)的存储部110中，预先安装有用于实施面内X射线衍射测定的控制程序。进而，在存储部110中，作为配置数据预先存储有面内X射线衍射测定所需的设定信息。中央处理装置(CPU)100依照该控制程序，读出必要的设定信息，输出到控制系统的各结构部。
具体而言，如图10A、图10B以及图11所示，能够在使配置于试样配置部11的试样S的表面铅直配置的状态下，实施面内衍射测定。
即，定位控制器102对构成定位机构30的χ旋转机构35进行驱动控制，使配置于试样配置部11的试样S的表面铅直配置。
接下来，定位控制器102对Z移动机构34进行驱动控制，使配置于试样配置部11的试样S的被检查部位匹配测定点P的高度。进而，定位控制器102对旋转机构31、X移动机构32以及Y移动机构33进行驱动控制，使试样S的被检查部位以预先设定的朝向定位到测定点P。
进而，定位控制器102对χω旋转机构36进行驱动控制，以调整成使来自X射线照射单元40的入射X射线a以几乎贴着的角度(Δω)入射到试样S的表面。这样相对试样S的表面对X射线a的入射方向设定微小角度的目的是使X射线从试样S的表面以吸收少的状态照射到结晶晶格面。
并且，角控制器103对测角仪20的θs回转机构进行驱动控制，设定来自X射线照射单元40的X射线a相对试样S的入射角。
在该状态下，XG控制器101控制X射线照射单元40，朝向试样S照射X射线a。在试样S的内部，在与试样表面正交的结晶晶格面中依照布拉格定律而X射线发生衍射。然后，衍射X射线b从试样S的表面出现。
角控制器103对测角仪20的θd回转机构进行驱动控制，向用于检测从试样S的表面出现的衍射X射线b的位置配置X射线检测器50。X射线检测器50由计数控制电路104控制而检测衍射X射线b。
根据本实施方式的X射线检查装置，能够通过X射线照射单元40以高分辨率向试样S照射聚光到微小面积的X射线a，所以能够将该聚光角度范围的X射线a的射线束一并照射到试样S来实施X射线衍射测定。而且，作为X射线检测器50采用二维X射线检测器，能够与聚光角度范围的X射线a的射线束对应地，一并检测在一定的角度范围内衍射来的衍射X射线b的射线束，能够缩短测定时间。
〔面内衍射的摇摆曲线测定〕
接下来，说明上述结构的X射线检查装置具备的面内衍射的摇摆曲线测定的功能。
如上所述，如图9所示，面内衍射是X射线在入射到薄膜试样S中的与表面正交的结晶晶格面时，在该晶格面中依照布拉格定律而产生的衍射现象。
通过着眼于上述面内衍射而实施摇摆曲线测定，能够对试样S的在面内有取向性的试样评价其取向性。即，如图12所示，通过使试样S在面内方向(方向)旋转微小角度来实施摇摆曲线测定，能够对该旋转方位的结晶方位的偏差的程度进行评价。
具体而言，将X射线检测器50固定在：在相对薄膜试样S中的与表面正交的结晶晶格面以θ的角度入射X射线时，X射线依照布拉格定律而从该晶格面衍射来的方向(相对入射X射线的光轴为2θ的角度方向)。在该状态下，使试样S在面内方向(方向)上旋转微小角度来实施摇摆曲线测定。
图8所示的控制系统(控制部)包括如下控制功能：对定位机构30、测角仪20以及X射线照射单元40进行控制，实施面内衍射的摇摆曲线测定。
即，在图8所示的控制系统(控制部)的存储部110中，预先安装有用于实施面内衍射的摇摆曲线测定的控制程序，并且作为配置数据而预先存储有该测定所需的设定信息。中央处理装置(CPU)100依照该控制程序，读出所需的设定信息，并输出到控制系统的各结构部。
具体而言，如图10A、图10B以及图11所示，能够在使配置于试样配置部11的试样的表面铅直配置的状态下，实施面内衍射的摇摆曲线测定。
即，定位控制器102对构成定位机构30的χ旋转机构35进行驱动控制，使配置于试样配置部11的试样的表面铅直配置。
接下来，定位控制器102对Z移动机构34进行驱动控制，使配置于试样配置部11的试样S的被检查部位匹配测定点P的高度。进而，定位控制器102对旋转机构31、X移动机构32以及Y移动机构33进行驱动控制，使试样S的被检查部位以预先设定的朝向定位到测定点P。
进而，定位控制器102对χω旋转机构36进行驱动控制，调整成使来自X射线照射单元40的入射X射线以几乎贴着的角度(Δω)入射到试样S的表面。
并且，角控制器103对测角仪20的θs回转机构进行驱动控制，设定来自X射线照射单元40的X射线a相对试样S的入射角。与此同时，角控制器103对测角仪20的θd回转机构进行驱动控制，将X射线检测器50配置到用于检测从试样S依照布拉格定律出现的衍射X射线的位置。
在该状态下，XG控制器101控制X射线照射单元40，以朝向试样S照射X射线a。然后，计数控制电路104控制X射线检测器50，利用X射线检测器50检测从试样S的表面出现的衍射X射线b。
进而，角控制器103对测角仪20的θs回转机构进行驱动控制，使X射线相对试样S的入射角变化。该入射角的变更动作相当于在图12中使试样S在面内方向(方向)上旋转微小角度的动作。利用该动作，实施面内衍射的摇摆曲线测定。
另外，通过利用定位控制器102对图10A、图10B以及图11所示的旋转机构31进行驱动控制，并且控制成使X移动机构32以及Y移动机构33与该驱动连动，也能够实现在图12中使试样S在面内方向(方向)上旋转微小角度的动作。
上述结构的本实施方式的X射线检查装置在试样台10的正下方设置有旋转机构31(参照图2A、图2B)，所以在对X移动机构32和Y移动机构33进行驱动控制而使试样S的被测定部位定位到测定点P时，旋转机构31与试样S一起在XY方向上移动，而轴有时会从测定点P偏离。因此，需要将以从测定点P偏离的轴为中心而旋转微小角度时的测定点P的旋转角，修正为无该偏离的状态下的旋转角。
因此，通过与旋转机构31一起对X移动机构32以及Y移动机构33连动地驱动控制，修正向方向的旋转动作。
另外，根据本实施方式的X射线检查装置，能够利用X射线照射单元40以高分辨率向试样S照射聚光到微小面积的X射线a，所以能够将该聚光角度范围的X射线a的射线束一并照射到试样S来实施X射线衍射测定。而且，通过采用二维X射线检测器作为X射线检测器50，能够一并检测与聚光角度范围的X射线a的射线束对应、以一定的角度范围衍射来的衍射X射线b的射线束。因此，无需如图12所示地使试样S在面内方向(方向)上旋转微小角度，也能够利用比较短的时间实施面内衍射的摇摆曲线测定方法。
一般来说，在将在基板结晶中使薄膜结晶外延生长的试样S作为对象的摇摆曲线测定方法中，使X射线相对试样表面的入射角度θ在2°以上的范围内变化。因此，从X射线照射单元40照射到试样表面的X射线优选通过聚光狭缝44设定为2°以上的聚光角度，并将该2°以上的角度范围的X射线照射到试样的表面。
此外，如上所述，在使试样S在面内方向(方向)上旋转微小角度而实施面内衍射的摇摆曲线测定的情况下，设置狭缝等来缩减照射到试样S的X射线即可。
〔面内衍射的摇摆曲线测定的具体的实施例〕
本发明的X射线检查装置例如能够对在基板上形成的SiGe(硅锗)外延薄膜等实施使用面内衍射的摇摆曲线测定。
例如，根据本发明的X射线检查装置，能够将在硅基板上形成的SiO2薄膜上的SiGe薄膜(SGOI：SiGe on Insulator，绝缘层上的锗硅)作为测定对象，如下所述地实施面内衍射的摇摆曲线测定。
例如，在Si(1 0 0)面与基板表面平行的硅基板上结晶生长SiGe薄膜，然后照射氧离子，在合适的条件下对其进行高温处理，从而在硅基板与SiGe膜之间形成SiO2膜，由此制作SGOI。
这样制作的SGOI的SiGe由于SiO2膜的存在，横向的晶格常数比Si更缓和。另一方面，在SiO2膜的形成条件不合适时，存在发生错位的可能性。即，为了评价/管理SGOI的结晶质量，高精度地测定SiGe的横向的晶格常数是极其重要的。
即，可知能够评价相对与基板表面垂直的晶格面的X射线衍射、即能够实施面内衍射测定具有极其重要的意义。
进而，SiGe薄膜的膜厚非常薄，薄到几十nm左右，所以在高入射角下X射线将透射，得不到足够的衍射线。
相对于此，如果是面内衍射，则使X射线相对基板表面几乎贴着入射，所以具有能够检测足够的衍射线、能够确保数据的精度的优点。
在作为与基板表面垂直的SiGe晶格面的一个例子而对SiGe(4 00)实施摇摆曲线测定时，按照如下的步骤进行即可。
在试样台10上配置形成有SGOI的基板(试样S)并固定，驱动χ旋转机构35而使基板相对水平面大致垂直地设置。在与X射线入射方向完全平行时，X射线无法入射，所以对χ旋转机构35或者χω旋转机构36进行驱动调整，将基板配置成使X射线能够相对基板几乎贴着入射。
接下来，在驱动X移动机构32和Y移动机构33来决定测定点之后，对旋转机构31或者测角仪20进行驱动调整，将基板以及X射线照射单元40设定在Si结晶晶格面(4 0 0)中X射线进行布拉格反射的角度。
通过这样设定，检测从Si基板结晶的(4 0 0)面反射来的衍射X射线、和在从这里稍微偏移的方向上从SiGe(4 0 0)面反射来的衍射X射线的峰值强度。X射线检测器50被配置为能够一并地检测来自Si基板结晶的衍射X射线和来自SiGe的衍射X射线。
X射线照射单元40能够以高分辨率对表面照射聚光到微小面积的单色X射线，所以能够将该聚光角度范围的X射线的射线束一并照射到基板。因此，无需对X射线照射单元40、X射线检测器50、基板等进行扫描，就能够在极短时间内进行摇摆曲线测定。
当然，通过利用波束狭缝等对来自X射线源的X射线缩减发散角，并且扫描搭载有X射线源的测角仪，也能够测定摇摆曲线。
另一方面，如上所述，在本实施方式的X射线检查装置中，由于使用二维检测器作为X射线检测器50，所以匹配X射线源而扫描X射线检测器50并非是必须的。另外，通过以试样的测定点为旋转中心对旋转机构31、X移动机构32以及Y移动机构33进行驱动调整而进行扫描，也能够进行摇摆曲线测定。
根据本发明的X射线检查装置，如以上所述，能够针对SiGe外延薄膜等高精度且高速地进行面内衍射中的摇摆曲线测定，在该薄膜的结晶质量的分析/管理中能够发挥极其重要的作用。
〔极点测定〕
接下来，说明上述结构的X射线检查装置具备的极点测定的功能。
在极点测定中，如图13所示，着眼于有样S的某个结晶晶格面，使试样S的仰角(日语：あおり角)α和面内旋转角β这2个参数变化，使X射线从各个方向入射试样S，测定从结晶晶格面衍射来的衍射X射线。而且，在以α、β为参数的极点图中描绘衍射X射线的强度分布并分析在哪个α、β的位置观测衍射线的测定方法就是极点测定。
通过该极点测定，能够评价薄膜材料、特别是多结晶薄膜的结晶方位以及其取向性等。
图8所示的控制系统(控制部)包括如下控制功能：对定位机构30、测角仪20以及X射线照射单元40进行控制，实施极点测定。
即，在图8所示的控制系统(控制部)的存储部110中，预先安装有用于实施极点测定的控制程序。进而，在存储部110中作为配置数据预先存储极点测定所需的设定信息。中央处理装置(CPU)100依照该控制程序，读出所需的设定信息，并输出到控制系统的各结构部。
具体而言，定位控制器102对构成定位机构30的χ旋转机构35进行驱动控制，使配置于试样配置部11的试样S的表面以χ轴为中心进行旋转，从而使极点测定的仰角α在0°至90°的范围内变化。
另外，定位控制器102对构成定位机构30的旋转机构31进行驱动控制，使配置于试样配置部11的试样S的表面以轴为中心旋转，从而使极点测定的面内旋转角β变化。
这样，XG控制器101控制固定于恒定位置的X射线照射单元40，朝向试样S照射X射线a。然后，计数控制电路104控制X射线检测器50，以使X射线检测器50在恒定的位置检测从试样衍射来的衍射X射线。
此外，本发明不限于上述实施方式，当然还能够是其他各种变形方式、应用方式。
例如，上述实施方式的X射线检查装置以在半导体生产线中流转的半导体晶片为检查对象，但不限于此，例如，还能够应用于在半导体生产线的后续工序中将半导体元件的微小部位作为被测定部位的X射线检查。
另外，在上述实施方式中，说明了面内X射线衍射测定、面内衍射的摇摆曲线测定以及极点测定的功能，但本发明的X射线检查装置不仅限于这些测定，当然能够实施通常的X射线衍射测定、摇摆曲线测定、X射线反射率测定、倒易晶格映射测定等。
另外，在图2A、图2B所示的X射线检查装置中，设为在Y移动机构33与χω旋转机构36之间设置X移动机构32的结构，但还能够如图14A、图14B所示地设为如下结构：在χ旋转机构35之下设置X移动机构32，不仅使试样台10、旋转机构31、Z移动机构34以及Y移动机构33向X方向直线移动，而且使χω旋转机构36以及χ旋转机构35也向X方向直线移动。