試料分析装置及び試料分析方法
【課題】試料分析の精度を向上させる。
【解決手段】本発明の試料分析装置１は、基板上に薄膜が形成された試料１２に、例えば、Ｘ線あるいは中性子線を照射し、薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置１であり、試料１２を反射したＸ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、試料１２を透過したＸ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、を備えたことを特徴とする。このような試料分析装置１によれば、測定データとして、試料１２を反射したＸ線あるいは中性子線の反射率が測定されると共に、試料１２を透過したＸ線あるいは中性子線の透過率が測定されるので、測定データの数が増加し、残差二乗和によって導出される構造パラメータの精度が向上する。
【解決手段】本発明の試料分析装置１は、基板上に薄膜が形成された試料１２に、例えば、Ｘ線あるいは中性子線を照射し、薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置１であり、試料１２を反射したＸ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、試料１２を透過したＸ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、を備えたことを特徴とする。このような試料分析装置１によれば、測定データとして、試料１２を反射したＸ線あるいは中性子線の反射率が測定されると共に、試料１２を透過したＸ線あるいは中性子線の透過率が測定されるので、測定データの数が増加し、残差二乗和によって導出される構造パラメータの精度が向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料分析装置及び試料分析方法に関し、特に薄膜構造を解析する試料分析装置及び試料分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線・中性子線反射率分析法（Grazing Incidence X-Ray／Neutron Reflectivity technique）は薄膜が形成された試料に、Ｘ線・中性子線を入射し、試料から反射されたＸ線・中性子線の干渉パターンから薄膜の膜厚、表面や界面の凹凸形状、密度等の構造パラメータを解析する方法である。この方法は、光学的に不透明な金属薄膜や非結晶膜、極薄膜でも評価が可能であり、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタに形成された極薄膜の評価や、磁気ヘッドの多層膜の評価等、先端薄膜材料の評価に利用されている。
【０００３】
ところで、その方法は、基板上に膜厚ｔの薄膜が存在する場合、試料に対する入射ビームの入射角（θ）を変化させながら、角度２θに現れる反射ビームの強度を測定するものである。ここで、入射ビームとは、入射Ｘ線あるいは入射中性子線であり、反射ビームとは、反射Ｘ線あるいは反射中性子線である。さらに、以下では、透過Ｘ線あるいは透過中性子線を透過ビームと呼ぶ。
【０００４】
図６は反射率分析法の概要を説明するための図である。
図示する入射角（θ）とは、入射ビーム１００が試料１０１の表面に対してなす角度であり、２θとは、試料１０１の表面で反射された反射ビーム１０２が、入射ビーム１００の光軸Ａ−Ａに対してなす角度である。
【０００５】
そして、試料１０１の基板１０３上に形成させた薄膜１０４の表面または薄膜１０４と基板１０３との界面から放射される反射ビーム１０２の強度の入射角依存性を測定すると、膜厚ｔの薄膜１０４の表面で反射された反射ビームと、薄膜１０４と基板１０３との界面で反射された反射ビームとが干渉して、その強度が振動する。
【０００６】
この強度の振動の周期は膜厚ｔの関数であり、振動の周期と強度から、薄膜１０４の膜厚ｔ（ｎｍ）の他、薄膜１０４の表面及び界面の凹凸形状（ラフネス）σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）等といった薄膜１０４の構造パラメータを非破壊で評価することができる（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００７】
このように、Ｘ線・中性子線を利用した反射率分析法は、薄膜１０４の表面または界面での反射強度の入射角依存性を測定することにより、その構造パラメータを求めることができる。
【特許文献１】特開２００２−３６５２４２号公報
【特許文献２】特許第２７２０１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した構造パラメータを得るためには、計算モデルで予め算出した反射率パターンと、測定データから求めた反射率とをフィッティングし、その差が最小になるように計算を行い、最終的な構造パラメータを導出する。このとき、構造パラメータを導出する解が多種存在し、算出した構造パラメータの結果に任意性が残るという問題点があった。
【０００９】
また、反射率分析法では、薄膜１０４の表面の凹凸形状や薄膜１０４の表面近傍の密度等の解析は高精度に行うことができるものの、基板１０３と薄膜１０４の界面付近については、その部分から放射されるＸ線・中性子線の強度が減衰し、基板１０３と薄膜１０４との界面の凹凸パラメータの決定精度が低いという問題点があった。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高精度に薄膜の構造を解析することのできる試料分析装置及び試料分析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では上記課題を解決するために、図１に例示する構成で実現可能な試料分析装置１が提供される。本発明の試料分析装置１は、基板上に薄膜が形成された試料１２に、Ｘ線あるいは中性子線を照射し、薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置１であり、試料１２を反射したＸ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、試料１２を透過したＸ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
図１に示すような試料分析装置１によれば、基板上に薄膜が形成された試料１２に、Ｘ線あるいは中性子線が照射され、薄膜の構造パラメータを解析するときに用いられる測定データとして、試料１２を反射したＸ線あるいは中性子線の強度が測定されると共に、試料１２を透過したＸ線あるいは中性子線の強度が測定される。
【００１３】
また、本発明では、基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、前記Ｘ線あるいは中性子線の前記試料による反射ビーム強度及び透過ビーム強度の測定データを取得するステップと、前記薄膜の構造パラメータの初期値を設定し、前記初期値から前記薄膜の反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルを算出するステップと、前記測定データと前記理論モデルとの残差二乗和を算出するステップと、前記初期値を変化させながら、前記残差二乗和が目標値以下または最小になる前記構造パラメータを導出するステップと、を有することを特徴とする試料分析方法が提供される。
【００１４】
このような試料分析方法によれば、基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線が照射され、Ｘ線あるいは中性子線の試料による反射ビーム強度及び透過ビーム強度の測定データが取得され、薄膜の構造パラメータの初期値を設定し、初期値から薄膜の反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルが算出され、測定データと理論モデルとの残差二乗和が算出され、初期値を変化させながら、残差二乗和が目標値以下または最小になる構造パラメータが導出される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、基板上に薄膜が形成された試料に、Ｘ線あるいは中性子線を照射し、薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置において、試料を反射したＸ線あるいは中性子線の強度を測定すると共に、試料を透過したＸ線あるいは中性子線の強度を測定するようにした。
【００１６】
また、本発明では、基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、Ｘ線あるいは中性子線の試料による反射ビーム強度及び透過ビーム強度の測定データを取得し、薄膜の構造パラメータの初期値を設定し、初期値から薄膜の反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルを算出し、測定データと理論モデルとの残差二乗和を算出し、初期値を変化させながら、残差二乗和が目標値以下または最小になる構造パラメータを導出するようにした。
【００１７】
これにより、高精度に薄膜の構造を解析することのできる試料分析装置及び試料分析方法が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は試料分析装置の要部構成を説明する図である。
図示する試料分析装置１は、Ｘ線あるいは中性子線を放射するビーム源１０と、ビーム源１０から放射されるビーム１１を試料１２に導く光学系１３とを有している。そして、試料１２は、入射ビームに対する試料１２の入射角度（θ）を調整する試料回転機構（不図示）によって支持され、試料１２から反射された反射ビームを検出する検出器１４と、試料１２の内部を透過した透過ビームを検出する検出器１５とを有している。また、試料分析装置１は、試料１２から検出器１４に反射された反射ビームの反射角度（２θ）を調節するための検出器回転機構１６を備えている。
【００１９】
ここで、ビーム源１０としては、たとえばＸ線管球、回転対陰極または放射光あるいは原子炉やイオン加速器からの中性子線を用いる。また、光学系１３は、スリット２０，２１と、分光器２２とを備え、スリット２０，２１によって、ビーム源１０から放射されたビーム１１が所定の形状に成形される。また、分光器２２によって、ビーム源１０から放射されたビーム１１が所定の波長λのビームに分光される。
【００２０】
検出器１４，１５については、イオンチェンバ、シンチレーションカウンタ、フォトダイオード、ＳＳＤ（Solid State Detector）、ＳＤＤ（Silicon Drift Detector）等を用いる。また、スリット２３，２４によって検出器１４，１５に入射されるビームが所定の形状に成形される。
【００２１】
そして、試料１２に対する入射ビームの入射角θを試料回転機構によって変化または固定させる。入射角θを変化させる場合には、試料１２から反射した反射ビームの強度を検出器回転機構１６との連動により、所謂θ−２θ法で測定する。また、検出器１５については、入射ビームの延長線の位置（入射ビームの光軸上）に設置し、試料１２を透過した透過ビームの強度を測定する。このようなビーム源１０、分光器２２、試料回転機構、検出器回転機構１６及び検出器１４，１５は、制御部３０によって制御されている。
【００２２】
そして、検出器１４，１５で検出されたビームは、演算部３１内に設けられた解析装置によって、反射率、透過率に変換され、試料に形成された単層または多層構造の薄膜の構造パラメータが求められる。例えば、構造パラメータとして、膜厚ｔ（ｎｍ）、表面及び界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎが求められる。解析されたｔ，σ，ρ，ｎの結果については、出力部３２に出力される。また、この図では、図示されていないが、試料１２に磁場を印加させる場合に対応するため、試料分析装置１には、試料１２の磁場誘導手段が備えられている（後述）。さらに、ビーム１１としては、直線偏光のビーム１１に限らず、円偏光のビーム１１を用いてもよい。
【００２３】
このように、試料分析装置１は、基板上に薄膜が形成された試料１２に、ビームを照射し、薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置１であり、試料１２を反射したビームの反射強度を測定する測定手段と、試料１２を透過したビームの透過強度を測定する測定手段と、を備えている。
【００２４】
図２は試料分析装置の拡大図であり、（Ａ）は試料の表面からビームを入射させた場合の試料分析を説明する模式図であり、（Ｂ）は試料の裏面からビームを入射させた場合の試料分析を説明する模式図である。
【００２５】
この図では、図１の試料１２、入射ビーム１１ａ、反射ビーム１１ｂ及び透過ビーム１１ｃの拡大図が示されている。また、試料１２内でのビーム１１の干渉作用が模式的に表され、複数本の反射ビーム１１ｂ、透過ビーム１１ｃが表されている。
【００２６】
本実施の形態では、図（Ａ）に示すように、試料１２の基板として、薄いシート状のメンブレン１２ａを用いている。そして、メンブレン１２ａ上に被検体である薄膜１２ｂが形成されている。ここで、薄膜１２ｂについては、単層構造でもよく、多層構造でもよい。また、図示はしてないが、メンブレン１２ａと薄膜１２ｂとの界面に、例えば、酸化膜、変質層のような界面層が形成されていてもよい。なお、メンブレン１２ａについては、構造パラメータが既知のものを用いる。
【００２７】
試料１２の薄膜１２ｂ側から反射された反射ビーム１１ｂの強度は、所謂θ−２θ法によって、検出器１４で測定される。また、試料１２の内部を透過し、メンブレン１２ａ側から透過した透過ビーム１１ｃの強度は、入射ビーム１１ａの延長線の位置で、検出器１５で測定される。そして、測定された反射ビーム１１ｂ及び透過ビーム１１ｃの強度から、試料１２によるＸ線・中性子線の反射率及び透過率が測定される。
【００２８】
従来の方法では、試料の表面で反射された反射ビームのみを検出して、反射ビームの測定データから試料に形成させた薄膜の構造パラメータを解析していたために、測定データを計算モデルによって再現する解が一意に決まる充分な個数の測定データが得られなかったが、上記の方法によれば、試料１２によるビームの反射率の他、透過率も測定されるので、測定データが増加し、構造パラメータを解析するときの解の任意性を低減させることができる。その結果、試料１２の形成させた薄膜１２ｂの膜厚ｔ（ｎｍ）、表面及び界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎを高精度に測定することができる。
【００２９】
例えば、従来の反射率分析法では、変数ｐを薄膜の膜厚ｔ、表面・界面の凹凸形状σ、密度ρのような構造パラメータとし、Ｒcal,iを計算モデルによって算出される反射率とし、Ｒdata,iを実際に測定した反射率とし、ｗiを各データ点での比重（重み）とした場合、データ点ｉを複数採取し、残差二乗和χ2＝Σ（Ｒcal,i（ｐ）−Ｒdata,i）2／ｗi2のχ2が最小になるようなｐ（ｔ，σ，ρ）を算出していた。
【００３０】
しかし、本発明では、さらにＴcal,iを計算モデルによって算出された透過率とし、Ｔdata,iを測定した透過率として、残差二乗和の式に、透過率の項を加えている。即ち、残差二乗和χ2＝Σ（Ｒcal,i（ｐ）−Ｒdata,i）2／ｗi2＋Σ（Ｔcal,i（ｐ）−Ｔdata,i）2／ｗi2のχ2が最小になるようなｐ（ｔ，σ，ρ）を算出する。従って、同じ数の構造パラメータｐ（ｔ，σ，ρ）に対して、データ量が２倍になっているので、ｐ（ｔ，σ，ρ）を決定する精度が向上する。
【００３１】
また、図（Ｂ）に、図（Ａ）とは異なる測定方法を示す。
図（Ｂ）では、試料１２の基板として、シート状のメンブレン１２ａを用い、試料１２の裏面（メンブレン１２ａ側）に入射ビーム１１ａを照射させ、試料１２のメンブレン１２ａ側から反射された反射ビーム１１ｂを所謂θ−２θ法で、検出器１４で測定する。また、試料１２の内部を透過し、薄膜１２ｂ側から透過した透過ビーム１１ｃを入射ビーム１１ａの延長線上で、検出器１５で測定する。
【００３２】
従来の方法では、試料の表面（薄膜側）から入射ビームを照射し、試料から反射される反射ビームを検出して、基板に形成させた薄膜の構造パラメータを解析していた。この場合、基板と薄膜の界面付近から発せられるビームの強度は、試料の内部で減衰するため、基板と薄膜の界面の測定データの感度が低下し、基板と薄膜の界面付近の構造パラメータ、特に、界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎを決定する精度が低下していた。
【００３３】
しかし、本実施の形態では、試料１２の裏側（メンブレン１２ａ側）からＸ線・中性子線を入射し、試料１２の反射率及び透過率を測定している。従って、同じ数の構造パラメータｐ（ｔ，σ，ρ，ｎ）に対して、データ量が２倍になっているので、ｐ（ｔ，σ，ρ，ｎ）を決定する精度が向上する。特に、試料１２の裏側（メンブレン１２ａ側）からＸ線・中性子線を入射するので、メンブレン１２ａと薄膜１２ｂの界面付近に界面層、例えば、酸化膜、変質層が存在する場合は、該界面層の厚さ（ｔ）、凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎを高精度に解析することができる。
【００３４】
また、メンブレン１２ａについては、薄膜１２ｂの厚みよりも相対的に厚いメンブレン１２ａを基板として使用することも可能である。これにより、メンブレン１２ａ自体によるビームの干渉の影響は緩和し、メンブレン１２ａと薄膜１２ｂの界面での干渉が顕著になる。従って、図（Ｂ）に示す方法によれば、基板と薄膜の界面付近の層の凹凸形状σ、密度ρの解析を高精度に行うことができる。
【００３５】
ここで、図２に示すメンブレン１２ａの厚みは、１０ｎｍ〜１ｍｍである。１０ｎｍより小さい膜厚では機械的な強度が不充分になり、測定時に試料１２が変形するからである。また、３０ｋｅＶ以下のビーム１１を用いた場合に、少なくとも５０％以上透過率を得るためには、１ｍｍ以下のメンブレン１２ａを用いることが望ましい。１ｍｍより厚いメンブレン１２ａでは、充分な透過率が得られなくなるからである。
【００３６】
また、メンブレン１２ａの材質は、シリコン（Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ボロン（ＢＮ）、炭素（Ｃ）、炭素を含有した窒化ボロン（ＢＮＣ）、アルミニウム（Ａｌ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の無機系の材料が挙げられる。
【００３７】
また、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリイミド（ＰＩ）等の有機系の材料が挙げられる。
【００３８】
次に、試料分析装置１を用いての試料分析方法をフローチャートを用いて説明する。
図３は試料分析方法を説明するフロー図である。
先ず、所定の波長λのビーム１１を試料１２に照射し、θ−２θ法で試料１２の反射率Ｒdataを測定し、入射ビーム１１ａの延長線上で試料１２の透過率Ｔdataを測定する（ステップＳ１）。ここで、実際に測定したデータの一例を説明する。図４は測定データを説明するための図である。この図は、窒化シリコンで構成された膜厚が３００Åのメンブレン上に、１００Åのイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）膜を形成した試料を用いて、反射率と透過率を測定した結果である。ビームとして、Ｘ線ビームを用い、その波長を１６．２Åに単色化している。また、図の横軸は２θ（ｄｅｇ）を表し、左縦軸は対数表示の反射率を表し、右縦軸は、透過率を表している。データの計測時間は１秒／１点で、測定点数は３００点程度である。このような測定データがステップＳ１で得られる。
【００３９】
次に、図３に示すように、構造パラメータとして、例えば、薄膜１２ｂの膜厚ｔ（ｎｍ）、表面及び界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎの初期値が入力される（ステップＳ２）。この初期値とは、薄膜１２ｂの構造パラメータを予め予想した推定値である。なお、密度ρと屈折率ｎについては、いずれか一方を入力してもよい。薄膜１２ｂの屈折率ｎは、データベース化された各材料の薄膜の密度データから計算でき、密度ρと屈折率ｎとは、相互に換算できるからである。また、多層構造の薄膜１２ｂの場合には、ステップＳ２において、各層の膜厚ｔ（ｎｍ）、表面及び界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎの初期値が入力される。
【００４０】
続いて、理論モデル（例えば、B.Vidal and P.Vincent,Appl.Opt.1794(1984)参照）によって、初期値の構造パラメータを基に、薄膜１２ｂの反射率Ｒcalパターン及び透過率Ｔcalパターンが計算される（ステップＳ３）。
【００４１】
そして、反射率Ｒdataと反射率Ｒcalパターンとの残差二乗和、透過率Ｔdataと透過率Ｔcalパターンとの残差二乗和を合計した全体の残差二乗和χ2（χ2＝Σ（Ｒcal,i（ｐ）−Ｒdata,i）2／ｗi2＋Σ（Ｔcal,i（ｐ）−Ｔdata,i）2／ｗi2）が計算され（ステップＳ４）、χ2の大小が判断される（ステップＳ５）。即ち、χ2が目標値χ02（≦１０-5）よりも小さい場合は、ステップＳ３で用いた構造パラメータを解析結果として出力部３２に出力し（ステップＳ６）、χ2が目的値χ02以上の場合は、計算結果の構造パラメータが再設定され（ステップＳ７）、χ2が目的値χ02よりも小さくなる条件を満たすまでステップＳ３〜ステップＳ５のルーチンを繰り返す計算が行われる。そして、χ2が目的値χ02よりも小さくなる条件に到達した段階で、その段階でのステップＳ３で用いた構造パラメータを解析結果として出力部３２に出力する。
【００４２】
また、χ2に目標値χ02を特に定めない場合には、決められた回数、ステップＳ３〜ステップＳ５のルーチンでχ2の計算を行い、χ2が最小になるような構造パラメータを導出してもよい。
【００４３】
このように、本実施の形態の試料分析方法では、メンブレン１２ａ上に薄膜１２ｂが形成された試料１２に、ビーム１１が照射され、Ｘ線・中性子線の試料１２による反射ビーム強度としての反射率及び透過ビーム強度としての透過率の測定データが取得される。次に、薄膜１２ｂの構造パラメータの初期値を設定し、この初期値から薄膜１２ｂの反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルが算出される。そして、測定データと理論モデルとの残差二乗和が算出され、初期値を変化させながら、残差二乗和が目標値以下または最小になる構造パラメータが導出される。
【００４４】
続いて、本実施の形態の変形例について説明する。
上記の反射率及び透過率を同時に測定する試料分析法は、Ｘ線の吸収端分析であるＸＡＦＳ（X-ray Absorption Fine Structure）にも応用することができる。
【００４５】
従来のＸＡＦＳでは、Ｘ線の入射エネルギーを変化させながら、試料にＸ線を垂直に入射させ、薄膜中に含有される元素、元素間距離、価数等といった化学結合状態を解析していたが、これらは、試料に垂直に透過させたＸ線ビームのパスから放射される測定データから、元素、元素間距離、価数等といった局所構造を解析しているに過ぎない。
【００４６】
しかし、本実施の形態の変形例では、図１、図２に示す装置構成、図３に示す試料分析方法で、ビーム１１の入射エネルギーを変化させながら、透過率と同時に反射率を測定する。但し、入射角θと反射角度（２θ）については、固定して、透過率と反射率とを測定する。
【００４７】
これにより、構造パラメータを解析するための測定データが増加し、構造パラメータを解析するときの解の任意性を低減させることができる。その結果、薄膜１２ｂの局所構造と、膜厚ｔ（ｎｍ）、表面及び界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎといった薄膜１２ｂの構造パラメータを高精度に測定することができる。特に、ＸＡＦＳは、薄膜の化学結合状態を解析できることから、反射率及び透過率とを測定することにより、薄膜の深さ方向の密度分布の理論モデルと測定データとの残差二乗和を所定の値以下または最小にすることによって、薄膜の深さ方向の密度分布を高精度に測定することができる。
【００４８】
また、このようなＸ線の吸収端エネルギーを利用する方法は、Ｘ線の磁気共鳴散乱及び磁気共鳴吸収にも転用させることができる。例えば、試料１２に磁場を誘導し、元素の吸収端エネルギー付近で測定を行う磁気共鳴吸収分析または磁気共鳴散乱分析においても、通常の透過率と同時に反射率を測定する。その結果、磁気共鳴吸収分析または磁気共鳴散乱分析においても測定データが増加し、構造パラメータを解析するときの解の任意性を低減させることができる。特に、薄膜１２ｂの磁化率の分布について、高精度に測定することができる。この場合、ビーム１１としては、直線偏光のビーム１１に限らず、円偏光のビーム１１を用いてもよい。
【００４９】
次に、本実施の形態の別の変形例について説明する。
上記の反射率及び透過率を同時に測定する試料分析法は、多層周期膜構造の試料において、反射角２θを超格子ピークの位置に選ぶことにより、薄膜中に定在波を発生させた定在波ＸＡＦＳにも、応用することができる。
【００５０】
図５は本実施の形態の定在波ＸＡＦＳの原理を説明する模式図である。
この図に示すように、入射角θと反射角度（２θ）とを調整し、試料１２中のＸ線の干渉作用を利用して薄膜１２ｂの目的の深さの位置にＸ線の定在波の腹１１ｄを形成させる。定在波ＸＡＦＳでは、このような腹１１ｄを薄膜１２ｂに形成させることにより、腹１１ｄの位置での測定データの感度が向上し、該部分での構造パラメータの解析を高精度に行うことができる。
【００５１】
従来の定在波ＸＡＦＳでは、薄膜１２ｂ側から放出される光電子、蛍光を測定し、光電子、蛍光から薄膜１２ｂの構造を解析しているに過ぎないが、この変形例では、図示するように、薄いシート状のメンブレン１２ａに薄膜１２ｂを形成させたものを試料１２として用い、薄膜１２ｂの反射率と同時に透過率を測定する。従って、定在波ＸＡＦＳの測定においても、測定データが増加し、構造パラメータを解析するときの解の任意性を低減させることができる。その結果、目的の深さの位置の薄膜の局所構造をさらに高精度に測定することができる。そして、この方法は、定在波ＸＡＦＳに限らず、定在波ＭＣＤ（Magnetic Circular Dichroism：磁気円二色性測定）にも転用することができる。
【００５２】
なお、上記の実施の形態で、試料に入射させる入射ビームの例として、Ｘ線のみを用いている実施例では、特にＸ線に限ることはない。例えば、軽原子や磁性に対して、高いコントラストを有する中性子線を用いてもよい。
【００５３】
また、入射ビームとして中性子線を用いることにより、数ｎｍの超極薄の薄膜の構造パラメータを高精度に解析することができる。
（付記１） 基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、前記薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置において、
前記試料を反射した前記Ｘ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、
前記試料を透過した前記Ｘ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、
を備えたことを特徴とする試料分析装置。
【００５４】
（付記２） 前記基板が１０ｎｍ〜１ｍｍの厚みのメンブレンであることを特徴とする付記１記載の試料分析装置。
（付記３） 前記メンブレンの材質がシリコン（Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ボロン（ＢＮ）、炭素（Ｃ）、炭素を含有した窒化ボロン（ＢＮＣ）、アルミニウム（Ａｌ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリイミド（ＰＩ）であることを特徴とする付記２記載の試料分析装置。
【００５５】
（付記４） 前記試料に磁場を誘導させる磁場誘導手段が備えられていることを特徴とする付記１記載の試料分析装置。
（付記５） 前記Ｘ線あるいは中性子線の偏光が直線偏光または円偏光であることを特徴とする付記１記載の試料分析装置。
【００５６】
（付記６） 基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、前記Ｘ線あるいは中性子線の前記試料による反射ビーム強度及び透過ビーム強度の測定データを取得するステップと、
前記薄膜の構造パラメータの初期値を設定し、前記初期値から前記薄膜の反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルを算出するステップと、
前記測定データと前記理論モデルとの残差二乗和を算出するステップと、
前記初期値を変化させながら、前記残差二乗和が目標値以下または最小になる前記構造パラメータを導出するステップと、
を有することを特徴とする試料分析方法。
【００５７】
（付記７） 前記測定データのうち、前記反射率をθ−２θ法で測定し、前記透過率を前記Ｘ線あるいは中性子線の入射ビームの延長線の位置で測定することを特徴とする付記６記載の試料分析方法。
【００５８】
（付記８） 前記試料の前記基板側から前記Ｘ線あるいは中性子線を照射し、前記測定データを測定することを特徴とする付記６記載の試料分析方法。
（付記９） 前記Ｘ線あるいは中性子線の入射エネルギーを変化させて、前記測定データを測定することを特徴とする付記６または８記載の試料分析方法。
【００５９】
（付記１０） 前記試料に磁場を誘導し、前記測定データを測定することを特徴とする付記９記載の試料分析方法。
（付記１１） 前記薄膜中に前記Ｘ線あるいは中性子線の定在波を形成させて、前記測定データを測定することを特徴とする付記６乃至８のいずれか一項に記載の試料分析方法。
【００６０】
（付記１２） 前記構造パラメータが前記薄膜の膜厚、凹凸形状、密度、屈折率、磁化率のいずれかであることを特徴とする付記６記載の試料分析方法。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】試料分析装置の要部構成を説明する図である。
【図２】試料分析装置の拡大図であり、（Ａ）は試料の表面からビームを入射させた場合の試料分析を説明する模式図であり、（Ｂ）は試料の裏面からビームを入射させた場合の試料分析を説明する模式図である。
【図３】試料分析方法を説明するフロー図である。
【図４】測定データを説明するための図である。
【図５】本実施の形態の定在波ＸＡＦＳの原理を説明する模式図である。
【図６】反射率分析法の概要を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 試料分析装置
１０ ビーム源
１１ ビーム
１１ａ 入射ビーム
１１ｂ 反射ビーム
１１ｃ 透過ビーム
１２ 試料
１２ａ メンブレン
１２ｂ 薄膜
１３ 光学系
１４，１５ 検出器
１６ 検出器回転機構
２０，２１，２３，２４ スリット
２２ 分光器
３０ 制御部
３１ 演算部
３２ 出力部
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料分析装置及び試料分析方法に関し、特に薄膜構造を解析する試料分析装置及び試料分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線・中性子線反射率分析法（Grazing Incidence X-Ray／Neutron Reflectivity technique）は薄膜が形成された試料に、Ｘ線・中性子線を入射し、試料から反射されたＸ線・中性子線の干渉パターンから薄膜の膜厚、表面や界面の凹凸形状、密度等の構造パラメータを解析する方法である。この方法は、光学的に不透明な金属薄膜や非結晶膜、極薄膜でも評価が可能であり、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタに形成された極薄膜の評価や、磁気ヘッドの多層膜の評価等、先端薄膜材料の評価に利用されている。
【０００３】
ところで、その方法は、基板上に膜厚ｔの薄膜が存在する場合、試料に対する入射ビームの入射角（θ）を変化させながら、角度２θに現れる反射ビームの強度を測定するものである。ここで、入射ビームとは、入射Ｘ線あるいは入射中性子線であり、反射ビームとは、反射Ｘ線あるいは反射中性子線である。さらに、以下では、透過Ｘ線あるいは透過中性子線を透過ビームと呼ぶ。
【０００４】
図６は反射率分析法の概要を説明するための図である。
図示する入射角（θ）とは、入射ビーム１００が試料１０１の表面に対してなす角度であり、２θとは、試料１０１の表面で反射された反射ビーム１０２が、入射ビーム１００の光軸Ａ−Ａに対してなす角度である。
【０００５】
そして、試料１０１の基板１０３上に形成させた薄膜１０４の表面または薄膜１０４と基板１０３との界面から放射される反射ビーム１０２の強度の入射角依存性を測定すると、膜厚ｔの薄膜１０４の表面で反射された反射ビームと、薄膜１０４と基板１０３との界面で反射された反射ビームとが干渉して、その強度が振動する。
【０００６】
この強度の振動の周期は膜厚ｔの関数であり、振動の周期と強度から、薄膜１０４の膜厚ｔ（ｎｍ）の他、薄膜１０４の表面及び界面の凹凸形状（ラフネス）σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）等といった薄膜１０４の構造パラメータを非破壊で評価することができる（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００７】
このように、Ｘ線・中性子線を利用した反射率分析法は、薄膜１０４の表面または界面での反射強度の入射角依存性を測定することにより、その構造パラメータを求めることができる。
【特許文献１】特開２００２−３６５２４２号公報
【特許文献２】特許第２７２０１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した構造パラメータを得るためには、計算モデルで予め算出した反射率パターンと、測定データから求めた反射率とをフィッティングし、その差が最小になるように計算を行い、最終的な構造パラメータを導出する。このとき、構造パラメータを導出する解が多種存在し、算出した構造パラメータの結果に任意性が残るという問題点があった。
【０００９】
また、反射率分析法では、薄膜１０４の表面の凹凸形状や薄膜１０４の表面近傍の密度等の解析は高精度に行うことができるものの、基板１０３と薄膜１０４の界面付近については、その部分から放射されるＸ線・中性子線の強度が減衰し、基板１０３と薄膜１０４との界面の凹凸パラメータの決定精度が低いという問題点があった。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高精度に薄膜の構造を解析することのできる試料分析装置及び試料分析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では上記課題を解決するために、図１に例示する構成で実現可能な試料分析装置１が提供される。本発明の試料分析装置１は、基板上に薄膜が形成された試料１２に、Ｘ線あるいは中性子線を照射し、薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置１であり、試料１２を反射したＸ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、試料１２を透過したＸ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
図１に示すような試料分析装置１によれば、基板上に薄膜が形成された試料１２に、Ｘ線あるいは中性子線が照射され、薄膜の構造パラメータを解析するときに用いられる測定データとして、試料１２を反射したＸ線あるいは中性子線の強度が測定されると共に、試料１２を透過したＸ線あるいは中性子線の強度が測定される。
【００１３】
また、本発明では、基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、前記Ｘ線あるいは中性子線の前記試料による反射ビーム強度及び透過ビーム強度の測定データを取得するステップと、前記薄膜の構造パラメータの初期値を設定し、前記初期値から前記薄膜の反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルを算出するステップと、前記測定データと前記理論モデルとの残差二乗和を算出するステップと、前記初期値を変化させながら、前記残差二乗和が目標値以下または最小になる前記構造パラメータを導出するステップと、を有することを特徴とする試料分析方法が提供される。
【００１４】
このような試料分析方法によれば、基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線が照射され、Ｘ線あるいは中性子線の試料による反射ビーム強度及び透過ビーム強度の測定データが取得され、薄膜の構造パラメータの初期値を設定し、初期値から薄膜の反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルが算出され、測定データと理論モデルとの残差二乗和が算出され、初期値を変化させながら、残差二乗和が目標値以下または最小になる構造パラメータが導出される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、基板上に薄膜が形成された試料に、Ｘ線あるいは中性子線を照射し、薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置において、試料を反射したＸ線あるいは中性子線の強度を測定すると共に、試料を透過したＸ線あるいは中性子線の強度を測定するようにした。
【００１６】
また、本発明では、基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、Ｘ線あるいは中性子線の試料による反射ビーム強度及び透過ビーム強度の測定データを取得し、薄膜の構造パラメータの初期値を設定し、初期値から薄膜の反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルを算出し、測定データと理論モデルとの残差二乗和を算出し、初期値を変化させながら、残差二乗和が目標値以下または最小になる構造パラメータを導出するようにした。
【００１７】
これにより、高精度に薄膜の構造を解析することのできる試料分析装置及び試料分析方法が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は試料分析装置の要部構成を説明する図である。
図示する試料分析装置１は、Ｘ線あるいは中性子線を放射するビーム源１０と、ビーム源１０から放射されるビーム１１を試料１２に導く光学系１３とを有している。そして、試料１２は、入射ビームに対する試料１２の入射角度（θ）を調整する試料回転機構（不図示）によって支持され、試料１２から反射された反射ビームを検出する検出器１４と、試料１２の内部を透過した透過ビームを検出する検出器１５とを有している。また、試料分析装置１は、試料１２から検出器１４に反射された反射ビームの反射角度（２θ）を調節するための検出器回転機構１６を備えている。
【００１９】
ここで、ビーム源１０としては、たとえばＸ線管球、回転対陰極または放射光あるいは原子炉やイオン加速器からの中性子線を用いる。また、光学系１３は、スリット２０，２１と、分光器２２とを備え、スリット２０，２１によって、ビーム源１０から放射されたビーム１１が所定の形状に成形される。また、分光器２２によって、ビーム源１０から放射されたビーム１１が所定の波長λのビームに分光される。
【００２０】
検出器１４，１５については、イオンチェンバ、シンチレーションカウンタ、フォトダイオード、ＳＳＤ（Solid State Detector）、ＳＤＤ（Silicon Drift Detector）等を用いる。また、スリット２３，２４によって検出器１４，１５に入射されるビームが所定の形状に成形される。
【００２１】
そして、試料１２に対する入射ビームの入射角θを試料回転機構によって変化または固定させる。入射角θを変化させる場合には、試料１２から反射した反射ビームの強度を検出器回転機構１６との連動により、所謂θ−２θ法で測定する。また、検出器１５については、入射ビームの延長線の位置（入射ビームの光軸上）に設置し、試料１２を透過した透過ビームの強度を測定する。このようなビーム源１０、分光器２２、試料回転機構、検出器回転機構１６及び検出器１４，１５は、制御部３０によって制御されている。
【００２２】
そして、検出器１４，１５で検出されたビームは、演算部３１内に設けられた解析装置によって、反射率、透過率に変換され、試料に形成された単層または多層構造の薄膜の構造パラメータが求められる。例えば、構造パラメータとして、膜厚ｔ（ｎｍ）、表面及び界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎが求められる。解析されたｔ，σ，ρ，ｎの結果については、出力部３２に出力される。また、この図では、図示されていないが、試料１２に磁場を印加させる場合に対応するため、試料分析装置１には、試料１２の磁場誘導手段が備えられている（後述）。さらに、ビーム１１としては、直線偏光のビーム１１に限らず、円偏光のビーム１１を用いてもよい。
【００２３】
このように、試料分析装置１は、基板上に薄膜が形成された試料１２に、ビームを照射し、薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置１であり、試料１２を反射したビームの反射強度を測定する測定手段と、試料１２を透過したビームの透過強度を測定する測定手段と、を備えている。
【００２４】
図２は試料分析装置の拡大図であり、（Ａ）は試料の表面からビームを入射させた場合の試料分析を説明する模式図であり、（Ｂ）は試料の裏面からビームを入射させた場合の試料分析を説明する模式図である。
【００２５】
この図では、図１の試料１２、入射ビーム１１ａ、反射ビーム１１ｂ及び透過ビーム１１ｃの拡大図が示されている。また、試料１２内でのビーム１１の干渉作用が模式的に表され、複数本の反射ビーム１１ｂ、透過ビーム１１ｃが表されている。
【００２６】
本実施の形態では、図（Ａ）に示すように、試料１２の基板として、薄いシート状のメンブレン１２ａを用いている。そして、メンブレン１２ａ上に被検体である薄膜１２ｂが形成されている。ここで、薄膜１２ｂについては、単層構造でもよく、多層構造でもよい。また、図示はしてないが、メンブレン１２ａと薄膜１２ｂとの界面に、例えば、酸化膜、変質層のような界面層が形成されていてもよい。なお、メンブレン１２ａについては、構造パラメータが既知のものを用いる。
【００２７】
試料１２の薄膜１２ｂ側から反射された反射ビーム１１ｂの強度は、所謂θ−２θ法によって、検出器１４で測定される。また、試料１２の内部を透過し、メンブレン１２ａ側から透過した透過ビーム１１ｃの強度は、入射ビーム１１ａの延長線の位置で、検出器１５で測定される。そして、測定された反射ビーム１１ｂ及び透過ビーム１１ｃの強度から、試料１２によるＸ線・中性子線の反射率及び透過率が測定される。
【００２８】
従来の方法では、試料の表面で反射された反射ビームのみを検出して、反射ビームの測定データから試料に形成させた薄膜の構造パラメータを解析していたために、測定データを計算モデルによって再現する解が一意に決まる充分な個数の測定データが得られなかったが、上記の方法によれば、試料１２によるビームの反射率の他、透過率も測定されるので、測定データが増加し、構造パラメータを解析するときの解の任意性を低減させることができる。その結果、試料１２の形成させた薄膜１２ｂの膜厚ｔ（ｎｍ）、表面及び界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎを高精度に測定することができる。
【００２９】
例えば、従来の反射率分析法では、変数ｐを薄膜の膜厚ｔ、表面・界面の凹凸形状σ、密度ρのような構造パラメータとし、Ｒcal,iを計算モデルによって算出される反射率とし、Ｒdata,iを実際に測定した反射率とし、ｗiを各データ点での比重（重み）とした場合、データ点ｉを複数採取し、残差二乗和χ2＝Σ（Ｒcal,i（ｐ）−Ｒdata,i）2／ｗi2のχ2が最小になるようなｐ（ｔ，σ，ρ）を算出していた。
【００３０】
しかし、本発明では、さらにＴcal,iを計算モデルによって算出された透過率とし、Ｔdata,iを測定した透過率として、残差二乗和の式に、透過率の項を加えている。即ち、残差二乗和χ2＝Σ（Ｒcal,i（ｐ）−Ｒdata,i）2／ｗi2＋Σ（Ｔcal,i（ｐ）−Ｔdata,i）2／ｗi2のχ2が最小になるようなｐ（ｔ，σ，ρ）を算出する。従って、同じ数の構造パラメータｐ（ｔ，σ，ρ）に対して、データ量が２倍になっているので、ｐ（ｔ，σ，ρ）を決定する精度が向上する。
【００３１】
また、図（Ｂ）に、図（Ａ）とは異なる測定方法を示す。
図（Ｂ）では、試料１２の基板として、シート状のメンブレン１２ａを用い、試料１２の裏面（メンブレン１２ａ側）に入射ビーム１１ａを照射させ、試料１２のメンブレン１２ａ側から反射された反射ビーム１１ｂを所謂θ−２θ法で、検出器１４で測定する。また、試料１２の内部を透過し、薄膜１２ｂ側から透過した透過ビーム１１ｃを入射ビーム１１ａの延長線上で、検出器１５で測定する。
【００３２】
従来の方法では、試料の表面（薄膜側）から入射ビームを照射し、試料から反射される反射ビームを検出して、基板に形成させた薄膜の構造パラメータを解析していた。この場合、基板と薄膜の界面付近から発せられるビームの強度は、試料の内部で減衰するため、基板と薄膜の界面の測定データの感度が低下し、基板と薄膜の界面付近の構造パラメータ、特に、界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎを決定する精度が低下していた。
【００３３】
しかし、本実施の形態では、試料１２の裏側（メンブレン１２ａ側）からＸ線・中性子線を入射し、試料１２の反射率及び透過率を測定している。従って、同じ数の構造パラメータｐ（ｔ，σ，ρ，ｎ）に対して、データ量が２倍になっているので、ｐ（ｔ，σ，ρ，ｎ）を決定する精度が向上する。特に、試料１２の裏側（メンブレン１２ａ側）からＸ線・中性子線を入射するので、メンブレン１２ａと薄膜１２ｂの界面付近に界面層、例えば、酸化膜、変質層が存在する場合は、該界面層の厚さ（ｔ）、凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎを高精度に解析することができる。
【００３４】
また、メンブレン１２ａについては、薄膜１２ｂの厚みよりも相対的に厚いメンブレン１２ａを基板として使用することも可能である。これにより、メンブレン１２ａ自体によるビームの干渉の影響は緩和し、メンブレン１２ａと薄膜１２ｂの界面での干渉が顕著になる。従って、図（Ｂ）に示す方法によれば、基板と薄膜の界面付近の層の凹凸形状σ、密度ρの解析を高精度に行うことができる。
【００３５】
ここで、図２に示すメンブレン１２ａの厚みは、１０ｎｍ〜１ｍｍである。１０ｎｍより小さい膜厚では機械的な強度が不充分になり、測定時に試料１２が変形するからである。また、３０ｋｅＶ以下のビーム１１を用いた場合に、少なくとも５０％以上透過率を得るためには、１ｍｍ以下のメンブレン１２ａを用いることが望ましい。１ｍｍより厚いメンブレン１２ａでは、充分な透過率が得られなくなるからである。
【００３６】
また、メンブレン１２ａの材質は、シリコン（Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ボロン（ＢＮ）、炭素（Ｃ）、炭素を含有した窒化ボロン（ＢＮＣ）、アルミニウム（Ａｌ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の無機系の材料が挙げられる。
【００３７】
また、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリイミド（ＰＩ）等の有機系の材料が挙げられる。
【００３８】
次に、試料分析装置１を用いての試料分析方法をフローチャートを用いて説明する。
図３は試料分析方法を説明するフロー図である。
先ず、所定の波長λのビーム１１を試料１２に照射し、θ−２θ法で試料１２の反射率Ｒdataを測定し、入射ビーム１１ａの延長線上で試料１２の透過率Ｔdataを測定する（ステップＳ１）。ここで、実際に測定したデータの一例を説明する。図４は測定データを説明するための図である。この図は、窒化シリコンで構成された膜厚が３００Åのメンブレン上に、１００Åのイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）膜を形成した試料を用いて、反射率と透過率を測定した結果である。ビームとして、Ｘ線ビームを用い、その波長を１６．２Åに単色化している。また、図の横軸は２θ（ｄｅｇ）を表し、左縦軸は対数表示の反射率を表し、右縦軸は、透過率を表している。データの計測時間は１秒／１点で、測定点数は３００点程度である。このような測定データがステップＳ１で得られる。
【００３９】
次に、図３に示すように、構造パラメータとして、例えば、薄膜１２ｂの膜厚ｔ（ｎｍ）、表面及び界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎの初期値が入力される（ステップＳ２）。この初期値とは、薄膜１２ｂの構造パラメータを予め予想した推定値である。なお、密度ρと屈折率ｎについては、いずれか一方を入力してもよい。薄膜１２ｂの屈折率ｎは、データベース化された各材料の薄膜の密度データから計算でき、密度ρと屈折率ｎとは、相互に換算できるからである。また、多層構造の薄膜１２ｂの場合には、ステップＳ２において、各層の膜厚ｔ（ｎｍ）、表面及び界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎの初期値が入力される。
【００４０】
続いて、理論モデル（例えば、B.Vidal and P.Vincent,Appl.Opt.1794(1984)参照）によって、初期値の構造パラメータを基に、薄膜１２ｂの反射率Ｒcalパターン及び透過率Ｔcalパターンが計算される（ステップＳ３）。
【００４１】
そして、反射率Ｒdataと反射率Ｒcalパターンとの残差二乗和、透過率Ｔdataと透過率Ｔcalパターンとの残差二乗和を合計した全体の残差二乗和χ2（χ2＝Σ（Ｒcal,i（ｐ）−Ｒdata,i）2／ｗi2＋Σ（Ｔcal,i（ｐ）−Ｔdata,i）2／ｗi2）が計算され（ステップＳ４）、χ2の大小が判断される（ステップＳ５）。即ち、χ2が目標値χ02（≦１０-5）よりも小さい場合は、ステップＳ３で用いた構造パラメータを解析結果として出力部３２に出力し（ステップＳ６）、χ2が目的値χ02以上の場合は、計算結果の構造パラメータが再設定され（ステップＳ７）、χ2が目的値χ02よりも小さくなる条件を満たすまでステップＳ３〜ステップＳ５のルーチンを繰り返す計算が行われる。そして、χ2が目的値χ02よりも小さくなる条件に到達した段階で、その段階でのステップＳ３で用いた構造パラメータを解析結果として出力部３２に出力する。
【００４２】
また、χ2に目標値χ02を特に定めない場合には、決められた回数、ステップＳ３〜ステップＳ５のルーチンでχ2の計算を行い、χ2が最小になるような構造パラメータを導出してもよい。
【００４３】
このように、本実施の形態の試料分析方法では、メンブレン１２ａ上に薄膜１２ｂが形成された試料１２に、ビーム１１が照射され、Ｘ線・中性子線の試料１２による反射ビーム強度としての反射率及び透過ビーム強度としての透過率の測定データが取得される。次に、薄膜１２ｂの構造パラメータの初期値を設定し、この初期値から薄膜１２ｂの反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルが算出される。そして、測定データと理論モデルとの残差二乗和が算出され、初期値を変化させながら、残差二乗和が目標値以下または最小になる構造パラメータが導出される。
【００４４】
続いて、本実施の形態の変形例について説明する。
上記の反射率及び透過率を同時に測定する試料分析法は、Ｘ線の吸収端分析であるＸＡＦＳ（X-ray Absorption Fine Structure）にも応用することができる。
【００４５】
従来のＸＡＦＳでは、Ｘ線の入射エネルギーを変化させながら、試料にＸ線を垂直に入射させ、薄膜中に含有される元素、元素間距離、価数等といった化学結合状態を解析していたが、これらは、試料に垂直に透過させたＸ線ビームのパスから放射される測定データから、元素、元素間距離、価数等といった局所構造を解析しているに過ぎない。
【００４６】
しかし、本実施の形態の変形例では、図１、図２に示す装置構成、図３に示す試料分析方法で、ビーム１１の入射エネルギーを変化させながら、透過率と同時に反射率を測定する。但し、入射角θと反射角度（２θ）については、固定して、透過率と反射率とを測定する。
【００４７】
これにより、構造パラメータを解析するための測定データが増加し、構造パラメータを解析するときの解の任意性を低減させることができる。その結果、薄膜１２ｂの局所構造と、膜厚ｔ（ｎｍ）、表面及び界面の凹凸形状σ（ｎｍ）、密度ρ（ｇ・ｃｍ-3）または屈折率ｎといった薄膜１２ｂの構造パラメータを高精度に測定することができる。特に、ＸＡＦＳは、薄膜の化学結合状態を解析できることから、反射率及び透過率とを測定することにより、薄膜の深さ方向の密度分布の理論モデルと測定データとの残差二乗和を所定の値以下または最小にすることによって、薄膜の深さ方向の密度分布を高精度に測定することができる。
【００４８】
また、このようなＸ線の吸収端エネルギーを利用する方法は、Ｘ線の磁気共鳴散乱及び磁気共鳴吸収にも転用させることができる。例えば、試料１２に磁場を誘導し、元素の吸収端エネルギー付近で測定を行う磁気共鳴吸収分析または磁気共鳴散乱分析においても、通常の透過率と同時に反射率を測定する。その結果、磁気共鳴吸収分析または磁気共鳴散乱分析においても測定データが増加し、構造パラメータを解析するときの解の任意性を低減させることができる。特に、薄膜１２ｂの磁化率の分布について、高精度に測定することができる。この場合、ビーム１１としては、直線偏光のビーム１１に限らず、円偏光のビーム１１を用いてもよい。
【００４９】
次に、本実施の形態の別の変形例について説明する。
上記の反射率及び透過率を同時に測定する試料分析法は、多層周期膜構造の試料において、反射角２θを超格子ピークの位置に選ぶことにより、薄膜中に定在波を発生させた定在波ＸＡＦＳにも、応用することができる。
【００５０】
図５は本実施の形態の定在波ＸＡＦＳの原理を説明する模式図である。
この図に示すように、入射角θと反射角度（２θ）とを調整し、試料１２中のＸ線の干渉作用を利用して薄膜１２ｂの目的の深さの位置にＸ線の定在波の腹１１ｄを形成させる。定在波ＸＡＦＳでは、このような腹１１ｄを薄膜１２ｂに形成させることにより、腹１１ｄの位置での測定データの感度が向上し、該部分での構造パラメータの解析を高精度に行うことができる。
【００５１】
従来の定在波ＸＡＦＳでは、薄膜１２ｂ側から放出される光電子、蛍光を測定し、光電子、蛍光から薄膜１２ｂの構造を解析しているに過ぎないが、この変形例では、図示するように、薄いシート状のメンブレン１２ａに薄膜１２ｂを形成させたものを試料１２として用い、薄膜１２ｂの反射率と同時に透過率を測定する。従って、定在波ＸＡＦＳの測定においても、測定データが増加し、構造パラメータを解析するときの解の任意性を低減させることができる。その結果、目的の深さの位置の薄膜の局所構造をさらに高精度に測定することができる。そして、この方法は、定在波ＸＡＦＳに限らず、定在波ＭＣＤ（Magnetic Circular Dichroism：磁気円二色性測定）にも転用することができる。
【００５２】
なお、上記の実施の形態で、試料に入射させる入射ビームの例として、Ｘ線のみを用いている実施例では、特にＸ線に限ることはない。例えば、軽原子や磁性に対して、高いコントラストを有する中性子線を用いてもよい。
【００５３】
また、入射ビームとして中性子線を用いることにより、数ｎｍの超極薄の薄膜の構造パラメータを高精度に解析することができる。
（付記１） 基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、前記薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置において、
前記試料を反射した前記Ｘ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、
前記試料を透過した前記Ｘ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、
を備えたことを特徴とする試料分析装置。
【００５４】
（付記２） 前記基板が１０ｎｍ〜１ｍｍの厚みのメンブレンであることを特徴とする付記１記載の試料分析装置。
（付記３） 前記メンブレンの材質がシリコン（Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ボロン（ＢＮ）、炭素（Ｃ）、炭素を含有した窒化ボロン（ＢＮＣ）、アルミニウム（Ａｌ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリイミド（ＰＩ）であることを特徴とする付記２記載の試料分析装置。
【００５５】
（付記４） 前記試料に磁場を誘導させる磁場誘導手段が備えられていることを特徴とする付記１記載の試料分析装置。
（付記５） 前記Ｘ線あるいは中性子線の偏光が直線偏光または円偏光であることを特徴とする付記１記載の試料分析装置。
【００５６】
（付記６） 基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、前記Ｘ線あるいは中性子線の前記試料による反射ビーム強度及び透過ビーム強度の測定データを取得するステップと、
前記薄膜の構造パラメータの初期値を設定し、前記初期値から前記薄膜の反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルを算出するステップと、
前記測定データと前記理論モデルとの残差二乗和を算出するステップと、
前記初期値を変化させながら、前記残差二乗和が目標値以下または最小になる前記構造パラメータを導出するステップと、
を有することを特徴とする試料分析方法。
【００５７】
（付記７） 前記測定データのうち、前記反射率をθ−２θ法で測定し、前記透過率を前記Ｘ線あるいは中性子線の入射ビームの延長線の位置で測定することを特徴とする付記６記載の試料分析方法。
【００５８】
（付記８） 前記試料の前記基板側から前記Ｘ線あるいは中性子線を照射し、前記測定データを測定することを特徴とする付記６記載の試料分析方法。
（付記９） 前記Ｘ線あるいは中性子線の入射エネルギーを変化させて、前記測定データを測定することを特徴とする付記６または８記載の試料分析方法。
【００５９】
（付記１０） 前記試料に磁場を誘導し、前記測定データを測定することを特徴とする付記９記載の試料分析方法。
（付記１１） 前記薄膜中に前記Ｘ線あるいは中性子線の定在波を形成させて、前記測定データを測定することを特徴とする付記６乃至８のいずれか一項に記載の試料分析方法。
【００６０】
（付記１２） 前記構造パラメータが前記薄膜の膜厚、凹凸形状、密度、屈折率、磁化率のいずれかであることを特徴とする付記６記載の試料分析方法。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】試料分析装置の要部構成を説明する図である。
【図２】試料分析装置の拡大図であり、（Ａ）は試料の表面からビームを入射させた場合の試料分析を説明する模式図であり、（Ｂ）は試料の裏面からビームを入射させた場合の試料分析を説明する模式図である。
【図３】試料分析方法を説明するフロー図である。
【図４】測定データを説明するための図である。
【図５】本実施の形態の定在波ＸＡＦＳの原理を説明する模式図である。
【図６】反射率分析法の概要を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 試料分析装置
１０ ビーム源
１１ ビーム
１１ａ 入射ビーム
１１ｂ 反射ビーム
１１ｃ 透過ビーム
１２ 試料
１２ａ メンブレン
１２ｂ 薄膜
１３ 光学系
１４，１５ 検出器
１６ 検出器回転機構
２０，２１，２３，２４ スリット
２２ 分光器
３０ 制御部
３１ 演算部
３２ 出力部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、前記薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置において、
前記試料を反射した前記Ｘ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、
前記試料を透過した前記Ｘ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、
を備えたことを特徴とする試料分析装置。
【請求項２】
前記基板が１０ｎｍ〜１ｍｍの厚みのメンブレンであることを特徴とする請求項１記載の試料分析装置。
【請求項３】
前記メンブレンの材質がシリコン（Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ボロン（ＢＮ）、炭素（Ｃ）、炭素を含有した窒化ボロン（ＢＮＣ）、アルミニウム（Ａｌ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリイミド（ＰＩ）であることを特徴とする請求項２記載の試料分析装置。
【請求項４】
基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、前記Ｘ線あるいは中性子線の前記試料による反射ビーム強度及び透過ビーム強度の測定データを取得するステップと、
前記薄膜の構造パラメータの初期値を設定し、前記初期値から前記薄膜の反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルを算出するステップと、
前記測定データと前記理論モデルとの残差二乗和を算出するステップと、
前記初期値を変化させながら、前記残差二乗和が目標値以下または最小になる前記構造パラメータを導出するステップと、
を有することを特徴とする試料分析方法。
【請求項５】
前記測定データのうち、前記反射率をθ−２θ法で測定し、前記透過率を前記Ｘ線あるいは中性子線の入射ビームの延長線の位置で測定することを特徴とする請求項４記載の試料分析方法。
【請求項６】
前記試料の前記基板側から前記Ｘ線あるいは中性子線を照射し、前記測定データを測定することを特徴とする請求項４記載の試料分析方法。
【請求項１】
基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、前記薄膜の構造パラメータを解析する試料分析装置において、
前記試料を反射した前記Ｘ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、
前記試料を透過した前記Ｘ線あるいは中性子線の強度を測定する測定手段と、
を備えたことを特徴とする試料分析装置。
【請求項２】
前記基板が１０ｎｍ〜１ｍｍの厚みのメンブレンであることを特徴とする請求項１記載の試料分析装置。
【請求項３】
前記メンブレンの材質がシリコン（Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ボロン（ＢＮ）、炭素（Ｃ）、炭素を含有した窒化ボロン（ＢＮＣ）、アルミニウム（Ａｌ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリイミド（ＰＩ）であることを特徴とする請求項２記載の試料分析装置。
【請求項４】
基板上に薄膜が形成された試料にＸ線あるいは中性子線を照射し、前記Ｘ線あるいは中性子線の前記試料による反射ビーム強度及び透過ビーム強度の測定データを取得するステップと、
前記薄膜の構造パラメータの初期値を設定し、前記初期値から前記薄膜の反射率パターン及び透過率パターンの理論モデルを算出するステップと、
前記測定データと前記理論モデルとの残差二乗和を算出するステップと、
前記初期値を変化させながら、前記残差二乗和が目標値以下または最小になる前記構造パラメータを導出するステップと、
を有することを特徴とする試料分析方法。
【請求項５】
前記測定データのうち、前記反射率をθ−２θ法で測定し、前記透過率を前記Ｘ線あるいは中性子線の入射ビームの延長線の位置で測定することを特徴とする請求項４記載の試料分析方法。
【請求項６】
前記試料の前記基板側から前記Ｘ線あるいは中性子線を照射し、前記測定データを測定することを特徴とする請求項４記載の試料分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２０９１７６（Ｐ２００８−２０９１７６Ａ）
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４４９０９（Ｐ２００７−４４９０９）
【出願日】平成１９年２月２６日（２００７．２．２６）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２６日（２００７．２．２６）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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