混合检查系统的制作方法

本发明涉及适用于半导体制造领域(诸如用于制造具有其中大量薄膜层压在基板上的多层结构的设备的技术领域)等的混合检查系统。

背景技术：

通过根据光刻技术在基板上层压多个薄膜而制造的电子元件(诸如半导体等)的形状取决于要形成的薄膜的状态(诸如膜厚度、密度、结晶度等)以及光刻处理条件而变化。因此，需要能够准确地测量经处理元件的形状的检查设备。这种类型的经处理元件的形状称为cd(临界尺寸)，作为在半导体工艺中要管理的重要数值。

已知透射电子显微镜(tem)和扫描电子显微镜(sem)作为通过制备切片样本来观察如上所述的元件形状的检查设备。但是，由于这些检查设备破坏样本，因此存在以下缺点：在半导体制造过程中不能以在线方式测量样本、不能执行全面检查、测量结果不能反馈到前一步骤、测量结果不能前馈到后续步骤等。

另一方面，已经提出了使用扫描电子显微镜(cd-sem：临界尺寸扫描电子显微镜)的检查设备、使用光学方法(ocd：光学临界尺寸)的检查设备、使用原子力显微镜(cd-afm：临界尺寸原子力显微镜)的检查设备等作为用于在半导体制造过程期间以在线方式非破坏性地测量如上所述的元件的形状的检查设备。

此外，已经提出了使用x射线小角度散射的x射线纳米形状测量装置(cd-saxs：临界尺寸小角度x射线散射)作为用于使用x射线准确地确定重复图案形状的检查设备。例如，专利文献1和专利文献2公开了cd-saxs的现有技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利no.5700685

专利文献2：日本专利no.5237186

非专利文献

非专利文献1：introductiontometrologyapplicationsinicmanufacturing，p131，tutorialtextsinopticalengineeringvolumett101，spiepress，isbn：9781628418118

技术实现要素：

本发明要解决的问题

由于上述ocd使用光作为探测器，因此其具有诸如测量面积小和吞吐量快的优点，并且进一步的特征在于能够通过使用建模和模拟来分析半导体设备的复杂三维结构。因此，ocd作为用于在半导体制造过程中以在线方式执行测量的检查设备是有效的。此外，cd-sem作为通过使用扫描电子显微镜的原理直接观察设备的表面形状的检查设备是有效的。但是，这些检查设备在间距为10nm或更小规模内具有分辨率的限制，并且随着半导体元件的小型化得到促进，分析变得更加困难。

cd-saxs作为用于分析电子设备的表面的纳米级形状的检查设备是有效的。但是，为了测量半导体晶片的表面上100微米或更小的测试图案，需要强大的x射线源，但是尚未获得适用于半导体在线检查设备的紧凑的高亮度x射线源。

本发明是鉴于这些现有技术的情况而完成的，并且本发明的目的是提供一种适用于分析具有多层结构(其中大量薄膜被层压在基板上)的元件(诸如半导体元件)的形状的混合检查系统。

解决问题的手段

在非专利文献1中公开了这种类型的混合检查系统的基本概念，并且本发明是基于这种基本概念来实施的。

即，根据本发明，混合检查系统包括：第一检查设备，用于基于通过用x射线照射样本获得的x射线测量数据来检查样本；以及第二检查设备，用于通过不使用x射线的测量方法来检查样本，其中由第一检查设备获得的x射线测量数据和x射线测量数据的分析结果之一被输出到第二检查设备，并且第二检查设备通过使用由第一检查设备获得的x射线测量数据和x射线测量数据的分析结果之一来检查样本。

在这里，第一检查设备可以被配置为包括：

测量单元，用于用x射线照射样本的表面并测量散射强度；

拟合单元，用于假设在样本的表面上具有微结构的样本模型，该微结构在垂直于该表面的方向上形成具有不同折射率的多个层，并且在该多个层中构成其中单元结构在平行于该表面的方向上周期性地布置的周期性结构，考虑由样本模型中形成的多个层引起的折射和反射的效应来计算由微结构散射的x射线的散射强度，并且将基于样本模型计算的x射线散射强度拟合到测得的散射强度；

确定单元，用于基于拟合单元的拟合结果确定用于指定单元结构的形状的参数的最佳值；以及

输出单元，用于根据预定协议向第二检查设备输出包含用于指定单元结构的形状的参数的最佳值的分析值的至少一部分作为输出值，并且第二检查设备可以被配置为通过使用来自第一检查设备的输出值来检查样本。

此外，第一检查设备可以被配置为包括：

测量单元，用于用x射线照射样本的表面并测量散射强度；

拟合单元，用于假设在表面上具有微结构的样本模型，该微结构在垂直于该表面的方向上形成一个或多个层，并且在该多个层中构成其中单元结构在平行于该表面的方向上周期性地布置的周期性结构，单元结构具有从其严格的周期性位置的位置波动，并且位置波动是随机的而不取决于相互位置差异，单元结构由均匀的实际区域和空间区域在这些层中形成，计算由实际区域生成的x射线的散射强度，并将基于样本模型计算出的x射线散射强度拟合到测得的散射强度；

确定单元，用于基于拟合单元的拟合结果确定用于指定单元结构的形状的参数的最佳值；以及

输出单元，用于根据预定协议向第二检查设备输出包含用于指定单元结构的形状的参数的最佳值的分析值的至少一部分作为输出值，并且第二检查设备可以被配置为通过使用来自第一检查设备的输出值来检查样本。

在这里，“位置波动”意指与单元结构应当原始定位的位置(严格的周期位置)的偏差(波动)。此外，“实际区域”意指单元结构中物质(基本上是固体)存在的区域。另一方面，“空间区域”意指单元结构中没有物质(基本上没有固体)存在的区域。要注意的是，气体也存在于空间区域中。

此外，根据本发明，一种混合检查系统包括：第一检查设备，用于基于通过用x射线照射样本获得的x射线测量数据来检查样本；以及第二检查设备，用于通过不使用x射线的测量方法来检查样本，该系统可以被配置为使得由第二检查设备获得的测量数据和测量数据的分析结果之一输出到第一检查设备，并且第一检查设备通过使用由第二检查设备获得的测量数据和测量数据的分析结果之一来检查样本。

此外，根据本发明，一种混合检查系统包括：第一检查设备，用于基于通过用x射线照射样本获得的x射线测量数据来检查样本；以及第二检查设备，用于通过不使用x射线的测量方法来检查样本，该系统可以被配置为使得第一检查设备包括：

测量单元，用于用x射线照射样本的表面并测量散射强度；

拟合单元，用于假设在样本表面上具有微结构的样本模型，该微结构在垂直于该表面的方向上形成具有不同折射率的多个层，并且在该多个层中构成其中单元结构在平行于该表面的方向上周期性地布置的周期性结构，考虑由样本模型中形成的多个层引起的折射和反射的效应来计算由微结构散射的x射线的散射强度，并且将基于样本模型计算的x射线散射强度拟合到测得的散射强度；

确定单元，用于基于拟合单元的拟合结果确定用于指定单元结构的形状的参数的最佳值；以及

输出单元，用于根据预定协议输出包含用于指定单元结构的形状的参数的最佳值的分析值的至少一部分作为输出值，并且通过使用由第一检查设备获得的x射线测量数据和x射线测量数据的分析结果之一以及由第二检查设备获得的数据和数据的分析结果之一来分析样本的结构。

此外，根据本发明，一种混合检查系统包括：第一检查设备，用于基于通过用x射线照射样本获得的x射线测量数据来检查样本；以及第二检查设备，用于通过不使用x射线的测量方法来检查样本；该系统可以被配置为使得第一检查设备包括：

测量单元，用于用x射线照射样本的表面并测量散射强度；

拟合单元，用于假设在样本的表面上具有微结构的样本模型，其中该微结构在垂直于该表面的方向上形成一个或多个层并且在层中构成其中单元结构在平行于该表面的方向上周期性地布置的周期性结构，单元结构具有从其严格的周期性位置的位置波动，并且位置波动是随机的而不取决于相互位置差异，单元结构由均匀的实际区域和空间区域在层中形成，计算由实际区域生成的x射线的散射强度，并将基于样本模型计算出的x射线散射强度拟合到测得的散射强度；

确定单元，用于基于拟合单元的拟合结果确定用于指定单元结构的形状的参数的最佳值；以及

输出单元，用于根据预定协议输出包含用于指定单元结构的形状的参数的最佳值的分析值的至少一部分，并且其中通过使用由第一检查设备获得的x射线测量数据和x射线测量数据的分析结果之一以及由第二检查设备获得的数据和数据的分析结果之一来分析样本的结构。

在具有上面提到的配置的本发明中，第一检查设备包括：

样本台，用于将作为检查目标的样本放置在上面；

图像观察单元，用于观察放置在样本台上的样本的图像；

定位机构，基于由图像观察单元对样本的图像观察结果来控制，并且在水平面上的两个正交方向、高度方向和平面内旋转方向上移动样本台；

测角仪，包含第一旋转构件和第二旋转构件，每个旋转构件沿着垂直于放置在样本台上的样本的表面的虚拟平面绕包含在与样本的表面相同的平面中的旋转轴独立地旋转；

x射线照射单元，安装在第一旋转构件中，并且将特征x射线聚焦并照射到设置在与放置在样本台上的样本的表面相同的平面上的检查位置；

x射线检测器，安装在第二旋转构件中；以及

分析单元，用于量化和分析由x射线检测器检测到的x射线图案。

在这里，第一检查设备可以被配置为通过x射线检测器测量透射通过样本的x射线，或者可以被配置为通过x射线检测器测量来自样本的表面的散射的x射线。

特别地，作为第一检查设备，可以使用用于测量透射的x射线的透射型小角度x射线散射设备(t-saxs：透射-小角度x射线散射)，或者用于使x射线以玻璃角(glazingangle)入射到样本表面并测量来自表面的散射的x射线的反射型小角度x射线散射设备(gi-saxs：玻璃入射-小角度x射线散射)。

gi-saxs适用于例如测量深度为200nm或更小的线和空间结构、孔和突起，而t-saxs适用于测量深度为200nm或更大的结构，例如，孔结构的孔直径。第一检查设备可以被配置为能够既测量t-saxs又测量gi-saxs的设备。

此外，第一检查设备可以被配置为包括二维x射线检测器作为x射线检测器。因此，可以执行快速测量。

第二检查设备可以包括光学检查设备(ocd)。此外，作为第二检查设备，可以使用使用其它方法的设备，诸如使用扫描电子显微镜(cd-sem)的检查设备，或使用原子力显微镜(cd-afm)的检查设备。

可以包含样本模型中周期性结构的间距作为从第一检查设备输出的分析值。

更特别地，根据表面的形状，各种参数可以作为要从第一检查设备传送到第二检查设备的信息(分析值)。但是，在线和空间结构中，提供了间距、最小线宽(cd；临界尺寸)、高度、侧壁角度(side-wallangle)、圆度(roundness)等，并且也包含每个参数的变化信息。

此外，当样本模型中的周期性结构包括孔重复结构时，可以包含孔直径作为从第一检查设备输出的分析值。

如上所述，根据本发明的混合检查系统，能够以高精度且多面地分析其中多个薄膜层压在基板上的多层结构(诸如半导体元件)的元件形状。

附图说明

图1是示意性地示出根据本发明实施例的混合检查系统的第一基本配置示例和信息传输系统的框图。

图2是示意性地示出根据本发明实施例的混合检查系统的第二基本配置示例和信息传输系统的框图。

图3是示意性地示出根据本发明实施例的混合检查系统的第三基本配置示例和信息传输系统的框图。

图4是示意性地示出根据本发明实施例的混合检查系统的第四基本配置示例和信息传输系统的框图。

图5是示意性地示出根据本发明实施例的混合检查系统的第五基本配置示例和信息传输系统的框图。

图6是示出根据本发明实施例的第一检查设备的整体结构的透视图。

图7是图6中所示的第一检查设备的正视图。

图8a是示意性地示出结合在图6中所示的第一检查设备中的x射线照射单元的配置的侧视图，并且图8b是其平面图。

图9是示意性地示出根据本发明实施例的第一检查设备的另一个配置示例的正视图。

图10是示意性地示出图9中所示的第一检查设备的配置的右侧视图。

图11是示出由图9中所示的第一检查设备进行的测量操作的示意图。

图12a是示意性地示出结合在图9中所示的第一检查设备中的x射线照射单元的配置的侧视图，并且图12b是其平面图。

图13是示出根据本发明实施例的第一检查设备的控制系统的框图。

图14是根据本发明实施例的第一检查设备的控制流程图。

图15a是示出用于分析作为检查目标的线和空间图案的形状的参数的图，并且图15b是示出用于分析通过双曝光工艺创建的线和空间图案的形状的参数的图。

图16a是作为检查目标的深孔重复结构的示意性横截面图，并且图16b是图16a中所示的示意性横截面图中的一个深孔的放大视图。

图17是示出通过cd-sem(第二检查设备)的测量数据的示例的图。

图18是示出其中cd-sem(第二检查设备)的观察图像与cd-saxs(第一检查设备)的形状模型拟合的使用示例的图。

附图标记的描述

10：样本台，11：样本，20：定位机构，30：测角仪，31：测角仪主体；32：第一旋转臂；33：第二旋转臂；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：聚焦狭缝，45：单元主体，47：入射x射线，48：散射x射线，49：透射x射线，50：x射线检测器，60：光学显微镜，100：中央处理单元，101：xg控制器，102：图像识别电路，103：聚焦控制器，104：定位控制器，106：测角仪控制器，107：计数控制电路，110：存储单元，201：操作单元，202：显示单元，203：通信单元，300：线，301：空间，302：深孔

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的实施例。

[基本配置示例和信息传输系统]

图1至图5是示意性地示出根据本发明实施例的混合检查系统的基本配置示例和信息传输系统的框图。

根据本实施例的混合检查系统包括：第一检查设备1，用于基于通过用x射线照射样本获得的x射线测量数据来检查样本；以及第二检查设备2，用于通过不使用x射线的测量方法检查样本。

例如，应用x射线纳米形状测量设备(cd-saxs)作为第一检查设备1。此外，例如，应用光学检查设备(ocd)或使用扫描电子显微镜(cd-sem)的检查设备作为第二检查设备2。

在图1至图3所示的第一基本配置至第三基本配置示例中，来自第一检查设备1的信息被输出到第二检查设备2。从第一检查设备1输出的信息包含例如关于作为测量目标的样本等的信息(载体、晶片信息)以及通过对样本执行x射线测量获得的测量数据和x射线测量数据的分析结果。

将样本信息(载体、晶片信息)和由第一检查设备1获得的分析结果传输到第二检查设备2使得能够在第二检查设备2中执行高精度分析。

即，由于构成第二检查设备2的ocd使用光作为探测器，因此ocd具有诸如测量面积小、吞吐量快等优点，并且其特征还在于能够通过使用建模和模拟来分析半导体设备的复杂三维结构，使得ocd作为用于在半导体制造过程中以在线方式执行测量的检查设备是有效的。

但是，ocd在10nm或更小的间距规模内具有分辨率的限制，因此随着半导体元件的小型化得到促进，分析变得更加困难。

另一方面，构成第一检查设备1的cd-saxs作为用于分析电子设备的纳米级表面形状的检查设备是有效的。而且，根据具有稍后描述的x射线照射单元的配置，可以获取具有足够强功率的紧凑的高亮度x射线源，以测量半导体晶片的表面上100微米或更小的测试图案。因此，通过使用从第一检查设备1输出的信息，可以在第二检查设备2中执行高精度分析。

在这里，在图1所示的第一基本配置示例中，第一检查设备1和第二检查设备2彼此直接连接以发送信息。在这种情况下，以太网(注册商标)用作连接手段，但是可以使用诸如串行传输(诸如rs-232c)、光学传输或无线电传输之类的任何传输方法。

在图2所示的第二基本配置示例中，第一检查设备1和第二检查设备2经由分析服务器3彼此连接。在这种基本配置示例中，第一检查设备1的结果被发送到分析服务器3。第二检查设备2从分析服务器3获得信息。在这种情况下，以太网(注册商标)也用作连接手段，但是可以使用诸如串行传输(诸如rs-232c)、光学传输或无线电传输之类的任何传输方法。

在图3所示的第三基本配置示例中，第一检查设备1和第二检查设备2经由主计算机4(主机)彼此连接，主计算机4负责控制半导体工厂中的处理。在这种基本配置示例中，第一检查设备1的结果被发送到主计算机4，并且第二检查设备2从主计算机4获得信息。在通常使用300mm晶片的半导体制造工厂中，信息是根据称为gem300的标准化协议发送的。通过对主计算机4进行编程，能够实现第一检查设备1和第二检查设备2的信息传输。

另一方面，在图4所示的第四基本配置示例中，第一检查设备1和第二检查设备2连接到分析服务器3，并且分析服务器3进一步连接到主计算机4。在这种基本配置示例中，第一检查设备1的分析结果和第二检查设备2的测量数据分别输出到分析服务器3，并且分析服务器3分析来自第二检查设备2的测量数据。分析结果从分析服务器3发送到主计算机4。

例如，当ocd用作第二检查设备2时，不可能分析诸如10nm或更小的精细间距或多次曝光的间距差异之类的微小信息。通过使用第一检查设备1的这些分析结果，能够首次执行准确的分析。

在图5所示的第五基本配置示例中，来自第二检查设备2的信息被输出到第一检查设备1。通过发送样本信息(载体，晶片信息)和由第二检查设备2获得的分析结果，能够在第一检查设备1中执行高精度分析。

在第五基本配置示例中，第一检查设备1和第二检查设备2经由负责控制半导体工厂中的处理的主计算机4(主机)彼此连接，但是与第三基本配置示例不同，第二检查设备2的结果被发送到主计算机4。在通常使用300mm晶片的半导体制造工厂中，根据称为gem300的标准化协议来发送信息。通过对主计算机4进行编程，能够实现第一检查设备1和第二检查设备2的信息传输。

[应用于第二检查设备的ocd的概要]

光学检查设备(ocd)用于半导体设备中诸如线和空间之类的精细重复图案的三维形状测量。

由ocd进行的测量和分析过程如下。

首先，在测量之前，其中输入参数(诸如，测量目标样本的详细结构和材料特性)的许多特定的ocd模型被创建并被存储为库。

接下来，对测量目标样本执行测量。关于测量方法，一些测量方法被相互组合以能够测量复杂结构，这些测量方法包含使白光源经由偏振器入射到测量目标样本并且经由分析仪检测由分光镜从精细图案散射的光以测量光谱波形的方法(光谱椭偏仪)，使光从测量目标样本正上方入射到测量目标样本并对测量目标样本的反射率进行测量的方法(反射计)等。

将通过测量获得的光谱波形与从ocd模型计算的波形进行比较，并且将提供这些波形中最匹配波形的形状确定为测量目标样本的形状。

在这种确定结果的基础上，将形状可视化，并输出相应部分的尺寸。将如此获得的结果反馈给模型的创建，并且提高分析精度。

由于ocd使用上面提到的分析方法，因此ocd具有以下优点：能够在与库中的模型匹配的图案的测量范围中执行尺寸的高效测量，并且ocd被应用于针对半导体制造过程的在线检查。

但是，ocd也具有以下缺点。

首先，创建库需要花费大量时间。而且，为了创建库，有必要准备大量的实际样本用于参考，这增加了步骤数和成本。

ocd具有这样的特性：当测量位点周围的材料或形状变化时，光谱波形由于材料或形状的变化而极大地变化。因此，当工艺发生变化或产品规格发生变化时，有必要从重新创建库开始，这将需要大量人力。因此，根据要使用的材料或形状，ocd可能不可用。

此外，半导体的小型化日益发展，并且当测量10nm或更小的精细图案时，分辨率受到入射光的波长范围的限制，这使得难以执行尺寸的准确测量。

[应用于第二检查设备的cd-sem的概要]

使用扫描电子显微镜(sem)的检查设备(cd-sem)已广泛用于半导体制造线中，作为用于测量半导体设备中的精细图案的二维尺寸的标准机器。

cd-sem的测量和分析过程如下。

即，关于测量目标样本获取sem图像，并且从图像计算测量目标样本的尺寸。图像获取的原理与普通的sem相同，其中电子束通过使用电子透镜聚焦到微小直径并在测量目标样本上扫描，并且检测从测量目标样本发射的二次电子图像和背向散射电子图像以获得图像。尺寸计算使用sem图像的对比度信号。获得在图像上期望尺寸测量的地方的对比度分布(线轮廓)，并且根据测量区段中的像素数、图像倍率和该线轮廓来计算测量目标样本的尺寸。

由于cd-sem具有与光学类型相比焦深更深并且能够准确测量图案底部尺寸的优点，因此cd-sem已被广泛接受为当前半导体制造线中尺寸测量的标准机器。

但是，cd-sem还具有以下缺点。

由于计算出的尺寸取决于如何从线轮廓中提取边缘部分而改变，因此测量结果的可靠性低。此外，存在电子束会破坏测量目标(特别是诸如抗蚀剂等之类的有机材料)的风险，并且不可能在深度方向上执行尺寸测量。

由于cd-sem具有这些缺点，因此cd-sem很可能将无法处理将发展为进一步小型化和三维化的半导体设备的未来制造。

[第一检查设备的整个结构示例1(gi-saxs)]

图6是示出第一检查设备的整体结构的透视图，并且图7是该设备的正视图。

第一x射线检查设备1包括样本台10、定位机构20、测角仪30、x射线照射单元40、x射线检测器50以及包括ccd相机等的光学显微镜60。

作为检查目标的半导体晶片(样本)放置在样本台10的上表面上，并由定位机构20驱动。定位机构20包括能够在水平面中的两个正交方向(x方向和y方向)上自由移动的水平移动机构、能够在与水平面正交的垂直方向(z方向)上自由移动的升降机构，以及平面内旋转机构，并且具有以下功能：在x方向、y方向和z方向上移动样本台10并且使样本台10在平面中旋转，使得放置在样本台10的上表面上的半导体晶片上的任何测量位点在设置成预定取向状态的同时位于所照射的x射线的聚焦位置处。

测角仪30包括安装在测角仪主体31中的第一和第二旋转臂(旋转构件)32和33。每个旋转臂32和33沿着垂直于样本台的上表面的虚拟平面绕垂直于图7的纸表面的轴(θs轴，θd轴)旋转。在这里，相应的旋转臂32和33旋转，同时第一旋转臂32从其水平位置的旋转角度被设置为θs，并且第二旋转臂33从其水平位置的旋转角度被设置为θd。

x射线照射单元40安装在绕θs轴旋转的第一旋转臂32中。x射线检测器50安装在绕θd轴旋转的第二旋转臂33中。

x射线照射单元40具有将从x射线管生成的x射线单色化为特定波长的特征x射线，并且还将x射线聚焦在一个位置的功能。

照射来自x射线照射单元40的特征x射线的位置是检查位置，并且放置在样本台10的上表面上的样本的测量位点通过定位机构20定位在这个检查位置处。要注意的是，检查位置被设置在与放置在样本台10上的样本的表面相同的平面上。

x射线检测器50用于x射线反射率测量(xrr)、小角度x射线散射(saxs)测量。根据x射线反射率测量，实现了膜厚度方面埃级的测量精度，因为测量膜表面上的反射x射线与膜和基板之间的界面处的反射x射线之间的干涉以导出膜厚度和密度。

例如，通过使用二维x射线检测器作为x射线检测器50，还能够以tdi模式执行x射线反射率测量并且以静止(still)模式执行小角度x射线散射测量。

放置在样本台10上的样本(例如，半导体晶片)的测量位点通过由定位机构20移动样本台10而布置在光学显微镜60的下部位置。然后，通过在水平方向上从这个位置移动样本台10到检查位置，样本(例如，半导体晶片)的测量位点被定位在检查位置。

[x射线照射单元的配置示例1(gi-saxs)]

接下来，将描述x射线照射单元40的配置示例。

图8a和图8b示意性地示出了当第一检查设备1由反射型小角度x射线散射设备(gi-saxs)构成时的优选x射线照射单元40的配置示例。图8a是侧视图，并且图8b是平面图。

x射线照射单元40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以及聚焦狭缝44。具有在其表面上形成的多层的聚焦反射镜用于第一x射线光学元件42和第二x射线光学元件43。这些部件结合在单元主体(未示出)中。单元主体配置成尺寸和形状紧凑，使得它能够安装在第一旋转臂32中。

接下来，将描述x射线的路径。使用在目标上具有直径100μm或更小，优选地20μm或更小的电子束焦点尺寸的x射线管作为x射线管41。作为目标材料，可以选择铜(cu)、钼(mo)、银(ag)、金(au)等。特别地，当使用铜(cu)时，可以测量具有高角度分辨率的小角度散射。

从x射线管41发射的x射线首先到达第一x射线光学元件42。然后，通过第一x射线光学元件42将散射的x射线48聚焦在x射线检测器50的位置上。如上所述，作为散射的x射线48在x射线检测器50上聚焦的结果，能够以高角度分辨率执行测量。

接下来，x射线入射到第二x射线光学元件43，并在垂直方向上聚焦，使得入射的x射线47聚焦在样本11的表面上。这也使得当x射线以玻璃角入射到样本11的表面以执行x射线反射率测量或小角度x射线散射测量时能够以高角度分辨率执行测量。

[第一检查设备的配置示例2(t-saxs)]

图9是示意性地示出第一检查设备的另一个配置示例的正视图，并且图10是其右侧视图。

这些图中所示的第一检查设备1具有适合于透射型小角度x射线散射设备(t-saxs)的配置。

这些图中所示的第一检查设备1包括样本台10、定位机构20、测角仪30、x射线照射单元40、x射线检测器50以及其中安装有ccd相机等的光学显微镜60。在图10中，省略了光学显微镜60。

作为检查目标的半导体晶片(样本)放置在样本台10的上表面上，并由定位机构20驱动。定位机构20包括能够在水平面中的两个正交方向(x方向和y方向)上自由移动的水平移动机构、能够在与水平面正交的垂直方向(z方向)上自由移动的升降机构以及平面内旋转机构，并且具有以下功能：在x方向、y方向和z方向上移动样本台10并且使样本台10在平面中旋转，使得放置在样本台10的上表面上的半导体晶片上的任何测量位点在设置成预定取向状态的同时定位在所照射的x射线的聚焦位置处。

测角仪30包括安装在测角仪主体31中的第一和第二旋转臂(旋转构件)32和33。每个旋转臂32和33沿着垂直于样本台的上表面的虚拟平面绕垂直于图10的纸表面的轴(θs轴，θd轴)旋转。在这里，相应的旋转臂32和33旋转，同时第一旋转臂32从其水平位置的旋转角度被设置为θs，并且第二旋转臂33从其水平位置的旋转角度被设置为θd。

x射线照射单元40安装在绕θs轴旋转的第一旋转臂32中。x射线检测器50安装在绕θd轴旋转的第二旋转臂33中。

在图9和图10中所示的第一检查设备1的配置示例中，能够设置第一旋转臂32从水平位置的旋转角度θs，使得第一旋转臂32能够被驱动到样本台10下方的位置(即，-90°)，从而使得能够测量透射x射线49，如图11中所示。因此，具有上面提到的配置的第一检查设备1能够应用于透射型小角度x射线散射设备(t-saxs)。

由于样本台10和定位机构20需要透射x射线，因此它们由具有小的x射线吸收系数的碳、碳化硼、卡普顿(kapton)等形成，或者被配置为空心的。

在图9中，从例示中省略了用于定位机构20和光学显微镜60的支撑机构，但是这些支撑机构被布置成不干扰测角仪的旋转臂32、33和在x射线照射单元40、x射线检测器50等周围的部件。

[x射线照射单元的配置示例2(t-saxs)]

接下来，将描述x射线照射单元40的配置示例。

图12a和图12b示意性地示出了当第一检查设备1由透射型小角度x射线散射设备(t-saxs)构成时的优选x射线照射单元40的配置示例。图12a是侧视图，并且图12b是平面图。

这些图中所示的x射线照射单元40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以及聚焦狭缝44作为部件。上面形成有多层的聚焦反射镜用于第一x射线光学元件42和第二x射线光学元件43。

这些x射线光学元件42和43被配置为封闭在壳体(未示出)中，以防止多层的劣化。壳体具有安装结构，该安装结构防止施加不必要的应力，使得结合在壳体中的x射线光学元件42和43不会移位或变形。此外，为了能够微调光学系统，提供位置调节机构，以使得能够在x轴、y轴和z轴的相应方向上进行高精度定位。

接下来，将描述从x射线管41发射并到达x射线检测器50的x射线的路径。

首先，使用在目标上具有直径100μm或更小，优选地20μm或更小的电子束焦斑尺寸的x射线管作为x射线管41。作为目标材料，可以选择铜(cu)、钼(mo)、银(ag)、金(au)等。在透射型的情况下，需要能够透射通过作为基板的si晶片的高能量x射线，因此期望使用能够满足上述要求的钼(mo)或银(ag)。

从x射线管41发射的x射线首先到达第一x射线光学元件42。x射线通过第一x射线光学元件42在水平方向(与图12b中的纸表面平行的方向)上聚焦，使得x射线聚焦在x射线检测器50的位置上。接下来，x射线通过第二x射线光学元件43在垂直方向(与图12a中的纸表面平行的方向)上聚焦，使得x射线同样聚焦在x射线检测器50的位置上。聚焦的x射线入射到测量样本。x射线被在测量样本上形成的微小凹槽或线散射并透射通过样本，然后到达x射线检测器50。

通过使用如上所述的第一x射线光学元件42和第二x射线光学元件43来控制x射线的光轴的方法被称为kirkpatrick-baez方法。这种方法的优点在于焦斑的形状控制的自由度高，因为能够彼此独立地调节两个反射镜。作为另一种方法，虽然未示出，但是存在将两个反射镜集成为角形(l形)的方法，并且可以使用这种方法。将两个反射镜集成为角形(l形)的方法被称为并排方法，并且其优点在于可以使光学系统紧凑并且容易对准。

[第一检查设备的控制系统]

图13是示出第一检查设备的控制系统的框图。

x射线照射单元40的控制由xg控制器101执行。

由光学显微镜60捕获的样本的图像由图像识别电路102进行图像识别。光学显微镜60和图像识别电路102构成图像观察单元，用于观察放置在样本台上10的样本的图像。由聚焦控制器103调节光学显微镜60的焦点位置。

定位控制器104基于由光学显微镜60捕获并由图像识别电路102识别出的样本的图像来驱动和控制定位机构20。

测角仪30被控制为由测角仪控制器106驱动。

xg控制器101、图像识别电路102、聚焦控制器103、定位控制器104和测角仪控制器106的相应部件基于从中央处理单元(cpu)100发送的设置信息进行操作。在这里，设置信息被预先作为配方存储在存储单元110中，并且中央处理单元(cpu)100读出设置信息并将其输出到相应部件。

x射线检测器50由计数控制电路107控制。

此外，第一检查设备1设有操作单元201，操作单元201包括键盘、鼠标等，用于由操作者输入操作设备所需的各种设置。此外，第一检查设备1包括由液晶显示器等构成的显示单元202，以及用于经由网络执行数据通信的通信单元203。

[由第一检查设备执行x射线薄膜检查方法的过程]

图14是示出以作为检查目标的半导体晶片为目标的第一检查设备的x射线薄膜检查方法的执行过程的流程图。

用于执行x射线薄膜检查的软件预先存储在存储单元110中，并且中央处理单元(cpu)100根据软件执行以下处理步骤。

在将作为检查目标样本的半导体晶片放置在样本台10上后，首先将半导体晶片的测量位点定位在检查位置处(步骤s1)。在这里，能够由图像识别电路102基于来自光学显微镜60的图像信息指定的半导体晶片的表面上的独特点被预设为存储单元110中的配方。然后，基于该独特点，测量位点的位置信息被预设为存储单元110中的配方。作为设置的独特点，例如，能够毫无疑问确定地被图像识别电路102识别的位点，诸如在半导体晶片的表面上形成的特征图案形状。

图像识别电路102根据来自光学显微镜60的图像信息识别并指定放置在样本台10上的半导体晶片的表面上的独特点集。

接下来，利用由图像识别电路102识别出的独特点作为参考，定位控制器104基于测量位点的预设位置信息来驱动和控制定位机构20。定位机构20使样本台10在两个水平方向(x-y方向)和高度方向(z方向)上移动，以将半导体晶片的测量位点置于检查位置。如果需要，那么半导体晶片通过平面内旋转机构在平面内旋转，以布置成预定朝向。

在如上所述定位半导体晶片的测量位点之后，执行x射线检查(步骤s2)，并且中央处理单元100分析检查数据(步骤s3)，并输出分析结果(步骤s4)。

上述步骤对半导体晶片上设置的所有测量位点执行(步骤s5)，并且在完成所有测量位点的检查之后结束。

[第一检查设备的gi-saxs测量方法]

接下来，将描述当应用反射型小角度x射线散射设备(gi-saxs)作为第一检查设备1时用于测量样本表面上的微结构的表面微结构测量方法。

首先，将样本放置在样本台上，使得x射线能够从与期望测量的横截面正交的方向入射。例如，当测量诸如线图案之类的二维横截面时，放置样本使得线方向和入射x射线的方向彼此平行，然后执行测量。例如，当测量诸如孔图案或柱图案之类的三维横截面时，放置样本使得能够根据三维横截面的平面内对称性选择多个入射方向，然后执行测量。

相对样本表面的x射线入射角设置在全反射临界角附近。通过使x射线在全反射临界角附近入射，能够以高灵敏度测量表面上的微结构。

为了获得样本表面的法线方向上的微结构信息，需要改变样本表面的法线方向的散射向量。为了满足这个要求，需要满足相对样本表面的发射角大的区域中的衍射条件。这能够通过使x射线入射方向垂直于期望测量的横截面的同时使样本在平面内旋转来实现。

在平面内旋转样本的同时由二维检测器记录x射线衍射图案。

[第一检查设备的t-saxs测量方法]

接下来，将描述当应用透射型小角度x射线散射设备(t-saxs)作为第一检查设备1时用于测量样本表面上的微结构的表面微结构测量方法。

首先，将样本放置在样本台上使得x射线能够从垂直于样本表面的方向入射。当x射线入射方向垂直于样本表面时，能够分析在平行于样本表面的方向上的结构。但是，在这种情况下，由于样本表面的法线方向上的散射向量几乎为0，因此不能分析样本表面的法线方向上的结构。

因此，为了分析样本表面的法线方向上的结构，需要改变样本表面的法线方向上的散射向量。这能够通过在使x射线入射方向与样本表面彼此垂直的同时使样本在平面内旋转来实现。

在旋转样本的同时由二维检测器记录x射线衍射图案。

随着旋转角度的量增加，能够极大改变样本表面的法线方向上的散射向量，并且还可以增强样本表面的法线方向上的实际空间分辨率。那个时候的旋转角度范围通过考虑吞吐量和分析精度来确定。在这里，通过在感兴趣的横截面的方向上旋转样本，能够以最小旋转角度量高效地获得数据。

[第一检查设备中的测量数据的分析方法]

基于用于指定预定样本的周期性结构的单元结构的形状的参数来假设样本模型，并且通过模拟来计算x射线散射强度。即，由于表面上的微结构，在垂直于表面的方向上形成一个或多个层。假设样本模型，其中在层中与样本表面平行的方向上周期性地布置单元结构，并且计算从层间界面折射和反射并由微结构引起的x射线的散射。基于计算结果，将基于样本模型计算的x射线的散射强度拟合到测得的散射强度。然后，作为拟合的结果，指定单元结构的形状的参数的最佳值被确定。

图15a是示出用于分析作为检查目标的线和空间图案的形状的参数的图。这个形状通过交替地重复线300和空间301形成。在这里，作为最简单的情况，为线300定义高度(height)、最小线宽(cd；临界尺寸)、间距(pitch)、侧壁角度(side-wallangle)、顶部圆形(topround)和底部圆形(bottomround)。可以通过组合几何图形(诸如椭圆、直线、曲线等)来表达任意形状以符合实际形状。

图15b是示出用于分析通过双曝光工艺创建的线和空间图案的形状的参数的图。多次曝光是重复曝光多次的方法，因为它超过了光刻的分辨率极限。此外，已经提出了一种与称为自对准的方法结合的、形成10nm或更小的微结构的方法。

通过使用本发明的第一检查设备1，可以测量多个光刻过程之间的偏差以及单个间距。

此外，图16a是作为检查目标的深孔重复结构的示意性横截面图。图16b是图16a中所示的示意性横截面图中的一个深孔的放大视图。从工艺管理的观点来看，重要的是测量深孔302的形状，但是可以由第一检查设备1测量孔直径。

[第二检查设备中的测量数据的分析方法]

图17是示出使用扫描电子显微镜(cd-sem)的检查设备的测量数据的示例的图。通过使用cd-sem作为第二检查设备2，例如，可以获得如图17所示的在半导体基板上形成的图案形状(测量目标)的观察图像作为测量数据。

可以从这个测量数据识别平面上的图案形状的相对尺寸。例如，从图17中所示的cd-sem的观察图像，可以确定x坐标的尺寸lx与y坐标的尺寸ly之间的相对比率lx/ly、x坐标的尺寸lx与部分尺寸rx之间的相对比率rx/lx、y坐标的尺寸ly与部分尺寸ry之间的相对比率ry/ly等，如图18中所示。

[在第二检查设备中使用来自第一检查设备的输出值的示例]

首先，下面将描述当ocd用作第二检查设备2时使用来自第一检查设备(cd-saxs)的输出的示例。如上所述，ocd具有这样的特性：当测量位点周围的材料或形状改变时，光谱波形由于材料或形状的变化而极大变化。因此，当获得明显不同的光谱波形时，难以区分这是由形状的变化还是由干扰的效应引起的。因此，通过使用本发明来克服这个问题。利用ocd执行测量，并且当获得的光谱波形示出异常值(诸如与从ocd模型计算的任何数据不匹配)时，例如，利用cd-saxs的数据进行比较。当cd-saxs的数据是正常值时，ocd的结果被视为由干扰引起的异常值。当cd-saxs的值也异常时，ocd的结果被视为形状异常。对于cd-saxs数据，可以预先测量代表点，或者可以使用当在ocd数据中发现异常时用于测量目标部分的过程。在任何情况下，cd-saxs数据将用于ocd检查。通过这种方法，可以容易地提高ocd的检查精度并指定异常原因。

接下来，将描述当cd-sem用作第二检查设备2时使用来自cd-saxs的输出值的示例。如上所述，cd-sem通过从获取的线轮廓检测边缘来计算cd。但是，由于计算出的尺寸取决于如何提取边缘部分而改变，因此存在测量结果的可靠性低的问题。根据本发明，可以通过使用cd-saxs的输出值提高cd-sem的测量精度来解决这个问题。首先，通过cd-saxs测量目标样本的某一部分。接下来，通过cd-sem测量同一部分，以获得线轮廓。将这两数据彼此核对，以验证cd-sem的线轮廓的哪个部分与cd-saxs数据的边缘部分对应，并且这被定义为cd值。随后，用cd-sem继续测量。借助于这种方法，能够以高精度和高效率执行cd的检查。

如上所述，第二检查设备2还可以通过使用来自第一检查设备1的输出值(包括从第一检查设备1输入的x射线测量数据或x射线测量数据的分析结果)来验证检查结果。即，在被配置为在第二检查设备2中使用来自第一检查设备1的输出值等的本发明中，第二检查设备2“检查样本”是包含验证检查结果等的操作(步骤)的广义概念。

[在第一检查设备中使用来自第二检查设备的输出值的示例]

如图18中所示，图17中所示的cd-sem(第二检查设备2)的观察图像与cd-saxs(第一检查设备1)的形状模型拟合，并且作为测量目标的半导体基板上形成的图案形状的轮廓位置通过使用形状模型来估计。然后，基于估计的轮廓位置，通过cd-saxs执行测量，并且执行测量结果的数据分析，由此例如计算尺寸ly。尺寸lx和ry可以根据这个计算结果以及相应尺寸的相对比率lx/ly和ry/ly来计算，并且还可以计算rx。另外，还可以通过cd-saxs分析待测量的图案形状的深度尺寸。

通过利用cd-sem(第二检查设备2)的观察图像，可以估计待测量的半导体基板上形成的图案形状的轮廓位置，使得可以通过减小测量范围和测量次数来提高产量。

此外，在第一检查设备1中，还可以通过使用来自第二检查设备2的输出值(包括从第二检查设备2输入的x射线测量数据或者x射线测量数据的分析结果)来验证检查结果。即，即使在被配置为在第一检查设备1中使用来自第二检查设备2的输出值等的本发明中，第一检查设备1“检查样本”也是包含验证检查结果等的操作(步骤)的广义概念。

当然，本发明不限于上述实施例，并且可以进行各种修改和应用。