JP2000292376A - 結晶厚み測定方法と結晶厚み測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶試料に損傷を与えぬ非接触状態で、結晶
表面に形成される膜や付着異物の影響を受けずに、結晶
の厚みの短時間で高精度の測定が可能な結晶厚み測定装
置を提供する。 【解決手段】 二結晶モノクロメータ１で単色化され、
二結晶コリメータ３で平行光束化された特性Ｘ線Ｘｍ
が、微小回動される結晶試料６に照射され、結晶試料６
からの回折Ｘ線がＸ線検出器７で検出され、Ｘ線検出器
７の検出信号に基づき、回折強度曲線測定ユニット８に
より回折Ｘ線強度曲線が作成され、厚み判定ユニット１
０により、理論演算ユニット１０で演算された結晶試料
６の厚みをパラメータとする理論回折Ｘ線強度曲線と、
回折Ｘ線強度曲線とが、ペンデルビートの間隔の一致に
基づき比較判定されて結晶試料６の厚みが測定され、結
晶試料６に対して高透過性のＸ線の使用で、結晶試料６
の表面の汚れや表面被膜の影響を受けず、結晶試料６に
損傷を与えぬ非接触状態で、測定雰囲気の制限も受けず
に高精度の厚み測定を行うことが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶試料からの回
折Ｘ線の測定で作成される回折Ｘ線強度曲線と、理論的
に演算される理論回折Ｘ線強度曲線とに基づいて、該結
晶試料の厚みを測定する結晶厚み測定方法とその測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】結晶の厚みを測定するためには、当初は
マイクロメータやノギスなどの測定器を使用し、マイク
ロメータの対向する２個のヘッド、またはノギスの対向
する２個の刃によって結晶を直接挟むことにより、測定
器を結晶に直接接触させて結晶の厚みを測定する接触型
の測定法が利用されていた。しかし、この接触型の測定
法では、測定器のヘッドや刃が、直接結晶の表面に接触
するために、結晶の表面が汚染されることがあり、ま
た、ヘッドや刃による挟み込みにより結晶に圧力が印加
され、結晶のヘッドや刃との接触部が破損することがあ
り、厚み測定後の結晶が組み込み製造されるデバイスの
不良動作の原因となることがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上に説明した接触型
の測定法での問題を解決する結晶の厚みの測定法とし
て、レーザ変位計や静電容量変位計を使用する非接触型
の測定法がある。このレーザ変位計を使用する非接触型
の測定法では、可視光レーザを結晶試料に照射し、結晶
試料の表面のうねりや凹凸に応じて作成される干渉縞に
基づいて、レーザ変位計と結晶試料表面間の距離を計測
するもので、結晶試料を２台の互いに対向配置されたレ
ーザ変位計で挟んで、それぞれのレーザ変位計から対向
する結晶面までの距離を測定し、２台のレーザ変位計間
の距離との差演算を行うことにより、結晶試料の厚みを
測定することができる。

【０００４】しかし、このレーザ変位計を使用する測定
では、結晶試料の表面に不透明な膜や異物が付着してい
ると、その膜や異物の表面が結晶試料の表面と見做され
るので正確な測定が行われず、膜や異物がレーザ光に透
明であると、膜や異物の厚みの測定が可能ではあるが、
この場合でも、その厚みが１μｍ以上でないと正確な測
定はできず、結晶試料の厚み測定に誤差が生じる。

【０００５】一方、静電容量変位計による測定では、２
個の静電容量センサ間に結晶試料を配置し、静電容量セ
ンサ間の静電容量を測定することにより、結晶試料の厚
みの測定が行われる。この場合も、結晶試料の表面に膜
や異物が付着していると、結晶試料の静電容量と雰囲気
（大気中測定時には空気）の静電容量以外に、膜や異物
の静電容量が導入されるために、結晶試料の厚みの測定
には誤差が生じる。

【０００６】本発明は、前述したような結晶試料の厚み
測定の現状に鑑みてなされたものであり、その第１の目
的は、結晶試料に損傷を与えることのない非接触状態
で、結晶表面に形成される膜や付着異物の影響を受けず
に、結晶の厚みを短時間に高精度で測定することが可能
な結晶厚み測定方法を提供することにある。また、本発
明の第２の目的は、結晶試料に損傷を与えることのない
非接触状態で、結晶表面に形成される膜や付着異物の影
響を受けずに、結晶の厚みを短時間に高精度で測定する
ことが可能な結晶厚み測定装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成す
るために、請求項１記載の発明は、結晶試料にＸ線を照
射し、前記結晶試料からの回折Ｘ線を測定し、回折Ｘ線
強度曲線を作成する回折Ｘ線強度測定工程と、前記結晶
試料の理論回折Ｘ線強度曲線を、前記結晶試料の厚みを
パラメータとして演算する回折Ｘ線強度演算工程と、前
記Ｘ線強度測定工程で作成された回折Ｘ線強度曲線と、
前記回折Ｘ線強度演算工程で演算された理論回折Ｘ線強
度曲線とに基づいて、前記結晶試料の厚みを測定判定す
る厚み測定判定工程とを有することを特徴とするもので
ある。

【０００８】前記第２の目的を達成するために、請求項
２記載の発明は、結晶試料にＸ線を照射し、前記結晶試
料からの回折Ｘ線を測定し、回折Ｘ線強度曲線を作成す
る回折Ｘ線強度測定手段と、前記結晶試料の理論回折Ｘ
線強度曲線を、前記結晶試料の厚みをパラメータとして
演算する回折Ｘ線強度演算手段と、前記Ｘ線強度測定手
段で作成された回折Ｘ線強度曲線と、前記回折Ｘ線強度
演算手段で演算された理論回折Ｘ線強度曲線とに基づい
て、前記結晶試料の厚みを測定判定する厚み測定判定手
段とを有することを特徴とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明を結晶厚み測定装
置の一実施の形態に基づいて、図１ないし図４を参照し
て説明する。図１は本実施の形態の構成を示す説明図、
図２は本実施の形態により作成されるＸ線回折強度曲線
の特性図、図３は本実施の形態による結晶試料の厚みの
測定判定動作を示す説明図、図４は本実施の形態による
結晶試料の厚みの他の測定判定動作を示す説明図であ
る。

【００１０】本実施の形態では、図１に示すように、シ
ンクロトロン放射Ｘ線Ｘｓが入射され、このシンクロト
ロン放射Ｘ線Ｘｓを分光し、単色化された特性Ｘ線Ｘｍ
として出力する結晶１ａ、１ｂからなる二結晶モノクロ
メータ１が設けられ、この二結晶モノクロメータ１の後
段にスリット２が配設されている。また、スリット２の
後段には、スリット２からの特性Ｘ線Ｘｍを平行Ｘ線に
変換する結晶３ａ、３ｂからなる二結晶コリメータ３が
配設されており、この二結晶コリメータ３の後段にスリ
ット５が配設され、スリット５の後段に厚みの測定が行
われ、軸芯を中心に微小角度範囲で回動自在な結晶試料
６が配設されている。この結晶試料６に対して、結晶試
料６からの回折Ｘ線を検出するＸ線検出器７が配設さ
れ、Ｘ線検出器７の出力端子が、結晶試料６の二次元走
査及び微小角度範囲の回動に対応して、Ｘ線検出器７で
の検出信号に基づき、回折Ｘ線強度曲線の作成を行う回
折Ｘ線強度曲線測定ユニット８に接続されている。

【００１１】一方、本実施の形態には、Ｘ線の動力学的
回折理論により、結晶の構造、結晶の構成原子、Ｘ線波
長、Ｘ線の偏光因子、反射面に基づき、結晶の厚みをパ
ラメータとして、完全結晶に対する対称ラウエケースの
理論回折Ｘ線強度曲線を演算する理論演算ユニット１０
が設けられている。そして、回折強度曲線測定ユニット
８の出力端子と、理論演算ユニット１０の出力端子と
が、回折強度曲線測定ユニット８からの回折Ｘ線強度曲
線データと、理論演算ユニット１０からの理論回折Ｘ線
強度曲線データとに基づき、測定結果に合致する結晶試
料の厚みを、最小二乗法によって判定測定する厚み判定
ユニット１１に接続されている。

【００１２】このような構成の本実施の形態の動作を説
明する。シンクロトロン放射Ｘ線Ｘｓは、二結晶モノク
ロメータ１に入射され、結晶１ａ、１ｂでの回折によ
り、単色化された特性Ｘ線Ｘｍが、二結晶モノクロメー
タ１から、スリット２でサイズを制限されて二結晶コリ
メータ３に入射され、二結晶コリメータ３では、結晶３
ａ、３ｂによる非対称反射によって、入射Ｘ線は発散角
が狭められ平行光束化される。この場合、二結晶コリメ
ータ３の結晶からの回折Ｘ線の発散角をωｅ、入射Ｘ線
の発散角をωｉ、二結晶コリメータ３の結晶３ａ、３ｂ
の非対称度をｂ、結晶３ａ３ｂのブラッグ角をθｂ、反
射面と結晶表面とのなす角をα、二結晶コリメータ３の
結晶への入射角をθ−α、結晶からの出射角θ＋αとし
て次式が成立する。

【００１３】 ωｅ＝ｂωｉ （１） ｂ＝ｓｉｎ（θｂ−α）／ｓｉｎ（θｂ＋α） （２）

【００１４】（１）、（２）式から明らかなように、非
対称度が小さく入射角が小さいほど、二結晶コリメータ
３からの回折Ｘ線の発散角は狭まる。この場合、出射角
は入射角より大きくなり、二結晶コリメータ３によりＸ
線が拡大される。二結晶コリメータ３で拡大されたＸ線
は、スリット５でサイズが制限され、結晶試料６に対し
て、ブラッグ条件を満足する入射角の近傍で入射され、
ブラッグ条件が満足された状態で、結晶試料６からの回
折Ｘ線がＸ線検出器７で検出される。そして、結晶試料
６を、ブラッグ条件を満足する角度の近傍で、段階的に
微小回転させながら回折Ｘ線が検出され、Ｘ線検出器７
の検出信号に基づいて、回折強度曲線測定ユニット８で
回折Ｘ線強度曲線の作成が行われる。

【００１５】この場合、厚みがほぼ０．３ｍｍの結晶試
料６の表面と回折を起こす格子面とが直交したラウエケ
ースの対称反射の条件下において、結晶１ａ、１ｂ、３
ａ、３ｂ及び結晶試料６がＳｉ結晶であり、単色化され
た特性Ｘ線Ｘｍの波長が０．７２Å、二結晶モノクロメ
ータ１の反射面が対称Ｓｉの１１１面、二結晶コリメー
タ３の反射面が非対称Ｓｉの２２０面、二結晶コリメー
タ３の非対称度が１／６０、結晶試料６の反射面が対称
Ｓｉ２２０面である場合には、回折強度曲線測定ユニッ
ト８により、図２に示すような回折Ｘ線強度曲線が作成
される。図２において、横軸にはブラッグの条件が満足
される角度を０として、結晶試料６の回転角が示され、
ラウエケースでの完全結晶の回折Ｘ線強度曲線は、中央
の主ピークの両側に副次ピークが順次強度を低下させて
位置するペンデルビート構造を示している。

【００１６】ところで、ラウエケースにおいては、結晶
の構造、結晶の構成原子、Ｘ線波長、Ｘ線の偏光素子、
反射面が既知であれば、結晶の厚みを与えると、結晶か
らの理論回折Ｘ線強度曲線を演算することができる。そ
こで、本実施の形態では、理論演算ユニット１０によっ
て、回折強度曲線測定ユニット８での測定条件と同一の
条件下で、結晶試料６に対して理論回折Ｘ線強度曲線
が、結晶試料６の厚みをパラメータとして演算され、厚
み判定ユニット１１によって、回折強度曲線測定ユニッ
ト８で作成された回折Ｘ線強度曲線と、理論演算ユニッ
ト１０で演算された理論回折Ｘ線強度曲線とが、各厚み
に対応するデータごとに順次比較判定されて、結晶試料
６の厚みの測定が行われる。

【００１７】先ず、図３に示すように、厚みが０．３０
５ｍｍの結晶試料６に対して、理論演算ユニット１０で
演算され、測定データとの強度の補正が施された理論回
折Ｘ線強度曲線と、回折強度測定ユニット８により作成
された結晶試料６の回折Ｘ線強度曲線とが、厚み判定ユ
ニット１１によって比較判定される。この場合には、同
図に示すように、理論回折Ｘ線強度曲線のペンデルビー
トの間隔と、回折Ｘ線強度曲線のペンデルビートの間隔
とに所定値以上の差があるので、この厚みは該当しない
と判定される。次いで、図４に示すように、厚みが０．
３０８ｍｍの結晶試料６に対して、理論演算ユニット１
０で演算され、測定データとの強度の補正が施された理
論回折Ｘ線強度曲線と、回折強度測定ユニット８により
作成された結晶試料６の回折Ｘ線強度曲線とが、厚み判
定ユニット１１によって比較判定される。この場合に
は、理論回折Ｘ線強度曲線のペンデルビートの間隔と、
回折Ｘ線強度曲線のペンデルビートの間隔が一致するの
で、結晶試料６の厚みの測定値は０．３０８ｍｍである
と判定される。

【００１８】本実施の形態において、ペンデルビートの
間隔は、結晶試料６の厚みの変化に敏感に反応して、高
精度の厚み測定が行われるが、より高精度の測定を行う
ためには、結晶試料６の厚みと回折強度に対する倍率と
の２つのパラメータを使用した最小二乗法により、回折
Ｘ線強度曲線に最もよく一致する理論回折Ｘ線強度曲線
の厚みデータを選択することができる。一般に、結晶試
料６の回折Ｘ線強度曲線のペンデルビートの間隔に比し
て、入射Ｘ線の発散角が所定値以上になると、ペンデル
ビートは入射Ｘ線の発散角の範囲内で平均化され、全体
に不鮮明となり場合によっては、消失して一つの滑らか
なピークになってしまう。しかし、本実施の形態では、
二結晶コリメータ３により、Ｘ線の発散角は理論値で
０．００１ａｒｃｓｅｃとなっており、ペンデルビート
の間隔に比して十分に小さいので高精度の測定が行われ
る。

【００１９】このようにして、本実施の形態によると、
結晶試料６の一点での厚みが測定されるが、結晶試料６
の二次元範囲で厚みの測定を行う場合には、結晶試料６
を縦方向及び横方向に二次元的にスキャンして、Ｘ線の
各照射位置での回折Ｘ線強度曲線が測定される。また、
結晶試料６に入射するＸ線を、図１の紙面に直角方向に
絞った線状Ｘ線とし、結晶試料６の微小回動と同期を取
って二次元Ｘ線検出器を平行移動させながら、結晶試料
６からの回折Ｘ線を測定し、結晶試料６を順次移動させ
て、同様の測定を行うことにより、結晶試料６の二次元
範囲での厚みの測定を行なうこともできる。この場合に
二次元Ｘ線検出器としては、Ｘ線フィルムやイメージン
グプレートなどを使用することができる。さらに、スリ
ットでの制限を行わず、結晶試料６に広スポツトのＸ線
を照射し、結晶試料６を微小回転させながら、各角度位
置で結晶試料６からの回折Ｘ線強度を、被測定領域にわ
たって二次元Ｘ線検出器で測定記録し、記録後に各座標
位置ごとに、回動角度と回折Ｘ線強度との関係をモニタ
に表示することも可能である。

【００２０】以上に説明したように、本実施の形態で
は、二結晶モノクロメータ１で単色化され、二結晶コリ
メータ３で平行光束化された特性Ｘ線Ｘｍが、結晶試料
６に照射され、微小回動される結晶試料６からの回折Ｘ
線が、Ｘ線検出器７で検出され、Ｘ線検出７の検出信号
に基づき、回折強度曲線測定ユニット８により回折Ｘ線
強度曲線が作成され、理論演算ユニット１０により、結
晶試料６の厚みをパラメータとして演算される理論回折
Ｘ線強度曲線と、回折Ｘ線強度曲線とが厚み判定ユニッ
ト１０により比較判定され、ペンデルビートの間隔の一
致に基づいて、結晶試料６の厚みが測定される。

【００２１】このように、本実施の形態では、結晶試料
６に対して高透過性のＸ線を使用して測定が行われるた
めに、測定に際しては、結晶試料６の表面の汚れや表面
被膜の影響を受けることがなく、結晶試料６に損傷を与
えない非接触状態で、高精度の厚み測定を行うことが可
能になり、例えば、Ｓｉウェハーを試料として、クリー
ンルーム内でのプロセスラインでの測定と、クリーンル
ーム外での測定とを、結晶試料６に特別の処理を施すこ
となく、測定雰囲気の制限も受けずに行うことが可能に
なる。結晶試料６をＳｉウェハーとした場合、Ｘ線源と
してＭｏＫα１（波長０．７０９３Å）を使用して、試
料の厚みが１ｍｍ以下であると、ペンデルビートの間隔
は、０．０７ａｒｃｓｅｃよりも広くなり、現在主流の
２００ｍｍ径のＳｉウエハーで厚みは０．７２５ｍｍ、
３００ｍｍ径のもので厚みは０．８ｍｍ以下であり、試
料回転装置の精度は０．０１ａｒｃｓｅｃ程度なので、
Ｓｉウエハーの厚みを十分な精度で測定することが可能
となる。

【００２２】なお、以上の実施の形態では、二結晶モノ
クロメータ１と２結晶コリメータ３を使用しているが、
本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、Ｘ
線の入射方向と回折方向とを同一にすることに拘らなけ
れば、それぞれを一結晶で構成したり、三結晶以上で構
成することが可能であり、また、特性Ｘ線を発生するＸ
線発生装置を利用することにより、二結晶モノクロメー
タ１を省いた構成とすることも可能である。

【００２３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によると、回折Ｘ線
強度測定工程で、結晶試料にＸ線が照射され、結晶試料
からの回折Ｘ線が測定され、測定データに基づいて、回
折Ｘ線強度曲線が作成され、回折Ｘ線強度演算工程で、
結晶試料の理論回折Ｘ線強度曲線が、結晶試料の厚みを
パラメータとして演算され、厚み測定判定工程で、Ｘ線
強度測定工程で作成された回折Ｘ線強度曲線と、回折Ｘ
線強度演算工程で演算された理論回折Ｘ線強度曲線との
比較に基づいて、結晶試料の厚みが測定判定されるの
で、結晶試料に対して、高透過性のＸ線の使用により、
試料表面の汚れや表面被膜の影響を受けることなく、結
晶試料に損傷を与えない非接触状態で、測定雰囲気の制
限も受けずに、短時間で高精度の厚み測定を効率的に行
うことが可能になる。

【００２４】請求項２記載の発明によると、回折Ｘ線強
度測定手段により、結晶試料にＸ線が照射され、結晶試
料からの回折Ｘ線が測定され、測定データに基づいて、
回折Ｘ線強度曲線が作成され、回折Ｘ線強度演算手段に
より、結晶試料の理論回折Ｘ線強度曲線が、結晶試料の
厚みをパラメータとして演算され、厚み測定判定手段に
よって、Ｘ線強度測定手段で作成された回折Ｘ線強度曲
線と、回折Ｘ線強度演算手段で演算された理論回折Ｘ線
強度曲線とが比較され、この比較処理に基づいて、結晶
試料の厚みが測定判定されるので、結晶試料に対して、
高透過性のＸ線の使用により、試料表面の汚れや表面被
膜の影響を受けることなく、結晶試料に損傷を与えない
非接触状態で、測定雰囲気の制限も受けずに、短時間で
高精度の厚み測定を効率的に行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の構成を示す説明図であ
る。

【図２】同実施の形態により作成されるＸ線回折強度曲
線の特性図である。

【図３】同実施の形態による結晶試料の厚みの測定判定
動作を示す説明図である。

【図４】同実施の形態による結晶試料の厚みの他の測定
判定動作を示す説明図である。

【符号の説明】

１・・二結晶モノクロメータ、２、５・・スリット、３
・・二結晶コリメータ、６・・結晶試料、７・・Ｘ線検
出器、８・・回折強度曲線測定ユニット、１０・・理論
演算ユニット、１１・・厚み判定ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G001 AA01 AA09 BA18 CA01 DA01 DA02 DA09 EA02 EA09 FA01 GA04 GA06 GA13 HA12 HA15 JA06 JA08 JA09 JA20 KA11 PA11 PA12 SA01 SA02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶試料にＸ線を照射し、前記結晶試料
   からの回折Ｘ線を測定し、回折Ｘ線強度曲線を作成する
   回折Ｘ線強度測定工程と、 前記結晶試料の理論回折Ｘ線強度曲線を、前記結晶試料
   の厚みをパラメータとして演算する回折Ｘ線強度演算工
   程と、 前記Ｘ線強度測定工程で作成された回折Ｘ線強度曲線
   と、前記回折Ｘ線強度演算工程で演算された理論回折Ｘ
   線強度曲線とに基づいて、前記結晶試料の厚みを測定判
   定する厚み測定判定工程とを有することを特徴とする結
   晶厚み測定方法。
2. 【請求項２】 結晶試料にＸ線を照射し、前記結晶試料
   からの回折Ｘ線を測定し、回折Ｘ線強度曲線を作成する
   回折Ｘ線強度測定手段と、 前記結晶試料の理論回折Ｘ線強度曲線を、前記結晶試料
   の厚みをパラメータとして演算する回折Ｘ線強度演算手
   段と、 前記Ｘ線強度測定手段で作成された回折Ｘ線強度曲線
   と、前記回折Ｘ線強度演算手段で演算された理論回折Ｘ
   線強度曲線とに基づいて、前記結晶試料の厚みを測定判
   定する厚み測定判定手段とを有することを特徴とする結
   晶厚み測定装置。