JP2013205037A

JP2013205037A - 膜厚測定方法

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Publication number: JP2013205037A
Application number: JP2012070832A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Hayashi; 林　　一英
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-07
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: JP5831323B2

Abstract

【課題】試料を破壊することなく、簡便に膜厚を計測することができる膜厚測定方法を提供する。
【解決手段】Ｘ線回折装置の光学系の基準位置に対し、結晶性薄膜の試料面の位置を該試料面の法線方向に変位させてＸ線回折測定を行い、回折ピーク位置と変位量との関係式を導出する導出工程Ｓ１と、結晶性薄膜上の基板を試料面とし、該試料面を前記基準位置に合わせてＸ線回折測定を行う測定工程Ｓ２と、導出工程Ｓ１にて導出された関係式と、測定工程Ｓ２にて前記基板を通して結晶性薄膜で回折された回折ピークの回折角とに基づいて、基板の膜厚を算出する算出工程Ｓ３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線回折法を用いた基板の膜厚測定方法に関する。

従来、例えば樹脂基板上にめっき皮膜を成膜した被検試料において、樹脂基板の膜厚は、被検試料を断面加工して顕微鏡で観察するなど、試料を破壊して計測するのが一般的である。しかし、試料の破壊後に別の分析を行う必要がある場合、大きな支障をきたしてしまう。

非破壊で計測する方法として、Ｘ線回折法を用い、基板と多結晶薄膜の積層体における多結晶薄膜の膜厚を算出する方法がある（例えば、特許文献１）が、非破壊で基板の膜厚を計測する方法は提案されていないのが実情である。

特開平５−１１３３２２号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、基板と結晶性薄膜からなる積層体における基板の膜厚を測定する方法に関して、試料を破壊することなく、簡便に基板の膜厚を計測することができる膜厚測定方法を提供する。

本件発明者は、Ｘ線回折測定において、試料高さの変位により回折ピークの回折角も変化することに着目し、本発明に至った。

すなわち、本発明に係る膜厚測定方法は、基板と結晶性薄膜からなる積層体における基板の膜厚を測定する方法であって、Ｘ線回折装置の光学系の基準位置に対し、結晶性薄膜の試料面の位置を該試料面の法線方向に変位させてＸ線回折測定を行い、回折ピークの回折角と変位量との関係式を導出する導出工程と、前記基板を試料面とし、前記基準位置に合わせてＸ線回折測定を行う測定工程と、前記導出工程にて導出された関係式と、前記測定工程にて前記基板を通して結晶性薄膜で回折された回折ピークの回折角とに基づいて、前記基板の膜厚を算出する算出工程とを有することを特徴としている。

本発明によれば、試料を破壊することなく、簡便に膜厚を計測することができる。

本実施の形態における膜厚測定方法を示すフローチャートである。Ｘ線回折装置の光学系を模式的に示す図である。Ｘ線回折装置の光学系の基準位置について模式的に示す図である。各試料面高さにおけるＣｕの（１１１）面に由来する回折ピークの測定結果を示す図である。回折ピーク位置と試料高さの変位量の関係を示すグラフである。高分子フィルム側を測定面としたときの回折ピークの測定結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態における膜厚測定方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施の形態における膜厚測定方法を示すフローチャートである。図１に示すように、本手法は、結晶性薄膜を試料面とし、該試料面の法線方向の位置をＸ線回折装置の光学系の基準位置に対して変位させてＸ線回折測定を行い、回折ピーク位置の回折角と変位量との関係式を導出する導出工程Ｓ１と、基板を試料面とし、該試料面を前記基準位置に合わせてＸ線回折測定を行う測定工程Ｓ２と、導出工程Ｓ１にて導出された関係式と、測定工程Ｓ２にて測定された回折ピークの回折角とに基づいて、基板の膜厚を算出する算出工程Ｓ３とを有する。

本手法で用いられる結晶性薄膜としては、結晶格子が規則的に並んでいる単結晶体又は多結晶体であればよく、どのような組成であってもよい。すなわち、金属又はその合金、金属酸化物、金属塩化物等のいわゆる金属化合物等で結晶体を有していればよく、無機化合物や有機化合物であっても結晶体を有していれば良い。

また、本手法の測定対象である基板としては、Ｘ線が透過できる膜であればよく、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂が挙げられる。Ｘ線の透過性は、Ｘ線の通過距離、物質の密度、および物質のＸ線吸収係数に依存するため、例えば、樹脂に比較してＸ線の透過性が落ちるとされるガラスであっても、Ｘ線が透過する上で適切な厚みであれば、本手法の測定対象とすることが可能である。同様に、金属、金属化合物、無機化合物であってもＸ線が透過する上で適切な厚みであれば、本手法の測定対象とすることが可能である。

以下、導出工程Ｓ１、測定工程Ｓ２、及び算出工程Ｓ３について詳細に説明する。

＜導出工程Ｓ１＞
図２は、Ｘ線回折装置の光学系を模式的に示す図である。本手法に用いられるＸ線回折装置は、試料が載置されるステージと、Ｘ線を照射する照射部と、試料面からの回折Ｘ線を検出する検出部とを備え、ステージにより試料面の高さを基準位置に対して下方に移動することが可能である。

Ｘ線回折測定では、照射部から照射されたＸ線が、特定の角度θで被検試料に入射したとき、ブラッグの回折条件より、θの角度に回折Ｘ線が現れる。検出部では、この回折Ｘ線が入射され、回折Ｘ線のＸ線強度を検出する。回折Ｘ線が現れるθは、被検試料に特有の角度である。このθの値と、検出部で検出したＸ線強度とに基づいて、被検試料の結晶構造等を分析する。

図３は、光学系の基準位置について模式的に示す図である。照射部と検出部は、ローランド円と呼ばれる軌道上を移動することができ、その際照射部と検出部はそれぞれローランド円の中心を向いている。照射部と検出部が、ローランド円の直径の両端に位置している場合に、この直径の位置が基準位置である。入射Ｘ線と必ずローランド円の中心を通過し、この入射Ｘ線と基準位置とで形成される角度が回折角θである。基準位置に照射部がある場合にはθ＝０である。照射部と検出部は、ローランド円の中心を通って基準位置に垂直な面を対称面としてローランド円上を円の中心を向きながら移動することができる。試料面は、試料面の中央とローランド円の中心とが略一致してかつ基準位置となるように設置される。図３は、このように設置された試料面の位置についても示している。

導出工程Ｓ１では、結晶性薄膜を試料面とし、試料面の法線方向の位置を基準位置に対して変位させてＸ線回折測定を行う。ここで、Ｘ線回折装置の光学系における試料面の位置は、基準位置に対して試料面の法線方向、すなわち結晶性薄膜の膜厚方向に段階的に変位させ、各位置においてＸ線回折測定を行う。

また、各位置におけるＸ線回折測定は、結晶性薄膜を測定面（試料面）として、例えば回折面に由来する回折ピークの回折角を測定する。例えば結晶性薄膜としてＣｕからなる金属結晶膜を用いた場合、非常に強い配向性を示す（１１１）面に由来するピークの回折角（２θ）を用いることができる。

次に、例えば、横軸を回折ピークの回折角とし、縦軸を試料高さの変位量としたグラフを作成し、グラフから回折ピークの回折角と試料高さ変位量の関係式を導出する。本手法における関係式の導出では、変位量が回折ピークの回折角の一次式、あるいは高次式で表現することができるが、変位量が微小であることから一次式で表現しても問題となることはない。

＜測定工程Ｓ２＞
測定工程Ｓ２では、結晶性薄膜上の基板を試料面とする。そして、結晶性薄膜上の基板を基準位置に合わせてＸ線回折測定を行い、導出工程Ｓ１と同じ回折面に由来する回折ピークを測定する。すなわち、測定工程Ｓ２では、基板側からＸ線を照射して結晶性薄膜のＸ線回折測定を行う。

基板と結晶性薄膜からなる積層体に対して、基板を試料面としてＸ線を照射する場合、すなわち基板側からＸ線を照射する場合には、基板由来の回折Ｘ線と結晶性薄膜由来の回折Ｘ線が発生する。

この両者の回折Ｘ線の回折ピーク同士が重なっていたり、重なりの程度が大きかったりすると、それらの回折ピークが基板由来であるのか、結晶性薄膜由来であるのか判断できない場合がある。

結晶性薄膜の材質と結晶性状、及び基板の材質と結晶性状が明らかである場合には、回折ピークの回折角度を文献、若しくは過去の測定データから特定するか、又は基板と結晶性薄膜それぞれの回折スペクトルを測定し、基板の回折ピークに隠れない結晶性薄膜の回折ピークを特定する。

基板の回折ピークに隠れない結晶性薄膜の回折ピークを特定する具体的な手段としては、例えば、基板と結晶性薄膜それぞれの回折スペクトルに対して、結晶性薄膜のスペクトル強度から基板のスペクトル強度を差し引いた値を回折角毎に算出し、差し引いた値が最大となる位置の回折角を決定し、この回折角で回折ピークを特定する。

＜算出工程Ｓ３＞
次の算出工程Ｓ３では、導出工程Ｓ１にて導出された関係式に、測定工程Ｓ２にて測定された回折ピークの回折角を代入して基板の膜厚を算出する。すなわち、基板の膜厚は、Ｘ線回折装置の光学系の基準位置に対して試料面である結晶性薄膜の法線方向の変位量に相当する。

このように結晶性薄膜の膜厚方向の変位量に対する回折角を測定し、結晶性薄膜上の基板の回折角を測定することにより、試料を破壊することなく、簡便に基板の膜厚を計測することができる。

＜本手法の適用例＞
また、本手法は、結晶性薄膜と基板とが貼り合わされた積層板を被検試料とすることができる。この場合、導出工程Ｓ１では、被検試料の結晶性薄膜を試料面とし、測定工程Ｓ２では、被検試料の基板を試料面とすることにより、積層板の基板の膜厚を計測することができる。したがって、本手法によれば、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などに銅箔を張り合わせたプリント配線板用銅張積層板の樹脂基板の膜厚の測定を非破壊で行うことができる。

以下、実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜実施例＞
高分子フィルムに厚さ８μｍの銅箔を張り合わせた銅張積層板を被検試料とし、本法を用いて高分子フィルムの膜厚を測定した。

先ず、銅箔側を測定面（試料面）とし、Ｘ線回折装置の光学系の基準位置に対し、試料面の高さ（法線方向）を２５μｍずつ変位させてＸ線回折測定を行った。図４に、各試料面高さにおけるＣｕの（１１１）面に由来する回折ピークの測定結果を示す。基準位置からの試料面の変位量が大きくなるほど、回折ピークの回折角が低角度側に変化していくことが分かる。また、図５に、回析ピーク位置ｘに対する試料面の下方移動量ｙの関係を示すグラフを示す。回折ピーク位置ｘと試料面の下方移動量（試料高さ変位量）ｙは、ほぼ直線的に変化することが分かる。この関係式を最小二乗法により導出したところ、ｙ＝−１４３０．７ｘ＋６２１３２であり、決定係数（相関係数の２乗）Ｒ^２は０．９９７４であった。

次に、高分子フィルム側を測定面（試料面）とし、試料面の高さをＸ線回折装置の光学系の基準位置に合わせてＸ線回折測定を行った。図６に、高分子フィルム側を測定面としたときの回折ピークの測定結果を示す。図６に示す回折ピークは、高分子フィルムにＸ線を透過させて金属銅を測定した結果であり、その回折ピークの回折角は４３．３８５°であった。

そして、銅箔側を測定面として導出された関係式に、高分子フィルム側を測定面とした回折ピーク位置を代入して算出した結果、高分子フィルムの厚みは６１．１μｍであった。なお、本法により厚みを計測するのに要した時間は１５分であった。

＜比較例＞
実施例で用いた被検試料について断面加工を施し、顕微鏡を用いて計測した。その結果、高分子フィルムの厚みは約６０μｍであることが確認された。なお、断面加工に要した時間は３０分、観察及び計測に要した時間は２０分であった。

以上説明したように、本法を用いることにより、試料を破壊することなく、簡便に高分子フィルムの厚みを計測することがきることが分かった。

Claims

基板と結晶性薄膜からなる積層体における基板の膜厚を測定する方法であって、
Ｘ線回折装置の光学系の基準位置に対し、結晶性薄膜の試料面の位置を該試料面の法線方向に変位させてＸ線回折測定を行い、回折ピークの回折角と変位量との関係式を導出する導出工程と、
前記基板を試料面とし、前記基準位置に合わせてＸ線回折測定を行う測定工程と、
前記導出工程にて導出された関係式と、前記測定工程にて前記基板を通して結晶性薄膜で回折された回折ピークの回折角とに基づいて、前記基板の膜厚を算出する算出工程と
を有する膜厚測定方法。
前記関係式は、前記回折ピークの回折角の一次式で変位量が表現されていることを特徴とする請求項１記載の膜厚測定方法。