JP3311491B2

JP3311491B2 - Ｘ線反射率解析装置

Info

Publication number: JP3311491B2
Application number: JP10644394A
Authority: JP
Inventors: 秀人百生; 勝久宇佐美; 哲夫菊池; 隆男杵渕
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JPH07311165A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板上に形成された単
層あるいは複数層の薄膜において、そのＸ線反射率を測
定し、得られたパターンを解析し、薄膜の膜厚や屈折率
や密度等の情報を非破壊的に評価するＸ線反射率解析装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、様々な目的で基板上に薄膜を意図
的に形成した素子が工業的に製造されている。また偶然
に形成された基板上の薄膜が素子や材料の特性を変える
ものもある。意図的にせよ，偶然にせよ基板上に形成さ
れた薄膜の膜厚や密度は素子や材料の特性に影響を与
え、これらを制御したり、あるいは評価するためには精
度の高い解析法が必要である。簡易な膜厚評価法として
蛍光Ｘ線分光測定を行い、構成元素のピーク強度から評
価する方法があるが、この方法は膜厚とピーク強度との
相関を表す校正曲線を予め求めておかなければならない
相対的評価法である。これに対して近年、薄膜のＸ線反
射率を測定し、得られたパターンを解析し、薄膜の膜厚
や膜質の絶対的な評価を行う試みがなされている。Ｘ線
を用いるこの方法は大気中でできること、金属のように
光に対し不透明な系へも適用できること、しかも試料を
破壊しないで評価できる特長を有している。

【０００３】Ｘ線反射率による代表的な膜厚解析法とし
てフーリエ解析法がある。これはＸ線パターンの振動構
造をフーリエ解析し、膜厚を計算する手法であり、例え
ばJpn. J. Appl. Phys. 31(1992)L113に開示されてい
る。

【０００４】フーリエ解析法は薄膜の屈折率あるいは密
度を仮定し、それに基づいて周期構造を補正し、さらに
フーリエ変換で得られたピークの周波数位置を膜厚に換
算する際にも仮定した屈折率あるいは密度を用いるの
で、正確な膜厚を得るためには、測定対象とする薄膜の
屈折率あるいは密度を使用しなければならない。また、
フーリエ解析法では多層積層膜のように膜の層数が増え
ると多数のピークが出現し、それらの解析が非常に困難
になるという特徴が有る。

【０００５】ところで、これらの解析法に用いるＸ線反
射率パターンの測定には千分の１度程度の角度が制御で
きる精度の高いＸ線光学系と単色化された光源が望まし
い。また、解析の精度を上げるためには、解析対象とな
るデータポイント数が多く、かつ広い入射角度範囲のデ
ータが使用できることが望ましいが、そのためにはＸ線
検出において、広いダイナミックレンジが要求される。
従来、広く用いられているシンチレーションカウンター
では約５桁のダイナミックレンジしか保障されない。そ
のためにアルミ箔等を減衰フィルタとして使用し、入射
角が小さく反射Ｘ線が強度が高い領域ではこのフィルタ
を用いて測定し、入射角が増して反射Ｘ線強度がある程
度小さくなった時点でフィルタを除き、以降の測定を行
い、フィルタの減光率を勘案し、高強度側の領域の強度
を補正し、フィルタなしの領域とデータをつなぐ方法が
用いられている。１点だけでデータ接続した場合には、
しばしば減光率の補正が不正確となり、接続点で曲線の
傾きが不連続になることがある。これに対し、まずフィ
ルタ有りの状態で測定し、入射角２θを０.５度だけ戻
し、次いでフィルタ無しの状態で測定して、ある程度強
度が低下した時点でデータ点が複数点オーバーラップす
るようにして測定し、角度がオーバーラップしている複
数のデータ点で強度補正を行うことにより滑らかにデー
タを接続する手法がMat. Res. Soc. Symp. Proc. ,208,
p.327に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、正確
な膜厚の評価には少なくとも薄膜の屈折率あるいは密度
の入力が必要である。したがって、Ｘ線反射率測定方法
は従来、ある程度素性が知れている試料の膜厚や膜質を
正確に評価するのに用いられ、未知試料に対する評価手
法として用いられることはなかった。未知試料において
は、これらの手法に先立ち、他の解析装置によって組成
やおおまかな膜厚等を調べる必要が有るため、手間と時
間が掛かるという問題があった。また、他の解析装置を
併用する場合、試料を取り扱う間で汚染や変質が生じる
恐れや、装置によって評価される空間的領域が異なるた
め、必ずしも正確な初期値を得られない可能性が有っ
た。また、Ｘ線反射率パターンの測定には時間が掛か
り、ライン上で製品の品質管理モニタとして使うことは
困難である。

【０００７】本発明の目的は、膜構造モデルや各層の膜
厚，屈折率，密度が未知の試料であっても、解析が可能
なＸ線反射率解析装置を提供することに有る。さらに、
汚染や変質がなく、正確でスピーディな解析を行えるＸ
線反射率解析装置を提供することも目的の１つである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、まずＸ線反射率の解析法について検討する。例とし
て基板上に２層の薄膜が形成されているとき、表面およ
び界面が滑らかで膜内の吸収が小さければ、膜の全反射
の臨界角より大きな入射角θの領域におけるＸ線反射率
のパターンは数１で近似される。２層の薄膜をここでは
それぞれ薄膜１，薄膜２とする。図２にこの試料の模式
図を示す。

【０００９】

【数１】

【００１０】この中で用いられている膜の屈折率δは数
２で表せる。

【００１１】

【数２】

【００１２】数２において膜の元素組成と密度ρがわか
れば、残りは定数であるのでδは計算できる。これらの
式についての詳細は前出の参考文献を参照されたい。

【００１３】数１において、第１〜３項は表面及び界面
からの反射であり、第４項と第５項はそれぞれ薄膜１，
薄膜２の膜内の干渉による振動成分で、第６項は薄膜１
と薄膜２を合わせた合成膜内の干渉による振動成分であ
る。これらの項はいずれもθの４乗に反比例し、第１〜
３項がベースとなる成分，第４〜６項が振動を与える成
分となる。そこでベース成分を差し引き、θの−４乗で
規格化するなどして振動成分を抽出し、これをフーリエ
解析する。ただし、フーリエ解析で膜厚ｔを求める場合
に、cosの中身を横軸に比例、すなわちcos(定数×ｔ×
横軸)の形にするべきである。ところが、数１から明ら
かなように横軸がθではこれを満たさない。そのため、
数３に示したように横軸をθからφに変換し、cos(定数
×ｔ×φ）の形に補正する必要が有る。

【００１４】

【数３】

【００１５】ただし、例えば数３における屈折率δとし
て薄膜１のδを用いれば、薄膜１による振動成分を表す
数１の第４項しか補正されない。すなわち、各振動成分
を求めるには各々の振動に起因する膜の屈折率を用いて
補正を行う必要が有る。ここで、ある層の屈折率で補正
したとき他の層による振動成分は少しずつ周期がずれる
ため、フーリエ変換して得られるピークの強度は小さく
なる。本発明ではこの性質を利用し、膜モデルや各層の
膜厚，膜質が未知の試料の解析を可能にする。すなわ
ち、振動構造を抽出した後、屈折率δを変えながらフー
リエ解析を行い、各屈折率および周波数におけるフーリ
エ変換強度を記憶しておく。そして、屈折率と周波数に
対するフーリエ変換強度を３次元表示する。それにより
薄膜により生じた振動構造により生じるフーリエ解析結
果上のピークが複数有る場合でも、各々のピークが最大
となる屈折率を個別に求めることが容易になる。また、
フーリエ変換強度は屈折率に対して、あまり敏感ではな
いが、３次元表示することにより幅広い屈折率領域にお
けるフーリエ変換強度の分布の対称性が参考となり、極
大値を取る屈折率と周波数の組合せの決定を容易にし、
これにより薄膜の屈折率δと膜厚ｔを初期値無しでも求
めることが可能になる。上記の手順をフローチャートに
まとめて図１に示した。

【００１６】なお、屈折率δ，周波数，フーリエ変換強
度の３組から成るデータセットを用いて３次元表示する
手段として、縦軸と横軸に屈折率δと周波数を配してフ
ーリエ変換強度を等高線表示や色別のマッピングで表示
すると良い。またシンプルに極大値をとる組合せの点す
なわち峰と稜線を表示しても良い。また、コンピュータ
グラフィックスやホログラフィの技法を活用し、立体的
な表示を実現する手法も今後期待できる。

【００１７】また、屈折率δと周波数の組合せから膜厚
ｔが一意的に求まるため、上述した屈折率δと周波数に
ついての表示を屈折率δと膜厚ｔについての表示に変え
ることができる。この場合、求めたい薄膜の膜厚が表示
から直接的に読み取ることができるので、より実用的で
ある。なお、屈折率δと膜厚ｔについての表示にするに
はフーリエ変換強度の周波数依存性をフーリエ変換強度
の膜厚依存性に変換する必要が有るが、そのプロセスは
図１のフローチャートにおいて屈折率δを振りながら計
算するループの中で行ってもよいし、ループが終了し、
全ての屈折率δに対するフーリエ変換強度の周波数依存
性を得た後に、まとめて計算してもよい。

【００１８】また、組成が既知である場合、数２より密
度ρのみから屈折率δは決定される。このような場合、
密度ρを振ることによりフーリエ解析が実施でき、密度
ρと周波数、あるいは密度ρと膜厚ｔについてのフーリ
エ変換強度の３次元的表示が可能になり、薄膜の密度ρ
と膜厚ｔが決定される。また、有機物の様に軽元素で構
成されている膜の場合、軽元素の原子散乱因子は大変小
さいので無視でき、原子番号と原子量の比は１対２に近
似できるため、組成による項は１／２に固定でき、屈折
率δは密度ρのみで決定できるので、密度ρを振ってフ
ーリエ解析する方法が有効である。これにより密度が不
明な有機薄膜の密度評価が非破壊でできる。

【００１９】ところでフーリエ変換強度を屈折率δと膜
厚ｔについて表示すれば、複数のピークの中で複数の膜
の合成によるピークを見分けるのに有効である。例えば
数１の第６項は薄膜１と薄膜２の合成により生じる振動
成分であるが、薄膜１の屈折率δと膜厚ｔの積と薄膜２
の屈折率δと膜厚ｔの積の和を薄膜１と薄膜２の合成膜
厚で割ったものがこの合成膜の見掛けの屈折率δに相当
し、その見掛けの屈折率δを用いて合成膜厚が決定され
る。したがって、この合成膜の見掛けの屈折率と膜厚の
積δｔは薄膜１での積δｔと薄膜２での積δｔの和と等
しくなる。そのため、フーリエ変換強度を屈折率δと膜
厚ｔについて表示したとき、各ピークについてフーリエ
変換強度が極大値を取る屈折率δと膜厚ｔの位置と原点
を結ぶ直線を対角線とする長方形の面積はδｔとなり、
この薄膜１のピークについての長方形の面積と薄膜２に
ついてのそれを加えた面積は合成膜についての面積と等
しくなるので、視覚的に合成膜を判別することが可能に
なる。

【００２０】これはフーリエ変換強度を密度ρと膜厚ｔ
について表示した場合でも同様であり、特に多層有機膜
の解析に有効である。

【００２１】以上述べたように、各ピークの極大点での
屈折率δと膜厚ｔの積あるいは密度ρと膜厚ｔの積は多
層膜構造の解析に有効であるので、これらの値をピック
アップし、リストアウトする機能を持たせると便利であ
る。また、ピックアップした積のうち、いくつかの和が
所定の誤差範囲内で他の単一の積と等しいことを判断材
料の１つとして薄膜の層構造を推定する機能を持たせる
ことも、複雑な多層膜の解析を行う上で有効である。

【００２２】ところで、フーリエ変換強度を３次元的に
表示する際、屈折率δあるいは密度ρのうち一方と、周
波数あるいは膜厚ｔのうち一方について表示するモード
があるが、これらは目的に応じて使い分けられると便利
であるので、これらのモードが切り替えられる様にして
おくと良い。

【００２３】以上、データ処理のみで薄膜の膜厚と屈折
率、あるいは密度と膜構造を解析する手法について説明
したが、組成についての情報も得られた方がよい。それ
はＸ反射率測定のために入射されたＸ線により、試料か
ら発生する蛍光Ｘ線を分光する手段を設け、得られた蛍
光Ｘ線スペクトルを解析し、組成を求めることにより解
決される。得られた組成は薄膜の屈折率δを求めるのに
利用できる。この方法であれば複数の装置の間で試料を
移動しなくてすむので汚染や変質の恐れがない。また、
結晶構造や密度を集めたデータベースを装置に備えてお
き、得られた組成の物質における結晶構造情報や密度を
読み出し、それを用いて屈折率δを計算できるようにし
ておくと良い。さらに、この方式ではＸ線反射率を測定
する試料上の空間的領域と組成分析を行う領域が同一で
あるので、複数の装置を併用するより正確な解析が実現
される。この点は特に、Ｘ線のビーム幅が１００μｍ以
下の微小領域の解析を行う上で重要である。また、２つ
以上の入射角において蛍光Ｘ線測定し、情報深さを変
え、最表面と内部の層の情報を区別して得られるように
すれば、さらに解析上有効である。

【００２４】また、蛍光Ｘ線測定において組成のみでな
く、ピーク強度についても記憶しておき、数点の試料の
Ｘ線反射率解析を行い、得られた膜厚と先に記憶させて
おいた蛍光Ｘ線ピーク強度との相関すなわち校正曲線を
求め、以降の試料の膜厚評価は専ら蛍光Ｘ線測定と先に
得た校正曲線から行うことにより、評価のスピードアッ
プを図ることで生産ライン上での品質管理モニタへの適
用も可能となる。

【００２５】次に減光手段を用いてＸ線反射率測定のダ
イナミックレンジを広げる手法について検討する。強度
補正の精度向上を目的に減光手段の有る状態と無い状態
での測定領域をオーバーラップさせる従来例の模式図を
図１０に示した。ここでは減光手段の有無を切り替える
時、入射角を所定の角度戻すが、このときのバックラッ
シュの問題を回避する手法を考える。

【００２６】図１１に示すように、本番測定に先立ち、
減光手段を用いて所定の強度Ｉc まで反射光が弱くなる
角度θc を予め調べる機能を持たせる。このθc を挟ん
で前後Δθの角度領域をオーバーラップさせることとす
る。本測定では減光手段を用いて、反射強度の大きな領
域から角度走査を始め、角度が（θc −Δθ）に達した
ら、減光手段の自動切り替えしながら、減光手段を使用
したときの強度と使用しないときの強度の両方を計測
し、記憶することを角度が（θc ＋Δθ）になるまで続
ける。角度（θc ＋Δθ）以降では減光手段を用いない
で計測する。計測終了後、オーバーラップして計測した
（θc −Δθ）から（θc ＋Δθ）まで角度領域におい
て、減光手段の有る場合と無い場合のデータの強度比か
ら減光手段の減光率を決定し、高強度側のデータを補正
し、オーバーラップ区間を滑らかに結ぶ。こうすること
により、角度走査を逆転させずに、減光手段の有る場合
と無い場合について測定領域のオーバーラップが実現で
きる。

【００２７】また、次のようにしても目的は達成でき
る。すなわち、図１３に示すように減光手段を用いて、
反射強度の大きな領域から角度走査を始め、反射強度が
所定の強度Ｉ１以下にまで減少したら、減光手段を自動
切り替えしながら、減光手段を使用したときの強度と使
用しないときの強度の両方を計測および記憶することを
減光手段を使用しないときの強度が所定の強度Ｉ２以下
になるまで続ける。計測終了後、オーバーラップして計
測した区間の減光手段の有る場合と無い場合のデータの
強度比から減光手段の減光率を決定し、高強度側のデー
タを補正し、オーバーラップ区間を滑らかに結ぶ。こう
することによっても、角度走査を逆転させないで、減光
手段の有る場合と無い場合について測定領域のオーバー
ラップが実現できる。

【００２８】また、上記の減光手段を用いた強度補正に
よるダイナミックレンジの拡張は、光源が充分明るく、
検出器が高感度であれば、減光手段を多段化したり、連
続的に減光率を変えられる減光手段を用いることによ
り、より広いダイナミックレンジの確保が可能となる。

【００２９】

【作用】計測されたＸ線反射率の振動成分を抽出した
後、屈折率を変えながらフーリエ解析を行い、各屈折率
および周波数におけるフーリエ変換強度を記憶してお
き、屈折率と周波数に対するフーリエ変換強度を３次元
的に表示することにより、各ピークの原因となる薄膜の
屈折率の最適値を容易に求めることが可能になる。これ
により、屈折率や密度が不明な試料に対しても評価が可
能になる。等高線表示や色別表示は３次元データを表示
するのに有効である。また、峰と稜線による表示はシン
プルで見やすい。

【００３０】屈折率と周波数から膜厚が一意的に決まる
ので、上記表示を屈折率と膜厚についてのフーリエ変換
強度を３次元的表示にすることにより、着目する薄膜の
屈折率と膜厚が直接的に得られるので、より実用的であ
る。

【００３１】組成が既知であったり、薄膜が軽元素から
できている場合、屈折率の代わりに密度をパラメータに
でき、密度と周波数、あるいは密度と膜厚についてのフ
ーリエ変換強度の３次元的表示することにより、同一組
成の膜の膜厚・膜質の管理や有機薄膜の密度評価が非破
壊で可能になる。

【００３２】屈折率あるいは密度と膜厚について３次元
表示したとき、フーリエ変換強度が極大値をとる位置と
原点を対角線とする長方形の面積を判断材料として複数
の膜が関与しているピークを見分けることが容易にな
り、多層膜の解析に有効である。

【００３３】これと同様に、各ピークの極大値を取る屈
折率と膜厚の積、あるいは密度と膜厚の積をリストアウ
トする機能や、それらの積をいろいろ組み合わせて和を
取り、所定の誤差範囲で他の単一の積と等しくなるもの
をリストアウトしたり、さらに層構造を推定する機能を
持たせることにより、多層膜解析において有効な情報が
得られる。

【００３４】パラメータとして屈折率あるいは密度，周
波数あるいは膜厚が各々選択でき、モード切り替えがで
きるようにしておけば、様々な目的に対して最適なもの
が使用でき、便利である。

【００３５】入射Ｘ線により発生する蛍光Ｘ線を分光測
定する機能を持たせることにより、解析に用いる屈折率
を求める上で必要な組成の情報を汚染や変質の恐れがな
く得られる。また、測定する空間的な領域が同一である
ので正確に反射率測定している部分の組成が得られる。

【００３６】結晶構造や密度に関するデータベースを装
置に備えることにより、得られた組成から屈折率を求め
るのに必要な密度を直接得たり、結晶構造情報から密度
を計算したりして得ることが可能となり、未知試料の解
析において威力を発揮する。また、蛍光Ｘ線によるピー
ク強度とＸ線反射率解析結果との相関を記憶しておき、
まず数点の試料を用いて、これらの相関から校正曲線を
作成し、以降の評価を蛍光Ｘ線のピーク強度と校正曲線
を用いて行うことにより、評価のスピードアップを図
れ、ライン上の品質管理モニタに使用できるようにな
る。

【００３７】減光手段の有無を自動的に交互に切り替え
ながら、所定の角度領域を減光手段が有る場合の強度と
無い場合の強度をオーバーラップして測定することによ
り、バックラッシュさせずに、精度の高い強度補正が実
現される。また、減光手段を多段化したり、連続的に減
光率が切り替えられる減光手段を用いることにより、ダ
イナミックレンジをより広くすることができるようにな
る。

【００３８】

【実施例】以下に本発明の実施例を詳細に説明する。

【００３９】〔実施例１〕図２に示したように、基板上
に２層の薄膜が形成された試料において計測されたＸ線
反射率パターンのフーリエ解析を考える。ここで、各層
の屈折率が未知であるとする。そこで、屈折率δを変え
ながらフーリエ解析を行う。Ｘ線源として例えばＣｕＫ
α線を用いた場合、ほとんどの物質の屈折率δは１０の
マイナス６乗から１０のマイナス５乗のオーダにあるの
で、この範囲でδを振れば良い。後でも触れるがフーリ
エ変換強度は屈折率にそれほど敏感ではないので、δを
思い切って広い範囲で振る方が解析が楽になる。異なる
屈折率δを用いてフーリエ変換した結果の一例を図３に
並べて示した。

【００４０】理論的に、ｎ層の多層膜からはｎ(ｎ＋１)
／２本のピークの出現が期待される。実際には界面のラ
フネスが大きかったり、層間で屈折率の差が小さかった
りすると、ピークの本数は減少するし、その逆の場合、
倍の周波数位置にピーク（倍音）を生じる。図２の試料
のように２層の膜が有る場合には、３本のピークの出現
が予測されるが、図３では４本のピークが見られる。説
明のため、周波数が低い系列からそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，
Ｄと名付ける。この中でＢはＡのほぼ２倍の周波数位置
に出ているため、Ａの倍音である可能性が有る。

【００４１】屈折率δを振り、フーリエ解析を行った
後、屈折率と周波数についてのフーリエ変換強度を３次
元的に等高線表示で図４に表した。等高線表示のプログ
ラムにはデータ補間を組み込んだアルゴリズムを利用し
たものが望ましい。等高線表示するＡ〜Ｄの各ピークは
山脈状のプロファイルを形成する。原点を左下位置にと
ると各ピークの系列は右下がりのプロファイルをとる。
フーリエ変換強度は周波数に対する程、屈折率に対して
敏感ではないため、各ピークにおいて極大値を取る屈折
率の位置の決定には幅広い屈折率領域におけるフーリエ
変換強度分布の対称性が大いに参考となる。ピーク位置
の確定は解析者が装置の画面上で指定してもよいし、等
高線図形の重心を求めるなどの数学的手段によって指定
しても良い。このように３次元表示することにより、Ａ
〜Ｄの各ピークについて、極大値を取る屈折率と周波数
の組合せが体系的に決定できる。図４では各ピークの極
大値の位置を×印で記した。

【００４２】ここで、ピークＡとピークＢでは、極大値
をとる屈折率の位置がほぼ等しくなることから、同一物
質である可能性が高く、先の周波数が倍の位置という知
見と合わせて、ピークＢはピークＡの倍音であると、確
定できる。このように、本発明は倍音の識別にも有用な
情報を与える。さらに、周波数と屈折率の組合せが上記
の方法で決まれば、膜厚はこれらから一意的に求められ
る。以上述べたように、各層の屈折率が不明であって
も、本発明により各層の膜厚と屈折率を同時に求められ
る。

【００４３】〔実施例２〕得られた屈折率と周波数につ
いてのフーリエ変換強度を色別にマッピングすることに
よって、視認性は更に向上し、実施例１と同等以上の効
果が得られる。

【００４４】色分けは明度・彩度・色相の何れを振って
も良い。配色として、例えば低強度は青系統、中強度は
緑系統、高強度は赤系統にすると地図の高度表示に近く
なるため、感覚が掴みやすくなる。また、明度のみを振
ったマッピングは、グレースケールのプリントアウトを
するのに適している。なお、マッピングにおいてデータ
補間の技法を取り込み、ピクセルを細かくすることによ
り、強度分布のプロファイルは滑らかになり、対称性か
らピーク位置を決定するのが容易になる。

【００４５】〔実施例３〕等高線表示を更に一歩進め、
地図上の地形と同様に、フーリエ変換強度のプロファイ
ルを稜線と峰で表示する。フーリエ変換強度のプロファ
イルを稜線と峰で表示した例を図５に示した。

【００４６】薄膜が多層膜になり、ピークが数多く出現
する試料において、この表示法は構造がシンプルで判別
しやすいので有効である。実施例１あるいは実施例２の
補助的な表示モードとして、装置の機能に加えると良
い。

【００４７】〔実施例４〕屈折率と周波数から膜厚を求
め、フーリエ変換強度を屈折率と膜厚について３次元表
示した例を図６に示す。図６では等高線表示の例を示し
たが、色別にマッピングする表示法や峰と稜線で表示し
ても同様である。屈折率と膜厚について表示することに
より、評価したい薄膜の膜厚と屈折率が直接的に得られ
るので、より実用的である。

【００４８】ここで、ピークＤがピークＡの膜とピーク
Ｃの膜の合成膜によるピークである場合、δＡｔＡ＋δ
ＣｔＣ＝δＤｔＤの関係が成立する。図６の様に屈折率
と膜厚について表示した場合、ピークの屈折率と膜厚の
積（δｔ）はピーク位置と原点を結ぶ直線を対角線とす
る長方形に相当する。すなわち、合成によるピークを見
分ける関係であるδＡｔＡ＋δＣｔＣ＝δＤｔＤを図か
ら視覚的に判別することが可能になり、解析が容易にな
る。

【００４９】〔実施例５〕組成が既知である場合、密度
がわかれば数２から屈折率は決まる。このようなとき
は、密度ρを振り、その密度ρから屈折率δを計算し、
フーリエ解析を行い、得られたフーリエ変換強度のプロ
ファイルを密度と周波数、あるいは密度と膜厚について
３次元的に表示し、各ピークの密度と膜厚を決定する。
表示法として、例えば前出の等高線表示，色別マッピン
グ，稜線と峰の表示等を用いる。薄膜の密度を求める場
合、試料量が少ないため、通常の比重測定はできない。
しかし、本発明を用いることにより、膜厚と共に薄膜の
密度が非破壊で求められる。

【００５０】ＣＶＤ薄膜など条件により密度が変動する
膜の膜質評価に適用できる。

【００５１】〔実施例６〕有機物のように軽元素で構成
される膜では原子散乱因子が無視でき原子番号と原子量
の比がほぼ１対２であるため、数２の組成による項は１
／２と近似でき、正確な組成が解らなくても、密度ρを
振って、屈折率δの近似値を計算し、実施例５と同様、
密度と周波数、あるいは密度と膜厚についてフーリエ変
換強度を３次元的に表示し、各ピークの密度と膜厚を決
定できる。この場合、屈折率δと密度ρは比例するの
で、実施例４と同様にして、合成膜の見掛け上の密度ρ
と膜厚ｔの積は、合成膜を構成する薄膜の密度と膜厚の
積の総和に等しくなる。したがって、密度と膜厚につい
てフーリエ変換強度を３次元表示すれば、合成膜による
ピークを視覚的に判別することが可能になる。図７では
ピークＤがピークＡとピークＣの合成膜によることを示
すρＡｔＡ＋ρＣｔＣ＝ρＤｔＤの関係が読み取られ
る。

【００５２】〔実施例７〕合成膜を判別するために、各
ピークの極大値を取る屈折率δと膜厚ｔの積、あるいは
密度ρと膜厚ｔの積を計算し、プリントアウトさせ、こ
れらの一部の積の和が他の単一の積に等しくなるものを
解析者が判断するのに用いる。

【００５３】また、装置においてそれら数値の組み合わ
せをサーベイし、所定の誤差の範囲内で一部の積の組合
せの和が他の積に等しくなるものをリストアウトし、複
雑な多層構造の膜の構造を推定する手助けとする。

【００５４】〔実施例８〕上述のフーリエ変換強度の３
次元表示において、屈折率と周波数，屈折率と膜厚，密
度と周波数，密度と膜厚のいずれの組合せでも表示でき
るようにプログラムを組んでおき、解析者が目的に応じ
て最適の表示モードを選択することにより、切り替えら
れるようにする。これにより使い勝手が向上する。

【００５５】〔実施例９〕Ｘ線反射率測定用の光学系に
加えて試料表面から発生する蛍光Ｘ線を分光するための
モノクロメータと検出器を設置する。Ｘ線反射率測定は
入射・反射角が大体１０度以内で測定するので、高角度
側に蛍光Ｘ線測定用の光学系を設ければ良い。蛍光Ｘ線
測定用の励起光源はＸ線反射率測定用の光源をそのまま
使用する。蛍光Ｘ線測定はＸ線反射率測定の前後のどち
らに行ってもよいが、少なくともＸ線反射率のデータ解
析前に行い、蛍光Ｘ線スペクトル上の特性Ｘ線ピークか
ら試料の組成に関する情報を得、屈折率の計算の参考に
する。また、装置に備え付けの記憶装置にあるいはＣＤ
ＲＯＭ等の記憶媒体に収録された様々な組成の化合物に
対応する密度あるいは結晶構造の情報を利用できるよう
にする。密度の情報が有れば、特性Ｘ線から求めた組成
と合わせ、屈折率を計算する。結晶構造の情報が有れ
ば、それから密度を算定し、特性Ｘ線から求めた組成と
合わせ、屈折率を計算し、フーリエ解析を行う。以上の
手順をフローチャートにまとめ図８に示した。

【００５６】この方式の特徴は蛍光Ｘ線測定の対象とな
る空間的領域がＸ線反射率測定のそれと完全に一致する
ことであり、それゆえビームコンデンサ等を用いたビー
ム幅５〜１００μｍの微小部評価において、より効果的
である。また、入射角が小さい程、強く出るピークはよ
り表面に近い組成情報であることから、入射角を何点か
変えながら測定し、蛍光Ｘ線測定で予め膜構造に関する
情報を得られるようにしておく。

【００５７】また、同種類の試料を用いて蛍光Ｘ線測定
とＸ線反射率測定の両方を行い、まず蛍光Ｘ線ピーク強
度と膜厚の相関を表す校正曲線を求め、これを装置に記
憶しておき、以降は蛍光Ｘ線分光結果から直接膜厚を評
価させる。ライン上の製品の管理に用いる場合、校正曲
線を求めた後は評価が早い蛍光Ｘ線評価のみで膜厚評価
した方がスループットを大きくできる。この評価方式の
フローチャートについて図９に示した。

【００５８】〔実施例１０〕本実施例の模式図を図１
１，フローチャートを図１２に示した。

【００５９】本番の測定に先立ち、減光手段を用いて所
定の強度Ｉc まで反射光が弱くなる角度θc を自動的に
調べさせる。このサーベイ測定は大体のθc が求められ
れば良いのであまり積算時間は長く取る必要はない。θ
c を挟んで前後Δθの角度領域を減光手段を用いた場合
と用いない場合でオーバーラップさせる。本番の測定で
は減光手段を用いて、反射強度の大きな領域から角度走
査を始め、角度が(θc−Δθ）に達したら、減光手段の
自動切り替えしながら、減光手段を使用したときの強度
と使用しないときの強度の両方を計測し、記憶すること
を角度が(θc＋Δθ）になるまで続ける。角度（θc ＋
Δθ）以降では減光手段を用いないで計測する。

【００６０】計測終了後、オーバーラップして計測した
(θc−Δθ)〜(θc＋Δθ)の減光手段の有る場合と無い
場合で平均減光率を決定し、それにより高強度側のデー
タを補正する。オーバーラップ区間については、減光手
段を有りのデータを強度補正したものと減光手段無しの
データの重み付き平均する。すなわち、(θc−Δθ)に
近い角度では減光手段有りのデータを強度補正したもの
の重みを大きくし、（θc ＋Δθ）に近い角度では減光
手段無しのデータの重みを大きくすると滑らかに補正が
できる。

【００６１】〔実施例１１〕本実施例の模式図を図１
３，フローチャートを図１４に示した。

【００６２】減光手段を用いて、反射強度の大きな領域
から角度走査を始め、反射強度が所定の強度Ｉ１以下に
まで減少したら、減光手段を自動切り替えしながら、減
光手段を使用したときの強度と使用しないときの強度の
両方を計測し、記憶することを減光手段を使用しないと
きの強度が所定の強度Ｉ２以下になるまで続ける。

【００６３】計測終了後、オーバーラップして計測した
区間の減光手段の有る場合と無い場合で平均減光率を決
定し、それにより高強度側のデータを補正する。オーバ
ーラップ区間については、減光手段を有りのデータを強
度補正したものと減光手段無しのデータの重み付き平均
する。すなわち、小さな角度では減光手段有りのデータ
を強度補正したものの重みを大きくし、大きな角度では
減光手段無しのデータの重みを大きくすると滑らかに補
正ができる。

【００６４】〔実施例１２〕本実施例の模式図を図１５
に示す。

【００６５】自動的に光路に入れたり外したりを切り替
えられるフィルタをＡ，Ｂの２枚装備させる。これらは
独立に光路に入れたり外したりを切り替えられる仕様と
する。

【００６６】始めはＡ，Ｂの両方を用いて測定し、Ｘ線
強度がＩ１まで減少したら、Ｂのフィルタのみを自動的
に交互に着脱しながら測定し(第１のオーバーラップ区
間)、フィルタＡのみでＸ線強度がＩ２まで減少した
ら、Ａのフィルタのみを用いて測定し、さらにＸ線強度
が再びＩ１まで減少したら、Ａのフィルタを自動的に交
互に着脱しながら測定し（第２のオーバーラップ区
間）、フィルタ無しでＸ線強度がＩ２まで減少したら、
以降はフィルタなしで測定する。

【００６７】強度補正はまず、第２のオーバーラップ区
間で実施例１１同様、フィルタＡの平均減光率を決定
し、この減光率を用いて第２のオーバーラップ区間の手
前の高強度領域の強度補正を行い、第２のオーバーラッ
プ区間において重み平均を用いて補正する。次に第１の
オーバーラップ区間で、フィルタＢの平均減光率を決定
し、この減光率を用いて第１のオーバーラップ区間の手
前の高強度領域の強度補正を行い、第１のオーバーラッ
プ区間において重み平均を用いて補正する。

【００６８】しきい値強度Ｉ１とＩ２はＩ１≦Ｉ２の関
係を持ち、差が大きいほどオーバーラップ区間は狭くな
る。試料によってフレキシブルに設定できるようにして
おくと良い。

【００６９】本実施例ではフィルタを２枚用いた減光手
段の例を説明したが、例えば減光率の異なるフィルタ
Ｃ，Ｄ（減光率：Ｃ＞Ｄ）を用いて、高強度側から（フ
ィルタＣで減光して測定）→（フィルタＤで減光して測
定）→（フィルタなしで測定）と段階的にしても、先の
（フィルタＡ＋Ｂで減光して測定）→（フィルタＡで減
光して測定）→（フィルタなしで測定）と同様にして、
本発明が実施できる。

【００７０】また図１６に示すように減光率の異なるフ
ィルタ４，５を用意し、スライド方式やリボルバー方式
を用いて切り替えを行うとよい。

【００７１】〔実施例１３〕図１７に示したようにテー
パをつけた２枚の減光フィルタ６，７を合わせ、一方は
ステッピングモータにより左右にスライドできる様に
し、それに同期して他方が上下にスライドするようにし
ておく。これによりフィルタ厚みを連続的に変えること
が出来る。図１７では点線位置と実線位置でフィルタ膜
厚はほぼ２倍に変わっている。なお、２枚のフィルタの
テーパの角度は等しくし、Ｘ線が透過する位置ではフィ
ルタ面が平行になるようにする。

【００７２】左右にスライドさせるフィルタをステッピ
ングモータで精密制御することにより、任意の減衰率
で、かつ任意の段数で実施例１２の多段式の強度補正が
実現できる。このとき、ステッピングモータのバックラ
ッシュの影響を小さくするため、設定するときのスライ
ド方向は一方向に決めておき、逆向きに戻すときはいっ
たん大きく戻してから合わせるようにすると良い。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、膜
モデルや各層の膜厚，膜質が未知の試料であっても、膜
厚と屈折率あるいは密度を効率良く決定することができ
るＸ線反射率解析装置が実現できる。また、汚染や変質
の恐れがなく、Ｘ線反射率を測定している位置の組成を
蛍光Ｘ線分析により正しく評価することができるように
なり、未知試料の解析を可能にする。また、蛍光Ｘ線の
ピーク強度とＸ線反射率の解析結果から蛍光Ｘ線のピー
ク強度から膜厚を求めるための校正曲線を１台の装置で
作成でき、精度的に裏付けの有る蛍光Ｘ線評価を活用
し、測定のスループットを高めることができる。また、
減光手段の有無を自動的に交互に切り替えながら、所定
の角度領域を減光手段が有りの強度と無しの強度をオー
バーラップして測定することにより、バックラッシュさ
せることなく、精度の高い強度補正が可能になる。ま
た、減光手段を多段化したり、連続的に減光率が切り替
えられる減光手段を用いることにより、よりダイナミッ
クレンジを広くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフローチャート。

【図２】基板に２層の薄膜が形成された試料の模式図。

【図３】屈折率δを変えてフーリエ解析した結果を並べ
て出力した例。

【図４】屈折率δを変えてフーリエ解析した結果を等高
線表示した例。

【図５】屈折率δを変えてフーリエ解析した結果を峰と
稜線で表示した例。

【図６】屈折率δと周波数から膜厚ｔを求め、屈折率δ
と膜厚ｔについてフーリエ解析結果を表示した例。

【図７】密度ρと膜厚ｔについてフーリエ解析結果を表
示した例。

【図８】解析手順のフローチャート。

【図９】ライン上の品質管理モニタのフローチャート。

【図１０】減光手段が有／無でのオーバーラップ測定の
従来例。

【図１１】減光手段が有／無でのオーバーラップ測定法
（１）の説明図。

【図１２】図１１の方法のフローチャート。

【図１３】減光手段が有／無でのオーバーラップ測定法
（２）の説明図。

【図１４】図１３の方法のフローチャート。

【図１５】減光手段を２段にしてオーバーラップ測定し
た例。

【図１６】多段階の減光手段の例。

【図１７】本発明の減光率連続可変な減光手段の模式
図。

【符号の説明】

１…薄膜１、２…薄膜２、３…基板、４…減光率の異な
るフィルタ、５…減光率の異なるフィルタ、６，７…減
光フィルタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菊池哲夫東京都昭島市松原町三丁目９番12号理学電機株式会社拝島工場内 (72)発明者杵渕隆男東京都昭島市松原町三丁目９番12号理学電機株式会社拝島工場内 (56)参考文献特開平４−346059（ＪＰ，Ａ) 特開平５−87747（ＪＰ，Ａ) 特開平３−156350（ＪＰ，Ａ) 特開平３−285152（ＪＰ，Ａ) 特開平４−127043（ＪＰ，Ａ) 宇佐美勝久、鈴木博之，Ｘ線反射率法による多層膜の層構造解析，日本応用磁気学会誌，日本，1994年２月，Ｖｏｌ．18，Ｎｏ．１，ｐ38−ｐ45 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 23/20 - 23/207

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜試料のＸ線反射率パターンから抽出し
た振動構造をフーリエ解析する装置において、該薄膜の
屈折率の推定値を振りながら該振動構造をフーリエ解析
し、各々の屈折率について得られたフーリエ解析結果を
用いて、屈折率と周波数についてフーリエ変換強度プロ
ファイルを３次元表示する機能を備えたことを特徴とす
るＸ線反射率解析装置。
【請求項２】薄膜試料のＸ線反射率パターンから抽出し
た振動構造をフーリエ解析する装置において、該薄膜の
屈折率の推定値を振りながら該振動構造をフーリエ解析
し、各々の屈折率について得られたフーリエ解析結果を
用いて、屈折率と周波数成分についてフーリエ変換強度
プロファイルの峰と稜線を表示する機能を備えたことを
特徴とするＸ線反射率解析装置。
【請求項３】薄膜試料のＸ線反射率パターンから抽出し
た振動構造をフーリエ解析する装置において、該薄膜の
屈折率の推定値を振りながら該振動構造をフーリエ解析
し、各々の屈折率について得られたフーリエ解析結果を
用いて、屈折率と膜厚についてフーリエ変換強度プロフ
ァイルを３次元表示する機能を備えたことを特徴とする
Ｘ線反射率解析装置。
【請求項４】薄膜試料のＸ線反射率パターンから抽出し
た振動構造をフーリエ解析する装置において、該薄膜の
屈折率の推定値を振りながら該振動構造をフーリエ解析
し、各々の屈折率について得られたフーリエ解析結果を
用いて、屈折率と膜厚についてフーリエ変換強度プロフ
ァイルの峰と稜線を表示する機能を備えたことを特徴と
するＸ線反射率解析装置。
【請求項５】薄膜試料のＸ線反射率パターンから抽出し
た振動構造をフーリエ解析する装置において、該薄膜の
密度の推定値を振りながら該振動構造をフーリエ解析
し、各々の密度について得られたフーリエ解析結果を用
いて、密度と周波数についてフーリエ変換強度のプロフ
ァイルを３次元表示する機能を備えたことを特徴とする
Ｘ線反射率解析装置。
【請求項６】薄膜試料のＸ線反射率パターンから抽出し
た振動構造をフーリエ解析する装置において、該薄膜の
密度の推定値を振りながら該振動構造をフーリエ解析
し、各々の密度について得られたフーリエ解析結果を用
いて、密度と周波数についてフーリエ変換強度プロファ
イルの峰と稜線を表示する機能を備えたことを特徴とす
るＸ線反射率解析装置。
【請求項７】薄膜試料のＸ線反射率パターンから抽出し
た振動構造をフーリエ解析する装置において、該薄膜の
密度の推定値を振りながら該振動構造をフーリエ解析
し、各々の密度について得られたフーリエ解析結果を用
いて、密度と膜厚についてフーリエ変換強度プロファイ
ルを３次元表示する機能を備えたことを特徴とするＸ線
反射率解析装置。
【請求項８】薄膜試料のＸ線反射率パターンから抽出し
た振動構造をフーリエ解析する装置において、該薄膜の
密度の推定値を振りながら該振動構造をフーリエ解析
し、各々の密度について得られたフーリエ解析結果を用
いて、密度と膜厚についてフーリエ変換強度プロファイ
ルの峰と稜線を表示する機能を備えたことを特徴とする
Ｘ線反射率解析装置。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか一項に記載のＸ線
反射率解析装置において、フーリエ変換強度を表示する
モードとして、屈折率と周波数，屈折率と膜厚，密度と
周波数，密度と膜厚の何れかの組合せを切り替えて使用
することができることを特徴とするＸ線反射率解析装
置。
【請求項１０】請求項３、４、７、８のいずれか一項に
記載のＸ線反射率解析装置において、フーリエ変換強度
が極大値を取る屈折率あるいは密度と膜厚の組合せをリ
ストアウトする機能を備えたことを特徴とするＸ線反射
率解析装置。
【請求項１１】請求項３、４、７、８のいずれか一項に
記載のＸ線反射率解析装置において、フーリエ変換強度
が極大値を取る屈折率あるいは密度と膜厚の組合せを選
び出し、各々の屈折率と膜厚の積、あるいは各々の密度
と膜厚の積を要素とし、該要素の内、いくつかの要素を
足し合わせることにより所定の誤差範囲内で他の要素に
等しくなるものをリストアウトする機能を備えたことを
特徴とするＸ線反射率解析装置。
【請求項１２】請求項３、４、７、８のいずれか一項に
記載のＸ線反射率解析装置において、フーリエ変換強度
が極大値を取る屈折率あるいは密度と膜厚の組合せを選
び出し、該組合せにおける屈折率と膜厚の積、あるいは
密度と膜厚の積と該組合せにおける屈折率あるいは密度
とを判断材料として、薄膜の層構造を推定する機能を備
えたことを特徴とするＸ線反射率解析装置。