KR20050033474A - 막구조 해석방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 구조를 X선 반사율 측정법에 의해 해석하는 막구조 해석방법에 있어서, 동일의 막시료를 분해능 및 다이나믹 레인지 중 적어도 어느 하나의 조건이 다른 측정 조건에 의해 측정한 복수의 측정 데이터를 동시에 해석하는 것에 의해 막구조를 결정하는 것을 특징으로 하는 막구조 해석방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
X선 반사율 측정으로 얻어진 측정 데이터에 대하여 시뮬레이션 연산 데이터를 피팅하는 것에 의해 막구조를 해석하는 막구조 해석에 있어서, 피팅에 의한 해석결과가 국소 해석값에 빠지는 것을 방지하여, 높은 정밀도에서의 막구조 해석결과를 얻는 것을 가능하게 하는 막구조 해석방법과 그 장치.
Description
본 출원의 발명은 막구조 해석방법 및 그 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 출원의 발명은 2가지의 분해능 및 다이나믹 레인지를 갖는 광학계에 의해 얻어진 측정 데이터에, 시뮬레이션 연산 데이터를 동시에 피팅함으로써 막시료의 구조를 해석하는 막구조 해석방법 및 그 장치에 관한 것이다.
X선 반사율 측정은, 주로 막의 각 계면에서 반사된 X선이 간섭하는 현상을 관측하고, 측정결과에 대하여 시뮬레이션 연산 데이터를 피팅함으로써, 각 층의 밀도, 막두께, 달하고, 러프니스를 해석하는 것이 가능하게 된다. 최표면의 박막의 밀도는, 전반사 임계각도로부터 산출하는 것이 가능하며, 그 이외 층의 밀도는 간섭 프린지(interference fringe)의 진폭의 크기로부터 산출할 수 있다. 또한, 각 층의 막두께는 진동의 주기로부터 산출하는 것이 가능하다. 또한, 러프니스는 반사율 측정 데이터 전체의 감쇠율이나 높은 각도측에 있어서의 간섭 프린지의 진폭의 감쇠로부터 산출할 수 있다(예를 들면, 일본 특허공개 2001-349849호 공보 참조).
층 막두께가 수백 나노미터인 다층막 박막을 대상으로 해서 X선 반사율 측정을 행하는 경우, 입사 X선의 발산각도 및 파장퍼짐을 충분히 작게 설정한 후에 측정을 행하는 것이 필수로 된다. 예를 들면, 입사측에 Si나 Ge 등의 완전결정 모노크로메이터(monochromator) 등이 이용된다. 완전결정 모노크로메이터는, 광원으로부터 발생하는 X선의 파장퍼짐을 억제하고, 또한, 평행성분의 X선만을 취출하기 때문에, 박막에 조사되는 X선 강도는 완전결정 모노크로메이터를 사용하지 않을 때와 비교해서 1/10∼1/100 정도까지 작아진다. 특히, 4결정 광학계를 이용했을 때에는 약 1/100까지 입사 X선 강도가 감소하기 때문에, X선 반사율 측정에 있어서 다이나믹 레인지가 충분하지 못한 경우가 있다.
즉, 완전결정 모노크로메이터를 사용한 경우는, 다이나믹 레인지가 작기 때문에 높은 각도측까지 측정할 수 없어, 러프니스를 충분히 평가할 수 없는 경우가 있다. 또한, 다층막중에 박막층이 있는 경우, 그 막두께에 대응한 진동의 주기가 작기 때문에, 그 층을 무시하고 피팅을 행해 버리는 일이 있다.
도3은, Ge(220) 4결정 모노크로메이터를 사용한 광학계로 Si계 박막을 측정한 데이터를 해석한 것이다(입사 X선의 발산각도 0.0045°정도). 측정 데이터에 대하여 시뮬레이션 데이터를 피팅한 결과, 이 박막은 기판상에 단층막이 성막되어 있다라고 예상되며, 표2에 나타내는 해석결과에서도 R값이 0.01586으로 매우 양호하게 일치했다.
그러나, 막의 밀도, 막두께, 러프니스 등의 파라미터의 초기값을 다른 값으로 설정해서 피팅을 다시 실행한 결과, 도4에 나타낸 바와 같이 피팅이 행해져서, 표2에 나타낸 결과와는 다른 해석값으로 모아지고, 또한, R값도 0.015712로 되어, 약간 정밀도가 향상되어 있는 것처럼 보여졌다.
표2의 결과와 표3의 결과를 비교하면, 계면 러프니스의 대소관계가 반전되어 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 적지않게 복수의 해석값이 존재하여서, 어느 쪽이 바른 해석값인지, 또는 양쪽 모두 충분한 해석이 행해지고 있지 않은지를 판단하는 것은, 도3 또는 도4에 나타낸 측정 데이터만을 사용해서 실시하는 것은 곤란하다. 러프니스의 값이 반전되는 현상은, 더욱 높은 각도측까지의 데이터를 측정하는 것에 의해 판단가능하지만, 다이나믹 레인지가 부족한 경우에는 충분한 해석을 행하는 것이 불가능하다.
본 출원의 발명은, 이상과 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이며, X선 반사율 측정으로 얻어진 측정 데이터에 대하여 시뮬레이션 연산 데이터를 피팅함으로써 막구조를 해석하는 막구조 해석에 있어서 피팅에 의한 해석결과가 국소 해석값에 빠지는 것을 방지하고, 높은 정밀도에서의 막구조 해석결과를 얻는 것을 가능하게 하는 막구조 해석방법과 그 장치를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
본 출원의 발명은, 상기의 과제를 해결하는 것으로서, 첫째로, 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 구조를 X선 반사율 측정법에 의해 해석하는 막구조 해석방법에 있어서, 동일의 막시료를 분해능 및 다이나믹 레인지 중 적어도 어느 하나의 조건이 다른 측정 조건에 의해 측정한 복수의 측정 데이터를 동시에 해석하여 막구조를 결정하는 것을 특징으로 하는 막구조 해석방법을 제공한다.
또, 본 출원의 발명은, 둘째로, 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 표면에 대한 임계각 근방의 각도로부터의 X선 입사에 의해 얻어지는 측정 데이터에서 대해서, 적어도 1개이상의 시료의 물성을 나타내는 파라미터를 변화시켜서 행하는 시뮬레이션 연산에 의해 얻어지는 시뮬레이션 연산 데이터를 피팅해서 측정 데이터와 시뮬레이션 연산 데이터의 차이가 최소로 되었을 때의 파라미터의 값을 최적값으로서 구하여, 막시료의 구조를 결정하는 막구조 해석방법에 있어서, 고분해능의 X선을 막시료에 조사하는 것에 의해 얻어지는 제1측정 데이터와, 저분해능의 X선을 막시료에 조사하는 것에 의해 얻어지는 제2측정 데이터에 대해서 각각 시뮬레이션 연산 데이터를 동시에 피팅하는 것을 특징으로 하는 막구조 해석방법을 제공한다.
그리고, 본 출원의 발명은, 셋째로, 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 구조를 X선 반사율 측정법에 의해 해석하는 막구조 해석장치에 있어서, 동일의 막시료를 분해능 및 다이나믹 레인지 중 적어도 어느 하나의 조건이 다른 측정 조건에 의해 측정한 복수의 측정 데이터를 동시에 해석하는 것에 의해 막구조를 결정하는 것을 특징으로 하는 막구조 해석장치를 제공한다.
또한, 본 출원의 발명은, 네째로, 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 표면에 대한 임계각 근방의 각도로부터의 X선 입사에 의해 얻어지는 측정 데이터에 대하여, 적어도 1개이상의 시료의 물성을 나타내는 파라미터를 변화시켜서 행하는 시뮬레이션 연산에 의해 얻어지는 시뮬레이션 연산 데이터를 피팅해서 측정 데이터와 시뮬레이션 연산 데이터의 차이가 최소로 되었을 때의 파라미터의 값을 최적값으로서 구하여, 막시료의 구조를 결정하는 막구조 해석장치에 있어서, 고분해능의 X선을 막시료에 조사하는 것에 의해 얻어지는 제1측정 데이터와, 저분해능의 X선을 막시료에 조사하는 것에 의해 얻어지는 제2측정 데이터에 대하여, 각각 시뮬레이션 연산 데이터를 동시에 피팅하는 것을 특징으로 하는 막구조 해석장치도 제공하는 것이다.
본 출원의 발명인 막구조 해석방법 및 그 장치에 의해, X선 반사율 측정으로 얻어진 측정 데이터에 대하여 시뮬레이션 연산 데이터를 피팅하는 것에 의해 막구조를 해석하는 막구조 해석에 있어서 피팅에 의한 해석결과가 국소 해석값에 빠지는 것을 방지하여, 높은 정밀도에서의 막구조 해석결과를 얻는 것이 가능해진다.
본 출원의 발명인 막구조 해석방법은, 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 구조를 X선 반사율 측정법에 의해 해석하는 막구조 해석방법으로서, 동일의 막시료를 분해능 및 다이나믹 레인지 중 적어도 어느 하나의 조건이 다른 측정 조건에 의해 측정한 복수의 측정 데이터를 동시에 해석해서 막구조를 해석하는 것이다. 구체적으로는, 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 표면에 대한 임계각 근방의 각도로부터의 X선 입사에 의해 얻어지는 측정 데이터에 대하여, 적어도 1개이상의 시료의 물성을 나타내는 파라미터를 변화시켜서 행하는 시뮬레이션 연산에 의해 얻어지는 시뮬레이션 연산 데이터를 피팅하는 것에 의해, 막시료의 구조를 결정한다.
피팅의 순서로서는, 예를 들면, 최소제곱법에 의한 해석이 이용되며, X선 반사율을 구하고 있는 인자를 파라미터(변수)로 해서, 파라미터의 값을 조금씩 변화시키면서 반사율을 계산해서 실제의 반사율 데이터와의 잔차제곱합을 최소로 하는 것에 의해, 측정 데이터에 가장 피팅되는 1세트의 파라미터를 결정한다.
최소제곱법에 의한 해석에서는, 피팅의 순번이나 방법, 또는 초기값의 적정이나 부적정 등에 의해, 단순히 잔차제곱합을 최소로 하는 것이 곤란하며, 발산해 버려 피팅이 불가능한 것이 적지 않다. 통상의 해석에서는, X선 반사율의 측정 데이터에의 시뮬레이션 연산 데이터의 피팅은 이하의 순번으로 실행하는 것에 의해, 해석값이 모아지는 것이 알려져 있다.
1. 기판을 포함하는 박막의 층구조의 모델을 제작한다.
2. 측정 데이터와 시뮬레이션 연산 데이터에 대하여, 임계각보다 저각도에서의 최대 강도를 일치시킨다.
3. 측정 데이터의 강도와 모델의 백그라운드의 강도를 일치시킨다.
4. 모델의 파라미터 중에서 고정하는 것을 결정한다. 많은 경우에는, 기판은 기지이므로, 그 밀도를 고정한다. 또한, 막두께와 밀도 등의 그 밖의 파라미터에서 기지인 것이 있으면 정수화해 둔다.
5. 눈으로 관찰한 레벨로 측정 데이터와 시뮬레이션 연산 데이터가 일치하도록 파라미터를 수동으로 결정한다.
6. 자동 피팅을 실행한다.
7. 측정 데이터와 시뮬레이션 연산 데이터의 차이가 최소로 되었을 때의 파라미터의 값을 최적값으로서 구한다. 이 때, 최소제곱합의 잔차가 소수 2자리수이하(10-2의 오더)로 되면, 상당한 정밀도로 피팅할 수 있다라고 판단된다.
본 출원의 발명인 막구조 해석방법에 있어서는, 측정시에, 고분해능의 X선을 막시료에 조사하는 것에 의해 얻어지는 제1측정 데이터와, 저분해능의 X선을 막시료에 조사하는 것에 의해 얻어지는 제2측정 데이터에 대하여, 각각 시뮬레이션 연산 데이터를 동시에 피팅하는 것에 의해 파라미터의 최적화를 행한다.
예를 들면, 완전결정 모노크로메이터를 개재해서 X선을 막시료에 대하여 입사시킴으로써 제1측정 데이터를 취득하고, 또한, 완전결정 모노크로메이터를 개재시키지 않고 X선을 막시료에 대하여 입사시킴으로써 제2측정 데이터를 취득한다. 그리고, 각각의 측정 데이터에 대하여 시뮬레이션 연산 데이터를 동시에 피팅하는 것에 의해 파라미터의 최적화가 행해진다. 입사측에 완전결정 모노크로메이터를 설치해서 측정한 경우에는, 고분해능이며 좁은 다이나믹 레인지의 측정 데이터가 취득되며, 한편, 입사측에 완전결정 모노크로메이터를 설치하지 않고 측정한 경우에는, 저분해능이며 넓은 다이나믹 레인지의 측정 데이터가 취득된다.
도1은, 입사측에 완전결정 모노크로메이터를 사용하지 않고 측정을 행한 결과이다(발산각도 0.05°, 다이나믹 레인지 9자리수). 다이나믹 레인지를 넓게 취할 수 있으며, 주기가 큰 진동도 관측되고 있음을 알 수 있다. 이것으로부터, 시료인 박막에는 매우 얇은 층이 존재하고 있는 것이 예상된다. 그러나, 상기 측정은 저분해능 광학계이기 때문에 막두께가 약 400nm인 층에 상당하는 진동은 관측할 수 없다.
도2에, 제1측정 데이터 및 제2측정 데이터에 대하여 동시에 피팅을 행한 결과 얻어진 시뮬레이션 측정 데이터를 나타낸다. 피팅 결과 얻어진 막시료의 구조를 나타내는 최적 파라미터를 표1에 나타낸다.
이상의 해석으로부터, 입사측에 완전결정 모노크로메이터를 설치해서 얻어진 측정 데이터만을 사용해서 피팅을 행한 경우에는 나타나지 않았던 SiO2의 산화막층이 형성되어 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 러프니스에 대해서도 국소 해석값에 빠지는 일없이 정확한 해석값이 구해졌다.
이상과 같이, 분해능 및 다이나믹 레인지가 다른 2종류의 측정 데이터를 동시에 피팅하는 것에 의해, 러프니스 및 막의 두꺼움과 얇음의 동시해석이 가능하게 된다. 분해능 및 다이나믹 레인지가 다른 측정 데이터는, 2종류이상 사용하는 것도 가능하며, 또한, 분해능 및 다이나믹 레인지 뿐만 아니라, 예를 들면, 복수의 측정 파장을 선택하고, 이들 데이터를 동시 해석하는 것에 의해서도 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 출원의 발명인 막구조 해석장치는, 이상에서 설명한 막구조 해석방법을 실시하기 위한 구성을 갖는 것이다. 구체적으로는, 본 출원의 발명인 막구조 해석장치는, X선 반사율 측정법을 행하기 위한 X선 반사율 측정장치를 기본구성으로 하는 막구조 해석장치로서, 동일의 막시료를 분해능 및 다이나믹 레인지 중 적어도 어느 하나의 조건이 다른 측정 조건에 의해 복수의 측정 데이터를 측정하는 데이터 측정수단과, 데이터 측정수단에 의해 측정된 복수의 측정 데이터를 동시에 해석하는 것에 의해 막구조를 결정하는 막구조 결정수단을 구비하고 있다.
더욱 구체적으로 본 출원의 발명인 막구조 해석장치의 구성에 대해서 나타내면, 일반적인 X선 반사율 측정장치에 있어서, X선 입사측에 설치되어 있는 완전결정 모노크로메이터가 이동가능하게 되어 있다. 그리고, 측정시에는, 완전결정 모노크로메이터를 개재해서 X선을 막시료에 대하여 입사시킴으로써 상기 제1측정 데이터를 취득하고, 계속해서, 완전결정 모노크로메이터를 이동시켜, 완전결정 모노크로메이터를 개재시키지 않고 X선을 막시료에 대하여 입사시킴으로써 상기 제2측정 데이터를 취득한다. 취득된 제1측정 데이터 및 제2측정 데이터는, 컴퓨터 등의 막구조 결정수단에 입력되어, 이상에서 상세하게 설명한 막구조 해석방법을 실행함으로써 최적의 막구조를 나타내는 파라미터가 산출된다.
이상은, 본 출원의 발명에 있어서의 형태의 일례이며, 본 출원의 발명이 이들에 한정되는 것은 아니고, 그 세부에 대해서 여러가지 형태를 취할 수 있는 것이 고려되어야 하는 것은 말할 필요도 없다.
본 출원의 발명에 의해, X선 반사율 측정으로 얻어진 측정 데이터에 대해서 시뮬레이션 연산 데이터를 피팅하는 것에 의해 막구조를 해석하는 막구조 해석에 있어서 피팅에 의한 해석결과가 국소 해석값에 빠지는 것을 방지하고, 높은 정밀도에서의 막구조 해석결과를 얻는 것이 가능해진다.
즉, 종래 기술에 있어서는, 분해능을 높인 결과, 다이나믹 레인지가 좁아져버려, 막구조를 해석하는데에 충분한 정보가 얻어지지 않고, 피팅에 이용하는 파라미터가 국소 해석값으로 모아져 버리는 일이 있었다. 본 출원의 발명에 있어서는, 고분해능이며 좁은 다이나믹 레인지의 측정 데이터와 저분해능이며 넓은 다이나믹 레인지의 측정 데이터를 이용함으로써, 막시료에 있어서의 구조전체를 반영한 데이터에 대하여 피팅을 행하는 것이 가능하며, 상기 국소 해석값의 문제가 해결된다. 즉, 본 출원의 발명에 의해, 복잡한 층구조를 갖는 막시료에 대해서도 구조를 나타내는 파라미터를 높은 정밀도로 구하는 것이 가능해졌다.
X선 반사율 측정은 여러가지 기능성 박막재료의 기능 및 특성의 평가에 널리 이용되어지고 있으므로, 높은 정밀도에서의 구조해석을 실현하는 본 출원의 발명인 막구조 해석방법 및 그 장치는 매우 유용하다고 생각되며, 그 실용화가 강하게 기대된다.
도1은, 본 출원의 발명인 막구조 해석방법에 있어서 취득되는 측정 데이터의 일례에 대해서 나타낸 그래프이다.
도2는, 본 출원의 발명인 막구조 해석방법에 있어서 실시된 피팅에 의한 최적화의 결과에 대해서 나타낸 그래프이다.
도3은, 종래의 막구조 해석방법에 있어서 실시된 피팅에 의한 최적화의 결과에 대해서 나타낸 그래프이다.
도4는, 종래의 막구조 해석방법에 있어서 실시된 피팅에 의한 최적화의 결과에 대해서 나타낸 그래프이다.
Claims (4)
- 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 구조를 X선 반사율 측정법에 의해 해석하는 막구조 해석방법에 있어서, 동일의 막시료를 분해능 및 다이나믹 레인지 중 적어도 어느 하나의 조건이 다른 측정 조건에 의해 측정한 복수의 측정 데이터를 동시에 해석함으로써 막구조를 결정하는 것을 특징으로 하는 막구조 해석방법.
- 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 표면에 대한 임계각 근방의 각도로부터의 X선 입사에 의해 얻어지는 측정 데이터에서 대해서, 1개이상의 시료의 물성을 나타내는 파라미터를 변화시켜서 행하는 시뮬레이션 연산에 의해 얻어지는 시뮬레이션 연산 데이터를 피팅해서 측정 데이터와 시뮬레이션 연산 데이터의 차이가 최소로 되었을 때의 파라미터의 값을 최적값으로서 구하여, 막시료의 구조를 결정하는 막구조 해석방법에 있어서, 고분해능의 X선을 막시료에 조사하는 것에 의해 얻어지는 제1측정 데이터와, 저분해능의 X선을 막시료에 조사하는 것에 의해 얻어지는 제2측정 데이터에 대해서, 각각 시뮬레이션 연산 데이터를 동시에 피팅하는 것을 특징으로 하는 막구조 해석방법.
- 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 구조를 X선 반사율 측정법에 의해 해석하는 막구조 해석장치에 있어서, 동일의 막시료를 분해능 및 다이나믹 레인지 중 적어도 어느 하나의 조건이 다른 측정 조건에 의해 측정한 복수의 측정 데이터를 동시에 해석함으로써 막구조를 결정하는 것을 특징으로 하는 막구조 해석장치.
- 단층막 또는 다층막으로 이루어지는 막시료의 표면에 대한 임계각 근방의 각도로부터의 X선 입사에 의해 얻어지는 측정 데이터에 대하여, 1개이상의 시료의 물성을 나타내는 파라미터를 변화시켜서 행하는 시뮬레이션 연산에 의해 얻어지는 시뮬레이션 연산 데이터를 피팅해서 측정 데이터와 시뮬레이션 연산 데이터의 차이가 최소로 되었을 때의 파라미터의 값을 최적값으로서 구하여, 막시료의 구조를 결정하는 막구조 해석장치에 있어서, 고분해능의 X선을 막시료에 조사하는 것에 의해 얻어지는 제1측정 데이터와, 저분해능의 X선을 막시료에 조사하는 것에 의해 얻어지는 제2측정 데이터에 대하여, 각각 시뮬레이션 연산 데이터를 동시에 피팅하는 것을 특징으로 하는 막구조 해석장치.
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