KR20060044502A

KR20060044502A - Ｘ선반사율의 측정방법

Info

Publication number: KR20060044502A
Application number: KR1020050023369A
Authority: KR
Inventors: 가즈히꼬 오모떼
Original assignee: 가부시키가이샤 리가쿠
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2005-03-21
Publication date: 2006-05-16
Also published as: TWI349773B; EP1580546B1; EP1580546A1; US7221734B2; US20050207532A1; KR100994253B1; JP4041808B2; JP2005265742A; TW200537090A

Abstract

본 발명은 상한 계수율이 10의 7승 cps 이상의 X선 검출기를 사용하여, 수초 정도의 단시간에 X선 반사율을 측정한다. 또한 큰 다이나믹 레인지(dynamic range)에서 고정밀도의 반사율곡선을 얻는다.

본 발명은 상한계수율이 10의 7승 cps 이상이고 노이즈레벨이 20 cps 이하의 X선검출기를 이용하여, 산란각 2θ의 1점당 측정시간을 50미리초 이하로 설정하여 X반사율을 측정한다. 이것에 의해, 수초 정도의 단시간에 X선반사율을 측정할 수 있고, 다이나믹 레인지도 5자리수(桁) 정도를 확보할 수 있다.

또한 상한 계수율이 10의 7승 cps 이상이고 노이즈레벨이 0.01cps 이하의 X선 검출기를 이용하여, 산란각 2θ의 1점당 측정시간의 최대치를 100초 이상으로 설정하여 X반사율을 측정한다. 이것에 의해 9자리수의 다이나믹 레인지에서 반사율 곡선을 얻을 수 있고, 고정밀도의 박막구조해석이 가능하다. 어느 경우도 X선 검출기로서 애버렌취 포토다이오드(avalanche photodiode, APD)를 이용할 수 있다.

X선 검출기, 상한계수율, 하한계수율, X선 반사율, 반사율곡선

Description

Ｘ선반사율의 측정방법{METHOD OF X-RAY REFLECTANCE MEASUREMENT}

도 1a, 도 1b는 본 발명의 X선반사율측정방법의 광학계의 배치를 설명하는 설명도이다.

도 2는 X선 검출기의 다이나믹 레인지를 설명하는 그래프이다.

도 3은 X선 검출기의 다이나믹 레인지를 설명하는 다른 그래프이다.

도 4는 다층막 미러의 사시도이다.

도 5는 다층막 미러의 다른 예의 사시도이다.

도 6은 Ta₂O₅박막의 X선반사율의 그래프이다.

도 7은 도6과 도8의 측정에서 스캔 조건의 일람표이다.

도 8은 TiN 박막의 X선 반사율의 그래프이다.

도 9는 저속 스캔과 고속 스캔의 측정데이터를 근거로 한 해석결과를 비교한 표이다.

도 10은 APD를 이용하여 충분한 시간에 걸쳐 X선 반사율을 측정한 그래프이다.

<도면 각 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: APD

12: 시료

14: 입사X선

16: 반사X선

18: 수광 슬릿트

20: 유니오메타 중심

22: 다층막 미러

24: 제1의 반사면

26: 제2의 반사면

28: X선 초점

본 발명은 상한계수율이 큰 X선 검출기를 이용하여 단시간에 X선반사율을 측정하는 방법, 및 노이즈 레벨이 작은 X선 검출기를 이용하여 큰 다이나믹 레인지(dynamic range)에서 X선 반사율을 측정하는 방법에 관한 것이다.

박막의 X선 반사율을 측정하고, 그것에 근거하여 박막의 특성(막두께, 밀도, 표면경계면의 거칠기 등)을 해석하는 것이 알려져 있다. 다음의 특허문헌1은 그와 같은 기술을 개시하고 있다.

[특허문헌1] 특개평10-38821호 공보

X선반사율곡선을 구하는 데에는 산란각2θ를 예를 들면 0도에서 5도의 범위 에서 스캔(scan)하여 X선 강도(强度)를 측정할 필요가 있다. 2θ를 0.01도씩 구분하여 반사X선 강도를 측정한다고 가정하고, 또한 1회의 반사X선 강도의 측정에 1초의 시간이 걸린다고 가정하면, 0~5도의 범위에서는 500회의 측정이 필요하고, 합계의 측정 소요시간은 500초가 된다. 이와 같이 통상적으로는 하나의 반사율곡선을 측정하는 데에, 수분정도의 시간이 걸린다. X선 검출기로서는 비교계수관이나 신틸레이션 카운터(scintillation counter)를 이용하고 있다.

또한 본 발명은 X선 검출기로서 애버렌취 포토다이오드(avalanche photodiode)(이하 APD로 약칭한다)를 이용하는 것과 관련이 있으나 X선검출기로서 APD를 이용한 X선분석장치의 예로서는, 예를 들면, 다음의 특허문헌2가 알려져 있다.

[특허문헌2] 특개2004-37360호공보

이 특허문헌2는 형광 X선 호로그라피(holography)를 검출하는 시스템에 있어서, 높은 카운트 레이트(count rate)(계수율)를 갖는 APD를 이용하는 것으로, 종래보다 단시간에 끝낼 수 있다. 이 문헌에 의하면 APD의 카운트 레이트는 10의 6승 cps 이상이므로, 임의의 일점에서 X선을 검출하기 위하여 필요한 시간이 1초 이하로 되고 다수의 각도조건으로 형광X선의 강도를 측정하는 경우에도, 전체의 측정시간을 2개월 정도에서 수시간 정도까지 단축할 수 있다고 되어 있다.

반도체 디바이스의 제조 프로세스 등에 있어서, 상술의 특허문헌2에 나타난 바와 같이 계수율(計數率)이 높은 APD를 이용하는 것으로 측정시간을 단축할 수 있다는 것은 알려져 있다. 그러나 특허문헌2는 대단히 미약한 형광X선 호로그램 (hologram) 신호를 검출한다는 특수한 용도에 관한 것이고, 통상적이면 2개월 정도의 장시간이 걸리는 측정을, APD를 이용하여 수시간 정도로 감축하는 것이다. 형광X선 호로그램 으로는 APD를 이용한다 하여도 하나의 X선강도의 측정에 1초정도의 시간을 요하고 있다. 이것에 대하여 X선반사율 측정과 같이, 통상은 수분 정도로 종료하는 측정에서는 한 개의 산란각 2θ에서의 X선강도 측정은 원래 1초 정도의 단시간에 종료한다. 이것을 보다 단시간에 측정하고자 하는 시도는 지금까지 알려져 있지 않다. 또한 X선 반사율측정은 다이나믹 레인지가 5자리수 정도, 또는 그것 이상으로 되는 것도 드물지는 않기 때문에, 상한계수율이 10의 6승 이하의 종래의 비례계수관이나 신티레이션 카운터를 이용하는 경우에는, 측정도중에 흡수판을 넣었다 빼었다 하는 것이 필요하게 되고, 이와 같은 작업도 측정시간을 단축하는 경우의 장애가 되고 있다.

한편, 시간이 걸려도 좋으므로 큰 다이나믹 레인지에서 고정도의 X선 반사율 곡선을 측정하고 싶다는 요망도 있다. 종래의 측정방법에서는 X선 검출기로서 비례계수관이나 신틸레이션 카운터(scintillation counter)를 이용하고 있으나, X선 검출기 고유의 노이즈레벨 때문에, 미약한 X선 강도를 측정할 수 없고, 큰 다이나믹 레인지에서의 반사율측정을 할 수 없었다.

본 발명의 목적은 수초 정도의 단시간에 측정이 완료하도록 하는 X선 반사율의 측정방법을 제공하는데 있다. 또한 본 발명의 다른 목적은 큰 다이나믹 레인지에서 고정밀도의 반사율곡선을 얻어지도록 하는 X선반사율의 측정방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 높은 상한 계수율을 갖는 X선 검출기를 이용하여 X선반사율을 측정하는데 특징이 있다. 제1발명은 그중에서 1점당 측정시간을 극히 단시간으로 하여도 소망의 다이나믹 레인지를 확보할 수 있는 점에 특징이 있고, 제2발명은 노이즈 레벨이 극히 낮은 X선 검출기를 이용하는 것으로, 1점당의 측정시간에 충분한 시간이 걸리면 매우 큰 다이나믹 레인에서 X선 반사율의 데이터를 얻어진다는 점에 특징이 있다.

제1발명에 따른 X선 반사율의 측정방법은 상한 계수율이 10의 7승 cps 이상이고 노이즈 레벨이 계수율 환산으로 20 cps 이하의 X선 검출기를 이용하여 산란각 2θ의 1점당의 측정시간을 50미리초 이하로 설정하여 X선반사율을 측정하는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같은 특성을 구비하는 X선 검출기로서는 APD를 이용할 수 있다. 그리고 계수율 단위 cps는 매초 카운터 수이다.

X선반사율의 측정데이터는 산란각 2θ에 의존하여 반사율이 크게 변화하고, 측정데이터의 다이나믹 레인지는 5 자리수(桁) 정도 또는 그 이상으로 되는 것이 드물지는 않다. 그와 같은 X선반사율을 매우 단시간(예를 들면 수초정도)에 측정하기 위해서는 측정도중에 있어서 삽입판을 삽입하거나 빼거나 하여 작업을 하지 않고, 2θ의 스캔(scan)만으로 단숨에 측정데이터가 얻어지도록 하는 것이 중요하다. 그를 위해서는 큰 다이나믹 레인지로 측정하는 것이 필요하고, 그것에는 상한계수율이 10의 7승 cps를 넘는 X선 검출기가 필요하다. 산란각 2θ의 임의의 1점에서의 측정시간이 예를 들면 10미초라고 가정한다면, 그 측정시간 중에 1카운터의 X선 광자(光子)를 검출하기 위해서는 1카운트 ㆇ 0.01초=100 cps를 넘는 강도의 X선이 X선 검출기에 입사할 필요가 있다. 즉, 10미리초의 측정시간으로는 100 cps 이하의 강도의 X선은 검출불능이고, 이 100 cps가 10미리초의 측정시간에서의 하한계수율이 된다. X선 검출기의 상한계수율이 10의 7승 cps 이상이면 10미리초 라는 극히 짧은 측정시간이어도, 다이나믹 레인지(하한계수율에 대한 상한계수율의 비)는 10의 7승 cps ㆇ 100 cps = 10의 5승, 즉 5자리수를 확보할 수 있다. 상한계수율이 혹시 10의 8승 cps 이면 다이나믹 레인지는 6급수가 되고, 상한계수율이 10의 9승 cps 이면 다이나믹 레인지는 7급수가 된다.

한편, X선 검출기의 고유의 노이즈 레벨이 혹시 100 cps 이상이라고 가정하면, 10 미리초의 측정시간일 때의 하한계수율인 100 cps는, 노이즈 레벨에 파묻혀 검출불능이 된다. 따라서 10미리초의 측정시간으로 유효한 X선 검출기를 가능하게 하기 위해서 X선 검출기의 노이즈 레벨이 100 cps 이하일 필요가 있다.

상술의 제1발명은, 1점당의 측정시간을 단축하는 것에 관심이 있으며, 1점당의 측정시간을 50미리초 이하로 설정하고 있다. 이렇게 하면 산란각2θ를 예를 들어 0.01도(度)마다 측정하여도 1도당(當) 5초의 측정시간으로 마친다. 0.02도 마다 측정하면 1도당 2.5초의 측정시간으로 마친다. 후자의 경우, 산란각2θ의 측정범위를 0~3도로 하여 반사율곡선을 측정하는 데에 그 측정시간은 7.5초로 족하다.

1점당의 측정시간을 50미리초로 설정한 경우, 하한 계수율은 20cps가 된다. 즉 20cps 이하의 X선 강도는 검출불능이다. 따라서 X선 검출기의 고유의 노이즈레 벨(noise level)은 20cps 이하이면 문제가 없다. 한편, X선 검출기의 상한계수율은 10의 7승 cps이상이기 때문에 측정가능한 다이나믹 레인지는 10의 7승ㆇ20=5ㅧ10의 5승이 된다. 1점당의 측정시간을 10미리초까지 단축한다고 가정하면, 하한계수율은 100cps 로 상승하나, 그래도 측정가능한 다이나믹 레인지는 5자리수를 확보할 수 있다.

소망의 다이나믹 레인지를 확보하여 보다 측정시간을 단축하기 위해서는, 1점당의 측정시간은 1~50미리초로 설정하는 것이 적당하고, 바람직하기로는 5~20미초로 설정한다.

제2발명에 따른 X선반사율의 측정방법은 상한 계수율이 10의 7승 cps이상이고 노이즈 레벨이 계수율 환산으로 0.01cps이하의 X선v검출기를 이용하여, 산란각2θ의 1점 당(當)의 측정시간의 최대치를 100초 이상으로 설정하여 X선반사율을 측정하는 것을 특징으로 한다. 하나의 반사율곡선을 측정하는 경우에, 산란각2θ가 어느 값이라도, 1점당의 측정시간을 일정하게 하면, 그 측정시간이 1점당의 측정시간의 최대치로 하고, 제2발명에서는 이것을 100초 이상으로 설정한다.

한편, 산란각2θ에 따라서 1점당의 측정시간을 바꾸는 경우에는, 그 최대치를 100초 이상으로 설정한다. 산란각2θ가 크게 됨에 따라서 반사 X선 강도는 저하되어 가므로, 1점당의 측정시간을 최대로 한다. 이 제2발명에 있어서도 X선 검출기로서 APD를 이용할 수 있다.

상술의 제2발명은 큰 다이나믹 레인지로 X선반사율곡선을 얻는 것을 주안으로 하는 것이고, 이를 위하여, 상한 계수율이 10의 7승 cps 이상이고 노이즈 레벨 이 계수율 환산으로 0.01 cps이하의 X선 검출기를 이용하고 있다. 이 경우에, 하한계수율로서 노이즈 레벨의 부분까지 측정할 수 있다고 가정하면, 다이나믹 레인지는 10의 9승 이상이 된다. 다만, 1점당의 측정시간에 의해 하한 계수율이 정해져 버리므로, 상술의 낮은 노이즈 레벨를 최대한으로 활용하기 위해서는 그 노이즈 레벨보다 낮은 부분까지 하한 계수율을 낮추는 것이 중요하다. 이를 위하여, 1점당의 측정시간을 노이즈 레벨의 역수 이상으로 하면 좋다. 이와 같이 하는 것으로 낮은 노이즈 레벨을 충분히 활용한, 다이나믹 레인지의 극히 큰 반사율측정이 가능하게 된다. 1점당의 측정시간은, 노이즈 레벨과 동등의 하한계수율이 되도록 하는 시간이면 족하며, 이것보다 길게 하여도, 특별한 이점은 없다. 노이즈 레벨이 0.01 cps 의 X선 검출기를 사용하는 경우에는, 1점당의 측정시간은, 100초 이상으로서 좋다. 다만, 노이즈 레벨보다 꽤 높은 반사X선 강도를 측정하는 경우는, 1점당의 측정시간은, 100초보다 짧게 하여도 노이즈 레벨에 장애가 되는 일이 없다. 따라서 상술의 100초 이상이라는 것은 노이즈 레벨 부근의 작은 반사X선 강도를 측정할 때에 의미가 있다. 그래서 제2발명에서는 1점당의 측정시간의 「최대치」를 100초 이상으로 하고 있다. 이 최대치는 하나의 반사율 곡선을 측정하는 때의 산란각2θ의 범위중 제일 큰 부분에서 채용하는 값이다.

제1발명에 따르면, 수초 정도의 단시간에 X선 반사율을 측정할 수 있다. 따라서 기판상의 다수의 측정지점에서 X선 반사율 측정을 실시하는 경우에는 전체의 소요시간을 대단히 작게 할 수 있는 효과가 있다. 그리고 제2발명에 따르면 10의 9승 이상의 매우 큰 다이나믹 레인지에서 X선 반사율을 측정할 수 있고, 고정밀도의 박막 구조해석이 가능하게 된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 X선 반사율 측정방법의 광학계의 배치를 설명하는 설명도이다. 도 1a에 있어서, X선 검출기로서는, APD(10)를 이용하고 있다. 시료(12)의 표면에 대하여 작은 입사각 θ로 X선(14)을 입사하고, 시료(12)의 표면에서 반사하는 X선(16)을 시료(12)의 표면에 대하여 출사각 θ의 부근에 있는 수광 슬릿트(18)와 APD(10)로 검출하고 있다. 이하, 수광 슬릿트(18)와 APD(10)을 합하여 수광계라 부르기로 한다. 입사X선(14)에 대하여 반사X선(16)이 이루는 각도가 산란각2θ이다. 산란각2θ를 스캔하는 데에는 시료(12)를 고니오메타(goniometer) 중심(20)의 주위로 θ 회전시킴과 동시에, 수광계를 고니오메타 중심(20)의 주위로 2θ 회전시킨다.

도 1b는 산란각 2θ의 스캔 방법의 다른 예이다. 도1a에서는 입사X선(14)을 공간에 대하여 고정하였으나, 도1b에서는 시료(12)를 공간에 대하여 고정한다. 이 경우는 산란각2θ를 스캔하는 데에 입사X선(14)(즉 X선원(源))을 고니오메타 중심(20)의 주위로 시계방향으로 θ 회전시켜, 수광계는 고니오메타 중심(20)의 주위로 반시계방향으로 θ 회전시킨다.

본 발명의 X선반사율 측정방법은 도 1a, 도 1b의 스캔 방법을 모두 이용할 수 있다. 제1발명은 스캔속도가 통상의 X선 반사율 측정보다 고속인 것에 특징이 있다. 예를 들면, 2θ를 0.02도씩 나누어서 1점당 20미리초의 측정시간으로 반사X선 강도를 측정하는 경우는, 2θ를 0도에서 5도까지 스캔하는 데에 소요되는 시간은 5초로 끝난다. 이 때, 도1a의 스캔 방법의 경우는 시료(12)의 θ회전을 0.01도 씩 나누고, 한편 수광계의 2θ를 0.02도씩 나눈다. 도 1b의 스캔 방법의 경우는, 입사X선(14)의 시계방향의 θ회전을 0.01도씩 나누고, 한편 수광계는 반시계방향의 θ회전을 0.01도씩 나눈다. 2θ의 스캔에 대해서는 연속 스캔(X선강도의 측정시간중에도 2θ가 연속적으로 변화한다)이라도, 스텝 스캔(X선강도의 측정기간 중에는 2θ는 변화하지 않는다)이라도 가능하나, 제1발명의 경우는 단시간 측정을 특징으로 하고 있으므로, 연속스캔을 채용하는 것이 바람직하다.

다음에, X선 검출기의 계수율과, 측정시의 다이나믹 레인지에 대하여 설명한다. 도2는 X선 검출기에 입사하는 X선강도(단위는 cps)와의 관계를 모식적으로 나타낸 그래프이다. 입사X선의 강도가 대단히 크게 되면 계수율이 포화하게 된다. 그 포화계수율이 측정가능한 상한 계수율이다. 도2에서 상한값으로 표시한 것으로서, 그 예는 10의 7승 cps 이다. 한편 입사X선강도가 대단히 작게 되면 측정이 작게 되나, 그 하한을 결정하는 것으로서 두개의 요인이 있다. 제1의 요인은 1점당의 측정시간이고, 제2의 요인은 X선 검출기의 노이즈 레벨이다. 우선 제1의 요인에 대하여 설명하면, 1점당의 측정시간이 예를 들면 10미리초 라는 대단히 짧은 경우, 최저 1개의 X선 광자를 계수하기 위해서는, 1카운터ㆇ 10미초= 100cps의 X선강도가 필요하게 된다. 이것보다 X선 강도가 낮게 되면 측정시간중에 한개의 X광자를 카운트하든가, 1개의 X선 광자도 카운트하지 않든지, 어느 경우도 실제의 X선강도가 얼마인지 판정불능이다. 따라서 검출기로서는 100cps 이하의 측정결과는 얻어지지 않게 되고, 그런 의미로, 그 측정한계를, 도 2에서 10미리초의 수평선으로 표시하고 있다. 이 때의 계수율의 하한값은 100cps가 된다. 마찬가지로, 1점당의 측정시간이 1000미리초(1초)의 경우는 하한 계수율은 1cps가 된다.

다음에, 제2요인에 대하여 설명한다. X선 검출기에는 고유의 노이즈 레벨이 있고, 그것보다 낮은 입사X선 강도는 노이즈 레벨에 숨겨져 검출할 수 없다. 도 2의 그래프는 노이즈 레벨이 약 1cps의 예이고, 이것보다 낮은 X선 강도는 검출할 수 없다. 결국, 노이즈 레벨에 상당하는 계수율과, 1점당의 측정시간으로 결정되는 하한계수율 중 큰 쪽이 그 측정에서의 하한 계수율이 된다. 도2의 그래프에서 말하는 것은, 1점당의 측정시간이 1000미리초의 경우는 1점당의 측정시간에 따라 정해지는 하한계수율이 그 측정에서의 하한 계수율이 된다. 반대로 1점당의 측정시간이 1000미리초를 넘어서면, 노이즈레벨의 부분이 하한 계수율이 되고, 하한 계수율은 측정시간에는 의존하지 않게 된다. 도2의 실선의 그래프는 1점당의 측정시간이 10미리초일 때의 계수율의 그래프이다. 이 때, 상한값은 10의 7승 cps, 하한값은 100 cps 이고, 측정가능한 다이나믹 레인지는 5자리수를 확보할 수 있게 된다.

도 3의 그래프는, 노이즈 레벨이 약 0.01cps 이라는 극히 낮은 X선 검출기를 사용한 경우의, 도2와 유사한 그래프이다. 이 경우는 1점당의 측정시간을 꽤 길게 하여도, 그 것에 따르는 하한계수율이 노이즈 레벨을 크게 밑도는 일은 없다. 도 3의 그래프의 실선은 1점당의 측정시간이 100초 이상일 때의 계수율의 그래프이다. 1점당의 측정시간이 100초로 되면, 그것에 따르는 하한계수율은 0.01 cps가 되고, 여기서 겨우 노이즈 레벨과 거의 동등하게 된다. 이와 같이, 노이즈 레벨이 낮은 X선 검출기를 사용하면, 1점당의 측정시간을 길게 하는 것으로 하한계수율을 매우 낮은 값까지 낮출 수 있고, 이것에 의해 다이나믹 레인지를 매우 크게 할 수 있다. 도 3의 예에서는, 상한계수율이 10의 7승 cps이고, 하한계수율이 0.01 cps이므로 측정가능한 다이나믹 레인지는 10의 9승이 된다.

실시예에서 사용한 APD는 상한계수율이 10의 8승 cps이고, 그리고 노이즈 레벨이 0.002cps 이다. 따라서 이 APD를 사용하여 1점당의 측정시간을 짧게 하여, 반사율측정의 소요시간을 수초 정도로 단축할 수도 있고, 또 1점당의 측정시간을 길게 하여 매우 큰 다이나믹 레인지에서 반사율곡선을 측정할 수도 있다.

다음에 입사 X선에 대하여 설명한다. 본 발명은 상한 계수율이 10의 7승 cps 이상의 X선 검출기를 사용하는 것으로서, 이 상한 계수율을 활용하려면 강도가 높은 입사X선을 이용할 필요가 있다. 그리고 도1에서 입사 X선(14)으로서는, 다층막 미러(mirror)를 이용하여 얻어지는 강도가 높은 X선 비임을 이용하고 있다.

도 4는 실시예로 사용하는 다층막 미러의 사시도이다. 이 다층막 미러(22)는 인공다층막으로 형성된 포물면 형상의 제1 반사면(24)을 갖는 제1 미러와, 인공 다층막으로 형성된 포물면 형상의 제2 반사면(26)을 갖는 제2 미러를 그 측 가장자리의 부근에서 약 90도의 각도를 갖고 서로 접합한 것으로, 소위 사이드 바이 사이드(side-by-side) 구조의 다층막 미러이다. 이 다층막 미러(22)를 사용하는 것으로, X선관의 X선 초점(28)에서 출사된 X선 비임(발산하며 나가는 비임이다)을 XY평면내에 있어서도, YZ평면내에 있어서도, 평행화 할 수 있다. 처음에 제1의 반사면(24)에서 반사한 X선은 또한 제2의 반사면(26)에서 반사하여 나간다. 한편, 처음에 제2의 반사면(26)에서 반사한 X선은 또한 제1의 반사면(24)에서 반사하여 나간다. 제1의 반사면(24)은 XY 평면내에서 X선을 평행화하는 것이고, 제2의 반사면(26)은 YZ 평면내에서 X선을 평행화 하는 것이다. X선 초점(28)으로부터 발산하는 X선 비임을 포물면에 모이게 하여 평행화하고 있으므로 휘도가 높은 평행 비임이 얻어진다. 이 다층막 미러(22)를 입사광학계내에 배치할 때는 도3의 XY 평면이 도1의 지면(紙面)에 평행하도록 배치한다. 이 다층막 미러(22)와 마이크로 포커스(micro focus) X선원(源)을 이용하면, 시료에 입사하기 직전의 입사X선의 비임 단면 형상은 예를 들면, 1mmㅧ0.1mm 가 된다. XY 평면 및 YZ 평면에 있어서 X선 비임의 발산각은 0.03도 이하이다.

다음에 다층막 미러의 다른 예를 설명한다. 도5의 다층막 미러(22a)는, 두개의 반사면(24a)(26a)을 타원호(楕圓弧)형상으로 하고 있다. 이렇게 하면, XY 평면내와 YZ 평면내에서, X선은 시료표면상에 집속(集束)하는 집속 비임이 된다. 도5의 다층막 미러의 쪽이 도4의 다층막 미러보다 발산각은 크게 되나 입사X선 강도를 높일 수 있다. 이 다층막 미러(22a)와 마이크로 포커스 X선원을 이용하면 시료에 입사하기 직전의 입사X선의 비임 단면 형상은 예를 들면, 0.05mm ㅧ 0.05mm 로 된다. 이 때 다층막 미러의 전체를 사용한다고 가정하면, 발산각은 1도 정도로 크게 되나 XY 평면내에서의 비임의 평행화를 도모하기 위하여 슬릿트로 발산각을 규제하면, 발산각을 0.05도 정도로 하여 반사율을 측정할 수 있다.

다음에, 구체적인 측정예를 설명한다. 도 6은 Si 기판상에 형성한 Ta₂O₅(산화 탄탈) 박막을 도1의 방법으로 측정한 때의 X선 반사율의 그래프이다. 횡측은 산란각2θ이고, 종축은 반사X선 강도를 카운트 수로 표시한 것이다. 측정시간이 다른 4종류의 반사율곡선을 나타내고 있으나, 혹시 종축을 계수율(단위는 cps)로 나타냈다고 하면, 4종류의 그래프는 서로 거의 겹치는 것이다. 카운트 수로 표시하고 있으므로 측정시간이 짧게 될 수록(측정1에서 측정4로 갈수록), 카운트 수로 표시한 반사 X선 강도의 값은 작게 되어 있다.

측정1은 2θ를 0.01도씩 구분하여 1점당 50미리초의 측정시간으로 측정한 것이다. 따라서 2θ의 스캔 속도는 매초 0.02도이다. 측정2는 0.01도 구분이고 100미리초의 측정시간이며, 스캔 속도는 매초 0.01도이다. 측정3은 0.02도 구분이고 50미리초의 측정시간이며, 스캔 속도는 매초 1도이다. 측정4는 0.02도 구분이고 20미리초의 측정시간이며, 스캔 속도는 매초 0.01도이다. 이들의 수치를 도7의 표1에 정리하여 나타내었다. 2θ의 1도당의 소요시간은 측정1에서 50초, 측정2에서 10초, 측정3에서 2.5초, 측정4에서 1초이다. 산란각2θ의 측정범위를 0~5도라고 가정하면, 그 소요시간은 측정1에서 250초, 측정2에서 50초, 측정3에서 12.5초, 측정4에서 5초이다. 본원의 제1발명은 산란각2θ의 1점당의 측정시간을 50미리초 이하로 설정하는 것을 특징으로 하고 있으므로, 측정3과 측정4가 제1의 실시예에 상당한다. 측정1과 측정2는 비교예이다. 도6의 그래프에 있어서, 측정1과 측정2에서는, 2θ가 0~4도의 범위에 있어서, 4번째까지의 간섭파형이 깨끗하게 나타나고 있다. 측정3은 4번째의 간섭파형이 다소의 노이즈가 나타나고 있으나 이 4번째의 간섭파형까지 명료한 데이터가 얻어지고 있다. 측정4는 3번째의 간섭파형에 다소의 노이즈가 나타나고 있으나 이 3번째의 간섭까지 명료한 데이터가 얻어지고 있다. 이와 같이 명료한 데이터가 얻어지면, 측정3이나 측정4의 반사율곡선을 이용하여 박막의 특성을 해석하는 것이 가능하다. 측정4에 있어서도 다이나믹 레인지는 5자리수 정도 확보할 수 있다.

다음에 다른 측정예를 설명한다. 도8은 Si 기판상에 형성한 TiN(질화 티탄)박막을 도1의 방법으로 측정한 때의 X선 반사유의 그래프이다. 횡측은 산란각2θ이고, 종축은 반사X선 강도를 카운트 수로 나타낸 것이다. 측정시간이 다른 4종류의 반사율 곡선을 나타내고 있으나, 도6과 마찬가지로 혹시 종축을 계수율(단위는 cps)로 나타냈다고 하면, 4종류의 그래프는 서로 거의 겹쳐지는 것이다.

측정1은 2θ를 0.01도씩 구분하여 1점당 1000미리초의 측정시간으로 측정한 것이다. 따라서 2θ의 스캔 속도는 매초 0.01도이다. 측정2는 2θ를 0.01도씩 구분한 것이고 50미리초의 측정시간이며 스캔 속도는 매초 0.2도이다. 측정3은 0.01도씩의 구분이고 20미리초의 측정시간이며 스캔속도는 매초 1도이다. 측정4는 0.01도씩의 구분이고 10미리초의 측정시간이며 스캔속도는 매초 1도이다.

이들의 수치를 도7의 표2에 정리하여 나타내었다. 2θ의 1도당의 소요시간은 측정1에서 100초, 측정2에서 5초, 측정3에서 2초, 측정4에서 1초이다. 산란각2θ의 측정범위를 0~3도라 가정하면, 그 소요시간은 측정1에서 300초, 측정2에서 15초, 측정3에서 6초, 측정4에서 3초이다. 본원의 제1발명은 산란각2θ의 1점당의 측정시간을 50미리초 이하로 설정하는 것을 특징으로 하고 있으므로, 측정2 ~ 측정4가 본 발명의 실시예에 상당하고, 측정1의 데이터는 비례예이다. 측정1~3에서는 2θ가 2도 부근까지, 간섭파형의 진동곡선이 깨끗하게 얻어져 있다. 측정4는 2θ가 1.5도 부근까지, 간섭파형의 진동곡선이 깨끗하게 얻어져 있다. 이와 같은 명료한 데이터 가 얻어지면 이들의 반사율곡선을 이용하여, 박막의 특성을 해석하는 것이 가능하다. 측정4에 있어서도 다이나믹 레인지는 4자리수 정도 확보하고 있다.

도 9의 표3은 도 6과 도8의 측정 데이터의 각각에 대하여, 측정1(저속 스캔)과 측정4(고속 스캔)의 데이터를 이용하여 얻어진 해석결과를 비교한 것이다. 도 6의 Ta₂O₅ 박막의 측정데이터에서는 측정1의 반사율 곡선에서 구한 막두께는 9.54nm, 표면거칠기 0.63nm, 경계면 거칠기(Ta₂O₅ 박막과 Si기판과의 경계면 거칠기)는 0.29nm 이었다. 그것에 대하여 측정4의 반사율곡선에서 구한 막두께는 9.56nm, 표면거칠기 0.73nm, 경계면 거칠기는 0.39nm 이었다. 막두께의 수치를 비교하여 보면, 측정1과 측정4에서 해석결과는 극히 잘 일치하고 있다. 표면 거칠기와 경계면 거칠기에 대하여도 그다지 큰 차이가 없다. 따라서 측정4와 같은 고속측정에서 얻어진 반사율곡선을 이용하여도 박막의 해석결과에 신뢰성이 있다는 것을 확인할 수 있었다.

또한 도 8의 TiN 측정데이터에서는 측정1의 반사율곡선에서 구한 막두께는 4.935nm, 표면거칠기 2.06nm, 경계면거칠기는 0.55nm 이었다. 이것에 대하여 측정4의 반사율곡선에서 구한 막두께는 4.904nm, 표면거칠기 2.04nm, 경계면거칠기는 0.55nm 이었다. 이 TiN 박막의 예에서는 막두께, 표면 거칠기 및 경계면 거칠기의 어느 것이나 측정1과 측정4에서 해석결과는 극히 잘 일치하고 있으며, 역시 측정4와 같은 고속측정으로 얻어진 반사율 곡선을 이용하여도 박막의 해석결과에 신뢰성이 있다는 것을 확인할 수 있었다.

다음에 본원의 제2발명의 실시예를 설명한다. 도 10은 X선 검출기로서 APD를 이용하여 충분한 시간에 걸쳐 X선 반사율을 측정한 그래프이다. 시료는 Si 기판상에 형성한 Ta₂O₅ 박(산화탄탈)박막(두께는 10nm)이다. 횡축은 산란각2θ, 종축은 반사율(입사X선 강도에 대한 반사X선 강도의 비율)이다. 2θ가 0 ~ 6도 까지는 2θ를 0.02도씩 구분하고, 1점당의 측정시간을 10초로 설정하고 있다. 2θ가 8 ~ 14도 까지는 2θ를 0.02도씩 구분하고, 1점당의 측정시간을 100초로 설정하고 있다. 0 ~ 6도까지의 소요시간은 3000초이고, 6 ~ 14도 까지는 40000초이다. 합계시간은 43000초=약 12시간이다. 2θ의 작은 영역에서는 반사X선 강도가 크므로 1점당의 측정시간을 짧게 하여도 그 측정시간에서 정해지는 하한계수율보다 X선강도가 크게 되므로 측정에 지장은 없다. 2θ가 큰 영역에서는 반사 X선 강도가 작게 되므로 1점당의 측정시간을 길게 하는 것으로 측정시간에서 정해지는 하한계수율을 낮추고 있다. 이 실시예서는 하나의 반사율곡선을 얻기 위하여, 1점당의 측정시간의 최대치는 100초이다. 이 최대치를 충분히 길게 하고 있으므로, 낮은 노이즈 레벨을 활용한, 다이나믹 레인지가 큰 측정이 가능하게 된다.

도 10의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 1점당의 측정시간에 충분한 시간이 걸리면, APD의 능력이 최대한으로 발휘되어, 간섭파형이 주기적인 패턴은, 반사율이 10의 마이너스 8승 이하의 부분까지 명료하게 나타나고 있다. 이 때의 다이나믹 레인지는 적어도 10의 9승은 확보할 수 있다는 것을 알았다.

이와 같이 본 발명에 따른 X선반사율의 측정방법은 수초 정도의 단시간에 X선반사율의 측정이 완료하며 또한 큰 다이나믹 레인지에서 고정밀도의 반사율곡선을 얻어지는 효과를 발휘한다.

Claims

상한계수율이 10의 7승 cps 이상이고 노이즈레벨이 계수율환산으로 20 cps 이하의 X선검출기를 이용하여, 산란각 2θ의 1점당 측정시간을 50미리초 이하로 설정하여 X반사율을 측정하는 것을 특징으로 하는 X선반사율의 측정방법.
상한계수율이 10의 7승 cps 이상이고 노이즈레벨이 계수율환산으로 0.01cps 이하의 X선검출기를 이용하여, 산란각 2θ의 1점당 측정시간의 최대치를 100초 이상으로 설정하여 X반사율을 측정하는 것을 특징으로 하는 X선반사율의 측정방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 X선검출기로서 애버렌취 포토다이오드를 이용하는 것을 특징으로 하는 X선반사율의 측정방법.