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JP2010014432A - Film thickness measuring method - Google Patents

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JP2010014432A
JP2010014432A JP2008172467A JP2008172467A JP2010014432A JP 2010014432 A JP2010014432 A JP 2010014432A JP 2008172467 A JP2008172467 A JP 2008172467A JP 2008172467 A JP2008172467 A JP 2008172467A JP 2010014432 A JP2010014432 A JP 2010014432A
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Japan
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film thickness
ray diffraction
ray
diffraction intensity
intensity distribution
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Pending
Application number
JP2008172467A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Senda
剛士 仙田
Yoshiaki Matsushita
嘉明 松下
Hiromichi Isogai
宏道 磯貝
Eiji Toyoda
英二 豊田
Koji Sensai
宏治 泉妻
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Coorstek KK
Original Assignee
Covalent Materials Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】簡易な構成で、高精度かつ短時間の薄膜の膜厚測定と異常値検出を可能とする薄膜の膜厚測定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】X線回折装置を用いて、評価試料の最上層の膜厚を測定する方法であって、X線回折装置以外の膜厚測定方法を用いて、標準試料の膜厚基準値を測定する基準値測定ステップと、前記標準試料のX線回折強度分布から検出された特徴量と、前記膜厚基準値とを対応付けた校正情報10をあらかじめ生成する校正情報生成ステップと、評価試料のX線回折強度分布を取得する分布取得ステップS100と、前記分布取得ステップS100で取得されたX線回折強度分布から特徴量を検出する特徴量検出ステップS101と、前記特徴量検出ステップS101で検出された特徴量と、前記校正情報10とから前記評価試料の最上層の膜厚を算出する膜厚算出ステップS106とを備えたことを特徴とする膜厚測定方法である。
【選択図】図6
An object of the present invention is to provide a thin film thickness measurement method capable of measuring a thin film thickness and detecting an abnormal value with high accuracy and in a short time with a simple configuration.
A method of measuring a film thickness of an uppermost layer of an evaluation sample using an X-ray diffractometer, wherein a film thickness reference value of a standard sample is determined using a film thickness measurement method other than the X-ray diffractometer. A reference value measuring step for measuring, a calibration information generating step for generating in advance calibration information 10 in which the characteristic amount detected from the X-ray diffraction intensity distribution of the standard sample and the film thickness reference value are associated, and an evaluation sample A distribution acquisition step S100 for acquiring the X-ray diffraction intensity distribution, a feature amount detection step S101 for detecting a feature amount from the X-ray diffraction intensity distribution acquired in the distribution acquisition step S100, and a detection in the feature amount detection step S101. A film thickness measuring method comprising: a film thickness calculating step S106 for calculating the film thickness of the uppermost layer of the evaluation sample from the measured feature amount and the calibration information 10.
[Selection] Figure 6

Description

本発明は、膜厚測定方法に関し、特に多層膜構造を形成する半導体の膜厚を高速、高精度に測定する膜厚測定方法に関する。   The present invention relates to a film thickness measuring method, and more particularly to a film thickness measuring method for measuring a film thickness of a semiconductor forming a multilayer structure with high speed and high accuracy.

近年、SOI基板やMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)製造において、半導体基板の張り合わせ技術に注目が集まっている。この張り合わせ技術では、結晶面方位(100)を有するシリコンおよび結晶面方位(110)を有するシリコンを直接、もしくは絶縁層を介して張り合わせるHOT(Hybrid Crystal Orientation Technology)基板を用いたCMOS開発が活発になっている。このように、異なる材料を多層構造に形成する基板技術においては多層膜の膜厚が重要な品質管理特性となっている。   In recent years, in the manufacture of SOI substrates and MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), attention has been focused on semiconductor substrate bonding technology. In this bonding technique, CMOS development using a HOT (Hybrid Crystal Orientation Technology) substrate in which silicon having a crystal plane orientation (100) and silicon having a crystal plane orientation (110) are bonded directly or via an insulating layer is active. It has become. As described above, in the substrate technology in which different materials are formed in a multilayer structure, the film thickness of the multilayer film is an important quality control characteristic.

従来、膜厚測定の方法としては、分光エンプソメトリ法や反射分光法が挙げられる。これらの方法では、薄膜の結晶構造や表面状態によって反射光、透過光、屈折光の状態がおのおの変化するため、薄膜への入射光の波長と出射光の屈折率、透過率および反射率との関係から相関式や相関係数を算出する必要があり、膜厚測定にかなりの時間を要することが問題となっていた。また、透過型電子顕微鏡(Transmittance Electro Microscopy)を用いる場合、測定試料を破壊しなければならない。更に、上記の方法では、主に波長1000nm以下の光源を用いて測定を行う。しかし、多層膜の測定対象膜厚が1μm以上となる厚い膜を測定する場合、770nm以下の可視光域の吸収係数が大きいため、測定が困難となる。この問題に対し、X線回折法を使用する測定方法が公知であるが、薄膜の結晶構造に凹凸があり平滑でないことから、十分な膜厚測定精度を得られるX線回折強度を検出することが困難であるため、特許文献1、2、3に示される技術が開示されている。   Conventionally, as a method for measuring a film thickness, there are a spectral emporometry method and a reflection spectroscopy method. In these methods, the state of reflected light, transmitted light, and refracted light changes depending on the crystal structure and surface state of the thin film, so the wavelength of incident light to the thin film and the refractive index, transmittance, and reflectance of the emitted light It is necessary to calculate a correlation equation and a correlation coefficient from the relationship, and it takes a considerable time to measure the film thickness. Further, when a transmission electron microscope is used, the measurement sample must be destroyed. Furthermore, in the above method, measurement is performed mainly using a light source having a wavelength of 1000 nm or less. However, when measuring a thick film having a measurement target film thickness of 1 μm or more of the multilayer film, the measurement becomes difficult because the absorption coefficient in the visible light region of 770 nm or less is large. A measurement method using the X-ray diffraction method is known for this problem, but since the crystal structure of the thin film has irregularities and is not smooth, an X-ray diffraction intensity capable of obtaining sufficient film thickness measurement accuracy is detected. Therefore, techniques disclosed in Patent Documents 1, 2, and 3 are disclosed.

特許文献1では、測定精度上十分なX線回折強度を得るために、4種類のX線を用いてそれぞれのX線回折強度を測定し、相補的に測定値を算出することにより、膜厚の測定対象レンジを幅広く取ることを可能とする技術が開示されている。また、特許文献2では、薄膜上に平坦化層を形成した後に、X線回折法により平坦化層を含めた薄膜の膜厚を測定し、平坦化層の膜厚分補正するという技術が開示されている。また、特許文献3では、薄膜によるX線回折強度を検出するX線検出器を所定の角度範囲にわたって走査することによって、結晶構造により発生する測定精度不足を解消するという技術が開示されている。   In Patent Document 1, in order to obtain a sufficient X-ray diffraction intensity in terms of measurement accuracy, each X-ray diffraction intensity is measured using four types of X-rays, and the measured value is calculated in a complementary manner. A technique that enables a wide range of measurement targets is disclosed. Patent Document 2 discloses a technique in which after a planarization layer is formed on a thin film, the thickness of the thin film including the planarization layer is measured by an X-ray diffraction method, and the thickness of the planarization layer is corrected. Has been. Further, Patent Document 3 discloses a technique for solving a measurement accuracy deficiency caused by a crystal structure by scanning an X-ray detector that detects an X-ray diffraction intensity by a thin film over a predetermined angle range.

特開平7−27550号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-27550 特開平5−256636号公報JP-A-5-256636 特開平5−113322号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-113322

しかしながら、特許文献1においては、4種類のX線を使用すると言う点で構成が複雑となり、コストアップとなる。また、特許文献2においては、膜厚測定のために平坦化層を形成してしまうと、上に重ねて膜形成を行うことが不可能となる。また、特許文献3においては、統計的な近似式を求めることから、かなりの測定時間を要する。このように、従来開示されているこれらの技術では、複雑な構成で大きなコストアップを必要としたり、かなり膜厚の測定時間が長くなったり、測定時間が長いためにX線の照射量が変動してしまい、測定精度が低下するというように、膜厚測定を実行するためのコスト、測定時間および測定精度をすべて満足する薄膜の測定方法がないという問題があった。   However, in Patent Document 1, the configuration is complicated in that four types of X-rays are used, and the cost increases. In Patent Document 2, if a planarization layer is formed for film thickness measurement, it becomes impossible to form a film on top of it. In Patent Document 3, since a statistical approximate expression is obtained, a considerable measurement time is required. As described above, these techniques disclosed in the related art require a large cost increase with a complicated configuration, a considerably long film thickness measurement time, and a long measurement time, so that the amount of X-ray irradiation varies. As a result, there is a problem that there is no thin film measurement method that satisfies all of the cost, measurement time, and measurement accuracy for performing film thickness measurement, such that the measurement accuracy decreases.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、多層構造を形成する半導体基板上の薄膜の膜厚測定にあたって簡易な構成で、高速かつ高精度の薄膜の膜厚測定を可能とする膜厚測定方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and is a film that enables high-speed and high-accuracy thin film thickness measurement with a simple configuration in measuring the film thickness of a thin film on a semiconductor substrate forming a multilayer structure. An object is to provide a thickness measurement method.

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明にかかる膜厚測定方法は下記の通り構成されている。   In order to solve the above problems and achieve the object, the film thickness measuring method according to the present invention is configured as follows.

(1)本発明にかかる膜厚測定方法は、X線回折装置を用いて、多層膜構造を有する評価試料の最上層の膜厚を測定する方法であって、X線回折装置以外の膜厚測定方法を用いて、標準試料の膜厚基準値を測定する基準値測定ステップと、前記標準試料へのX線照射角度を走査してX線回折強度分布を取得し該X線回折強度分布から検出された特徴量と、前記標準試料の前記膜厚基準値とを対応付けた校正情報をあらかじめ生成する校正情報生成ステップと、評価試料へのX線照射角度を走査してX線回折強度分布を取得する分布取得ステップと、前記分布取得ステップで取得されたX線回折強度分布から特徴量を検出する特徴量検出ステップと、前記特徴量検出ステップで検出された特徴量と、前記校正情報とから前記評価試料の最上層の膜厚を算出する膜厚算出ステップとを備えたことを特徴とする。   (1) The film thickness measuring method according to the present invention is a method for measuring the film thickness of the uppermost layer of an evaluation sample having a multilayer film structure using an X-ray diffractometer, and is a film thickness other than the X-ray diffractometer. Using the measurement method, a reference value measuring step for measuring the film thickness reference value of the standard sample, and scanning the X-ray irradiation angle to the standard sample to obtain an X-ray diffraction intensity distribution, and from the X-ray diffraction intensity distribution A calibration information generation step for generating calibration information that associates the detected feature quantity with the film thickness reference value of the standard sample in advance, and an X-ray diffraction intensity distribution by scanning the X-ray irradiation angle on the evaluation sample A distribution acquisition step of acquiring a feature amount, a feature amount detection step of detecting a feature amount from the X-ray diffraction intensity distribution acquired in the distribution acquisition step, a feature amount detected in the feature amount detection step, and the calibration information To the top layer of the evaluation sample Characterized in that a film thickness calculating step of calculating the thickness.

(2)上記(1)に記載の膜厚測定方法において、前記特徴量は、前記X線回折強度分布の最大値もしくは積分値のうちいずれかであることが望ましい。   (2) In the film thickness measurement method described in (1) above, it is desirable that the feature amount is either a maximum value or an integral value of the X-ray diffraction intensity distribution.

(3)上記(1)または(2)に記載の膜厚測定方法において、前記膜厚基準値は、透過型電子顕微鏡もしくは分光エンプソメトリ法のうちいずれかにより測定された膜厚であることが望ましい。   (3) In the film thickness measuring method according to the above (1) or (2), the film thickness reference value is preferably a film thickness measured by either a transmission electron microscope or a spectroscopic emsometry method. .

(4)上記(1)ないし(3)に記載の膜厚測定方法において、前記標準試料は、前記X線回折装置内に保持されることが望ましい。   (4) In the film thickness measuring method according to (1) to (3), the standard sample is preferably held in the X-ray diffraction apparatus.

(5)上記(1)ないし(4)に記載の膜厚測定方法において、前記標準試料および前記評価試料は、HOT(Hybrid Crystal Orientation Technology)基板、もしくはSOI(Silicon On Insulator)基板のうちいずれかであって、前記最上層は、シリコン(Si)の(100)、もしくは(110)のうちいずれかの結晶面方位を有することが望ましい。   (5) In the film thickness measurement method according to (1) to (4), the standard sample and the evaluation sample are either a HOT (Hybrid Crystal Orientation Technology) substrate or an SOI (Silicon On Insulator) substrate. The uppermost layer preferably has a crystal plane orientation of (100) or (110) of silicon (Si).

(6)上記(1)ないし(5)に記載の膜厚測定方法において、前記評価試料に照射される前のX線強度を検出し、該X線強度により前記特徴量検出ステップで検出された特徴量を補正することが望ましい。   (6) In the film thickness measurement method according to the above (1) to (5), an X-ray intensity before being irradiated on the evaluation sample is detected, and the X-ray intensity is detected in the feature amount detection step. It is desirable to correct the feature amount.

(7)上記(1)ないし(6)に記載の膜厚測定方法において、前記最上層の膜厚は、10nm以上であることが望ましい。   (7) In the film thickness measuring method according to the above (1) to (6), the film thickness of the uppermost layer is desirably 10 nm or more.

(8)上記(2)に記載の膜厚測定方法において、前記分布取得ステップで取得された前記評価試料のX線回折強度分布から角度半値幅もしくは角度立ち上がり幅のうちいずれかを検出し前記評価試料の結晶性を評価することが望ましい。   (8) In the film thickness measurement method according to (2), the evaluation is performed by detecting either an angle half-value width or an angle rising width from the X-ray diffraction intensity distribution of the evaluation sample acquired in the distribution acquisition step. It is desirable to evaluate the crystallinity of the sample.

多層構造を形成する薄膜のX線回折強度分布から決定された特徴量と、透過型電子顕微鏡(TEM)もしくは分光エンプソメトリ法による膜厚基準値とを対応付けた校正情報を記憶し、膜厚測定時にX線回折強度分布から得られた特徴量と校正情報から膜厚を算出することにより、簡易な構成で、高速かつ高精度の膜厚測定と異常値検出を可能とする薄膜の膜厚測定方法を提供する。   Stores calibration information that correlates the characteristic amount determined from the X-ray diffraction intensity distribution of the thin film forming the multilayer structure with the film thickness reference value by a transmission electron microscope (TEM) or spectroscopic emsometry, and measures the film thickness Thin film thickness measurement that enables high-speed and high-accuracy film thickness measurement and abnormal value detection with a simple configuration by calculating the film thickness from the feature value and calibration information that are sometimes obtained from the X-ray diffraction intensity distribution Provide a method.

以下、本発明にかかる薄膜の膜厚測定方法についての実施の形態につき、添付図面に基づき説明する。   Embodiments of a thin film thickness measuring method according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

(第一の実施の形態)
以下、第一の実施の形態にかかる膜厚測定方法について詳細に説明する。図1は、第一の実施の形態にかかるX線回折装置1の光学系概要図である。X線回折装置1は、半導体基板上に形成した評価試料の膜厚を測定する装置であり、X線源2と、モノクロメータ3と、試料4と、シンチレーションカウンタ5と、スリット6と、スリット7と、アブソーバ8と、試料回転モータ9とを備えている。
(First embodiment)
Hereinafter, the film thickness measuring method according to the first embodiment will be described in detail. FIG. 1 is a schematic diagram of an optical system of an X-ray diffraction apparatus 1 according to the first embodiment. The X-ray diffractometer 1 is an apparatus for measuring the film thickness of an evaluation sample formed on a semiconductor substrate, and includes an X-ray source 2, a monochromator 3, a sample 4, a scintillation counter 5, a slit 6, and a slit. 7, an absorber 8, and a sample rotation motor 9.

X線源2は、基板上の評価試料にX線を放射する光源である。例えば、X線発生源のターゲットは銅(Cu)を使用する。モノクロメータ3は、X線源2から放射されたX線を単一波長に分光する分光器であり、例えば、分光結晶等が使用される。   The X-ray source 2 is a light source that emits X-rays to the evaluation sample on the substrate. For example, the target of the X-ray generation source uses copper (Cu). The monochromator 3 is a spectroscope that separates X-rays radiated from the X-ray source 2 into a single wavelength. For example, a spectral crystal or the like is used.

試料4は、膜厚測定対象の評価試料である。試料4は、例えば、多層膜の結晶構造を有するシリコン(以下、Siと記載する)、もしくはゲルマニウム(Ge)、ガリウム(Ga)等の半導体を対象とする。第一の実施の形態においては、結晶面方位(110)、(220)および(440)のSiを膜厚測定対象として実施の形態を説明している。第一の実施の形態にかかる膜厚測定方法は、試料4の最上層の膜厚が10nm以上でより有効となる。   Sample 4 is an evaluation sample to be measured for film thickness. Sample 4 is, for example, silicon (hereinafter referred to as Si) having a multilayered crystal structure, or a semiconductor such as germanium (Ge) or gallium (Ga). In the first embodiment, the embodiment has been described in which Si of crystal plane orientations (110), (220), and (440) is the object of film thickness measurement. The film thickness measurement method according to the first embodiment is more effective when the film thickness of the uppermost layer of the sample 4 is 10 nm or more.

試料回転モータ9は、試料4に照射されるX線の照射角度を走査するための駆動モータである。試料4のX線回折強度の測定時に、試料4に対するX線の照射角度が広範囲に渡って走査するように、試料4を図1のA方向に回転駆動する。試料4へのX線照射角度を走査(オメガスキャン)することにより、X線の照射方向に対する試料4の結晶面方位の向きを変更し、X線の照射角度依存性を把握するデータが得られる。このデータをX線回折強度分布と称する。X線回折強度分布を定量化することが、試料4の最上層の結晶構造を把握し評価試料の膜厚測定につながる。   The sample rotation motor 9 is a drive motor for scanning the irradiation angle of X-rays irradiated on the sample 4. When the X-ray diffraction intensity of the sample 4 is measured, the sample 4 is rotationally driven in the direction A in FIG. 1 so that the X-ray irradiation angle with respect to the sample 4 is scanned over a wide range. By scanning the X-ray irradiation angle on the sample 4 (omega scan), the orientation of the crystal plane orientation of the sample 4 with respect to the X-ray irradiation direction is changed, and data for grasping the X-ray irradiation angle dependency is obtained. . This data is referred to as an X-ray diffraction intensity distribution. Quantifying the X-ray diffraction intensity distribution leads to grasping the crystal structure of the uppermost layer of the sample 4 and measuring the film thickness of the evaluation sample.

シンチレーションカウンタ5は、試料4によるX線回折強度を検出するために、X線の放射量を計測するものである。シンチレーションカウンタ5は、X線のような微弱な電気信号を捉えるのに使用される検出器であり、例えば、X線に反応する蛍光物質と、蛍光物質から発生された微弱な光電子を検出する光電子増倍管と、から構成される。   The scintillation counter 5 measures the amount of X-ray radiation in order to detect the X-ray diffraction intensity of the sample 4. The scintillation counter 5 is a detector used to capture weak electric signals such as X-rays. For example, a fluorescent substance that reacts to X-rays and a photoelectron that detects weak photoelectrons generated from the fluorescent substance. And a multiplier.

スリット6、7は、X線源2から放射されたX線を集束させた状態で試料4に照射させるための光学部材である。   The slits 6 and 7 are optical members for irradiating the sample 4 with the X-rays emitted from the X-ray source 2 being focused.

アブソーバ8は、シンチレーションカウンタ5でX線の回折強度を測定する前に、シンチレーションカウンタ5に入射するX線を測定レンジ上適切な範囲内に減衰させる強度調節機能を有する。多くの場合、アルミ箔が使用される。   The absorber 8 has an intensity adjustment function for attenuating X-rays incident on the scintillation counter 5 within an appropriate range in the measurement range before measuring the X-ray diffraction intensity with the scintillation counter 5. In many cases, aluminum foil is used.

図2は、第一の実施の形態にかかるX線回折装置1のブロック図である。図2において、X線回折装置1は、上述のシンチレーションカウンタ5に加えて、コリレーションテーブル10と、コリレーション部11と、データ算出部12と、データ出力部13と、測定制御部14とを備えている。   FIG. 2 is a block diagram of the X-ray diffraction apparatus 1 according to the first embodiment. In FIG. 2, the X-ray diffraction apparatus 1 includes a correlation table 10, a correlation unit 11, a data calculation unit 12, a data output unit 13, and a measurement control unit 14 in addition to the above scintillation counter 5. I have.

コリレーション部11は、コリレーションテーブル10に記述される校正情報を管理するものであり、コリレーションテーブル10からX線回折強度分布の最大値と膜厚基準値を対応付けた校正情報を読み出す、もしくは校正情報を記述するコリレーションテーブル10をあらかじめ生成する機能を有する。コリレーションテーブル10の生成に関しては、測定操作者が手動で校正情報を入力する構成、もしくは測定の基準となる標準試料のX線回折強度分布を取得し自動作成する構成のいずれでもよい。   The correlation unit 11 manages calibration information described in the correlation table 10, and reads calibration information in which the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution and the film thickness reference value are associated with each other from the correlation table 10. Alternatively, it has a function of generating a correlation table 10 describing calibration information in advance. The generation of the correlation table 10 may be either a configuration in which a measurement operator manually inputs calibration information or a configuration in which an X-ray diffraction intensity distribution of a standard sample serving as a measurement reference is acquired and automatically created.

データ算出部12は、X線回折強度分布の最大値と膜厚基準値を対応付けた校正情報と、シンチレーションカウンタ5から入力されたX線回折強度分布の最大値から、評価試料の膜厚を算出する数値演算機能を有する。具体的な構成としては、主にCPU(Central Processing Unit)と演算プログラム等を記憶したROM(Read Only Memory)等を有する。   The data calculation unit 12 calculates the film thickness of the evaluation sample from the calibration information that associates the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution with the film thickness reference value and the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution input from the scintillation counter 5. It has a numerical calculation function to calculate. As a specific configuration, it mainly includes a CPU (Central Processing Unit) and a ROM (Read Only Memory) storing an arithmetic program.

データ出力部13は、データ算出部12で算出された評価試料の膜厚をディスプレイ表示、もしくはプリント出力するためのデータ出力機能を有する。   The data output unit 13 has a data output function for displaying or printing out the film thickness of the evaluation sample calculated by the data calculation unit 12.

測定制御部14は、シンチレーションカウンタ5、コリレーション部11、データ算出部12、データ出力部13に動作指示を出し、X線回折装置1全体の動作を制御する機能を有する。具体的な構成としては、主にCPU(Central Processing Unit)と動作制御プログラム等を記憶したROM(Read Only Memory)等を有し、上記各要部の信号制御を担うものである。なお、測定制御部14が、コリレーション部11およびデータ算出部12の代わりに、それらの情報読み出し機能および数値演算機能を代行するような構成でもかまわない。この場合、コリレーション部11およびデータ算出部12は不要となる。   The measurement control unit 14 has a function of issuing operation instructions to the scintillation counter 5, the correlation unit 11, the data calculation unit 12, and the data output unit 13 to control the operation of the entire X-ray diffraction apparatus 1. A specific configuration mainly includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory) storing an operation control program, and the like, and is responsible for signal control of each of the above-described main parts. Note that the measurement control unit 14 may substitute for the information reading function and the numerical value calculation function instead of the correlation unit 11 and the data calculation unit 12. In this case, the correlation unit 11 and the data calculation unit 12 are not necessary.

コリレーションテーブル10は、標準試料のX線回折強度分布の最大値と、透過型電子顕微鏡(以下、TEMと記載する)もしくは分光エンプソメトリ法による膜厚基準値を対応付けた校正情報を異なる結晶構造毎にあらかじめ記憶しているルックアップテーブルである。図3は、第一の実施の形態にかかるX線回折装置1のコリレーションテーブル10の記憶構造を示す説明図である。コリレーションテーブル10は、データNO.と、X線回折強度分布の最大値と、膜厚基準値とをテーブル内に備えている。また、コリレーションテーブル10の具体的な記憶媒体は、所定の記憶容量を有するDRAM(Direct Random Access Memory)もしくはハードディスク等である。   The correlation table 10 has different crystal structures for calibration information in which the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution of a standard sample is associated with a film thickness reference value by a transmission electron microscope (hereinafter referred to as TEM) or a spectroscopic emsometry method. This is a lookup table stored in advance for each. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a storage structure of the correlation table 10 of the X-ray diffraction apparatus 1 according to the first embodiment. Correlation table 10 has data NO. And the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution and the film thickness reference value are provided in the table. The specific storage medium of the correlation table 10 is a DRAM (Direct Random Access Memory) having a predetermined storage capacity, a hard disk, or the like.

以下、コリレーションテーブル作成方法を詳細に説明する。標準試料へのX線照射角度を走査してX線回折強度分布を取得し該X線回折強度分布から最大値を検出する。一方、膜厚基準値は、TEMもしくは分光エンプソメトリ法を用いて測定する。なお、TEMによる膜厚測定の場合、標準試料の断面画像上10ポイント程度膜厚を測定し、位置バラツキを軽減するように平均値を求める。また、分光エンプソメトリ法は、直線偏光を標準試料に斜め入射させることで楕円偏光された反射光を得て楕円偏光の形状を解析することにより、標準試料の膜厚基準値を測定する方法である。   Hereinafter, the correlation table creation method will be described in detail. The X-ray diffraction intensity distribution is acquired by scanning the X-ray irradiation angle on the standard sample, and the maximum value is detected from the X-ray diffraction intensity distribution. On the other hand, the film thickness reference value is measured by using TEM or spectroscopic empometry method. In the case of film thickness measurement by TEM, the film thickness is measured about 10 points on the cross-sectional image of the standard sample, and an average value is obtained so as to reduce the position variation. The spectroscopic emsometry method is a method for measuring the thickness reference value of the standard sample by obtaining the elliptically polarized reflected light by obliquely incident linearly polarized light on the standard sample and analyzing the shape of the elliptically polarized light. .

上記標準試料は、例えば、膜厚が10〜5000nmの間で変化している最上層(活性層)Si(110)および775nmの厚さを有する基板Si(100)からなる直接貼り合わせによるHOT基板を準備する。これら基板の最上層のSi(110)結晶面と、その下層に位置するSi(220)結晶面もしくはSi(440)結晶面によるX線回折強度分布を採取する。一方、膜厚は、TEMによる膜厚基準値を用いる。図4は、最上層Si結晶面のX線回折強度分布の最大値とTEMによる断面膜厚測定値の関係を示すグラフである。図4において、横軸は各Si結晶面のX線回折強度分布の最大値を示しており、縦軸は同一Si結晶面のTEMによる断面膜厚測定値を示している。マーク(△)は、Si(440)結晶面のアブソーバなし条件のデータを示している。また、マーク(○)は、Si(220)結晶面のアブソーバあり条件のデータを示している。また、マーク(□)は、Si(220)結晶面のアブソーバなし条件のデータを示している。   The standard sample is, for example, a HOT substrate by direct bonding comprising a top layer (active layer) Si (110) having a thickness of 10 to 5000 nm and a substrate Si (100) having a thickness of 775 nm. Prepare. An X-ray diffraction intensity distribution is collected by the Si (110) crystal plane of the uppermost layer of these substrates and the Si (220) crystal plane or Si (440) crystal plane located in the lower layer. On the other hand, a film thickness reference value by TEM is used for the film thickness. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution of the uppermost Si crystal plane and the cross-sectional film thickness measured by TEM. In FIG. 4, the horizontal axis represents the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution of each Si crystal plane, and the vertical axis represents the measured cross-sectional film thickness by TEM of the same Si crystal plane. The mark (Δ) indicates data on the condition without an absorber of the Si (440) crystal plane. The mark (◯) indicates data on the condition that there is an absorber on the Si (220) crystal plane. A mark (□) indicates data on the condition of no absorber of the Si (220) crystal plane.

図5は、図4に示すグラフ横軸のX線回折強度の低い領域を拡大して示したグラフである。X線の吸収により、最上層の膜厚が厚くなるにつれて、その曲線の傾きが変化する。しかし、例えば最上層が1μmのような厚い評価試料に関しては、X線入射角度が大きくX線が基板深くまで到達するSi(440)結晶面回折を用いれば、高い線形性の曲線に基づいて膜厚算出が可能であり、高い測定精度が期待できる。また、アブソーバ8をX線光路中に設けたことにより、アブソーバあり条件のマーク(○)は、アブソーバなし条件のマーク(□)を図5の横軸方向に減衰させたデータとなる。アブソーバ8なし条件のマーク(□)ではオーバーレンジとなっているデータもあるが、アブソーバ8あり条件のマーク(○)では多くのデータがグラフレンジ内に入ってきている。一方、結晶面方位(440)薄膜では、アブソーバ8無し条件でもX線回折強度が比較的低いため、多くのデータがレンジ内に入っている。このように、測定対象の結晶面の特性に応じてアブソーバ8の使用もしくは不使用を使い分け、膜厚の測定条件を最適化する。このように、図4および図5のグラフから所定数のデータを抜き出し上述のコリレーションテーブル10を作成する。   FIG. 5 is an enlarged graph showing a region having a low X-ray diffraction intensity on the horizontal axis of the graph shown in FIG. As the film thickness of the uppermost layer increases due to X-ray absorption, the slope of the curve changes. However, for a thick evaluation sample having a top layer of 1 μm, for example, if Si (440) crystal plane diffraction in which the X-ray incident angle is large and the X-ray reaches deep into the substrate is used, the film is based on a highly linear curve. Thickness can be calculated and high measurement accuracy can be expected. Further, by providing the absorber 8 in the X-ray optical path, the mark (◯) for the condition with an absorber becomes data obtained by attenuating the mark (□) for the condition without an absorber in the horizontal axis direction of FIG. Some data is overranged in the mark (□) with no absorber 8 condition, but a lot of data is in the graph range with the mark (◯) in condition with the absorber 8. On the other hand, in the crystal plane orientation (440) thin film, since the X-ray diffraction intensity is relatively low even in the absence of the absorber 8, a lot of data is in the range. In this way, the measurement conditions of the film thickness are optimized by selectively using or not using the absorber 8 according to the characteristics of the crystal plane to be measured. In this way, a predetermined number of data is extracted from the graphs of FIGS. 4 and 5 to create the above-described correlation table 10.

以下、X線回折強度による膜厚測定手順を詳細に説明する。図6は、第一の実施の形態にかかる膜厚測定手順を示すフローチャートである。最初に、コリレーション部11は、シンチレーションカウンタ5からX線回折強度を入力しX線回折強度分布を取得する(ステップS100)。コリレーション部11は、X線回折強度分布から最大値Imaxを検出する(ステップS101)。コリレーション部11はコリレーションテーブル10内で最大値Imaxを検索する(ステップS102)。検索の結果、最大値Imaxに一致する値があれば(ステップS103:Yes)、コリレーション部11はコリレーションテーブル10上の膜厚値読み出しを指示する(ステップS104)。   Hereinafter, the film thickness measurement procedure based on the X-ray diffraction intensity will be described in detail. FIG. 6 is a flowchart showing a film thickness measurement procedure according to the first embodiment. First, the correlation unit 11 receives the X-ray diffraction intensity from the scintillation counter 5 and acquires an X-ray diffraction intensity distribution (step S100). The correlation unit 11 detects the maximum value Imax from the X-ray diffraction intensity distribution (step S101). The correlation unit 11 searches the correlation table 10 for the maximum value Imax (step S102). If there is a value that matches the maximum value Imax as a result of the search (step S103: Yes), the correlation unit 11 instructs reading of the film thickness value on the correlation table 10 (step S104).

一方、最大値Imaxに一致する値がなければ(ステップS103:No)、コリレーション部11はコリレーションテーブル10上の値からI1<最大値Imax<I2となるデータ補間値I1、I2を読み出し、データ算出部12に送信する(ステップS105)。データ算出部12は、データ補間値I1、I2と最大値Imaxから膜厚値Dを算出しデータ出力部13に送信する(ステップS106)。データ出力部13は、膜厚値Dをデータ表示もしくはプリント出力する(ステップS107)。   On the other hand, if there is no value that matches the maximum value Imax (step S103: No), the correlation unit 11 reads data interpolation values I1 and I2 that satisfy I1 <maximum value Imax <I2 from the values on the correlation table 10, It transmits to the data calculation part 12 (step S105). The data calculation unit 12 calculates the film thickness value D from the data interpolation values I1 and I2 and the maximum value Imax and transmits it to the data output unit 13 (step S106). The data output unit 13 displays or prints out the film thickness value D (step S107).

なお、ステップS106における膜厚値Dの算出に関しては、例えば、従来公知の線形補間、最小二乗法、多次元回帰等の算出方法が考えられるが、いかなる方法を用いても第一の実施の形態にかかる膜厚測定方法の技術の可否に影響するものではない。ここで、算出例として線形補間を用いれば、下記の(1)式に従って膜厚値Dが算出可能である。但し、X線回折強度I1、I2の時、コリレーションテーブル10上の膜厚基準値をそれぞれD1、D2とする。
D=(D1−D2)・Imax/(I1−I2) (1)
Regarding the calculation of the film thickness value D in step S106, for example, a conventionally known calculation method such as linear interpolation, least square method, multidimensional regression, or the like can be considered, but the first embodiment can be performed using any method. This does not affect the applicability of the technique of the film thickness measurement method. Here, if linear interpolation is used as a calculation example, the film thickness value D can be calculated according to the following equation (1). However, at the X-ray diffraction intensities I1 and I2, the film thickness reference values on the correlation table 10 are D1 and D2, respectively.
D = (D1-D2) .Imax / (I1-I2) (1)

Figure 2010014432
以下、上述のごとくX線回折強度分布の最大値から算出される測定膜厚と、TEMによる膜厚基準値との測定値を比較すると、表1のようになる。表1は、図4および図5に図示したSi(440)結晶面のアブソーバなし条件、Si(220)結晶面のアブソーバあり条件、Si(220)結晶面のアブソーバなし条件の3種のデータを表記している。表1に示すように、各結晶面の測定膜厚とTEMによる膜厚基準値の誤差は±3%以下であり、高精度の膜厚測定を可能とすることを実証している。また、上述した膜厚の測定には、複雑な解析が不要であるため1ポイント10秒以下の短時間で測定可能であり、評価試料の面内100ポイント測定で約10分という高速測定を可能とする。
Figure 2010014432
Table 1 below compares the measured film thickness calculated from the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution as described above and the measured film thickness reference value by TEM. Table 1 shows three types of data: the condition without an absorber for the Si (440) crystal plane, the condition with an absorber for the Si (220) crystal plane, and the condition without an absorber for the Si (220) crystal plane shown in FIGS. It is written. As shown in Table 1, the error between the measured film thickness of each crystal plane and the film thickness reference value by TEM is ± 3% or less, demonstrating that highly accurate film thickness measurement is possible. In addition, the above-mentioned film thickness measurement does not require complicated analysis, so it can be measured in a short time of 10 seconds or less for 1 point, and high-speed measurement of about 10 minutes is possible with 100 points measurement on the surface of the evaluation sample. And

評価試料が上述のコリレーションテーブル10作成に使用したごとく比較的結晶の乱れがない結晶構造を有している場合、上述の膜厚測定方法により高精度の膜厚測定が可能となる。しかし、積層欠陥がある場合や一部領域に凹凸が存在する結晶構造の場合、膜厚測定上異常値が発生する可能性がある。第一の実施の形態においては、図6のステップS100で取得されたX線回折強度分布から試料4の角度半値幅もしくは角度立ち上がり幅のうちいずれかを用いて上述のような膜厚測定の異常値を検出することが可能である。   When the evaluation sample has a crystal structure that is relatively free of crystal distortion as used in the above-described correlation table 10 production, the above-described film thickness measurement method enables highly accurate film thickness measurement. However, when there is a stacking fault or the crystal structure has unevenness in a part of the region, an abnormal value may occur in the film thickness measurement. In the first embodiment, the abnormality in the film thickness measurement as described above using either the angle half-value width or the angle rise width of the sample 4 from the X-ray diffraction intensity distribution acquired in step S100 of FIG. It is possible to detect the value.

以下、膜厚測定の異常値検出に関する実施例1を詳細に説明する。図7は、異なる結晶面2種の膜厚測定の異常値検出に関する実施例1を説明するグラフである。結晶面1は、比較的結晶の乱れがなく、ある所定の角度にX線回折強度ピークを有する。一方、結晶面2は、結晶面1よりも結晶の乱れがあるため結晶面1よりも小さなX線回折強度ピークを有する。このような結晶面1と結晶面2に対して最大値による膜厚測定を行った場合、結晶面2は実際の膜厚とは異なる異常値となる。結晶面2は、結晶面1のX線回折強度分布の角度半値幅0.043よりも広い半値幅0.048を有する。従って、図7に示す実施例1の場合、X線回折強度分布の角度半値幅により異常値を検出すれば膜厚測定法としてより有効である。   Hereinafter, a detailed description will be given of the first embodiment relating to the detection of abnormal values in film thickness measurement. FIG. 7 is a graph illustrating Example 1 relating to detection of abnormal values in film thickness measurement of two different crystal planes. The crystal plane 1 is relatively free of crystal disturbance and has an X-ray diffraction intensity peak at a predetermined angle. On the other hand, the crystal plane 2 has an X-ray diffraction intensity peak smaller than that of the crystal plane 1 because the crystal is more disordered than the crystal plane 1. When the film thickness measurement is performed on the crystal plane 1 and the crystal plane 2 with the maximum value, the crystal plane 2 has an abnormal value different from the actual film thickness. The crystal plane 2 has a half-value width 0.048 that is wider than the angle half-value width 0.043 of the X-ray diffraction intensity distribution of the crystal plane 1. Therefore, in the case of Example 1 shown in FIG. 7, it is more effective as a film thickness measurement method if an abnormal value is detected from the angle half-value width of the X-ray diffraction intensity distribution.

また、膜厚測定の異常値検出に関する実施例2を詳細に説明する。図8は、異なる結晶面2種の膜厚測定の異常値検出に関する実施例2を説明するグラフである。結晶面3は、比較的結晶の乱れがなく、ある所定の角度にX線回折強度ピークを有する。一方、結晶面4は、結晶面1と同等のX線回折強度ピークを有するが、ピークへの立ち上がりが急激である。このような結晶面3と結晶面4に対して最大値による膜厚測定を行った場合、結晶面4は実際の膜厚とは異なる異常値となる。結晶面4は、結晶面3のX線回折強度分布の角度立ち上がり幅F1よりも狭い立ち上がり幅F2を有する。従って、図8に示す実施例2の場合、X線回折強度分布の角度立ち上がり幅により異常値を検出すれば膜厚測定法としてより有効である。   In addition, a second embodiment related to detection of abnormal values in film thickness measurement will be described in detail. FIG. 8 is a graph illustrating Example 2 relating to detection of abnormal values in film thickness measurement of two different crystal planes. The crystal plane 3 is relatively free of crystal disturbance and has an X-ray diffraction intensity peak at a certain angle. On the other hand, the crystal plane 4 has an X-ray diffraction intensity peak equivalent to that of the crystal plane 1, but the rise to the peak is abrupt. When film thickness measurement is performed on the crystal plane 3 and the crystal plane 4 with the maximum value, the crystal plane 4 has an abnormal value different from the actual film thickness. The crystal plane 4 has a rising width F2 that is narrower than the angular rising width F1 of the X-ray diffraction intensity distribution of the crystal plane 3. Therefore, in the case of Example 2 shown in FIG. 8, if an abnormal value is detected by the angle rising width of the X-ray diffraction intensity distribution, it is more effective as a film thickness measurement method.

上述したように、第一の実施の形態にかかるX線回折装置1によれば、結晶面1、結晶面2、結晶面3もしくは結晶面4のように異なる結晶面を有する評価試料の膜厚を測定する場合、評価試料のX線回折強度分布から角度半値幅、もしくは角度立ち上がり幅のうちいずれかを検出することにより、膜厚測定の異常値を検出することが可能となる。このような膜厚測定の異常値検出は、特に製造ラインにおいて製品の異常を検出するようなケースで有効である。   As described above, according to the X-ray diffraction apparatus 1 according to the first embodiment, the film thickness of the evaluation sample having different crystal faces such as the crystal face 1, the crystal face 2, the crystal face 3, or the crystal face 4. In the case of measuring the film thickness, it is possible to detect an abnormal value of the film thickness measurement by detecting either the angle half-value width or the angle rising width from the X-ray diffraction intensity distribution of the evaluation sample. Such an abnormal value detection of the film thickness measurement is effective particularly in a case where a product abnormality is detected in the production line.

以上述べたように、第一の実施の形態によれば、複数の標準試料によるX線回折強度分布の最大値と、TEMもしくは分光エンプソメトリ法による膜厚基準値とを対応付けたコリレーションテーブルを記憶し、評価試料のX線回折強度分布から最大値、角度半値幅もしくは角度立ち上がり幅を検出することにより、簡易な構成で、高速かつ高精度の膜厚測定と異常値検出を可能とする膜厚測定方法を提供する。   As described above, according to the first embodiment, the correlation table associating the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution by a plurality of standard samples with the film thickness reference value by the TEM or spectroscopic emsometry method is provided. Memorize and detect the maximum value, half-width of angle, or angle rise width from the X-ray diffraction intensity distribution of the evaluation sample, thereby enabling high-speed and high-accuracy film thickness measurement and abnormal value detection with a simple configuration A thickness measurement method is provided.

(第二の実施の形態)
以下、第二の実施の形態を詳細に説明する。第二の実施の形態が、第一の実施の形態と異なる点は、コリレーションテーブル15に記憶される特徴量である。コリレーションテーブル15は、X線照射角度を走査されたX線回折強度分布の積分値と、前述のTEMによる膜厚基準値とを対応付けた校正情報を記憶しているルックアップテーブルである。なお、コリレーションテーブル15以外の構成要素については、第一の実施の形態にかかるX線回折装置と同様であるため、説明を省略する。
(Second embodiment)
Hereinafter, the second embodiment will be described in detail. The difference between the second embodiment and the first embodiment is the feature amount stored in the correlation table 15. The correlation table 15 is a look-up table that stores calibration information in which the integrated value of the X-ray diffraction intensity distribution scanned at the X-ray irradiation angle is associated with the film thickness reference value by the TEM. In addition, since it is the same as that of the X-ray-diffraction apparatus concerning 1st Embodiment about components other than the correlation table 15, description is abbreviate | omitted.

図9は、第二の実施の形態にかかるX線回折装置16のブロック図である。図9において、X線回折装置16は、コリレーションテーブル15を備えており、その他の構成要素およびその動作は第一の実施の形態と同様であり、説明を省略する。図10は、第二の実施の形態にかかるコリレーションテーブル15の記憶構造を示す説明図である。コリレーションテーブル15は、標準試料のX線回折強度分布の積分値とTEMによる膜厚基準値を対応付けた校正情報を異なる結晶面毎に記憶している。コリレーションテーブル15からデータを読み出し、膜厚値を算出する動作は、第一の実施の形態にかかるX線回折装置1と同様の測定手順であるため、説明を省略する。   FIG. 9 is a block diagram of the X-ray diffraction apparatus 16 according to the second embodiment. In FIG. 9, the X-ray diffraction apparatus 16 includes a correlation table 15, and other components and their operations are the same as those in the first embodiment, and a description thereof is omitted. FIG. 10 is an explanatory diagram showing the storage structure of the correlation table 15 according to the second embodiment. The correlation table 15 stores, for each different crystal plane, calibration information in which the integral value of the X-ray diffraction intensity distribution of the standard sample is associated with the film thickness reference value by the TEM. The operation of reading data from the correlation table 15 and calculating the film thickness value is the same measurement procedure as that of the X-ray diffraction apparatus 1 according to the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

まず、評価試料として、例えば、膜厚が300nm程度の最上層Si(110)および775nmの厚さを有する基板Si(100)からなる直接貼り合わせによるHOT基板(結晶面6)を準備する。このHOT基板最上層の表層約100nmには、HOT基板作成時に挿入された積層欠陥が多く存在する。このような試料を測定する場合、積層欠陥による最上層に歪みが生じており、この結晶の乱れがX線回折強度のピークの低下を引き起こす。上記HOT基板に対して1200℃、1時間、アルゴン(Ar)雰囲気という処理を施し、結晶面6の積層欠陥を除去した試料を準備した(結晶面5)。図11は、第二の実施の形態にかかるX線回折装置16において角度走査したX線回折強度分布を示すグラフである。図11は、2種の結晶面に対するX線照射角度とX線回折強度の関係を示している。結晶面5は、比較的結晶の乱れがなく、ある所定の角度にX線回折強度ピークを有する。一方、結晶面6は、結晶面5よりも最上層に歪みが多いため結晶面5よりも小さなX線回折強度ピークを有する。結晶面5と結晶面6の膜厚を測定する場合、X線回折強度分布から検出した積分値G1、G2を特徴量とする。積分値を採用することにより、図11のように結晶構造の異なる結晶面5と結晶面6の膜厚を測定する場合においても、積層欠陥の影響を考慮した高精度の膜厚測定が可能となる。   First, as an evaluation sample, for example, a HOT substrate (crystal plane 6) by direct bonding composed of an uppermost layer Si (110) having a thickness of about 300 nm and a substrate Si (100) having a thickness of 775 nm is prepared. In the surface layer of about 100 nm, which is the uppermost layer of the HOT substrate, there are many stacking faults inserted when the HOT substrate is formed. When such a sample is measured, distortion occurs in the uppermost layer due to stacking faults, and this disorder of the crystal causes a decrease in the peak of the X-ray diffraction intensity. The HOT substrate was processed at 1200 ° C. for 1 hour in an argon (Ar) atmosphere to prepare a sample from which stacking faults on the crystal plane 6 were removed (crystal plane 5). FIG. 11 is a graph showing an X-ray diffraction intensity distribution obtained by angle scanning in the X-ray diffraction apparatus 16 according to the second embodiment. FIG. 11 shows the relationship between the X-ray irradiation angle and the X-ray diffraction intensity for two types of crystal planes. The crystal plane 5 is relatively free from crystal disturbance and has an X-ray diffraction intensity peak at a certain predetermined angle. On the other hand, the crystal plane 6 has an X-ray diffraction intensity peak smaller than that of the crystal plane 5 because the uppermost layer has more strain than the crystal plane 5. When measuring the film thickness of the crystal plane 5 and the crystal plane 6, the integral values G1 and G2 detected from the X-ray diffraction intensity distribution are used as feature amounts. By adopting the integral value, even when the film thicknesses of the crystal plane 5 and the crystal plane 6 having different crystal structures are measured as shown in FIG. 11, it is possible to measure the film thickness with high accuracy in consideration of the effect of stacking faults. Become.

以上述べたように、第二の実施の形態によれば、複数の標準試料のX線回折強度分布から検出した積分値と、TEMもしくは分光エンプソメトリ法による膜厚基準値とのコリレーションテーブルを記憶し、評価試料のX線回折強度分布から検出した積分値とコリレーションテーブルから膜厚値を算出することにより、簡易な構成で、積層欠陥の影響を考慮した高速かつ高精度の膜厚測定を可能とする膜厚測定方法を提供する。   As described above, according to the second embodiment, the correlation table of the integral value detected from the X-ray diffraction intensity distribution of a plurality of standard samples and the film thickness reference value by the TEM or spectroscopic emsometry method is stored. By calculating the film thickness value from the integral value detected from the X-ray diffraction intensity distribution of the evaluation sample and the correlation table, high-speed and high-accuracy film thickness measurement that takes into account the effects of stacking faults can be achieved with a simple configuration. Provided is a method for measuring a film thickness.

(第三の実施の形態)
以下、第三の実施の形態を詳細に説明する。第三の実施の形態が、第一の実施の形態と異なる点は、試料支持台21が備えられ、試料支持台21上に試料4と校正用基板22が備え付けられている点である。図12は、第三の実施の形態にかかるX線回折装置20の光学系概要図である。X線回折装置20は、半導体基板上に形成した評価試料の膜厚測定を行う装置であり、X線源2と、モノクロメータ3と、試料4と、シンチレーションカウンタ5と、スリット6と、スリット7と、アブソーバ8と、試料回転モータ9と、試料支持台21と、校正用基板22を備えている。第一の実施の形態と同じ符号は同じ構成要素を示し、詳細の説明を省略する。
(Third embodiment)
Hereinafter, the third embodiment will be described in detail. The third embodiment is different from the first embodiment in that a sample support 21 is provided, and the sample 4 and the calibration substrate 22 are provided on the sample support 21. FIG. 12 is a schematic diagram of an optical system of the X-ray diffraction apparatus 20 according to the third embodiment. The X-ray diffractometer 20 is a device for measuring the film thickness of an evaluation sample formed on a semiconductor substrate, and includes an X-ray source 2, a monochromator 3, a sample 4, a scintillation counter 5, a slit 6, and a slit. 7, an absorber 8, a sample rotation motor 9, a sample support 21, and a calibration substrate 22. The same reference numerals as those in the first embodiment denote the same components, and detailed description thereof is omitted.

試料支持台21は、試料4と、校正用基板22を保持しており、校正時には校正用基板22をX線照射光路に、測定時には試料4をX線照射光路に、B方向に移動する構成となっている。また、校正用基板22は、X線回折装置20内に設置される前に、X線回折強度分布の最大値とTEMによる膜厚基準値をあらかじめ測定された結晶構造既知の試料である。第三の実施の形態においては、校正用基板22は、HOT(Hybrid Crystal Orientation Technology)基板、もしくはSOI(Silicon On Insulator)基板のうちいずれかであって、その最上層は、シリコン(Si)の(100)、もしくは(110)のうちいずれかの結晶面方位を含んでいれば、膜厚測定を含む結晶性の評価に有効である。なお、その場合、試料4は、校正用基板22と同様の基板を使用することが好ましい。   The sample support 21 holds the sample 4 and the calibration substrate 22 and is configured to move in the B direction with the calibration substrate 22 in the X-ray irradiation optical path during calibration and the sample 4 in the X-ray irradiation optical path during measurement. It has become. The calibration substrate 22 is a sample having a known crystal structure in which the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution and the film thickness reference value by TEM are measured in advance before being installed in the X-ray diffraction apparatus 20. In the third embodiment, the calibration substrate 22 is either a HOT (Hybrid Crystal Orientation Technology) substrate or an SOI (Silicon On Insulator) substrate, and the uppermost layer is made of silicon (Si). If the crystal plane orientation of either (100) or (110) is included, it is effective for the evaluation of crystallinity including film thickness measurement. In this case, the sample 4 is preferably a substrate similar to the calibration substrate 22.

図13は、第三の実施の形態にかかるX線回折装置20のブロック図である。図13において、X線回折装置20は、シンチレーションカウンタ5と、コリレーションテーブル23と、コリレーション部24と、データ算出部25と、データ出力部26と、測定制御部27とを備えている。   FIG. 13 is a block diagram of the X-ray diffraction apparatus 20 according to the third embodiment. In FIG. 13, the X-ray diffractometer 20 includes a scintillation counter 5, a correlation table 23, a correlation unit 24, a data calculation unit 25, a data output unit 26, and a measurement control unit 27.

また、測定制御部27は、測定制御部14と同様であり、シンチレーションカウンタ5、コリレーション部24、データ算出部25、データ出力部26に動作指示を出し、X線回折装置20全体の動作を制御する機能を有する。具体的な構成としては、主にCPU(Central Processing Unit)と動作制御プログラム等を記憶したROM(Read Only Memory)等を有し、上記各要部の信号制御を担うものである。   The measurement control unit 27 is the same as the measurement control unit 14, and issues operation instructions to the scintillation counter 5, the correlation unit 24, the data calculation unit 25, and the data output unit 26 to control the operation of the entire X-ray diffraction apparatus 20. It has a function to control. A specific configuration mainly includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory) storing an operation control program, and the like, and is responsible for signal control of each of the above-described main parts.

コリレーション部24は、コリレーション部11と同様であり、コリレーションテーブル23に記憶されたX線回折強度分布の最大値と膜厚基準値を対応付けた校正情報を読み出す、もしくは校正情報を記述するコリレーションテーブル23をあらかじめ生成する機能を有する。コリレーションテーブル23の生成に関しては、測定操作者が手動で校正用基板22と標準試料の校正情報を入力する構成、もしくは校正用基板22と標準試料のX線回折強度分布を取得し自動作成する構成のいずれでもよい。データ算出部25は、データ算出部12と同様であり、測定対象の試料4の膜厚を算出する機能を有する。データ出力部26は、データ出力部13と同様であり、データ算出部25で算出された試料4の膜厚をディスプレイ表示、もしくはプリント出力する。   The correlation unit 24 is the same as the correlation unit 11 and reads calibration information in which the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution stored in the correlation table 23 is associated with the film thickness reference value, or describes the calibration information. A correlation table 23 to be generated in advance. Regarding the generation of the correlation table 23, the measurement operator manually inputs calibration information of the calibration substrate 22 and the standard sample, or acquires and automatically creates the X-ray diffraction intensity distributions of the calibration substrate 22 and the standard sample. Any of the configurations may be used. The data calculation unit 25 is the same as the data calculation unit 12 and has a function of calculating the film thickness of the sample 4 to be measured. The data output unit 26 is the same as the data output unit 13, and displays or prints out the film thickness of the sample 4 calculated by the data calculation unit 25.

コリレーションテーブル23は、X線回折強度分布の最大値とTEMによる膜厚基準値とを対応付けた校正情報を記憶しているルックアップテーブルである。図14は、第三の実施の形態にかかるX線回折装置20のコリレーションテーブル23の記憶構造を示す説明図である。さらに、コリレーションテーブル23は、X線回折装置20内に設置された校正用基板22のX線回折強度分布の最大値とTEMによる膜厚基準値を対応付けて記憶している。図14において、NO.1は校正用基板22のデータ(Imem、Tmem)である。具体的な記憶媒体としては、所定の容量を有するDRAM(Direct Random Access Memory)等で構成される。   The correlation table 23 is a lookup table that stores calibration information in which the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution is associated with the film thickness reference value by TEM. FIG. 14 is an explanatory diagram showing a storage structure of the correlation table 23 of the X-ray diffraction apparatus 20 according to the third embodiment. Further, the correlation table 23 stores the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution of the calibration substrate 22 installed in the X-ray diffractometer 20 in association with the film thickness reference value by TEM. In FIG. Reference numeral 1 denotes data (Imem, Tmem) of the calibration substrate 22. A specific storage medium includes a DRAM (Direct Random Access Memory) having a predetermined capacity.

以下、第三の実施の形態にかかるX線回折装置20の膜厚測定手順を詳細に説明する。図15は、第三の実施の形態にかかるX線回折装置20の膜厚測定手順を示すフローチャートである。最初に、コリレーション部24はシンチレーションカウンタ5から校正用基板22のX線回折強度を入力しX線回折強度分布を取得する(ステップS200)。コリレーション部24は校正用基板22のX線回折強度分布から最大値Icorを検出する(ステップS201)。コリレーション部24はコリレーションテーブル23上の記憶値Imemと最大値Icorから補正項Imem/Icorを算出して記憶する(ステップS202)。   Hereinafter, the film thickness measurement procedure of the X-ray diffraction apparatus 20 according to the third embodiment will be described in detail. FIG. 15 is a flowchart showing a film thickness measurement procedure of the X-ray diffraction apparatus 20 according to the third embodiment. First, the correlation unit 24 inputs the X-ray diffraction intensity of the calibration substrate 22 from the scintillation counter 5 and acquires the X-ray diffraction intensity distribution (step S200). The correlation unit 24 detects the maximum value Icor from the X-ray diffraction intensity distribution of the calibration substrate 22 (step S201). The correlation unit 24 calculates and stores the correction term Imem / Icor from the stored value Imem and the maximum value Icor on the correlation table 23 (step S202).

続いて、コリレーション部24はシンチレーションカウンタ5から試料4のX線回折強度を入力しX線回折強度分布を取得する(ステップS203)。コリレーション部24は試料4のX線回折強度分布から最大値Imaxを検出する(ステップS204)。適正値Imax・(Imem/Icor)を算出する(ステップS205)。コリレーション部24はコリレーションテーブル23内で適正値Imax・(Imem/Icor)を検索する(ステップS206)。検索の結果、適正値Imax・(Imem/Icor)に一致する値があれば(ステップS206:Yes)、コリレーション部24はコリレーションテーブル23上の膜厚値読み出しを指示する(ステップS207)。   Subsequently, the correlation unit 24 inputs the X-ray diffraction intensity of the sample 4 from the scintillation counter 5 and acquires the X-ray diffraction intensity distribution (step S203). The correlation unit 24 detects the maximum value Imax from the X-ray diffraction intensity distribution of the sample 4 (step S204). An appropriate value Imax · (Imem / Icor) is calculated (step S205). The correlation unit 24 searches the correlation table 23 for an appropriate value Imax · (Imem / Icor) (step S206). If there is a value that matches the appropriate value Imax · (Imem / Icor) as a result of the search (step S206: Yes), the correlation unit 24 instructs reading of the film thickness value on the correlation table 23 (step S207).

一方、適正値Imax・(Imem/Icor)に一致する値がなければ(ステップS206:No)、コリレーション部24はコリレーションテーブル23上の値からI3<Imax・(Imem/Icor)<I4となるデータ補間値I3、I4を読み出し、データ算出部25に送信する(ステップS208)。データ算出部25は、データ補間値I3、I4とImax・(Imem/Icor)から膜厚値Dを算出しデータ出力部26に送信する(ステップS209)。データ出力部26は、膜厚値Dをデータ表示もしくはプリント出力する(ステップS210)。   On the other hand, if there is no value that matches the appropriate value Imax · (Imem / Icor) (step S206: No), the correlation unit 24 obtains I3 <Imax · (Imem / Icor) <I4 from the values on the correlation table 23. The data interpolation values I3 and I4 are read out and transmitted to the data calculation unit 25 (step S208). The data calculation unit 25 calculates the film thickness value D from the data interpolation values I3 and I4 and Imax · (Imem / Icor) and transmits it to the data output unit 26 (step S209). The data output unit 26 displays or prints out the film thickness value D (step S210).

なお、ステップS209における膜厚値Dの算出に関しては、第一の実施の形態にかかる膜厚測定方法と同様の考え方に補正項Imem/Icorを加えて、膜厚Dを算出可能である。第一の実施の形態にかかる膜厚測定方法と同様、算出方法にいかなる方法を用いても第三の実施の形態にかかる膜厚測定方法の技術の可否に影響するものではない。   Regarding the calculation of the film thickness value D in step S209, the film thickness D can be calculated by adding the correction term Imem / Icor to the same concept as the film thickness measurement method according to the first embodiment. As with the film thickness measurement method according to the first embodiment, any method used for the calculation method does not affect the feasibility of the film thickness measurement method according to the third embodiment.

ここで、第一の実施の形態にかかる膜厚測定方法と同様、算出例として線形補間を用いれば、第一の実施の形態にかかる数式(1)を下記(2)式のように変形する。但し、X線回折強度I3、I4は、I3<Imax・(Imem/Icor)<I4となるコリレーションテーブル23上の値である。I3、I4に対応付けられたコリレーションテーブル23上の膜厚値をそれぞれD3、D4とする。
D=(D3−D4)・Imax・(Imem/Icor)/(I3−I4) (2)
なお、第三の実施の形態においては、校正用基板22が1枚の構成を詳細に説明したが、1枚に限定するものではない。複数枚の校正用基板を装置内に備え、さらに測定精度を向上する構成も可能である。
Here, similarly to the film thickness measurement method according to the first embodiment, when linear interpolation is used as a calculation example, the mathematical expression (1) according to the first embodiment is transformed into the following expression (2). . However, the X-ray diffraction intensities I3 and I4 are values on the correlation table 23 such that I3 <Imax · (Imem / Icor) <I4. The film thickness values on the correlation table 23 associated with I3 and I4 are D3 and D4, respectively.
D = (D3-D4) .Imax. (Imem / Icor) / (I3-I4) (2)
In the third embodiment, the configuration of one calibration substrate 22 has been described in detail. However, the configuration is not limited to one. A configuration in which a plurality of calibration substrates are provided in the apparatus to further improve measurement accuracy is also possible.

また、シンチレーションカウンタ5から入力したX線回折強度分布を上述の補正項Imem/Icorで補正し、補正されたX線回折強度分布から角度半値幅、もしくは角度立ち上がり幅を検出することにより、第一の実施の形態と同様の異常値検出機能を提供することが可能となる。   Further, the X-ray diffraction intensity distribution input from the scintillation counter 5 is corrected by the correction term Imem / Icor, and the half width of the angle or the angle rising width is detected from the corrected X-ray diffraction intensity distribution. It is possible to provide the same abnormal value detection function as in the embodiment.

以上述べたように、第三の実施の形態によれば、校正用基板を含む複数の標準試料におけるX線回折強度分布の最大値とTEMによる膜厚基準値を対応付けたコリレーションテーブルを記憶した上で、測定時に校正用基板のX線回折強度分布の最大値から補正項を算出し評価試料のX線回折強度分布の最大値、補正項およびコリレーションテーブルから膜厚値を算出することにより、様々な評価試料に対して簡易な構成で、X線源およびX線検出器の変動による測定誤差を低減し高速かつ高精度の膜厚測定と異常値検出を可能とする膜厚測定方法を提供する。   As described above, according to the third embodiment, the correlation table in which the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution in the plurality of standard samples including the calibration substrate is associated with the film thickness reference value by the TEM is stored. In addition, the correction term is calculated from the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution of the calibration substrate during measurement, and the film thickness value is calculated from the maximum value, correction term, and correlation table of the X-ray diffraction intensity distribution of the evaluation sample. The film thickness measurement method enables high-speed and high-accuracy film thickness measurement and abnormal value detection by reducing measurement errors due to fluctuations in the X-ray source and X-ray detector with a simple configuration for various evaluation samples I will provide a.

(第四の実施の形態)
以下、第四の実施の形態にかかる膜厚測定方法を詳細に説明する。第四の実施の形態にかかるX線回折装置30が第一の実施の形態と異なる点は、試料4にX線が照射される前の光路にX線モニタセンサ31が備えられている点である。第四の実施の形態においては、試料4に照射される前のX線強度を検出し、該X線強度により試料4のX線回折強度分布から検出された最大値を補正する。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, the film thickness measuring method according to the fourth embodiment will be described in detail. The X-ray diffractometer 30 according to the fourth embodiment is different from the first embodiment in that an X-ray monitor sensor 31 is provided in the optical path before the sample 4 is irradiated with X-rays. is there. In the fourth embodiment, the X-ray intensity before irradiation of the sample 4 is detected, and the maximum value detected from the X-ray diffraction intensity distribution of the sample 4 is corrected by the X-ray intensity.

図16は、第四の実施の形態にかかるX線回折装置30の光学系概略図である。図16において、X線回折装置30は、半導体基板上に形成した評価試料の膜厚測定を行う装置であり、X線モニタセンサ31と、X線源2と、モノクロメータ3と、試料4と、シンチレーションカウンタ5と、スリット6と、スリット7と、アブソーバ8と、試料回転モータ9とを備えている。X線モニタセンサ31は、試料4にX線が照射される前の光路上に設けられており、試料4へ照射される前のX線直接強度を検出するものである。X線モニタセンサ31は、例えば、X線計数比例管、半導体計数管、シンチレーションカウンタを使用する。第一の実施の形態と同じ符号は同じ要素を示し、詳細の説明を省略する。   FIG. 16 is a schematic diagram of an optical system of an X-ray diffraction apparatus 30 according to the fourth embodiment. In FIG. 16, an X-ray diffraction apparatus 30 is an apparatus that measures the film thickness of an evaluation sample formed on a semiconductor substrate. An X-ray monitor sensor 31, an X-ray source 2, a monochromator 3, a sample 4, and the like. A scintillation counter 5, a slit 6, a slit 7, an absorber 8, and a sample rotation motor 9 are provided. The X-ray monitor sensor 31 is provided on the optical path before the sample 4 is irradiated with X-rays, and detects the X-ray direct intensity before the sample 4 is irradiated. The X-ray monitor sensor 31 uses, for example, an X-ray count proportional tube, a semiconductor counter tube, or a scintillation counter. The same reference numerals as those in the first embodiment denote the same elements, and detailed description thereof is omitted.

図17は、第四の実施の形態にかかるX線回折装置30のブロック図である。図17において、X線回折装置30は、シンチレーションカウンタ5と、X線モニタセンサ31と、コリレーションテーブル32と、コリレーション部33と、データ算出部34と、データ出力部35と、測定制御部36とを備えている。   FIG. 17 is a block diagram of an X-ray diffraction apparatus 30 according to the fourth embodiment. In FIG. 17, an X-ray diffraction apparatus 30 includes a scintillation counter 5, an X-ray monitor sensor 31, a correlation table 32, a correlation unit 33, a data calculation unit 34, a data output unit 35, and a measurement control unit. 36.

コリレーションテーブル32は、コリレーションテーブル10と同様であり、X線回折強度分布の最大値とTEMもしくは分光エンプソメトリ法による膜厚基準値とを対応付けた校正情報を記憶しているルックアップテーブルである。具体的な記憶媒体としては、所定の容量を有するDRAM(Direct Random Access Memory)等で構成される。   The correlation table 32 is the same as the correlation table 10, and is a lookup table that stores calibration information in which the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution is associated with the film thickness reference value by the TEM or spectroscopic method. is there. A specific storage medium includes a DRAM (Direct Random Access Memory) having a predetermined capacity.

図18は、第四の実施の形態にかかるX線回折装置30のコリレーションテーブル32の記憶構造を示す説明図である。コリレーションテーブル32は、コリレーションテーブル10と同様、X線回折強度分布の最大値と膜厚値が対応付けて記憶されており、更にこれらの測定を行った際のX線直接強度Xmemが記憶されている。   FIG. 18 is an explanatory diagram showing a storage structure of the correlation table 32 of the X-ray diffraction apparatus 30 according to the fourth embodiment. Similar to the correlation table 10, the correlation table 32 stores the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution and the film thickness value in association with each other, and further stores the X-ray direct intensity Xmem when these measurements are performed. Has been.

コリレーション部33は、コリレーション部11と同様であり、コリレーションテーブル32に記憶されたX線回折強度分布の最大値と膜厚基準値を対応付けた校正情報を読み出す、もしくは校正情報を記述するコリレーションテーブル32をあらかじめ生成する機能を有する。コリレーションテーブル32の生成に関しては、測定操作者が手動で校正情報を入力する構成、もしくは測定の基準となる標準試料のX線回折強度分布を取得し自動作成する構成のいずれでもよい。データ算出部34は、データ算出部12と同様であり、測定対象の評価試料の膜厚を算出する機能を有する。データ出力部35は、データ出力部13と同様であり、データ算出部34で算出された評価試料の膜厚をディスプレイ表示、もしくはプリント出力する機能を有する。   The correlation unit 33 is the same as the correlation unit 11 and reads calibration information in which the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution stored in the correlation table 32 is associated with the film thickness reference value or describes the calibration information. The correlation table 32 is generated in advance. Regarding the generation of the correlation table 32, either a configuration in which a measurement operator manually inputs calibration information or a configuration in which an X-ray diffraction intensity distribution of a standard sample serving as a measurement reference is acquired and automatically created may be used. The data calculation unit 34 is the same as the data calculation unit 12 and has a function of calculating the film thickness of the evaluation sample to be measured. The data output unit 35 is the same as the data output unit 13 and has a function of displaying or printing out the film thickness of the evaluation sample calculated by the data calculation unit 34.

また、測定制御部36は、測定制御部14と同様であり、シンチレーションカウンタ5、X線モニタセンサ31、コリレーション部33、データ算出部34、データ出力部35に動作指示を出し、X線回折装置30全体の動作を制御する機能を有する。具体的な構成としては、主にCPU(Central Processing Unit)と動作制御プログラム等を記憶したROM(Read Only Memory)等を有し、上記各要部の信号制御を担うものである。   The measurement control unit 36 is the same as the measurement control unit 14, and issues operation instructions to the scintillation counter 5, the X-ray monitor sensor 31, the correlation unit 33, the data calculation unit 34, and the data output unit 35, and X-ray diffraction It has a function of controlling the operation of the entire device 30. A specific configuration mainly includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory) storing an operation control program, and the like, and is responsible for signal control of each of the above-described main parts.

以下、第四の実施の形態にかかる膜厚測定手順を詳細に説明する。図19は、第四の実施の形態にかかる膜厚測定手順を示すフローチャートである。最初に、コリレーション部33は、X線モニタセンサ31から試料4にX線が照射される前のX線直接強度Xmeaを入力する(ステップS300)。コリレーション部33は、コリレーションテーブル32に記憶されたX線直接強度XmemとXmeaから、補正項Xmem/Xmeaを算出する(ステップS301)。コリレーション部33は、補正項Xmem/Xmeaを記憶する(ステップS302)。   Hereinafter, the film thickness measurement procedure according to the fourth embodiment will be described in detail. FIG. 19 is a flowchart showing a film thickness measurement procedure according to the fourth embodiment. First, the correlation unit 33 inputs the X-ray direct intensity Xmea before the sample 4 is irradiated with X-rays from the X-ray monitor sensor 31 (step S300). The correlation unit 33 calculates a correction term Xmem / Xmea from the X-ray direct intensities Xmem and Xmea stored in the correlation table 32 (step S301). The correlation unit 33 stores the correction term Xmem / Xmea (step S302).

続いて、コリレーション部33は、シンチレーションカウンタ5から試料4のX線回折強度を入力しX線回折強度分布を取得する(ステップS303)。コリレーション部33は、X線回折強度分布から最大値Imaxを検出する(ステップS304)。コリレーション部33は、適正値Imax・(Xmem/Xmea)を算出する(ステップS305)。コリレーション部33は、適正値Imax・(Xmem/Xmea)をコリレーションテーブル32で検索する(ステップS306)。検索の結果、適正値Imax・(Xmem/Xmea)に一致する値があれば(ステップS307:Yes)、コリレーション部33はコリレーションテーブル32上の膜厚値読み出しを指示する(ステップS308)。   Subsequently, the correlation unit 33 inputs the X-ray diffraction intensity of the sample 4 from the scintillation counter 5 and acquires the X-ray diffraction intensity distribution (step S303). The correlation unit 33 detects the maximum value Imax from the X-ray diffraction intensity distribution (step S304). The correlation unit 33 calculates an appropriate value Imax · (Xmem / Xmea) (step S305). The correlation unit 33 searches the correlation table 32 for an appropriate value Imax · (Xmem / Xmea) (step S306). If there is a value that matches the appropriate value Imax · (Xmem / Xmea) as a result of the search (step S307: Yes), the correlation unit 33 instructs reading of the film thickness value on the correlation table 32 (step S308).

一方、適正値Imax・(Xmem/Xmea)に一致する値がなければ(ステップS307:No)、コリレーション部33はコリレーションテーブル32上の値からI5<Imax・(Xmem/Xmea)<I6となるデータ補間値I5、I6を読み出し、データ算出部34に送信する(ステップS309)。データ算出部34は、データ補間値I5、I6と適正値Imax・(Xmem/Xmea)から膜厚値Dを算出しデータ出力部35に送信する(ステップS310)。データ出力部35は、膜厚値Dをデータ表示もしくはプリント出力する(ステップS311)。   On the other hand, if there is no value that matches the appropriate value Imax · (Xmem / Xmea) (step S307: No), the correlation unit 33 obtains I5 <Imax · (Xmem / Xmea) <I6 from the values on the correlation table 32. The data interpolation values I5 and I6 are read out and transmitted to the data calculation unit 34 (step S309). The data calculation unit 34 calculates the film thickness value D from the data interpolation values I5 and I6 and the appropriate value Imax · (Xmem / Xmea) and transmits it to the data output unit 35 (step S310). The data output unit 35 displays or prints out the film thickness value D (step S311).

なお、ステップS310における膜厚値Dの算出に関しては、第一の実施の形態にかかる膜厚測定方法と同様の考え方に補正項Xmem/Xmeaを加えて、膜厚Dを算出可能である。第一の実施の形態にかかる膜厚測定方法と同様、算出方法にいかなる方法を用いても第四の実施の形態にかかる膜厚測定方法の技術の可否に影響するものではない。   Regarding the calculation of the film thickness value D in step S310, the film thickness D can be calculated by adding the correction term Xmem / Xmea to the same idea as the film thickness measurement method according to the first embodiment. As with the film thickness measurement method according to the first embodiment, any method used for the calculation method does not affect the feasibility of the film thickness measurement method according to the fourth embodiment.

ここで、第一の実施の形態にかかる膜厚測定方法と同様、算出方法事例として線形補間を用いれば、第一の実施の形態にかかる数式(1)を下記(3)式のように変形する。但し、X線回折強度I5、I6は、I5<Imax・(Xmem/Xmea)<I6となる。I5、I6に対応付けられたコリレーションテーブル32上の膜厚値をそれぞれD5、D6とする。
D=(D5−D6)・Imax・(Xmem/Xmea)/(I5−I6) (3)
Here, similarly to the film thickness measurement method according to the first embodiment, if linear interpolation is used as a calculation method example, the mathematical expression (1) according to the first embodiment is transformed into the following expression (3). To do. However, the X-ray diffraction intensities I5 and I6 are I5 <Imax · (Xmem / Xmea) <I6. The film thickness values on the correlation table 32 associated with I5 and I6 are D5 and D6, respectively.
D = (D5-D6) .Imax. (Xmem / Xmea) / (I5-I6) (3)

以上のように膜厚を測定した結果、第四の実施の形態を導入する前に比べて、測定精度が大きく改善する。ここで、膜厚200nmの最上層Si(110)および775nmの厚さを有する基板Si(100)からなる直接貼り合わせによるHOT基板を準備した。このHOT基板の最上層Si(110)結晶面と、その下層のSi(220)結晶面に対するX線回折強度分布を取得し最大値を検出する一方、HOT基板照射前のX線強度を検出した。検出したX線強度によって、HOT基板のX線回折強度補正なしと補正ありの2条件で2時間おきに計16回(全30時間)の測定を行った。図20は、第四の実施の形態にかかる膜厚測定方法の改善効果を示すグラフである。横軸は、膜厚測定の経過時間であり、縦軸はX線強度の平均値からの差を示す。X線源2から放射されるX線は、温度の変動に敏感である。従って、X線強度補正なしの場合、最大4%程度の平均値からの差に対し、X線強度補正ありの場合、±1%以下の平均値からの差に改善される。これは、X線源2のターゲット試料への電子線の衝突や、試料およびモノクロメータ内部の熱振動の状態が温度の変動により変化するからである。   As a result of measuring the film thickness as described above, the measurement accuracy is greatly improved as compared to before introducing the fourth embodiment. Here, a HOT substrate by direct bonding comprising an uppermost layer Si (110) having a thickness of 200 nm and a substrate Si (100) having a thickness of 775 nm was prepared. While obtaining the X-ray diffraction intensity distribution for the uppermost Si (110) crystal plane of this HOT substrate and the Si (220) crystal plane below it to detect the maximum value, the X-ray intensity before irradiation of the HOT substrate was detected. . Depending on the detected X-ray intensity, measurement was performed 16 times (total 30 hours) every 2 hours under two conditions, with and without correction of the X-ray diffraction intensity of the HOT substrate. FIG. 20 is a graph showing the improvement effect of the film thickness measurement method according to the fourth embodiment. The horizontal axis represents the elapsed time of film thickness measurement, and the vertical axis represents the difference from the average value of the X-ray intensity. X-rays emitted from the X-ray source 2 are sensitive to temperature fluctuations. Accordingly, when the X-ray intensity correction is not performed, the difference from the average value of about 4% at the maximum is improved. When the X-ray intensity correction is performed, the difference is improved from the average value of ± 1% or less. This is because the collision of the electron beam with the target sample of the X-ray source 2 and the state of thermal vibration inside the sample and the monochromator change due to temperature fluctuations.

また、シンチレーションカウンタ5から入力したX線回折強度分布を上述のX線直接強度による補正項Xmem/Xmeaで補正し、補正されたX線回折強度分布から角度半値幅、もしくは角度立ち上がり幅を検出することにより、第一の実施の形態と同様の異常値検出機能を提供することが可能となる。   Further, the X-ray diffraction intensity distribution input from the scintillation counter 5 is corrected by the correction term Xmem / Xmea based on the above-mentioned X-ray direct intensity, and the half width of the angle or the angle rising width is detected from the corrected X-ray diffraction intensity distribution. Thus, it is possible to provide an abnormal value detection function similar to that of the first embodiment.

以上述べたように、第四の実施の形態によれば、評価試料に照射される前のX線直接強度と、コリレーションテーブル作成時に記憶された標準試料照射前のX線直接強度から補正項を算出し評価試料のX線回折強度分布の最大値、補正項およびコリレーションテーブルから膜厚値を算出することにより、結晶構造の異なる評価試料に対して簡易な構成で、X線放射量の変動による誤差を低減し高速かつ高精度の膜厚測定と異常値検出を可能とする膜厚測定方法を提供する。   As described above, according to the fourth embodiment, the correction term is calculated from the X-ray direct intensity before irradiation of the evaluation sample and the X-ray direct intensity before irradiation of the standard sample stored when the correlation table is created. By calculating the film thickness value from the maximum value of the X-ray diffraction intensity distribution of the evaluation sample, the correction term, and the correlation table, the X-ray radiation amount of the evaluation sample having a different crystal structure can be obtained with a simple configuration. Provided is a film thickness measurement method capable of reducing an error due to fluctuation and enabling high-speed and high-accuracy film thickness measurement and abnormal value detection.

なお、第一の実施の形態〜第四の実施の形態においては、あらかじめ選定したX線回折強度分布の特徴量と膜厚基準値を対応付けてルックアップテーブルに記憶し、測定時にデータ補間により膜厚値を算出する構成として詳細を説明した。ルックアップテーブルの記憶容量を大きくすれば、データの間隔を密にすることができるので、前述のようなデータ補間が不要となることはいうまでもない。   In the first embodiment to the fourth embodiment, the feature amount of the X-ray diffraction intensity distribution selected in advance and the film thickness reference value are associated with each other and stored in a lookup table, and data interpolation is performed during measurement. Details have been described as the configuration for calculating the film thickness value. If the storage capacity of the lookup table is increased, the data interval can be made closer, and it goes without saying that the above-described data interpolation is not necessary.

また、第一の実施の形態〜第四の実施の形態においては、特徴量と膜厚基準値の校正情報をルックアップテーブルに記憶することとして実施の形態を説明したが、特徴量と膜厚基準値の校正情報からあらかじめ多次元回帰、双曲線回帰、対数回帰もしくは指数回帰による回帰式を求め、回帰式の形式と係数を校正関数として記憶し、測定時に校正関数により膜厚値を算出する構成としても同様の効果が得られる。また、最小二乗法を用いて校正関数を求めても同様の効果が得られる。これら膜厚値算出の方法が、本発明にかかる膜厚測定方法の技術の可否に影響するものではない。   In the first to fourth embodiments, the embodiment has been described as storing the calibration information of the feature amount and the film thickness reference value in the lookup table. However, the feature amount and the film thickness are described. A configuration in which a regression equation by multi-dimensional regression, hyperbola regression, logarithmic regression or exponential regression is obtained in advance from the calibration information of the reference value, the form and coefficient of the regression equation are stored as a calibration function, and the film thickness value is calculated by the calibration function during measurement. The same effect can be obtained. Further, the same effect can be obtained by obtaining the calibration function using the least square method. These methods of calculating the film thickness value do not affect the feasibility of the technique of the film thickness measuring method according to the present invention.

また、本発明にかかるX線回折装置で実行可能な膜厚測定プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD−ROM、フレキシブルディスク(FD)、CD−R、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。   The film thickness measurement program executable by the X-ray diffractometer according to the present invention is a CD-ROM, flexible disk (FD), CD-R, DVD (Digital Versatile) in an installable or executable file. The program is recorded on a computer-readable recording medium such as a disk.

また、本発明にかかる膜厚測定方法で実行可能な膜厚測定プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、本発明にかかる膜厚測定方法で実行可能な膜厚測定プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するよう構成しても良い。   The film thickness measurement program executable by the film thickness measurement method according to the present invention may be stored on a computer connected to a network such as the Internet and provided by being downloaded via the network. . Further, a film thickness measurement program executable by the film thickness measurement method according to the present invention may be provided or distributed via a network such as the Internet.

また、上述した実施の形態で用いることが可能な膜厚測定プログラムを、ROM等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。   In addition, a film thickness measurement program that can be used in the above-described embodiments may be provided by being incorporated in advance in a ROM or the like.

上述した全ての実施の形態で用いることが可能な膜厚測定方法を実行可能な膜厚測定プログラムは、上述した各部( コリレーション部、コリレーションテーブル、データ算出部、データ出力部、測定制御部 )を含むモジュール構成となっている。また、実際のハードウェアとしては、CPUがコンピュータで読み取り可能な記録媒体から膜厚測定プログラムを読み出して実行することにより、上記各部が主記憶装置上にロードされ、コリレーション部、コリレーションテーブル、データ算出部、データ出力部、測定制御部が主記憶装置上に生成されるようになっている。その後、本発明にかかる膜厚測定方法の演算処理を実行する。   The film thickness measurement program capable of executing the film thickness measurement method that can be used in all the embodiments described above includes the above-described units (correlation unit, correlation table, data calculation unit, data output unit, measurement control unit) ). In addition, as actual hardware, the CPU reads the film thickness measurement program from a computer-readable recording medium and executes it, so that the above-described units are loaded on the main storage device, and a correlation unit, a correlation table, A data calculation unit, a data output unit, and a measurement control unit are generated on the main storage device. Thereafter, the arithmetic processing of the film thickness measuring method according to the present invention is executed.

第一の実施の形態にかかるX線回折装置1の光学系概要図。The optical system schematic diagram of the X-ray-diffraction apparatus 1 concerning 1st embodiment. 第一の実施の形態にかかるX線回折装置1のブロック図。1 is a block diagram of an X-ray diffraction apparatus 1 according to a first embodiment. 第一の実施の形態にかかるX線回折装置1のコリレーションテーブル10の記憶構造を示す説明図。Explanatory drawing which shows the memory structure of the correlation table 10 of the X-ray diffraction apparatus 1 concerning 1st embodiment. Si薄膜のX線回折強度分布の最大値とTEMによる断面膜厚測定値の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the maximum value of X-ray diffraction intensity distribution of Si thin film, and the cross-sectional film thickness measured value by TEM. 図4に示すグラフの測定値の低い領域を拡大して示したグラフ。The graph which expanded and showed the area | region where the measured value of the graph shown in FIG. 4 is low. 第一の実施の形態にかかる膜厚測定手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the film thickness measurement procedure concerning 1st embodiment. 異なる結晶面2種の膜厚測定の異常値検出に関する実施例1を説明するグラフ。The graph explaining Example 1 regarding the abnormal value detection of the film thickness measurement of 2 types of different crystal planes. 異なる結晶面2種の膜厚測定の異常値検出に関する実施例2を説明するグラフ。The graph explaining Example 2 regarding the abnormal value detection of the film thickness measurement of 2 types of different crystal planes. 第二の実施の形態にかかるX線回折装置16のブロック図。The block diagram of the X-ray-diffraction apparatus 16 concerning 2nd embodiment. 第二の実施の形態にかかるコリレーションテーブル15の記憶構造を示す説明図。Explanatory drawing which shows the memory structure of the correlation table 15 concerning 2nd embodiment. 第二の実施の形態にかかるX線回折装置16において角度走査したX線回折強度分布を示すグラフ。The graph which shows the X-ray diffraction intensity distribution which carried out the angle scan in the X-ray-diffraction apparatus 16 concerning 2nd embodiment. 第三の実施の形態にかかるX線回折装置20の光学系概要図。The optical system schematic diagram of the X-ray-diffraction apparatus 20 concerning 3rd embodiment. 第三の実施の形態にかかるX線回折装置20のブロック図。The block diagram of the X-ray-diffraction apparatus 20 concerning 3rd embodiment. 第三の実施の形態にかかるX線回折装置20のコリレーションテーブル23の記憶構造を示す説明図。Explanatory drawing which shows the memory structure of the correlation table 23 of the X-ray-diffraction apparatus 20 concerning 3rd embodiment. 第三の実施の形態にかかるX線回折装置20の膜厚測定手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the film thickness measurement procedure of the X-ray-diffraction apparatus 20 concerning 3rd embodiment. 第四の実施の形態にかかるX線回折装置30の光学系概略図。The optical system schematic of the X-ray-diffraction apparatus 30 concerning 4th embodiment. 第四の実施の形態にかかるX線回折装置30のブロック図。The block diagram of the X-ray-diffraction apparatus 30 concerning 4th embodiment. 第四の実施の形態にかかるX線回折装置30のコリレーションテーブル32の記憶構造を示す説明図。Explanatory drawing which shows the memory structure of the correlation table 32 of the X-ray-diffraction apparatus 30 concerning 4th embodiment. 第四の実施の形態にかかる膜厚測定手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the film thickness measurement procedure concerning 4th embodiment. 第四の実施の形態にかかる膜厚測定方法の改善効果を示すグラフ。The graph which shows the improvement effect of the film thickness measuring method concerning 4th embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 X線回折装置
2 X線源
3 モノクロメータ
4 試料
5 シンチレーションカウンタ
6 スリット
7 スリット
8 アブソーバ
10 コリレーションテーブル
11 コリレーション部
12 データ算出部
13 データ出力部
14 測定制御部
15 コリレーションテーブル
20 X線回折装置
21 試料支持台
22 校正用基板
23 コリレーションテーブル
24 コリレーション部
25 データ算出部
26 データ出力部
27 測定制御部
30 X線回折装置
31 X線モニタセンサ
32 コリレーションテーブル
33 コリレーション部
34 データ算出部
35 データ出力部
36 測定制御部
A 試料回動方向
B 試料支持台の移動方向
Imax X線回折強度分布の最大値
Icor 校正用基板に対するX線回折強度分布の最大値
Imem 校正用基板に対するX線回折強度の記憶値
Xmea 測定時におけるX線直接強度の検出値
Xmem コリレーションテーブル32作成時におけるX線直接強度の検出値
I1 コリレーションテーブル10上で小さい方のImax近似値
I2 コリレーションテーブル10上で大きい方のImax近似値
I3 コリレーションテーブル23上で小さい方のImax近似値
I4 コリレーションテーブル23上で大きい方のImax近似値
I5 コリレーションテーブル32上で小さい方のImax近似値
I6 コリレーションテーブル32上で大きい方のImax近似値
D1 コリレーションテーブル10上でI1に対応する膜厚値
D2 コリレーションテーブル10上でI2に対応する膜厚値
D3 コリレーションテーブル23上でI3に対応する膜厚値
D4 コリレーションテーブル23上でI4に対応する膜厚値
D5 コリレーションテーブル32上でI5に対応する膜厚値
D6 コリレーションテーブル32上でI6に対応する膜厚値
D 評価試料の膜厚測定値
F1 結晶面3のX線回折強度分布の角度立ち上がり幅
F2 結晶面4のX線回折強度分布の角度立ち上がり幅
G1 結晶面5のX線回折強度分布の積分値
G2 結晶面6のX線回折強度分布の積分値
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 X-ray diffraction apparatus 2 X-ray source 3 Monochromator 4 Sample 5 Scintillation counter 6 Slit 7 Slit 8 Absorber 10 Correlation table 11 Correlation part 12 Data calculation part 13 Data output part 14 Measurement control part 15 Correlation table 20 X-ray Diffraction device 21 Sample support table 22 Calibration substrate 23 Correlation table 24 Correlation unit 25 Data calculation unit 26 Data output unit 27 Measurement control unit 30 X-ray diffraction device 31 X-ray monitor sensor 32 Correlation table 33 Correlation unit 34 Data Calculation unit 35 Data output unit 36 Measurement control unit A Sample rotation direction B Sample support table movement direction Imax Maximum value of X-ray diffraction intensity distribution Icor Maximum value of X-ray diffraction intensity distribution with respect to calibration substrate Imem X with respect to calibration substrate Line diffraction intensity Detected value of X-ray direct intensity at the time of measurement Xmea Xmem Detected value of X-ray direct intensity at the time of creating the correlation table 32 I1 Approximate value I2 smaller on the correlation table 10 Larger value on the correlation table 10 Imax approximate value I3 The smaller Imax approximate value I4 on the correlation table 23 The larger Imax approximate value I5 on the correlation table 23 The smaller Imax approximate value I6 on the correlation table 32 On the correlation table 32 Larger Imax approximate value D1 Film thickness value D2 corresponding to I1 on the correlation table 10 Film thickness value D3 corresponding to I2 on the correlation table 10 Film thickness value D4 corresponding to I3 on the correlation table 23 On the relation table 23 Film thickness value D5 corresponding to 4 Film thickness value D6 corresponding to I5 on the correlation table 32 Film thickness value D corresponding to I6 on the correlation table 32 Film thickness measurement value F1 of the evaluation sample X-ray of the crystal plane 3 Angle rise width F2 of diffraction intensity distribution Angle rise width G1 of X-ray diffraction intensity distribution on crystal plane 4 Integral value G2 of X-ray diffraction intensity distribution on crystal plane 5 Integral value of X-ray diffraction intensity distribution on crystal plane 6

Claims (8)

X線回折装置を用いて、多層膜構造を有する評価試料の最上層の膜厚を測定する方法であって、
X線回折装置以外の膜厚測定方法を用いて、標準試料の膜厚基準値を測定する基準値測定ステップと、
前記標準試料へのX線照射角度を走査してX線回折強度分布を取得し該X線回折強度分布から検出された特徴量と、前記標準試料の前記膜厚基準値とを対応付けた校正情報をあらかじめ生成する校正情報生成ステップと、
評価試料へのX線照射角度を走査してX線回折強度分布を取得する分布取得ステップと、
前記分布取得ステップで取得されたX線回折強度分布から特徴量を検出する特徴量検出ステップと、
前記特徴量検出ステップで検出された特徴量と、前記校正情報とから前記評価試料の最上層の膜厚を算出する膜厚算出ステップとを備えたことを特徴とする膜厚測定方法。
A method for measuring the film thickness of the uppermost layer of an evaluation sample having a multilayer film structure using an X-ray diffractometer,
A reference value measuring step for measuring a film thickness reference value of a standard sample using a film thickness measuring method other than an X-ray diffractometer;
Calibration in which an X-ray diffraction intensity distribution is acquired by scanning an X-ray irradiation angle on the standard sample, and a feature amount detected from the X-ray diffraction intensity distribution is associated with the film thickness reference value of the standard sample A calibration information generation step for generating information in advance;
A distribution acquisition step of acquiring an X-ray diffraction intensity distribution by scanning an X-ray irradiation angle on the evaluation sample;
A feature amount detection step of detecting a feature amount from the X-ray diffraction intensity distribution acquired in the distribution acquisition step;
A film thickness measurement method comprising: a film thickness calculation step of calculating a film thickness of the uppermost layer of the evaluation sample from the feature quantity detected in the feature quantity detection step and the calibration information.
前記特徴量は、前記X線回折強度分布の最大値もしくは積分値のうちいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の膜厚測定方法。   The film thickness measurement method according to claim 1, wherein the feature amount is either a maximum value or an integral value of the X-ray diffraction intensity distribution. 前記膜厚基準値は、透過型電子顕微鏡もしくは分光エンプソメトリ法のうちいずれかにより測定された膜厚であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の膜厚測定方法。   The film thickness measurement method according to claim 1 or 2, wherein the film thickness reference value is a film thickness measured by either a transmission electron microscope or a spectroscopic emsometry method. 前記標準試料は、前記X線回折装置内に保持されることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項に記載の膜厚測定方法。   The film thickness measuring method according to claim 1, wherein the standard sample is held in the X-ray diffraction apparatus. 前記標準試料および前記評価試料は、HOT(Hybrid Crystal Orientation Technology)基板、もしくはSOI(Silicon On Insulator)基板のうちいずれかであって、
前記最上層は、シリコン(Si)の(100)、もしくは(110)のうちいずれかの結晶面方位を有することを特徴とする請求項1ないし請求項4いずれか一項に記載の膜厚測定方法。
The standard sample and the evaluation sample are either a HOT (Hybrid Crystal Orientation Technology) substrate or an SOI (Silicon On Insulator) substrate,
5. The film thickness measurement according to claim 1, wherein the uppermost layer has a crystal plane orientation of (100) or (110) of silicon (Si). Method.
前記評価試料に照射される前のX線強度を検出し、該X線強度により前記特徴量検出ステップで検出された特徴量を補正することを特徴とする請求項1ないし請求項5いずれか一項に記載の膜厚測定方法。   6. The X-ray intensity before being irradiated on the evaluation sample is detected, and the feature quantity detected in the feature quantity detection step is corrected based on the X-ray intensity. The film thickness measuring method according to item. 前記最上層の膜厚は、10nm以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項6いずれか一項に記載の膜厚測定方法。   The film thickness measuring method according to claim 1, wherein the film thickness of the uppermost layer is 10 nm or more. 前記分布取得ステップで取得された前記評価試料のX線回折強度分布から角度半値幅もしくは角度立ち上がり幅のうちいずれかを検出し前記評価試料の結晶性を評価することを特徴とする請求項2に記載の膜厚測定方法。

3. The crystallinity of the evaluation sample is evaluated by detecting either an angle half width or an angle rising width from the X-ray diffraction intensity distribution of the evaluation sample acquired in the distribution acquisition step. The film thickness measuring method as described.

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