X線反射率法

ウェハー上の多層膜の厚さ、密度、ラフネスを求める

半導体ウェハー上の単層および多層膜の厚さ、密度、粗さを測定するために使用されるX線反射率（XRR）解析は、結晶質および非晶質材料の両方に対して実施することができます。X線を材料の平坦な表面に対して低角度で入射したとき、入射角が臨界角以下で全反射が発生します。臨界角は材料の電子密度に応じて変化します。

入射X線の角度が臨界角に対して高くなるほど、X線は材料内部に深く浸透します。表面が理想的に平坦な材料の場合、臨界角を超えた角度では反射率がθ-4に比例して急激に減少します。

材料表面が粗い場合、反射率の減少はさらに顕著になります。このような材料が基板として使用され、異なる電子密度を持つ別の材料で均等に覆われると、基板と薄膜の界面および最表面からの反射X線が、互いに干渉し、振動パターンを生じます。第一近似として、試料によって散乱される強度は電子密度のフーリエ変換の振幅の二乗に比例します。このため、測定された強度パターンから電子密度プロファイルを導出し、それによって多層膜の厚さおよび界面の粗さと層構造を決定することができます。具体的には、振動の周期性から膜の厚さを、振動パターンの振幅の角度依存性から表面および界面の情報を得ることができます。

XRR解析では一般に約1 nmから数百ナノメートルまでの膜を評価できます。この技術は、多層膜内の層間に少なくとも約5％の密度差がある場合、各層を区別することができます。

XRR解析は、校正を必要としない第一原理（絶対）技術です。実際、XRRはしばしばXRF測定のための厚さ標準の特性評価に使用されます。光学的な手法では、材料の光学指数の知識が必要であり、超薄膜ではその値が変動することがありますが、X線の屈折率はすべての材料に対して1に非常に近いため、XRRは10 nm以下の膜の特性評価に最適です。