Kombination von Röntgenfluoreszenz und Röntgenreflexion bei streifendem Einfall zur verbesserten Charakterisierung von dünnen Schichten und Implantaten auf bzw. in Silizium-Wafern

Abstract

Röntgenfluoreszenzanalyse unter streifenden Einfall (GIXRF) ist ein sehr gut geeignetes und vielseitiges Verfahren zur Tiefenprofil-Analyse von Spurenelementen im Bereich von ng/g (Konzentration) oder pg (absolut) bzw. zur Schichtdickenbestimmung von Schichtproben. Auch mittels Röntgenreflexionsanalyse (XRR) kann die Dicke sowie die Rauigkeit einer Schicht in bzw. auf einem Substrat, meist Silizium, bestimmt werden. Beide Verfahren für sich können gute Ergebnisse liefern, die aber nicht eindeutig sind. Unterschiedliche Parameter können zum selben Endresultat führen. Erst die Kombination beider Methoden eliminiert diese Unsicherheiten und liefert ein eindeutiges Resultat Kombiniert man beide Methoden und misst simultan die Fluoreszenz und die Reflexion, so erhält man bei Schichtproben die chemische Zusammensetzung der Schichtstruktur als Funktion der Eindringtiefe der Röntgenstrahlung und minimiert die Messunsicherheiten der einzelnen Methoden. Dies ist von Bedeutung, da in der heutigen modernen Technologie immer häufiger Dünnschichtmaterialien mit einer Dicke von wenigen Nanometern verwendet werden, um z.B. integrierte Schaltungen, Röntgenspiegel und Magnetköpfe bei Festplatten zu entwickeln. Um Solche dünnen Schichten zu analysieren, eignet sich die zuvor erwähnte Methode der Fluoreszenz- und Reflexionsmessung. Mit dieser Methode lassen sich also Dünnschichtmaterialien zerstörungsfrei auf ihre Zusammensetzung untersuchen. In der vorliegenden Diplomarbeit wurden einige technische Verbesserungen vorgenommen, um simultan zur Röntgenfluoreszenz auch die Röntgenreflexion messen zu können. Zu diesem Zweck wurde eine neue Messeinheit konstruiert und an die vorhandene Messkammer installiert. Um ein für diese Zwecke normalerweise verwendetet Goniometer zu simulieren wurde mit zwei Linearmotoren erstens eine Höhenverstellung der gesamten Einheit durchgeführt und zweitens eine Linearbewegung in eine Winkelbewegung umgewandelt, um den neuen Reflexionsdetektor exakt in den reflektierten Röntgenstrahl positionieren zu können. Nach der Justierung des gesamten Messaufbaues wurden die Eigenschaften bekannter Proben gemessen um das neue Setup genau überprüfen zu können. Nach erfolgter Überprüfung wurden mehrere Sets aus unterschiedlichen Proben gemessen und analysiert. Das Anpassen des theoretischen Modells an die Messergebnisse wurde mit einer am Institut im Rahmen einer Dissertation iii entwickelten Software durchgeführt. Durch Vergleich einiger der Messergebnisse mit Messungen von ausländischen Partnern konnte die Funktionsweise der modifizierten Messkammer bestätigt werden.

Grazing incidence X-ray fluorescence analysis (GIXRF) is a very suitable and versatile method for the depth profile analysis of trace elements in the range of ng/g (concentration) or pg (absolute). Analysis by X-ray reflectivity (XRR) can determine a depth profile of implanted atoms or the thickness and the roughness of a layer in or on a substrate, usually silicon. Combining both methods and simultaneously measuring the fluorescence and reflection, at layer samples we obtain the chemical composition of the layer structure as a function of the penetration depth of the X-rays. This is important because in today's modern technology increasingly thin film materials are used with a thickness of a few nanometres to develop integrated circuits, X-ray mirrors and magnetic heads for hard drives. To analyse such thin layers the before mentioned method of fluorescence and reflectance measurements is suitable. By using this method thin film materials can non-destructively be examined on their composition. In this thesis a number of technical improvements have been made, to be able to measure simultaneously the X-ray-reflectivity in addition to the X-ray fluorescence. A new measurement unit was constructed and installed on the existing measuring chamber to measure the X-ray reflectivity. To simulate a goniometer two linear movements are used to adjust the height of the reflection unit and to tilt the detector to position it exactly in the reflected X-ray beam. After adjustment of the entire measurement setup samples of known structure were measured to be able to scrutinize the new setup. After that several sets of different samples were measured and analysed. Adjusting the theoretical model to the measurement results was performed with a at the Institute as part of a dissertation developed software. By comparing some of the results of the measurements with foreign partners, the functioning of the modified measuring chamber was confirmed.