密度・密度差測定による 薄膜の密度測定と材料評価

密度・密度差測定による 薄膜の密度測定と材料評価

産総研計測標準研究部門

早稲田篤産総研計測標準研究部門

早稲田篤

密度・密度差測定による 薄膜の密度測定と材料評価

密度・密度差測定による 薄膜の密度測定と材料評価

• 固体の密度計測

– 圧力浮遊法による密度差計測

• 薄膜の密度・膜厚計測– Mo薄膜

– シリコン酸化膜

• 密度計測技術の材料評価への応用

固体の密度計測固体の密度計測

• 球体の絶対測定

– シリコン球体のみ

• 液中ひょう量法

– 液体の密度より大きい固体で測定可能

– サイズの小さい試料は不確かさ大

• 圧力浮遊法

– 液体と同じ密度の固体でのみ測定可能

• シリコン単結晶

– サイズの小さい試料でも不確かさ小

圧力浮遊法 (PFM) の原理圧力浮遊法 (PFM) の原理

試料が液中で浮遊したときの液体と 固体試料の密度の釣合。

固体試料と液体の密度の、等温圧縮 率 (Si , liq ) 用いた表現。

シリコン結晶試料間の相対密度差：

jjj ptpt ,, 0liq0

0SiSi000 ,, ppptpt jjjj

,,, 0liqliq00liq0liq ppptpt jj

12Siliq01

020212 ppp

pp

圧力浮遊装置圧力浮遊装置

恒温槽

試料容器

ターボ

ポンプ

シリコン 基板

温度計

(PRT)

直流ブリッ ジ

CCDカメラX-Zステージ

真空断熱恒温槽真空断熱恒温槽

圧力浮遊法圧力浮遊法

• シリコンの密度差を計測

• 比較的小さい試料から高精度で測定可能

数10 g ～ 約1 kg

• シリコンの密度差のみ計測可能

• その他の材料には固体試料と等しい密度の 液体が必要

～ 約2500 kg/m3

薄膜の密度と膜厚の測定薄膜の密度と膜厚の測定

Mass: m/m Density difference:/

Thin-filmDensity: Thickness: t

1

00X

1

11

mm

XSmt

Mo蒸着膜Mo蒸着膜

• Cz シリコン単結晶基板

– = 50 mm, t = 5 mm• モリブデン（Mo）薄膜

– スパッタリング法

– アルゴン雰囲気

– スパッタリング速度: 10 nm/min

密度差と質量差密度差と質量差

104

106

108

110

112

114

116

118

120

122

0 20 40 60 80 100 120Time / hours

Flot

atio

n P

ress

ure

/ kP

a

1-12-1t

p = (11.46±0.064) kPa

-0.000103

-0.000102

-0.000101

-0.000100

-0.000099

-0.000098

-0.000097

19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00Time / hours

Mas

s D

iffer

ence

/ g

m '-m = (-0.00009873 ± 0.00000120) g

モリブデン薄膜ディスクと参照ディスクとの密度差測定と質量差測定

Mo薄膜Mo薄膜

記号 値 相対不確かさ

相対密度差 /0 (5.69 ± 0.11) x 10-6

相対質量差 m/m (8.07 ± 0.10) x 10-6

薄膜の密度 X (7890 ± 300) kg m-3 0.038薄膜の膜厚 t (12.08 ± 0.49) nm 0.040

シリコン熱酸化膜シリコン熱酸化膜

• Cz-Si基板

–

= 50 mm, t = 5 mm （約

23 g）

• 熱酸化膜

試料 熱処理温度 (oC) 熱処理時間 条件

SiO2 -1 900 1時間18分 Wet-O2

SiO2 -2 900 22時間 Dry-O2

SiO2 -3 1100 10分 Wet-O2

SiO2 -4 1100 18分 Dry-O2

測定手順（薄膜有り→薄膜無し）測定手順（薄膜有り→薄膜無し）

• 密度差と質量測定

• 化学エッチング5%HF

• 密度差と質量測定

• 薄膜の密度と膜厚

Thermal oxidation

Thermal oxide

Siliconsubstrate

Chemicaletching

熱酸化膜の密度と膜厚熱酸化膜の密度と膜厚

試料 相対密度差 質量差 (g) 薄膜の密度

(kg/m3)薄膜の平均

膜厚 (nm)

SiO2 -1 (2.73±0.08) x 10-6 1664±12 2244±1 157 ±4

SiO2 -2 (2.62±0.07) x 10-6 1696±12 2249±1 160 ±4

SiO2 -3 (4.13±0.10) x 10-6 1956±11 2221±1 186 ±4

SiO2 -4 (3.69±0.10) x 10-6 1353±11 2191±2 131 ±3

• 薄膜の密度– PFM（圧力浮遊法）＆質量測定

– HW（液中秤りょう法）＆質量測定

• シリコン単結晶の結晶評価

– 欠陥、不純物と格子歪みの関係

– 格子歪みの原因究明