エリプソメトリと蛍光X線（XRF）の違い
半導体の工場では、成膜した膜の厚さを毎日インラインで測っています。その代表的な方法がエリプソメトリと蛍光X線分析（XRF）です。どちらもウェハを壊さずに測れますが、原理が違うため、得意な膜が分かれます。ここでは2つの違いと使い分けを整理します。
結論
違いは膜厚を何から求めるかと、得意な膜の種類です。エリプソメトリは偏光した光を膜に当て、反射した光の偏光の変化から膜厚と屈折率を求めるため、光を通す酸化膜・窒化膜・High-k膜・レジストなどの薄い膜をナノメートル以下の精度で測るのが得意です。蛍光X線分析（XRF）はX線を当てて元素から出る蛍光X線の強さから、膜に含まれる元素の量を測り、膜厚や組成に換算するため、光を通さない金属膜や、合金の組成の測定が得意です。
主な違い
| 観点 | エリプソメトリ | 蛍光X線分析（XRF） |
|---|---|---|
| 当てるもの | 偏光した光（紫外〜赤外） | X線 |
| 測るもの | 反射光の偏光の変化（Ψ・Δ） | 元素から出る蛍光X線の強さ |
| 得意な膜 | 光を通す絶縁膜・レジストの薄膜 | 金属膜、厚い膜 |
| 分かること | 膜厚、屈折率などの光学定数 | 膜厚（元素の量から換算）、組成 |
| 解析 | 膜の構造のモデルが必要 | 標準試料による校正が必要 |
| 苦手なこと | 光を通さない厚い金属膜 | 軽い元素、ごく薄い膜の高精度測定 |
エリプソメトリは光の偏光の変化を読む
エリプソメトリでは、偏光した光を斜めから膜に当て、反射した光の2つの偏光の成分の強さの比（Ψ）と位相の差（Δ）を測ります。この値は膜の厚さと屈折率で決まるため、膜の構造を仮定したモデルで計算した値と合わせ込んで、膜厚を求めます。数nmのゲート酸化膜でも高い精度で測れ、波長を変えて測る分光エリプソメトリでは多層の膜も解析できます。
XRFは元素の量から膜厚を求める
XRFでは、X線を当てると膜に含まれる元素が、元素ごとに決まったエネルギーの蛍光X線を出します。その強さは膜の中の元素の量に比例するため、標準の試料で校正しておけば、膜厚や組成に換算できます。光を通さない金属の膜でも測れ、合金の膜の組成も同時に分かるため、配線のバリアメタルやめっきの膜、パッケージの金属の膜の管理に使われます。
膜の種類で使い分ける
酸化膜や窒化膜、High-k膜、レジストのような光を通す膜にはエリプソメトリ、銅やタングステン、チタンなどの金属の膜や、組成も管理したい膜にはXRFが使われます。ごく薄い膜の表面の金属汚染は、X線を浅い角度で当てるTXRFで測ります。シート抵抗の測定で金属膜の厚さを間接的に管理する方法もあり、工程ごとに最適な方法を選びます。