Titelaufnahme

Titel
Grazing incidence X-ray fluorescence combined with X-ray reflectivity: development of an evaluation software / von Dieter Ingerle
Verfasser / Verfasserin Ingerle, Dieter
Begutachter / BegutachterinStreli, Christina
ErschienenWien, 2017
Umfang95 Blätter : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Dissertation, 2017
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (EN)GIXRF / X-ray standing wave / implants / nanometer layers / XRR
Schlagwörter (GND)Röntgenfluoreszenzspektroskopie / Streifender Einfall / Spektrometer / Diffraktometer / Nanometerbereich / Dünne Schicht / Software
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-102195 Persistent Identifier (URN)
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Grazing incidence X-ray fluorescence combined with X-ray reflectivity: development of an evaluation software [15.51 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Röntgenfluoreszenzanalyse unter streifendem Einfall (GIXRF) ist eine empfindliche, zerstörungsfreie analytische Methode, die den Effekt der totalen externen Reflexion von Röntgenstrahlen auf einer glatten, polierten Oberfläche nutzt. Da sie ein wertvolles Hilfsmittel für Prozessanalyse und -kontrolle in der Entwicklung und Herstellung von Halbleiterbauteilen ist, hat die Methode in den letzten Jahren einen Wiederaufschwung erlebt. Die ständige Verkleinerung im Bereich der Halbleitertechnik hat die Schichtdicken und Implantationstiefen auf wenige Nanometer reduziert und somit in den Bereich gebracht, in dem GIXRF sehr empfindlich ist. Bei GIXRF wird die Intensität der charakteristischen Röntgenfluoreszenz gemessen, die in einer Probe durch einen einfallenden Röntgenstrahl erzeugt wird. Der Strahl trifft die Probe dabei unter verschiedenen Winkeln unter streifendem Einfall im Bereich des Grenzwinkels, wodurch winkelabhängige Kurven gemessen werden. ^Der Verlauf dieser Kurven ist abhängig von der Schichtdicke und -dichte bzw. Tiefenverteilung der Elemente in der Probe. Da die Auswertung von GIXRF-daten nicht eindeutig bezüglich der genauen Verteilung von Implantaten oder der Korrelation von Dicke und Dichte bei Schichten ist, muss das Verfahren mit anderen Methoden kombiniert werden. Naheliegend ist hier die Röntgenreflektometrie, da sie ähnliche Messabläufe und Auswerteverfahren verwendet und auf den gleichen physikalischen Prinzipien fußt. Eine kombinierte Analyse von GIXRF und XRR reduziert Mehrdeutigkeiten und experimentelle Unsicherheiten der individuellen Methoden. In der vorliegenden Arbeit wird die technische Umsetzung eines kombinierten Messaufbaus anhand zweier Beispiele diskutiert. Das eine basiert auf einem selbst entwickeltem Spektrometer, während das andere die Adaptierung eines kommerziellen Diffraktometers zeigt. ^Weiters werden die Grundlagen der Datenauswertung durch gleichzeitige Berechnung und Anpassung der GIXRF- sowie der XRR-daten besprochen. Zur Ermittlung der Probenparameter werden globale Optimierungsverfahren eingesetzt. Basierend auf den besprochenen Ansätzen wurde ein Programmpaket mit benutzerfreundlicher grafischer Oberfläche entwickelt: JGIXA (Java Grazing Incidence X-ray Analysis). Ebenfalls besprochen werden, von der Software berechnete, notwendige instrumentelle Korrekturen, um die Simulation einer Messung zu vervollständigen. Das Auswertungsverfahren und die Software wurden anhand von Metall- und Metalloxidschichten auf sowie Arsenimplantaten in Silizium getestet. Die Ergebnisse und die Konvergenz der verschiedenen Optimierungsverfahren für diese Probentypen werden verglichen. Einschränkungen der Methode aufgrund der begrenzten Kohärenz des Strahls werden untersucht. ^Schließlich werden noch Simulationen, die unter Annahme einer unbeinflussten stehenden Welle erstellt wurden, und entsprechende Messungen von Nanopartikeln aus Eisen auf goldbeschichtetem Silizium gezeigt.

Zusammenfassung (Englisch)

Grazing Incidence XRF (GIXRF) is a very surface sensitive, nondestructive analytical tool making use of the phenomenon of total external reflection of X-rays on smooth polished surfaces. In recent years the method experienced a revival, being a powerful tool for process analysis and control in the development and fabrication of semiconductor based devices. Due to the downscaling of the process size for semiconductor devices, junction depths as well as layer thicknesses are reduced to a few nanometers, i.e. the length scale where GIXRF is highly sensitive. GIXRF measures the X-ray fluorescence induced by an X-ray beam incident under varying grazing angles and results in angle dependent intensity curves. These curves are correlated to the layer thickness, depth distribution and mass density of the elements in the sample. ^But the evaluation of these measurements is ambiguous with regard to the exact distribution function for the implants as well as for the thickness and density of nanometer-thin layers. In order to overcome this ambiguity, GIXRF can be combined with X-ray reflectometry (XRR). This is straightforward, as both techniques use similar measurement procedures and the same fundamental physical principles can be used for a combined data evaluation strategy. Such a combined analysis removes ambiguities in the determined physical properties of the studied sample and, being a correlative spectroscopic method, also significantly reduces experimental uncertainties of the individual techniques. Possibilities for the technical realization of a combined instrument are discussed and two examples, one based on a table-top spectrometer, the other on a commerical diffractometer, are presented. ^The approach to a combined data analysis, realized by concurrent calculation and fitting of simultaneously recorded GIXRF and XRR data is presented. Global optimization algorithms are used for the determination of the sample parameters leading to the smallest chi¿squared. Based on this approach a multi-platform software package equipped with a user-friendly graphic user interface (GUI) and offering various optimization algorithms was developed: JGIXA (Java Grazing Incidence X-ray Analysis). The software includes typical instrumental functions for the simulation of the spectrometer in use. Software and data evaluation approach were benchmarked by characterizing metal and metal oxide layers on Silicon as well as arsenic implants in silicon. The results of different optimization algorithms were compared to test the convergence of the algorithms. Restrictions of the technique due to the limited coherence of the beam were investigated. ^Finally, simulations and measurements of iron nanoparticles on a gold coated wafer are presented, using the assumption of an unaltered X-ray Standing Wave above the surface.

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