Спектроскопия тонкопленочных покрытий

Тонкие пленки используются в современных высокотехнологичных полупроводниковых структурах, микроэлектронике, матричных приемниках и, конечно, в оптике. Развитие знаний о свойствах материалов позволило науке совершить настоящий прорыв. Конечное применение тонкопленочных структур может быть разнообразным, но постоянной остается необходимость точного контроля толщины каждого слоя в процессе эпитаксиального роста. Толщина пленки обычно находится в диапазоне от 1 нм до 100 мкм.

В настоящее время существует три широко используемых метода для количественной оценки толщины поверхности по этой шкале: профилометрия, эллипсометрия и отражательная спектроскопия. В профилометрии (к этому методу также относится атомно-силовая микроскопия) наибольшее разрешение составляет менее нанометра. Кроме того, для измерения требуется продолжительное время. А длительное воздействие высокоинтенсивного излучения, в свою очередь, может привести к повреждению поверхности.

Эллипсометрия и спектроскопия отражения являются бесконтактными оптическими методами, при которых возможно сканирование крупных областей практически без преварительной подготовки образца. Эллипсометрия довольно удобна, но затратна в реализации: требуется несколько поляризаторов и много дополнительных компонентов. В спектроскопии отражения поляризация излучения не влияет на эффективность, а потому на сегодняшний день этот метод является самым технологичным в контроле толщин тонкопленочных структур. Именно этот метод будет рассмотрен в статье, а качественное высокотехнологичное оборудование для всех видов спектроскопии предоставит компания Avantes.

Отражение света в тонких пленках

Всякий раз, когда свет переходит из одной среды в другую, определенная доля излучения отражается обратно от границы раздела. Хотя уравнения, объясняющие это взаимодействие, могут быть довольно громоздкими, в случае нормального падения они сводятся к упрощенному выражению, которое зависит исключительно от разброса значений показателей преломления. Уравнение 1 показывает, что для непоглощающих материалов коэффициент отражения R равен квадрату разности коэффициентов n₁ и n₂, деленному на квадрат их суммы. Это простое уравнение отвечает за многие физические явления, наблюдаемые в повседневной жизни, включая случаи, когда человек может видеть себя в прозрачном окне ночью. В производстве современных оптоэлектронных приборов, в том числе светодиодов и лазерных диодов, эту взаимосвязь используют для повышения производительности и снижения стоимости прибора.

(1)

Рассмотрим спектральное отражение от однослойной тонкой пленки. Образуются две границы преломления: граница воздух-пленка и граница пленка-подложка. В зависимости от толщины и показателя преломления тонкой пленки свет, отраженный от каждой поверхности на определенной длине волны, будет иметь небольшую разность фаз, что приведет к появлению интерференции (помех). Поскольку показатель преломления материала зависит от длины волны, эта разность фаз будет отличаться по всему спектру широкополосного источника света. Интерференционная картина, зависящая от длины волны, приводит к синусоидальному спектру чирпированного типа. Чем толще пленка, тем выше частота чирпа, как показано в уравнении 2. В этом уравнении d представляет толщину пленки, n(ʎ) – функцию показателя преломления от длины волны, ʎ – длину волны и I(ʎ) – функцию интенсивности от длины волны.

(2)

Хотя уравнение 2 получено через множество допущений, оно показывает изменения спектров в зависимости от толщины пленки. На рисунке 1 показан идеализированный пример спектров для фторида магния (MgF₂). Это типичный чирпированный спектр, частота которого увеличивается с увеличением толщины пленки. На практике большинство диэлектрических материалов имеют свойство поглощать часть света при его распространении через материал, и математически мы можем описать это свойство с помощью выражения полного показателя преломления материала, где n – показатель преломления, а k – коэффициент поглощения. Важно отметить, что, хотя математически коэффициент поглощения является «мнимым», это свойство необходимо учитывать для точного моделирования «реального» спектра отражения для данной толщины пленки.

Рисунок 1. Теоретический спектр отражения (при отсутствии поглощения) тонкой пленки фторида магния (MgF₂) с толщиной (А) 100 нм, (В) 200 нм, (С) 400 нм, (D) 600 нм.

Установка по измерения спектра отражения

Настройка системы измерения спектрального отражения тонкой пленки очень похожа на традиционную систему отражения. Как обсуждалось ранее в эксперименте по измерению толщины тонкой пленки, источники освещения и сбора излучения должны быть расположены нормально к поверхности образца. Установка, приведенная на рисунке ниже, включает в себя волоконно-оптический спектрометр: AvaSpec-Mini2048CL или AvaSpec-ULS2048CL-EVO от Avantes, оптоволоконный вольфрамовый источник света Avalight-HAL-S-Mini, и оптоволоконный кабель отражательный зонд FCR-7UV200-2-ME. Для приложений УФ области можно использовать галогеновый источник света на основе дейтерия, такой как Avalight-DH-S. Крайне важно обеспечить стабильную фиксацию наконечника зонда, а расстояние между зондом и эталоном обеспечить равному расстоянию между зондом  и образцами.

Рисунок 2. Типичная экспериментальная установка для измерения толщины пленки с помощью спектрального отражения.

Регистрация измерений

Процесс измерения начинается с того, что пользователь сначала измеряет эталонный спектр отражения от образца без покрытия (для калибровки спектрометра) и вычисления точного спектра отражения. После этого эталонная подложка заменяется подложкой с покрытием, отражение от которой измеряют в тех же условиях. После измерения спектра отражения программное обеспечение AvaSoft (рисунок 3) поможет определить толщину пленки. Для обеспечения максимальной точности важно, чтобы толщина и материал подложки, а также толщина и материал тонкой пленки передавались в программное обеспечение. Эти данные позволяют программному обеспечению получать доступ к своей базе данных материалов с рассчитанными показателями преломления и коэффициентами поглощения, чтобы сопоставить измеренный спектр отражения с теоретической кривой заданной толщины. На рисунке 3 показан пример спектров отражения для тонкой пленки кремнезема SiO₂ 655 нм, нанесенной на кремниевую подложку, с использованием модуля измерения толщин тонких пленок в программной платформе AvaSoft. В дополнение к встроенной библиотеке общих материалов подложки и пленки, пользователь также может создать свой собственный файл «*.nk», отправив массив показателей преломления n и коэффициентов поглощения k для каждой интересующей длины волны.

Рисунок 3. Скриншот AvaSoft, иллюстрирующий спектр отражения пленки кремнезема на подложке, изготовленной из кремния. Рассчитанная толщина составила 655.3 нм.

Заключение

Спектральная отражательная способность в измерениях тонких пленок представляет важность, а с Avantes этот процесс становится практически автоматизированным. Производитель предлагает широкий спектр компактных спектрометров, источников света и зондов с волоконно-оптической связью, которые в сочетании с программным модулем AvaSoft Thin Film поддерживают измерения однослойных тонких пленок толщиной от 10 нм до 50 мкм и разрешением 1 нм.

©Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ