научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРА КОРРЕЛЯЦИИ РЕЛЬЕФОВ ПОДЛОЖКИ И МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРА КОРРЕЛЯЦИИ РЕЛЬЕФОВ ПОДЛОЖКИ И МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2013, том 58, № 3, с. 484-489

ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ

УДК 538.9

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРА КОРРЕЛЯЦИИ РЕЛЬЕФОВ ПОДЛОЖКИ И МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ

МИКРОСКОПИИ

© 2013 г. Ю. В. Грищенко, М. Л. Занавескин

НБИКС-Центр НИЦ "Курчатовский институт", Москва E-mail: grishchenko.jv@gmail.com

Поступила в редакцию 18.04.2012 г.

Разработан метод изучения корреляции рельефов подложки и пленочного покрытия методом атом-но-силовой микроскопии, позволяющий рассчитать фактор корреляции, являющийся функцией пространственной частоты. Установлен диапазон пространственных частот, в котором рассчитываемый фактор корреляции является достоверным. С помощью предложенного метода для многослойных интерференционных зеркальных элементов рассчитана зависимость фактора корреляции от пространственной частоты.

DOI: 10.7868/S0023476113030065

ВВЕДЕНИЕ

Вопрос влияния шероховатости рельефа подложки на формируемые на ней тонкопленочные покрытия крайне важен при изучении их магнитных [1—3], электрических [4, 5] и оптических свойств [6]. Особое внимание уделяется исследованию влияния границ раздела в гетерогенных структурах, в которых критично рассеяние частиц на фазовых границах, в таких процессах, как рассеяние носителей заряда в электронных гетеро-структурах [7] или рассеяние света в многослойных интерференционных зеркалах [8]. В [9] на примере многослойных рентгеновских зеркал показано, что на рассеяние излучения может влиять не только величина шероховатости рельефа поверхностей подложки и пленочного покрытия, но и степень их корреляции.

Для изучения корреляции рельефов двух поверхностей необходима информация об их топо-графиях в одной и той же области. Используя метод рентгеновского рассеяния можно получить статистическую информацию о рельефах поверхностей благодаря рассеянию излучения как на поверхности пленки, так и на скрытом интерфейсе. Для этого необходимо проведение in situ измерений рассеяния с высокой интенсивностью излучения, которую можно достичь, используя син-хротронное излучение. Однако изучение корреляции рельефов подложки и пленочного покрытия методом in situ измерения рентгеновского рассеяния с использованием синхротрон-ного излучения [10] не является общедоступным и сопряжено с рядом технических трудностей, связанных с интеграцией рентгеновской установ-

ки и ростовой камеры. Кроме того, в отличие от прямых методов получения информации о рельефе поверхности метод рентгеновского рассеяния является косвенным, и получение данных о параметрах исследуемой поверхности связано с выбором теоретической модели взаимодействия излучения с шероховатой поверхностью. Вместе с этим данные рентгеновского метода носят статистический характер и не позволяют анализировать, какие изменения рельефа в осажденном покрытии по сравнению с рельефом подложки приводят к уменьшению их согласованности. Еще одним недостатком является ограничение исследуемого покрытия по толщине, связанное с поглощением рентгеновского рассеяния. В этой связи возникает необходимость развития новых методик, изучения фактора корреляции рельефов подложки и пленочного покрытия.

В основу альтернативной методики определения фактора корреляции топографии подложки и пленки может лечь прямой расчет по результатам последовательного исследования рельефа подложки, а затем и нанесенного пленочного покрытия методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Однако задача осложняется необходимостью получения изображений топографии поверхности пленки строго в том же самом месте, что и подложки. Поэтому цель представленной работы — разработка и практическая реализация метода изучения корреляции рельефов подложки и пленочного покрытия с использованием метода АСМ.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Отработка методики расчета фактора корреляции рельефов подложки и пленочного покрытия методом АСМ проводилась на многослойных интерференционных зеркалах, применяемых в кольцевых лазерных гироскопах (рабочая длина волны X = 632.8 нм). Многослойное покрытие (TiO2/SiO2), сформированное на подложке из си-талла, состояло из 17 рабочих слоев (первый слой TiO2) толщиной по X/4 и одного защитного слоя (SiO2) толщиной X/2. Образцы были изготовлены и предоставлены ФГУП НИИ "Полюс".

Атомно-силовые изображения поверхностей были получены на атомно-силовом микроскопе NTegra Aura (NT-MDT) в полуконтактном режиме с использованием кремниевых зондов с радиусами закругления 10 и 1 нм (MikroMash).

ФАКТОР КОРРЕЛЯЦИИ

Гетероструктурные пленочные покрытия широко применяются в качестве рабочих элементов многих современных устройств. Так, многослойные интерференционные зеркальные элементы образуют оптический резонатор кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ). Оптические свойства зеркальных покрытий во многом определяют рабочие характеристики гироскопа. В частности, рассеяние падающего излучения непосредственно влияет на точность КЛГ, что ограничивает область его применимости [11]. На интенсивность рассеянного излучения влияет шероховатость внешней поверхности пленки, а также шероховатости межфазных границ, которые в свою очередь определяются рельефом исходной подложки. В [9] на примере интерференционных зеркал рентгеновского диапазона показано, что на интенсивность рассеяния может влиять и степень коррели-рованности рельефов подложки и межфазных границ. Таким образом, существуют два пути улучшения характеристик КЛГ: это снижение шероховатости подложки и, как следствие, пленочного покрытия или достижение максимальной рассогласованности их рельефов. Однако изучение корреляции рельефов подложки и границ раздела фаз гироскопических зеркал существующим методом рентгеновского рассеяния не представляется возможным из-за их микронных толщин. Поэтому для изучения данного вопроса предложено использовать метод АСМ.

Масштабную зависимость шероховатости принято характеризовать с помощью функции спектральной плотности мощности (power spectral density — PSD). Ее можно рассчитать, зная рельеф рассеивающей поверхности или измеряя рассеяние света от нее [12—14]. На сравнении результатов измерения рассеяния света от поверхности и его моделирования по топографической информации, полученной методом АСМ, основано

большое количество комплексных метрологических исследований [13, 15, 16].

В случае системы "подложка—пленка" рассеяние излучения происходит как на поверхности подложки, так и на верхней границе пленочного покрытия. В этом случае получаемая индикатриса рассеяния линейно зависит от суперпозиции PSD-функции подложки, PSD-функции пленки, а также кросс-PSD-функции рельефов подложки и пленочного покрытия, которая статистически описывает их взаимосвязь. Возможность проведения in situ измерений рассеяния рентгеновского излучения в процессе формирования пленочного покрытия позволяет определить вклад в рассеяние каждого из компонентов.

В [10] степень коррелированности рельефов подложки и пленочного покрытия по данным рентгеновского рассеяния характеризуют с помощью фактора корреляции, функции зависящей от пространственной частоты:

K(v) =

PSP/v)

VPSDs (v) PSDfv)

(1)

где PSDs — функция спектральной плотности мощности рельефа подложки, PSDf — функция PSD рельефа пленочного покрытия, а PSDf — кросс-PSD-функция рельефов подложки и пленочного покрытия, v — пространственная частота, которая обратно пропорциональна линейному размеру в прямом пространстве v = 1/L.

Таким образом, фактор корреляции описывает степень повторения рельефов и принимает значение 1, если рельефы полностью коррелируют, и 0, когда полностью рассогласованы.

Зная двумерные функции высот рельефов поверхностей подложки zs(p) и пленочного покрытия z(p), полученные с помощью АСМ, используя формулы (2) и (3), можно рассчитать их автокорреляционные функции, а затем двумерным фурье-преобразованием получить двумерные функции PSDs и PSDf.

C ( р ) = < г (р + р') г (р' )>, р -(х, y) (2) PSD (v) = Jexp (2гсетр) C( р )/р (3)

Необходимым условием для расчета кросс-PSD-функции рельефов подложки и пленки PSDf является наличие общей системы координат, что требует проведения АСМ-измерений подложки и пленочного покрытия строго в одной и той же области поверхности. Если это условие выполнено, то сначала осуществляется расчет кросс-корреляционной функции (4), а затем и функции PSDf (5):

CX р) = < г, (р + р') г/ р' )>, (4)

PSDfv) = Jexp (2пур) Csf( р)/р (5)

486

ГРИЩЕНКО и др.

Рис. 1. Изображение системы реперов на ситалловой подложке, полученное в оптическом микроскопе. Длина линейной метки — 540 мкм, расстояние от линейной до каждой из "точечных" меток — 100 мкм.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Как отмечалось ранее, для расчета фактора корреляции рельефов подложки и пленочного покрытия по данным АСМ необходимо, чтобы топографические изображения поверхностей были получены строго в одной области. Чтобы провести измерение рельефа пленочного покрытия после его формирования в той же области поверхности, что и подложки, был разработан метод позиционирования образца и цифрового совмещения полученных АСМ-изображений.

Позиционирование. С помощью микроинден-тора с алмазной пирамидкой на поверхность си-талловой подложки наносилась система реперов, представляющая собой линейную метку, с одной стороны которой на расстояниях 100 мкм от самой метки и 200 мкм друг от друга располагались две "точечные" метки (рис. 1). Выбор геометрических параметров реперов (глубина всех элементов системы составляла 500 нм, длина линейной метки — 540 мкм, диаметры "точечных" меток — 10 мкм) преследовал две цели: во-первых, система реперов должна быть хорошо различима в оптический микроскоп для проведения процесса позиционирования образца, во-вторых, метки должны быть настолько крупными, чтобы сохраниться в пленке.

Далее проводились исследования топографии поверхности подложки в двух областях поверхности, привязками к которым служили "точечные" метки. Относительно каждой из "точечных" меток осуществлялось позиционирование балки канти-левера таким образом, чтобы сама метка попадала в угол максимально возможного поля сканирования атомно-силового микроскопа (100 х 100 мкм), после чего в каждой области был

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»