ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ И МИКРОСТРУКТУР
620.193.01:669
МЕТОДЫ МУЛЬТИПЛЕКСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ В ИССЛЕДОВАНИИ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОСТРУКТУР
© 2004 г. В. А. Котенев
Институт физической химии Российской АН Поступила в редакцию 08.01.2004 г.
Рассмотрены применения методов мультиплексной спектроскопии для неразрушающего контроля распределения комплексного показателя преломления по объему неоднородного сверхтонкого поверхностного слоя. Спектральные рефлектометрические и эллипсометрические измерения света, отраженного и рассеянного неоднородным поверхностным слоем, позволяют реализовать мультиплексный томографический принцип и восстановить внутреннее строение слоя путем решения интегрального уравнения 1 рода. Представлены методические принципы и практические приложения мультиплексной эллипсометрической спектротомографии для неразрушающего контроля распределения химического состава по объему неоднородных поверхностных металл-оксидных структур.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 6, с. 433-444
УДК
1. введение
Работы последнего десятилетия свидетельствуют о том, что вещество, обладающее нанораз-мерами (наноструктурой), приобретает новые свойства по сравнению с молекулами и твердым телом [1-3]. При этом если комплекс физико-химических свойств трехмерных оксидных наноструктур (наночастиц) изучается достаточно интенсивно, то кинетические свойства квазидвумерных оксидных наноструктур (нанослоев) совсем мало изучены, что связано как с недостаточным развитием методов их получения [4], так и с малочисленностью и ограниченностью т-вИи кинетических и невозмущающих методов их исследования.
Круг применений, в которых многослойные микро и наноразмерные структуры и, в частности, тонкие пленки представляют собой важные компоненты физических структур, настолько широк, насколько различны типы пленок [1, 2]: от оптических волноводов и поглощающих сред, зеркал и сверхпроводниковых приборов, тонких защитных покрытий до изделий серийной электронной промышленности, в которой уже полностью внедрена технология больших интегральных схем (БИС).
Особо перспективным является направление использования тонкопленочных оксидных и металл-оксидных структур для придания поверхности металлов и полупроводников иных и, в частности, оптико-электронных свойств [3]. Одним из основных этапов получения таких структур является низкотемпературное окисление либо самого модифицируемого металла (в том числе в условиях вакуумирования или контролируемой атмосферы), либо одного или нескольких слоев ино-
родных металлов, предварительно нанесенных на подложку модифицируемого металла [4]. Получаемые здесь тонкие пленки представляют собой уникальные микроструктурные или нанострук-турные объекты. Они могут создаваться как в виде поликристаллических или аморфных слоев, так и многофазных поверхностных наноструктур, больше напоминающих переходную приповерхностную область, чем индивидуальную химическую фазу [5, 6].
Очевидно прогресс в области тонких пленок обусловлен не только разработкой сложнейших методов их роста и нанесения, но также развитием и внедрением в практику новых направлений физико-химических методов для исследования их внутренней структуры и состава. Одним из таких направлений может являться использование в исследовании физико-химических поверхностных структур идей мультиплексной спектроскопии и компьютерной томографии - науки, находящейся на стыке теории распространения излучения, интегральной геометрии и компьютерной обработки информации [7, 8].
В данной полуобзорной работе рассмотрены основные математические подходы, а также общие методические принципы мультиплексной спектроскопии и спектротомографии для исследования сверхтонких неоднородных поверхностных слоев и пленок на наноуровне в наиболее распространенных по типу поверхностной неоднородности физико-химических системах.
2. принципы спектрального
мультиплексирования в контроле неоднородных тонкослойных структур
Одной из наиболее традиционных задач, встречающихся в практике физико-химических исследований поверхности, является неразрушающая идентификация и распознание неоднородных поверхностных слоев и структур. Большинство встречающихся на практике неоднородных поверхностных слоев можно условно разбить на два класса по типу неоднородности. К первому классу можно отнести слои с неоднородностью, проявляющейся преимущественно в глубину неоднородного слоя (многослойные структуры, имплантированные слои, оксидные слои и т.д.). Ко второму классу относятся слои с неоднородностью, проявляющейся преимущественно вдоль поверхности (например, печатная плата, где каждому участку поверхности соответствует свой элемент со своими индивидуальными физическими параметрами и другие). Среди существующих методов исследования поверхности, метод оптической рефлекто-метрии и в частности эллипсометрии может быть особенно эффективным для исследования обоих типов неоднородных слоев [9, 10].
Традиционный рефлектометрический и эл-липсометрический метод основаны на исследованиях амплитуды, фазы и состояния поляризации света, отраженного от поверхности со слоем. Будучи неразрушающим методом исследования, ре-флектометрия и эллипсометрия показывают высокую чувствительность к малым изменениям показателя преломления и толщины слоя. Методы позволяют работать с тонкими (Ангстремы) и толстыми (микроны) слоями. Так, из эллипсомет-рически измеренной степени оптической неоднородности поверхностного слоя можно оценить степень химической неоднородности поверхностного слоя [11-13].
Для восстановления профиля показателя преломления слоя по его глубине обычно используется метод многоугловых рефлектометрии или эллипсометрии. Основная идея метода заключается в том, что для определения требуемой функции распределения комплексного показателя преломления неоднородного поверхностного слоя по его глубине используются измерения отраженного или рассеяного слоем излучения производимые при различных условиях измерения. Требуемая функция распределения может быть восстановлена путем решения обратной задачи, реализуемого, как правило, с использованием методов алгоритмов нелинейной оптимизации и регуляризации [11, 14-19].
Однако при многоугловых рефлектометриче-ских и эллипсометрических измерениях разрешение профилирования в глубину слоя ограничено
[11]. Для толщин неоднородных слоев менее 100 А (наногетерогенных слоев) многоугловая методика возможна только при нереально высокой точности рефлектометрических и эллипсометрических измерений. Для более тонких слоев многоугловые методы все менее успешны.
Исходя из этого в работах [16, 17] был разработан метод мультиплексной отражательной спе-ктротомографии в приложении к широко встречающимся тонким (по сравнению с длиной волны света) неоднородным поверхностным слоям (оксидные, переходные, защитные и др.) с характерными общими толщинами на уровне 0-100 нм (на-ногетерогенные слои).
Основное отличие метода спектрального мультиплексирования в рефлектометрии и эллипсометрии заключается в том, что вместо хорошо известного внешнего условия - угла падения или прохождения через слой излучения, используется новое внешнее условие. Это длина волны излучения [16, 17]. При этом спектральные рефлектоме-трические и эллипсометрические измерения света, отраженного и рассеяного неоднородным поверхностным слоем, позволяют реализовать томографический принцип и восстановить внутреннее строение слоя путем решения интегрального уравнения 1 рода. Это позволяет в ряде случаев повысить пространственное разрешение внутреннего строения неоднородного слоя до десятков Ангстрем, что не достижимо для большинства стандартных томографов.
В мультиплексных системах измерений информация, поступающая из прибора, имеет вид интегрального образа исследуемой функциональной зависимости, а не является ее отсчетами непосредственно, как в традиционных приборах [18]. На выходе мультиплексного прибора обычно регистрируется последовательность линейных комбинаций дискретных отсчетов искомой функции, например, спектра излучения образца. Для того чтобы этой информации придать традиционную форму и отобразить спектр в его обычном виде, полученные данные подвергают обратному преобразованию [19]. Преимущества мультиплексных приборов над традиционными тем выше, чем больше требуемое число точек измерений, необходимое для оценки искомой функциональной зависимости.
По существу использование принципа мульти-плексности в отражательной спектроскопии означает введение в измерительную процедуру рефлектометрии новой координаты - длины волны зондирующего излучения. Это по существу и является использованием в отражательной спектроскопии неоднородных поверхностных слоев принципа спектрального мультиплексирования, что и определило название метода. Длина волны выступает не просто как спектральный параметр дисперсии оп-
методы мультиплексной спектроскопии
тических параметров слоя, а как проекционный параметр, входящий в интегральное уравнение.
В данной полуобзорной работе описаны основные идеи данного метода и рассмотрены возможные приложения данного метода в практике неразрушающих исследований сверхтонких нано-неоднородных слоев на поверхности металлических и полупроводниковых подложек.
3. мультиплексная спектроскопия неоднородных по глубине слоев
3.1. Общая схема методики
Традиционным методом рассмотрения неоднородных поверхностных слоев является моделирование неоднородного слоя системой однородных слоев [11]. Правильно определив число однородных слоев, можно корректно решить обратную
435
задачу рефлектометрии (найти показатель преломления каждого однородного слоя и отсюда распределение комплексного показателя преломления по глубине неоднородного слоя). Это требует набора экспериментально определенных коэффициентов отражения, полученных при различных внешних условиях измерения. В многоугловых рефлектометрии и эллипсометрии этими условиями являются различные углы падения излучения на поверхности со слоем [11, 12]. В методе мультиплексной спектроскопии и спектротомографии данными условиями является длина волны зондирующего излучения [16, 17]. Аппроксимируя неоднородны
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.