eng
Выпуск #2/2023
А.В.Смирнов
КОСВЕННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ ПО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМУ ЭФФЕКТУ НА ПЛЕНКАХ СЕЛЕНА
КОСВЕННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ ПО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМУ ЭФФЕКТУ НА ПЛЕНКАХ СЕЛЕНА
Просмотры: 378
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.124.129
Рассмотрены методики определения толщин тонких пленок металлов. Синтезированы тонкие пленки аморфного селена, серебра и слоев серебра на пленке из селена. На УФ-спектрофотометре сняты спектры оптического пропускания. Предложена методика определения толщины тонких пленок металлов по интерференционному эффекту в некотором диапазоне толщин пленок селена. Проведены соответствующие вычисления.
Рассмотрены методики определения толщин тонких пленок металлов. Синтезированы тонкие пленки аморфного селена, серебра и слоев серебра на пленке из селена. На УФ-спектрофотометре сняты спектры оптического пропускания. Предложена методика определения толщины тонких пленок металлов по интерференционному эффекту в некотором диапазоне толщин пленок селена. Проведены соответствующие вычисления.
Теги: interference maxima metal films selenium films silver spectrophotometry thin-film systems интерференционные максимумы пленки металлов пленки селена серебро спектрофотометрия тонкопленочные системы
Получено: 14.03.2023 г. | Принято: 20.03.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.124.129
Научная статья
КОСВЕННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ ПО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМУ ЭФФЕКТУ НА ПЛЕНКАХ СЕЛЕНА
А.В.Смирнов, инженер, ORCID: 0000-0003-2424-8142 / fizteh21@yandex.ru
Аннотация. Рассмотрены методики определения толщин тонких пленок металлов. Синтезированы тонкие пленки аморфного селена, серебра и слоев серебра на пленке из селена. На УФ-спектрофотометре сняты спектры оптического пропускания. Предложена методика определения толщины тонких пленок металлов по интерференционному эффекту в некотором диапазоне толщин пленок селена. Проведены соответствующие вычисления.
Ключевые слова: тонкопленочные системы, пленки селена, пленки металлов, серебро, интерференционные максимумы, спектрофотометрия
Для цитирования: А.В. Смирнов. Косвенный метод определения толщины тонких пленок металлов по интерференционному эффекту на пленках селена. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 124–129. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.124.129
Received: 14.03.2023 | Accepted: 20.03.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.124.129
Original paper
DETERMINATION OF THIN METAL FILMS THICKNESS BY INDIRECT METHOD USING THE INTERFERENCE EFFECT
A.V.Smirnov, Engineer, ORCID: 0000-0003-2424-8142 / fizteh21@yandex.ru
Abstract. Methods for determining of thin metal films thicknesses are considered. Thin films of amorphous selenium, silver and silver layers on a selenium film are synthesized. Optical transmission spectra were taken on a UV-spectrophotometer. A technique of thin metal films preparing based on the interference effect on certain thicknesses of selenium films is proposed. The appropriate calculations have been made.
Keywords: thin-film systems, selenium films, metal films, silver, interference maxima, spectrophotometry
For citation: A.V. Smirnov. Determination of thin metal films thickness by indirect method using the interference effect. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 124–129. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.124.129.
ВВЕДЕНИЕ
Тонкие пленки – тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра (многоатомного слоя) до нескольких микрон. Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких когерентных световых волн. Современные тенденции в развитии тонкопленочных технологий и полупроводниковой индустрии неизбежно ведут к уменьшению характерных размеров создаваемых структур. Это предъявляет повышенные требования к аналитическим средствам контроля параметров слоистых структур в процессе их производства: состава слоев, кристаллического совершенства материалов и, в первую очередь, их геометрических характеристик – толщин слоев. В данной работе рассматривается вопрос применения интерференционного эффекта в оценке толщин пленочных структур.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Измерение толщины пленки в процессе вакуумного напыления контролируется с помощью кварцевого резонатора.
Измерение толщины пленок в микроэлектронике после стадии осаждения измеряются следующими методами:
эллипсометрический метод;
измерение ступеньки (граница между напылением и подложкой) на атомно-силовом микроскопе;
рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и рефлектометрия;
интерференционные методы;
различные спектрофотометрические методы и др.
Разработанная на основе этих методов аналитическая аппаратура позволяет измерять толщину пленок от единиц (и даже менее) нанометров до сотен нанометров (и более). Недостатком методов является их дороговизна и относительная технологическая сложность.
Эллипсометрический метод исследования заключается в следующем: на исследуемый образец падает плоско поляризованная волна, которая после отражения становится в общем случае эллиптически поляризованной. Параметры эллипса поляризации, то есть ориентация его осей и эксцентриситет, определяются оптическими свойствами отражающей структуры и углом падения света. В эксперименте измеряется отношение комплексных коэффициентов отражения для двух типов поляризации световой волны: в плоскости падения (p) и перпендикулярно к ней (s).
При определенных условиях отражение света от пленочной структуры сопровождается интерференционным эффектом, который может быть использован для измерения толщины ее слоев. Для возникновения интерференции необходимо, чтобы падающее излучение отражалось не только от поверхностного слоя, но и от его границы с подложкой. Это означает, что наружный слой должен быть прозрачным в используемом интервале длин волн, а оптические постоянные слоя в этом спектральном диапазоне должны отличаться от оптических постоянных подложки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Селен – серый, с металлическим блеском хрупкий неметалл (рис.1). При атмосферном давлении существует несколько десятков модификаций селена. Наиболее стабилен серый селен, γ-Se, с гексагональной решеткой (a = 0.436388 нм, c = 0.495935 нм). Температура плавления 221 °C, кипения 685 °C, плотность 4,807 кг/дм3. Плотность жидкого селена при 221 °C – 4,06 кг/дм3. Серый селен получают из других форм длительным нагреванием и медленным охлаждением расплава или паров селена. Его структура состоит из параллельных спиральных цепей.
Экспериментальными образцами являлись пленки аморфного селена, пленки селена и пленки с осаждением серебра. Напыление осуществлялось на стеклянные подложки марки УВР-3М на вакуумной установке при давлении 10–2–10–3 Па. Предварительно подложки подвергались ионной очистке в тлеющем разряде (ионами аргона). Рабочая схема установки показана на рис.2.
В ходе эксперимента был использован спектрофотометр Lambda 25 UV/Vis. Управление спектрофотометром и получение данных осуществлялось при помощи персонального компьютера, оснащенного программным обеспечением UV WinLab. В данном приборе в качестве источников излучения применяется дейтериевая лампа и галогеновая вольфрамовая лампа, что позволило исследовать образцы в диапазоне длин волн от 190 до 1100 нм [1, 2]. Ниже на рис.4–7 представлены снятые спектры пропускания пленок аморфного Se, пленок Ag и Ag+Se.
Отметим, что на пленках селена наблюдается интерференционный эффект с соответствующими интерференционными максимумами. За счет зависимости показателя преломления от длины волны происходит смещение интерференционных максимумов в спектрах пленок Ag+Se по сравнению с пленками чистого Se.
Определение порядка максимума:
λ2m=2dn(λ2) ( λ1m(m+1))/n(λ1) = λ2m/n(λ2)
λ1m(m+1)=2dn(λ1) m= λ1/(n(λ1)/ /(n(λ1)/(n(λ2))·λ2-1
Определение толщины пленки Se:
λ2 = 739,51 нм
λ3 = 946,07 нм
n(λ2)=2,385 + 168385/λ22 = 2,385 + 168385/546875,04 = 2,693
n(λ3)=2,385 + 168385/λ23 = 2,385 + 168385/895048,45 = 2,573 m= λ2/(n(λ2)/(n(λ3)·/(λ3-λ2)=739,51/216,2 = 3,42
d=mλ2/2n(λ2)=3,42 · 739,51/2 · 2,693 = 468,4 нм
Определение толщины пленки Ag+Se:
λ2 = 725,66 нм
λ3 = 932,41 нм
d=mλ2/2n(λ2)=4 · 725/2 · 2,8 = 517,9 нм
Вычисление толщины пленки Ag методом вычитания: d(Ag) = d(AgSe)-d(Se); d(Ag) ≈ 50 нм – вычисленное; d(Ag) ≈ 54 нм – полученное из калибровочного графика.
ВЫВОДЫ
Терморезистивным осаждением в вакууме синтезированы пленки Se, Ag+Se, Ag (эталон). Получены спектры пропускания. По интерференционным максимумам вычислены толщины пленок Se и AgSe. Вычитанием толщин пленок определена толщина пленки серебра. Предложенная методика может быть использована в качестве нового косвенного метода определения толщин тонких пленок различных металлов и является относительно простой и недорогой методикой. Она применима в различных технологических процессах в области микро- и наноэлектроники.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при поддержке гранта регионального конкурса Российского научного фонда 23-29-10211 "Разработка системы дистанционного контроля давления в автомобильных шинах".
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Кокшина А.В., Белова А.В., Краснова А.Г., Кочаков В.Д. Оптические методы исследования тонких пленок. ЧГУ им. Ульянова, 2013.
Lee C.C., Wang D.L., Chen C.C., Chang J.Y., Pong B.J., Chi G.C., Wu L.-W. Light extraction enhancement of InGaN MQW by reducing total internal reflection through surface plasmon effect. Sixth International Conference on Solid State Lighting, San Diego, CA, United States, Proceedings of SPIE, Vol. 6337, 2006.
Научная статья
КОСВЕННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ ПО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМУ ЭФФЕКТУ НА ПЛЕНКАХ СЕЛЕНА
А.В.Смирнов, инженер, ORCID: 0000-0003-2424-8142 / fizteh21@yandex.ru
Аннотация. Рассмотрены методики определения толщин тонких пленок металлов. Синтезированы тонкие пленки аморфного селена, серебра и слоев серебра на пленке из селена. На УФ-спектрофотометре сняты спектры оптического пропускания. Предложена методика определения толщины тонких пленок металлов по интерференционному эффекту в некотором диапазоне толщин пленок селена. Проведены соответствующие вычисления.
Ключевые слова: тонкопленочные системы, пленки селена, пленки металлов, серебро, интерференционные максимумы, спектрофотометрия
Для цитирования: А.В. Смирнов. Косвенный метод определения толщины тонких пленок металлов по интерференционному эффекту на пленках селена. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 124–129. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.124.129
Received: 14.03.2023 | Accepted: 20.03.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.124.129
Original paper
DETERMINATION OF THIN METAL FILMS THICKNESS BY INDIRECT METHOD USING THE INTERFERENCE EFFECT
A.V.Smirnov, Engineer, ORCID: 0000-0003-2424-8142 / fizteh21@yandex.ru
Abstract. Methods for determining of thin metal films thicknesses are considered. Thin films of amorphous selenium, silver and silver layers on a selenium film are synthesized. Optical transmission spectra were taken on a UV-spectrophotometer. A technique of thin metal films preparing based on the interference effect on certain thicknesses of selenium films is proposed. The appropriate calculations have been made.
Keywords: thin-film systems, selenium films, metal films, silver, interference maxima, spectrophotometry
For citation: A.V. Smirnov. Determination of thin metal films thickness by indirect method using the interference effect. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 124–129. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.124.129.
ВВЕДЕНИЕ
Тонкие пленки – тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра (многоатомного слоя) до нескольких микрон. Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких когерентных световых волн. Современные тенденции в развитии тонкопленочных технологий и полупроводниковой индустрии неизбежно ведут к уменьшению характерных размеров создаваемых структур. Это предъявляет повышенные требования к аналитическим средствам контроля параметров слоистых структур в процессе их производства: состава слоев, кристаллического совершенства материалов и, в первую очередь, их геометрических характеристик – толщин слоев. В данной работе рассматривается вопрос применения интерференционного эффекта в оценке толщин пленочных структур.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Измерение толщины пленки в процессе вакуумного напыления контролируется с помощью кварцевого резонатора.
Измерение толщины пленок в микроэлектронике после стадии осаждения измеряются следующими методами:
эллипсометрический метод;
измерение ступеньки (граница между напылением и подложкой) на атомно-силовом микроскопе;
рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и рефлектометрия;
интерференционные методы;
различные спектрофотометрические методы и др.
Разработанная на основе этих методов аналитическая аппаратура позволяет измерять толщину пленок от единиц (и даже менее) нанометров до сотен нанометров (и более). Недостатком методов является их дороговизна и относительная технологическая сложность.
Эллипсометрический метод исследования заключается в следующем: на исследуемый образец падает плоско поляризованная волна, которая после отражения становится в общем случае эллиптически поляризованной. Параметры эллипса поляризации, то есть ориентация его осей и эксцентриситет, определяются оптическими свойствами отражающей структуры и углом падения света. В эксперименте измеряется отношение комплексных коэффициентов отражения для двух типов поляризации световой волны: в плоскости падения (p) и перпендикулярно к ней (s).
При определенных условиях отражение света от пленочной структуры сопровождается интерференционным эффектом, который может быть использован для измерения толщины ее слоев. Для возникновения интерференции необходимо, чтобы падающее излучение отражалось не только от поверхностного слоя, но и от его границы с подложкой. Это означает, что наружный слой должен быть прозрачным в используемом интервале длин волн, а оптические постоянные слоя в этом спектральном диапазоне должны отличаться от оптических постоянных подложки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Селен – серый, с металлическим блеском хрупкий неметалл (рис.1). При атмосферном давлении существует несколько десятков модификаций селена. Наиболее стабилен серый селен, γ-Se, с гексагональной решеткой (a = 0.436388 нм, c = 0.495935 нм). Температура плавления 221 °C, кипения 685 °C, плотность 4,807 кг/дм3. Плотность жидкого селена при 221 °C – 4,06 кг/дм3. Серый селен получают из других форм длительным нагреванием и медленным охлаждением расплава или паров селена. Его структура состоит из параллельных спиральных цепей.
Экспериментальными образцами являлись пленки аморфного селена, пленки селена и пленки с осаждением серебра. Напыление осуществлялось на стеклянные подложки марки УВР-3М на вакуумной установке при давлении 10–2–10–3 Па. Предварительно подложки подвергались ионной очистке в тлеющем разряде (ионами аргона). Рабочая схема установки показана на рис.2.
В ходе эксперимента был использован спектрофотометр Lambda 25 UV/Vis. Управление спектрофотометром и получение данных осуществлялось при помощи персонального компьютера, оснащенного программным обеспечением UV WinLab. В данном приборе в качестве источников излучения применяется дейтериевая лампа и галогеновая вольфрамовая лампа, что позволило исследовать образцы в диапазоне длин волн от 190 до 1100 нм [1, 2]. Ниже на рис.4–7 представлены снятые спектры пропускания пленок аморфного Se, пленок Ag и Ag+Se.
Отметим, что на пленках селена наблюдается интерференционный эффект с соответствующими интерференционными максимумами. За счет зависимости показателя преломления от длины волны происходит смещение интерференционных максимумов в спектрах пленок Ag+Se по сравнению с пленками чистого Se.
Определение порядка максимума:
λ2m=2dn(λ2) ( λ1m(m+1))/n(λ1) = λ2m/n(λ2)
λ1m(m+1)=2dn(λ1) m= λ1/(n(λ1)/ /(n(λ1)/(n(λ2))·λ2-1
Определение толщины пленки Se:
λ2 = 739,51 нм
λ3 = 946,07 нм
n(λ2)=2,385 + 168385/λ22 = 2,385 + 168385/546875,04 = 2,693
n(λ3)=2,385 + 168385/λ23 = 2,385 + 168385/895048,45 = 2,573 m= λ2/(n(λ2)/(n(λ3)·/(λ3-λ2)=739,51/216,2 = 3,42
d=mλ2/2n(λ2)=3,42 · 739,51/2 · 2,693 = 468,4 нм
Определение толщины пленки Ag+Se:
λ2 = 725,66 нм
λ3 = 932,41 нм
d=mλ2/2n(λ2)=4 · 725/2 · 2,8 = 517,9 нм
Вычисление толщины пленки Ag методом вычитания: d(Ag) = d(AgSe)-d(Se); d(Ag) ≈ 50 нм – вычисленное; d(Ag) ≈ 54 нм – полученное из калибровочного графика.
ВЫВОДЫ
Терморезистивным осаждением в вакууме синтезированы пленки Se, Ag+Se, Ag (эталон). Получены спектры пропускания. По интерференционным максимумам вычислены толщины пленок Se и AgSe. Вычитанием толщин пленок определена толщина пленки серебра. Предложенная методика может быть использована в качестве нового косвенного метода определения толщин тонких пленок различных металлов и является относительно простой и недорогой методикой. Она применима в различных технологических процессах в области микро- и наноэлектроники.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при поддержке гранта регионального конкурса Российского научного фонда 23-29-10211 "Разработка системы дистанционного контроля давления в автомобильных шинах".
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Кокшина А.В., Белова А.В., Краснова А.Г., Кочаков В.Д. Оптические методы исследования тонких пленок. ЧГУ им. Ульянова, 2013.
Lee C.C., Wang D.L., Chen C.C., Chang J.Y., Pong B.J., Chi G.C., Wu L.-W. Light extraction enhancement of InGaN MQW by reducing total internal reflection through surface plasmon effect. Sixth International Conference on Solid State Lighting, San Diego, CA, United States, Proceedings of SPIE, Vol. 6337, 2006.
Отзывы читателей
