Исследование структуры тонких диэлектрических слоев оптическими методами

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТОНКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Н.Н. Карасев, А.О. Шакин

Работа посвящена возможности использования метода нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) для анализа структуры тонких диэлектрических слоев полученных методами физического осаждения. Дополнительно структура образцов исследовалась на растровом электронном микроскопе (РЭМ). Анализ картины рассеяния и определение вида индикатрисы рассеяния позволит проводить неразрушающий контроль структуры полученных покрытий.

Знание структуры тонких пленок, полученных из различных материалов и при разных технологических параметрах (скорость осаждения, температура и качество очистки поверхности подложки) и методах осаждения, важно при расчете и математическом моделировании оптических и физико-механических характеристик покрытий. Кроме этого, важно знать, как связана структура полученных покрытий с изменением показателя преломления и главного показателя поглощения, а также вариацией толщины слоя по поверхности элемента.

Микроструктуры тонких пленок обычно исследуется методами туннельной электронной микроскопии, ОЖЕ-спектроскопии, дифракции отраженных быстрых электронов, рентгеноструктурного анализа и т.д. К недостаткам этих методов можно отнести дорогое и сложное оборудование, необходимость изготовления специальных образцов, сложные методики определения микроструктуры, возможность одновременного исследования лишь небольшого участка пленки.

Из оптических методов наиболее распространены эллипсометрия, спектрофотометрия, метод нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Эти методы используются для исследования спектральных характеристик, определения оптических постоянных пленок и могут дать лишь косвенные данные о структуре покрытия. Использование эффекта НПВО базируется на проникновении световой волны из оптически более плотной в менее плотную среду на глубину порядка длины волны. Нарушение полного внутреннего отражения при исследовании тонких слоев связано с тем, что коэффициент отражения от границы раздела двух сред становится меньше единицы вследствие наличия поглощающих неоднородностей и напряжений в слое. Достоинствами метода НПВО являются применимость к сильно поглощающим средам. Амплитуда поля, проникшего в другую оптическую среду, затухает по экспоненциальному закону, в зависимости от глубины проникновения.

В работе [1] был предложен контроль прозрачных пленок методом комбинационного рассеяния света (КРС). Исследовались пленки TiO2 и смесь TiO2+SiO2, полученные на подложке из пирекса, методом осаждения из коллоидного раствора с последующим отжигом в атмосфере кислорода при температуре 550 °С и 650 °С, соответственно. Пленки имели толщину 83 нм и 20 нм, соответственно. Коэффициент ослабления лазерного излучения составил для обеих пленок при волноводном распространении не менее 1 Дб/см. Спектры КРС пленок показали наличие кристаллической и аморфной фаз. Диаметр кристаллитов (приблизительно 4,5 нм), рассчитанный исходя из рамановского смещения частоты КРС (со = 33 см-1), совпал с результатами последующего исследования отделенной от подложки пленки методом просвечивающей электронной микроскопии.

Нами были исследованы образцы на установке, схема которой показана на рис.1.

У рассмотренного выше оптического метода контроль измеряемых параметров производится на достаточно большой площади поверхности образца. В предлагаемой нами схеме метода НПВО рассеянный свет наблюдается в поляризационный микроскоп, причем наблюдаемая площадь имеет малую величину, что позволяет

контролировать образцы разных размеров равномерно по всей поверхности. Площадь поверхности, наблюдаемая в микроскоп, определяется увеличением объектива и окуляра поляризационного микроскопа. В качестве источника излучения используется Не-Ые лазер (^=632,8 нм.). Диаметр зондирующего пучка составляет 0,5 мм. Предлагаемый метод позволяет точно определить размеры и количество проколов (дырок), а также величину и ориентацию поликристаллов в исследуемой пленке.

Рис. 1. Схема установки: 1- источник излучения, 2 - ПЗС-камера, 3 - поляризационный микроскоп, 4 - исследуемый образец, 5 - пластина для

ввода излучения

Исследуемые покрытия изготовлены на установке ВУ-1А при давлении в камере во время нанесения ~10-3 Па. На установке были изготовлены образцы двух конструкций:

конструкция 1 - П В 2Н В, конструкция 2 - П 2Н В, где В - четвертьволновый слой 2г02 с показателем преломления п =1,92, Н -четвертьволновый слой ЫаС1 с показателем преломления п=1,53, Х0=550 нм. Подложка - стекло К8. Оптическая толщина слоев контролировалась фотометрическим методом.

Температура подложки и давление в каждом эксперименте для всех образцов были одинаковыми, отличались лишь скорость конденсации и угол поступления паров. В экспериментах № 1 и № 2 осаждение проводилось на подложку, имеющую температуру 18 °С, в эксперименте № 3 производился ее нагрев до температуры 300 °С. Угол поступления паров на приемную поверхность для слоя 2г02 - отрицательный, если его отсчитывать от нормали к поверхности к направлению распространения потока паров, а для слоя ЫаС1 - положительный (за положительное принято такое направление, когда отсчет угла от нормали к направлению распространения потока паров ведется против часовой стрелки).

№ Температура поверхности подложки

2г02 ЫаС1 2г02 ЫаС1 2г02 ЫаС1

1 18 (0)-(-33.5) 0 - 39 63-85 128-205 21-28 45-73

2 18 (0)-(-39.6) 0-46.7 54-90 116-250 16-26 30-65

3 300 (0)-(-39.6) 0-46.7 54-90 116-250 16-26 30-65

Таблица 1. Диапазон изменения угла конденсации, распределение толщины пленки и скорости осаждения в зависимости от угла поступления паров

Диапазон изменения угла конденсации, распределение толщины пленки и скорости осаждения в зависимости от угла поступления паров сведены в табл. 1. При этом следует отметить, что максимальной скорости осаждения и толщине пленки 2г02 соответствует минимальное значение толщины и скорости осаждения пленки №С1.

Для исследования влияния атмосферы на свойства покрытия у полученных образцов исследовались спектральные характеристики на спектрофотометре СФ-26 в диапазоне 400-1100 нм после нанесения покрытия и через неделю. Измерения проводились относительно чистой подложки из того же материала, из которого изготовлена подложка, на которую наносилось покрытие, поэтому из полученных значений пропускания надо вычесть потери на каждой поверхности подложки.

Исследование старения.

100

95

£ 90

£ 85

е

о р

К 80

75

70

--♦- -После изготовления. Конструкция 2 ——После изготовления. Конструкция 1 -- — Через неделю. Конструкция 2 — - ' — Через неделю. Конструкция 1

Длина волны

Рис. 2. Спектральные характеристики конструкции 1 и 2

65

400

500

600

800

Изменений спектральных характеристик у покрытия конструкции 1 замечено не было, у покрытий конструкции 2 было замечено смещение спектральных характеристик в ИК область, возможно, это связано с десорбцией воды с поверхности подложки в пленку №0. Для уточнения данных, полученных методом НПВО, и последующей разработки математической модели рассеяния света в покрытии свободные пленки 2г02 исследовались методом просвечивающей электронной микроскопии (РЭМ). Некоторые из фотографий, полученных, методом НПВО и РЭМ, представлены на рис. 3, 4.

На фотографии, полученной методом НПВО, наблюдаются область с равномерным полем рассеяния, а также несколько темных и светлых областей, локализованных в разных плоскостях по толщине пленки (при фокусировке объектива микроскопа границы одних областей становятся более резкими, у других - менее резкими). Наличие темных областей свидетельствует о том, что рассеяние в этих зонах практически не происходит, также это может свидетельствовать об отсутствии покрытия. На фотографии, полученной в проходящем свете, ясно виден рисунок травления №С1, видны несколько кристаллитов, размер которых ~ 7000x7000 нм. Кристаллиты по-разному повернуты, но все они имеют форму косоугольного октаэдра, направленного одной из вершин по нормали к плоскости фотографии. Структуры пленок №С1 и 2г02 взаимосвязаны друг с другом.

Рис. 3. Изображение отдельных участков исследуемых систем (конструкции 2) на установке рис. 1: а - метод НПВО, б - в проходящем свете

-« -«

40 мкм 40 мкм

а б

Рис. 4. Изображение поверхности свободной пленки 7г02: а - температура поверхности подложки 180 С, б - температура поверхности подложки 3000 С

Кроме того, анализ свободных пленок 2г02, полученных растворением подслоя ЫаС1 в воде, проводился на растровом электронном микроскопе марки ЭМ-125 с

длиной фокусирующей системы Ь = 500 мм при ускоряющем напряжении 100 кВ, увеличение 40000х, длина волны Х=37-10-4 нм. Разрешение составило 5-6 нм, исследуемая площадь имеет размер 1x1 мкм (для колец микродифракции) и 2x3 мкм для изображения поверхности. На представленных фотографиях (рис. 4) видна поверхность пленки 2г02, которая граничила с пленкой ЫаС1.

По данным анализа картины дифракции, которые здесь не показаны, можно заключить, что пленки в экспериментах №1 и №2 (табл. 1) получились близкими к аморфным. Об этом свидетельствуют размытые границы дифракционных колец, размеры кристаллитов пленки 2г02 не превышают 5-10нм. Из картины дифракции эксперимента №3 (табл. 1) можно заключить, что пленки также имеют структуру, близкую к аморфной, но размер кристаллитов пленки 2г02 увеличились до 20-30 нм, об этом свидетельствуют кольца дифракции, ставшие узкими, с более ясными границами.

Поверхность пленки 2г02, граничащая с ЫаС1, в экспериментах №1 и №2 имеет вид ступенек различной формы и размера (параллелепипед, куб, косой параллелепипед), развернутых преимущественно в одном направлении. Размер кристаллитов - 100x80 нм (85% от общего количества). Доля кристаллитов среднего размера (50x37,5 нм) составляет 15%.

Поверхность в эксперименте №3 имеет вид ступенек, повернутых в одном направлении, форма ступенек ближе к кубу, ступеньки почти не различаются по высоте. Доля кристаллитов среднего размера (160x120 нм) составляет 95%, а кристаллитов размера 75x50 нм - 5%.

Из проведенных экспериментов можно заключить, что увеличение температуры подложки приводит к увеличению размера кристаллитов. Средний размер кристаллитов увеличился примерно в 1,7 раза. По размеру дифракционных колец на представленной фотографии эксперимента №3 были получены данные о микроструктуре, представленные в табл. 2.

Ориентации плоскостей

100 0,51

011 0,369

111 0,319

111 0,285

002 0,213

200 0,255

Таблица 2. Характеристики микроструктуры пленок

Из полученных данных можно заключить, что полученная пленка имеет моноклинную сингонию.

Для дальнейшего исследования структуры слоев 2г02 методом НПВО исследовалось рассеяние в полученных образцах следующей конструкции: П 6В 3Н, Хо=632,8 нм, где В - четвертьволновый слой 2г02 с показателем преломления п=1,92, Н - четвертьволновый слой БЮ2 с показателем преломления п=1,46. Подложка - стекло К8. В качестве источника излучения использовался Не-Ые лазер (^=632,8 нм.) Толщина слоя с высоким показателем преломления подбиралась, исходя из длины волны источника излучения, используемого в измерительной схеме. Изготовленная конструкция близка к симметричному планарному волноводу. Для реализации волноводного распространения излучения в слое толщина слоя не должна быть меньше половины длины волны распространяющегося излучения.

Угол падения излучения на гипотенузную грань призмы больше критического, поэтому практически все излучение отражалось от этой грани и выходило из призмы. Рассеянное излучение, прошедшее через гипотенузную грань призмы, регистрировалось с помощью ФЭУ, для исследований использовался приемник, имеющий максимальную чувствительность в данном диапазоне длин волн. Исследование рассеяния проводилось в диапазоне углов от -90° до +90°, за нулевое положение бралась нормаль к поверхности подложки.

Сначала рассеяние определялось от чистой подложки, зафиксированной с помощью иммерсии (и=1,5154) на поверхности гипотенузной грани призмы АР-90 (стекло К8), затем на эту подложку наносилось покрытие. Определение сигналов от чистой подложки и подложки с покрытием позволяет сравнить их по интенсивностям и по изменению характера кривой рассеяния (индикатрисы). На рис. 5, 6 представлены индикатрисы рассеяния, полученные от подложки и подложки с покрытием. Рассеяние определялось в восьми различных зонах подложки.

Индикатриса рассеяния чистая призма +подложка

- /Imax1

- /Imax2

— /Imax3

- /Imax4

- /Imax5

- /Imax6

- /Imax7

— /Imax8

Рис. 5. Индикатриса рассеяния, зарегистрированная от поверхности

чистой подложки

Как видно из полученных индикатрис рассеяния, определенных в разных зонах, максимум рассеяния поверхностью чистой подложки практически не смещается и соответствует значению 42°. На индикатрисах рассеяния, полученных от поверхности подложки с покрытием, максимум рассеяния сдвигается на 20° и составляет 64° (рассеяние исследовалось также в различных зонах).

По интенсивности рассеянное излучение поверхностью покрытия примерно в 4 раза больше рассеянного излучения поверхностью чистой подложки. Кроме этого происходит уширение пика кривой рассеяния и появление дополнительных боковых максимумов. Визуально наблюдается увеличение пятна рассеяния в некоторых направлениях, это связано с различной ориентацией поликристаллов, однако зарегистрировать его с помощью ПЗС камеры оказалось невозможным, из-за больших перепадов освещенности объекта наблюдения, которые не регистрируются ПЗС камерой с автоматической регулировкой усиления (АРУ).

Индикатриса рассеяния приодном фиксированном угле падения излучения

- "

- /1тах2

- /1тах3

- /1тах4

- /1тах5

— /1тах6

— /1тах7

- /1тах8

40 45 50 Угол рассеяния.

Рис 6. Индикатриса рассеяния, зарегистрированная от поверхности покрытия

В результате работы установлено увеличение размера кристаллитов 2г02 с ростом температуры подложки во время осаждения слоя. Показано, что при регистрации рассеянного света, возникающего в пленке при углах падения излучения больше критического, изменение характера рассеяния обусловлено изменением размера кристаллитов.

Литература

1. Барченко В.Т., Быстров Ю.А., Колгин Е.А. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве. СПб: Энергоатомиздат, 2001.