Показатель преломления и коэффициент экстинкции тонкопленочных материалов
В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
А.Р. Форуи и И. Блумер вывели дисперсионные уравнения для показателя преломления n и коэффициента экстинкции k , которые были опубликованы в 1986 году. [1] и 1988 год. [2] Публикация 1986 года относится к аморфным материалам, а публикация 1988 года — к кристаллическим. Впоследствии, в 1991 году, их работа была включена в качестве главы в «Справочник оптических констант» . [3] Дисперсионные уравнения Форуи – Блумера описывают, как фотоны различной энергии взаимодействуют с тонкими пленками. При использовании с инструментом спектроскопической рефлектометрии дисперсионные уравнения Форуи-Блумера определяют n и k для аморфных и кристаллических материалов как функцию энергии E. фотонов Значения n и k как функции энергии фотонов E называются спектрами n и k , которые также могут быть выражены как функции длины волны света λ , поскольку E = hc / λ . Символ h — это постоянная Планка , а c — скорость света в вакууме. Вместе n и k часто называют «оптическими константами» материала (хотя они не являются константами, поскольку их значения зависят от энергии фотонов).
Вывод дисперсионных уравнений Форуи-Блумера основан на получении выражения для k как функции энергии фотона, символически записанного как k ( E ), исходя из первых принципов квантовой механики и физики твердого тела. Выражение для n как функции энергии фотона, символически записанное как n ( E ), затем определяется из выражения для k ( E ) в соответствии с соотношениями Крамерса-Кронига [4] который утверждает, что n ( E ) является преобразованием Гильберта k ( E ) .
Дисперсионные уравнения Форуи-Блумера для n ( E ) и k ( E ) аморфных материалов имеют вид:
пяти параметров A , B , C , Eg и Каждый из n (∞) имеет физическое значение. [1] [3] E g — ширина запрещенной зоны оптической энергии материала. A , B и C зависят от зонной структуры материала. Это положительные константы такие, что 4 C − B 2 > 0. Наконец, n (∞), константа, большая единицы, представляет значение n при E = ∞. Параметры B 0 и C 0 в уравнении для n ( E ) не являются независимыми параметрами, а зависят от A , B , C и E g . Их дают:
где
Таким образом, для аморфных материалов всего пяти параметров достаточно, чтобы полностью описать зависимость как n , так и k от энергии фотонов E .
Для кристаллических материалов, которые имеют несколько пиков в n- и k -спектрах, дисперсионные уравнения Форуи-Блумера можно расширить следующим образом:
Количество членов в каждой сумме q равно количеству пиков в n- и k -спектрах материала. свои значения параметров A , B , C , Eg Каждое а также свои значения B0 и . C0 слагаемое суммы имеет , Аналогично аморфному случаю, все термины имеют физический смысл. [2] [3]
Характеристика тонких пленок
[ редактировать ]Показатель преломления ( n ) и коэффициент экстинкции ( k ) связаны с взаимодействием между материалом и падающим светом и связаны с преломлением и поглощением (соответственно). Их можно рассматривать как «отпечаток пальца» материала. Покрытия из тонкопленочных материалов на различных подложках обеспечивают важные функциональные возможности для индустрии микрообработки , и n , k , а также толщина t этих тонкопленочных компонентов должны измеряться и контролироваться, чтобы обеспечить повторяемость производства .
дисперсионные уравнения Форуи-Блумера для n и k Первоначально ожидалось, что будут применимы к полупроводникам и диэлектрикам, будь то в аморфном, поликристаллическом или кристаллическом состояниях. Однако было показано, что они описывают n- и k -спектры прозрачных проводников. [5] а также металлические соединения. [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] Было обнаружено, что формализм кристаллических материалов применим и к полимерам. [16] [17] [18] которые состоят из длинных цепочек молекул, не образующих кристаллографической структуры в классическом понимании.
Другие модели дисперсии, которые можно использовать для получения n и k , такие как модель Таука-Лоренца , можно найти в литературе. [19] [20] Две хорошо известные модели — Коши и Селлмайера — дают эмпирические выражения для n , действительные в ограниченном диапазоне измерений и полезны только для непоглощающих пленок, где k = 0. Следовательно, формулировка Форуи-Блумера использовалась для измерения тонких пленок в различных приложениях. [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]
В последующих обсуждениях все переменные энергии фотонов E будут описываться через длину волны света λ , поскольку экспериментально переменные, связанные с тонкими пленками, обычно измеряются в диапазоне длин волн. Спектры n и k тонкой пленки не могут быть измерены непосредственно, а должны определяться косвенно по зависящим от них измеримым величинам. Спектроскопическая отражательная способность R ( λ ) является одной из таких измеримых величин. Другой вопрос — спектроскопическое пропускание T ( λ ), применимое, когда подложка прозрачна. Спектроскопическое отражение тонкой пленки на подложке представляет собой отношение интенсивности света, отраженного от образца, к интенсивности падающего света, измеренное в диапазоне длин волн, тогда как спектроскопическое пропускание T ( λ ) представляет собой отношение интенсивности от света, прошедшего через образец, до интенсивности падающего света, измеренной в диапазоне длин волн; обычно также присутствует отраженный сигнал R ( λ ), сопровождающий T ( λ ).
Измеримые величины R ( λ ) и T ( λ ) зависят не только от n ( λ ) и k ( λ ) пленки, но также от толщины пленки t , а также n ( λ ) и k ( λ ) пленки. субстрат. Для кремниевой подложки значения n ( λ ) и k ( λ ) известны и принимаются как заданные входные данные. Задача определения характеристик тонких пленок включает в себя извлечение t , n ( λ ) и k ( λ ) пленки из измерений R ( λ ) и/или T ( λ ). Этого можно достичь путем объединения дисперсионных уравнений Форуи–Блумера для n ( λ ) и k ( λ ) с уравнениями Френеля для отражения и пропускания света на границе раздела. [21] получить теоретические, физически обоснованные выражения для коэффициентов отражения и пропускания. При этом задача сводится к извлечению пяти параметров A , B , C , E g и n (∞), которые составляют n ( λ ) и k ( λ ), а также толщину пленки t с использованием нелинейного регрессионный анализ по методу наименьших квадратов [22] [23] Процедура примерки. Процедура аппроксимации влечет за собой итеративное улучшение значений A , B , C , E g , n (∞), t , чтобы уменьшить сумму квадратов ошибок между теоретическим R ( λ ) или теоретическим T ( λ ) и измеренный спектр R ( λ ) или T ( λ ).
Помимо спектроскопического отражения и пропускания, спектроскопическая эллипсометрия также может быть использована аналогичным образом для характеристики тонких пленок и определения t , n ( λ ) и k ( λ ).
Примеры измерений
[ редактировать ]Следующие примеры демонстрируют универсальность использования дисперсионных уравнений Форуи-Блумера для характеристики тонких пленок с использованием инструмента, основанного на почти нормальном падающем спектроскопическом коэффициенте отражения. Спектроскопическое пропускание, близкое к нормальному, также используется, когда подложка прозрачна. Спектры n ( λ ) и k ( λ ) каждой пленки получены вместе с толщиной пленки в широком диапазоне длин волн от глубокого ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона (190–1000 нм).
В следующих примерах обозначения теоретической и измеренной отражательной способности на спектральных графиках выражаются как «R-теория» и «R-измерения» соответственно.
Ниже приведены схемы, изображающие процесс измерения тонких пленок:
Дисперсионные уравнения Форуи-Блумера в сочетании со строгим анализом связанных волн (RCWA) также использовались для получения подробной информации о профиле (глубина, CD, угол боковой стенки) траншейных структур. Чтобы извлечь информацию о структуре, данные поляризованного широкополосного отражения, Rs и Rp , должны быть собраны в большом диапазоне длин волн от периодической структуры (решетки), а затем проанализированы с помощью модели, которая включает дисперсионные уравнения Форуи-Блумера и RCWA. Входные данные модели включают шаг решетки и спектры n и k всех материалов внутри конструкции, а выходные данные могут включать глубину, CD в нескольких местах и даже угол боковой стенки. Спектры n и k таких материалов могут быть получены в соответствии с описанной в этом разделе методологией измерений тонких пленок.
Ниже приведены схемы, изображающие процесс измерения траншейных конструкций. Далее следуют примеры измерений траншеи.
Пример 1: Аморфный кремний на подложке из окисленного кремния (a-Si/SiO 2 /Si-Sub)
[ редактировать ]В примере 1 показан один широкий максимум в спектрах n(λ) и k(λ) пленки a-Si, как и ожидалось для аморфных материалов. По мере перехода материала к кристалличности широкий максимум сменяется несколькими более острыми пиками в его спектрах n(λ) и k(λ) , как показано на графиках.
Когда измерение включает две или более пленки в стопке пленок, теоретическое выражение для отражательной способности должно быть расширено, чтобы включить спектры n ( λ ) и k ( λ ), а также толщину t каждой пленки. Однако регрессия может не сходиться к уникальным значениям параметров из-за нелинейного характера выражения для отражательной способности. Поэтому полезно исключить некоторые неизвестные. Например, спектры n ( λ ) и k ( λ ) одной или нескольких пленок могут быть известны из литературы или предыдущих измерений и оставаться фиксированными (не допускается изменяться) во время регрессии. Для получения результатов, показанных в примере 1, спектры n ( λ ) и k ( λ ) слоя SiO 2 фиксировались, а остальные параметры n ( λ ) и k ( λ ) a-Si плюс толщины как a-Si, так и SiO 2 допускалось варьирование.
Пример 2: Фоторезист 248 нм на кремниевой подложке (PR/Si-Sub)
[ редактировать ]Полимеры, такие как фоторезист, состоят из длинных цепочек молекул, не образующих кристаллографическую структуру в классическом понимании. Однако их спектры n ( λ ) и k ( λ ) демонстрируют несколько острых пиков, а не широкий максимум, ожидаемый для некристаллических материалов. Таким образом, результаты измерений для полимера основаны на формулировке Форуи-Блумера для кристаллических материалов. Большая часть структуры в спектрах n ( λ ) и k ( λ ) возникает в глубоком УФ-диапазоне длин волн, и поэтому для правильной характеристики пленки такого типа необходимо, чтобы измеренные данные об отражении в глубоком УФ-диапазоне были точными.
На рисунке показан пример измерения фоторезистного (полимерного) материала, используемого для микролитографии с длиной волны 248 нм. В уравнениях Форуи-Блумера для кристаллических материалов было использовано шесть членов, чтобы соответствовать данным и достичь результатов.
Пример 3: Оксид индия и олова на стеклянной подложке (ITO/Glass-Sub)
[ редактировать ]Оксид индия-олова (ITO) представляет собой проводящий материал с необычным свойством прозрачности, поэтому он широко используется в индустрии плоских дисплеев. Измерения коэффициентов отражения и пропускания стеклянной подложки без покрытия были необходимы для определения ранее неизвестных спектров n ( λ ) и k ( λ ) стекла. Затем одновременно измерялись коэффициенты отражения и пропускания ITO, нанесенного на одну и ту же стеклянную подложку, и анализировались с использованием уравнений Форуи-Блумера.
Как и ожидалось, спектр k ( λ ) ITO равен нулю в видимом диапазоне длин волн, поскольку ITO прозрачен. Поведение k ( ) -спектра ITO в ближнем инфракрасном (NIR) и инфракрасном (IR) диапазонах длин волн напоминает поведение металла: отличное от нуля в ближнем ИК-диапазоне 750–1000 нм (трудно различимо в графике, поскольку его значения очень малы) и достигают максимального значения в ИК-диапазоне ( λ > 1000 нм). Среднее значение k пленки ITO в ближнем и ИК-диапазоне составляет 0,05.
Пример 4: Мультиспектральный анализ тонких пленок германий (40%)–селен (60%)
[ редактировать ]При работе со сложными пленками в некоторых случаях параметры не могут быть решены однозначно. Чтобы ограничить решение набором уникальных значений, можно использовать метод, включающий многоспектральный анализ. В простейшем случае это предполагает осаждение пленки на две разные подложки и последующий одновременный анализ результатов с использованием дисперсионных уравнений Форуи–Блумера.
Например, однократное измерение коэффициента отражения в диапазоне 190–1000 нм Ge 40 Se 60 /Si не дает уникальных n ( λ ) и k ( λ ) спектров пленки. Однако эту проблему можно решить, нанеся ту же пленку Ge 40 Se 60 на другую подложку, в данном случае на окисленный кремний, и затем одновременно проанализировав измеренные данные отражения, чтобы определить:
- Толщина пленки Ge 40 Se 60 /Si на кремниевой подложке 34,5 нм,
- Толщина пленки Ge 40 Se 60 /Si на подложке окисленного кремния 33,6 нм,
- Толщина SiO 2 (при n- и k -спектрах SiO 2 ) и фиксированных
- n- и k в диапазоне 190–1000 нм . -спектры Ge 40 Se 60 /Si
Пример 5: Сложная конструкция траншеи
[ редактировать ]Траншейная структура, изображенная на соседней диаграмме, повторяется с интервалом 160 нм, то есть имеет заданный шаг 160 нм. Тренч состоит из следующих материалов:
- М1: Си 3 Н 4
- M2: Поли-Си
- M3: Оксид боковой стенки (SiO 2 )
- М4: SiO2
- : Си3Н4 М5
- М6: SiO2
- M7: Si-подложка
- М8: Воздух
Точные значения n и k этих материалов необходимы для анализа структуры. Часто для измерения присутствует бланкетная область на образце из траншеи с интересующей пленкой. В этом примере спектр отражения поликремния был измерен на бланкетной площади, содержащей поликремний, из которого были определены его спектры n и k в соответствии с методологией, описанной в этой статье, которая использует дисперсионные уравнения Форуи-Блумера. . фиксированные таблицы значений n и k использовались Для пленок SiO 2 и Si 3 N 4 .
Объединив n- и k- спектры пленок с помощью строгого анализа связанных волн (RCWA), были определены следующие критические параметры (с также результатами измерений):
Измеряемый параметр | Результаты | |
---|---|---|
1 | Если глубина | 27,4 нм |
2 | CD @ Top of Si | 26,4 нм |
3 | SiO 2 Ширина вкладыша | 40,2 нм |
4 | Si 3 N 4 Высота | 28 нм |
3 | Поли-Si Ширина | 92,6 нм |
3 | Поли-Си Высота | 85,6 нм |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Форуи, Арканзас; Блумер, И. (1986). «Оптические дисперсионные соотношения для аморфных полупроводников и аморфных диэлектриков». Физический обзор B . 34 (10): 7018–7026. Бибкод : 1986PhRvB..34.7018F . дои : 10.1103/physrevb.34.7018 . ПМИД 9939354 .
- ^ Jump up to: а б Форуи, Арканзас; Блумер, И. (1988). «Оптические свойства кристаллических полупроводников и диэлектриков». Физический обзор B . 38 (3): 1865–1874. Бибкод : 1988PhRvB..38.1865F . дои : 10.1103/physrevb.38.1865 . ПМИД 9946471 .
- ^ Jump up to: а б с Форуи, Арканзас; Блумер, И. (1991). Палик, ЭД (ред.). Справочник оптических констант II . Академическая пресса. п. Глава 7.
- ^ Роман, П. (1965). Продвинутая квантовая теория . Аддисон-Уэсли.
- ^ Jump up to: а б Торкаман, Нью-Мексико; Ганджханлоу, Ю.; Каземзад, М.; Дабаги, Х.Х.; Кеянпур-Рад, М. (2010). «Кристаллографические параметры и электрооптические константы в тонких пленках ITO». Характеристика материалов . 61 (3): 362–370. дои : 10.1016/j.matchar.2009.12.020 .
- ^ Jump up to: а б Лахдар, МЗ; Оуни, Б.; Амлук, М. (2014). «Влияние толщины на структурные и оптические константы тонких пленок антимонита, полученных сульфидиационным отжигом пленок сурьмы». Оптик . 125 (10): 2295–2301. Бибкод : 2014Оптик.125.2295Л . дои : 10.1016/j.ijleo.2013.10.114 .
- ^ Jump up to: а б Аль-Ханбаши, штат Ха; Ширбини, В.; Аль-Гамди, А.А.; Бронштейн, Л.М.; Махмуд, МЫ (2014). «Спектроскопическая эллипсометрия тонких пленок Zn1-xCuxO на основе модифицированного метода золь-гель-покрытия». Spectrochimica Acta Часть A: Молекулярная и биомолекулярная спектроскопия . 118 : 800–805. Бибкод : 2014AcSpA.118..800A . дои : 10.1016/j.saa.2013.09.085 . ПМИД 24157332 .
- ^ Jump up to: а б Накамура, Т.; Морияма, Т.; Набатова-Габен Н.; Адачи, С. (2014). «Скорость затухания излучения излучателя света на тонких металлических пленках». Японский журнал прикладной физики . 53 (4): 5201. Бибкод : 2014JaJAP..53d5201N . дои : 10.7567/jjap.53.045201 . S2CID 120461637 .
- ^ Jump up to: а б Винклер, Монтана; Ван, В.; Гунаван, О.; Ховел, HJ; Тодорова, ТК; Митци, Д.Б. (2014). «Оптические конструкции, повышающие эффективность солнечных элементов Cu2ZnSn(S,Se)4». Энергетика и экология . 7 (3): 1029–1036. дои : 10.1039/c3ee42541j .
- ^ Jump up to: а б Мяо, Л.; Вс, ЛФ; Танемура, С.; Фишер, CAJ; Чжао, LL; Лян, К.; Сюй, Г. (2013). «Экономичные нанопористые покрытия SiO2–TiO2 на стеклянных подложках с антиотражающими и самоочищающимися свойствами». Прикладная энергетика . 112 : 1198–1205. дои : 10.1016/j.apenergy.2013.03.043 .
- ^ Jump up to: а б Чжан, Ф.; Чжан, Р.Дж.; Чжан, DX; Ванга, З.Ы.; Сюй, Япония; Чжэн, YX; Чен, Л.Ю.; Хуанг, РЗ; Сан, Ю.; Чен, X.; Мэн, XJ ; Дай, Н. (2013). «Температурно-зависимые оптические свойства тонких пленок оксида титана, изученные методом спектроскопической эллипсометрии». Прикладная физика Экспресс . 6 (12): 121101. Бибкод : 2013APExp...6l1101Z . дои : 10.7567/apex.6.121101 . S2CID 94319396 .
- ^ Jump up to: а б Шэн-Хонг, Ю.; Сен, К.; Нин, Ю.; Юэ-Ли, З. (2013). «Оптическое исследование золь-гель-обработанных мультиферроидных пленок BiFeO3, легированных Nd, методом спектроскопической эллипсометрии». Сегнетоэлектрики . 454 (1): 78–83. Бибкод : 2013Fer...454...78S . дои : 10.1080/00150193.2013.842802 . S2CID 122654864 .
- ^ Jump up to: а б Балакришнан, Г.; Сундари, СТ; Куппусами, П.; Чандра, премьер-министр; Шринивасан, член парламента; Мохандас, Э.; Ганесан, В.; Састикумар, Д. (2011). «Исследование микроструктурных и оптических свойств нанокристаллических тонких пленок церия, полученных методом импульсного лазерного осаждения». Тонкие твердые пленки . 519 (8): 2520–2526. Бибкод : 2011TSF...519.2520B . дои : 10.1016/j.tsf.2010.12.013 .
- ^ Jump up to: а б Ченг, КВ; Хуанг, CM; Пан, GT; Чанг, штат Вашингтон; Ли, ТК; Ян, TCK (2010). «Влияние Sb на рост и фотоэлектрохимический отклик пленочных электродов AgIn5S8, созданных методом выращивания из раствора». Химико-техническая наука . 65 (1): 74–79. дои : 10.1016/j.ces.2009.02.002 .
- ^ Jump up to: а б Дас, Н.С.; Гош, ПК; Митра, МК; Чаттопадхьяй, КК (2010). «Влияние толщины пленки на ширину запрещенной зоны нанокристаллических тонких пленок CdS, проанализированное методом спектроскопической эллипсометрии». Физика E: Низкоразмерные системы и наноструктуры . 42 (8): 2097–2102. Бибкод : 2010PhyE...42.2097D . дои : 10.1016/j.physe.2010.03.035 .
- ^ Jump up to: а б Сюн, К.; Хоу, Л.; Ван, П.; Ся, Ю.; Чен, Д.; Сяо, Б. (2014). «Повышение эффективности легирования фосфором в двухслойных органических солнечных элементах за счет большей длины диффузии экситонов». Журнал люминесценции . 151 : 193–196. Бибкод : 2014JLum..151..193X . дои : 10.1016/j.jlumin.2014.02.016 .
- ^ Jump up to: а б Хюинь, ТП; Петшик-Ле, А.; Чандра-Бикрам, КЦ; Новорита, КР; Собчак, JW; Шарма, PS; Д'Суза, Ф.; Катнер, В. (2013). «Электрохимически синтезированный молекулярно-импринтированный полимер производных тиофена для определения аденозин-5'-трифосфата (АТФ) методом проточно-инжекционного анализа». Биосенсоры и биоэлектроника . 41 : 634–641. дои : 10.1016/j.bios.2012.09.038 . ПМИД 23131778 .
- ^ Jump up to: а б Чжу, Д.; Шен, В.; Йе, Х.; Лю, X.; Чжэнь, Х. (2008). «Определение оптических констант полимерных светоизлучающих диодных пленок по измерениям однократного отражения». Журнал физики D: Прикладная физика . 23. 41 (23): 235104. Бибкод : 2008JPhD...41w5104Z . дои : 10.1088/0022-3727/41/23/235104 . S2CID 123065042 .
- ^ Jump up to: а б Лайдани, Н.; Бартали, Р.; Готтарди, Г.; Андерле, М.; Чейссак, П. (2008). «Параметры оптического поглощения аморфных углеродных пленок по моделям Форуи – Блумера и Таука – Лоренца: сравнительное исследование». Физический журнал: конденсированное вещество . 20 (1): 15216. Бибкод : 2008JPCM...20a5216L . CiteSeerX 10.1.1.369.5532 . дои : 10.1088/0953-8984/20/01/015216 . S2CID 7359667 .
- ^ Jump up to: а б Ишварахантан, Т.; Бейссен, Д.; Бризуаль, LL; Алнот, П. (2007). «Оптические дисперсии Форуи-Блумера и Таука-Лоренца, применяемые с помощью спектроскопической эллипсометрии к фторуглеродным пленкам, осажденным в плазме». Журнал прикладной физики . 101 (7): 073102–073102–7. Бибкод : 2007JAP...101g3102E . дои : 10.1063/1.2719271 .
- ^ Небеса, ОС (1965). Оптические свойства тонких твердых пленок . Нью-Йорк: Дувр.
- ^ Левенберг, К. (1944). «Метод решения некоторых нелинейных задач по наименьшим квадратам» . Ежеквартальный журнал прикладной математики . 2 (2): 164. дои : 10.1090/qam/10666 .
- ^ Марквардт, Д.В. (1963). «Алгоритм оценки нелинейных параметров методом наименьших квадратов». Журнал Общества промышленной и прикладной математики . 2. 11 (2): 431–441. дои : 10.1137/0111030 . hdl : 10338.dmlcz/104299 .