Работа технологической установки для нанесения наноразмерных пленок и определения их параметров в реальном времени

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Работа технологической установки для нанесения наноразмерных пленок и определения их параметров в реальном времени

Введение

Особенностью современной электроники является использование все более тонких слоев и переход от микро- к наноразмерным пленкам. Применение таких покрытий предъявляет повышенные требования к качеству поверхности подложки, состоянию границ раздела между слоями и однородности отдельных слоев. В большинстве случаев контроль параметров наноразмерных пленок осуществляется после завершения процесса их формирования ex-situ методами, которые имеют ограничения, связанные с процессами адсорбции, окисления и диффузии на поверхности материалов после их извлечения из технологической камеры. Новым подходом является принцип измерения параметров выращиваемых пленок непосредственно в процессе их получения (in-situ методы). Поэтому в настоящее время в мире активно разрабатываются различные in-situ методы исследования и диагностики нанослоев: лазерная эллипсометрия, интерферометрия, внутрикамерная зондовая микроскопия и другие. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки, ограничивающие их применения. Так, методы, основанные на использовании лазерного излучения, не применимы для диагностики непрозрачных (металлических) слоев.

Зондовая микроскопия сталкивается с большими трудностями, связанными с необходимостью размещения микроскопа внутри технологической камеры. Одним из перспективных методов контроля является рентгеновская рефлектометрия in-situ.

Теоретические основы

В простом варианте in-situ рентгеновская рефлектометрия может быть реализована на основе анализа временной зависимости интенсивности зеркально отраженного от образца рентгеновского пучка, регистрируемой при фиксированном значении угла скольжения и₀ (рис. 1).

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 1. Отражение рентгеновских лучей от системы растущая пленка-подложка в in-situ варианте. 1- подложка, 2- пленка, 3 - вакуум, d- толщина пленки, меняющаяся в процессе роста, и - угол скольжения

В результате изменения разности фаз волн, отраженных поверхностью растущей пленки и поверхностью подложки, интерференционная картина в точке наблюдения представляет собой осцилляции интенсивности рентгеновского излучения. Положение первого экстремума определяется формулой Вульфа-Брегга с учетом преломления рентгеновских лучей:

, (1)

где л - длина волны излучения,

d - толщина пленки,

д - декремент коэффициента преломления рентгеновских лучей.

Выражение (1) используется для определения толщины пленки в точках экстремумов.

Одним из преимуществ метода in-situ рентгеновской рефлектометрии является возможность получать информацию о параметрах растущей пленки непосредственно при проведении технологического процесса в реальном масштабе времени. На практике в большинстве случаев скорость формирования пленок лежит в диапазоне от десятых долей до единиц нанометров в секунду. Это накладывает ограничения на время обработки экспериментальных данных и требует упрощения алгоритмов расчета. В общем случае коэффициент отражения от системы пленка-подложка описывается рекуррентными выражениями Паррата.

Регистрация временной зависимости коэффициента отражения R рентгеновских лучей при углах скольжения, значительно превышающих значение критического угла полного внешнего отражения, позволяет использовать кинематическое приближение, в рамках которого формулы для расчета параметров растущей пленки могут быть упрощены. В точках экстремумов выражение для коэффициента зеркального отражения имеет вид

, (2)

где ± соответствует минимальному и максимальному значениям коэффициента отражения R_min, R_max в зависимости от знака величины (д₁ - д₂); д₁, д₂ - декременты коэффициента преломления рентгеновских лучей для подложки и пленки соответственно. D - множитель, учитывающий изменение шероховатости границы раздела пленка-вакуум у₃₂ относительно шероховатости подложки у₂₁ , в качестве которого может быть использован фактор Дебая-Валлера:

где Q - вектор рассеяния.

Величина декремента преломления связана с плотностью материала с соотношением

(z - сумма зарядов (атомных номеров);

А - сумма атомных весов всех элементов,

N₀ - число Авогадро;

e, m - заряд и масса электрона соответственно, с - скорость света).

В предположении, что величины декремента преломления и шероховатости растущей пленки являются медленно изменяющимися функциями ее толщины, их можно принять постоянными на полупериоде осцилляций. Тогда из выражений для среднего значения <R> и контрастности коэффициента отражения от системы пленка - подложка определяются величины плотности и среднеквадратичной шероховатости пленки, усредненные по полупериоду осцилляций.

Описание экспериментальной установки

Программное обеспечение создано в среде Delphi и может быть расширено в область контроля и управления технологическим процессом. Учитывая универсальный характер метода in-situ рентгеновской диагностики, он может быть применен для различных технологий формирования наноразмерных пленок.

наноразмерный пленка рентгеновский рефлектометрический

Примеры in-situ рентгено-рефлектометрических экспериментов по напылению пленок различных материалов

Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения рентгеновских лучей от времени напыления углеродной пленки. Излучение CuKб, угол скольжения 1^о

На рисунке показано, что в начальный момент времени детектор регистрирует отражение от чистой подложки, интенсивность которого составила порядка 800 имп./с. На 50 секунде был включен магнетрон и начался процесс напыления.

На представленной зависимости первым экстремумом является минимум, что свидетельствует о том, что декремент преломления (а следовательно, и плотность напыляемой пленки) меньше декремента преломления подложки.

Далее зарегистрированная зависимость имеет вид чередующихся максимумов и минимумов практически без затухания. Это означает, что шероховатость поверхности пленки не увеличивается по сравнению с подложкой, а поглощение мало. На 500 секунде процесс напыления был остановлен. При этом толщина пленки составила 44 нм (рис. 6). Скорость роста оставалась практически постоянной на уровне около 0.1 нм/с.

Рис. 6. Зависимость толщины и скорости роста от времени напыления углеродной пленки

На рис. 7 представлены рассчитанные временные зависимости декремента преломления и шероховатости поверхности растущей пленки, которые на изученном интервале тоже практически постоянны. Рассчитанный декремент преломления заметно меньше декремента объемного материала (7.22х10^-6).

Это свидетельствует о том, что на поверхности подложки формируется пленка аморфного углерода с плотностью около 1.8 г/см³, которая не имеет собственного рельефа и хорошо воспроизводит рельеф подложки.

Рис. 7. Зависимость декремента преломления и шероховатости поверхности углеродной пленки от времени напыления

На рис. 8 представлены результаты эксперимента по напылению алюминия. Процесс начался на 100 секунде, первый зарегистрированный экстремум - максимум, так как плотность напыляемой пленки больше, чем плотность подложки.

В отличие от предыдущего эксперимента регистрируемая интенсивность быстро затухает. Осцилляции исчезают примерно на 550 секунде, при этом толщина составила 30 нм, скорость роста заметно меньше, так как алюминий характеризуется малым коэффициентом распыления.

Рис. 8. Зависимость коэффициента отражения рентгеновских лучей от времени напыления пленки алюминия. Излучение CuKб, угол скольжения 1^о

Рис. 9. Зависимость толщины и скорости роста от времени напыления алюминиевой пленки

Из результатов расчетов, представленных на рис. 10, следует, что при росте пленки алюминия резко растет шероховатость ее поверхности с увеличением толщины, что обуславливает падение величины коэффициента отражения на экспериментальной зависимости рис. 9. Как следует из рассчитанных значений декремента преломления плотность пленки алюминия меньше плотности объемного материала, величина декремента преломления которого составляет 8.02х10^-6.

Рис. 10. Зависимость декремента преломления и шероховатости поверхности алюминиевой пленки от времени напыления

Рис. 11. Зависимость коэффициента отражения рентгеновских лучей от времени напыления пленки кремния. Излучение CuKб, угол скольжения 1^о

На рис. 11 представлены результаты эксперимента по напылению кремния на кремниевую подложку. Этот случай интересен тем, что при эпитаксиальном росте осцилляции на экспериментальной зависимости не должны были бы возникнуть вследствие одинаковой плотности пленки и подложки.

Однако из экспериментальной кривой видно, что пленка осаждаемого кремния имеет меньшую плотность, чем плотность подложки - первый экстремум минимум. Понизилась и общая регистрируемая интенсивность. На рис. 12-13 представлены рассчитанные параметры пленки в зависимости от времени напыления.

Рис. 12. Зависимость толщины и скорости роста от времени напыления кремниевой пленки

Рис. 13. Зависимость декремента преломления и шероховатости поверхности кремниевой пленки от времени напыления

На рис. 14 представлены результаты эксперимента по напылению титана на кремниевую подложку в тех же условиях. Осцилляции быстро затухают, хотя периодичность в их расположении сохраняется. Толщина пленки во времени растет монотонно (рис. 15).

Рис. 15. Зависимость коэффициента отражения рентгеновских лучей от времени напыления пленки титана. Излучение CuKб, угол скольжения 1^о

Рис. 16. Временная зависимость толщины и скорости роста пленки титана для эксперимента, представленного на рис. 15

На рис. 17 видно аномальное поведение рассчитанного декремента преломления с увеличением толщины пленки. Несомненно, это связано не с уменьшением плотности пленки, а с резким возрастанием влияния поглощения на результат расчета, которое a priori не было заложено в модель.

Рис. 17. Временная зависимость декремента преломления и шероховатости поверхности пленки титана для эксперимента, представленного на рис. 15

Для сравнения приводятся результаты экспериментов с использованием более жесткого излучения МоКб (длина волны 0.071 нм). (рис. 18-20).

Рис. 18. Зависимость коэффициента отражения рентгеновских лучей от времени напыления пленки титана. Излучение МоКб, угол скольжения 0.45^о

Из полученных результатов следует, что использование более жесткого излучения заметно улучшает ситуацию.

Рис. 19. Зависимость толщины и скорости роста пленки Ti от времени напыления для эксперимента, представленного на рис. 18

Рис. 20. Зависимость декремента преломления и шероховатости поверхности пленки титана от времени напыления для эксперимента, представленного на рис. 18

Очевидно, что заложенное в модель предположение о малом поглощении растущей пленки лучше выполняется при использовании жестких излучений и больших углов скольжения. Верхней границей поглощающей способности пленки является значение массового коэффициента поглощения меньшее или равное 25 см²/г. Эксперименты с напылением более тяжелых металлов (медь, вольфрам и др.) следует проводить проводились с использованием жестким излучений МоКб, AgКб.

Практическая часть демонстрационного занятия

Практическая часть демонстрационного занятия предусматривает знакомство с устройством технологической установки для формирования наноразмерных пленок и диагностической рентгено-рефлектометрической системы для контроля параметров растущих пленок в реальном времени их формирования. Проведение совместного эксперимента, обработка экспериментальных данных и обсуждение полученных результатов с участниками демонстрационного занятия.

Размещено на Allbest.ru