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OTSUKA大塚電子關于了解薄膜厚度評估 測量方法
1. 簡介
在城市中看到智能手機和平板電腦已經不是什么稀奇了,但事實上,薄膜技術在這些突飛猛進的背后有著巨大的影響。 換句話說,半導體是高科技器件的代表,LCD由薄膜堆疊技術組成。 此外,只要想想你周圍的事物,你就會意識到薄膜作為核心技術正在變得不可計數。
? CPU、存儲器和其他半導體器件
、LCD 和其他顯示設備
、磁盤、光盤和其他存儲介質
、鏡頭、在顯示設備表面施加的無反射膜
、防潮膜等聚合物產品的表面改性膜等。
除了這些器件的薄膜制造設備外,測量和評估設備也變得至關重要。
2. 薄膜的測量方法
觸針是直接和*原始的方法,以及使用電子顯微鏡觀察橫截面的方法,誤差很小,但另一方面,存在對樣品造成致命損害的風險。 因此,它不適合質量控制。
另一方面,使用分光光度計的方法很容易,并且可以以非接觸式測量,只要知道折射率,就可以高精度地測量,但由于折射率因沉積條件而異,因此需要以某種方式測量它。 由于折射率是光具有波的性質,并且由于與透射物質的相互作用而產生的現象,因此光譜厚度測量與采用相同方法的折射率測量是不可分割的。 換句話說,由于薄膜的折射率和吸收系數是由材料特有的物理性能決定的,因此從薄膜厚度測量的角度來看,這是使分析復雜化的因素,但從了解薄膜物理性能的角度來看,這也是一個非常重要的方法。 特別是在半導體材料中,由于其組成和雜質的比例很重要,因此當薄膜成分發生變化或沉積條件發生變化時,它也會成為監測器。
此外,由于在光譜中增加了偏振分析功能,可以更詳細地觀察光與物質之間的相互作用,因此利用這一原理的分光橢圓計先進的薄膜厚度測量裝置也已商業化。 該設備不僅能夠高精度地測量更薄的薄膜和折射率本身,而且還能夠對薄膜進行各向異性分析。
現在,在下一節中,我想更詳細地解釋光譜厚度分析的原理。
3. 光干涉效應的薄膜厚度分析
使用光干涉效應的薄膜厚度計*常見的方法是峰谷方法(PV 方法)。 原理很簡單,它利用了在膜表面反射的光和背面反射的光相互干擾,當光的相位匹配時,強度增加,當偏移時減弱。 因此,在光譜上觀察到反射強度隨波長變化而變化的干涉模式。 具體來說,PV方法根據這種圖案的峰值和谷波長確定薄膜厚度。
由于光通過膜層兩次合成,因此 n= 折射率和 d = 厚度僅產生**個光路差。 這是因為光在膜層中的傳輸速度是n倍,這就是為什么需要折射率的原因。 *后,重要的是反射光的相位是如何變化的。 也就是說,在折射率較大的介質上反射時,相位不會發生變化,因此波長的整數倍為光路差 2nd 的波長為峰值。 相反,在低介質上反射會導致 180 度偏差。 換句話說,在空氣/膜/空氣組合的背面,相位偏移180度,使波長的整數倍光路差2nd成為谷。 如果折射率已知,則根據這種關系確定厚度。 此外,折射率的大小也可以根據光路差 2nd 的整數倍的波長是峰值還是谷值來確定。
此外,在峰值和谷以外的波長上,通過彎曲擬合每個波長的反射強度和理論值,可以確定折射率以及薄膜厚度值。
4.復雜折射率分析
薄膜的光吸收系數被視為消光系數 k。 化學分析中使用的吸光度的差異通過乘以波長,與折射率一樣無尺寸化。 此外,在電磁波的理論方程中使用折射率 n 和消光系數 k,將復雜折射率 N 表示為簡化公式,如下式所示。 與真空中相比,光在折射率為 n 的介質中移動得較慢,當消光系數增加時,強度會衰減。
N=n-jk
如果僅測量薄膜厚度,則消光系數只會增加參數,使分析變得困難,因此通常使用近紅外光測量測量光源,并在沒有吸收的波長下進行測量。 在液晶濾色片中,著色是質量的重要因素,因此可能會增加著色,特別是由于干擾,甚至改變顯示設備的色調。 此外,在半導體領域,k的測量變得越來越重要,因為它是晶體內部電子狀態水平的重要指標。
此外,由于絕緣膜的著色會導致器件性能問題,因此需要設置沉積條件,以降低 k。
消光系數 k 可以從反射光譜中**確定,如果光譜形狀已知,則可以利用克拉默斯-克羅尼希在折射率和消光系數之間的關系,從而減少參數。 但是,當光譜形狀發生變化時,測量精度并不高。 此外,如果光譜模式未知,則無法從反射光譜中確定 k。
為了高精度地測量薄膜的消光系數,測量的透射光譜必須與光譜橢圓光譜和反射光譜相結合。 這種方法相當常見,但缺點是,它**于透明基板。
硅基板的折射率得到了很好的研究,文獻也很多,但盡管如此,文獻中的數字卻大相徑庭。 由于通常的沉積是在Si基板上進行的,因此,即使折射率和消光系數不同,由此產生的反射光譜和光譜橢圓光譜也完全符合理論計算。 近年來,外延生長的Si膜被粘貼在絕緣基板上,并用于半導體基板,由于光在這種Si膜中透射,消光系數的差異直接反映在光譜中。 換句話說,即使使用文獻值,也不可能準確分析測量光譜,從而導致與文獻值之間的偏差。 換句話說,文獻值具有相當大的誤差。
5. 橢圓測量
這種測量方法的歷史非常悠久,可以追溯到19世紀。 近年來,光譜橢圓法之所以如此流行,是因為它在分析方法方面取得了長足的進步。 換句話說,一種新的舊測量方法就是橢圓測量。
在單波長橢圓體中,薄膜厚度值由橢圓體參數(如 tan_ 或 * )簡單計算,但多層膜使模型表達式變得過于復雜,因此不容易確定。 因此,通過改變波長、進行參數擬合和多變量分析,可以分析多層膜,但近年來,由于個人電腦的進步大大縮短了分析時間,因此得到了廣泛的應用。
橢圓具有橢圓的含義。 由于光是波,當直行方向的偏振光的相位偏移 90 度時,它變為圓偏振光。 如下圖所示,從光的行進方向看偏振方向,它隨著時間的推移向左 旋轉。 如果相位偏移不是 90 度,則為橢圓。 偏振分析稱為橢圓偏振分析儀,因為它分析橢圓偏振光。 光具有波的性質。 換句話說,光譜橢圓測量充分利用了三種信息:強度、相位和波長。
為什么分析橢圓偏振光需要薄膜厚度? P 波是與反射面法線平行的偏振光,S 波是與法線成直角的偏振分量的名稱。 對于薄膜厚度測量,光譜橢圓測量始終通過具有恒定入射角的反射測量進行。 除了 P 波和 S 波的表面反射率不同外,反射率比還受到光干擾的影響,因此為 tan。 此外,由于薄膜介質中光的進度速度不同,會產生相位差。 此外,由于P波和S波在反射過程中的相位變化不同,因此它們會產生相位差。 因此,相位差也會隨薄膜厚度而變化。 這是光譜橢圓法測量薄膜厚度的原理。
在沒有公式的條件下解釋愛立浦奏的原理是極其困難的,我認為阿扎穆斯的電磁解釋是*容易理解的。 換句話說,遵循公式是*準確、*容易理解的,如果不使用公式,則從光譜形狀解釋可能更容易理解。
光譜橢圓法的折射率和薄膜厚度測量是一種非常敏感的方法,但如果薄膜厚度較大,則光譜變化會表現出細微的 n 差異。 利用這一特性,我們經常討論膜界面的狀態和膜縱向密度梯度,但這種詳細分析存在一些風險。 這是因為有許多因素可以改變光譜,特別是在很大程度上取決于膜表面的狀態,因此可能不清楚哪個是真正的膜模型。
光譜橢圓法也有其局限性。 當薄膜的薄膜約為幾納米時,它大約是光波長的百分之一,需要nd,但很難分離兩者。 這種缺點也是光譜學的一個常見問題。
6. 結構分析
光譜法不僅允許單層膜,還允許更復雜的結構分析。
例如,對于高速、節能的 SOI(Si 夾層 SiO2 結構),表面層的 Si 和中央 SiO2 層的厚度都會影響質量,但光譜法允許測量此類多層結構中每一層的薄膜厚度。
此外,退火的ITO(透明導電膜)提高了透明度和導電性,但膜質量可能會在加熱表面和難以傳遞熱量的基板側逐漸改變。
也可以分析這種膜質量厚度方向的階段性變化。
此外,還可以分析折射率因液晶方向而異的材料的三維折射率,并分析特定區域內薄膜厚度的不均勻性(不均勻性)。
我們非常重視這些結構分析,并專注于開發。
此外,在分析算法方面,我們每天都在努力改進和開發,以滿足對*新技術的需求。
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