ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 20/1 (2000) PRIMERJAVA METOD MERJENJA DEBELINE TANKIH PLASTI Miha Čekada, Institut »Jožef Stefan", Jamova 39, 1000 Ljubljana. Slovenija Comparison of Methods for the Thin Film Thickness Measurement ABSTRACT In this paper methods for the thin film thickness measurement are Briefly descnbed. For each method the physical background and the measurement procedure is given as well as the thickness range. where the method is applicable Also presented are the limitations on substrate and film type and the necessary equipment POVZETEK V članku so na kratko opisane metode, s katerimi merimo debelino tankih plasti Pri vsaki |e opisano fizikalno ozadje in način merjenja ter podan obseg debeline, na katerem je metoda upo*abna Predstavljene so tudi omejitve glede na vrsto plasti in podlage ter potrebna opiema 1 Uvod Debelina tankih plasti je eden tistih parametrov, ki odločilno vpliva na večino lastnosti tankih plasti od mehanskih, toplotnih in optičnih do električnih. Pri študiju lastnosti tankih plasti je zato njihova debelina ključni podatek. Ker za nekatere količine, npr. mik-rotrdoto in adhezijo. ne obstaja enostavna zveza med to količino in debelino, je kontrola debeline še toliko bolj pomembna. Za merjenje debeline tankih plasti ni univerzalne metode. Opisali bomo nekaj metod, ki se med sabo razlikujejo po uporabnosti za različne plasti, natančnosti, enostavnosti uporabe, debelini, kjer dobimo zadovoljivo natančnost, in na koncu seveda tudi po ceni. Nekatere metode zahtevajo posebej pripravljen vzorec, druge so destruktivne oz. uporabne le za določeno vrsto materialov (presojni, prevodni, fero-magnetni itd.). Pri svojem delu bomo izbrali metodo, ki nam glede na vrsto sistema podlaga-plast najbolj ustreza, seveda v okviru naprav, ki jih imamo na voljo. 2 Metoda krogelnega obrusa Za enostavno merjenje debeline trdih prevlek je najbolj uporabna metoda krogelnega obrusa, imenovana tudi kalotest (glej sliko 1). Na površini vzorca naredimo obrus z vrtečo se kroglico, premazano z diamantno pasto (gradacije nekaj desetnik um do nekaj um). Če je globina obrusa večja od debeiine plasti, vidimo pod optičnim mikroskopom na mestu obrusa podlago, obdano s kolobarjem obrušene plasti. Če je n polmer obrusa mxi globina na sredini, velja zveza: x,=R-7R2-r,2 kjer je R polmer kroglice in obenem krivinski radij obrusa. Enaka zveza velja tudi za polmer vidnega dela obrusa podlage {brez plasti) n in globino v podlagi X2. Debelina plasti, ki jo iščemo, je enaka razliki globin; d = x, - x2 = VR2 - rf - ^R2-r? Ker je polmer obrusa veliko manjši od polmera kroglice. lahko desno stran enačbe razvijemo v vrsto in dobimo: a='l-i 2R Prednosti metode so enostavnost in nizka cena. uporabna pa je za večino sistemov podlaga-plast (težave nastopijo edino, kadar imata podlaga in plast zelo podobno barvo in odbojnost). Med slabostmi je vsekakor treba povedati, da je metoda lokalno destruktivna, natančno pa jo lahko uporabimo le na gladkih ploskvah. K slabši natančnosti prispevajo tudi vibracije kroglice in morebitna razmazanost meje med podlago in plastjo. Metoda je uporabna za merjenje debelin med 0,5 in50ym. t* - ¦ . ' I f 17 ' - : plast Slika 1: Metoda krogelnega obrusa: (S) skica prereza čez kroglico in vzorec, (b) pogled na realni obrus od zgora/ podlaga ^*W? * 16 VAKUUMIST 20/1(2000) ISSN 0351-9716 3 Merjenje debeline plasti iz metalografskega obrusa Če pripravimo metalografski obrus vzorca (le-tega pravokotno prerežemo, zbrusimo in spoliramo) ali pa ga prečno prelomimo, lahko na prerezu oz. prelomu pod mikroskopom odčitamo debelino plasti (glej sliko 2). Če je plast debela nekaj deset /im, zadostuje optični mikroskop. Pri tanjših plasteh pa moramo uporabiti vrstični elektronski mikroskop (SEM). Za preprečitev robnega efekta je priporočljivo obe polovici vzorca zlepiti na tisti strani roba, ki ga nameravamo opazovati. Pozoren je treba biti tudi na to, da pri brušenju ne zaoblimo robu. Metoda je natančna, zanimiva je še posebej, ker lahko direktno slikamo prerez vzorca, nam pa priprava vzame precej časa. še zlasti, če bomo uporabili SEM. dlago, temveč merimo med njima atomsko silo. Meritev traja dalj časa. omogoča pa merjenje zelo majhnih debelin - do atomske ločljivosti. Kot pri merjenju s profilometrom nam težave povzroča nenatančna oblika stopnice ali ukrivljenost vzorca. Slika 2: SBM-posnetek metalografskega obrusa večplastne strukture 4 Merjenje s profilometrom Profilometer je naprava, ki z drsečo konico otipava obliko danega vzorca. Za merjenje debeline moramo vzorec posebej pripraviti: pred nanosom tanke plasti moramo del vzorca prekriti z masko ali kako drugače omejiti nanos plasti le na del površine. Namesto tega lahko del plasti tudi odjedkamo. Na tako pripravljeni stopnici s profilometrom enostavno odčitamo debelino {glej sliko 3). Sama meritev je zelo enostavna in natančna, glavni slabosti pa sta visoka cena naprave in že omenjeno dejstvo, da moramo vzorec posebej pripraviti. Težavo predstavlja tudi končna širina stopnice in morebitna ukrivljenost vzorca zaradi notranjih ali termičnih napetosti, kar nam oteži natančen odčitek debeline plasti. Te težave so bolj izrazite pri debelejših plasteh (nad nekaj mikrometrov), metoda pa je navzdol omejena z natančnostjo profilometra. Pri najmodernejših napravah je to lahko le nekaj desetink nm. Če je plast premehka, jo lahko z diamantno konico profilometra poškodujemo in tako izmerimo premajhno vrednost. Namesto profilometra lahko uporabimo tudi mikroskop na atomsko silo (AFM). Razlika je v tem. da ni neposrednega mehanskega stika med konico in po- 0 0,5 1 1,5 2 mm Slika 3: Primer meritve debeline s profilometrom 5 Merjenje s tehtanjem Če imamo opravka z majhnimi vzorci, lahko debelino enostavno izmerimo z merjenjem mase. Vzorec stehtamo pred nanosom plasti in po njem ter iz znane površine izračunamo debelino plasti. Seveda je pogoj natančno poznanje gostote plasti. Pri tem je treba biti previden, saj se lahko gostota tankih plasti precej razlikuje od tabeliranih vrednosti za masivne materiale; ne samo zaradi morebitne poroznosti, ampak tudi zaradi popačenih mrežnih parametrov {notranje napetosti. ujete nečistoče, praznine). Adsorbirana voda jn nečistoče tudi lahko pokvarijo natančnost meritve. Če dobro poznamo gostoto plasti, je natančnost določena z natančnostjo tehtnice (pri sodobnih mikrotehtnicah pod 1 /jg). Izračunani rezultat je povprečna debelina plasti na celem vzorcu. Za in-situ merjenje debeline plasti uporabljamo kre-menovo mikrotehtnico. V sistemu za nanos plasti imamo kristal kremena. Z rastjo plasti se veča masa kristala in s tem se spreminja tudi njegova lastna frekvenca. Debelino plasti tako določimo z merjenjem lastne frekvence kristala, seveda moramo poznati gostoto plasti. Zveza med majhno spremembo mase (dm) in frekvence (dr) je linearna: df^-^dm 6 Rentgenska fluorescenčna metoda Nasprotno od prej opisanih metod lahko z rentgensko fluorescenčno metodo izmerimo debelino nedestruk-tivno, brez predhodne priprave vzorca in neodvisno od njegove geometrije. Na površino vzorca usmerimo kolimiran snop rentgenske svetlobe (značilen premer curka je 100 /im). Fotoni, navadno je njihova energija okrog 50 keV. vpadajo na vzorec in iz njegovih atomov izbijajo elektrone iz K- oz. L-lupin. Nastale praznine zapolnijo elektroni iz višjih lupin in pri tem izsevajo karakteristične fluorescenčne rentgenske žarke. S proporcionalnim števcem izmerimo spekter izhodnega 17 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 20/1 (2000) valovanja. Ce imamo npr. plast cinka na železu, ustreza vrh pri 6,4 keV K-črti železa, vrh pri 8,7 keV pa K-črti cinka. Iz intenzitete obeh vrhov izračunamo debelino -spekter zelo tanke plasti bo pokazal predvsem signal železa, pri zelo debeli plasti pa pretežno signal cinka. Iz intenzitete vrha, npr. cinka (n), izračunamo normirano intenziteto (no je intenziteta za masivni vzorec cinka): X--H- Debelina ni v linearni zvezi z normirano intenziteto, odčitamo jo iz umeritvene krivulje. Ce sta elementa v plasti in podlagi soseda v periodnem sistemu, sta njuna vrhova blizu skupaj in ju težko ločimo. Če je v plasti več elementov z neznano sestavo, moramo oba podatka (debelino in atomsko razmerje) določiti iterativno. Namesto rentgenskih žarkov lahko uporabimo (5-sevalec. Zaradi različnega masnega števila Z atomov podlage in plasti se žarki ß sipljejo z različno intenziteto. Ce s preprostim števcem merimo intenziteto sipanega sevanja (n). lahko izračunamo normirano intenziteto: X = n_- ns n, -n, kjer je ns intenziteta gole podlage, ni pa intenziteta zelo debele plasti. 7 Optične metode Natančno lahko določimo debelino tudi z opazovanjem interference. Opisali bomo Tolanskyjevo metodo Vzorec moramo posebej pripraviti: tako kot pri meritvi s profilometrom moramo omejiti nastanek plasti le na del podlage, poleg tega moramo na vzorec napariti tanko plast (100 nm) aluminija ali srebra za boljšo odbojnost. Preko vzorca postavimo referenčno ploščo, imenujemo jo tudi Fizeaujeva plošča. Postavimo jo nad vzorec pod ostrim kotom, tako da plošča z vzorcem tvori zračni klin. V sistem posvetimo z monokromatsko svetlobo in če ima plošča na strani vzorca dovolj visoko odbojnost, dobimo v zračnem klinu veliko število odbojev in lahko opazujemo interferenco (glej sliko 4). Skozi okular opazujemo interferenčne črte. ki so na robu plasti premaknjene. Iz premika črt Ax in razdalje med črtami x izračunamo debelino plasti Ax >. ~~x~2* Metoda je natančna, ne potrebujemo dragih naprav, toda postopek merjenja ni enostaven. Debelina ne sme biti večja od nekaj valovnih dolžin svetlobe, tako da je območje debelin, kjer je ta metoda uporabna, med 3 nm in 2/L/m. Če je plast presojna. stopnice ne potrebujemo. V tem primeru lahko izmerimo debelino vzorca brez predhodne priprave, treba pa je paziti na fazni zamik zaradi lomnega količnika plasti. Debelino plasti lahko merimo tudi z absorpcijo v plasti, naneseni na steklo ali kakšen drug prozoren material. Svetlobni tok eksponentno pada z debelino plasti: l/lo = e"aa, kjer je a absorpcijski koeficient. Obseg debeline, pri katerem je metoda uporabna, je odvisna od vrste snovi. Prepustnost svetlobe za kovine je že pri debelini 100 nm pod 1%. Pri neenakomerno debelih plasteh lahko dobimo popolnoma napačen rezultat. objektiv mikroskopa kolimirana monokromatska — svetloba vzorec podlaga Bi-------------- polprepustno ogledalo steklena jV plošča naparjena refleksna plast vzorec plast i dobljeni interferogram Slika 4: Shema interferometričnega merjenja debeline po Tolanskem Elipsometrija je pogosto uporabljena metoda za merjenje debeline presojnih plasti. Na vzorec posvetimo z eliptično polarizirano svetlobo pod danim kotom in merimo polarizacijo odbite svetlobe, ki je odvisna od debeline plasti in njenega lomnega količnika. Ker je odbita svetloba eliptično polarizirana, lahko izmerimo dve količini: zasuk polarizacijske ravnine in razmerje med polosema polarizacije, če poznamo lomni količnik podlage, lahko iz Fresnelovih enačb izračunamo debelino plasti (glej sliko 5). Poleg tega poznamo še nekaj metod, kjer iz spremembe spektra odbite oz. prepuščene svetlobe ali «z znanega lomnega količnika določimo debelino plasti. vzorec vpadna ravnina Slika 5: Shema optične poti in polarizacije pri elip-sometriji 18 VAKUUMIST 20/1 (2000) ISSN 0351-9716 8 Magnetne in električne metode V uporabi sta dve magnetni metodi, s katerima merimo razdaljo med podlago in sondo (s tem posredno izmerimo debelino plasti). Obe sta precej odvisni od vrste podlage, hrapavosti površine in geometrije, zato ju moramo predhodno umeriti. Z magnetno-induktivno metodo lahko merimo le debelino vzorcev, ki imajo neferomagnetno plast na fero-magnetni podlagi. S sondo vzpostavimo magnetno polje frekvence nekaj sto Hz. Magnetno polje se v feromagnetni podlagi ojači, njegova vrednost v sondi pa je odvisna od razdalje med sondo in feromagnetno podlago, tj. debelina plasti. Za merjenje debeline neprevodne plasti na prevodni, a neferomagnetni podlagi lahko uporabimo metodo vrtinčnih tokov. Edina razlika z merjenjem po mag-netno-induktivni metodi je v frekvenci vzbujanja magnetnega polja; pri tej metodi je v megaherčnem področju. V podlagi nastali vrtinčni tokovi spremenijo impedanco tuljave v sondi, ta sprememba pa je prav tako odvisna od razdalje med prevodno podlago in sondo. Debelino dielektričnih plasti na prevodni podlagi lahko določimo tudi z merjenjem kapacitete. Če na ptast položimo kovinsko ploščo, smo sestavili preprost kondenzator in iz znane dielektričnosti plasti lahko izračunamo njeno debelino (kapaciteta kondenzatorja je obratno sorazmerna debelini dielektrika). Tabela 1: Pregled metod merjenja debeline tankih plasti Debelino prevodne plasti na neprevodni podlagi lahko merimo uporovno, npr. s štiritočkovno sondo. Izmerjena plastna upornost je enaka kvocientu specifične upornosti plasti in njene debeline. Pri interpretaciji rezultatov je treba biti previden, saj je specifična upornost kovin in polprevodnikov močno odvisna od koncentracije nečistoč. 9 Sklep V opisanem pregledu so prikazani načini merjenja debeline tankih plasti. Nekatere lahko brez večjih naporov in finančnih vložkov sami izvedemo. Precej metod je vezanih na nakup drage opreme, je pa tak sistem praviloma prilagojen na želeno aplikacijo. Vsekakor je treba biti pri vseh metodah pozoren na pravilno pripravo vzorcev. Prav tako je treba biti previden pri interpretaciji rezultatov in upoštevati dejavnike, ki bi lahko vplivali na natančnost meritve. Literatura P.Neumeier. Metalloberllache 44 (1990). 397-401 EVanaki. Metal Finishing Oct. 1997,33-35 M.Ohring. The Materials Science of Thin Films. Academic Press. San Diego. 1992.252-264 WAPIiskin. S.J.Zanin v Handbook ol Thin Film Technology 10nm(SEM)/ > 5pm (opt.) <3% Ä'nSÄTsBM- ! «-.ruMivna metoda profilometer >nekajdesetinknm <3% profilometer potrebna stopnica; plast ne sme biti premehka mikroskop na atomsko silo < nekaj ym <3% mikroskop na atomsko silo potrebna stopnica tehtanje > nekaj nm >1% mikrotehtnica povprečna debelina. potrebno natančno poznanje gostote rentgenska fiuorescenca ±10% rentgenski izvir. proporcionalni števec podlaga in plast ne smeta vsebovati istih elementov ß-sevalec 0,1-50 pm ±5% ß-sevalec. števec elementa v podlagi in plasti morata imeti dovolj različno vrstno število interferometrija 1 nm-2pm nekaj nm interferometer potrebna stopnica in dodatna odbojna plast absorpcija < 100 nm za kovine izvir svetlobe, fotometer presojna podlaga elipsometrija nekaj desetink nm -nekaj ^m <1% izvir svetlobe, fotometer. polarizatorji presojna plast magnetno-induktivna vrtinčni tokovi magnetna sonda neferomagnetna plast, feromagnetna podlaga magnetna sonda dielektricna plast, prevodna podlaga merjenje kapacitete merilnik kapacitete dielektricna plast, prevodna podlaga uporovno merjenje