Elipsometyczna ocena formowania cienkich warstw

Wykorzystanie techniki elipsometrii
do analizy procesu tworzenia warstw tlenkowych metali
Elipsometria jest techniką analityczną, służącą do oznaczania właściwości optycznych i
morfologii powierzchni poprzez pomiary zmian stanu polaryzacji światła spolaryzowanego po
jego odbiciu od badanej próbki. Metoda polega na skorelowaniu opisujących geometrię elipsy
polaryzacyjnej wartości delta i psi z fizyko-chemicznymi parametrami materiału badanego
tan
R
R
P
S
P S
r
p
12
N
N
2
2
N0,
N1,
N d
S
tan
2
cos1
N
cos
N
1
j
e
f ,
1
1
cos2
cos
2
R
p
p
r12
r
p
1
r r
p
23
p
12 23
R
R
P
R
P
S
R
E
E
s s
s N1
cos1
N2
cos2
s r
r12
12
r23exp
j2
d
R
2
s s
N2 cos2
N1
cos1
N2
cos2
1
r12r23exp
j2
– przesunięcie fazowe pomiędzy składowymi wektora pola elektrycznego (E S , E P )
tan – zmiana stosunku amplitud po odbiciu od powierzchni badanej
R P,S – współczynniki Fresnel’a
d – grubość warstwy
N – zespolony współczynnik załamania światła
exp j2
exp j2
E
E
out
P
in
P
out
S
in
S
1

laser He-Ne
632.8 nm; 70 o
Elipsometr monochromatyczny EL X-02C

Eksperyment
Sprzężenie metody ME z DEIS on-line w celu określenia dynamiki wzrostu warstwy. Pomiary
prowadzono w roztworze NaOH o różnym stężeniu.
Szybkość zmian potencjału – 1mV/s.
Roztwór buforowy
N = 1,34 – j 0
Cu 2 O
CuO
Cu(OH) 2
N = 2,94 – j 0,11
99.999 % Cu
N = 0,24 – j 3,41

Model elipsometryczny
POMIAR
ELIPSOMETRYCZNY
PRZYGOTOWANIE
PRÓBKI
WYZNACZENIE
,
WERYFIKACJA
MODELU
DOPASOWANIE MODELU
WYZNACZENIE MSE
OKREŚLENIE
N = n – jk , d
MODEL
ELIPSOMETRYCZNY
OZNACZENIE
N = n – jk , d
WYZNACZENIE
R p / R s = tan()*exp(j)
Dopasowanie poprzez minimalizację
funkcji MSE (Mean Square Error),
z wykorzystaniem algorytmu
Levenberga-Marquardt’a.
MSE
1
2N
M
N
i1
i
i
mod
exp
,
i
exp
2
mod
i
exp
,
i
exp
i
2

Minimalizacja błędów modelu
MSE=78
MSE=23
Zbudowany model elipsometryczny jest zgodny tylko w zakresie potencjałów
występowania tlenków. Program komputerowy umożliwia lokalne dopasowanie
różnych modeli.

Pomiar grubości
Cu 2 O
Cu 2 O + CuO
CuO
A2
Pik anodowy A1 odpowiada
tworzeniu się tlenku miedzi
(I), zgodnie z reakcją
2Cu +2OH - =
= Cu 2 O +H 2 O +2e -
A1
Pik anodowy A2 odpowiada
tworzeniu się tlenku miedzi
(II), zgodnie z reakcją
Cu 2 O +2OH - =
= 2CuO +H 2 O +2e -
Utlenianie się tlenku miedzi (I)
do tlenku miedzi (II) wiąże się
dodatkowo ze zmianą
szybkości przyrostu grubości

Parametry impedancyjne a grubość
rezystancja elektrolitu (Rsol)
pojemność „space charge” (Cox)
rezystancja warstwy tlenkowej (Rox)
pojemność podwójnej warstwy (Csurf)
element dyfuzyjny Warburga (O)
rezystancja przeniesienia ładunku (Rsurf)

Podsumowanie
Elipsometria jest nieinwazyjną metodą analizowania cienkich warstw. Dane
uzyskane tą metodą zazwyczaj muszą być analizowane. Właściwości takie jak:
grubość czy współczynnik załamania światła dla poszczególnych warstw muszą
zostać wyliczone. Interpretacja danych pomiarowych wymaga wprowadzenia
modelu optycznego, oraz minimalizacji różnicy pomiędzy parametrami
wyznaczonymi i obliczonymi. Dopasowanie modelu odbywa się w oparciu o
algorytm Levenberga-Marquardt’a oraz MSE.
Sprzężenie elipsometrii monochromatycznej z potencjodynamiczną DEIS
umożliwia dokładną, obszarową analizę wzrostu warstw pasywnych, których nie
są w stanie dostarczyć inne techniki pomiarowe.