Турьянский А.Г.

Рентгеновская рефлектометрия
тонкопленочных наноструктур
X-Ray Reflectometry of Thin Film
Nanostructures
А.Г. Турьянский
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
2013
Рентгеновская рефлектометрия vs оптические
методы анализа слоистых структур
Выражение для показателя преломления в рентгеновском
диапазоне частот
2e2 N
n  1  2 [ f 0  f ( )  if ( )]  1    i
m
f0 , f– члены, связанные соответственно c
томсоновским и аномальным рассеянием; f мнимая часть, обусловленная фотопоглощением
http://henke.lbl.gov/optical_constants/
Возможно ли отражение если на границе
раздела D0, >0
1
R
0,1
0,01
1. =1E-5
2. =1E-6
1E-3
1E-4
1
1E-5
1E-6
2
1E-7
1E-8
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
, degr
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Рентгеновская рефлектометрия
Определяемые параметры
• Толщина слоев
• Размытие границ раздела
- шероховатость
- диффузионные размытие
• Период слоистых структур
• Показатель преломления
- физическая плотность
- фаза, относительное
содержание элементов
2
Z (nm)
2~1 nm
1
1
0
-1
-2
2
3
-3
0
5
10
x (m)
15
20
25
Область доверительных значений атомного
фактора рассеяния
Atomic form factors of oxygen (blue),
chlorine (green), ions: Cl- (magenta),
And K+ (red), calculated with the
Cromer-Mann parameters.
P. Kuiper data
(sin)/l, A-1
Табулированные данные для показателя
преломления. Можно ли доверять?
Энергетическая зависимость
действительной части атомного
фактора рассеяния для Ni в
широком энергетическом
диапазоне, включая области K,
L, M-скачков поглощения; по
обновляемым данным ХенкеГулликсона [1.4] (пунктир Henke) и Чантлера [1.2]
(сплошная линия - Current), Z атомный номер Ni, равный 28.
Атомный фактор рассеяния области энергий
аномального рассеяния
28
26
f1, e/atom
3
Энергетическая зависимость
действительной части
атомного фактора рассеяния в
области К–скачка для Ni и Cu
по табулированным данным
Хенке-Гулликсона (1,3)
(сплошная линия) и Чантлера
[2,4] (пунктир).
1
24
Cu
Ni
22
4
2
20
18
16
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
E, keV
9,5
10,0
10,5
Выполняется ли условие дифракции при
рентгеновской рефлектометрии, если
подложка и/или пленка являются кристаллами?
Энергодисперсионная схема – да.
Кинематическая схема – возможно.
Основные схемы рентгеновской
рефлектометрии
♦ Статические
- энергодисперсионные
- с переменным углом скольжения первичного
излучения
♦ Кинематические
- с монохроматизацией первичного пучка
- с монохроматизацией отраженного излучения
- с селекцией набора спектральных линий
Энергодисперсионная статическая схема
X-ray source
absorber
spectrometer
sample
R
Cr(20 nm) / SiO2
0,01
1E-3
1E-4
4000
8000
12000
E, eV
16000
20000
Статическая схема с переменными углами
скольжения
l- const,  - переменная
Режим работы: непрерывный или импульсный
US Patent 2005
Yokhin, Boris (Nazareth Illit, IL)
Dikopoltsev, Alexander (Haifa, IL)
Rafaeli, Tzachi (Givat Shimshit, IL)
Gvirtzman, Amos (Moshav Zippori, IL)
Калибровочная проблема рентгеновской
рефлектометрии
Условия корректных измерений
I. Стационарные параметры генерации (U=const, I=const)
P (x,y,z,l1), P (x,y,z,l2) не определены
Положение 1
Условие подобия:
P (x,y,z,l1)/P (x,y,z,l2)=C=const.
I R ( , l1 )
R( , l1 )

C
I R ( , l2 )
R( , l2 )
Basic kinematic X-ray optical schemes
Standard (single wavelength)
collimator
shield
Multiwavelength
X-ray source
slit
monochromator
X-ray source
Collimator
slits
detector
ST-monochromators
shield
slit
detectors
Патентованная схема селекции спектральных линий
с помощью полупрозрачных монохроматоров
Основные преимущества
l1
l2
l3
 Параллельные измерения на
группе спектральных линий
 Сравнительные измерения в
поляризованном и неполяризованном излучении
 Возможность определения
элементного состава по спектрам
рентгеновской флуоресценции
Угловые профили прямого пучка на линиях CuKa, CuK
ia, i, ia/i
- i
- ia
1
0,1
0,01
-0,02
-0,01
0,00
2, degr
0,01
0,02
Общий вид измерительной схемы
рентгеновский
излучатель
Оптический стол
коллиматор
Образец
Диск 100 мм
гониометр
Моторизованные
Х-У подвижки образца
приемная щель
Полупроводниковый
спектрометр
Расщепитель
пучка
Сцинтилляционный
детектор
Объекты: a – бислойные слабо возмущенные структуры на
основе Si, b - дискретные пленочные структуры Si-Ta2O5
SiOx
{Yk }   w( i )[ f calc ( i ,{Yk })  f exp ( i )] 2
i
a-Si
Si
I R ( , l1 )
qR ( f ) ( , l1 )  (1  q) R ( s ) ( , l1 )
 Cp
I R ( , l2 )
qR ( f ) ( , l2 )  (1  q) R ( s ) ( , l2 )
Относительная рефлектометрия
“проявление скрытого контраста”
8
6
10
Ia, I, pps
10
F Si(100)+oxide
E=40 keV
7
+
F
Si(100)+oxide (42,5 nm)
E=40 keV,
15
2
D=9,25 10 ion/cm
5
+
Ra /R
oxide
6
d=6 nm
3
=1,7 g/cm
1=0,59 nm  =0,41 nm
2
d=41,4 nm
3
=2,29 g/cm
a-Si
5
4
10
1
3
4
10
3=0,40 nm
Si
2
2
10
3
1
10
2
0
10
1
-1
10
0,5
1,0
1,5
2, degr
2,0
2,5
3,0
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
2, degr
Угловые зависимости интенсивности отражения на линиях
0,154 нм (1) и 0,139 нм (2); имплантация ионов F+ через SiOx
(E=40 кэВ, D=9,25 1015 ион/см2)
1 nm
2=0,3 nm
Изображение границы раздела a-Si-Si
Угловые зависимости коэффициента отражения R(l1) (a)
и отношения R(l1) / R(l2) (b) для дискретной структуры Si-Ta2O5/Si
1
0,1
a
I / IO
b
Ta2O5
Ra/R
2
10
1
1. CuKa (0,154 nm)
0,01
Si
2. CuK (0,139 nm)
1E-3
2
1E-4
1
1E-5
1
1E-6
0,5
1,0
1,5
2, degr
2,0
2,5
3,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
2, degr
Параметры структуры
d=15,8 нм, 1=0,50 нм, 2= 0,45 нм, (Ta2O5)=8,4 г/см3, q=0,14
3,0
Angle dependencies of reflectivity R(2) for multilayer
nanostructure Mo-Si/Si
(N=20, d=6,9 nm, g=0,38)
R(CuKa)
1
5
0,1
10
0,01
Ra /R
4
Mo-Si/Si
10
1E-3
3
10
1E-4
2
10
1E-5
1
10
1E-6
0
2
4
6
8
10
2, degr
12
0
10
-1
10
-2
10
R(CuKa)
1
-3
10
0,1
-4
10
0
0,01
2
4
6
2, degr
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6
0
2
2, degr
8
10
12
Relative reflectometry of thin oxide layers.
Density sensitivity
Ra/R
5,0
NiO2-Ni structure
d=3 nm, 12=0,5 nm
(Ni)=8,902 g/cm3
NiO2/Ni
4,5
4,0
3,5
4 g/cm
3
3,0
2,5
5,5 g/cm
3 g/cm
2,0
1,5
7,45 g/cm
3
3
3
1,0
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
, degr
Calculated angle dependences of relative reflectivity R(CuKa)R(CuK)
from NiO2-Ni structure for different oxide density.
Relative reflectometry of thin oxide layers.
Experimental results for Ni oxide
Ia/I
NiO2-Ni structure
d=3,2 nm, 12=0,5 nm
(NiOx)=5,5 g/cm3
x=1,9
Tabulated density
(Ni)=8,902 g/cm3
5
2
4
1. Ni/Si
2. NOx-Ni/Si
3
2
1
1
2,deg
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Experimental angle dependences of relative reflectivity R(CuKa)R(CuK)
from NiOx-Ni structure: 1 calculation for the clean Ni substrate, 2 - experiment
Relative reflectometry of thin oxide layers.
Experimental results for GaAs oxide
6
5
GaAs monocrystal
density=5.316 г/см3
n(1,54A) 1 - 1,459E-5 - i4,37E-7
/ 0.02995
n(1,39A) 1 - 1,173E-5 - i2,94E-7
/ =0.0251
c(1,54A)=0,310 град
Ra / R
GaOxAsOy-GaAs
3
=3,3 g/cm
4
3
t=3,1 nm
x+y=2
2
=0,45 nm
2
1
1
2, degr
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Experimental angle dependences of relative reflectivity R(CuKa)R(CuK)
from GaxAsy- GaAs structure: 1 – simulation for the clean substrate,
2 - experiment
Transmission electron microscopy and X-ray
reflectometry of QD multilayers
20 nm
10 nm
X-Ray Reflectometry of Ge QD multilayer
K20
1
d=11,8 nm
o=0,4 nm
Ia/I
I/Io
0,1
10
0,01
1E-3
1
1E-4
1E-5
0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
-1
Qz, A
Normalized intensity versus modulus
of scattering vector Qz=4sin()/l
0,0
0,5
1,0
2, degr
1,5
2,0
Angle dependence of the reflected intensity
ratio for spectral lines l1=1,54 A and l2=1,39 A
Перспективы R&D в области рентгеновской
рефлектометрии
Системы мэппирования (ограниченная площадь)
Карта поверхности алмазной призмы
Интерферометр Zygo Corp
Проблемы: ограниченное поле обзора ~1 см
неопределенность величины n в тонких пленках
сложность обработки изображений многослойных структур
Эллипсометрические мэпперы
M-2000 model J. A. Woollam Co.
X-Ray Reflectometry Mapping Scheme
(top view)
detectors
monochromators
irradiation zone
collimating
slits
X-ray source
sample
scan directions
Перспективы R&D в области рентгеновской
рефлектометрии
Компактные настольные системы
X-ray source
absorber
spectrometer
sample
Общие требования
Тип фокуса – линейный, проекция фокуса 10-30 мкм
Энергетический диапазон: L-series, K-series lines
Энергодисперсионная рефлектометрия с
использованием призменной оптики
DE(CuK)=97 eV
CuKa
CuK
2
d N/ddE, a.u.
1000
100
5000
10000
20000
E, eV
40000
Influence of the refracting face size
Interference pattern. Energy resolution
1
I, a.u
2,8
1
de/l=5x10
3
1. q=1
2. q=2
3. q=4
4. q=8
0,1
log(Io/It)
I, a.u.
2,6
2
3
3
0,01
2,4
4
2
1E-3
1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
, mrad
0,2
0,4
0,6
1
0,8
2,2
11900
12000
12100 E, eV
1- Be prism
2 – diamond prism
3 – As2S3 (XAFS database)
0,5
Heat transfer in a diamond prism
at liquid nitrogen temperature (80 K)
XFEL harmonics selection by a diamond prism
, angle sec
800
H1 E1=12 keV
H3 E3=36 keV
H5 E5=60 keV
A, m
1000
700
600
500
100
400
300
10
200
100
1
0
175
176
177
178
apex angle, degr
179
180
175
176
177
178
apex angle, degr
179
180
Энергодисперсионная схема для исследования кинетики
процессов в слоистых структурах
Fast Reflectometry
absorber
camera
bending
magnet
X-ray mirrors
linear
detector
wave guide
sample
Radiation stimulated
degradation processes
in mirrors
substrate
substrate
prism
Heat and light
stimulated processes of
diffusion and phase
transitions in thin films
What is more
interesting?
Заключение
Основные задачи и перспективы
Данные рентгеновской рефлектометрии достоверны, если
результаты решения обратной задачи совпадают по данным,
измеренным по меньшей мере на двух спектральных линиях
Перспективы развития:
• Многоволновая рефлектометрия
• Разработка компактных аналитических систем и мэпперов
• Разработка быстрых энергодисперсионных рефлектометров
(Fast Reflectometers) для исследования кинетики процессов
на поверхности и в тонких пленках
Спасибо за внимание