Рентгеновская рефлектометрия тонкопленочных наноструктур

А.Г. ТурьянскийФизический институт им. П.Н. Лебедева РАН

2013

X-Ray Reflectometry of Thin Film Nanostructures

Выражение для показателя преломления в рентгеновском диапазоне частот

ififf

mNen 1)]()([21 02

2

f0 , f– члены, связанные соответственно c томсоновским и аномальным рассеянием; f - мнимая часть, обусловленная фотопоглощением

http://henke.lbl.gov/optical_constants/

Рентгеновская рефлектометрия vs оптическиеметоды анализа слоистых структур

Возможно ли отражение если на границе раздела D0, >0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,01E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

2

1

R

, degr

1. =1E-52. =1E-6

Рентгеновская рефлектометрияОпределяемые параметры

• Толщина слоев• Размытие границ раздела

- шероховатость- диффузионные размытие

• Период слоистых структур• Показатель преломления

- физическая плотность- фаза, относительное содержание элементов

0 5 10 15 20 25-3

-2

-1

0

1

2

2~1 nm

3

2

1

Z (nm)

x (m)

Область доверительных значений атомного фактора рассеяния

(sin)/l, A-1

Atomic form factors of oxygen (blue), chlorine (green), ions: Cl- (magenta), And K+ (red), calculated with the Cromer-Mann parameters.

P. Kuiper data

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 Хенке-Гулликсона [1.4] (пунктир - Henke) и Чантлера [1.2] (сплошная линия - Current), Z -атомный номер Ni, равный 28.

Атомный фактор рассеяния области энергий аномального рассеяния

7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5

16

18

20

22

24

26

28

4

3

NiCu

2

1

f1, e/atom

E, keV

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).

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

spectrometerX-ray source sampleabsorber

4000 8000 12000 16000 20000

1E-4

1E-3

0,01Cr(20 nm) / SiO2

R

E, eV

Статическая схема с переменными углами скольжения

Yokhin, Boris (Nazareth Illit, IL) Dikopoltsev, Alexander (Haifa, IL) Rafaeli, Tzachi (Givat Shimshit, IL) Gvirtzman, Amos (Moshav Zippori, IL)

US Patent 2005

Режим работы: непрерывный или импульсный

l - const, - переменная

Калибровочная проблема рентгеновской рефлектометрииУсловия корректных измерений

Условие подобия: P (x,y,z,l1)/P (x,y,z,l2)=C=const.

Положение 1

),(),(

),(),(

2

1

2

1

ll

ll

RRC

II

R

R

I. Стационарные параметры генерации (U=const, I=const)P (x,y,z,l1), P (x,y,z,l2) не определены

X-ray source

collimator shield slit

detector

monochromator

X-ray source

Collimator slits

shield

slit

ST-monochromators

detectors

Basic kinematic X-ray optical schemes

Standard (single wavelength)

Multiwavelength

Патентованная схема селекции спектральных линий с помощью полупрозрачных монохроматоров

Основные преимущества Параллельные измерения нагруппе спектральных линий Сравнительные измерения в поляризованном и неполяризо-ванном излучении Возможность определения элементного состава по спектрамрентгеновской флуоресценции

l1

l2

l3

Угловые профили прямого пучка на линиях CuKa, CuK

-0,02 -0,01 0,00 0,01 0,02

0,01

0,1

1- ia- iia, i, ia/i

2, degr

Общий вид измерительной схемы

Оптический стол

приемная щельОбразец

Диск 100 мм

гониометр

рентгеновскийизлучатель

Сцинтилляционный детектор

коллиматорРасщепитель

пучка

Полупроводниковыйспектрометр

МоторизованныеХ-У подвижки образца

Объекты: a – бислойные слабо возмущенные структуры на основе Si, b - дискретные пленочные структуры Si-Ta2O5

a-Si

SiOx

Si

),()1(),(),()1(),(

),(),(

2)(

2)(

1)(

1)(

2

1

llll

ll

sf

sf

pR

R

RqqRRqqR

CII

2exp )](}){,()[(}{ ii

kicalc

ik fYfwY

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)

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,010-1

100

101

102

103

104

105

106F+ Si(100)+oxide (42,5 nm)E=40 keV, D=9,25 1015 ion/cm2

2

1

Ia, I, pps

2, degr

0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50

1

2

3

4

5

6

7

8

d=41,4 nm=2,29 g/cm3

3=0,40 nm

2=0,41 nm

d=6 nm=1,7 g/cm3

1=0,59 nmoxidea-Si

Si

F+ Si(100)+oxideE=40 keV

Ra /R

2, degr

Относительная рефлектометрия“проявление скрытого контраста”

Изображение границы раздела a-Si-Si

1 nm 2=0,3 nm

Угловые зависимости коэффициента отражения R(l1) (a) и отношения R(l1) / R(l2) (b) для дискретной структуры Si-Ta2O5/Si

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

1

2

2 1

I / IO

2. CuK (0,139 nm)

1. CuKa (0,154 nm)

2, degr0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

1

10

Ta2O5

Si

Ra/R

2, degr

a b

Параметры структурыd=15,8 нм, 1=0,50 нм, 2= 0,45 нм, (Ta2O5)=8,4 г/см3, q=0,14

Angle dependencies of reflectivity R(2) for multilayer nanostructure Mo-Si/Si

(N=20, d=6,9 nm, g=0,38)

0 2 4 6 8 10 1210-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

Ra /R Mo-Si/Si

2, degr

0 2 4 6 8 10 12

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1R(CuKa)

2, degr

0 2

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1R(CuKa)

2, degr

Relative reflectometry of thin oxide layers.Density sensitivity

NiO2-Ni structured=3 nm, 12=0,5 nm(Ni)=8,902 g/cm3

Calculated angle dependences of relative reflectivity R(CuKa)R(CuK)from NiO2-Ni structure for different oxide density.

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

Ra/R

3 g/cm3

NiO2/Ni

7,45 g/cm3

5,5 g/cm3

4 g/cm3

, degr

Relative reflectometry of thin oxide layers.Experimental results for Ni oxide

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

1

2

3

4

5

1. Ni/Si2. NO

x-Ni/Si

2

1

2,deg

Ia/I NiO2-Ni structured=3,2 nm, 12=0,5 nm (NiOx)=5,5 g/cm3

x=1,9Tabulated density(Ni)=8,902 g/cm3

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

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

1

2

3

4

5

6

2

1

Ra / R

GaOxAsO

y-GaAs

=3,3 g/cm3

t=3,1 nm x+y=2

2, degr

Experimental angle dependences of relative reflectivity R(CuKa)R(CuK)from GaxAsy- GaAs structure: 1 – simulation for the clean substrate,

2 - experiment

GaAs monocrystaldensity=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

=0,45 nm

Transmission electron microscopy and X-ray reflectometry of QD multilayers

10 nm

20 nm

X-Ray Reflectometry of Ge QD multilayer

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

Qz, A-1

I/Io

K20

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

0,1

1

10

2, degr

Ia/I

Normalized intensity versus modulusof scattering vector Qz=4sin()/l

Angle dependence of the reflected intensityratio for spectral lines l1=1,54 A and l2=1,39 A

d=11,8 nmo=0,4 nm

Перспективы R&D в области рентгеновской рефлектометрии

Системы мэппирования (ограниченная площадь)

Карта поверхности алмазной призмыИнтерферометр Zygo Corp

Проблемы: ограниченное поле обзора ~1 смнеопределенность величины n в тонких пленкахсложность обработки изображений многослойных структур

Эллипсометрические мэпперы

M-2000 model J. A. Woollam Co.

X-Ray Reflectometry Mapping Scheme(top view)

monochromators

sampleX-ray source

detectors

collimating slits

irradiation zone

scan directions

Перспективы R&D в области рентгеновской рефлектометрии

Компактные настольные системы

spectrometerX-ray source sampleabsorber

Общие требованияТип фокуса – линейный, проекция фокуса 10-30 мкмЭнергетический диапазон: L-series, K-series lines

Энергодисперсионная рефлектометрия с использованием призменной оптики

10000

100

1000

DE(CuK)=97 eV

CuK

CuKa

5000 4000020000

d2 N/dd

E, a

.u.

E, eV

Influence of the refracting face size Interference pattern. Energy resolution

11900 12000 121002,2

2,4

2,6

2,8

3

2

1

I, a.u.1

0,5

log(Io/I

t)

E, eV-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

1E-3

0,01

0,1

1

de/l=5x103

4

1

2

3

1. q=12. q=23. q=44. q=8

I, a.u

, mrad1- Be prism2 – diamond prism

3 – As2S3 (XAFS database)

Heat transfer in a diamond prismat liquid nitrogen temperature (80 K)

XFEL harmonics selection by a diamond prism

175 176 177 178 179 1801

10

100

1000

, angle sec

apex angle, degr175 176 177 178 179 180

0

100

200

300

400

500

600

700

800A, m

apex angle, degr

H1

H3

H5

E1=12 keVE3=36 keVE5=60 keV

Энергодисперсионная схема для исследования кинетики процессов в слоистых структурах

Fast Reflectometry

prism

bending magnet

sample

absorber

lineardetector

camera

substrate

X-ray mirrors

Heat and lightstimulated processes of

diffusion and phase transitions in thin films

substrate

Radiation stimulateddegradation processes

in mirrors

What is more interesting?

wave guide

ЗаключениеОсновные задачи и перспективы

Данные рентгеновской рефлектометрии достоверны, еслирезультаты 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 процессовна поверхности и в тонких пленках

Спасибо за внимание