Wiederholung: Schichtdicke

Transkript

1 Wiederholung: Schichtdicke Ideal Real d Schicht Substrat d Unzusammenhängend d Rauhigkeit r D d Dickegradienten

2 Wiederholung: Gravimetrie I d = m ρ S A d = Schichtdicke ρ S =Dichte A = Substratfläche Achtung: Die Dichte der Schicht, ρ S, ist meist nicht ident mit der Dichte des Bulkmaterials, ρ D.

3 Wiederholung: Gravimetrie II Methoden der Wägung: Konventionelle Waagen Messgenauigkeit: 0,1 µg = kg E-situ-Methodik Artefaktanfällig (z. B. Oidation) Schwingquarz-Schichtdickenmessung Messgenauigkeit: <0.1ML In-situ-Methodik Muss kalibriert werden

4 Wiederholung: Photometer Arbeitsweise: Refleion Transmission 1 Modulierte Lichtquelle 2 Detektor f. reflektiertes Licht 3 Detektor f. transmittiertes Licht 4 Steuergerät 5 Substrathalter 6 Strahlablenkung

5 Wiederholung: Interferometrie Transmittierte Intensität I t d I, A 0 0 λ δ A 0r A 1r I t = I 0 1+ Fsin Fineness F 4R F = 2 (1 R) I t 1 2πd λ 2 cosδ R...Refleionsvermögen F gross A 0t A 1t F klein d

6 Wiederholung: Interferenzkeil d() d() d() d() D = N λ 2 N

7 Wiederholung: weitere optische Methoden Nomarski-Interferometrie + Nützt Polarisation und Doppelbrechung + Einfach in Lichtmikroskop integrierbar VAMFO (Variable Angle Monochromatic Fringe Observation) + Variation des Einfallswinkels + Gleichzeitige Bestimmung von n und d + In Situ-Methode Ellipsometrie + Variation des Einfallswinkels + Gleichzeitige Bestimmung von n und d + Rauhigkeitsbestimmung + In Situ-Methode

8 Wiederholung: Profilometer Stylus-Profilometer Schicht d h() Substrat d Messprinzip: induktiver Wegaufnehmer. Liefert auch Rauhigkeitsschriebe.

9 Wiederholung: Querschnitte 50 µm Sputterschicht: Querschliff (Lichtmikroskop) Al Sn Sputterschicht: Querschliff (REM) 30 µm T-behandelte Cu-Schicht (TEM)

10 Wiederholung: weitere Methoden Elektrische Messgrössen + Widerstand + Kapazität: Substrat/Schicht/Sensor!Kondensator + Wirbelstrom Magnetismus Weitere Methoden + β-elektronen-rückstreuung + Elektronenstrahlschwächung im TEM + Röntgen-Fluoreszenz (RFA): Qualitätskontrolle (zerstörungsfrei) + Tracer-Methoden

11 Schichtstruktur und Schichteigenschaften Die Schichtstruktur beeinflusst: + Dichte + Mechanische Eigenschaften + Elektrische Eigenschaften + Magnetische Eigenschaften + Elektronische Eigenschaften

12 Anwendungsprofile Je nach Anwendung kann eine bestimmte Schichtstruktur von Vorteil oder von Nachteil sein: + Werkzeug dicht, feinkörnig + Biolog. Material porös, weich + Elektronik dicht, monokristallin + Therm. Barrieren porös, hart

13 Rauhigkeit und Schichtstruktur Die Schichtstruktur ist zu einem guten Teil von der Rauhigkeit der Wachstumsfront in den verschiedenen Wachstumsphasen bestimmt. Für sehr dünne Schichten kommt die Rauhigkeit in die Grössenordnung der Schichtdicke und wird daher wichteiger als die mittlere Schichtdicke. d r D

14 Rauhigkeitstypen I Stochastische Rauhigkeit Solid on Solid (SOS) Modell + Partikel müssen unter sich einen NN haben + Partikel haften, wo sie landen h() h ma a h min

15 Rauhigkeitstypen II Selbstähnliche Oberflächen SOS Modell + Partikel können energetisch günstige Positionen einnehmen (z. B. hohe Koordinationszahl) + Partikelmigration z. B. durch Oberflächendiffusion h() R R' R'' h L L' R=f(L), R''>R'>R L''

16 Rauhigkeitstypen III Ballistische Aggregation Porenbildung + Partikel haften, wo sie landen + Partikel müssen keinen unteren NN haben h()

17 Abschattung Vorgegebenes Anfangsprofil und Einfallswinkelverteilung + Schmale Einfallswinkelverteilung: Spitzen sehen gleichen Partikelfluss wie Täler (a) + Breite Einfallswinkelverteilung: Spitzen sehen grösseren Partikelfluss als Täler (b) n( ϕ) ϕ h() g v n θ v n n( ϕ) ϕ g n( ϕ) v n θ v n n( ϕ) (a) (b)

18 Abschattungsdominiertes Wachstum Spitzen wachsen schneller als Täler + Bildung Kolumnarer Strukturen (a) + Porenbildung in Kombination mit Oberflächendiffusion (b) (a) (b)

19 Rauhigkeitsmessung im Realraum: Prinzip Umwandlung einer kontinuierlichen Funktion in diskrete Höhenwerte durch endliche laterale Auflösung eines Messgerätes. h() h i i L=N Rauhigkeitswerte (vertikal) können von der lateralen Auflösung des Messgerätes abhängen.

20 Rauhigkeitsmessung im Realraum: Geräte + Stylusprofilometer: 1d + Rastertunnelmikroskop, STM: 2d + Rasterkraftmikroskop, AFM: 2d + Opt. Nahfeldmikroskopie, SNOM: 2d

21 Das Rückkopplungsprinzip Beispiel: STM (a) absolute Spitzenposition konstant (b) relative Spitzenposition konstant h() STM-Spitze h() Piezoelement U STM-Spitze Piezo H = const ref d() d()=const I tunnel () Kontakt Spitze/Oberfläche U Piezo () (a) (b)

22 Rückgekoppelte Grössen + STM: Tunnelstrom, d. h. Abstand Spitze/Oberfläche + AFM: Cantilever-Durchbiegung, d. h. Kontaktkraft + SNOM: Lichtintensität, d. h. Abstand Spitze/Oberfläche

23 Rauhigkeitsmessung im Fourierrraum I Streuung von sichtbarem Licht, Röntgenstrahlen oder Teilchen an äusseren und inneren Oberflächen (a) Spekulare Refleion (b) Diffuse Refleion (c) Kombinierts Signal aus (a) und (b)

24 Rauhigkeitsmessung im Fourierrraum II Äussere Oberflächen Innere Oberflächen Licht Elektronen Ionen Röntgenstrahlung Synchrotronstrahlung Vorteile: + Zerstörungsfrei + nicht notwendigerweise vakuumbasiert Nachteil: + Oberflächenprofil nicht eindeutig rekonstruierbar

25 Verlust der Phaseninformation Streuung liefert im wesentlichen das Fourerspektrum einer Oberfläche Verlust der Phaseninformation keine eindeutige Rekonstruierbarkeit des Profils h() h() = N k= 0 Ak sin(k + ϕk ) h() bekannt unbekannt h()=sin()+0.5sin(2)+0.25sin(3) h()=sin()+0.5sin(2+ π/2)+0.25sin(3+ π) A 1=1 ϕ 1=0 A 1=1 ϕ 1=0 A 2=0.5 ϕ 2=0 A 2=0.5 ϕ 2= π/2 A 3=0.25 ϕ 3=0 A 3=0.25 ϕ3= π 0 2π 0 2π