Přednáška 9
Metody měření depoziční rychlosti Měření parametrů plazmatu.
Depoziční rychlost ●
Jak měřit tloušťku vrstvy?
●
Kdy měřit? ●
přímo během růstu (insitu)
●
po vytvoření vrstvy po vyndání z komory
Insitu měření tloušťky vrstev ●
●
●
●
obvykle nepřímé měření založené na změně nějakého parametru povlaku v závislosti na jeho tloušťce pro optické vrstvy se obvykle kontroluje některý z optických parametrů závislých na tloušťce existuje i insitu AFM a STM – pro výzkumné aplikace lze použít i SEM – rozdíl v polohách rovin zaostření
Krystalový měřič ● ●
●
QCM - Quartz crystal microbalance měříme hmotnost materiálu deponovaného na senzor – pro tlouštíku nutný přepočet přes hustotu využívá změny frekvence křemenného rezonátoru. Rezonátor osciluje na dané vlastní frekvenci, která se mění díky malým přírůstkům či úbytkům hmotnosti.
QCM ●
Metoda měření QCM může být použita ve vakuu, v plynném prostředí a také i v kapalném prostředí – i jako část biosenzoru.
Krystal ●
●
Vrstva se deponuje na stranu křemenného výbrusu zapojeného do oscilačního obvodu obvykle 1 až 30 MHz podle typu Křemenný výbrus je přesně vybroušená destička krystalu křemene, opatřená na protilehlých stranách elektrodami.
Teorie funkce - Sauerbreyova rovnice ●
●
pozorované změna frekvence oscilací je dána rovnicí Df = -Cf * Dm, kde Cf je citlivostní faktor – ●
●
např. 56.6 Hz mg-1 cm2 pro 5Mhz AT-cut krystal
Dm je změna hmotnosti na 1 plochu v g/cm
2
Tloušťka vrstvy ●
●
●
●
Sauerbreyova rovnice je často používána pro tenké vrstvy vytvořené ve vakuu. Vrstva se předpokládá tuhá, homogenní a pak je Cf dáno jen vlastnostmi krystalu a tloušťka vrstvy je pak Tf = Dm / rf , kde vstupuje hustota povlaku. pokud povlak nebude tuhá vrstva – tak Cf nebude zcela přesně konstanta
Absorbce světla ●
např. pomocí IČ spektroskopie, elipsometrie
Elipsometrie ●
●
●
měření optických vlastností – úhlů změny polarizace světla při průchodu povlakem výsledek se porovná s výpočtem modelu, kde jedním z parametrů je tloušťka vrstvy lze i multivrstevné struktury, ale roste složitost modelu
Elipsometrie ●
●
●
měříme změnu polarizace světla při průchodu materiálem a pomocí matematického modelu z toho určíme změny fyzikálních parametrů obvyklé uspořádání na odraz, principiálně lze měřit i na průchod lze měřit na jedné vlnové délce nebo na více podle typu přístroje
Insitu elipsometrie
http://www.jawoollam.com/faq.html
Měření po depozici vrstev ●
Kde měřit? ●
●
1 . na připraveném místě – obvykle mechanická maska 2. na libovolném místě bez přípravy
1. Měření tloušťky s maskou ●
Idea: Část substrátu před depozicí zakryjeme. ● ●
lze použít kontaktní masku (část držáku) nebo podobně jako u litografie např. smývatelnou vrstvu – někdy funguje dobře i jednoduchá čárka fixem – vrstva tam nepřilne a odloupne se
Co získáme ●
tloušťku zjistíme jako rozdíl výšek po odstranění masky
MASKA
Vrstva
Substrát
Jak měřit ●
kontaktně - mechanicky – profilometr
●
bezkontaktně - opticky ●
laserový profilometr
●
laserový a světelný interferometr
●
konfokální mikroskop (není součástí přednášky)
Mechanický profilometr ● ●
použitelný prakticky na všechny materiály nevyžaduje žádné optické nebo magnetické vlastnosti Ostrý hrot – radius cca 2 mm
– pevně nastavený přítlak
Vrstva
Substrát
Ambios XP-2 ●
●
Poloměr hrotu cca 2mm, přítlak 0.05 mg – 10 mg – síla se neměří (není to AFM) Vertical Resolution: 1 Å at 10μm, 10 Å at 100μm
●
Lateral Resolution: 100nm
●
Vertical Range: 100um max.
●
Step Height Repeatability: 10Å on 1um step
●
tlouštka vzorků pod cca 30 mm – omezení na tvar vzorku
Ambios XP-2 ●
vzorek, stolek, kamera, LED osvětlení a hrot
●
ff
Hodnotit lze STANDARD ANALYTICAL SOFTWARE Roughness Parameters: Ra, Rq, Rp, Rv, Rt, Rz Waviness Parameters: Wa, Wq, Wp, Wv, Wt, Wz Step Height Parameters: Avg. Step Ht., Avg. Ht., Max. Peak, Max. Valley, Peak to Valley Geometry Parameters: Area, Slope, Radius, Perimeter Other Parameters: Stress analysis, height histogram, skewness, profile subtraction
Laserový profilometr ● ●
laserový dálkoměr s posunem vzorku problém – vrstva i substrát musí odrážet použité světlo – často nutné pokovení
●
používán v minulosti
●
lze hodnotit shodné parametry
Dálkoměr
Laserový a světelný interferometr ●
mapování 3D tvaru povrchu – tedy mnohem více než jen tloušťka povlaku (
Měření na obecném místě ●
●
pro specifické aplikace – lakovny a tlusté vrstvy existují jednoduché měřící přístroje obecně je měření problematické, stejně jako insitu je potřeba měřit nepřímo
Specifické aplikace ●
●
lak, nemag. pokov, atd. na feromagnetickém podkladu - používá permanentní magnet např. PosiTest model G rozsah 0 až 200 mm přesnost ±1 µm do 20 µm, ±5 % nad 20 µm
Vyhodnocování změny přídržné síly permanentního magnetu v závislosti na tloušťce naneseného povlaku.
Specifické aplikace ●
●
●
Magnetoinduktivní metoda - použitelná na feromagnetických podkladech, tedy zejména na železných kovech. Povlaková vrstva musí být neferomagnetická. Představuje nejčastější obor využití této techniky. Metoda vířivých proudů - použitelná na neferomagnetických, avšak vodivých podkladech. Typickým příkladem jsou barevné kovy. Povlaková vrstva musí být nevodivá. Ultrazvuková metoda - nejuniverzálnější, použitelná prakticky na všech druzích podkladu včetně skla, plastů, betonu, dřeva apod. Vzhledem k vyšší ceně ve srovnání s přístroji pracujícími na jednom z výše uvedených principů se většinou využívá právě v oblastech, kde není možné měření provést jednou z těchto metod.
Specifické aplikace ●
●
●
nevýhodou je často měřitelná nejmenší tlouštíka např. 10 mm – vhodné pro průmyslové aplikace jako jsou lakovny a galvanické linky (jen některé materiály a kombinace) PosiTector 200 k nedestruktivnímu měření tlouštěk povlaků na betonu, dřevě, plastu, skle, keramice a dalších podkladech Minimální tloušťka vrstvy: ●
od 13 µm - ± (2 µm + 3% z hodnoty)
Specifické aplikace – pozlacení a galvanické povlaky ●
●
vhodná metoda je XRF (rentgenovská fluorescence) XRF je primárně technika na určení prvkového složení, ale s vhodným počítačovým modelem lze také z naměřených dat spočítat tlouštku
provedení do ruky pro rychlé určení složení materiálu nevidí prvky lehčí než hliník !! http://www.matrixmetrologies.com/id2.html
Příklad SFT-110 ●
50nm Au plating thickness can be measured precisely in 10 seconds
http://www.siint.com/en/products/xrf/SFT-110.html
Elipsometrie ●
●
stejně jako insitu, lze měřit i po vyjmutí vrstev z komory výsledek modelu bývá ● ●
●
tloušťka vrstvy drsnost vrstvy – velmi drsné vrstvy lze obtížně měřit – rozptyl světla na nerovnostech optické funkce n, k
Příklad ●
existuje mnoho výrobců a modelů a provedení
Příklad
Příklad ●
lze pohybovat vzorkem a získat mapy
Měření charakteristik plazmatu ●
neutrály – základní stav a excitované stavy, teploty
●
ionty – stupeň ionizace, excitace, teploty
●
radikály – neutrální částice
●
fotony – vlnová délka a množství
●
elektrony
●
některé parametry lze měřit přímo, jiné nutno spočítat podle předpokládaných podmínek ve výboji, mnoho parametrů je vzájemně propojeno
Přehled měřících metod ●
dále uvedené metody budou popsány pouze velice jednoduše, protože detailní popis vyžaduje znalosti z teorie fyziky plazmatu
Fotony ●
Optická emisní spektroskopie ● ●
●
měříme fotony vylétávající z plazmového výboje lze dopočítat koncentrace částic v jednotlivých stavech a stupeň ionizace (Sahova rovnice) lze určit tlak plynu – přibližně z rozšíření čar ve spektru
Optická emisní spektroskopie
http://www.nip.upd.edu.ph/plasma/SPECWRKSHP.pdf
Model
Elektrony a ionty ●
Langmuirova sonda
●
Hmotnostní spektrometrie
●
Self Excited Electron Plasma Resonance Spectroscopy (SEERS)
Langmuirova sonda ●
viz dříve – vložený vodič do výboje
Měřené parametry ●
V místě sondy měříme: (sondou lze často pohybovat – mapovat plazma v 1D) ●
Plovoucí potenciál
●
Plazmový potenciál
●
Hustota elektronů
●
Hustota iontů
●
Teplota elektronů (kTe)
●
Distribuční funkce elektronů podle energie (EEDF)
Příklad ●
existují ●
single sondy (asymetrické)
●
symetrické sondy
Příklad pro RF plazma
30 28
Vp
26
9
7x10
9
6x10
9
5x10
9
4x10
9
3x10
9
2x10
9
1x10
9
Ne
22 20
Vf
18
-3
Density (cm )
Potential (V)
24
8x10
-Vf
16 14 12 10 0
10
20
30
40
50
60
RF Power (W)
70
80
90
Ni
100
0
10
20
30
40
50
60
70
RF Power (W)
http://rrp.infim.ro/2005_57_1/Aflori.pdf
80
90
100
SEERS ●
sonda připojená do úrovně vnitřní stěny systému
Special sensor in a coaxial geometry (50 Ohm) inserted into the wall (flange) of the recipient as a virtual part of the wall and does not influence plasma. Calibration depending on the sensor position is not necessary.
SEERS
SEERS ●
sledování stability procesů v polovodičovém průmyslu
http://www.plasmetrex.com/dl/ref/applications/2002/steinbach_issm.pdf
L.P. a SEERS obě metody umí měřit množství elektronů
●
10
10
1x10
1x10
9
9x10
9
9
8x10
9x10
9
L.P. IV
9
6x10
-3
9
7x10
Electron Density (cm )
-3
Electron Density (cm )
8x10
SEERS
9
5x10
9
4x10
9
3x10
L.P. EEDF
9
2x10
9
9
7x10
9
6x10
9
5x10
SEERS better ground
9
4x10
SEERS
9
3x10
9
2x10
L.P. EEDF
9
1x10
1x10
0
L.P. IV
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
RF Power (W)
40mTorr argon RF plasma discharge
0
10
20
30 40
50 60
70
80
90 100 110 120 130 140 150
RF Power (W)
40mTorr oxygen RF plasma discharge
Hmotnostní spektrometr ●
Residual Gas Analyser (RGA)
●
Plazma monitor (s energiovým rozdělením)
RGA ●
např. Prisma ● ●
●
●
m/q 1 až 300 amu (podle verze) zdroj elektronů s řiditelnou energií a proudem – typicky 70 eV
obvykle výsledkem měření množství iontů jednotlivých hmotností – čistota pozadí procesu z toho lze spočítat počet neutrální částic
Separace iontů podle m/q ●
dnes nejčastěji kvadrupol - Wolfgang Paul – Nobelova cena 1989
●
jen ionty s nastaveným m/q mohou projít
●
na tyčích je vysoké napětí s vysokou frekvencí
●
ovládací SW řeší pohybové rovnice v RF poli
http://www.chm.bris.ac.uk/ms/theory/quad-massspec.html
Jak analyzovat přímo ionty ● ●
●
●
stačí vypnou zdroj elektronů v RGA? Nestačí, musíme ještě upravit iontovou optiku – přidat extrakční optiku pro ionty a také nějak vyřešit problém existence iontů s různou energií vložíme ještě energiový filtr – např. elektrostatický filtr
Elektrostatický filtr ●
dráha letu je funkcí rychlosti ne hmotnosti
r
2mEc qB
Plazma monitor ●
např. Hiden EQP ●
m/q 1 až 500 amu
●
enegie iontů do 1000 eV
●
RGA, kladné i záporné ionty
Příklady měření vytváření povlaků CN rozprašování uhlíkového terče ve výboji v dusíku, při jedné energii iontů
Intensity (counts/s)
●
10
6
10
5
10
+
N2 N
C 10
10
2
10
1
10
0
CN
+
15
14
N N
+
(CN)2
+
4
3
+
+
C2
H2O
+
H 2+ N
0
10
+
+
+
C2N + + C3N N4 + O2 + C4N
+
(C2N)2
C5N
20
30
40
50
60
70
m/q (amu)
+
80
90
100
110
120
Vliv tlaku a výkonu – DC magnetron 10
7
10
6
10
5
10
4
IM=1A
10 10 10
7
10
Plasma potential
10
Pressure p(N2)= 0.15Pa 0.3Pa 0.5Pa 1.0Pa 3.0Pa
3
2
p(N2)=0.5Pa +
6
ion N2 distance 100mm
1965W
1242W
5
10
570W
Current IM= 0.1A 0.5A 1.0A 2.0A 3.0A
4
Intensity [counts]
Intensity [counts]
+
Ion N2 Power 600±30W distance 100mm
10
273.5W 3
10
2
10
50.5W
1 1
10
10
0
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Total energy [eV]
5
10
15
20
0
10
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Total energy [eV]
5
10
15
20
Vliv tlaku a výkonu – RF magnetron 10
6
10
5
Prf=600W
10
+
10
4
10
2
10
1
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
+
N
+
p(N2)=1Pa PRF=600W distance 100mm
+
C2
5
+
+
N2
Pressure p(N2)= 0.15Pa 0.3Pa 0.5Pa 1.0Pa 3.0Pa
3
C
CN
100
Intensity [counts]
Intensity [counts]
10
Ion N2 distance 100mm
6
10
C2N
4
+
+
N3
+
(CN)2 10
3
10
2
10
1
0
5
10
15
Total energy [eV]
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Total energy [eV]
1
Normalized intensity [1]
10
p(N2)=0.5Pa Distance 100mm
Power Prf= 600W 2170W 0.1
0
10
20
30
40
50
60
Total energy [eV]
70
80
90
100
Příklady IED pro obloukový výboj Ar+ ions in TiN RLVIP process celkový tlak 1.5 x 10-3 mbar Ionty lze urychlit přidáním předpětí na substrát
Příklady měření energie iontů dopadajících na RF napájenou elektrodu v Ar/N2 plazmatu 6000
200
ArH
+
N2 5000
-80 V
4000
3000 +
N
2000 +
Ar
1000
0 0
50
100
Ion Energy (eV)
150
+
bias -300V
150
Intensity (counts/s)
Intensity (counts/s)
●
200
bias -150V 100
50
0 0
50
100
150
200
250
Ion Energy (ev)
300
350
400
Literatura ●
http://www.qtest.cz/
●
http://www.masscal.com/library/QCMreview.pdf
●
●
http://www.qtest.cz/tloustkomerypovlaku/tloustkomery-povlaku.htm
