рентгеновские методы анализа тонких пленок (характеристический рентген, дифракционные методы)

Введение
Исследование тонких пленок требует комплексного подхода, потому что каждый метод в
отдельности дает ответы только на часть вопросов о структуре исследуемых объектов. Только
совокупность теоретических и экспериментальных методов позволяет извлечь наибольший объем
информации из экспериментальных сведений и получить самую полную картину связи свойств и
структуры исследуемых объектов.
Толщина тонких пленок (ТП) определяет их уникальные свойства, благодаря которым они
получили широкое распространение в промышленности.
Целью данной работы является изучение рентгеновских методов анализа тонких пленок.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– рассмотреть рентгеновские методы анализа тонких пленок;
– провести анализ метода дифракции рентгеновских лучей.
Объектом исследования в работе являются пленочные технологии, применяемые в
микроэлектронике, предметом – рентгеновские методы их анализа.
1 Рентгеновские методы анализа тонких пленок
2
Методы in situ позволяют контролировать и измерять характеристики осаждаемых слоев
непосредственно при проведении технологического процесса, благодаря чему они обладают
следующими достоинствами. Во-первых, эти методы дают возможность отслеживать влияние
режимов осаждения на толщину ТП и, соответственно, регулировать их для достижения
необходимого результата [1]. Во-вторых, контроль ограничен по времени длительностью
процесса напыления. В-третьих, такие методы исключают влияние человеческого фактора
(например, случайного повреждения или загрязнения ТП при извлечении из рабочей камеры) на
достоверность результатов измерения. В-четвертых, методы in-situ имеют неразрушающий
характер.
В отличие от методов in situ контроль толщины ex situ может носить как неразрушающий, так и
разрушающий характер. Главным преимуществом первого над вторым является возможность
дальнейшего использования ТП по назначению. Поэтому предпочтение отдается измерениям
неразрушающего характера. Следует иметь в виду, что один и тот же метод для ТП разного типа
может быть как разрушающим, так и неразрушающим.
Рентгеноструктурный анализ – метод исследования строения тел, который использует явление
дифракции рентгеновских лучей, которые рассеяны электронами атомов исследуемого вещества.
Получаемая дифракционная картина зависит от строения объекта и длины волны используемых
рентгеновских лучей. Для изучения атомной структуры нужно излучение с длиной волны порядка
размера атома, т.е. ~1Å. Поэтому для исследований кристаллов нужно рентгеновское излучение с
энергией квантов 10-50 кэВ.
Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ является главным методом определения
структуры кристаллов. Данные методы позволяют исследовать большие области
сегнетоэлектрических пленок и судить об их структуре в целом. Отвечать на вопросы, является ли
конкретный объект поли- или монокристаллическим, а также определять параметр решетки
пленки. В связи с тем, что пленки BST могут иметь как тетрагональную, так и кубическую структуру,
от чего сильно зависят их характеристики, метод рентгеноструктурного анализа представляет
собой важную часть структурных исследований.
Данный метод подходит для исследования массивных образцов, тонких и толстых пленок, но для
ультратонких пленок (толщиной в несколько нанометров) нужны другие методы исследования,
т.к. интенсивность дифракционных максимумов от пленок менее 10 нм слишком мала.
Дифракция быстрых электронов на отражение. В научной литературе встречаются различные
термины, используемые для обозначения этого метода: «дифракция быстрых электронов (ДБЭ)»
[2-4], «дифракция быстрых электронов на отражение (ДБЭО)» [4-7], «дифракция отраженных
быстрых электронов (ДОБЭ)» [8] и «дифракция быстрых отраженных электронов (ДБОЭ)» [9].
Перечисленные названия соответствуют аббревиатуре RHEED (Reflection High Energy Electron
Diffraction), если под ними подразумевают дифракционный метод исследования поверхности
посредством ее облучения быстрыми электронами под скользящими углами. В этих условиях
электроны отражаются от поверхностного слоя, и рассеянные частицы регистрируются с той же
стороны, с которой падает зондирующий пучок [8].
3
Это замечание представляется важным, так как в некоторых литературных источниках термин
«ДБЭ» четко отделен от остальных трех, поскольку подразумевает совершенно другой метод,
основанный на прохождении лучей сквозь исследуемый объект [8, 10].
Метод ДБЭО традиционно применяют в сверхвысоковакуумных установках для выращивания различных структур (особенно полупроводниковых [7]), например, в модулях для
молекулярно-лучевой эпитаксии и импульсного лазерного осаждения PLD (Pulsed Laser Deposition)
[5, 6]. С помощью ДБЭО