Измерение толщины и профилометрия

Измерение толщины тонких пленок является одной из ключевых задач в физике поверхности и тонких пленок. Точная оценка толщины и анализ профильных характеристик поверхности позволяют контролировать качество, свойства и функциональность пленок, применяемых в микроэлектронике, оптике, катализе и других областях. В данной главе рассмотрены наиболее распространённые методы измерения толщины пленок и методики профилометрии, применяемые для анализа топографии поверхности.

1. Физические основы измерения толщины тонких пленок

Толщина тонкой пленки — это расстояние между верхней и нижней гранями слоя, нанесенного на подложку. Для тонких пленок толщиной от нескольких ангстрем до нескольких микрометров применяют методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения, электронов, ионов или механическом контакте с поверхностью.

Измерения можно разделить на две группы:

Оптические методы — основаны на интерференции, отражении и поглощении света;
Контактные методы — профилометрия, основанная на механическом сканировании;
Электронные и ионные методы — используют рассеяние и взаимодействие частиц с материалом.

2. Оптические методы измерения толщины пленок

2.1 Интерференционные методы

При падении монохроматического света на тонкую пленку происходит частичное отражение на границе воздух–пленка и пленка–подложка. Интерференция отражённых волн зависит от толщины пленки, показателя преломления и длины волны света.

Основная формула интерференции:

2ndcos θ = mλ,

где

n — показатель преломления пленки,
d — толщина пленки,
θ — угол падения света,
λ — длина волны света,
m — порядок интерференционного максимума.

Измеряя спектр отражения или пропускания, можно определить d.

Ключевые особенности:

Позволяет измерять толщины от нескольких нм до нескольких микрометров;
Требует знания показателя преломления пленки;
Неинвазивный, быстродействующий метод.

2.2 Спектроскопическая эллипсометрия

Измеряет изменение поляризации света при отражении от пленки. Позволяет определять одновременно толщину и оптические константы (показатель преломления и коэффициент поглощения).

Основные параметры:

Ψ — угол изменения амплитуды;
Δ — сдвиг фазы.

Измерения проводятся в широком спектральном диапазоне, что даёт точные результаты и возможность моделирования многослойных структур.

3. Профилометрия — методы измерения рельефа и толщины

Профилометрия — техника измерения топографии поверхности с целью определения высоты, шероховатости и толщины слоёв.

3.1 Контактная профилометрия (стилусная)

Метод основан на механическом сканировании поверхности остриём (стилусом) с высоким радиусом кривизны. Стилус медленно перемещается по поверхности, фиксируя вертикальные перемещения.

Диапазон измерения толщины: от нанометров до сотен микрометров;
Высокое разрешение по вертикали — до долей нанометра;
Применяется для оценки толщины пленок, если имеется шаг между покрытой и непокрытой областью.

Преимущества: простота, высокая точность в вертикальном направлении.

Ограничения: возможное повреждение мягких пленок, невозможность измерения сильно неровных поверхностей.

3.2 Бесконтактная профилометрия

Использует оптические методы, например:

Конфокальная микроскопия;
Интерферометрия белого света;
Лазерная доплеровская профилометрия.

Позволяет получать трёхмерные карты поверхности с высоким пространственным разрешением без механического воздействия.

4. Электронные и ионные методы

4.1 Резерфордская обратнорассеяющая спектроскопия (RBS)

Используется для определения толщины плёнок за счёт анализа энергии и количества ионов, рассеянных от атомов пленки. Толщина определяется по ширине энергетического распределения рассеянных частиц.

4.2 Метод вторичной ионной масс-спектрометрии (SIMS)

Позволяет получать профили концентраций элементов по глубине с высокой чувствительностью. Измерение толщины осуществляется путём анализа временных зависимостей сигналов во время ионного травления.

5. Дополнительные методы и приемы измерения толщины

Атомно-силовая микроскопия (AFM): измеряет высотные изменения с атомарным разрешением, подходит для оценки шагов и морфологии тонких пленок;
Капиллярные методы: например, измерение угла смачивания для оценки толщины органических слоёв;
Электрические методы: измерение ёмкости или сопротивления, которые зависят от толщины и свойств пленки.

6. Особенности измерения толщины многослойных структур

В многослойных системах измерение толщины каждой пленки осложняется интерференрованием сигналов и смешением параметров. Для решения этой задачи применяют:

Моделирование спектров с учётом всех слоёв;
Совмещение разных методов (например, эллипсометрии и RBS);
Применение калибровочных образцов.

7. Параметры профилометрии и их значение

Вертикальное разрешение — точность измерения высоты;
Горизонтальное разрешение — минимальный размер детали на поверхности;
Диапазон сканирования — максимальная площадь и глубина измерения;
Шероховатость поверхности — характеризует микронеровности, влияющие на адгезию и оптические свойства.

8. Примеры применения методов измерения толщины и профилометрии

Контроль толщины оксидных слоёв на кремнии в микроэлектронике;
Изучение адсорбированных молекулярных слоёв в органической электронике;
Определение шагов и границ зерен в металлических пленках;
Мониторинг процессов осаждения и травления в технологических процессах.

9. Практические рекомендации

При выборе метода учитывать толщину, тип материала, требования к точности и доступность оборудования;
Для самых тонких пленок (менее 10 нм) предпочтительны оптические методы с высокой чувствительностью;
Для толщин выше 100 нм можно применять профилометрию;
Использование комплексных методов даёт более надёжные результаты.

Детальный анализ и понимание особенностей каждого метода позволяют эффективно проводить исследования в области физики поверхности и тонких плёнок, обеспечивая контроль качества и понимание физических процессов, происходящих на границах раздела.