Film kalınlığını ölçmenin beş yolu ve her birinin size gerçekte ne söylediği

“Bu film ne kadar kalın?” tek cevabı olan bir soru gibi görünür. Temiz odada en az beş cevabı vardır, çünkü hiçbir cihaz kalınlığı doğrudan okumaz. Her biri farklı bir sinyali ölçer (eklenen kütle, bir basamağın yüksekliği, polarizasyondaki değişim, bir girişim deseni ya da kesilmiş bir kenarın görüntüsü) ve bunu kendi varsayımlarıyla nanometreye çevirir.

Bu rehber bu cihazları kullanan ya da yakında kullanacak lisans ve lisansüstü öğrenciler için. Her yöntem için: gerçekte neyi ölçtüğü, arkasındaki denklem, kendiniz kontrol edebileceğiniz bir sayı ve en sık bozulan varsayım.

1. Kuvars kristal monitörü (QCM): hiç dokunmadığınız bir filmi tartmak

Buharlaştırma ya da sputtering sırasında wafer’ın yanında ince bir kuvars kristali, çoğunlukla 6 MHz civarındaki rezonans frekansında titreşir. Üzerine malzeme biriktikçe frekans düşer. Sauerbrey bağıntısı bu düşüşü birim alandaki kütleye çevirir:

Δf = −C_f · Δm / A

Film yoğunluğuna bölmek kalınlığı verir: t = (Δm / A) / ρ.

Kendiniz kontrol edin. 6 MHz’lik bir kristal için C_f ≈ 81,5 Hz / (µg/cm²). Bir nanometre alüminyum (2,70 g/cm³) 0,27 µg/cm² eder, yaklaşık 22 Hz. Bir nanometre altın (19,3 g/cm³) yaklaşık 157 Hz’dir.

Ne bozulur:

• Yoğunluk. İnce filmler çoğu zaman bulk değerden daha az yoğundur. Yoğunluğu %8 fazla girerseniz monitör kalınlığı %8 eksik okur.
• Geometri. Kristal ve wafer buhar bulutunun farklı yerlerinde durur, bu yüzden farklı miktarda malzeme toplar. Bunu tooling factor düzeltir.
• Ağır yükleme. Sauerbrey ince, rijit ve düzgün bir katman varsayar; kalın filmlerde Z-ratio düzeltmesi kullanılır.

Laboratuvar tarifi. Kenarı maskelenmiş bir referans film biriktirin, basamağı profilometreyle ölçün, sonra yeni tooling = eski tooling × gerçek kalınlık / monitör kalınlığı yapın. Monitör 100 nm, profilometre 85 nm diyorsa tooling %100’den %85’e iner.

2. Stylus profilometre: basamak üzerinde bir elmas

Elmas bir uç küçük bir kuvvetle yüzeyde sürüklenir ve düşey sapması kaydedilir. Kalınlık, filmden altlığa inen bir basamağın yüksekliğidir; yani bir basamağa ihtiyacınız var: maskelenmiş bir kenar, bir lift-off çizgisi ya da aşındırılmış bir pencere.

Düşey hassasiyet mükemmeldir: NIST birkaç nanometrelik basamakları ångström düzeyinde belirsizlikle kalibre eder. Yanal çözünürlük ise başka bir konudur, çünkü yuvarlak bir uç dar ve derin bir trench’i takip edemez. Yarıçapı R olan bir uç, derinliği h olan bir trench’in tabanına ancak trench şu genişlikten genişse ulaşır:

w_min = 2 · √(2Rh − h²)

Kendiniz kontrol edin. 0,5 µm derinliğinde bir trench için 2 µm’lik uç yaklaşık 2,6 µm genişlik ister; 12,5 µm’lik uç yaklaşık 7 µm ister. 5 µm’lik bir trench’te kör uç 0,25 µm’de durur ve gerçek derinliğin yarısını raporlar.

Ne bozulur:

• Leveling. 1 mm’lik taramada 1 mrad eğim 1 µm ekler. Baseline’ı basamağın iki yanındaki düz bölgelere fit edin.
• Referans seviye. Altlığa doğru fazla aşındırma “film”e eklenir; filmin altındaki kalıntı ondan düşülür.
• Yumuşak filmler. Resist ve polimerler çizilebilir: kuvveti düşürün ya da optik bir yöntem kullanın.

3. Spektroskopik elipsometri: polarizasyondan kalınlık

Polarize ışık numuneye dik olmayan, çoğunlukla 70° civarı bir açıyla gelir. Yansıma lineer polarizasyonu eliptik hale getirir ve cihaz bu değişimi birçok dalga boyunda iki açı olarak, Ψ ve Δ, kaydeder:

r_p / r_s = tan Ψ · e^(iΔ)

Ψ ve Δ kalınlık değildir. Kalınlık, hesaplanan eğriler ölçülenlerle örtüşene kadar bir katman modelinin fit edilmesiyle (altlık, film kalınlığı, optik sabitler) elde edilir. İyi bir fit, modelin veriyle tutarlı olduğunu gösterir; tek olası cevap olduğunu değil.

Kendiniz kontrol edin. 632,8 nm ve 70°’de silisyum üzerindeki SiO₂ için Ψ ve Δ her λ / (2√(n² − sin²θ)) ≈ 284 nm’de bir tekrarlanır. Tek dalga boylu bir ölçüm 100 nm ile 384 nm’yi ayırt edemez. Spektroskopik veri ve birkaç açı bu belirsizliği ortadan kaldırır.

Ne bozulur:

• Modelde eksik bir katman: native oksit, bir ara yüzey katmanı ya da pürüzlülük.
• Çok ince filmler: kalınlık ve kırılma indisi birbirinin yerine geçebilir. n’yi bilinen bir değere sabitleyip yalnızca d’yi fit edin.
• Ölçüm noktası içinde düzgün olmayan filmler.

4. Spektral reflektometri: girişim saçaklarını saymak

Beyaz ışık saydam bir filme dik gelir. Üst yüzeyden ve film–altlık ara yüzeyinden yansıyan ışık girişim yapar, bu yüzden reflektans spektrumu salınır. Salınımların aralığı optik kalınlığı, n·d’yi taşır. λ₁ > λ₂ olan iki komşu maksimum için:

d = λ₁λ₂ / (2n(λ₁ − λ₂))

Kendiniz kontrol edin. 600 nm ve 500 nm’de maksimumları olan SiO₂ (n ≈ 1,46) için d = 600·500 / (2·1,46·100) ≈ 1027 nm. n = 1,50 varsayarsanız 1000 nm bulursunuz: yalnızca kırılma indisinden gelen %2,7’lik bir hata.

Ne bozulur:

• Dalga boyu aralığı boyunca kırılma indisi ve dispersiyonu.
• Çok ince filmler spektrometre penceresinde bir saçaktan az gösterir; fit modele daha çok yaslanır.
• Pürüzlü ya da opak filmler ve kötü bir referans ölçümü.

Güçlü yanı pratikliğidir: temassızdır ve ölçüm noktası taranarak bütün bir wafer haritalanabilir.

5. SEM kesiti: kes ve bak

Numuneyi kırın (cleave), parlatın ya da iyon demetiyle (FIB) aşındırın, sonra açığa çıkan kenarı taramalı elektron mikroskobunda görüntüleyin. Ara yüzeyler dahil bütün katman yığınını doğrudan görürsünüz. Bedeli: yöntem tahribatlıdır ve sonuç yereldir, tek bir numunede tek bir yer. ISO 9220 bu yaklaşımı kaplama kalınlığı için tanımlar.

Kendiniz kontrol edin. Elektron demeti kesit yüzeyine normalinden α açısıyla geliyorsa görüntü düşey mesafeleri cos α kadar kısaltır, yani t_gerçek = t_görüntü / cos α. α = 30°’de 200 nm görünen bir film yaklaşık 231 nm’dir. Tablası 52° eğik bir FIB-SEM’de yüzeye dik aşındırılmış bir kesit için t_görüntü / sin 52°, yaklaşık 1,27 kat gerekir.

Ne bozulur:

• Temsiliyet. Tek bir kesit bütün wafer değildir.
• Kenar. Kırma sünek metalleri sıvayabilir ya da polimerleri yırtabilir; parlatma kenarları yuvarlatabilir.
• Ölçek. Büyütme kalibrasyonu, yalıtkan filmlerin şarj olması ve bulanık bir ara yüzeyin gerçekte nerede olduğuna karar vermek.

Nasıl seçmeli

Bildiğiniz cihazdan değil, numunenizden başlayın.

• Biriktirme hala sürüyor mu? Kuvars kristal monitörü, sonradan kalibre edilmiş.
• Temiz bir basamağı olan opak bir film mi? Stylus profilometre.
• Çok ince bir film mi, optik sabitler de mi gerekiyor? Elipsometri.
• Saydam, pürüzsüz bir film ve wafer haritası mı? Reflektometri.
• Tek bir yapıda bütün yığın mı gerekiyor ve numune feda edilebilir mi? SEM kesiti.

Evrensel bir sıralama yoktur: aralık, hassasiyet ve hız cihaza, malzemeye, kalınlığa ve hazırlığa bağlıdır.

En önemli alışkanlık

Modelden bağımsız bir yöntemi (basamak ya da kesit) modele dayalı bir yöntemle (kristal monitörü ya da optik bir yöntem) eşleştirin. Bir kez kalibre edin, sonra hızlı yöntemi her gün kullanın. İki sonuç uyuşmadığında ortalamasını almayın: her birinin neyi varsaydığını sorun; yoğunluk mu, referans seviye mi, optik model mi, kesitin yeri mi.

Her kalınlık değeri bir ölçüm artı bir modeldir. Hangi modele güvendiğinizi bilin.

Kendiniz deneyin

1. 6 MHz’lik bir monitör alüminyum biriktirirken 440 Hz düşüyor. Kristal üzerindeki kalınlık nedir?
2. Bir polimer film (n = 1,55) 650 nm ve 550 nm’de komşu reflektans minimumları gösteriyor. Kalınlığı nedir?
3. 5 µm yarıçaplı bir uç 1 µm derin ve 5 µm genişliğinde bir trench’i tarıyor. Tabana ulaşır mı?

Cevaplar: (1) 440 / 81,5 ≈ 5,4 µg/cm², yaklaşık 20 nm. (2) 650·550 / (2·1,55·100) ≈ 1153 nm. (3) Hayır: yaklaşık 6 µm genişlik gerekir.