Рентгеновская рефлектометрия тонкопленочных наноструктур X-Ray Reflectometry of Thin Film Nanostructures А.Г. Турьянский Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН 2013 Рентгеновская рефлектометрия vs оптические методы анализа слоистых структур Выражение для показателя преломления в рентгеновском диапазоне частот 2e2 N n 1 2 [ f 0 f ( ) if ( )] 1 i m f0 , f– члены, связанные соответственно c томсоновским и аномальным рассеянием; f мнимая часть, обусловленная фотопоглощением http://henke.lbl.gov/optical_constants/ Возможно ли отражение если на границе раздела D0, >0 1 R 0,1 0,01 1. =1E-5 2. =1E-6 1E-3 1E-4 1 1E-5 1E-6 2 1E-7 1E-8 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 , degr 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Рентгеновская рефлектометрия Определяемые параметры • Толщина слоев • Размытие границ раздела - шероховатость - диффузионные размытие • Период слоистых структур • Показатель преломления - физическая плотность - фаза, относительное содержание элементов 2 Z (nm) 2~1 nm 1 1 0 -1 -2 2 3 -3 0 5 10 x (m) 15 20 25 Область доверительных значений атомного фактора рассеяния Atomic form factors of oxygen (blue), chlorine (green), ions: Cl- (magenta), And K+ (red), calculated with the Cromer-Mann parameters. P. Kuiper data (sin)/l, A-1 Табулированные данные для показателя преломления. Можно ли доверять? Энергетическая зависимость действительной части атомного фактора рассеяния для Ni в широком энергетическом диапазоне, включая области K, L, M-скачков поглощения; по обновляемым данным ХенкеГулликсона [1.4] (пунктир Henke) и Чантлера [1.2] (сплошная линия - Current), Z атомный номер Ni, равный 28. Атомный фактор рассеяния области энергий аномального рассеяния 28 26 f1, e/atom 3 Энергетическая зависимость действительной части атомного фактора рассеяния в области К–скачка для Ni и Cu по табулированным данным Хенке-Гулликсона (1,3) (сплошная линия) и Чантлера [2,4] (пунктир). 1 24 Cu Ni 22 4 2 20 18 16 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 E, keV 9,5 10,0 10,5 Выполняется ли условие дифракции при рентгеновской рефлектометрии, если подложка и/или пленка являются кристаллами? Энергодисперсионная схема – да. Кинематическая схема – возможно. Основные схемы рентгеновской рефлектометрии ♦ Статические - энергодисперсионные - с переменным углом скольжения первичного излучения ♦ Кинематические - с монохроматизацией первичного пучка - с монохроматизацией отраженного излучения - с селекцией набора спектральных линий Энергодисперсионная статическая схема X-ray source absorber spectrometer sample R Cr(20 nm) / SiO2 0,01 1E-3 1E-4 4000 8000 12000 E, eV 16000 20000 Статическая схема с переменными углами скольжения l- const, - переменная Режим работы: непрерывный или импульсный US Patent 2005 Yokhin, Boris (Nazareth Illit, IL) Dikopoltsev, Alexander (Haifa, IL) Rafaeli, Tzachi (Givat Shimshit, IL) Gvirtzman, Amos (Moshav Zippori, IL) Калибровочная проблема рентгеновской рефлектометрии Условия корректных измерений I. Стационарные параметры генерации (U=const, I=const) P (x,y,z,l1), P (x,y,z,l2) не определены Положение 1 Условие подобия: P (x,y,z,l1)/P (x,y,z,l2)=C=const. I R ( , l1 ) R( , l1 ) C I R ( , l2 ) R( , l2 ) Basic kinematic X-ray optical schemes Standard (single wavelength) collimator shield Multiwavelength X-ray source slit monochromator X-ray source Collimator slits detector ST-monochromators shield slit detectors Патентованная схема селекции спектральных линий с помощью полупрозрачных монохроматоров Основные преимущества l1 l2 l3 Параллельные измерения на группе спектральных линий Сравнительные измерения в поляризованном и неполяризованном излучении Возможность определения элементного состава по спектрам рентгеновской флуоресценции Угловые профили прямого пучка на линиях CuKa, CuK ia, i, ia/i - i - ia 1 0,1 0,01 -0,02 -0,01 0,00 2, degr 0,01 0,02 Общий вид измерительной схемы рентгеновский излучатель Оптический стол коллиматор Образец Диск 100 мм гониометр Моторизованные Х-У подвижки образца приемная щель Полупроводниковый спектрометр Расщепитель пучка Сцинтилляционный детектор Объекты: a – бислойные слабо возмущенные структуры на основе Si, b - дискретные пленочные структуры Si-Ta2O5 SiOx {Yk } w( i )[ f calc ( i ,{Yk }) f exp ( i )] 2 i a-Si Si I R ( , l1 ) qR ( f ) ( , l1 ) (1 q) R ( s ) ( , l1 ) Cp I R ( , l2 ) qR ( f ) ( , l2 ) (1 q) R ( s ) ( , l2 ) Относительная рефлектометрия “проявление скрытого контраста” 8 6 10 Ia, I, pps 10 F Si(100)+oxide E=40 keV 7 + F Si(100)+oxide (42,5 nm) E=40 keV, 15 2 D=9,25 10 ion/cm 5 + Ra /R oxide 6 d=6 nm 3 =1,7 g/cm 1=0,59 nm =0,41 nm 2 d=41,4 nm 3 =2,29 g/cm a-Si 5 4 10 1 3 4 10 3=0,40 nm Si 2 2 10 3 1 10 2 0 10 1 -1 10 0,5 1,0 1,5 2, degr 2,0 2,5 3,0 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 2, degr Угловые зависимости интенсивности отражения на линиях 0,154 нм (1) и 0,139 нм (2); имплантация ионов F+ через SiOx (E=40 кэВ, D=9,25 1015 ион/см2) 1 nm 2=0,3 nm Изображение границы раздела a-Si-Si Угловые зависимости коэффициента отражения R(l1) (a) и отношения R(l1) / R(l2) (b) для дискретной структуры Si-Ta2O5/Si 1 0,1 a I / IO b Ta2O5 Ra/R 2 10 1 1. CuKa (0,154 nm) 0,01 Si 2. CuK (0,139 nm) 1E-3 2 1E-4 1 1E-5 1 1E-6 0,5 1,0 1,5 2, degr 2,0 2,5 3,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 2, degr Параметры структуры d=15,8 нм, 1=0,50 нм, 2= 0,45 нм, (Ta2O5)=8,4 г/см3, q=0,14 3,0 Angle dependencies of reflectivity R(2) for multilayer nanostructure Mo-Si/Si (N=20, d=6,9 nm, g=0,38) R(CuKa) 1 5 0,1 10 0,01 Ra /R 4 Mo-Si/Si 10 1E-3 3 10 1E-4 2 10 1E-5 1 10 1E-6 0 2 4 6 8 10 2, degr 12 0 10 -1 10 -2 10 R(CuKa) 1 -3 10 0,1 -4 10 0 0,01 2 4 6 2, degr 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 0 2 2, degr 8 10 12 Relative reflectometry of thin oxide layers. Density sensitivity Ra/R 5,0 NiO2-Ni structure d=3 nm, 12=0,5 nm (Ni)=8,902 g/cm3 NiO2/Ni 4,5 4,0 3,5 4 g/cm 3 3,0 2,5 5,5 g/cm 3 g/cm 2,0 1,5 7,45 g/cm 3 3 3 1,0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 , degr Calculated angle dependences of relative reflectivity R(CuKa)R(CuK) from NiO2-Ni structure for different oxide density. Relative reflectometry of thin oxide layers. Experimental results for Ni oxide Ia/I NiO2-Ni structure d=3,2 nm, 12=0,5 nm (NiOx)=5,5 g/cm3 x=1,9 Tabulated density (Ni)=8,902 g/cm3 5 2 4 1. Ni/Si 2. NOx-Ni/Si 3 2 1 1 2,deg 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Experimental angle dependences of relative reflectivity R(CuKa)R(CuK) from NiOx-Ni structure: 1 calculation for the clean Ni substrate, 2 - experiment Relative reflectometry of thin oxide layers. Experimental results for GaAs oxide 6 5 GaAs monocrystal density=5.316 г/см3 n(1,54A) 1 - 1,459E-5 - i4,37E-7 / 0.02995 n(1,39A) 1 - 1,173E-5 - i2,94E-7 / =0.0251 c(1,54A)=0,310 град Ra / R GaOxAsOy-GaAs 3 =3,3 g/cm 4 3 t=3,1 nm x+y=2 2 =0,45 nm 2 1 1 2, degr 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Experimental angle dependences of relative reflectivity R(CuKa)R(CuK) from GaxAsy- GaAs structure: 1 – simulation for the clean substrate, 2 - experiment Transmission electron microscopy and X-ray reflectometry of QD multilayers 20 nm 10 nm X-Ray Reflectometry of Ge QD multilayer K20 1 d=11,8 nm o=0,4 nm Ia/I I/Io 0,1 10 0,01 1E-3 1 1E-4 1E-5 0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 -1 Qz, A Normalized intensity versus modulus of scattering vector Qz=4sin()/l 0,0 0,5 1,0 2, degr 1,5 2,0 Angle dependence of the reflected intensity ratio for spectral lines l1=1,54 A and l2=1,39 A Перспективы R&D в области рентгеновской рефлектометрии Системы мэппирования (ограниченная площадь) Карта поверхности алмазной призмы Интерферометр Zygo Corp Проблемы: ограниченное поле обзора ~1 см неопределенность величины n в тонких пленках сложность обработки изображений многослойных структур Эллипсометрические мэпперы M-2000 model J. A. Woollam Co. X-Ray Reflectometry Mapping Scheme (top view) detectors monochromators irradiation zone collimating slits X-ray source sample scan directions Перспективы R&D в области рентгеновской рефлектометрии Компактные настольные системы X-ray source absorber spectrometer sample Общие требования Тип фокуса – линейный, проекция фокуса 10-30 мкм Энергетический диапазон: L-series, K-series lines Энергодисперсионная рефлектометрия с использованием призменной оптики DE(CuK)=97 eV CuKa CuK 2 d N/ddE, a.u. 1000 100 5000 10000 20000 E, eV 40000 Influence of the refracting face size Interference pattern. Energy resolution 1 I, a.u 2,8 1 de/l=5x10 3 1. q=1 2. q=2 3. q=4 4. q=8 0,1 log(Io/It) I, a.u. 2,6 2 3 3 0,01 2,4 4 2 1E-3 1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 , mrad 0,2 0,4 0,6 1 0,8 2,2 11900 12000 12100 E, eV 1- Be prism 2 – diamond prism 3 – As2S3 (XAFS database) 0,5 Heat transfer in a diamond prism at liquid nitrogen temperature (80 K) XFEL harmonics selection by a diamond prism , angle sec 800 H1 E1=12 keV H3 E3=36 keV H5 E5=60 keV A, m 1000 700 600 500 100 400 300 10 200 100 1 0 175 176 177 178 apex angle, degr 179 180 175 176 177 178 apex angle, degr 179 180 Энергодисперсионная схема для исследования кинетики процессов в слоистых структурах Fast Reflectometry absorber camera bending magnet X-ray mirrors linear detector wave guide sample Radiation stimulated degradation processes in mirrors substrate substrate prism Heat and light stimulated processes of diffusion and phase transitions in thin films What is more interesting? Заключение Основные задачи и перспективы Данные рентгеновской рефлектометрии достоверны, если результаты решения обратной задачи совпадают по данным, измеренным по меньшей мере на двух спектральных линиях Перспективы развития: • Многоволновая рефлектометрия • Разработка компактных аналитических систем и мэпперов • Разработка быстрых энергодисперсионных рефлектометров (Fast Reflectometers) для исследования кинетики процессов на поверхности и в тонких пленках Спасибо за внимание