Caratterizzazione ottica di film sottili



La tecnica riflettometrica presenta enormi vantaggi nelle applicazioni di misurazione e caratterizzazione di film sottili. È basata su strumentazione semplice e robusta, capace di ottenere rilevazioni complete e precise in meno di un secondo, senza contatto col campione e in modo completamente non distruttivo. L’azienda tedesca Mikropack ha sviluppato un sistema low cost basato su questo principio e potenziato dall’integrazione di spettrometri Ocean Optics e di componenti software molto avanzate. Nasce così il riflettometro NANOCALC, in grado di analizzare strutture composte da fino a 10 strati di film sottili di diversi materiali, con spessori compresi tra 1nm e 250micron, misurandoli con una risoluzione di 0,1nm. Per lo strumento sono disponibili numerosi accessori hardware e software, tra i quali microscopi, movimentatori micrometrici automatici, teste di misura in trasmissione e programmi di simulazione mediante i quali diventa possibile anche stimare i coefficienti k dei materiali in analisi.

  1. Materiali e metodi

    • Spettrometro Ocean Optics HR4000

    • Il cuore di NANOCALC risiede nel suo modulo spettrometrico, in grado di fornire le misurazioni di base dalle quali si otterranno in seguito le caratteristiche del film campione. Lo spettrometro deve funzionare velocemente, disporre di una buona sensibilità e risoluzione nonché di un’interfaccia semplice e completa, che ne permetta l’integrazione nel sistema ed il funzionamento assieme agli altri strumenti. Lo spettrometro HR4000 soddisfa tutte queste richieste, offrendo inoltre un design compatto che rende lo strumento NANOCALC a sua volta facilmente trasportabile. Per applicazioni particolari con film di spessori di pochi nanometri o di parecchi micron, lo spettrometro HR4000 può essere sostituito con un’unità MAYA, particolarmente sensibile nell’UV fino a 190nm, o con uno spettrometro per vicino infrarosso NIRQUEST, capace di coprire l’intervallo spettrale compreso tra 900nm e 1700nm.

    • Sorgente di illuminazione DH2000

    • Al fine di aumentare la precisione di un sistema riflettometrico, è necessario aumentare quanto più possibile l’intervallo in lunghezze d’onda coperto dall’apparato spettrometrico. La lampada DH2000 equipaggia una doppia sorgente, al deuterio e al tungsteno, in modo da fornire illuminazione omogenea tra 200nm e 2000nm ed è quindi particolarmente adatta a questo scopo. Stabile nel tempo e filtrata in modo da eliminare i picchi prodotti dal bulbo al deuterio, garantisce anche la precisione delle singole misure spettrometriche. In alcuni casi, ad esempio quando il sistema monti uno spettrometro per vicino infrarosso, la sorgente DH2000 viene sostituita con l’equivalente HL2000, dotata della sola sorgente ad incandescenza che garantisce comunque l’illuminazione in tutto l’intervallo spettrale necessario.

    • Fermacampione / sonda

    • Strumento indispensabile per l’accoppiamento della sorgente di illuminazione col campione e con lo spettrometro, il fermacampione / fermasonda è disponibile in più design, dal semplice singolo punto a spostamento manuale al dispositivo automatico di micromovimentazione per l’analisi di intere superfici, al sistema microscopico per l’analisi di wafer dopo il processo di scrittura. Nel caso di campioni trasparenti, è possibile aumentare le potenzialità analitiche di NANOCALC equipaggiando un portacampione che permetta anche letture per trasmissione.

    • Software di elaborazione e simulazione

    • Il software di elaborazione dei dati spettrometrici è una componente chiave dei sistemi riflettometrici. Una libreria di centinaia di materiali organizzati per tipologie e caratterizzati anche per diverse orientazioni dei piani cristallini e condizioni di crescita, nata dalla lunga esperienza di Mikropack sul campo, permette di estendere considerevolmente la precisione dello strumento ed il suo campo di applicazione, che di fatto si estende dall’aerospaziale alla produzione di wafer in materiali elettro-ottici. I software principali si chiamano rispettivamente NANOCALC-1 e NANOCALC-10-N e si distinguono per gli strumenti di calcolo integrati, che nel primo caso permettono la caratterizzazione di uno strato sottile in strutture di fino a 4 strati e nel secondo di caratterizzare fino a 9 strati in strutture da 10. Entrambi integrano un programma di simulazione che permette di visualizzare l’aspetto atteso dello spettro, in modo da prevedere se il campione sarà effettivamente misurabile e di rapportare il dato previsto con quello misurato.

      Per aumentare ulteriormente le potenzialità di NANOCALC, Mikropack offre un insieme di moduli software che permettono ad esempio di automatizzare il funzionamento con la piattaforma di micromovimentazione o di gestire lo strumento on-line. Infine, il programma SCOUT offre un potente tool di simulazione parametrica in grado di identificare le caratteristiche ottiche di materiali incogniti o di definire meglio i modelli di materiali realizzati secondo particolari ricette.

  2. Realizzazione dell’esperimento

  3. La tecnica riflettometrica implementata da NANOCALC si basa sull’effetto di interferenza prodotto dai film sottili: le riflessioni multiple tra la superficie ed il substrato possono infatti interferire in modo costruttivo o distruttivo, a seconda della lunghezza d’onda, delle proprietà ottiche e dello spessore del campione. Una misura di riflettanza o trasmittanza con sorgente a larga banda applicata ad un film sottile rende quindi uno spettro tipicamente caratterizzato da una certa modulazione. La successione di picchi e ventri diventa più fitta all’aumentare dello spessore del campione (quindi occorrono buone risoluzioni spettrometriche per caratterizzare film relativamente spessi), mentre si dirada per film molto sottili (i quali dunque richiedono la copertura di intervalli spettrometrici maggiori). Una volta ottenuto il dato spettrometrico direttamente misurato, è necessario rapportarlo con un algoritmo best-fit a risultati teorici calcolati a partire dalle proprietà ottiche del materiale in analisi. In questo modo è possibile calcolare lo spessore di uno strato di film sottile, ma anche di più di uno fintanto che siano noti i coefficienti n e k di tutta la struttura.

    NANOCALC rende l’analisi rifelttometrica un procedimento semplice e lineare: innanzitutto il sistema va calibrato con un apposito wafer di silicio con diversi gradini di vari spessori, da 0 a 500nm, certificato NIST. Dopodiché, si può procedere inserendo il campione nell’apposito portacampione e portasonda, muovere la sonda in modo da arrivare alla massima trasmissione di luce dalla lampada allo spettrometro e quindi far partire la misurazione vera e propria con un semplice clic.
    Ottenuti i dati, li si confronta con quelli teorici. Il software standard di NANOCALC permette a questo fine di definire strutture multistrato di vari materiali presenti in libreria, con un’indicazione dei vari spessori aspettati. Una volta descritta la struttura viene simulata e la sua riflettanza teorica viene rapportata a quella misurata, fino ad individuare gli spessori incogniti mediante best-fit. È anche possibile definire il comportamento di nuovi materiali aggiungendoli manualmente alla libreria.

    Oltre all’uso in laboratorio, NANOCALC è adatto anche alla linea di produzione, per la quale dispone di sistemi di controllo on-line e da remoto. Per particolari applicazioni sono anche disponibili ottiche a microscopio e piattaforme micromovimentate, le quali permettono di ottenere mappe 2D dello spessore del campione. Si tratta di componenti modulari facilmente aggiungibili senza modificare il funzionamento dello strumento.

    Interessanti applicazioni sono l’analisi di wafer per elettronica integrata prima e dopo la scrittura, lo studio di coating con proprietà ottiche o meccaniche, il controllo della qualità di processi di deposizione.

  4. Conclusioni

  5. NANOCALC è uno strumento semplice, accurato, flessibile e poco costoso, utilizzabile per innumerevoli applicazioni dove si faccia uso di film sottili. I suoi moduli software e hardware aggiuntivi ne aumentano ulteriormente la gamma di possibili utilizzi.

  6. Ulteriori applicazioni

    Un altro strumento Mikropack dedicato all’analisi di film sottili è l’ellissometro spettroscopico SPEC-EL.

    Se si desidera maggiori informazioni su questa e altre possibili applicazioni degli strumenti offerti da GHT Photonics, lo staff del settore analisi ottica sarà lieto di rispondere alle vostre richieste.

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