Index lomu a koeficient extinkce tenkovrstvých materiálů - Refractive index and extinction coefficient of thin film materials
A. R. Forouhi a I. Bloomer odvodili disperzní rovnice pro index lomu, na extinkční koeficient, k, které byly zveřejněny v roce 1986[1] a 1988.[2] Publikace z roku 1986 se týká amorfních materiálů, zatímco publikace z roku 1988 se týká krystalů. Následně, v roce 1991, byla jejich práce zařazena jako kapitola do „Příručky optických konstant“.[3] Forouhiho-Bloomerovy disperzní rovnice popisují, jak fotony různých energií interagují s tenkými vrstvami. Při použití se spektroskopickým reflektometrie nástroj, určují disperzní rovnice Forouhi – Bloomer n a k pro amorfní a krystalické materiály jako funkce fotonové energie E. Hodnoty n a k jako funkce fotonové energie, E, se označují jako spektra n a k, které lze také vyjádřit jako funkce vlnové délky světla, λ, od E = hc / λ. Symbol h představuje Planckova konstanta a C, rychlost světla ve vakuu. Spolu, n a k jsou často označovány jako „optické konstanty“ materiálu (i když to nejsou konstanty, protože jejich hodnoty závisí na fotonové energii).
Odvození disperzních rovnic Forouhi – Bloomer je založeno na získání výrazu pro k jako funkce fotonové energie, symbolicky psané jako k(E), počínaje prvními principy kvantové mechaniky a fyziky pevných látek. Výraz pro n jako funkce fotonové energie, symbolicky psané jako n(E), je poté určeno z výrazu pro k(E) v souladu s Kramers-Kronigovy vztahy[4] který to uvádí n(E) je Hilbertova transformace z k(E).
Forouhi-Bloomerovy disperzní rovnice pro n(E) a k(E) amorfních materiálů jsou uvedeny jako:
Pět parametrů A, B, C, EG, a n(∞) každý má fyzický význam.[1][3] EG je mezera pásma optické energie materiálu. A, B a C závisí na pásové struktuře materiálu. Jsou to kladné konstanty takové, že 4C-B2 > 0. Nakonec n (∞), konstanta větší než jednota, představuje hodnotu n v E = ∞. Parametry B0 a C.0 v rovnici pro n(E) nejsou nezávislé parametry, ale závisí na A, B, C a E.G. Jsou dány:
kde
U amorfních materiálů tedy k úplnému popisu závislosti obou postačuje celkem pět parametrů n a k na energii fotonů, E.
Pro krystalické materiály, které mají více vrcholů n a k spektra lze rovnice disperze Forouhi – Bloomer rozšířit takto:
Počet členů v každém součtu, q, se rovná počtu vrcholů v n a k spektra materiálu. Každý člen v součtu má své vlastní hodnoty parametrů A, B, C, EG, stejně jako jeho vlastní hodnoty B0 a C.0. Analogicky k amorfnímu případu mají všechny pojmy fyzický význam.[2][3]
Charakterizace tenkých vrstev
Index lomu (n) a koeficient zániku (k) souvisejí s interakcí mezi materiálem a dopadajícím světlem a jsou spojeny s lomem a absorpcí (v uvedeném pořadí). Lze je považovat za „otisk prstu materiálu“. Povlaky tenkého filmu na různých podkladech poskytují důležité funkce pro mikrofabrikační průmysl a n, k, stejně jako tloušťka, t, musí být tyto složky tenkého filmu změřeny a kontrolovány, aby bylo možné opakovatelnost výrobní.
Forouhi-Bloomerovy disperzní rovnice pro n a k původně se očekávalo, že budou platit pro polovodiče a dielektrika, ať už v amorfním, polykrystalickém nebo krystalickém stavu. Ukázalo se však, že popisují n a k spektra průhledných vodičů,[5] stejně jako sloučeniny kovů.[6][7][8][9][10][11][12][13][14][15] Bylo zjištěno, že formalismus pro krystalické materiály platí i pro polymery,[16][17][18] které se skládají z dlouhých řetězců molekul, které netvoří krystalografickou strukturu v klasickém smyslu.
Další modely disperze, které lze použít k odvození n a k, jako je Tauc-Lorentz, lze nalézt v literatuře.[19][20] Empirické výrazy poskytují dva známé modely - Cauchy a Sellmeier n platí v omezeném rozsahu měření a jsou užitečné pouze pro neabsorpční filmy, kde k= 0. Formulace Forouhi – Bloomer byla následně použita pro měření tenkých vrstev v různých aplikacích.[5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20]
V následujících diskusích budou všechny proměnné fotonové energie, E, budou popsány z hlediska vlnové délky světla, λ, protože experimentálně proměnné zahrnující tenké vrstvy se obvykle měří ve spektru vlnových délek. The n a k spektra tenkého filmu nelze měřit přímo, ale musí být stanovena nepřímo z měřitelných veličin, které na nich závisí. Spektroskopická odrazivost, R (λ), je jedno takové měřitelné množství. Další je spektroskopická propustnost, T (λ), použitelné, když je podklad průhledný. Spektroskopická odrazivost tenkého filmu na substrátu představuje poměr intenzity světla odraženého od vzorku k intenzitě dopadajícího světla, měřeno v rozsahu vlnových délek, zatímco spektroskopická propustnost, T (λ), představuje poměr intenzity světla procházejícího vzorkem k intenzitě dopadajícího světla, měřeno v rozsahu vlnových délek; obvykle tam bude také odražený signál, R (λ), doprovázející T (λ).
Měřitelné veličiny, R (λ) a T (λ) záleží nejen na n (λ) a k (λ) filmu, ale také o tloušťce filmu, t, a n (λ) a k (λ) podkladu. U silikonového substrátu platí: n (λ) a k (λ) hodnoty jsou známé a berou se jako daný vstup. Úkolem charakterizace tenkých filmů je extrakce t, n (λ) a k (λ) filmu z měření R (λ) a / nebo T (λ). Toho lze dosáhnout kombinací disperzních rovnic Forouhi – Bloomer pro n (λ) a k (λ) s Fresnelovy rovnice pro odraz a prostup světla na rozhraní[21] získat teoretické, fyzicky platné výrazy pro odrazivost a propustnost. Přitom se výzva sníží na extrakci pěti parametrů A, B, C, EG, a n (∞) které tvoří n (λ) a k (λ), spolu s tloušťkou filmu, tpomocí nelineární regresní analýzy nejmenších čtverců[22][23] montážní postup. Procedura přizpůsobení vyžaduje iterativní zlepšení hodnot A, B, C, EG, n (∞), t, aby se snížil součet čtverců chyb mezi teoretickým R (λ) nebo teoretické T (λ) a měřené spektrum R (λ) nebo T (λ).
Kromě spektroskopické odrazivosti a propustnosti, spektroskopické elipsometrie lze také použít analogickým způsobem k charakterizaci tenkých vrstev a stanovení t, n (λ) a k (λ).
Příklady měření
Následující příklady ukazují univerzálnost použití disperzních rovnic Forouhi – Bloomer k charakterizaci tenkých vrstev s využitím nástroje založeného na téměř normální dopadající spektroskopické odrazivosti. Je-li substrát transparentní, využívá se také téměř normální spektroskopická propustnost. The n (λ) a k (λ) spektra každého filmu jsou získána spolu s tloušťkou filmu v širokém rozsahu vlnových délek od hlubokých ultrafialových po blízké infračervené vlnové délky (190–1000 nm).
V následujících příkladech je notace pro teoretickou a naměřenou odrazivost ve spektrálních grafech vyjádřena jako „R-theor“ a „R-measure“.
Níže jsou schémata zobrazující proces měření tenkého filmu:

Forouhi-Bloomerovy disperzní rovnice v kombinaci s Rigorózní analýza vázaných vln (RCWA) byly také použity k získání podrobných informací o profilu (hloubka, CD, úhel boční stěny) příkopových struktur. Aby bylo možné získat informace o struktuře, polarizovaná širokopásmová data odrazivosti, Rs a Rp, musí být shromážděny ve velkém rozsahu vlnových délek z periodické struktury (mřížky) a poté analyzovány pomocí modelu, který zahrnuje disperzní rovnice Forouhi – Bloomer a RCWA. Vstupy do modelu zahrnují rozteč mřížky a n a k spektra všech materiálů ve struktuře, zatímco výstupy mohou zahrnovat hloubku, CD na více místech a dokonce i úhel boční stěny. The n a k spektra těchto materiálů lze získat v souladu s metodikou popsanou v této části pro měření tenkých vrstev.
Níže jsou schémata zobrazující proces měření pro příkopové struktury. Následují příklady měření příkopu.
Příklad 1: Amorfní křemík na oxidovaném křemíkovém substrátu (a-Si / SiO2/ Si-Sub)




Příklad 1 ukazuje jedno široké maximum v n (λ) a k (λ) spektra filmu a-Si, jak se u amorfních materiálů očekává. Jak materiál přechází ke krystalinitě, široké maximum ustupuje několika ostřejším vrcholům n (λ) a k (λ) spektra, jak je ukázáno v grafice.
Pokud měření zahrnuje dva nebo více filmů ve svazku filmů, musí být teoretický výraz odrazivosti rozšířen tak, aby zahrnoval n (λ) a k (λ) spektra plus tloušťka, tkaždého filmu. Regrese však nemusí konvergovat k jedinečným hodnotám parametrů kvůli nelineární povaze výrazu pro odrazivost. Je tedy užitečné některé neznámé eliminovat. Například n (λ) a k (λ) Spektra jednoho nebo více filmů mohou být známa z literatury nebo předchozích měření a během regresi jsou udržována pevně (nesmí se měnit). Chcete-li získat výsledky uvedené v příkladu 1, použijte n (λ) a k (λ) spektra SiO2 vrstva byla opravena a další parametry, n (λ) a k (λ) a-Si plus tloušťky obou a-Si a SiO2 směli se měnit.
Příklad 2: 248 nm fotorezist na křemíkovém substrátu (PR / Si-Sub)


Polymery jako např fotorezist se skládají z dlouhých řetězců molekul, které netvoří krystalografickou strukturu v klasickém smyslu. Nicméně, jejich n (λ) a k (λ) spektra vykazují spíše několik ostrých vrcholů než široké maximum očekávané pro nekrystalické materiály. Výsledky měření pro polymer jsou tedy založeny na formulaci Forouhi – Bloomer pro krystalické materiály. Většina struktury v n (λ) a k (λ) spektra se vyskytují v rozsahu hlubokých UV vlnových délek, a proto je pro správnou charakteristiku filmu této povahy nutné, aby naměřená data odrazivosti v hlubokém UV rozsahu byla přesná.
Obrázek ukazuje příklad měření fotorezistního (polymerního) materiálu použitého pro 248 nm mikrolitografii. Šest výrazů bylo použito v rovnicích Forouhi-Bloomer pro krystalické materiály, aby se vešly do dat a dosáhly výsledků.
Příklad 3: Oxid india a cínu na skleněném substrátu (ITO / Glass-Sub)




Oxid india a cínu (ITO) je vodivý materiál s neobvyklou vlastností, že je transparentní, takže je široce používán v průmyslu plochých displejů. K určení dříve neznámého bylo zapotřebí měření odrazivosti a propustnosti nepotaženého skleněného substrátu n (λ) a k (λ) spektra skla. Odrazivost a propustnost ITO uloženého na stejném skleněném substrátu byly poté měřeny současně a analyzovány pomocí Forouhi-Bloomerových rovnic.
Podle očekávání k (λ) spektrum ITO je nula v rozsahu viditelných vlnových délek, protože ITO je transparentní. Chování k (λ) spektrum ITO v blízkých infračervených (NIR) a infračervených (IR) vlnových délkách se podobá spektru kovů: nenulové v NIR rozsahu 750–1000 nm (v grafice je obtížné rozeznat, protože jeho hodnoty jsou velmi malé) a dosažení maximální hodnoty v IR rozsahu (λ> 1000 nm). Průměrný k hodnota filmu ITO v rozsahu NIR a IR je 0,05.
Příklad 4: Multispektrální analýza tenkých filmů germania (40%) - selenu (60%)


Pokud jde o složité filmy, v některých případech nelze parametry vyřešit jednoznačně. K omezení řešení na sadu jedinečných hodnot lze použít techniku zahrnující multispektrální analýzu. V nejjednodušším případě to znamená nanesení filmu na dva různé substráty a následnou analýzu výsledků pomocí disperzních rovnic Forouhi – Bloomer.
Například jediné měření odrazivosti v rozsahu 190–1000 nm Ge40Se60/ Si neposkytuje jedinečné n (λ) a k (λ) spektra filmu. Tento problém však lze vyřešit uložením stejného Ge40Se60 film na jiném substrátu, v tomto případě oxidovaném křemíku, a následná analýza naměřených údajů o odrazivosti k určení:
- Tloušťka Ge40Se60/ Si film na křemíkovém substrátu jako 34,5 nm,
- Tloušťka Ge40Se60/ Si film na oxidovaném křemíkovém substrátu jako 33,6 nm,
- Tloušťka SiO2 (s n a k spektra SiO2 fixní) a
- n a k spektra, v rozmezí 190–1000 nm, Ge40Se60/ Si.
Příklad 5: Složitá příkopová struktura


Struktura příkopu znázorněná na sousedním diagramu se opakuje v intervalech 160 nm, to znamená, že má danou výšku 160 nm. Příkop se skládá z následujících materiálů:
- M1: Si3N4
- M2: Poly-Si
- M3: Oxid boční stěny (SiO2)
- M4: SiO2
- M5: Si3N4
- M6: SiO2
- M7: Si substrát
- M8: Vzduch
Přesný n a k hodnoty těchto materiálů jsou nezbytné pro analýzu struktury. Pro měření je často přítomna plošná plocha na vzorku příkopu se sledovaným filmem. V tomto příkladu bylo spektrum odrazivosti polykřemíku měřeno na ploše obsahující polykřemík, ze kterého jeho n a k spektra byla stanovena v souladu s metodikou popsanou v tomto článku, která využívá disperzní rovnice Forouhi – Bloomer. Opravené tabulky n a k hodnoty byly použity pro SiO2 a Si3N4 filmy.
Kombinace n a k spektra filmů s Rigorózní analýza vázaných vln (RCWA) byly stanoveny následující kritické parametry (také s naměřenými výsledky):
Měřený parametr | Výsledek | |
---|---|---|
1 | Si Hloubka | 27,4 nm |
2 | CD @ Top of Si | 26,4 nm |
3 | SiO2 Šířka vložky | 40,2 nm |
4 | Si3N4 Výška | 28 nm |
3 | Šířka Poly-Si | 92,6 nm |
3 | Poly-Si výška | 85,6 nm |
Reference
- ^ A b Forouhi, A.R .; Bloomer, I. (1986). "Optické disperzní vztahy pro amorfní polovodiče a amorfní dielektrika". Fyzický přehled B. 34 (10): 7018–7026. Bibcode:1986PhRvB..34.7018F. doi:10.1103 / fyzrevb.34,7018. PMID 9939354.
- ^ A b Forouhi, A.R .; Bloomer, I. (1988). "Optické vlastnosti krystalických polovodičů a dielektrika". Fyzický přehled B. 38 (3): 1865–1874. Bibcode:1988PhRvB..38.1865F. doi:10.1103 / fyzrevb.38.1865.
- ^ A b C Forouhi, A.R .; Bloomer, I. (1991). Palik, E.D. (vyd.). Příručka optických konstant II. Akademický tisk. p. Kapitola 7.
- ^ Roman, P. (1965). Pokročilá kvantová teorie. Addison-Wesley.
- ^ A b Torkaman, N.M .; Ganjkhanlou, Y .; Kazemzad, M .; Dabaghi, H.H .; Keyanpour-Rad, M. (2010). „Krystalografické parametry a elektrooptické konstanty v tenkých vrstvách ITO“. Charakterizace materiálů. 61 (3): 362–370. doi:10.1016 / j.matchar.2009.12.020.
- ^ A b Lakhdar, M.H .; Ouni, B .; Amlouk, M. (2014). "Vliv tloušťky na strukturní a optické konstanty tenkých vrstev stibnite připravených sulfidačním žíháním antimonových filmů". Optik - Mezinárodní deník pro světelnou a elektronovou optiku.
- ^ A b Al-Khanbashi, H.A.; Shirbeeny, W .; Al-Ghamdi, A.A .; Bronstein, L.M .; Mahmoud, W.E. (2014). „Spektroskopická elipsometrie tenkých vrstev Zn1-xCuxO založená na metodě úpravy povlaku sol-gel dip-coatingem“. Spectrochimica Acta Část A: Molekulární a biomolekulární spektroskopie. 118: 800–805. Bibcode:2014AcSpA.118..800A. doi:10.1016 / j.saa.2013.09.085. PMID 24157332.
- ^ A b Nakamura, T .; Moriyama, T .; Nabatova-Gabain, N .; Adachi, S. (2014). „Rychlost útlumu emisí emitoru světla na tenkých kovových fóliích“. Japonský žurnál aplikované fyziky. 53 (4): 5201. Bibcode:2014JaJAP..53d5201N. doi:10,7567 / jjap.53.045201.
- ^ A b Winkler, M. T.; Wang, W .; Gunawan, O .; Hovel, H.J .; Todorová, T. K.; Mitzi, D.B. (2014). "Optické konstrukce, které zlepšují účinnost solárních článků Cu2ZnSn (S, Se) 4". Energetika a věda o životním prostředí. 7 (3): 1029–1036. doi:10.1039 / c3ee42541j.
- ^ A b Miao, L .; Su, L.F .; Tanemura, S .; Fisher, C.A.J .; Zhao, L.L .; Liang, Q .; Xu, G. (2013). „Nákladově efektivní nanoporézní povlaky SiO2 – TiO2 na skleněných podkladech s antireflexními a samočisticími vlastnostmi“. Aplikovaná energie. 112: 1198–1205. doi:10.1016 / j.apenergy.2013.03.043.
- ^ A b Zhang, F .; Zhang, R.J .; Zhang, D.X .; Wang, Z.Y .; Xu, J.P .; Zheng, Y. X .; Chen, L.Y .; Huang, R.Z .; Sun, Y .; Chen, X .; Meng, X.J.; Dai, N. (2013). „Teplotně závislé optické vlastnosti tenkých vrstev oxidu titaničitého studovaných spektroskopickou elipsometrií“. Aplikovaná fyzika Express. 6 (12): 121101. Bibcode:2013APExp ... 6l1101Z. doi:10,7567 / vrchol 6,121101.
- ^ A b Sheng-Hong, Y .; Sen, C .; Ning, Y .; Yue-Li, Z. (2013). „Optical Study of Sol-gel Processed Nd-doped BiFeO3 Multiferroic Films by Spectroscopic Ellipsometry“. Feroelektrika. 454 (1): 78–83. doi:10.1080/00150193.2013.842802.
- ^ A b Balakrishnan, G .; Sundari, S.T .; Kuppusami, P .; Chandra, P.M .; Srinivasan, M.P .; Mohandas, E .; Ganesan, V .; Sastikumar, D. (2011). "Studie mikrostrukturálních a optických vlastností nanokrystalických tenkých vrstev Ceria připravených pulzním laserovým nanášením". Tenké pevné filmy. 519 (8): 2520–2526. Bibcode:2011TSF ... 519.2520B. doi:10.1016 / j.tsf.2010.12.013.
- ^ A b Cheng, K.W .; Huang, C.M .; Pan, G.T .; Chang, W.S .; Lee, T.C .; Yang, T.C.K. (2010). „Vliv Sb na růst a fotoelektrochemickou odezvu filmových elektrod AgIn5S8 vytvořených technikou Solution Growth Technique“. Věda o chemickém inženýrství. 65 (1): 74–79. doi:10.1016 / j.ces.2009.02.002.
- ^ A b Das, N.S .; Ghosh, P.K .; Mitra, M.K .; Chattopadhyay, K.K. (2010). „Vliv tloušťky filmu na mezeru v energetickém pásmu nanokrystalických tenkých filmů CdS analyzovaných spektroskopickou elipsometrií“. Physica E: Nízkodimenzionální systémy a nanostruktury. 42 (8): 2097–2102. Bibcode:2010PhyE ... 42.2097D. doi:10.1016 / j.physe.2010.03.035.
- ^ A b Xiong, K .; Hou, L .; Wang, P .; Xia, Y .; Chen, D .; Xiao, B. (2014). „Fosforové dopování zvýšilo účinnost dvouvrstvých organických solárních článků díky delší délce difúze excitonu“. Journal of Luminescence. 151: 193–196. Bibcode:2014JLum..151..193X. doi:10.1016 / j.jlumin.2014.02.016.
- ^ A b Huynh, T.P .; Pietrzyk-Le, A .; Chandra-Bikram, K.C .; Noworyta, K.R .; Sobczak, J.W .; Sharma, P.S .; D'Souza, F .; Kutner, W. (2013). „Elektrochemicky syntetizovaný molekulárně potištěný polymer derivátů thiofenu pro analýzu průtokovou injekcí - stanovení adenosin-5′-trifosfátu (ATP)“. Biosenzory a bioelektronika. 41: 634–641. doi:10.1016 / j.bios.2012.09.038. PMID 23131778.
- ^ A b Zhu, D .; Shen, W .; Ye, H .; Liu, X .; Zhen, H. (2008). „Stanovení optických konstant polymerních diodových filmů emitujících světlo z měření jednotlivých odrazů“. Journal of Physics D: Applied Physics. 23. 41 (23): 235104. Bibcode:2008JPhD ... 41w5104Z. doi:10.1088/0022-3727/41/23/235104.
- ^ A b Laidani, N .; Bartali, R .; Gottardi, G .; Anderle, M .; Cheyssac, P. (2008). „Parametry optické absorpce amorfních uhlíkových filmů z modelů Forouhi – Bloomer a Tauc – Lorentz: srovnávací studie“. Journal of Physics: Condensed Matter. 20 (1): 15216. Bibcode:2008JPCM ... 20a5216L. CiteSeerX 10.1.1.369.5532. doi:10.1088/0953-8984/20/01/015216.
- ^ A b Easwarakhanthan, T .; Beyssen, D .; Brizoual, L.L .; Alnot, P. (2007). „Forouhi – Bloomer a Tauc – Lorentz optické disperze aplikované pomocí spektroskopické elipsometrie na plazmové fluorované uhlovodíkové fólie“. Journal of Applied Physics. 101 (7): 073102–073102–7. Bibcode:2007JAP ... 101g3102E. doi:10.1063/1.2719271.
- ^ Nebesa, O.S. (1965). Optické vlastnosti tenkých pevných filmů. New York: Dover.
- ^ Levenberg, K. (1944). „Metoda řešení některých nelineárních problémů v nejmenších čtvercích“. Quarterly of Applied Mathematics. 2 (2): 164. doi:10.1090 / qam / 10666.
- ^ Marquardt, D.W. (1963). "Algoritmus pro odhad nejmenších čtverců nelineárních parametrů". Časopis Společnosti pro průmyslovou a aplikovanou matematiku. 2. 11 (2): 431–441. doi:10.1137/0111030. hdl:10338.dmlcz / 104299.