Schnelles, kompaktes spektroskopische Ellipsometer für In-situ-Messung bei ALD-Schichtwachstum

Mit dem neuen iSE von Woollam Co. steht ein kompaktes, schnelles spektroskopisches In-situ-Ellipsometer zur Verfügung, welches gezielt für die Echt­zeitüberwachung von dünnem Schicht­wachstum entwickelt wurde. Das spezielle optische „Dual-Rotation“-Design erlaubt es, hochauflösend geringe Än­derung von optischen Konstanten und Schichtdicken mit einer zeitlichen Auf­lösung von nur 0,3 Sekunden zu messen. Damit bietet sich das iSE u.a. als optimales Werkzeug für ALD-Prozesse an. Mit einem Spektralbereich von 400 bis 1000 nm können sowohl dielektrische, als auch metallische Schichten untersucht und deren Schichtdicken während des Beschichtungsprozesses bestimmt werden.

Die Abbildungen 2 und 3 zeigen Mes­sungen von Al2O3- (Abb. 2) und TiO2-Schichten (Abb. 3) auf Silizium, während des ALD-Wachstumsprozesses, mit einer Picosun R-200 Advanced ALD-Anlage (Abb. 1). Man sieht sehr schön die hohe Schichtdicken- und Zeitauflösung, mit der es möglich ist, geringe Dickenänderungen während der einzelnen ALD-Wachstumszyklen aufzulösen.

Das spektroskopische Ellipsometer iSE hat einen breiten Spektralbereich. 

Dadurch lassen sich auch metallische Schichten untersuchen und deren optische Konstanten und Schichtdicken bestimmen. An einer ALD-Anlage Flex­AL von Oxford Instruments (Abb. 4) wurde das Schichtwachstum von Pt untersucht. Typischerweise formieren Metalle anfangs keine dichte Schicht sondern wachsen „in In­seln“. Um die Empfindlichkeit im Hin­blick auf Schichtdicke und optische Kon­stanten zu erhöhen und zu gewährleisten, dass diese Parameter beim Fit nicht korrelieren, wurde die sogenannte „Interference-Enhancement-Methode“ angewandt.

Dazu wird die Pt-Schicht auf einer ca. 500 nm dicke SiO2-Schicht (auf Si) aufgewachsen. Die Schichtdicken-Inter­ferenzen der dielektrischen Schicht werden mit zunehmender Pt-Dicke gedämpft, wodurch eine ausreichende Emp­findlichkeit für alle zu ermittelnden Parameter gegeben ist. Dazu benötigt man jedoch ein Ellipsometer mit einem breiten Spektralbereich wie das iSE. Abb. 5 zeigt die Pt-Dicke als Funktion der Wachstumszeit. Die maximale Schichtdicke betrug 18,2 nm. Die Pt-Schicht wurde mit einem EMA-Modell aus optischen Konstanten für Bulk-Pt, aus optischen Konstanten von „Inselwachstums-Pt“ und Void (Luft) modelliert. Dabei wurden die Anteile von Bulk-, Insel-Pt und Void gefittet. Die Änderung der Anteile ist in Abb. 6 dargestellt.

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