1ο & 2ο Εργαστήριο – Μετρήσεις Πάχους Μάθημα: Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΤΕΙ Πειραιά – Τμήμα Μηχανικών Τ.Ε.

Οπτικές Μετρήσεις Μετρήσεις: Απορρόφησης, Ανάκλασης, Διάδοσης Ανεξαρτήτως της τεχνικής η διαδικασία μετρήσεων έχει πάντα αυτά τα βήματα: Το φως καθοδηγείται από την πηγή προς το δείγμα μέσω ενός συστήματος οπτικών ινών Η αλληλεπίδραση του φωτός με το δείγμα τροποποιεί τις ιδιότητες της αρχικής οπτική δέσμη Η ανάκτηση της τροποποιημένης δέσμης γίνεται μέσα από ένα σύστημα οπτικών ινών Η τροποποιημένη δέσμη αναλύεται από τον φασματογράφο Επεξεργασία των μετρήσεων από κατάλληλο λογισμικό για την εξαγωγή των συμπερασμάτων. Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Μετρήσεις Διάδοσης (Absorbance) όπου : Ii είναι η ένταση του φωτός που μπαίνει στο δείγμα It είναι η ένταση του φωτός που βγαίνει από το δείγμα προς το φασματόμετρο (spectrometer) όπου : Isample είναι η ένταση του φωτός που μετράται από το φασματομετρο όταν υπάρχει δείγμα Iref είναι η ένταση του φωτός που μετράται από το φασματομετρο όταν δεν υπάρχει δείγμα Idark είναι η μέτρηση του φασματομέτρου όταν η λάμπα είσαι σβηστή Απορρόφηση Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης

Μετρήσεις Συμβολομετρίας (Interferometry) Οι κροσσοί συμβολής προκύπτουν από την καταστροφική ή ενισχυτική συμβολή δύο ακτίνων ίδιας συχνότητας Χρωματικοί και μονοχρωματικοί κροσσοί συμβολής από ένα Συμβολόμετρο Michelson: (a) Κροσσοί από λευκό 2 ακτίνες λευκού φωτός με διαφορετικό αριθμό αναστροφών φάσης (b) Κροσσοί από λευκό 2 ακτίνες λευκού φωτός με ίδιο αριθμό αναστροφών φάσης (c) Κροσσοί από μονοχρωματική ακτίνα Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Συμβολή Κυμάτων – Στάσιμα Κύματα w1+w2 Στάσιμα Κύματα w1 w2 Ενισχυτική συμβολή Καταστροφική συμβολή Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Single Wavelength Interferometry – I Single Wavelength Interferometry (SWI) Μετρούμενες ιδιότητες: Μέτρηση πάχους και δείκτη διάθλασης Πλεονεκτήματα: Τα βασικά χαρακτηριστικά της μέτρησης με είναι η απλότητα της διάταξης, η δυνατότητα προσαρμογής της και το φτηνό κόστος κατασκευής. Μειονεκτήματα: Παρόλα αυτά εξαιτίας του ενός μήκους κύματος (λ) που γίνεται η μέτρηση η μέθοδος SWI χρησιμοποιείται για να μετρήσει ποιοτικές μεταβολές και όχι ακριβείς ποσότητες. Χρήση: Χρησιμοποιείται σε εφαρμογές συνεχούς παρατήρησης διαφόρων διεργασιών όπως etching, spin coating κ.α. (a) (a) Η οπτική διάταξη αποτελείται από ένα solid-state laser και ένα φωτοανιχνευτή (photodetector) που είναι σχεδόν κάθετα προς το δείγμα. (b) Οι διάφορες διαθλάσεις και ανακλάσεις της ακτίνας laser ανάμεσα στο film και το υπόστρωμα. Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Single Wavelength Interferometry – II Δείγμα: Διαφανές φιλμ (π.χ. SiO2 ή πολυμερές) πάνω από ένα ανακλαστικό υπόστρωμα (π.χ. Si) Προσέγγιση: Αγνοούμε τις δευτερογενείς ανακλάσεις. Η μετρούμενη ενέργεια προέρχεται από δύο ακτίνες (Α, Β): Α είναι η ανάκλαση στην επιφάνεια του φιλμ Β είναι η ανάκλαση στην επιφάνεια του υποστρώματος. Η συνολική ενέργεια Ε που φτάνει στον ανιχνευτή είναι : όπου Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης Πολλαπλά στρώματα – I αέρας ή νερό r01 στρώμα 1 t1r12 στρώμα 2 t1t2r23 υπόστρωμα Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

2 διαφανή στρώματα + υπόστρωμα + αέρας Πολλαπλά στρώματα – IΙ ni = δείκτης διάθλασης του στρώματος i Μέτρηση με ελλιψομετρία  Μοντέλο Cauchy Συνολική Ενέργεια di = πάχος του στρώματος i λ = μήκος κύματος 2 διαφανή στρώματα + υπόστρωμα + αέρας

Single Wavelength Interferometry – III Το σήμα εξαρτάται από το δείκτη διάθλασης, το πάχος και το λ Η διακριτική ικανότητα του οργάνου όσον αφορά το πάχος εξαρτάται από το λ. Μεγαλύτερο λ μεγαλύτερη ακρίβεια για μικρά πάχη. Δεν μπορούμε να κάνουμε μέτρηση για πάχη κάτω του Τ/2. Διάλυση φιλμ PMMA που έχει εκτεθεί σε λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης με διαφορετικές δόσεις. Το αρχικό δείγμα έχει πάχος ~600nm. Παρατηρούμε την αλλαγή που συμβαίνει στα 240 μC/cm2  Χρήσιμο για monitoring !! Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

White Light Reflectance Spectroscopy (WLRS) – I Μοιάζει με το SWI ΑΛΛΑ είναι πιο broadband (δλδ έχει ένα μεγάλο εύρος μηκών κύματος) Ζώνες μέτρησης: UV (υπεριώδεις) VIS (ορατό) NIR (υπέρυθρες μικρών μηκών κύματος) Πηγή μεγάλου εύρους ζώνης ακτινοβολίας (λευκό φως – white light) Φασματοφωτόμετρο αντί για φωτοανιχνευτή Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Ανάλυση Φωτός από το Φασματοφωτόμετρο Mirrors To resolution (nm) ενός φασματοφωτομέτρου εξαρτάται: α) από το grating β) τα Pixel του CCD γ) το slit εισόδου δ) το design του CCD SMA905 connector & entrance slit Grating Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

White Light Reflectance Spectroscopy (WLRS) – IV Ένα τυπικό φάσμα ανάκλασης ενός διστρωματικού υμενίου: Φαίνεται επίσης το φάσμα αναφοράς (reference) στα μήκη κύματος VIS-NIR. air PHEMA SiO2 Si Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης Περιορισμοί WRLS Σαν οπτική μέθοδος υπόκειται στους παρακάτω περιορισμούς: Τα δείγματα πρέπει να είναι διάφανα ή ημι-διάφανα στην φασματική περιοχή λειτουργίας Ανάμεσα στα διάφορα υμένια πρέπει να υπάρχει διαφοροποίηση του δείκτη διάθλασης (contrast) για να είναι εφικτή η μέτρηση τους Η επιφανειακή τραχύτητα (του υμενίου ή του υποστρώματος) μπορεί να καταστρέψει το μετρούμενο σήμα. Το ίδιο ισχύει και για εξαιρετικά ανομοιομόρφα υμένια (στην περιοχή μέτρησης. Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Σύγκριση με Ελλειψομετρία – Ι Το μετρούμενο σήμα προέρχεται από την αλλαγή στην πόλωση της ακτινοβολίας καθώς αυτή αλληλεπιδρά με το υλικό που μας ενδιαφέρει. Η αλλαγή στην πόλωση εξαρτάται από το λόγο των πλατών (Ψ) και τη διαφορά φάσης (Δ). Οι παραπάνω παράμετροι επηρεάζονται από το πάχος του υλικού καθώς και από το δείκτη διάθλασης αυτού. Η προσπίπτουσα ακτίνα είναι συνήθως κάποια ακτίνα laser ή το λευκό φώς. Τέλος, η ελλειψομετρία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένα εργαλείο για μετρήσεις πάχους και δεικτών διάθλασης πολλών υλικών. Τεχνική της Ελλειψομετρίας Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Σύγκριση με Ελλειψομετρία – ΙΙ WLRS vs Ellipsometry Advantages Limitations Speed Easy of Use Maximum thickness Portability Customization Probe goes over the sample Cost Minimum thickness Ultra thin films “Need for refractive index” Need for reference Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης Όργναο Μετρήσεων ThetaMetrisis S.A Egaleo, Greece FR-Basic UV/VIS Incandesce – Deuterium Light source Spectrometer USB4000 UV/VIS 200nm – 850nm spectral range 16bit resolution Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Μέτρηση με το FR-Monitor – Ι Εικόνα από το λογισμικό FR-Monitor πριν το fitting και τη εύρεση του πάχους. Φαίνεται η μέτρηση της ανάκλασης του παρακάτω δείγματος (Si3N4/SiO2/Si) καθώς και η μέτρηση αναφοράς (μόνο Si). air Si3N4 SiO2 Si Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Μέτρηση με το FR-Monitor – ΙΙ Μετά το fitting: Το φάσμα της κανονικοποιημένης ανακλαστικότητας (μαύρη γραμμή) και η fitted συνάρτηση (κόκκινη γραμμή). > Πολύ καλή σύμπτωση μεταξύ γραμμών > Το πάχος του Si3N4 και του SiO2 υπολογίστηκαν να είναι 138.4nm και 577.3nm αντίστοιχα. Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017

Εισαγωγή στη Νανοηλεκτρονική Τέλος για σήμερα … επόμενη φορά: Οπτικές ίνες Ανάλυση Φωτός Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία Θεωρία: Δευτέρα, 09:00 – 12:00 Εργαστήριο: Τρίτη, 09:00 – 11:00 Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία – ΑΕΙ Πειραιά Τ.Τ. – Σαράφης Παναγιώτης 10/26/2017