Введение к работе
Актуальность темы. Многослойные структуры (МС), состоящие из чередующихся тонких пленок разных кристаллических или аморфных веществ, представляют собой новый класс материалов, обладающих важными оптическими, электрическими, магнитными и сверхпроводящими свойствами. Эти свойства МС определяют их использование во многих приложениях. В частности, на основе МС созданы рентгеновские зеркала, используемые в астрофизике, физике плазмы, спектроскопии, рентгеновской литографии и многих других областях исследования. Другой областью широкого применения МС является различные полупроводниковые устройства: лазеры, генераторы СВЧ, солнечные элементы, интегральные микросхемы и многие другие.
Для получения МС с высокими рабочими характеристиками необходим тщательный контроль их параметров (толщина, состав, высота шероховасти слоев и др.). Одним из наиболее распространенных способов контроля качества тонких пленок и МС являются рентгеновские методы, основанные на измерении угловой зависимости зеркального отражения и индикатрисы рассеяния. Как правило, экспериментальную основу этих методов составляют рентгеновские дифрактометры, которые широко используются в исследовательских лабораториях и выпускаются промышленностью в значительном числе. Подобные дифрактометры позволяют достоверно определить параметры МС, если образец имеет заметные размеры, плоскую форму и относительно простую структуру (состоит из небольшого числа слоев в периоде). Однако в лабораторных измерениях часто приходится иметь дело с образцами небольших размеров и неправильной формы. Для работы с такими образцами в настоящей работе развивается 2-х волновая методика, которая, позволяет увеличить объем информации, получаемый при одном измерении и исключить влияние формы и размеров образца на получаемые результаты.
Важной характеристикой МС является шероховатость поверхности. Рассеяние носителей тока на границе раздела снижает характеристики полупроводниковых гетероструктур. Большое влияние оказывает шероховатость и на коэффициент отражения многослойных зеркал рентгеновского диапазона. В частности для области "водяного
окна"(Л = 2.4 - 4.4 нм) высота шероховатости ~ 0.3 нм уменьшает коэффициент отражения в ЪА раза. Особое значение имеет шероховатость подложки, поскольку последующие слои в значительной степени повторяют неровности подложки и, во многих случаях, усиливают их. В связи с этим вопрос о разработке простых и точных методов определения шероховатости является очень актуальным.
Для создания высокоотражающих многослойных покрытий, работающих в различных областях рентгеновского диапазона, необходимо знание оптических констант материалов 8 и /3, которые связаны с комплексным показателем преломления соотношением п = 1 — 8 + if}. Точность информации об оптических константах определяет качество проектирования многослойных рентгеновских зеркал и других оптических устройств рентгеновского диапазона. В настоящее время имеются атомные таблицы оптических констант всех элементов. Однако эти данные не затрагивают важной области JI > 20 нм и дают лишь очень схематическое описание частотной зависимости оптических констант в области краев поглощения элементов. Вопрос становится еще более сложным для химически активных материалов, (редкоземельных, щелочных, переходных и.т.д.), которые быстро окисляются на воздухе. Окисный слой в таких материалах имеет большую толщину, поэтому измерения, выполненные на воздухе без запщты образца, дают оптические константы скорее оксида, чем чистого материала.
Цель работы. Разработка метода определения параметров многослойных структур по угловой зависимости отношения коэффициентов отражения, полученных из 2-х волновой рефлектометрии. Определение спектральной функции шероховатости сверхгладких поверхностей с помощью 2-х волновой рефлектометрии. Разработка нового метода определения оптических констант, позволяющего определять оптические константы химически-активных материалов в области мягкого рентгена и вакуумного ультрафиолета.
Научная новизна и практическая значимость работы. Проведенные исследования имеют прямую практическую направленность. Они связаны с измерениями параметров гетероструктур в лабораторных условиях, с контролем качества поверхности для электроники и рентгеновской оптики, с разработкой
новых отражающих покрытий для области мягкого рентгена:
-
Создана схема определения параметров многослойных структур по отношению коэффициентов отражения на двух длинах волн. Расчеты, проведенные для различных типов пленочных структур, показали, что 2-х волновая рефлектометрия в комбинации с разработанной схемой вычислений позволяют определять толщину, плотность и высоту шероховатости слоев на малых образцах с той же точностью, как и на образцах больших размеров. Данная методика может быть без труда обобщена и на случай одновременного использования трех, четырех и большего числа длин волн. Такое расширение объема информации, получаемой за одно измерение, дает возможность заметно повысить точность определения параметров и, что более существенно, включить в число изучаемых объектов сложные неоднородные структуры, недоступные для стандартной рефлектометрии на отдельных или последовательно выбираемых линиях спектра.
-
Рассмотрено поведение спектральной функции шероховатости в области малых переданных импульсов, где имеют место как зеркальное отражение от изогнутой поверхности образца, так и диффузное рассеяние. Наше аналитическое исследование показало, что зеркальное отражение приводит к специфической зависимости спектральной функции от длины волны рентгеновского излучения. На этой основе разработан новый метод определения спектральной функции поверхности, который надежно разделяет вклады процессов диффузного рассеяния и зеркального отражения.
3. Предложен новый метод определения оптических констант
материалов. Экспериментальные и теоретические особенности метода
исключают загрязнение образцов атмосферными газами и дают
возможность определять ВУФ оптические константы химически
активных. Предложенный метод точен, прост в использовании и
не требует дорогой экспериментальной установки. В интервалах
высокой и средней прозрачности с его помощью можно проводить
определение показателя преломления, не используя соотношение
Крамерса-Кронинга.
Основные результаты и выводы выносимые на защиту:
1. Разработан рассчетный метод определения параметров
многослойных наноструктур по данным измерения коэффициента отражения на двух длинах волн. Метод позволяет работать с образцами малых размеров и неправильной формы.
2. Предложен функционал невязки и разработан метод, который
дает возможность оценивать погрешность определения
параметров многослойных структур.
3. Разработана методика определения шероховатости сверхгладких
поверхностей с помощью использования двух длин волн.
Показано, что применение 2-х волновой методики позволяет
достоверно отделить зеркальное отражение падающего
расходящегося луча от рассеяния на шероховатости. Это
позволяет резко повысить точность определения шероховатости
поверхности и одновременно измерять ее кривизну.
-
Разработан новый метод определения оптических констант в мягком рентгеновском диапазоне длин волн. Согласно методу, измерения проводятся на серии тонких пленочных образцов покрытых идентичным защитным слоем и нанесенных на кремниевые фотодиоды, что важно для измерения химически активных материалов, легко окисляющихся в атмосфере.
-
Выведены новые уравнения для комплексных амплитудных коэффициентов отражения и пропускания многослойной структуры, выделяющие вклад исследуемого материала и максимально учитывающие специфику задачи. Использование этих уравнений дает возможность точно определить оптические константы материала по результатам измерений спектров отражения и пропускания идентично защищенных пленок разной толщины.
-
Впервые определены оптические константы Sc и Ті в диапазоне энергий hu = 18 - 70 эВ и 18 — 99 эВ соответственно.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 статьи в научных журналах и 5 статей в трудах конференций.
Апробация работы. Основные результаты работы
5ыли доложены на: международной научной конференции
"Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий"(Москва-Сочи 2001 г.); 6-ой международной конференции по физике многослойных рентгеновских структур (Шамони Франция 2002 г.); Научной сессии МИФИ-2004 (Москва 2004 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 56 наименований. Она содержит 112 страниц, включая 20 рисунков.