Errors Associated With Thin Film Measurements Using XPS at a Single Angle

Význam tématu

Měření tloušťky tenkých vrstev je klíčové v oblasti mikroelektroniky, povrchových úprav a materiálového výzkumu. Správné stanovení tloušťky oxidických a dalších nanovrstev ovlivňuje kvalitu výrobků a spolehlivost analýz. Použití rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) nabízí neinvazivní přístup k charakterizaci, avšak při měření z jediného úhlu může dojít k systematickému podhodnocení tloušťky vrstvy v důsledku rozptylu elektronů.

Cíle a přehled studie

Studie se zaměřuje na kvantifikaci chyb při výpočtu tloušťky tenkých vrstev pomocí XPS při jediném emisním úhlu. Cílem bylo porovnat odchylky výsledků u různých materiálů (SiO2, Al2O3, HfO2) a různých tlouštěk vrstev a ukázat výhody úhlově rozlišeného měření (ARXPS).

Použitá metodika a instrumentace

Metodika vychází z měření intenzity fotoelektronových píků při různých emisních úhlech. Pro experimenty byly využity přístroje Thermo Scientific Theta Probe a Theta 300, které umožňují volbu emisního úhlu v rozmezí přibližně 23° až 90°. Pro simulaci jednosměrného měření byl uvažován pevný úhel 45° ± 20°.

Hlavní výsledky a diskuse

1. Jednoúhlové měření systematicky podhodnocuje tloušťku vrstvy v důsledku elastického rozptylu elektronů ve vrstvě.
2. Velikost chyby závisí na:

• émisním úhlu přístroje,
• materiálovém složení vrstvy (SiO2, Al2O3, HfO2),
• skutečné tloušťce vrstvy.

3. U tenkých vrstev lze použít širší úhlové rozmezí bez významné chyby, u silnějších vrstev je nutné omezení rozmezí na menší úhly.
4. Grafické vyhodnocení ukázalo, že chyba roste s úhlem a s tloušťkou vrstvy, přičemž HfO2 vykazovalo nejvyšší relativní odchylku.

Přínosy a praktické využití metody

Úhlově rozlišené XPS měření (ARXPS) umožňuje:

• minimalizovat systematické chyby při stanovení tloušťky,
• optimalizovat výběr emisního úhlu podle očekávané tloušťky vrstvy,
• dosáhnout vyšší přesnosti a reprodukovatelnosti výsledků v QA/QC a výzkumu.

Budoucí trendy a možnosti využití

1. Vývoj pokročilých modelů rozptylu elektronů a jejich integrace do softwaru pro zpracování XPS dat.
2. Kombinace ARXPS s počítačovými simulacemi a strojovým učením pro automatické korekce měření.
3. Rozšíření detekčních technologií a použití víceúhlových detektorů pro rychlejší a robustnější analýzu.

Závěr

Pro přesné stanovení tloušťky tenkých vrstev pomocí XPS je nezbytné vzít v úvahu elastický rozptyl elektronů. Jednoúhlové měření může vést k významnému podhodnocení výsledků. Úhlově rozlišená metoda ARXPS poskytuje flexibilnější přístup a umožňuje minimalizovat tyto chyby při volbě vhodného úhlového rozmezí.

Reference

• Thermo Fisher Scientific, Application Note 31016, 2008