نانوفناوری و اندازه‌گیری ضخامت فیلم‌های نازک

در حال حاضر ساخت نانودستگاه‌های نیمه‌رسانا در نقطه عطف خود قرار دارد؛ تکنیک انقباض دو بعدی (2D shrinkage)، گرچه هنوز روش ترجیحی برای کوچک سازی به شمار می‌رود، در حال جایگزینی با تکنولوژی انباشت سه بعدی (3D stacking) است که منجر به رقابت برای کوچک سازی ابزارها با هزینه رقابتی می‌شود. این امر منجر به ایجاد تغییراتی در طراحی سیستم می‌شود که در قالب مواد و هندسه‌های جدید و پیچیده بیان می‌شوند. لایه‌های نازک در حال تبدیل شدن به لایه‌های فوق نازک، موضعی شدن بیشتر، در برگیرنده تغییرات گسترده مواد، و اثرات متقابل در مقیاس‌های کوچکتر هستند. این تغییر پارادایم نیازمند ابزارهای اندازه‌گیری با هوشمندی و دقت بیشتر برای شناسایی، تجزیه و تحلیل بوده و البته نیازمند یک رویکرد چند منظوره در متدولوژی است.

شرکت XwinSys با شناسایی روند بازار نیمه‌رساناها و بررسی تفاوت‌های میان راه‌حل‌های موجود و نیازهای در حال پیدایش، فناوری XRF جدیدی تحت عنوان NMT، ”اندازه‌گیری ضخامت فیلم نازک چند لایه با کاهش نویز (Noise-reduced Multilayer Thin-film measurement)“، توسعه داده است. این رویکرد نوآورانه می‌تواند برای بررسی چند منظوره، اندازه‌گیری و آنالیز لایه‌های فوق نازک موضعی تا حدود یک آنگستروم استفاده شود.

شکل (1) سیستمXwinSys Onyx.

برخلاف سایر سیستم‌های XRF که به دلیل سطح بالای نویزهای پس زمینه دارای محدودیت هستند، تکنولوژی جدید (NMT) با بکارگیری رویکردهایی باعث بهبود نسبت S/N شده که منجر به کاهش نویز پس زمینه و ایجاد سیگنال با کیفیت بالا می‌شود. این رویکردها عبارتند از:

1. استفاده از آشکارساز دریفت سیلیکون (silicon drifted detector) منحصربفرد با طراحی جدید، تمرکز بر عناصر سبک، به منظور تجزیه و تحلیل عناصر با وضوح بیشتر.

2. جایگزینی اتمسفر بین سنسورهای اشعه ایکس و ویفر با گاز هلیوم که به طور چشمگیری باعث کاهش نویز سیگنال می‌شود.

3. استفاده از پرتو اشعه ایکس بصورت عمودی که بدون بر هم زدن نسبت S/N کاهش یافته قادر به افزایش فلاکس و کاهش قطر پرتو ورودی است.

4. استفاده از الگوریتم منحصر به فرد طراحی شده برای حذف نویز پس زمینه از سیگنال عنصری.

شکل (2) ماژول XwinSys XRF.

هنگام استفاده از تکنیک‌های اپتیکی متداول برای آنالیز لایه‌ها با ضخامت کمتر از 50 آنگستروم، دانسیته، ضریب شکست و ضریب تضعیف (extinction coefficient) بسیار غیر قابل پیش بینی است. برای تعیین ضخامت مطلق لایه نازک، محاسبه‌ی بسیار دقیق این ثابت‌ها ضروری است. در فیلم‌های چند لایه آنالیز مقادیر این ثوابت بسیار چالش برانگیز است. عدم حساسیت به دانسیته، ضریب شکست و ضریب تضعیف از مزایای فیزیک اشعه ایکس است؛ بنابراین مقادیر ضخامت فیلم مستقل از تغییرات ثوابت فوق‌الذکر است و در نتیجه امکان ارزیابی مطلق با تکنیک NMT وجود دارد.

شکل (3) ساختار یک لایه فوق نازک چند لایه.

لایه نازک بیشتر مواد (از قبیل فلزات، آلیاژها، شیشه و ...) بصورت شفاف یا نیمه شفاف هستند. اما بعضی از مواد در یک ضخامت مشخص غیر شفاف شده و دیگر امکان ارزیابی ضخامت با روش اپتیکی وجود ندارد. تکنولوژی NMT امکان اندازه‌گیری دقیق ضخامت هر دو دسته مواد (شفاف و غیر شفاف) را ممکن می‌سازد. در حال حاضر امکان آنالیز لایه‌های نازک و فوق نازک در مقیاس کوچک نیز با استفاده از تکنولوژی جدید NMT دست یافتنی شده است. ضمن اینکه برای اولین بار یک ابزار سنجش مبتنی بر اشعه ایکس به روشی قابل اعتماد برای کنترل ضخامت لایه‌های فوق نازک مبدل شده است.

شکل (4) نتایج سیستم XwinSys با استفاده از تکنولوژی NMT برای لایه فوق نازک یک نمونه فلزی. ضخامت‌های اندازه‌گیری شده عبارتند از: 1، 2، 5 و 10 آنگستروم. نمودارها دقت و صحت نتایج را نشان می دهد.