박막 두께의 측정

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■ 박막 및 박막두께

■ 박막 및 박막두께

■ 막두께 측정법

본문내용

발생하는 층은 작은 각도에 의해 기울어진 두 광학 평면 사이의 간극에 의해 형성되고, 그 중 하나는 측정하려는 막을 떠받치고 있고, 이것이 그 면 위에 일종의 계단을 형성한다. 측정 부위의 박막은 반사도가 좋은 물질, 예를 들면 반사율이 94% 이상되는 Al 같은 것을 계단 위, 아래에 도포시켜서 간섭무늬가 잘 보이도록 한다.
평행 광속이 45°각도로 반투과 거울(그림에서 P)에 단색광을 쏘이고, 이 빛의 일부가 간섭장치에서 반사된다. 이 장치에서 같은 두께의 간섭 무늬가 저배율의 현미경으로 봤을 때 반파장씩 분리되어 나타나다. 박막 경계에 코팅된 두 반사 Al막은 충분히 높은 반사계수를 갖고, 간격이 작다면, 간섭 무늬는 매우 예리하게 나타날 것이다. 무늬는 계단까지 평행으로 가다가 계단 위치에서 변위하게 된다.
L
이 무늬 사이이고,
DELTA L
이 무늬의 변위라면, 박막의 두께는 다음과 같다.
t = DELTAL / L · lambda /2
여기서,
lambda
는 단생광의 파장이다. 이 장치의 정밀도는 ±0.8㎚로 5㎚의 두께를 측정 가능하다.
운동량 수송을 사용한 증착률의 모니터링
이 경우에 모니터링을 위해 적용한 성격은 변위가 기록되는 가동판 위에 입사하는 입자의 운동량을 측정하는데 있다. 비틀림 선에 매달려 있는 원통의 반쪽 위로 증착원으로부터 나온 입자들이 입사한다. 나머지 원통의 반은 셔터로 가려져 있다.
어떤 분자선 속에 의해 회전자에 전달된 운동량은 그 원통의 각 변위를 일으킨다. 이것에서 여러 그 장치의 인자를 적용해서 입사입자의 흐름을 계산할 수 있다. 그래서 측정된 데이터로부터 증착된 필름의 두께를 계산하고자 한다며, 주어진 표면상의 물질의 응축계수를 알아야 한다. 이 값은 온도와 시간에 의존한다.
만약에 응축계수는 모르지만 다른 방법, 즉 천칭이나 광학적 방법으로 그 두께를 구할 수 있다면 이 계수를 결정하는데 그 방법을 사용할 수 있다.
특수한 두께 모니터링 방법
기계적인 방법으로 막의 두께를 측정하는 방법에는 스타일러스 방법이 있다. 이 방법의 장치는 상업적으로 Talysurf, Dectack, 그리고 α-step으로 알려지고 있고, 반지름이 0.7 내지 2㎛인 다이아몬드 팁(tip)이
500kP/cm^2
의 압력으로 면을 누르고 있다. 이 정도의 압력은 다지 0.1
g
의 작은 질량에 해당한다. 그리고 그 면을 가로질러 그 팁이 이동한다. 그 면의 불규칙성 때문에 생긴 그 팁의 상하 운동은 전기적 신호로 바뀌게 그리고 증폭되고 기록된다.
기록된 예가 아래 그림이다. 이 방법으로 기록된 최소 두께의 차이는 ±
2%
의 정밀도로 2.5nm 이다. 또한, 표면의 두께 분포를 알 수 있고, 상당한 정확도로 즉석에서 바로 표면구조를 알 수 있다. 그러나 이것은 좁은 틈과 동굴을 기록하지 못한다. 그것은 팁 표면 접촉이 비교적 넓은 면적이기 때문이다. 광간섭 방법에 비해서 이것은 부가적인 층을 시편에 도포할 필요가 없다. 스타일러스 방법으로 구한 결과는 askg은 시험을 통해 간섭 측정의 것과 아주 잘 일치한다.
ESCA를 이용한 박막의 두께 측정
박막이 ESCA로 관찰할 수 있는 깊이 이내의 두께를 가질 때에는 ESCA에 의한 박막의 두께 측정이 가능해진다. 그림에서 S는 박막 F를 입히는 데에 사용한 기질이고 O는 박막 위에 생긴 덧층(overlayer, 주로 진공 중에 존재하는 탄화수소로 인한 불순물 층)이라고 하자.
l_f
와
l_s
는 각각 박막과 기질을 구성하는 원자로부터 나오는 광전자 신호의 세기이다. 이륙각 θ를 변화시킴에 따라 채집 깊이가 달라지며 이 때 박막의 두께 d는 이륙각 θ와 다음의 관계에 있다.
l_f / l_s = R·[exp{d/(λsinθ)} - 1]
여기서 R은 기질 원소의 원자량
W_s
, 박막 원소의 원자량
W_f
, 박막의 밀도
ρ_f
, 기질의 밀도
ρ_s
, 박막에서의 전자의 평균 자유 행로
l_f
, 기질에서의 전자의 평균 자유 행로
l_s
에 의해 다음과 같이 표현된다.
R = (W_s /W_f ) (ρ_f /ρ_s ) (λ_f /λ_s )
그러므로 평균 자유 행로를 알고 여러 이륙각에 대한
l_f / l_s
를 측정함으로써 박막의 두께를 계산할 수 있게 된다.
Model for overlayer thickness determination via angle- resolved XPS
PV(Peak Valley)법에 의한 두께 측정
광의 간섭효과를 이용한 막 두께 측정기기 중 가장 일반적인 것이 Peak Valley 법(PV법)이다. 그 원리는 간단하다. 막 표면에서 반사된 광과 매체의 표면에서 반사된 광이 상호 간섭을 일으켜 광의 입상이 일치하면 강도가 강해지고, 어긋나면 약해지는 성질을 이용하고 있다. 때문에 파장의 변화에 따라 반사강도가 달라지는 간섭패턴이 스팩트럼 상에서 관측된다. 이 패턴의 Peak, Valley 파장을 가지고 막 두께를 구하는 것이 PV법이다.
광은 막 층을 2회 통과하여 합성되므로, n=굴절율, d=는 두께라고 하면, 광로차가 2nd 만큼 생긴다. 굴절율이 필요한 이유는 막 층 속에서는 광의 전달속도가 n배만큼 늦어지기 때문이다. 최종적으로는 반사광의 위상이 어떻게 변화했느냐 하는 것이 중요한 포인트가 된다. 즉, 굴절율이 큰 매체의 반사에서는 위상은 변화하지 않으므로, 파장의 정수배가 광로차 2nd 가 되는 파장이 Peak가 된다. 반대로 낮은 매체의 반사에서는 180도의 어긋남이 생긴다. 즉, 공기/막/공기 상태에서는 표면에서 위상이 180도 어긋남으로써 파장의 정수배 광로차 2nd 가 Valley가 된다. 굴절율을 미리 알고 있다면 이 관계를 가지고 막 두께를 구할 수 있다. 또한 광로차 2nd의 정수배 파장이 Peak인지 Valley인지에 따라 굴절율의 대소도 판정할 수 있다. 또한 Peak, Valley 이외의 파장에 있어서도, 각 파장의 반사강도와 이론치를 커브·피팅 시킴으로써 막 두께 값과 동시에 굴절율도 구할 수 있습니다.
참고문헌 : <박막공학의 기초(최시영, 2002, 일진사)> <표면공학(김선규, 2003, 斗陽社)>

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