CN101091101A - 通过俄歇电子能谱测量纳米薄膜厚度的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种测量衬底上的超薄多层膜厚度的系统和方法。建立了超薄多层结构和纳米多层结构俄歇电子发射的物理模型。根据物理模型推导出用于多层薄膜厚度的俄歇电子能谱(AES)测量的数学模型。首先对一系列校准样品进行AES分析。将结果输入到数学模型以确定数学公式中的参数。参数可以通过替代技术的相关测量进行校准。对超薄多层膜结构进行AES分析。将结果输入到数学模型并计算厚度。

Description

通过俄歇电子能谱测量纳米薄膜厚度的方法

技术领域

[0001]本发明涉及到衬底上的薄膜。本发明特别涉及到俄歇电子能谱测量衬底上的超薄膜的厚度方面的使用。

背景技术

[0002]在纳米技术的发展过程中，厚度小于5纳米的超薄膜的应用不断增加。这种超薄膜的精确厚度对于多层纳米结构以及纳米器件制造的技术规范的基础研究是很重要的。例如，在用于硬盘驱动器(HDD)的磁头的生产中，一种超薄类金刚石碳(DLC)膜被涂覆在滑块衬底上，其间用超薄硅(Si)膜做过渡层，从而保护读/写传感器。随着HDD记录密度迅速增加到80G比特/平方英寸，滑块在盘上的浮动高度已经减少到约10nm。相应地，DLC和Si层的厚度必须减少到1.5～2.5nm，而超薄膜厚度的精确测量在高级巨磁阻(GMR)磁头的研究和制造中成为关键因素。现有技术中存在有几种能够在一定程度上满足上述需要的纳米度量技术。

[0003]如图1a所示，原子力显微镜(AFM)可以通过用AFM尖扫描膜102上光致抗蚀剂产生的沟槽108的深度，来测量涂覆在衬底104上的超薄膜102的厚度。AFM在X-轴和Y-轴具有10nm的分辨率，而在Z-轴的分辨率为0.1nm。AFM的缺点是它要求精细的样品制备，并且只能测量单层的厚度或多层膜的组合整体厚度。因此AFM的实用性只限于校准应用。

[0004]如图1b所示，透射电子显微镜(TEM)是一种测量超薄类金刚石碳(DLC)层厚度的高级技术。TEM在纳米尺度尺寸测量中是很有效的，能够以百万分之一的分辨率甚至以空间分辨率约0.1nm的更高的放大倍数直接观察和测量超薄膜的厚度。但是，该方法需要通过聚焦离子束(FIB)形成一个横截面，然后通过TEM测量样品厚度，样品制备复杂且耗时。这样一种“破坏性”测量在许多情况下是不理想的并且不适合纳米器件生产的常规质量监测。

[0005]用于化学分析的电子能谱(ESCA)是第三种已知的纳米薄膜厚度测量技术。ESCA是一种用于测量硅芯片上类金刚石碳厚度的非破坏性方法，测量区域分辨率约1mm，在某些情况下可达到10微米。如图1c所示，样品有一个包含Al₂O₃TiC的衬底110，衬底上覆盖有硅层112和DLC层114。在这种ESCA方法中，入射X-射线光子116促使光电子从DLC层114的表面以特定角度(θ)发射。利用样品中硅(Si％)、铝(Al％)和碳(C％)的浓度，浓度是从ESCA测量的Si、Al和C光电子信号强度计算得到的，可以通过以下公式确定DLC层114的厚度d：

d＝λsinθ·ln(1+αR)

$\mathrm{\α}=A\·\frac{B{R}^{\′}}{1+B{R}^{\′}},$ $R^{\′}=\frac{\mathrm{Si}\%}{\mathrm{Al}\%},$ $R=\frac{C\%-J*\mathrm{Si}\%}{\mathrm{Si}\%}$

$A=\frac{I_{\mathrm{Si}}^{\∞}}{I_C^{\∞}},$ $B=\frac{I_{\mathrm{Al}}^{\∞}}{I_{\mathrm{Si}}^{\∞}}$

其中变量α代表强度因子，变量R和R’代表修正因子，变量λ代表通过碳层的Si光电子的衰减长度，而J代表Si层中SiC的比率。使用相同的输入，硅层112的厚度d’可以利用以下公式确定：

d′=λ′sinθ·ln(1+Br)

$r=\frac{\mathrm{Si}\%}{\mathrm{Al}\%}$

变量r代表修正因子，而变量λ’代表通过硅层的Al光电子的衰减长度。但是，ESCA方面的区域分辨率通常在毫米量级，而且分辨率最好约10微米。因此，该技术不适用于低至亚微米级或甚至纳米尺度的小面积区域的厚度测量，而这对于亚微米器件或纳米器件的研究和制造是绝对重要的。

[0006]俄歇电子能谱(AES)深度剖析法可以用来测量超薄膜的相对厚度。AES是一种基于“俄歇效应”的高级的固体表面分析技术。俄歇过程是通过高能初级电子束去除一个核心电子，产生一个带有内层空位的离子而开始的。在出射离子的松弛过程中，来自较高能级的电子填充内层空位，同时发射另一个高能级电子，称为“俄歇电子”。俄歇电子的动能由相关的3个能级的能量差决定，并且是发生俄歇过程的原子的特征能量。俄歇电子能谱绘制(plot)所检测的电子数量，作为电子动能的函数的曲线。通过俄歇峰的能量位置识别元素，而元素浓度与它的俄歇信号强度相关。此外，理论和试验研究已经表明俄歇电子发射的平均自由路径小于5nm，意味着AES只能检测到几个到十几个的原子层。AES因此用于固体表面的基本成分分析。表面的AES和氩离子束蚀刻可以结合起来进行合成深度剖面分析。因此，可以利用现有的校正的溅射速率，通过记录去除薄膜层的氩离子溅射时间而得到薄膜的厚度。该法也是一种破坏性方法，并且某种材料的精确溅射速率通常很难获得。

[0007]最后，用于测量镍-铁合金衬底上的钴薄膜的厚度的AES物理-数学模型已经报道。如图1d所示的一个实例包含施加薄膜层120的衬底118。衬底可以是镍-铁合金，有钴薄膜层120。俄歇电子124的发射方向和法线之间的夹角122是43°。AES物理-数学模型法可用来确定薄膜层120的厚度126。数学模型如下：

$t={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Ni}}^{\mathrm{Co}}\cos \mathrm{\θ}\ln (\frac{I_{\mathrm{Co}}}{\mathrm{\α}*I_{\mathrm{NiFe}}}+1)$

$\mathrm{\α}=I_{\mathrm{Co}}^{\∞}/I_{\mathrm{NiFe}}^{\∞}$

变量λ_Ni ^Co代2表衬底118中通过Co层120的Ni元素的俄歇电子的衰减长度。该法只适用于镍-铁合金衬底上的单层钴膜。

[0008]所需要的是一种测量约100nm²的区域中的单层或双层超薄膜(≤5nm)层的方法。例如，在制造计算机硬盘驱动器(HDD)的关键部件磁记录头时，滑块表面覆盖一层超薄类金刚石碳薄膜(DLC)，Si作为DLC和Al₂O₃-TiC衬底之间的过渡层。滑块在盘上的浮动高度现在降低到约10nm。将DLC和Si层的厚度控制在2.Snm和1.5nm之间对于磁头的生产变得很关键。同时，滑块的关键部件-写和读传感器是亚微米或纳米尺度的，对于高技术生产而言，使纳米度量技术用于双层超薄膜的精确厚度测量是极为重要的。此外测量应该不需要复杂的样品制备就能进行，或者是非破坏性的和足够有效的，从而满足工业测试需要。

附图说明

[0009]图1a-d表示本领域已知的不同的薄膜层测量方法。

[0010]图2表示根据本发明的物理模型。

[0011]图3表示根据本发明的AES装置的一个实施例。

[0012]图4用流程图表示了用于测量薄膜层的方法的一个实施例。

[0013]图5用框图表示了四个不同测量区域的定位。

具体实施方式

[0014]公开了一种用于测量衬底上超薄多层膜结构厚度的系统和方法。建立了纳米多层结构的俄歇发射的物理模型。根据物理模型推导出超薄膜厚度的俄歇电子能谱(AES)测量的数学模型。通过对一系列校准样品进行AES测量，确定了数学模型中的参数。通过将该结果和由替代技术，如透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)以及用于化学分析的电子能谱(ESCA)的相关测量得到的结果进行比较以校准参数，建立物理模型。对实际样品进行AES分析，以测量超薄多层膜结构中有关元素的信号强度。将测量结果输入到数学模型并计算厚度。

[0015]图2表示本发明所使用的物理模型的一个实施例的示意图。创建了具有双层超薄膜的衬底(Z)220的物理模型210。在一个实施例中，超薄膜层包含第一层230或X层和第二层240或Y层。在一个实施例中，第一层230是类金刚石碳(DLC)层，第二层240是硅层，硅层位于作为衬底220的由Al₂O₃TiC构成的导电陶瓷层上。

[0016]图3用框图表示了根据本发明的AES装置的一个实施例。衬底302被装入样品架，这样可以快速连续测试多个衬底。场发射初级电子枪304发射束能量约在1和20KeV之间的电子束，并且电子束束斑尺寸精细聚焦到约10nm，这确保超高空间分辨率，以满足亚微米或纳米尺度表面分析的要求。由入射初级电子从多层衬底的表面射出俄歇电子，随后俄歇电子被导入到电子能量分析仪，如柱面镜分析仪(CMA)306，并进行能量分析。俄歇电子通过CMA306并且被俄歇电子多通道探测器308采集。电子探测器308放大来自电子倍增器的信号，然后将信号转送到一台在线计算机。在线计算机作为一个x-y记录仪或示波器测量信号强度，以便利用从物理模型推导出的数学模型执行多层超薄膜厚度的计算。在一个实施例中，首先对一系列按照多层超薄膜结构的物理模型制备的校准样品进行测试，以确定数学模型中的参数。

[0017]在另外一个实施例中，通过将测量结果与使用原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)和/或用于化学分析的电子能谱(ESCA)的测量结果相比较，来校准参数。表1表示了结果比较的一个例子

表1用AFM和ESCA数据校准的参数

强度比	ABS(Al2)	Ni-Fe(Ni1)	Ni-Fe-Co(Co1)	引线(Au3)
					a′	0.946	2.319	2.043	5.529
a″	1.090	1.011	1.011	1.011

修改因子	ABS(Al2)	Ni-Fe(Ni1)	Ni-Fe-Co(Co1)	引线(Au3)
					R	1.000	1.420	1.420	1.652
R’	1.000	1.263	1.263	0.937

平均自由路径	ABS(Al2)	Ni-Fe(Ni1)	Ni-Fe-Co(Co1)	引线(Au3)
					λSi DLC	3.100nm	3.1nm	3.1nm	3.1nm
λSubstrate Si	2.400nm	1.951nm	1.951nm	1.260nm

[0018]参数确定后，参数和数学模型被输入到安装在AES的在线计算机322的软件中。分别利用实验得到的衬底、第一和第二层材料的俄歇信号强度计算超薄膜的厚度。

[0019]根据图2所示的物理模型，按照以下方法可以推导出衬底上双层薄膜的AES测量的数学模型。

在上述推导过程中，变量“C_A”代表元素A的浓度。变量“λ_A”代表俄歇电子的衰减长度。变量“θ”代表发射角，它是表面法线和探测器方向之间的夹角。变量“σ_A”代表俄歇过程的横截面。变量“T(E)”代表透射因子，它是俄歇电子动能E的函数。变量“D(E)”代表电子倍增器的检测效率，该因子随时间变化。变量“r_M”代表电子后向散射因子，它与基质有关。变量“I₀”代表初级电流。

[0020]图4是表示根据本发明确定超薄膜厚度方法的一个实施例的流程图。过程从设计超薄多层膜结构的物理模型(方块410)开始(方块405)。然后，根据物理模型结构推导用于计算超薄多层膜结构的厚度的数学模型(方块415)。如果超薄多层膜结构的厚度(d)大于5nm(方块420)，第一层的厚度(t)用下列公式建模(方块425)：

$t={\mathrm{\λ}}_Y^X\cos \mathrm{\θ}\ln (1+{\mathrm{\α}}^{\′\′}\·R).$

如果超薄多层膜结构的厚度(d)小于或等于5nm(方块420)，第一层的厚度(t)用下列公式建模：

$t={\mathrm{\λ}}_Y^X\cos \mathrm{\θ}\·\ln (\mathrm{\α}\·R+1)$

并且第二层的厚度(d-t)用下列公式建模(方块430)：

$(d-t)={\mathrm{\λ}}_Z^Y\cos \mathrm{\θ}\ln ({\mathrm{\α}}^{\′}\·R^{\′}+1).$

对一系列校准样品进行AES测量，测量已知厚度的多层结构中有关元素的信号强度(方块435)。然后，将得到的数据输入数学模型中以确定数学公式中的所有参数(方块440)。通过将计算的厚度与由TEM、AFM和ESCA提供的结果进行比较来校准参数(方块445)。一旦所有的适当参数都确定并校正后，就可以认为物理-数学模型已经确立。然后对实际的超薄膜结构样品进行AES测量(方块450)。利用数学模型计算厚度(方块455)，完成整个过程(方块460)。

[0021]这种测量技术可应用于数据存储工业，如硬盘驱动器(HDD)的批量生产、GMR头制造、头质量常规监测、故障分析、研发以及其它方面。

[0022]在一个实施例中，纳米度量法被应用到HDD的GMR头上的超薄DLC和Si涂层厚度的测量中。图5用框图表示了四个不同测量区域的定位。批量生产的条块510，尺寸通常为1×40mm，是从磁记录晶片上切割出来并涂覆超薄DLC膜。硅作为DLC和衬底材料Al₂O₃-TiC之间的过渡层，用来保护磁极区(读/写传感器)。然后通过光刻在每个滑块(1×1mm)上形成空气轴承表面(ABS)520。AES、ESCA、AFM和TEM分别被应用到DLC和Si厚度测量中。DLC/Si层的目标厚度分别为1.5nm到4.0nm的范围。位于AL₂O₃TiC衬底(条块，尺寸1×40mm)和滑块(0.2-0.5mm)的ABS上、Ni-Fe合金530(写和读传感器的屏蔽，1-5μm)上，以及Au/Cu衬底540(引线材料，40nm)上的DLC和Si厚度测量结果列于表2中。

表2 AES、ESCA、AFM和TEM数据比较

测量面积	条块(无ABS)			滑块/条块上ABS			屏蔽			引线
													方法	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计
目标()	25	10	35	25	10	35	25	10	35	25	10	35
													AES数据()	24.7	30.6	55.3	24.7	30.6	55.3	29.8	30	59.8	28.6	32.7	61.3
ESCA数据()	29.2	25.7	54.9	---	---	---	---	---	---	---	---	---
													AFM数据()	---	---	57.9	---	---	57.9	---	---	57.9	---	---	57.9
TEM数据()	---	---	60	---	---	60	---	---	60	---	---	60

测量面积	条块(无ABS)			滑块/条块上ABS			屏蔽			引线
													方法	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计
目标()	10	25	35	10	25	35	10	25	35	10	25	35
													AES数据()	15	35.6	50.6	15	35.6	50.6	12.6	40.8	53.4	14.8	40.4	53.2
ESCA数据()	11.9	37.2	49.1	---	---	---	---	---	---	---	---	---
													AFM数据()	---	---	50.5	---	---	50.5	---	---	50.5	---	---	50.5
TEM数据()	---	---	48	---	---	48	---	---	48	---	---	48

测量面积	条块(无ABS)			滑块/条块上ABS			屏蔽			引线
													方法	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计
目标()	40	25	65	40	25	65	40	25	65	40	25	65
													AES数据()	48.9	---	---	48.9	---	---	47.4	---	---	44.6	---	---
ESCA数据()	37.3	44.2	81.5	---	---	---	---	---	---	---	---	---
													AFM数据()	---	---	82.2	---	---	82.2	---	---	82.2	---	---	82.2
TEM数据()	---	---	78	---	---	78	---	---	78	---	---	78

测量面积	条块(无ABS)			滑块/条块上ABS			屏蔽			引线
													方法	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计	DLC	Si	总计
目标()	25	40	65	25	40	65	25	40	65	25	40	65
													AES数据()	49.5	---	---	49.5	---	---	47.5	---	---	50	---	---
ESCA数据()	28.2	50.8	79	---	---	---	---	---	---	---	---	---
													AFM数据()	---	---	83.7	---	---	83.7	---	---	83.7	---	---	83.7
TEM数据()	---	---	84	---	---	84	---	---	84	---	---	84

TEM和AFM被用作校准测量，因为它们要求复杂的样品制备，并且是破坏性测量方法。AES和ESCA是非破坏性的测量方法，并且不需要复杂的样品制备。但是，由于空间分辨率差，ESCA只能测量没有ABS的条块上的DLC/Si厚度。相反，AES是唯一具备所有优点的测量方法，它兼有非破坏性、非复杂样品制备的优点、有效并能够测量包含条块、滑块的ABS、磁极区乃至GMR传感器和引线的纳米区域在内的所有区域。

Claims (20)

1.一种厚度测量方法，包含：

对衬底上的薄膜层进行俄歇电子能谱分析；

采集一组薄膜层的俄歇电子能谱数据；

利用预先确定的数学模型对该组数据进行计算；并且

根据计算确定薄膜层的厚度。

2.权利要求1的厚度测量方法，其中至少具有组合厚度的第一薄膜层和第二薄膜层被施加到衬底上。

3.权利要求2的厚度测量方法，其中两个薄膜层是组合厚度小于或等于5纳米的超薄膜层。

4.权利要求3的厚度测量方法，进一步包含：

利用第一薄膜层(X)和第二薄膜层(Y)之间的衰减长度(λ)、俄歇电子路径和法线的夹角(θ)、第一强度比(a)以及第一修正因子(R)，按照以下数学模型确定第一膜层的厚度(t)：

$t={\mathrm{\λ}}_Y^X\cos \mathrm{\θ}\·\ln (a\·R+1);$ 和

利用第二薄膜层(X)和衬底(Y)之间的衰减长度(λ)、俄歇电子路径和法线的夹角(θ)、第二强度比(a’)以及第二修正因子(R’)，按照以下数学模型确定第一膜层的厚度(d-t)：

$(d-t)={\mathrm{\λ}}_Z^Y\cos \mathrm{\θ}\ln (a^{\′}\·R^{\′}+1).$

5.权利要求2的厚度测量方法，进一步包含：

利用第一薄膜层(X)和第二薄膜层(Y)之间的衰减长度(λ)、俄歇电子路径和法线的夹角(θ)、强度比(a”)以及修正因子(R)，按照以下数学模型确定第一膜层的厚度(t)：

$t={\mathrm{\λ}}_Y^X\cos \mathrm{\θ}\ln (1+a^{\′\′}\·R).$

6.权利要求1的厚度测量方法，进一步包含：

建立衬底上薄膜层的物理模型；

推导衬底上薄膜层的俄歇电子发射的数学模型；

利用俄歇电子能谱确定数学模型所用的一组参数的数值；以及

通过使用替代技术进行相关测量，来校准该组参数。

7.权利要求6的厚度测量方法，其中替代测量技术来自于包括原子力显微镜、透射电子显微镜和用于化学分析的电子能谱的组。

8.权利要求6的厚度测量方法，包括改变预先确定的数学模型以用于不同的物理模型。

9.驻留在存储介质中的一组指令，所述指令组能够被处理器执行，从而完成处理数据的方法，该方法包含：

对衬底上的薄膜层进行俄歇电子能谱；

采集一组薄膜层的俄歇电子能谱的数据；

利用预先确定的数学模型对该组数据进行计算；并且

根据计算确定薄膜层的厚度。

10.根据权利要求9的一组指令，其中至少具有组合厚度的第一薄膜层和第二薄膜层被施加到衬底上。

11.根据权利要求10的一组指令，其中两个薄膜层是组合厚度小于或等于5纳米的超薄膜层。

12.根据权利要求11的一组指令，进一步包含：

利用第一薄膜层(X)和第二薄膜层(Y)之间的衰减长度(λ)、俄歇电子路径和法线的夹角(θ)、第一强度比(a)以及第一修正因子(R)，按照以下数学模型确定第一膜层的厚度(t)：

$t={\mathrm{\λ}}_Y^X\cos \mathrm{\θ}\·\ln (a\·R+1);$ 和

利用第二薄膜层(X)和衬底(Y)之间的衰减长度(λ)、俄歇电子路径和法线的夹角(θ)、第二强度比(a’)以及第二修正因子(R’)，按照以下数学模型确定第一膜层的厚度(d-t)：

$(d-t)={\mathrm{\λ}}_Z^Y\cos \mathrm{\θ}\ln (a^{\′}\·R^{\′}+1).$

13.根据权利要求10的一组指令，进一步包含：

利用第一薄膜层(X)和第二薄膜层(Y)之间的衰减长度(λ)、俄歇电子路径和法线的夹角(θ)、强度比(a”)以及修正因子(R)，按照以下数学模型确定第一膜层的厚度(t)：

$t={\mathrm{\λ}}_Y^X\cos \mathrm{\θ}\ln (1+a^{\′\′}\·R).$

14.根据权利要求9的一套指令，进一步包含：

利用衬底上薄膜层的物理模型的俄歇电子能谱，确定预先确定的数学模型中一组参数的数值；以及

使用替代测量技术校准该组参数。

15.权利要求14的一组指令，其中替代测量技术来自于包括原子力显微镜、透射电子显微镜和用于化学分析的电子能谱的组。

16.权利要求14的一组指令，进一步包含改变预先确定的数学模型以用于不同的物理模型。

17.一种测试系统，包含：

俄歇电子能谱装置，用于对衬底上的第一薄膜层和第二薄膜层进行分析；以及

计算机，用于采集来自薄膜层的俄歇电子能谱的一组数据，并利用预先确定的数学模型对该组数据进行计算，从而根据该计算确定薄膜层的厚度。

18.权利要求17的厚度测量系统，其中两个薄膜层是组合厚度小于或等于5纳米的超薄膜层。

19.根据权利要求18的厚度测量系统，其中计算机利用第一薄膜层(X)和第二薄膜层(Y)之间的衰减长度(λ)、俄歇电子路径和法线的夹角(θ)、第一强度比(a)以及第一修正因子(R)，按照以下数学模型确定第一膜层的厚度(t)：

$t={\mathrm{\λ}}_Y^X\cos \mathrm{\θ}\·\ln (a\·R+1);$ 和

利用第二薄膜层(X)和衬底(Y)之间的衰减长度(λ)、俄歇电子路径和法线的夹角(θ)、第二强度比(a’)以及第二修正因子(R’)，按照以下数学模型确定第一膜层的厚度(d-t)：

$(d-t)={\mathrm{\λ}}_Z^Y\cos \mathrm{\θ}\ln (a^{\′}\·R^{\′}+1).$

20.根据权利要求18的厚度测量系统，进一步包含：

利用第一薄膜层(X)和第二薄膜层(Y)之间的衰减长度(λ)、俄歇电子路径和法线的夹角(θ)、强度比(a”)以及修正因子(R)，按照以下数学模型确定第一膜层的厚度(t)：

$t={\mathrm{\λ}}_Y^X\cos \mathrm{\θ}\ln (1+a^{\′\′}\·R).$

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