Модифицировав достаточно широко используемый коммерческий инфракрасный спектрометр, исследователи из Национального института стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology, NIST) разработали эффективный метод измерения ключевых структурных параметров металлооксидных пленок нанометровой толщины, которые используются при изготовлении современных высокоскоростных микросхем.

Новая методика оценки структуры нанопленок NIST, основанная на зондировании материалов излучением терагерцового диапазона, может стать штатным методом контроля качества производственных процессов и оценки новых полупроводниковых и изоляционных материалов. В настоящее время для определения диэлектрических и механических свойств таких пленок применяются трудоемкие методы рентгеновской спектроскопии и атомно-силовой микроскопии. По утверждению ученых из NIST, новая технология, основанная на явлении поглощения веществом пленок терагерцового излучения, способна обеспечить сравнимую степень детализации результатов анализа при меньших затратах времени.

Результаты исследований опубликованы в весьма престижном оптическом журнале Optics Letters: E. Heilweil, J. Maslar, W. Kimes, N. Bassim and P. Schenck. (Characterization of metal-oxide nanofilm morphologies and composition by terahertz transmission spectroscopy). Optics Letters. 34 (9), 1360–1362 (2009).

В ходе проведенных авторами экспериментов выяснилось, что атомы в тонких пленках совершают совместные перемещения и поглощают излучение строго определенной частоты из терагерцового диапазона. Такие результаты стали неожиданностью даже для самих исследователей. «Никто и не думал, что пленки нанометровой толщины можно обнаружить методами терагерцовой спектроскопии; нам казалось, что излучение должно свободно проходить сквозь них, — как говорит один из авторов работы химик Тед Хайлвайл (Ted Heilweil). — Тем не менее мы зарегистрировали четкие признаки поглощения».

Для тестирования технологии ученые использовали пленки диоксида титана (TiO₂) (получена методом импульсного лазерного напыления) и оксида гафния (HfO₂). Толщина последней, изготовленной методом эпитаксии атомных слоев при температуре 581 К, составила 40 нм. Оказалось, что полученная при такой температуре пленка обладает аморфной структурой с равномерно распределенными по объему кристаллическими областями; с понижением температуры изготовления эти области исчезают.

По словам авторов, разработанная ими методика может использоваться для исследования пленок толщиной до 5 нм, и эффективность анализа несколько зависит от типа окисной пленки. Однако, ученые утверждают, что абсолютно все исследованные новым методом металл-оксидные соединения демонстрируют отчетливые спектральные характеристики.

Евгений Биргер