Současné stanovení optických konstant, lokální tloušťky a drsnosti tenkých vrstev ZnSe pomocí Zobrazovací spektroskopické reflektometrie

Simultaneous determination of optical constants, local thickness and roughness of ZnSe thin films by imaging spectroscopic reflectometry

journal article in Web of Science

en

A rough non-uniform ZnSe thin film on a GaAs substrate is optically characterised using imaging spectroscopic reflectometry (ISR) in the visible, UV and near IR region, applied as a standalone technique. A global-local data processing algorithm is used to fit spectra from all pixels together and simultaneously determine maps of the local film thickness, roughness and overlayer thickness as well as spectral dependencies of film optical constants determined for the sample as a whole. The roughness of the film upper boundary is modelled using scalar diffraction theory (SDT), for which an improved calculation method is developed to process the large quantities of experimental data produced by ISR efficiently. This method avoids expensive operations by expressing the series obtained from SDT using a double recurrence relation and it is shown that it essentially eliminates the necessity for any speed-precision trade-offs in the SDT calculations. Comparison of characterisation results with the literature and other techniques shows the ability of multi-pixel processing to improve the stability and reliability of least-squares data fitting and demonstrates that standalone ISR, coupled with suitable data processing methods, is viable as a characterisation technique, even for thin films that are relatively far from ideal and require complex modelling.

Drsné neuniformní tenké vrstvy ZnSe byly zkoumány pomocí Zobrazovací spektroskopické reflektometrie (ZSR) ve viditelné, UV a blízké IR části světelného spektra. technika byla aplikována zcela samostatně. Globálně lokální algoritmus zpracování dat je použit pro fit spekter ze všech pixelů dohromady. Současně jsou určeny mapy lokální tloušťky a drsnosti vrstvy, svrchní vrstvy a takké spektrální závislosti optických konstant vrstvy pro celý vzorek. Drsnost svrchního rozhraní vrstvy je modelována pomocí teorie skalární difrakce (SDT), pro kterou je vyvinuta vylepšená metoda výpočtu pro efektivní zpracování velké množství experimentálních dat ZSR. Tato metoda se vyhýbá náročným operacím vyjádřením řad získaných z SDT použitím vztahů diferenciálních rovnic a je ukázáno, že je takto možné eliminivat potřebu snížení požadavků na přesnost pro zákání větších výpočetních rychlostí při výpočtu SDT. Porovnáním výsledků charakterizace s literaturou a dalšími technikami ukazuje schopnosti multi-pixel metod zvýšit stabilitu a spolehlivost fitování pomocí metody nejmenších čtverců a ukazuje že samostatná ZSR, společně s vhodnými metodami zpracování dat je funkční charakterizační technikou i pro vrstvy vzdálené ideálním a vyžadujícím komplexní modely.

A rough non-uniform ZnSe thin film on a GaAs substrate is optically characterised using imaging spectroscopic reflectometry (ISR) in the visible, UV and near IR region, applied as a standalone technique. A global-local data processing algorithm is used to fit spectra from all pixels together and simultaneously determine maps of the local film thickness, roughness and overlayer thickness as well as spectral dependencies of film optical constants determined for the sample as a whole. The roughness of the film upper boundary is modelled using scalar diffraction theory (SDT), for which an improved calculation method is developed to process the large quantities of experimental data produced by ISR efficiently. This method avoids expensive operations by expressing the series obtained from SDT using a double recurrence relation and it is shown that it essentially eliminates the necessity for any speed-precision trade-offs in the SDT calculations. Comparison of characterisation results with the literature and other techniques shows the ability of multi-pixel processing to improve the stability and reliability of least-squares data fitting and demonstrates that standalone ISR, coupled with suitable data processing methods, is viable as a characterisation technique, even for thin films that are relatively far from ideal and require complex modelling.

tenké vrstvy; drsnost; skalární difrakční teorie; spektrofotometrie; zobrazovací techniky; Selenid; Reflektometrie

thin films; roughness; scalar diffraction theory; spectrophotometry; imaging techniques; zinc selenide; reflectometry

18.01.2016

IOP PUBLISHING LTD

TEMPLE CIRCUS, TEMPLE WAY, BRISTOL BS1 6BE, ENGLAND

2040-8978

18

1

2–11

10