קירור מדידות Ellipsometry תלויות דרג לקבוע את הדינמיקה של Thin Films המזוגג

סיכום

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לקירור ניסויי שיעור תלויים ellipsometry, אשר יכול לקבוע את טמפרטורת מעבר זכוכית _(ז T), דינמיקה ממוצעת, שבריריות ומקדמות התפשטות של הנוזל מקורר הסופר וזכוכית עבור מגוון רחב של חומרים מזוגג.

תקציר

דו"ח זה נועד לתאר את הטכניקה הניסיונית של שימוש ellipsometry לקירור _גרם T תלוי ניסויי שיעור _(ז CR-T) באופן מלא. מדידות אלה הן ניסויי אפיון תפוקה גבוהה פשוט, אשר יכול לקבוע את טמפרטורת מעבר הזכוכית (T _ז), דינמיקה ממוצעת, שבריריות ומקדמות התפשטות של המדינות נוזלי ומזוגגות מקורר הסופר עבור מגוון רחב של חומרים מזוגג. טכניקה זו מאפשרת לפרמטרים אלה שנמדדו בניסוי בודד, ואילו שיטות אחרות חייבים לשלב מגוון של טכניקות שונות כדי לחקור את כל המאפיינים האלה. מדידות של דינמיקה לסגור _לז T הם מאתגרים במיוחד. היתרון של קירור מדידות _ז T התלוי שיעור על פני שיטות אחרות אשר ישירות לחקור דינמיקה בתפזורת והרפיה פני השטח הוא שהם ניסויים יחסית מהירים ופשוטים, שאינו מנצלים fluorophores או לשעבר מסובכים אחריםטכניקות perimental. יתר על כן, טכניקה זו בוחנת את הדינמיקה הממוצעת של סרטים רלוונטיים טכנולוגי דקים בטמפרטורה והרפיה זמן (τ _α) משטרים רלוונטיים למעבר הזכוכית _(α> 100 שניות τ). ההגבלה לשימוש ellipsometry לקירור ניסויים _גרם T תלוי שיעור היא שזה לא יכול לחקור פעמים הרפיה רלוונטית למדידות של צמיגות (<< 1 שניות _τ α). טכניקות קצב קירור אחרות T התלוי מדידת _g, לעומת זאת, יכולות להאריך את השיטה _גרם CR-T לזמני רגיעה מהירים יותר. יתר על כן, טכניקה זו יכולה לשמש לכל מערכת מזוגגת כל עוד השלמות של הסרט נשארה לאורך כל הניסוי.

מבוא

עבודת הזרע של הקאדי ג'ונס וקורי ¹ הראתה כי טמפרטורת מעבר זכוכית _(ז T) של סרטי קלקר דקים יורדת ביחס לערך התפזורת בעוביים נמוכים מ -60 ננומטר. מאז, מחקרי ניסויים רבים ^2-11 תמכו בהשערה כי הירידה שנצפתה _בז T נגרמת על ידי שכבה של ניידות משופרת קרובה לפני השטח החופשי של הסרטים האלה. עם זאת, ניסויים אלה הם אמצעים עקיפים של זמן הרפיה יחיד, ובכך יש ויכוח ^{12 18} התמקד בקשר ישיר בין דינמיקת סרט דק הממוצעת ואת הדינמיקה בממשק האוויר / פולימר.

כדי לענות על דיון זה, מחקרים רבים ישירות נמדדו הדינמיקה של פני השטח חופשיים _(משטח τ). הטבעת ננו-חלקיקים, ^19,20 הרפיה nanohole, ²¹ וקרינת ²² מחקרים מראים כי h ממשק האוויר / הפולימרהזמנות דינמיקה של גודל יותר מהר מאשר זמן אלפא תפזורת ההרפיה _(τ α) עם תלות בטמפרטורה הרבה יותר חלשה מזה של _{α τ.} בגלל התלות בטמפרטורה החלשה שלה, את _{פני השטח} τ של הסרטים האלה, ^19-22 ומשופר דינמיקה של סרטי קלקר דקים, ^23,24 מצטלב ההרפיה אלפא התפזורת _(τ α) ב* T נקודה אחת, שנמצא כמה מעלות מעל _g T, _{ובα τ} של ≈ 1 שניות. הנוכחות של T * יכולה להסביר מדוע ניסויים שבדיקת פעמים הרפיה מהר יותר מאשר * לא רואים שום תלות עובי על _g T של סרטי פוליסטירן דקים במיוחד. ^13-18 לבסוף, בעוד מדידות ישירות של מופע השכבה הנייד המשופר שיש לו עובי של 4-8 ננומטר, ^20-22 יש ראיות לכך שאורך ההתפשטות של הדינמיקה בממשק האוויר / פולימר הוא הרבה יותר גדול מהעובי של Laye המשטח הניידr. ^5,25,26

דו"ח זה נועד לתאר באופן מלא לשימוש בפרוטוקול ellipsometry לקירור _גרם T תלוי ניסויי שיעור _(ז CR-T). _ז CR-T כבר השתמש בעבר כדי לתאר את הדינמיקה הממוצעת של סרטים דקים של קלקר. ^23,24,27,28 יתר על כן, טכניקה זו הייתה בשימוש לאחרונה כדי להראות קשר ישיר בין הדינמיקה הממוצעת בסרטי קלקר דקים במיוחד , ואת הדינמיקה בשטח ללא תשלום. ²³ היתרון של מדידות _גרם CR-T על פני סוגים אחרים של מדידות כגון הקרינה, הטבעת ננו-חלקיקים, הרפיה nanohole, nanocalorimetry, ספקטרוסקופיה דיאלקטרי, ופיזור אור רילואן, מחקרים הוא שהם מהירים יחסית וניסויים פשוטים שלא לנצל fluorophores או טכניקות ניסוי מסובכות אחרות. התקדמות שחלה באחרונה בellipsometry ספקטרוסקופיות לאפשר בטכניקה זו כדי לשמש כדי לקבוע propert האופטי ביעילותies של סרטים דקים במיוחד של פולימרים וסוגים אחרים של חומרים היברידיים עם דיוק יוצא דופן. ככזה, טכניקה זו בוחנת את הדינמיקה הממוצעת של סרטים דקים טכנולוגית החלים במשטרי טמפרטורה והזמן רלוונטיים למעבר הזכוכית _(ז T ≤ T, _τ α ≥ 100 שניות). יתר על כן, טכניקה זו תספק מידע על מקדמי ההתפשטות של מזוגג וארוחת ערב מקוררת נוזל מדינות, כמו גם את השבריריות של המערכת, אשר לאחר מכן ניתן להשוות עם הנתונים לסרטים בתפזורת. לבסוף, ניסויים _גרם CR- אי-T יכולים לשמש לכל מערכת מזוגגת כל עוד השלמות של הסרט נשארה לאורך כל הניסוי.

פרוטוקול

1. סרט הכנה

1. שוקל 0.04 גרם של קלקר, ואת המקום לתוך בקבוקון 30 מיליליטר.
2. שוקל 2 גרם של טולואן לתוך הבקבוקון. 2% על ידי פתרון במשקל של קלקר בטולואן מניב סרט של כ 100 ננומטר.
3. בואו O לשבת פתרון / N לפזר באופן מלא הקלקר ולתת הפתרונות להתיישב.
4. מניחים פרוסה 1 סנטימטר הסיליקון סנטימטרים x 1 (Si) על Coater ספין.
5. ספין הרקיק ב 8000 סל"ד במשך 45 שניות. בזמן שהוא מסתובב, שחרר כ 1 מיליליטר של טולואן על פרוסות סיליקון ספינינג.
   הערה: כל השלבים כרוכים בציפוי ספין מבוצעים במנדף.
6. על Si הרקיק עכשיו נייח, להוסיף את הפתרון מצעד 1.3 ירידה מבחינת על גבי פרוסות סיליקון Si עד את כל פני השטח של פרוסות סיליקון Si מכוסים.
7. לפני הפתרון מתייבש על פרוסות סיליקון, לסובב את רקיק Si ב 4000 סל"ד במשך 20 שניות.
8. קבע את העובי של הסרט באמצעות ellipsometry (ראה שלב 2).
9. אם הסרט הוא בעובי הרצוי, אןEAL הסרט בתנור ואקום ב393 K במשך 15 שעות.

2. קביעת עובי סרט

1. הנח סובב את הסרט להטיל על הבמה ellipsometer ולמדוד את הזוויות האליפסומטריים Ψ (λ) וΔ (λ) בזווית אור האירוע של 70 מעלות עם זמן רכישה 1 שניות והגדרת מיצוע האזור מופעלות.
2. שימוש בתוכנת ellipsometer, להתאים Ψ וכתוצאה מכך (λ) ונתונים Δ (λ) למודל תלת-שכבה על פי הפרוטוקול של היצרן. אין תשומות משתמש נוספות. השכבה הראשונה היא שכבת מצע של Si, השכבה השנייה היא שכבת תחמוצת יליד עם עובי של 1.5 ננומטר, והשכבה השלישית היא מודל קושי (n = A + B / λ ^2, K = 0), אשר תואם לתכונות אופטיות של סרט הקלקר. במודל זה, A ו- B הם פרמטרים מתאימים, וn ו- k הם המרכיבים האמיתיים ודמיוניים של מדד השבירה, בהתאמה.
3. לשכבת קושי, להתאים את thickness ופרמטרי A ו- B, אם הסרט הוא מעל 10 ננומטר. אם הסרט הוא מתחת ל -10 ננומטר, רק שתתאים.
   הערה: זה יידון נוסף בסעיף נציגי תוצאות.

קצב קירור 3. מדידות _ז T התלוי

1. מעיל פני השטח של גוף החימום של שלב ellipsometer הטמפרטורה משתנה עם דבק תרמי.
2. מניחים את סרט הקלקר מרותק על גוף החימום.
3. הצמד את הסרט בחוזקה על גוף החימום.
4. זרימת גז 100% חנקן יבש בשלב הטמפרטורה בלחץ של <69 kPa.
5. שימוש בתוכנת שלב הטמפרטורה, ליצור פרופיל טמפרטורה. פרופיל טמפרטורה זה מתחיל עם רמפת חימום ל- 393 K ב 150 K / min. החזק את הסרט ב393K למשך 20 דקות.
   1. לאחר מכן, רמפות קירור חלופיות לK 293 בשיעורים של 150, 120, 90, 60, 30, 10, 7, 3, ו 1 K / דקה עם רמפות חימום ל- 393 K ב 150 K / min. מניחים בטמפה 5 דקותאחיזת rature לאחר כל רמפה.
6. בתוכנת ellipsometer, להפוך את מודל ellipsometry תלוי טמפרטורה דומה לזו שבסעיף 2. כל שלוש השכבות זהות, פרט לכך שהמצע משתנה למודל סי תלוי טמפרטורה.
7. בשכבה למודל סי התלוי הטמפרטורה, להפעיל את "Temp שימוש שלוחה ממוקרם, יומן" פרמטר.
8. שימוש בתוכנת שליטה ציוד מעבדה, יש לי תוכנת ellipsometer לקרוא את ערכי הטמפרטורה מבמת הטמפרטורה.
9. יישר ellipsometer כך שהאות מגיעה בעוצמה מקסימלית.
10. תחת "תצורות חומרה ערוך", להגדיר את זמן רכישה המהיר ל1 שניות עם מיצוע אזור דיוק גבוה. קבע את זמן רכישה הרגיל עד 3 שניות עם מיצוע אזור דיוק גבוה.
11. תחת הלשונית "באתר" בתוכנת ellipsometer לבדוק את "מצב הרכישה מהירה זמן" תיבה, ולחץ על "התחל רכישה". לאחר מכן, התחלפרופיל הטמפרטורה. לפני הרמפה / דקת קירור 3 K, בטל את סימון תיבת זמן רכישה מהר.

4. קביעת ערכים של _g T

1. לייצא את הטמפרטורה ופרופילי עובי לתוך תוכנת גרפים וניתוח העדיפה, ולהפריד את נתוני הטמפרטורה ועובי לכל שיעורי הקירור 9.
2. על מנת להסביר את ההשפעה של מיצוע האזור במהלך רכישה על הטמפרטורה, לקחת כל ערך טמפרטורה, וממוצע זה עם ערך הטמפרטורה שקדמה לה, כך שT = (T _i + T _i-1) / 2, שבו _אני T הוא ערך טמפרטורה בזמן נתון, וT _i-1 היא הטמפרטורה של נקודת הזמן הקודמת.
3. עובי עלילה לעומת טמפרטורה לכל קצב קירור.
4. בצע ליניארי בכושר על חלק ממשטר נוזלי סופר מקורר (משטר הטמפרטורה הגבוה עם מקדם ההתרחבות הגדול יותר). משטר זה יהיה כ 393 K מל -380 K.
5. Perform ליניארי בכושר על חלק מהמשטר המזוגג של אותה סדרה של נתונים. יש משטר זה מקדם התפשטות נמוכה, ויהיה כ 293 K לק 340
6. מצא את הנקודה של שתי שורות אלה הצומת. הטמפרטורה שבה שורות אלה מצטלבות היא טמפרטורת מעבר זכוכית.
7. האם זה במשך כל תשע הרמפות.

5. ניתוח Dynamics סרט הדק הממוצע

1. לעלילת סרט עובי נתון יומן (קצב קירור (K / min)) לעומת 1 / T _g (K ^-1).
2. תשווה את זה בעקיפין לכוון מדידות של דינמיקה בתפזורת ופני שטח על ידי היחס האמפירי: קצב קירור * _τ α = 1000. ^23,24

תוצאות

התאמת גלם Ellipsometry נתונים

סרטי פוליסטירן הם שקופים בטווח אורכי הגל של ellipsometer (500-1,600 ננומטר). כך מודל קושי הוא מודל טוב לתיאור מדד השבירה של סרטי קלקר. איור 1 א מציג דוגמא של Ψ (λ) וΔ (λ) לסרט עבה (274 ננומטר) של קלקר, וכתוצאה מכך לנכון מודל קושי

דיון

מדידות _ז T התלוי קירור-דרג נמצאות ניסויי אפיון תפוקה גבוהה שיכול לקבוע את _g T, מקדם התפשטות של הזכוכית והנוזל מקורר הסופר, התלות בטמפרטורה של הדינמיקה הממוצעת, ואת השבריריות של חומר מזוגג מסוים ב ניסוי בודד. יתר על כן, בניגוד לקרינה, הטבעה, או ניסויי הרפיה nanohole, ניסויים _גרם CR-T הם יחסית מהירים ופשוטים, כי הם לא לנצל fluorophores או טכניקות ניסוי מסובכות אחרות. בשל הרגישות של ellipsometry, בשיטה זו ניתן להשתמש בסרטים בעוביים דקים כמו כמה ננומטר...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
טולואן	סיגמא אולדריץ'	179418-1L	ניתן לרכוש אותו מכל חברת כימיקלים.
Atactic פוליסטירן	פולימר מקור בע"מ	P-4092-S	ניתן לרכוש אותו מכל חברת כימיקלים.
ניתן להשתמש ב-THMS 600 שלב טמפרטורה	Linkam	THMS 600	בכל שלב טמפרטורה שיכול להתאים לאליפסומטר.
M2000V אליפסומטר ספקטרוסקופי	J.A. Woollam	M200V	הליך זה אמור להיות ישים עבור כל אליפסומטר ספקטרוסקופי.
ספין קואטר	לורל טכנולוגיות	WS-650-23B	הליך זה אפשרי עם כל ציפוי ספין
בקבוקונים לדוגמא	פישר סיינטיפיק	02-912-379	כל בקבוקונים לדוגמה יעשו
פרוסות סיליקון	מוליכים למחצה וירג'יניה	325S1410694D