1. Elemental depth profiling in transparent conducting oxide thin film by X-ray reflectivity and grazing incidence X-ray fluorescence combined analysis
- Author
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H. Rotella, A. Valla, B. Caby, Yann Mazel, Emmanuel Nolot, Guillaume Rodriguez, Marie-Christine Lépy, Christina Streli, A. Novikova, B. Detlefs, Y. Ménesguen, D. Ingerle, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (CEA-LETI), Direction de Recherche Technologique (CEA) (DRT (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB), Département Métrologie Instrumentation & Information (DM2I), Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies (LIST), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Technologique (CEA) (DRT (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies (LIST), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN), Institut National de L'Energie Solaire (INES), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Atominstitut, Vienna University of Technology (TU Wien), This project has been supported by the European Metrology Research Programme (EMRP) Project ENG53-ThinErgy which isjointly funded by the EMRP participating countries within EURAMET and the European Union., European Project: ENG53,ThinErgy, Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies (LIST (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies (LIST (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département d'instrumentation Numérique (DIN (CEA-LIST)), Département des Technologies Solaires (DTS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de L'Energie Solaire (INES), Atominstitut [Wien], Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de L'Energie Solaire (INES), and Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
- Subjects
optical properties ,Materials science ,Band gap ,Annealing (metallurgy) ,thin film ,non-destructive characterization ,Analytical chemistry ,X-ray fluorescence ,02 engineering and technology ,XRR ,01 natural sciences ,Analytical Chemistry ,spectroscopic ellipsometry ,ZNO ,Transparent conducting oxides ,Thin film ,[SPI.NANO]Engineering Sciences [physics]/Micro and nanotechnologies/Microelectronics ,Reflectometry ,Spectroscopy ,instrumentation ,structural properties ,Dopant ,[PHYS.PHYS.PHYS-ATOM-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Atomic Physics [physics.atom-ph] ,Grazing-Incidence X-ray Fluorescence (GIXRF) ,010401 analytical chemistry ,021001 nanoscience & nanotechnology ,Atomic and Molecular Physics, and Optics ,X-ray reflectometry (XRR) ,0104 chemical sciences ,X-ray reflectivity ,SPECTROMETRY ,Depth profiling ,[PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci] ,[SPI.OPTI]Engineering Sciences [physics]/Optics / Photonic ,Transparent conducting oxide ,GIXRF ,annealing ,0210 nano-technology ,ionizing radiation ,chemical properties ,Electronic density - Abstract
International audience; The optical and electrical properties of transparent conducting oxide (TCO) thin films are strongly linked with the structural and chemical properties such as elemental depth profile. In R&D environments, the development of non-destructive characterization techniques to probe the composition over the depth of deposited films is thus necessary. The combination of Grazing-Incidence X-ray Fluorescence (GIXRF) and X-ray reflectometry (XRR) is emerging as a fab-compatible solution for the measurement of thickness, density and elemental profile in complex stacks. Based on the same formalism, both techniques can be implemented on the same experimental set-up and the analysis can be combined in a single software in order to refine the sample model. While XRR is sensitive to the electronic density profile, GIXRF is sensitive to the atomic density (i. e. the elemental depth profile). The combination of both techniques allows to get simultaneous information about structural properties (thickness and roughness) as well as the chemical properties. In this study, we performed a XRR-GIXRF combined analysis on indium-free TCO thin films (Ga doped ZnO compound) in order to correlate the optical properties of the films with the elemental distribution of Ga dopant over the thickness. The variation of optical properties due to annealing process were probed by spectroscopic ellipsometry measurements. We studied the evolution of atomic profiles before and after annealing process. We show that the blue shift of the band gap in the optical absorption edge is linked to a homogenization of the atomic profiles of Ga and Zn over the layer after the annealing. This work demonstrates that the combination of the techniques gives insight into the material composition and makes the XRR-GIXRF combined analysis a promising technique for elemental depth profiling.
- Published
- 2017