Uso di X-Ray Reflectometry e Simulated Annealing per la caratterizzazione di film multilayer

Nowadays, a large varieties of microelectronics, magnetic and X-ray optical applications are based on multilayered structures made by hundreds layers with highly specialized properties and individual thickness in the nanometer range. Thus, the characterization process appears to be compulsory to avoid imperfections such as thickness fluctuations, roughness modifications and diffusion between layers, which may reduce the performances of the device. X-Ray Reflectometry (XRR) is a surface-analytical technique commonly used to characterize multilayered structures. In fact, it is possible to calculate the layer thickness, roughness and density by fitting the experimental reflectivity curves. In this work, an existing software package (Recuit), based on Simulated Annealing (SA) algorithm and using Parrat exact recursive method, had been further developed. The program had been tested, in order to indentify its limitations, on data collected in a first experiment. As a consequence, corrections and modifications followed. Particularly, an utility for parameter errors calculation had been introduced as tool of the software. Subsequently, the new version of Recuit had been applied to a real process of characterization on a multilayer monochromator. During this phase, unexpected discrepancies between experimental data and original ones provided by the constructor had been observed. Both the experiments used the XRR technique and they had been performed in the beamline BM05 at ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble.

Molte delle odierne applicazioni magnetiche, microelettroniche e ottiche per raggi X utilizzano strutture composte anche da centinaia di layer, ognuno dei quali caratterizzato da spessori dell'ordine del nanometro. Il processo di caratterizzazione acquisisce quindi un ruolo fondamentale per evitare che imperfezioni, come fluttuazioni dello spessore, modifiche della rugosità e diffusione tra strati, deteriorino le prestazioni del dispositivo. La X-Ray Reflectometry (XRR) è una tecnica comunemente usate per caratterizzare multilayer, per la quale, fittando la curva di riflettività sperimentale, è possibile caratterizzare lo spessore, la rugosità e la densità di un layer. In questo lavoro si è cercato sviluppare ulteriormente un programma (Recuit) basato sull'algoritmo di Simulated Annealing (SA) e che usa il metodo ricorsivo elaborato da Parratt per il calcolo della riflettività. In seguito ad un primo esperimento svolto, si è testato il programma per capire le sue limitazioni alle quali sono seguite alcune correzioni e modifiche. In particolare, è stato introdotto il calcolo dell'errore sui parametri calcolati dal programma. Un secondo esperimento ha permesso l'applicazione della nuova versione di Recuit ad un processo di caratterizzazione di un monocromatore multilayer, durante il quale sono state evidenziate delle inaspettate discrepanze tra i risultati sperimentali e le informazioni fornite dal costruttore. Entrambi le misurazioni sono basate sulla tecnica di XRR e sono state effettuate nella beamline BM5 di ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble, ove è stato svolto questo lavoro.