The review article provides an overview of the most important and popular techniques for evaluating the porosity of thin films developed for various applications. These methods include ellipsometric porosimetry (EP), positron annihilation (lifetime) spectroscopy (PAS/PALS), and grazing incidence small-angle x-ray scattering (GISAXS). Special attention is given to the challenges associated with interpreting the measured data and the inherent limitations of each method. It is demonstrated that EP, GISAXS, and PALS are all informative for studying the pore structure in thin films, with each method offering unique insights. GISAXS, in particular, allows for the evaluation of three-dimensional mesostructures, including pore arrangement, pore spacing, and structural order. On the other hand, PALS has a unique advantage in its capability to analyze extremely small isolated pores (free volume). The advantage of EP lies in its simplicity and the possibility to analyze multiple properties from the same set of measurements. The cross-evaluation of different methods offers important insights into the complex pore structure of materials, highlighting the significance of appropriate modeling and interpretation of data.
REFERENCES
1.
P.
Innocenzi
and L.
Malfatti
, Chem. Soc. Rev.
42
, 4198
(2013
). 2.
R. H.
Havemann
and J. A.
Hutchby
, Proc. IEEE
89
, 586
(2001
). 3.
K.
Maex
, M. R.
Baklanov
, D.
Shamiryan
, F.
lacopi
, S. H.
Brongersma
, and Z. S.
Yanovitskaya
, J. Appl. Phys.
93
, 8793
(2003
). 4.
P.
Van der Voort
, D.
Esquivel
, E.
De Canck
, F.
Goethals
, I.
Van Driessche
, and F. J.
Romero-Salguero
, Chem. Soc. Rev
42
, 3913
(2013
). 5.
H.
Li
, J. M.
Knaup
, E.
Kaxiras
, and J. J.
Vlassak
, Acta Mater.
59
, 44
(2011
). 6.
W.
Volksen
, R. D.
Miller
, and G.
Dubois
, Chem. Rev.
110
, 56
(2010
). 7.
O.
Shekhah
, J.
Liu
, R. A.
Fischer
, and C.
Woll
, Chem. Soc. Rev.
40
, 1081
(2011
). 8.
I.
Stassen
, N.
Burtch
, A.
Talin
, P.
Falcaro
, M.
Allendorf
, and R.
Ameloot
, Chem. Soc. Rev.
46
, 3185
(2017
). 9.
F.
Lorut
, A.
Roggero
, and G.
Imbert
, J. Appl. Phys.
114
, 084508
(2013
). 10.
S. J.
Gregg
and K. S. W.
Sing
, Adsorption, Surface Area and Porosity
, 2nd ed.
(Academic
, London
, 1982
).11.
J.
Rouquerol
et al, Pure Appl. Chem.
84
, 107
(2011
). 12.
M. R.
Baklanov
, L. L.
Vasilyeva
, T. A.
Gavrilova
, F. N.
Dultsev
, K. P.
Mogilnikov
, and L. A.
Nenasheva
, Thin Solid Films
171
, 43
(1989
). 13.
T.
Stassin
et al, Adv. Mater.
33
, 2006993
(2021
). 14.
D. W.
Gidley
, W. E.
Frieze
, T. L.
Dull
, J.
Sun
, A. F.
Yee
, C. V.
Nguyen
, and D. Y.
Yoon
, Appl. Phys. Lett.
76
, 1282
(2000
). 15.
M. P.
Petkov
, M. H.
Weber
, K. G.
Lynn
, and K. P.
Rodbell
, Appl. Phys. Lett.
79
, 3884
(2001
). 16.
M. R.
Baklanov
, K. P.
Mogilnikov
, V. G.
Polovinkin
, and F. N.
Dultsev
, J. Vac.Sci. Technol. B
18
, 1385
(2000
). 17.
R. C.
Hedden
, H.-J.
Lee
, C. L.
Soles
, and B. J.
Bauer
, Langmuir
20
, 6658
(2004
). 18.
K.
Omote
, Y.
Ito
, and S.
Kawamura
, Appl. Phys. Lett.
82
, 544
(2003
). 19.
W.-L.
Wu
, W. E.
Wallace
, E. K.
Lin
, G. W.
Lynn
, C. J.
Glinka
, E. T.
Ryan
, and H.-M.
Ho
, J. Appl. Phys.
87
, 1193
(2000
). 20.
Y.-H.
Chen
, U. S.
Jeng
, and J.
Leu
, J. Electrochem. Soc.
158
, G52
(2011
). 21.
See Section ELLIPSOMETRIC POROSIMETRY https://semilab.com/category/products/ellipsometric-porosimetry for details on the industrial porosimeters from Semilab.
22.
F. N.
Dultsev
and M. R.
Baklanov
, Electrochem. Solid-State Lett.
2
, 192
(1999
). 23.
C.
Boissiere
, D.
Grosso
, S.
Lepoutre
, L.
Nicole
, A. B.
Bruneau
, and C.
Sanchez
, Langmuir
21
, 12362
(2005
). 24.
P.
Löbmann
, J. Sol-Gel Sci. Technol.
84
, 2
(2017
). 25.
M.
Baklanov
, D.
O’Dwyer
, A. M.
Urbanowicz
, Q. T.
Le
, S.
Demuynck
, and E. K.
Hong
, MRS Proc.
914
, 206
(2011
). 26.
M. R.
Baklanov
, K. P.
Mogilnikov
, and Q. T.
Le
, Microelectron. Eng.
83
, 2287
(2006
). 27.
M.
Füredi
, B.
Fodor
, A.
Marton
, A.
Alvarez-Fernandez
, A. A.
Riaz
, C.
Kalha
, A.
Regoutz
, S.
Guldin
, and P.
Basa
, Thin Solid Films
768
, 139683
(2023
). 28.
J.
Dendooven
, K.
Devloo-Casier
, E.
Levrau
, R.
Van Hove
, S. P.
Sree
, M. R.
Baklanov
, J. A.
Martens
, and C.
Detavernier
, Langmuir
28
, 3852
(2012
). 29.
D.
Shamiryan
, M. R.
Baklanov
, and K.
Maex
, J. Vac. Sci. Technol. B
21
, 220
(2003
). 30.
M. M.
Dubinin
and L. V.
Radushkevich
, Proc. USSR Acad. Sci.
55
, 331
(1947
).31.
32.
P. I.
Ravikovitch
, A.
Vishnyakov
, A. V.
Neimark
, M. M. L.
Carrott
, P. A.
Russo
, and P. J.
Carrott
, Langmuir
22
, 513
(2006
). 33.
M.
Lépinay
, L.
Broussous
, C.
Licitra
, F.
Bertin
, V.
Rouessac
, A.
Ayral
, and B.
Coasne
, Microporous Mesoporous Mater.
217
, 119
(2015
). 34.
R. M. A.
Azzam
and N. M.
Bashara
, Ellipsometry and Polarized Light
(North-Holland Publishing Company
, Amsterdam, New York, 1977
).35.
B. V.
Derjaguin
, Acta Physicochim. URSS
12
, 181
(1940
).36.
J.
Broekhoff
, J. Catal.
10
, 153
(1968
). 37.
P. I.
Ravikovitch
and A. V.
Neimark
, Langmuir
18
, 1550
(2002
). 38.
P. I.
Ravikovitch
and A. V.
Neimark
, Langmuir
18
, 9830
(2002
). 39.
M. R.
Baklanov
, K. P.
Mogilnikov
, and J.-H.
Yim
, MRS Proc.
812
, 54
(2004
). 40.
D. W.
Gidley
, H.-G.
Peng
, R.
Vallery
, C. L.
Soles
, H.-J.
Lee
, B. D.
Vogt
, E. K.
Lin
, W.-L.
Wu
, and M. R.
Baklanov
, in Porosity of Low Dielectric Constant Materials in Dielectric Films for Advanced Microelecronics
, edited by M.
Baklanov
, K.
Maex
, and M.
Green
(Wiley
, New York
, 2007
).41.
K. P.
Mogilnikov
and M. R.
Baklanov
, Electrochem. Solid-State Lett.
5
, F29
(2002
). 42.
G. Y.
Gor
, P.
Huber
, and N.
Bernstein
, Appl. Phys. Rev.
4
, 011303
(2017
). 43.
K.
Vanstreels
, C.
Wu
, M.
Gonzalez
, D.
Schneider
, D.
Gidley
, P.
Verdonck
, and M. R.
Baklanov
, Langmuir
29
, 12025
(2013
). 44.
I. S.
Ovchinnikov
, A. S.
Vishnevskiy
, D. S.
Seregin
, A. A.
Rezvanov
, D.
Schneider
, A. S.
Sigov
, K. A.
Vorotilov
, and M. R.
Baklanov
, Langmuir
36
, 9377
(2020
). 45.
S.
Dourdain
, D. T.
Britton
, H.
Reichert
, and A.
Gibaud
, Appl. Phys. Lett.
93
, 183108
(2008
). 46.
M.
Hecker
and R.
Hubner
, in Diffusion Barriers in Advanced Interconnects for ULSI Technology
, edited by M. R.
Baklanov
, P. S.
Ho
, and E.
Zschech
(Wiley
, New York
, 2012
), pp. 193
–234
.47.
S. W.
King
, ECS J. Solid State Sci
4
, N3029
(2015
). 48.
X.
Wang
, L.-T.
Liu
, P.
He
, X.-P.
Qu
, J.
Zhang
, S.
Wei
, Y. A.
Mankelevich
, and M. R.
Baklanov
, J. Phys. D: Appl. Phys.
50
, 405306
(2017
). 49.
H.
Xu
et al, Appl. Surf. Sci.
498
, 143887
(2019
). 50.
Y.
Wang
, P.
He
, J.
Zhang
, J.
Yan
, D. V.
Lopaev
, X.-P.
Qu
, and M. R.
Baklanov
, Microelectron. Eng.
198
, 22
(2018
). 51.
C.
Wu
, Y.
Li
, M. R.
Baklanov
, and K.
Croes
, ECS J. Solid State Sci.
4
, N3065
(2015
). 52.
O. V.
Braginsky
et al, J. Appl. Phys.
108
, 073303
(2010
). 53.
E.
Hong
, S.
Demuynck
, Q. T.
Le
, M.
Baklanov
, L.
Carbonell
, M.
Van Hove
, and H.
Meynen
, Microelectron. Eng.
84
, 2582
(2007
). 54.
J.
Rouquerol
, D.
Avnir
, C. W.
Fairbridge
, D. H.
Everett
, J. M.
Haynes
, N.
Pernicone
, J. D. F.
Ramsay
, K. S. W.
Sing
, and K. K.
Unger
, Pure Appl. Chem.
66
, 1739
(1994
). 55.
C. M.
Bambrough
, R. C. T.
Slade
, R. T.
Williams
, S. L.
Burkett
, S. D.
Sims
, and S.
Mann
, J. Colloid Interface Sci.
201
, 220
(1998
). 56.
L.
Gurvitsch
, Russ. J. Phys. Chem
47
, 805
(1915
).57.
D. L.
Bailey
, D. W.
Townsend
, P. E.
Valk
, and M. N.
Maisy
, Positron Emission Tomography Basic Sciences
(Springer-Verlag
, Secaucus
, NJ
, 2005
).58.
A.
Dupasquier
and A. P. J.
Mills
, Characterizing Free Volumes and Holes in Polymers by Positron Annihilation Spectroscopy in Positron Spectroscopy of Solids
(IOS
, Amsterdam
, 1995
), Vol. 125.59.
A.
Uedono
, T.
Suzuki
, T.
Nakamura
, T.
Ohdaira
, and R.
Suzuki
, J. Appl. Phys.
98
, 043504
(2005
). 60.
F.
Nagano
et al, ECS J. Solid State Sci
12
, 033002
(2023
). 61.
D. W.
Gidley
, W. E.
Frieze
, T. L.
Dull
, J. N.
Sun
, and A. F.
Yee
, MRS Proc.
612
, 431
(2000
). 62.
J.-N.
Sun
, D. W.
Gidley
, T. L.
Dull
, W. E.
Frieze
, A. F.
Yee
, E. T.
Ryan
, S.
Lin
, and J.
Wetzel
, J. Appl. Phys.
89
, 5138
(2001
). 63.
J. N.
Sun
, D. W.
Gidley
, Y. F.
Hu
, W. E.
Frieze
, and S.
Yang
, MRS Proc.
726
, 105
(2002
). 64.
S.
Eslava
, M. R.
Baklanov
, A. V.
Neimark
, F.
Iacopi
, C. E. A.
Kirschhock
, K.
Maex
, and J. A.
Martens
, Adv. Mater.
20
, 3110
(2008
). 65.
D. W.
Gidley
, W. E.
Frieze
, T. L.
Dull
, A. F.
Yee
, E. T.
Ryan
, and H. M.
Ho
, Phys. Rev. B
60
, R5157
(1999
). 66.
E. K.
Kondoh
, M. R.
Baklanov
, E. K.
Lin
, D. W.
Gidley
, and A.
Nakashima
, Jpn. J. Appl. Phys.
40
, L323
(2001
). 67.
A.
Grill
, V.
Patel
, K. P.
Rodbell
, E.
Huang
, M. R.
Baklanov
, K. P.
Mogilnikov
, M.
Toney
, and H. C.
Kim
, J. Appl. Phys.
94
, 3427
(2003
). 68.
I.
Mincov
, M. P.
Petkov
, P.
Tsou
, and T.
Troev
, J. Non-Cryst. Solids
350
, 253
(2004
). 69.
M.
Rasadujjaman
et al, Microporous Mesoporous Mater.
306
, 110434
(2020
). 70.
D. W.
Gidley
, H.-G.
Peng
, and R. S.
Vallery
, Annu. Rev. Mater. Res.
36
, 49
(2006
). 71.
K. P.
Mogilnikov
, M. R.
Baklanov
, D.
Shamiryan
, and M. P.
Petkov
, Jpn. J. Appl. Phys.
43
, 247
(2004
). 72.
T.
Goworek
, J. Nuclear Radiochem. Sci.
1
, 11
(2000
). 73.
M. P.
Petkov
, C. L.
Wang
, M. H.
Weber
, K. G.
Lynn
, and K. P.
Rodbell
, J. Phys. Chem. B
107
, 2725
(2003
). 74.
L.
Chiari
, C.
Ohnuki
, and M.
Fujinami
, Radiat. Phys. Chem.
184
, 109441
(2021
). 75.
G.
Dlubek
, H. M.
Fretwell
, and M. A.
Alam
, Macromolecules
33
, 187
(2000
). 76.
J. R.
Levine
, J. B.
Cohen
, Y. W.
Chung
, and P.
Georgopoulos
, J. Appl. Crystallogr.
22
, 528
(1989
). 77.
Y.-H.
Chen
, H.-E.
Tu
, J.
Leu
, Microporous Mesoporous Mater
. 162
, 181
(2012
). 78.
A.
Di
, J.
Schmitt
, N.
Elstone
, T.
Arnold
, and K. J.
Edler
, Microporous Mesoporous Mater.
341
, 112018
(2022
). 79.
J.-P.
Simon
, V.
Jousseaume
, and G.
Rolland
, J. Appl. Crystallogr.
40
, s363
(2007
). 80.
81.
J.
Als-Nielsen
and D.
McMorrow
, Elements of Modern X-ray Physics
(Wiley
, New York
, 2001
).82.
A.
Saski
, The Rigaku Journal
22
, 31
(2005
).83.
T.
Suzuki
, K.
Omote
, Y.
Ito
, I.
Hirosawa
, Y.
Nakata
, I.
Sugiura
, N.
Shimizu
, and T.
Nakamura
, Thin Solid Films
515
, 2410
(2006
). 84.
V.
Chamard
, P.
Bastie
, D.
Le Bolloch
, G.
Dolino
, E.
Elkaïm
, C.
Ferrero
, J. P.
Lauriat
, F.
Rieutord
, and D.
Thiaudière
, Phys. Rev. B
64
, 245416
(2001
). 85.
D.
Smilgies
, “The SAXS guide
,” in GISAXS—Grazing-Incidence Small-Angle Scattering
, 4th ed.
(Anton Paar
, Graz
, 2017
), pp. 109
–123
, see https://wiki.anton-paar.com/be-en/grazing-incidence-small-angle-x-ray-scattering-gisaxs/.86.
A.
Mahmood
and J.-L.
Wang
, Solar RRL
4
, 2000337
(2020
). 87.
Y.-H.
Wu
, W.-T.
Chuang
, A. S.
Vishnevskiy
, D. S.
Seregin
, M. R.
Baklanov
, K. A.
Vorotilov
, and J.
Leu
, paper presented at the Advanced Metallization Conference 2019 29th Asian Session, Tokyo, 2019.88.
A. S.
Vishnevskiy
et al, Materials
13
, 4484
(2020
). 89.
Y.-H.
Wu
and J.
Leu
, paper presented at the NCTU-MIREA Seminar, Moscow, 27 June 27 2019.90.
D. S.
Seregin
et al, Thin Solid Films
685
, 329
(2019
). 91.
A.
Alvarez-Fernandez
, B.
Reid
, M. J.
Fornerod
, A.
Taylor
, G.
Divitini
, and S.
Guldin
, ACS Appl. Mater. Interfaces
12
, 5195
(2020
). 92.
M.
Liu
, A. G.
Wong-Foy
, R. S.
Vallery
, W. E.
Frieze
, J. K.
Schnobrich
, D. W.
Gidley
, and A. J.
Matzger
, Adv. Mater.
22
, 1598
(2010
). 93.
A. W.
Thornton
, K. E.
Jelfs
, K.
Konstas
, C. M.
Doherty
, A. J.
Hill
, A. K.
Cheetham
, and T. D.
Bennett
, Chem. Commun.
52
, 3750
(2016
). 94.
S.
Eslava
, L.
Zhang
, S.
Esconjauregui
, J.
Yang
, K.
Vanstreels
, M. R.
Baklanov
, and E.
Saiz
, Chem. Mater.
25
, 27
(2013
). 2023 Published under an exclusive license by the AVS.
2023
Author(s)
You do not currently have access to this content.