Эллипсометры

Существует большое разнообразие их конструкций. Источник света, как правило,- лазер, приёмник - фотоэлектрический. Принципиальная схема некоторых вариантов дана на рис. 8.

В одном из них падающий свет поляризован линейно (линейный поляризатор П), в отражённом луче эллиптически поляризованный свет компенсатором оптическим К превращается (подбором ориентации и разности фаз компенсатора) в поляризованный линейно, азимут колебаний которого определяется линейным анализатором А по погашению сигнала в приёмнике. В другом варианте (пунктир) падающий свет поляризован эллиптически, а параметры эллипса устанавливаются так, чтобы после отражения поляризация была линейной и сигнал гасился А (нулевые схемы). В других конструкциях в обоих вариантах добиваются в отражении циркулярной поляризации, получение которой устанавливается по неизменности сигнала при вращающемся анализаторе.

Обычно для повышения точности измерений используется модуляция света полупроводники), ибо исследования в таких слоях, которые ещё дают пропускание (для металлов- 10-50 нм), в силу структурных особенностей таких слоев не дают сведений о свойствах в объёме. Особенно широко исследуются тонкие слои - эпитаксиальные слои, (например, небольшим качанием плоскости поляризации) с помощью пьезооптичических, электрооптических или магнитооптических модуляторов света.

Иногда параметры эллипса меняют изменением угла падения. Часто в приборах предусматривается сканирование по длинам волн. В 90-х годах были разработаны нелинейные эллипсометры, в которых мощная накачка создаёт в среде нелинейные эффекты, а слабый пробный луч используется для эллипсометрических. измерений.

Методы отражательной эллипсометрии применяются для исследования веществ с большим поглощением (металлы, слои окислов, адсорбционные и адгезионные, слои, создаваемые ионной имплантацией, всякого рода металлических и диэлектрических покрытия и т. д. Разработаны методы исследования кинетики роста слоев и плёнок; эллипсометрия даёт возможность контроля непосредственно в течение процесса.

Эллипсометрия пропускания основана на тех же принципах - измерении параметров эллипса прошедшего через вещество света (при полной поляризации). В эллипсометрии пропускания практически не выделяется влияние поверхностных слоев на фоне влияния основной толщи; она применяется для измерения оп-тич. параметров слабо поглощающих кристаллов, для измерения естественного и магнитного вращения плоскости поляризации, естественного и магнитного кругового дихроизма, поскольку для этих параметров теория отражения слабо разработана и трудна для вычислений, и измерения по отражению дают малую точность. Для таких измерений чаще используются поляриметры и рефрактометры. Приборы для эллипсометрии пропускания чаще называемые кристаллорефрактометрами, дихрографами и др. Существует термин " эллипсометрия рассеяния" - измерение частичной поляризации света при прохождении мутных сред, аэрозолей, коллоидов - однако он малоупотребителен.

Наибольшее распространение получили так называемые нуль-эллипсометры (рис.9).

Эллипсометр представляет собой поляризационный гониометр, на подвижных плечах которого расположены поляризационные элементы: поляризатор П, анализатор А, компенсатор К. Лимбы гониометра и поляризационных элементов обеспечивают установку и отсчет углов поворота с высокой точностью. В качестве источника монохроматического излучения используются лазеры. Для измерений в видимой области применяют He-Ne-лазер c λ =623,8 нм. Свет на выходе лазера линейно поляризован. После источника расположена четвертьволновая пластина, изготовленная из кристалла с двойным лучепреломлением. Луч света, прошедший через нее, становится циркулярно-поляризованным. Толщина пластины W подбирается так, чтобы разность фаз p и s компонент составляла , то есть разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей в пластине должна быть равна

Модулятор М превращает непрерывный световой поток в переменный, что облегчает усиление сигнала с выхода фотоэлектронного умножителя ФЭУ. После модулятора луч проходит через поляризатор П, компенсатор К и после отражения от поверхности образца - через анализатор А. Независимо от характера поляризации света, падающего на поляризатор или анализатор, вышедший луч будет поляризован линейно в плоскости пропускания поляризующего элемента. Это позволяет получать поляризованное излучение с заданным азимутом поляризации (для этой цели служит поляризатор), а также определять неизвестный азимут плоскости поляризации линейно-поляризованного излучения (для этого используют анализатор).

С помощью поляризатора изменяют азимут линейно-поляризованного света, с помощью компенсатора можно изменять разность фаз колебаний p - и s -составляющих.

Принцип проведения эллипсометрических измерений: поворотом поляризатора добиваются такой эллиптической поляризации на выходе компенсатора, чтобы после отражения от образца свет стал линейно-поляризованным. Тогда он может быть погашен путем поворота анализатора и на фотодетекторе будет наблюдаться нулевая интенсивность. Прибор, использующий этот принцип, получил название нуль-эллипсометра.

Показания угломерных устройств определяют сдвиг фаз и направление поляризации луча после отражения.

Предельная чувствительность нуль-эллипсометров (то есть минимальные изменения ψ и Δ, которые могут быть зафиксированы экспериментально) определяются ценой наименьшего деления лимбов угломерных устройств анализатора и поляризатора и составляют (0,5 - 1) угловой минуты.

В эллипсометрах, предназначенных для работы в ИК-области, в качестве источника излучения используется CO₂-лазер типа ЛГ-23 с длиной волны излучения λ = 10,6 мкм, в качестве детектора - пироэлектрический приемник, анализатором и поляризатором служат металлические решетки или реплики на полиэтилене. Точность определения ψ и Δ не хуже 0,5^о.

Методом эллипсометрии в видимой области проводятся измерения толщин слоя с погрешностью (3 − 5)% в диапазоне толщин от 10 до 1000 не и в 0,5% в диапазоне толщин от 1 до 10 нм. Удалось определить наличие на поверхности пленок и слоев толщиной в от 0.1 до 0.5 нм. При исследовании рельефа атомарно-чистой поверхности были обнаружены системы ступенек на поверхности Si высотой порядка одного-двух монослоев, причем структура поверхности, как выяснилось, изменялась с температурой. Наличие такого нанорельефа вызывает существенное изменение Δ и мало влияет на ψ.

Наибольшая точность определения толщины диэлектрика достигается при измерениях в пределах первого эллипсометрического периода (до 300 нм). Точность определения показателя преломления n зависит от толщины пленки. Наилучшая точность в определении n составляет 1∙10^–3. Измерения толщины окисла можно проводить в окнах размером (5×5) мкм².

Эллипсометрия в ИК-области позволяет посредством бесконтактных измерений определить концентрацию и подвижность носителей заряда в сильнолегированных подложках в структурах типа n - n ⁺ или р - р ⁺ и толщину слаболегированного эпитаксиального слоя с точностью не хуже 5 нм (рис.7).

Для контроля слоев поликристаллического кремния, выращенных на SiO₂, используют светодиоды или лазеры с длиной волны 0,9 мкм, при которой поглощение в Si^* достаточно мало.

Современные эллипсометры автоматизированы и позволяют с высокой точностью контролировать толщины слоев в диапазоне от десятых долей нанометра и выше.

Дальнейшее развитие эллипсометрических методов связано с созданием спектральной эллипсометрии, основанной на высокой чувствительности параметров ψ и Δ к изменению длины волны излучения.

Эллипсометрия в видимой области является эффективным методом контроля толщин таких наноматериалов, как сверхтонкие подзатворные диэлектрики, используемые в КМДП СБИС и слои полупроводников в гетеропереходных наноструктурах.

История возникновения метода оптической эллипсометрии восходит к работам Друде, Малюса, Брюстера, Релея и др. основоположников физической оптики 19 века, где отражение поляризованного света, в основном, использовалось для измерения оптических констант металлов. Вплоть до середины прошлого столетия метод оставался мало востребованным. Толчок в его развитии был связан с потребностями интенсивно развивающейся в то время полупроводниковой микроэлектроники. Потребовался простой, доступный и надежный метод прецизионного контроля толщины диэлектрических слоев полупроводниковых структур и эллипсометрия, как нельзя лучше, удовлетворяла всем этим требованиям. Более того, оказалось, что возможности, заложенные в физических принципах метода, гораздо шире и позволяют не только измерять толщины слоев, но и характеризовать их физико-химические свойства, а также исследовать достаточно тонкие процессы на поверхности.

По функциональным возможностям эллипсометры можно условно разделить на несколько классов. Прежде всего, это спектральные эллипсометры, позволяющие проводить измерения в оптическом диапазоне от ближнего ИК вплоть до вакуумного ультрафиолета. Основная область применения таких приборов - научные исследования: измерение спектров оптических постоянных и спектральных характеристик различных материалов, анализ слоистых структур, измерение характеристик сверхчистой поверхности.

Другой класс аппаратуры - это лазерные одноволновые быстродействующие эллипсометры. Эти приборы используются не только в научных исследованиях, но и в качестве высокоточного инструмента технологического контроля. Простота в эксплуатации позволяет работать на них даже персоналу со низкой квалификацией. Высокое быстродействие лазерных эллипсометров находит широкое применение при исследовании кинетики быстропротекающих процессов на поверхности. Для проведения локальных измерений изготавливается аппаратура, с размером зондирующего пятна несколько единиц-десятков микрон. Иногда лазерные эллипсометры, встроенные в технологическую линейку, используются как индикаторы, сигнализирующие об отклонении технологического процесса и позволяющие отбраковывать некондиционную продукцию

Дальнейшее развитие эллипсометрических методов связано с созданием спектральной эллипсометрии, основанной на высокой чувствительности параметров ψ и Δ к изменению длины волны излучения.

Современные эллипсометры автоматизированы и позволяют с высокой точностью контролировать толщины слоев в диапазоне от десятых долей нанометра и выше.

Интенсивное развитие оптической эллипсометрии было связано с потребностями полупроводниковой микроэлектроники. Эллипсометрия - простой, доступный и надежный метод прецизионного контроля толщины диэлектрических слоев полупроводниковых структур. Возможности, заложенные в физических принципах метода, позволяют не только измерять толщины слоев, но и характеризовать их физико-химические свойства, а также исследовать достаточно тонкие процессы на поверхности.

Развитие метода эллипсометрии шло по нескольким взаимосвязанным направлениям.

Прежде всего, это разработка аппаратурного обеспечения метода: создание эллипсометров широкого спектрального диапазона, быстродействующих эллипсометров пространственно-временного разрешения, а также приборов с узко функциональными возможностями. Параллельно этому шло развитие методических основ, разработка моделей для интерпретации эллипсометрических измерений, создание алгоритмов и методов численного решения эллипсометрических задач. Это в свою очередь привело к распространению метода эллипсометрии из микроэлектроники в другие области знаний: физику твердого тела, физику поверхности, материаловедение, технологию оптических покрытий, химию полимеров и электрохимию, биологию, медицину и др.

Существующие на сегодняшний день эллипсометры позволяют рассчитать коэффициенты отражения многослойных и неоднородных по толщине структур, гетерогенных слоев, состоящих из смеси нескольких компонентов, описать отражение от шероховатых поверхностей и островковых пленок. В результате такого комплексного подхода удается проводить неразрушающий оперативный контроль достаточно сложных микро- и наноструктур.

Спектральные эллипсометры, позволяют проводить измерения в оптическом диапазоне от ближнего ИК вплоть до вакуумного ультрафиолета. Область применения таких приборов - научные исследования: измерение спектров оптических постоянных и спектральных характеристик различных материалов, анализ слоистых структур, измерение характеристик сверхчистой поверхности.

Лазерные одноволновые быстродействующие эллипсометры используются как высокоточный инструмент технологического контроля. Встроенные в технологическую линейку, они используются как индикаторы, сигнализирующие об отклонении технологического процесса и позволяющие отбраковывать некондиционную продукцию

Для проведения локальных измерений изготавливается аппаратура, с размером зондирующего пятна несколько единиц-десятков микрометров.

Эллипсометрия в видимой области является эффективным методом контроля толщин таких наноматериалов, как сверхтонкие подзатворные диэлектрики, используемые в КМДП СБИС и слои полупроводников в гетеропереходных наноструктурах.

Дата добавления: 2014-01-07