WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:     || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

На правах рукопиcи


КОВАЛЕВ ВИТАЛИЙ ИВАНОВИЧ


Методы и приборы лазерной и спектральной эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук




Фрязино - 2011 г.

Работа выполнена во Фрязинском филиале Учреждения Российской академии

наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Мащенко Владислав Евдокимович

доктор технических наук,

доцент

Никитин Алексей Константинович

доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Соколовский Александр Алексеевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Физико- технологический институт РАН.

Защита диссертации состоится «09» декабря 2011 г., в 10-00 на заседании

диссертационного совета Д 002.231.03 при Учреждении Российской Академии наук

Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН по адресу :

125009, г. Москва, ГСП-9, ул. Моховая, д.11, корп.7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской

академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Автореферат разослан « » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук В.Н.Корниенко.

Актуальность темы.

Эллипсометрия – высокочувствительный метод определения оптических параметров образцов по относительному изменению амплитуд и фаз компонент вектора электрического поля электромагнитной волны, расположенных в плоскости падения и перпендикулярно ей, при взаимодействии с исследуемым образцом [1-3]. Возможность одновременного измерения амплитудных и фазовых характеристик позволяет точно определять одновременно толщины пленок и оптические константы материала пленок. Измерение отношения комплексных компонент обеспечивает высокую помехоустойчивость и стабильность спектральных эллипсометрических измерений. Например, сравнительно несложно регистрировать в широком спектральном диапазоне изменение фазового сдвига между ортогональными компонентами на 0,01 градуса, что соответствует изменению толщины около 0,01 монослоя при измерениях тонких окислов на полупроводниках.

Широкое применениее эллипсометрия получила в связи с появлением лазерных источников излучения и компьютеров. Развитие микроэлектроники определило доминирующее развитие эллипсометрии, основанной на анализе отраженного пучка излучения. В настоящее время широкое распространение получила спекроэллипсометрия, в которой измеряются спектры эллипсометрических параметров. Это один из основных методов анализа современных наноструктур.

Эллипсометрические измерения носят универсальный характер. В частности, могут быть выполнены исследования линейного и кругового дихроизма, вращения плоскости поляризации, оптической анизотропии, поляризационной микроскопии.

Универсальность и информативность метода СЭ определили широкую область ее применения.

СЭ позволяет точно определять спектры оптических постоянных всего набора материалов современной технологии (металлов, полупроводников, диэлектриков) в объемном и пленочном состояниях и толщины пленок, поверхностных и переходных слоев в сложных многопленочных структурах в диапазоне от единиц до тысяч нанометров.

СЭ дает возможность исследовать механические, структурные, физико-химические свойства материалов, микрошероховатость поверхности, профиль распределения микропористости и микровключений.

СЭ - эффективное средство in situ контроля процессов напыления и травления.

Основные области применения СЭ:

нанотехнология, физика и химия поверхности и тонких пленок, оптика, кристаллофизика, электрохимия, сенсорные устройства для экологии, биология и медицина.

Существует несколько основных направлений в современной эллипсомерии. Наиболее развитое направление - эллипсометрия с вращающимися поляризационными элементами. Эллипсометрия с фотоупругими скоростными модуляторами также находит широкое применение. Спектральная эллипсометрия с делением отраженного от образца пучка излучения на несколько каналов с различными состояниями поляризации и несколькими фотоприемниками используется значительно реже. Нулевая эллипсометрия, основанная на нахождении азимутов поляризатора и анализатора, соответствующих минимуму сигнала на фотоприемнике, широко использовалась ранее с лазерными источниками излучения, но неэффективна в спектральной эллипсометрии.

Отечественная эллипсометрия начала развиваться с середины шестидесятых годов на предприятиях электронной и оптической промышленности и в институте физики полупроводников СО РАН. Было налажено серийное производство нулевых лазерных эллипсометров серий ЛЭМ и ЛЭФ с ручным управлением. ( Общее количество произведенных эллипсометров более 700 шт ).

Производство отечественных лазерных эллипсометров с вращающимися анализатором или поляризатором не было налажено. Лазерные эллипсометры этого типа для ex situ и in situ измерений в большом количестве выпускались в 60-80 годы за рубежом. В 1969 и 1975 годах были созданы первые СЭ с фотоупругим модулятором и вращающимся анализатором, соответственно [6,7]. Основанные в 80-е годы динамичные фирмы (такие, например, как SOPRA (Франция,1981) и Woollam (USA,1986)) наряду с ранее известными фирмами обеспечили массовый выпуск спектральных эллипсометров. В ИРЭ РАН автором в 1978 году предложено и развивается новое направление эллипсометрии - эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации (ЭБМСП), в которой на исследуемый образец попеременно направляется излучение с двумя состояниями поляризации, и не используются движущиеся поляризационные элементы. Первый лазерный эллипсометр с БМСП экспонировался на ВДНХ в 1981г.

К настоящему времени области применений эллипсометрии быстро расширяются. В инструментальной части получили преимущественное развитие спектральные эллипсометры с вращающимся компенсатором. Существенно расширилась рабочая спектральная область эллипсометров - от 100нм до мм диапазона. Интенсивно развиваются отображающие (imaging) эллипсометры с микронным латеральным разрешением [13,14]. Появляются сообщения о создании эллипсометров ближнего поля в связке с оптическим или металлическим зондом с латеральным разрешением до 20 нм [21]. В эллипсометрах с высоким латеральным разрешением решающее значение имеет приемлемое отношение сигнал/шум для конкретной исследуемой структуры. Естественно, не все азимуты, например, при вращении анализатора, равноценны с точки зрения реализации наибольшей чувствительности измерений. В ЭБМСП легко выбрать оптимальные азимуты в плечах поляризатора и анализатора и отношение интенсивностей переключаемых пучков для измерений с высоким отношением сигнал/шум и максимальной чувствительностью. Актуальность исследований определяется возможностью существенного улучшения основных параметров эллипсометров, таких как чувствительность, точность по воспроизводимости (precision) и скорость измерений, при использовании ЭБМСП. Такие СЭ

проще и надежнее широко используемых коммерческих СЭ и принципиально лучше согласованы с современными линейками и матрицами фотоприемников.

Цель работы – развитие предложенного автором нового направления в эллипсометрии – эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации, предполагающее сравнительный анализ возможных способов эллипсометрических измерений, создание новой эффективной элементной базы поляризационной оптики для измерений в широкой спектральной области, разработку и создание семейства автоматических лазерных и спектральных эллипсометров для ex situ и in situ измерений, не содержащих движущихся поляризационных элементов, разработку современного программного обеспечения для эффективного анализа сложных исследуемых систем. С использованием разработанных эллипсометров предполагалось выполнить широкий комплекс исследований оптических свойств твердотельных структур и жидкостей. Работа должна закончиться подготовкой и практической реализацией серийного изготовления прецизионных и надежных отечественных спектральных автоматических эллипсометров, превосходящих по ряду основных технических параметров эллипсометры, выпускаемые в нашей стране и за рубежом.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи :

  • Разработка эллипсометров, не содержащих движущихся поляризационных элементов.
  • Разработка поляризационных интерферометров – модуляторов для широкой области спектра с использованием светоделительных элементов, параллельных полированным пластинам легированного кремния, установленных под углом Брюстера к падающему на них излучению.
  • Разработка бинарных модуляторов состояния поляризации с использованием тонкого симметричного клина из двулучепреломляющего материала, эффективно заменяющих цепочку поляризатор - модулятор состояния поляризации, часто используемую в современных спектральных эллипсометрах и других типах прецизионных поляризационных приборов.
  • Разработка соосного фазосдвигающего устройства (компенсатора) на основе ромба Френеля для широкой области спектра.
  • Разработка новых методов измерений в эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.
  • Разработка и создание семейства лазерных и спектральных эллипсометров с бинарной модуляцией состояния поляризации.
  • Сравнительный анализ технических параметров эллипсометров с бинарной модуляцией и современных зарубежных спектральных эллипсометров.
  • Выполнение цикла исследований материалов и структур электронной техники.

Научно -техническая новизна работы заключается в создании принципиально нового направления в эллипсо­метрии, разработке новой элементной базы поляризационной оптики, создании эллипсометров нового поколения, с использованием которых выполнен цикл исследований полупроводниковых и диэлектрических структур и жидкостей.

К наиболее существенным новым результатам, полученным в работе, относятся следующие:

  • Предложено и развивается новое направление в эллипсометрии.
  • Разработана элементная база поляризационной оптики - бинарные модуляторы состояния поляризации и фазосдвигающие элементы. Эти элементы могут быть успешно использованы практически во всех поляризационных приборах: поляриметрах, рефрактометрах, линейных и круговых дихрометрах, дифференциальных рефлектометрах, поляризационных микроскопах.
  • Предложены методы эллипсометрических измерений с использованием бинарной модуляции состояния поляризации.
  • Создано семейство спектральных эллипсометров нового поколения с бинарной модуляцией состояния поляризации.
  • Выполнен цикл исследований оптических свойств полупроводниковых и диэлектрических структур и жидкостей с использованием созданных спектроэллипсометров. Получены новые результаты.
  • Разработан и создан принципиально новый простой компактный автоматический эллипсометр с использованием двух попеременно переключаемых лазеров или светодиодов и устройства объединения ортогонально поляризованных пучков, позволивший достичь рекордные для эллипсометрии точности по воспроизводимости 2х 10-5 и 3х10-4 градусов, для и соответственно. Это позволяет использовать эллипсометр в качестве высокочувствительного сенсорного устройства.

Положения выносимые на защиту:

  1. Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации, предложенная и развиваемая автором с 1978 г., - новое направление в эллипсометрии, открывающее возможности улучшения основных технических характеристик современных лазерных и спектральных эллипсометров.
  2. Методы эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией, в которых измеряются отношения интенсивностей на двух фотоприемниках, расположенных в блоке анализатора после призмы Волластона. Эти методы позволяют использовать импульсные источники излучения и источники с сильно выраженной линейчатой структурой в спектрах излучения и обеспечивают высокие отношение сигнал/шум и точность по воспроизводимости. Предложенный метод используется в выпускаемых ЗАО «Наноиндустрия» мелкой серией прецизионных универсальных спектральных эллипсометрах, разработанных автором.
  3. Методы эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией с использованием одного фотоприемника (линейки или матрицы фотоприемников). Методы используются в in situ и ex situ спектральных эллипсометрах, разработанных автором в вариантах с 35-элементной и 512- элементной линейками фотодиодов.
  4. Разработана новая элементная база поляризационной оптики – бинарные модуляторы и фазосдвигающие устройства для широкой области спектра, позволяющие в полной мере реализовать преимущества эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.
  5. На основе новых базовых поляризационных элементов и методов разработано и создано семейство прецизионных лазерных и спектральных эллипсометров нового поколения, не использующих движущиеся поляризационные элементы.
  6. Исследования методом эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации полупроводниковых и диэлектрических структур и жидкостей, показавшие эффективность использования созданных лазерных и спектральных эллипсометров при разработке технологии и в физических исследованиях.
  7. Впервые реализованный в эллипсометрии метод поочередного включения двух идентичных лазеров или светодиодов с ортогонально поляризованными пучками позволил исключить дорогостоящие модуляторы состояния поляризации и создать высокопрецизионные простые скоростные лазерные и спектральные эллипсометры с широкими возможностями применений при исследовании кинетических явлений, картирования поверхностей и в качестве сенсорного чувствительного устройства.

Практическая значимость проведенных исследований и разработок заключается в следующем:

Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации, основанная на использовании новой элементной базы и новых методов измерений, позволяет существенно улучшить ряд основных параметров лазерных и спектральных эллипсометров, упростить конструкции эллипсометров и обработку результатов измерений. Опробован ряд автоматических эллипсометров различного назначения. По разработанной нами технической документации налажен серийный выпуск СЭ БМСП « Эльф» с двумя фотоприемниками ЗАО Концерн «Наноиндустрия», Москва.

Разработанная нами новая и сравнительно дешевая элементная база может эффективно ис - пользоваться при создании самых разных поляризационных приборов и устройств. Замена традиционно используемых поляризаторов и модуляторов состояния поляризации делает прецизионные поляризационные приборы заметно дешевле и надежнее.

Высокочувствительные компактные эллипсометры с лазерами и светодиодами позволяют создавать системы картирования, исследования кинетики параметров структур и эффективные сенсорные устройства.

В настоящее время стремительно развивается эллипсометрия с латеральным разрешением до 1 мкм. Наблюдается несоответствие потребностей быстрой обработки больших массивов информации и применения эллипсометрии со сравнительно медленно вращающимися поляризационными элементами. Альтернативой несомненно является ЭБМСП, хорошо согласующаяся с необходимостью одновременного интегрирования сигналов многоэлементных фотоприемников. Особенно привлекательна возможность выбора оптимальных условий измерений в ЭБМСП и точной калибровки методом определения азимутов А1 и А2, описанном ниже и исключающем нелинейности, присущие чувствительным ПЗС матрицам. Заметим, что с очевидными проблемами минимизации влияния фоновых излучений (например, плазменного свечения в ростовой камере) сталкиваются и разработчики отечественных СЭ в ИФП СО РАН, использующие статические методы измерений в эллипсометрии с делением отраженного от образца пучка излучения по фронту на несколько пучков, и, соответственно, несколько фотоприемников. Возникают трудности с реалиизацией локальных измерений и измерений с многоканальными фотоприемными устройствами.



Апробация работы.

Материалы исследований и разработок докладывались на следующих Всесоюзных, Российских и Международных конференциях:

VII Всесоюзная конференция по микроэлектронике, Львов, 1975; 1-ая Всесоюзная конференция по эллипсометрии, Новосибирск, 1977; International Simposium on Reliability of microelectronic devices. Berlin.1978; IV International Conference “ Mikronika-79. Warszawa. 1979; 1-ая Всесоюзная школа- семинар « Проблемы функциональной микроэлектроники» Горький. 1980; 9-ая Всесоюзная научно-техническая Конференция по микроэлектронике. Казань. 1980; 2-ая Всесоюзная конференция по эллипсометрии. Новосибирск, 1981;Третья Всесоюзная Конференция по эллипсометрии. Новосибирск. 1985; Четвертая Всесоюзная Конференция по эллипсометрии. Новосибирск,1989; Совещание общества Попова. Москва,1986; Всесоюзная конференция « Физические и физико-химические основы микроэлектроники» Вильнюс.1987; Доклад на Межотраслевом Экспертном Совете. 1987; Всезоюзная научно-техническая конференция « Специальные коммутационные элементы», Рязань, 1984; Всесоюзная конференция « Поверхность 89» Черноголовка. 1989; MRS Fall Meeting, Boston,1994; Всероссийская научно-техническая конференция «Микро-и наноэлектроника-99». Звенигород,1999; Международная конференция « Взаимодействие излучения с твердым телом ВИТТ-2003», Минск, 2003; International Conference “Micro- and Nanoelectronics -2003”, Москва-Звенигород, 2003; 25-th ACRS, Chiang-Mai, Thailand, 2004; 10 International Symposium on Microwave and Optical Technology (ISMOT-2005). Fukuoka.Japan. August 22-25. 2005.pp.87; Proceedings of International conference “Modern problems of Condensed Matter 2007”, Kiev, Ukraine, 2-4 October 2007, p. 247-248; International Workshop on Photonics and Applications. Can Tho, Vietnam, 15-19 August, 2006, p.81; 4th International Conference on Spectroscopic Ellipsometry (June 1115, 2007, Stockholm, Sweden); XV Международная научно-техническая конференция” Высокие технологии в промышленности России»; XXII Международный симпозиум « Тонкие пленки в электронике. Москва, 2009, с.440-446; «Оптическая и магнитооптическая спектроскопия тонких ферромагнитных слоёв InMnAs»; ХII Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Сборник трудов, Нижний Новгород, 2008, т.2, с. 273-274; PICES XVI Annual Meetings. The changing North Pacific: Previous patterns, future projections, and ecosystem impacts. Victoria, Canada, October 26- November 2, 2007, pp. 108; Proceedings of ICMNE-2007, p. D5; 11 International Symposium on Microwave and Optical Technology ( ISMOT 2007). Monte Porzio Catone, Italy, 17-21 December, 2007, pp. 385-388; First Mediterranean Photonics Conference, Ischia, Napoli, Italy, 2008;

Участие в выставках:

  • Елинсон М.И., Игнатов Б.Г., Ковалев В.И., Марьин В.И., Перов П.И., Россуканый Н.М., Тужиков А.В. Оптическая установка для определения параметров микроэлектронных структур. Экспонат ВДНХ. М. 1981. Впервые в качестве модулятора состояния поляризации в эллипсометрии применен поляризационный интерферометр - модулятор.
  • Ковалев В.И., Россуканый Н.М. Универсальный автоматический эллипсометр. Экспонат ВДНХ. 1983. Серебряная медаль.
  • Ковалев В.И., Руковишников А.И. Эллипсометр с бинарной модуляцией состояния поляризации. Экспонат ВДНХ. 1987. Серебряная медаль.
  • Ковалев В.И., Россуканый Н.М. Автоматический эллипсометр для видимой и ИК области спектра. Экспонат на выставке Важнейшие законченные работы АН СССР. 1986.
  • Ковалев В.И., Руковишников А.И., Крапивин В.Ф., Климов В.В., Мкртчян Ф.А. Компактный многоканальный спектроэллипсометр. Экспонат ВВЦ « Инновации 2000». 2000 г. Золотая медаль.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 74 научных работах, из которых 28 статей в рецензируемых изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 8 авторских свидетельств и патентов, 38 статей в других изданиях и в трудах Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций.

По разработанной нами технической документации налажен серийный выпуск СЭ БМСП

« Эльф» ЗАО Концерн «Наноиндустрия», Москва.

Личный вклад автора.

Представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве. Paзработка и изготовление электронных схем и устройств и разработка программного обеспечения для автоматических эллипсометров выполнены с.н.с. Руковишниковым А.И. Исследования, отраженные в Главе 5, выполнены при активном участии с.н.с. Хомича А.В. и Куньковой З.Э.

Результаты, представленные в Гл.6, получены при участии с.н.с. Россуканого Н.М. и с.н.с. Климова В.И.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, общих выводов и

списка литературы. Объем диссертации – 250 страниц, содержащие 110 рисунков и 6 таблиц.

Список литературы содержит более 200 ссылок.

Содержание работы.

Во введении мотивируется актуальность диссертации, формулируются ее цели, приводятся основные результаты, отмечается их новизна и изложены защищаемые положения. Приведен обзор современного состояния спектральной эллипсометрии, включающий теорию эллипсометрии, описание эллипсометрических методов измерений и спектральных эллипсометров широкого использования. Показаны примеры анализа результатов эллипсометрических измерений.

Глава 1. Методы эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

Глава 1 содержит 5 разделов. В 1.1 рассмотрены проблемы традиционных подходов в эллипсометрии и предпосылки к разработке нового подхода.

Представленный во Введении диссертации обзор состояния эллипсометрии показывает, что устоявшиеся два направления в спектральной эллипсометрии (эллипсометрия с вращающимися поляризационными элементами и эллипсометрия с фотоупругими модуляторами), определяющие мировой рынок современных спектральных эллипсометров, непрерывно развиваются, однако остаются некоторые принципиальные ограничения.

Так, в эллипсометрии с вращающимися элементами удалось исключить влияние поляризационной зависимости фотоприемников в RAE или остаточной поляризации в излучении источника в RPE, применяя более информативные и точные эллипсометры с вращающимся компенсатором RCE. Оказалось возможным существенно расширить спектральный диапазон эллипсометров с вращающимися элементами и эллипсометров с фотоупругим модулятором PME. PME легко использовать в ИК диапазоне с FTIR в отличие от эллипсометров с вращающимися элементами. Однако, современные PME остаются дорогостоящими сложными устройствами, плохо согласующимися с линейками и матрицами фотодетекторов. Эллипсометры с вращающимися поляризационными элементами не позволяют исследовать кинетику процессов, а величина отношения сигнал/шум в большой мере определяется качеством блока вращающегося элемента и фотоприемника.

К середине 70-х появилось множество разработок по оптическим методам исследования, в частности, по лазерной и спектральной эллипсометрии, позволяющих решать основные метрологические задачи в различных отраслях промышленности, особенно в микроэлектронике. Информативность и уникальные свойства эллипсометрии явились главной предпосылкой начала работ по эллипсометрии в отделе микроэлектроники ФИРЭ РАН. Именно в это время в США появился первый автоматический спектральный эллипсометр с вращающимся анализатором [7], работающий в видимой и УФ области спектра.

Другие предпосылки нетрудно понять из рассмотрения метрологической работы автора {3}, изложенной в разделе 1.2. Ко времени публикации {3} существовали единичные публикации с описанием ИК спектроэллипсометров на основе стандартных монохроматических источников излучения. В {3} фактически измеряются ИК спектры и угловые зависимости эллипсометрического параметра (Tan ) с использованием разработанного автором эффективного отражательного поляризатора. Аналогичные измерения Tan выполняются и в методах НПВО. Возможность переключения p- и s – компонент позволила бы существенно увеличить чувствительность и точность измерения Tan. Позже, Roseler [9] предложил использовать FTIR спектрометры в спектральной эллипсометрии, что обеспечило существенное улучшение их технических характеристик.

Метод эллипсометрических измерений в [9] основан на последовательных измерениях интенсивностей при 4 различных азимутах поляризатора. Естественно, и здесь переключение азимутов может существенно улучшить точность и увеличить скорость измерений.

Работы автора по исследованию квантового размерного эффекта в тонких пленках и оптической диагностике структур микроэлектроники {1-3} также привели к необходимости разработки нового подхода в эллипсометрии, который бы позволил создавать простые лазерные и спектральные эллипсометры с высокими техническими характеристиками.

Еще одна важная предпосылка - появление публикаций Запасского [5] по прецизионной лазерной поляриметрии с балансными схемами фотоприемников, обеспечивающей чувствительность на уровне до 10-6 градусов. Уровень чувствительности лазерных эллипсометров при измерении эллипсометрических параметров на три порядка ниже. Возникает предположение, что если мы будем последовательно посылать на образец пучки с выбранными азимутами поляризации и регистрировать их ортогональные компоненты (например, после призмы Волластона с определенным азимутом, расположенной после образца), появляется возможность эллипсометрических измерений с существенно улучшенной чувствительностью и точностью. Это и есть принцип эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации. Авторское свидетельство 1978 г {29} “ Поляризационный интерферометр – модулятор “ и предложенные методы измерений явились основой создания различных автоматических эллипсометров видимого и ИК спектрального диапазона. В 1981г. эллипсометр с переключением поляризации экспонировался на ВДНХ.

В разделе 1.2. «Метод псевдоугла Брюстера в исследованиях электрофизических параметров сильно легированных полупроводников» приведены результаты исследования дисперсии показателей преломления и поглощения и подвижности свободных носителей в сильно легированном кремнии точным и сравнительно простым методом псевдоугла Брюстера, где необходимо измерение величины псевдоугла Брюстера Б и отношения RБ = Rp/ Rs при = Б, Rp и Rs- коэффициенты отражения электромагнитного излучения, поляризованного параллельно и перпендикулярно плоскости падения, соответственно [4]. В [4] представлены простые аналитические выражения, позволяющие определять показатель преломления п и показатель поглощения к по RБ и Б.. Используя эти выражения из [4], мы определили дисперсию п и к в области плазменного края отражения сильно легированных образцов Si №1 ( п-тип, толщина диффузионного слоя фосфора d = 2,19 мкм, поверхностное сопротивление Rs = 3,6 Ом/) и №2 (р-тип, толщина диффузионного слоя бора d = 0,2 мкм, Rs = 96 Ом/).

Угловые измерения отражения в спектральной области от 1,8 до 6 мкм выполнены нами на экспериментальной установке, включающей монохроматор ИКМ-1, поляризатор, систему зеркал, формирующую параллельный пучок излучения за выходной щелью монохроматора, устройство синхронного сканирования угла поворота образца и болометра.

 1. Дисперсия п и к в области плазменной частоты. Образец Si №1: 1- п -1

Рис.1. 1. Дисперсия п и к в области плазменной частоты. Образец Si №1: 1- п

2- к ; образец Si №2: 3- п, 4- к

Рис.1. 2. Спектры плазменного отражения при Т = 300 К: 1,2 – образцы №1,№2, измерены при нормальном падении; 3, 4 – образцы №1,№2, спектры получены по измеренным методом псевдоугла Брюстера значениям п и к.

В разделе 1.3. «Методы эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации» представлено описание различных методов эллипсометрических измерений, их преимущества и недостатки. Общим для всех методов является определение эллипсометрических параметров в соответствии с основным уравнением эллипсометрии:

= rp / rs = Tan exp (i ) (1)

и - эллипсометрические углы, определяющие отношение комплексных амплитудных коэффициентов отражения rp и rs для p и s- поляризаций [2]. Измеренные значения параметров и сопоставляются с расчитанными с помощью формул Френеля, исходя из заданной модели образца.

Наилучшее согласие между расчетом и моделью оценивалось по минимальной величине целевой функции, характеризующей квадратичное отклонение экспериментальных (индекс “e”) и расчетных (“c”) значений эллипсометрических параметров, определенных при одних и тех же длинах волн i

2 = 1/N i [tge(i) – tgc(i)]2 + [cose(i) – cosc(i)]2, (2)

где N — количество экспериментальных точек.

Все разнообразие эллипсометрических методов можно разделить на нулевые и фотометрические методы. Стандартная геометрия расположения поляризационных элементов в эллипсометрах: поляризатор (Р ) - компенсатор(С) - образец(S) - анализатор (А). В нулевых методах эллипсометрические углы определяются по значениям азимутов поляризатора и анализатора, при которых наблюдается минимум интенсивности на фотоприемнике. При использовании так называемых четырехзонных измерений (при различных азимутах компенсатора) реализуется высокая абсолютная точность определения и - 0.02-0.05, безотносительно к диапазону их значений. Однако малая скорость измерений и неэффективное использование интенсивности определили преимущественное использование в спектральной эллипсометрии (СЭ) фотометрических методов с измерением интенсивности пучков. Это методы с вращающимся анализатором, поляризатором или компенсатором, а также метод эллипсометрии с фотоупругим модулятором (ЭФМ) и методы с пространственным разделением (МПД) отраженного от образца пучка света на несколько пучков. Как правило, фотометрические методы имеют абсолютную точность определения и в диапазоне 0.05-0.5градуса [3], но существенно более высокую скорость измерений и точность по воспроизводимости. Методы СЭ с вращающимися поляризационными элементами (ВПЭ) хорошо согласуются с линейками и матрицами фотоприемников, в отличие от ЭФМ и МПД, проще для автоматизации, имеют более широкий рабочий спектральный диапазон и их применение является доминирующим. Недостатки СЭВПЭ – невысокая скорость измерений (до10мсек), ошибки, связанные с девиацией пучка, механическими вибрациями, с поляризационной зависимостью фотоприемников и наличием поляризационной составляющей пучка света на входе поляризатора.

В 1978 году автором было предложено новое направление в эллипсометрии - эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации (ЭБМСП), не использующая движущиеся поляризационные элементы. В ЭБМСП последовательно по времени на исследуемый образец подается излучение с двумя заданными состояниями поляризации. Отраженный от образца пучок излучения либо делится призмой Волластона на два ортогонально поляризованных пучка с азимутами А и А+90, которые одновременно направляются на два фотоприемника, либо проходит через поляризационное устройство, выделяющее последовательно по времени поляризацию с азимутами А и А+90.

Для эллипсометра с конфигурацией поляризатор—образец—анализатор интенсивность света на фотоприемнике

In = I0 (sin2Ansin2Pn + cos2Ancos2Pntg2 + 0.5sin2Ansin2Pncos tg), (3)

где Pn и An — азимуты поляризатора и анализатора (углы P и A устанавливаются исходя из оптимальных условий измерения); I0 — коэффициент, не зависящий от Pn и An

Запишем уравнение (3) для азимутов (А, Р), (А+90,Р), (А, Р+90) и (А+90, Р+90), соответственно:

I1 = ha*I0 (sin2A sin2P + cos2Acos2P tg2 + 0.5sin2Asin2Pcos tg) (4a)

I2 = I0 (cos2Asin2P + sin2Acos2P tg2 - 0.5sin2Asin2Pcos tg) (4b)

I3 = ha*I0 (sin2Acos2P + cos2Asin2P tg2 - 0.5sin2Asin2Pcos tg) (4c)

I4 = I0 (cos2A cos2P + sin2Asin2P tg2 + 0.5sin2Asin2Pcos tg) (4d)

ha- коэффициент, характеризующий отношение чувствительностей 2-х каналов в анализаторе. Для каждого из азимутов P и P + 90 измеряется отношение сигналов на фотоприемниках при азимутах анализатора А и А+ 90. По измеренным отношениям b1 = I1/ I2 /ha и b2 = I3 / I4 /ha определяются эллипсометрические параметры и из соотношений:

Tan 2 = (x1 – b1b2x2 + c) / (b1b2 x1 - x2 + c) (5)

Сos = [b1x3 - sin 2 A sin 2 P + (b1x4 - cos 2 A cos 2 P) Tan 2 ] / (6)

0.5(b1+1)sin2Asin 2P Tan

здесь

с = b2 (sin 2 A sin 2 P - cos 2 A cos 2 P) + b1(x4 - x3)

x1 = sin 2 A, x2 = cos 2 A, x3 = cos 2 A sin 2 P, x4 = sin 2 A cos 2 P

Описанный скоростной и чувствительный метод измерений не обеспечивает, как и все фотометрические методы, высокую абсолютную точность измерений при величинах измеряемых отношений, существенно отличающихся от единицы. В ЭБМСП легко реализовать метод с переключением азимута Р и Р+90 и нахождением азимутов анализатора А1 и А2, при которых интенсивности падающих на фотоприемник пучков равны. На Рис.1.3 показаны так называемые номограммы в координатах А1-А2, где цифры, указанные на кривых, это толщины оксида кремния в ангстремах на кремниевой подложке. Длина волны излучения 633 нм. Угол падения на образец 70 градусов, а - отношение интенсивностей переключаемых пучков.

Видно, что измерения с введенным в пучок компенсатором для очень тонких оксидов намного чувствительнее. В отличие от эллипсометров с ВЭ в методе ЭБМСП можно выбрать оптимальные условия измерений для конкретного исследуемого образца и интересуемого диапазона толщин.

Этот метод, как и стандартный нулевой метод эллипсометрии, исключает ошибки, связанные с нелинейностью фотоприемников. При этом уровень сигналов существенно выше, что позволяет использовать метод в спектральной эллипсометрии, в частности, для точной калибровки.

Отметим, что БМ позволяет изменить алгоритм измерений в широко используемых эллипсометрах с вращающимся анализатором (ЭВА) [7] c шаговым приводом. Обычно используемую сложную калибровку можно заменить на вышеописанную калибровку с определением A1 и A2. Кроме того с БМ реализуется двухзонный режим измерений, что повышает их точность.

 3.{73,74}. В ЭБМСП возможны различные способы измерений,-2

Рис.1.3.{73,74}.

В ЭБМСП возможны различные способы измерений, представленные в главе 1.


Раздел 1.4.Методы ЭБМСП с двумя фотоприемными устройствами.

Именно балансные системы фотоприемников используются в основном в прецизионных поляриметрах с чувствительностью до 10-6 градуса [5].

Переключение состояния поляризации позволяет реализовать чувствительный эллипсометрический метод, характеристики которого решающим образом определяются используемым бинарным модулятором.

  1. Метод эллипсометрии с переключением ортогонально поляризованных пучков с азимутами P и P+90 (бинарная модуляция), падающих на образец, в котором отраженные пучки направляются призмой Волластона с азимутом А на два фотоприемника.
  2. Метод эллипсометрии, отличающийся от первого переключением двух линейно поляризованных пучков с произвольно устанавливаемыми азимутами поляризационным устройством с делением пучка по фронту{33}.
  3. Метод эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации, в котором последовательно включаются два идентичных лазерных либо светодиодных источника, причем обеспечивается ортогональность азимутов переключаемых пучков.

4. Метод короткоимпульсных эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации, в котором импульс излучения преобразуется бинарным модулятором в два последовательных импульса с ортогональными азимутами поляризации.

Раздел 1.5. Методы ЭБМСП с одним фотоприемным устройством (фотодиод, линейка или матрица фотодиодов).

5. Метод эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации, в котором бинарная модуляция осуществляется в плечах поляризатора и анализатора.

6. Метод эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации, в котором бинарная модуляция выполняется только в плече поляризатора, измеряются интенсивности на расположенном за анализатором фотоприемнике и на фотоприемнике, расположенном в опорном канале бинарного модулятора на Рис.11.

7. Метод эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации, в котором бинарная модуляция выполняется только в плече поляризатора, и определяются азимуты А1 и А2, при которых наблюдается равенство интенсивностей после сканируемого по азимуту анализатора.

Глава 2 Разработка и создание новой элементной базы поляризационной оптики.

В Главе 2 приведено описание разработанных автором новых поляризационных элементов, которые составляют элементную базу для поляризационной оптики, и, в частности, эллипсометрии. Эффективность метода эллипсометрии с БМСП определяется ключевым элементом – бинарным модулятором поляризации. В 1978 году автором был предложен поляризационный интерферометр-модулятор (ПИМ) {29}, который обеспечивает попеременно пучки излучения с ортогональными поляризациями в спектральном диапазоне от 400 нм до 15000нм. Отличительной чертой cоосного ПИМ является использование светоделительных пластин, параллельных полированным легированным кремниевым пластинам, установленным под углом Брюстера к падающему на них излучению. Известные интерферометры Майкельсона и Маха-Цендера не обеспечивают соосности входного и выходного пучков, в отличие от предложенной нами трапецеидальной геометрии интерферометра. Возможность интерферометрических измерений в положениях, когда оба пучка открыты, очень важна, например, при чувствительных измерениях показателя преломления жидкостей и газов, либо двулучепреломления в твердотельных материалах.

В устройствах [16] поляризационные элементы устанавливались в плечах, например, интерферометра Маха-Цендера, и соосность не обеспечивалась. Бинарные модуляторы состояния поляризации на основе интерферометров Майкельсона и Маха-Цендера рассмотрены в публикациях Azzama 1993 г.[18,19]. Необходимость использования дополнительного ахроматического полуволнового устройства ограничивает использование модуляторов в широком спектральном диапазоне.

 1. 1-поляризатор, 2 и 3 – идентичные светоделительные пластины ( BaF2-3

Рис.2.1. 1-поляризатор, 2 и 3 – идентичные светоделительные пластины ( BaF2 или ZnSe ), параллельные пластинам кремния 4 и 5, установленным под углом Брюстера к падающему на них пучку, поляризованному перпендикулярно плоскости рисунка. Кремниевые пластины 6-,9 ( пластины 6,7 для снижения потерь можно заменить зеркалами)развернуты относительно пластин 4,5 на 90 градусов и установлены под углом Брюстера. Обтюратор 10 попеременно открывает ортогонально поляризованные пучки.

В главе 2 также приведены конструкции поляризатора и переключателя состояния поляризатора с делением пучков по фронту (Рис.3.1) в которых используются полированные кремниевые пластины, установленные под углом Брюстера. Высокая степень легирования пластин исключает влияние отражения от задней границы и обеспечивает более слабую зависимость степени поляризации от длины волны и угловой апертуры пучка.

Широкий спектральный диапазон, высокая степень поляризации, возможность варьирования азимутов переключаемых пучков в большом диапазоне позволяют эффективно использовать этот соосный ПСП в ИК спектральных эллипсометрах.

 а). б). 2. Ключевой элемент спектральных эллипсометров с-4

а). б).

Рис.2.2.

Ключевой элемент спектральных эллипсометров с бинарной модуляцией состояния поляризации – бинарный модулятор поляризации {34} показан на Рис.2а. Коллимированный пучок излучения расщепляется клином из кальцита ( CaCO3) на два ортогонально поляризованных коллимированных пучка, которые сферическим зеркалом 3 фокусируются в точках В и С, где попеременно перекрываются обтюратором 2. Далее пучки снова становятся коллимированными и совмещаются клином с направлением первоначального пучка. Фактически мы имеем геометрию поляризационного интерферометра. Этот простой БП эффективно заменяет стандартную дорогостоящую цепочку поляризатор-модулятор состояния поляризации. Основные характеристики:

Совмещение пучков не хуже 0,01 градуса, степень поляризации -10-5, рабочий спектральный диапазон ПСП -240-2400 нм. Скорость прерывания пучков – до нескольких кГц.

Кальцит является идеальным материалом для БМ, показанного на Рис.2а. Расширение спектрального диапазона обеспечивает сравнительно новый материал- а-ВВО ( а-ВаВ2О4), прозрачный в области 189-3500 нм. Особенности дисперсии этого материала и меньшая разность обыкновенного и необыкновенного показателей преломления не позволяют использовать вышеописанную конструкцию во всей области прозрачности кристаллов. В главе 2 дано описание двухстороннего варианта БМ с использованием сходящегося пучка, что позволяет существенно повысить отношение сигнал/шум в УФ области спектра. Работа в сходящихся пучках позволяет использовать дешевые малоразмерные призмы.

Схема четвертьволнового фазосдвигающего устройства, предложенная нами в 1986г.{35}, показана на Рис.2б. Ромб Френеля из плавленого кварца и пара зеркал, установленных под углом 12-13 градусов к падающему на них пучку обеспечивают соосность и улучшение ахроматичности, так как дисперсия диэлектриков и, соответственно, фазовый сдвиг в ромбе и фазовый сдвиг при отражении от зеркал имеют противоположные зависимости от длины волны. Аналогичная конструкция описана позже в работе 2002 г.[28].

Глава3. Разработка и создание лазерных и спектральных эллипсометров для ИК области спектра.

В Главе 3 представлены результаты разработок лазерных эллипсометров для ИК области спектра на основе новых поляризационных элементов. Принципиальная схема автоматической многоволновой эллипсометрической установки показана в {4}. На выходе ПИМ с частотой 160 Гц попеременно формируется линейно-поляризованное излучение с азимутами Р и Р+90. Отраженное от образца излучение проходит через анализатор с азимутом А на блок фотоприемников. Сканируя азимут анализатора при автоматическом считывании значений азимута с дискретностью 10', определяем два азимута А1 и А2, при которых сигналы I1и I2, соответствующие переключаемым ПИМ пучкам, равны. По А1 и А2 определяются эллипсометрические и электрофизические параметры.

Технические параметры установки:

Длина волны излучения 0,63; 1,15; 3,39; 10,6 мкм.(He-Ne лазер ЛГ-126 и CO2 лазер).

Время измерения – 5 сек; Диапазон измеряемых толщин- 0,001-20 мкм. Погрешность определения толщин- 0,5 нм; Погрешность определения показателя преломления 0,005; Погрешность определения концентрации свободных носителей заряда (при N> 1019 см-3)- 5%. Погрешность определения подвижности свободных носителей заряда 15%. Погрешность определения эллипсометрических параметров и 0,02-0,04 на длинах волн 0,63-3,39 мкм и 0,1 на длине волны 10,6 мкм. Диапазон автоматического сканирования угла падения излучения на образец-30-90 градусов. Погрешность определения азимута анализатора -0,02.

В Главе 3 представлен двухлучевой дифференциальный ИК эллипсометр, описанный в {37}.

Эллипсометр имеет высокую чувствительность при определении разности эллипсометрических параметров эталонного и исследуемого образцов.

Широкий спектральный диапазон, меньшие потери излучения и возможность выбора произвольных значений переключаемых азимутов поляризации характерны для ИК эллипсометра, предложенного в {33}. Система деления пучка по фронту и переключения пучков обеспечивает очень широкий спектральный диапазон от 400 нм до 50 мкм (Табл. в Гл.3) при высокой степени поляризации пучков.

 1. 1-призменный монохроматор ИКМ-1, 2- зеркальная система коллимации-5

Рис.3.1. 1-призменный монохроматор ИКМ-1, 2- зеркальная система коллимации пучка, 3-диафрагма, 4-обтюратор, попеременно прерывающий верхную от плоскости рисунка и нижную половинки пучка.5,6, 9и10- плоские зеркала, 7,8,11 и 12 – пластины легированного кремния, установленные под углом Брюстера к падающему пучку, 14-исследуемый образец, 15-анализатор отражательного типа, 16-линза, 17 – болометр (либо фотоприемник Ge:Au) - регистрирующая система.

Глава 4. Разработка и создание лазерных и спектральных эллипсометров для УФ, видимой и ближней ИК спектральной области.

Глава 4 посвящена разработке и созданию лазерных и спектральных эллипсометров для УФ, видимой и ближней ИК спектральной области.

Универсальный сканирующий спектроэллипсометр ES-2 (Эльф).

Спектральный диапазон 270-1050 нм. Диапазон изменения углов падения - 45-90 градусов. Время измерения спектров эллипсометрических параметров и - 20 сек. Точность определения и по воспроизводимости 0.003 и 0.005 градусов, а показателя преломления и толщины пленок 0,001 и 0,01нм, соответственно. Долговременная стабильность 0,01 градуса. Диаметр пучка 3 и 0,2 мм (с микроприставкой). Предусмотрена возможность использования УФ светодиодов UVTOP для работы в спектральном диапазоне от 270 нм с высокой надежностью и отношением сигнал/шум.

 1. Универсальный сканирующий спектроэллипсометр ES-2. -6

Рис.4.1.

Универсальный сканирующий спектроэллипсометр ES-2.

 2. Многоканальный компактный спектроэллипсометр с 512-элементной-7

Рис. 4.2. Многоканальный компактный спектроэллипсометр с 512-элементной линейкой фотодиодов. Источник - галогенная лампа. Спектральный диапазон-380-800 нм. Угол падения излучения на образец-70 градусов. Минимальное время измерения спектров эллипсометрических параметров и -0,6 сек. Точность измерения эллипсометрических параметров и по воспроизводимости 0.003 и 0.01 градуса, соответственно. Долговременная стабильность и – 0.01 градуса. Точность измерения оптического пропускания жидкостей и поворота плоскости поляризации: 0.05% и 0,001 градуса, соответственно. Точность определения показателя преломления -0,001.

Проблема недостаточного ресурса стандартных ксеноновых ламп в коммерческих спектральных эллипсометрах решается использованием экономичного импульсного ксенонового источника излучения РХ-2 (Ocean Optics,Inc.){14}. Последовательно по ходу пучка излучения расположены линзовый осветитель, монохроматор МДР-3, управляемый от компьютера, БМСП, расположенный вертикально образец, модифицированная призма Волластона с воздушным зазором и два кремниевых фотодиода S5226-8BQ (Hamamatsu). Одновременное интегрирование сигналов на фотоприемниках обеспечивает высокое отношение с/ш при использовании сравнительно нестабильных ксеноновых ламп и импульсных ксеноновых ламп РХ-2 (длительность импульса излучения 5 мкс, частота повторения импульсов до 220 Гц, ресурс 109 импульсов). На Рис.4.3 показаны спектры действительной и мнимой частей псевдодиэлектрической функции кремниевых пластин с тонким термическим окислом в УФ части спектра. Спектральные зависимости, вычисленные в рамках однослойной модели (термический окисел толщиной 4.4 нм и 29 нм на кремниевой подложке), хорошо соответствуют экспериментальным данным. Основные технические характеристики импульсного двухканального СЭ: Спектральный диапазон 270-1100 нм. Спектральное разрешение 1.3 нм в диапазоне 270-370 нм и 2.6 нм в диапазоне 370-1100 нм. Диапазон углов падения излучения на образец 40-90 градусов. Точность определения эллипсометрических параметров cos и tg по воспроизводимости и их долговременная стабильность 10-4 в области длин волн более 450 нм.

Рис.4.3.

На Рис.4.4. показан многоканальный СЭ с геометрией: источник излучения – бинарный модулятор - ахроматический компенсатор – образец - второй бинарный модулятор - миниспектрограф- линейка 35 фотодиодов. Минимальное время измерения спектров – 0,6 сек.

 Рис 4.4. In situ многоканальный спектральный эллипсометр для исследования в-9

Рис 4.4. In situ многоканальный спектральный эллипсометр для исследования в реальном времени роста полупроводниковых структур методом индуктивно связанной плазмы ( ФТИАН).

В главе 4 дано описание некоторых других схем эллипсометров, удобных для конкретных приложений. Например, при использовании ПЗС матриц фотоприемников и локальных измерениях имеет определенные преимущества эллипсометр с геометрией: источник излучения - БМ с опорным фотоприемником - компенсатор-образец - стандартный анализатор - ПЗС матрица. Достаточно измерить отношения сигналов на пикселах матрицы к опорному сигналу для каждого из переключаемых пучков. Естественно, увеличивается скорость измерений, упрощается конструкция. Такой эллипсометр можно использовать и для in situ измерений.

Основной вывод представленных выше глав – эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации дает широкие возможности для разработок новых поляризационных элементов и создания широкого семейства эллипсометров различного назначения, исключающих основные недостатки современных коммерческих эллипсометров. Открываются возможности нового подхода при создании других поляризационных приборов: линейных и циркулярных дихрометров, дифференциальных поляризационных рефлектометров, ближнеполевых эллипсометров.

Глава 5. Исследование полупроводниковых и диэлектрических материалов и структур методом спектральной эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

5.1.Спектральная эллипсометрия многослойных гетероструктур ZnS/ZnSe {11,12}.

При исследовании слоев селенида цинка, сульфида цинка и многослойных структур ZnS/ZnSe, полученных методом химического газофазного осаждения из элементоорганических соединений на GaAs-подложках, эллипсометрические измерения проводились на универсальном автоматическом двухканальном спектроэллипсометре с БМСП на основе серийного монохроматора МДР-3 со спектральным разрешением 1 нм.

Для локальных эллипсометрических измерений использовалась приставка, изготовленная на основе двух сферических зеркал с фокусным расстоянием 50 мм, что позволило значительно уменьшить ошибки анализа слоев с большими толщинами, обусловленные их неоднородностью, и проводить картографирование поверхности образца с локальностью не хуже 0.2 0.5 мм при угле падения 70°. Качество гетероструктур оценивалось методами фотолюминесценции и рентгеновской дифрактометрии, а толщины определялись методами эллипсометрии и по спектрам отражения.

Из-за упругих напряжений вследствие несоответствия параметров решетки эпитаксиальных слоев и подложки и наличия дефектов в объеме пленки оптические константы тонких пленок А2B6 и соответствующих монокристаллов несколько различаются. Для определения дисперсии показателей преломления и поглощения тонких эпитаксиальных слоев ZnS и ZnSe выращены простые слои соединений А2B6. В спектрах cos и tg двух структур ZnSe/GaAs с различной толщиной эпитаксиального слоя, зарегистрированных с приставкой для локальных измерений, хорошо заметно изменение характера кривых вблизи края запрещенной зоны селенида цинка. Двухслойная модель поверхностный оксидный слой/пленка ZnSe/подложка GaAs (рис. 1) удовлетворительно описывает экспериментальные результаты. Наличие особенностей вблизи энергий E0/(E0 +0) критических точек и совпадение абсолютных величин n и k с литературными данными свидетельствуют о высоком структурном качестве слоев ZnSe. Вследствие упругих напряжений максимум спектра показателя поглощения k смещен в коротковолновую сторону по сравнению с известными данными для объемных монокристаллов селенида цинка. Отметим, что использование микроприставки в СЭ-измерениях дает возможность исследовать достаточно толстые пленки, при этом достигается хорошее совпадение как в области прозрачности ZnSe, так и в коротковолновой части спектра

Данные измерений одиночных слоев позволили нам с большей достоверностью анализировать эллипсометрические спектры многослойных структур, в том числе брэгговских зеркал на основе ZnSe/ZnS. На рис. 5.1 приведены результаты измерений и расчета в рамках 10- и 12-слойной модели для двух структур (ZnSe/ZnS)n/ZnSe/GaAs, причем толщины слоев как ZnS, так и ZnSe в многослойной структуре принимались одинаковыми во всех парах слоев. Расчет и эксперимент хорошо согласуются во всем спектральном диапазоне, величина не превышает 0.02—0.03. Спектры отражения, рассчитанные для угла падения 20° по определенным из СЭ параметрам (рис. 3), совпадают с измеренными (рис. 2, в и г).

 1.. Эллипсометрические спектры tg () и cos () двух многослойных-10

Рис.5.1.. Эллипсометрические спектры tg () и cos () двух многослойных структур в сопоставлении с модельными расчетами для структур: поверхностный оксидный слой 4 нм/четыре пары слоев (46 нм ZnSe/58 нм ZnS)/63 нм ZnSe/GaAs (а и б) и поверхностный оксидный слой 5 нм/пять пар слоев (41.5 нм ZnSe/45.5 нм ZnS)/271 нм ZnSe/GaAs (в и г).

Распределенный брэгговский рефлектор (РБР), состоящий из чередующихся четвертьволновых слоев двух материалов с различными показателями преломления, является важным компонентом поверхностно излучающих лазерных резонаторов. Согласно нашим измерениям для пары ZnS/ZnSe на = 480 нм n = 0.35 и расчет показывает, что коэффициент отражения на этой длине волны для РБР с 20 парами должен быть >99 %.

При выращивании РБР на основе ZnS/ZnSe главное внимание уделено снижению шероховатости растущей поверхности. В результате для лучшего выращенного образца РБР с 20 парами коэффициент отражения 99 % на = 480 нм.

Приведены экспериментальный и расчетный спектры. Коэффициенты отражения в области максимума практически совпадают, хотя более узкая экспериментальная полоса свидетельствует о разбросе периода РБР. Следует отметить, что столь высокий коэффициент отражения на полупроводниковых РБР для синей области спектра получен впервые.

5.2. Исследование изменения оптических свойств пленок полиметилметакрилата и полистирена при ионном облучении методом СЭ {15}.

Мы использовали метод СЭ с бинарной модуляцией состояния поляризации. В универсальном автоматическом спектроэллипсометре последовательно расположены: импульсная ксеноновая лампа PX-2 -дифракционный монохроматор МДР-3 – коллимирующие зеркала - бинарный модулятор – зеркальный объектив (диаметр сфокусированного пучка до 150 мкм) – модифицированная призма Волластона - два сферических зеркала - два кремниевых фотодиода - ПК). Спектральный диапазон эллипсометра -270-1050 нм. Одновременное интегрирование на фотоприемниках существенно увеличивает отношение сигнал/шум при работе с импульсными и нестабильными источниками излучения.

Результаты наших СЭ исследований показали, что при облучении PMMA ионами азота при дозах ниже 1 x1015 cm2 сильная дисперсия n() и k() наблюдается в спектральном диапазоне 300-600 nm (Рис.5.2.). Величины n() и k() возрастают с уменьшением. При > 600 нм наблюдается слабая дисперсия n() и k().

При дозах облучения более 1x1015 cm2 спектральное поведение n() и k() PMMA пленок наблюдается сильное увеличение коэффициента экстинкции и пленки не могут использоваться как волноводный материал. Максимум в зависимости n() сдвигается в длинноволновую сторону, а k возрастает на три порядка в коротковолновой части спектра. Облучение PMMA и PS ионами можно использовать как эффективное средство изменения оптических свойств и изготовления диэлектрических планарных волноводов

Рис.5.2. Влияние N ионной имплантации (300 KeV) на оптические свойства PMMA пленок, полученных из Tan и cos спектров

5.3. Спектральная эллипсометрия скрытых графитизированных слоев в ионно-имплантированном алмазе.

Эллипсометрический анализ скрытых графитизированных слоев, образованных в He+имплантированном и отожженном алмазе, выполнен в {18}. Спектры эллипсометрических параметров, измеренных в области длин волн 360-1050 нм при углах падения 65, 70 и 75 градусов, согласуются в рамках трехслойной модели. С использованием дополнительных измерений оптического пропускания, атомносиловой и интерферометрической микроскопии, определены с высокой точностью n и k спектры, толщина и шероховатость графитизированных слоев.

5.4.Оптические свойства наноструктурированных пленок a-C:H:Si.

В {70} показана эффективность использования СЭ в комплексе с Рамановской спектроскопией, атомносиловой микроскопией и измерениями фотопроводимости для определения свойств пленок микрокристаллического (ic-Si:H) и аморфного (a-Si:H), полученных методом PECVD при низких температурах и отожженных при различных температурах в диапазоне 300-600 C. Спектры действительной и мнимой частей псевдодиэлектрической функции, измеренные на СЭ в области 270-1100 нм анализируются с помощью аппроксимации эффективной среды Бруггемана ( BEMA). Удовлетворительное описание экспериментальных СЭ спектров обеспечивает введение подповерхностного слоя толщиной 30-40 нм с относительно высоким (15-20%) содержанием пустот. В соответствии с данными СЭ главным эффектом отжига пленок было уменьшение толщины и /или концентрации пустот подповерхностного слоя без заметного изменения свойств поверхностного слоя.

Во всем спектральном диапазоне наблюдалось полное совпадение спектров пропускания, измеренных и рассчитанных с использованием спектров n() и k().Показатель преломления по своей величине и спектральной зависимости в целом совпадал с данными для пленок a-C::H:Si, осажденных при низких содержаниях тетраметилсилана в метане [30], тогда как рост коэффициента экстинкции с уменьшением длины волны в наших пленках был выражен слабее, чем в образцах из работы [30].

В разделе5.5 диссертации показаны результаты исследования оптических свойств тонких ал-мазных пленок, осажденных с использованием прекурсора– поли (нафтилгидрокарбина) {71}.

Раздел 5.6 представляет СЭ измерения алмазоподобных пленок на Cu {21}.

Оптические и фотоэлектрические свойства напыленных и отожженных PECVD пленок поликристаллического кремния {16,55} отражены в разделе 5.7.

В разделе 5.8. показана эффективность СЭ исследования SIMOX структур.

Спектроэллипсометрические исследования тонких композитных слоев GaAs-MnAs и ферромагнитных слоев InMnAs {22,23,26,27} представлены в разделе 5.9 диссертации.

Глава 6. Лазерная и светодиодная эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации в сенсорных устройствах.

Нами разработан компактный и скоростной эллипсометр (Рис.6.1.), работающий по следующей схеме: пучки двух идентичных светодиодов попеременно поступают на клин из кальцита (или призму Волластона) так, чтобы ортогонально поляризованные пучки от светодиодов совмещались в один и направлялись на образец под углом, например, 70 градусов. Отраженные пучки проходят через второй клин (или призму Волластона) и направляются на два идентичных фотодиода. Измеряются отношения интенсивностей на фотодиодах при последовательном включении светодиодов и определяются эллипсометрические параметры и. Скорость измерений ограничивается инерционностью фотоприемников и временем преобразования АЦП. Для светодиода с длиной волны излучения 620 нм получены рекордные для эллипсометрии значения для точности по воспроизводимости (precision): 2х10-5 для и 3х10-4 для. Такие крайне простые и дешевые малогабаритные эллипсометры с бинарной модуляцией состояния поляризации удобны для картографирования, исследования кинетики различных процессов и применений в сенсорных устройствах.

 1. На 2 показано, как с увеличением концентрации паров-12

Рис. 6.1.

На Рис.6.2 показано, как с увеличением концентрации паров гексана толщина сенсорной пленки меняется от 435 до 525 нм. Наблюдается хорошее соответствие с рассчитанной номограммой. При этом разрешение по толщине лучше 0,01 нм.

 2. В ряде работ используется одновременно в условиях in situ-13

Рис. 6.2.

В ряде работ используется одновременно в условиях in situ микромеханические кантилеверы

и эллипсометрия в качестве сенсорных устройств[15]. Эллипсометрия обеспечивает измерение толщины молекулярного слоя с точностью 0,1 нм и поверхностное напряжение в разрешением 5х10 -5 Н/м. В таких задачах решающее значение имеет чувствительность эллипсометра.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые состоят в следующем:

  • Показаны перспективы предложенного и последовательно развиваемого автором нового направления в эллипсометрии - эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации, которые определяются быстро растущими требованиями к техническим параметрам современных эллипсометров. Например, высокое отношение с/ш в спектральных отображающих (imaging) эллипсометрах с высоким латеральным разрешением достигается максимально возможным временем интегрирования в условиях наивысшей чувствительности. Эллипсометрия с БМ хорошо подходит, в отличие от эллипсометров с вращающимися поляризационными элементами и эллипсометров с фазовыми модуляторами, для этих целей.
  • Предложены и экспериментально отработаны различные методы измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации. Каждый из них имеет специфические преимущества.
  • Разработана новая элементная база поляризационной оптики.
  • Разработано и создано семейство автоматических лазерных, светодиодных и спектральных эллипсометров нового поколения, не содержащих движущихся поляризационных элементов.
  • На основе созданных спектральных эллипсометров выполнен цикл исследований оптических свойств полупроводниковых и диэлектрических материалов и структур и жидкостей. Показана информативность метода эллипсометрии с бинарной модуляцией и высокое качество развитого программного обеспечения.
  • Продемонстрированы большие потенциальные возможности сенсорных устройств с использованием малогабаритных надежных светодиодных эллипсометров.

В процессе выполнения работы в полной мере решены все поставленные задачи. Вышеперечисленные основные результаты составляют прочную основу дальнейшего успешного развития эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

Отметим появление сообщений о реализации поляризационных устройств с бинарной модуляцией. В ИФП РАН (Новосибирск) в 2005г. предложен эллипсометр с коммутирующими поляризационными элементами. В период с 2005 по 2008 г. в MIT (Boston) создан дихрометр-микроскоп с использованием двух светодиодов с длиной волны 280 нм [20]. В [29] предложен метод измерения двулучепреломления с использованием двух лазеров с ортогональными поляризациями. Однако еще с 1994 г. в университете Suffolk (Boston) работает наш прецизионный эллипсометр с двумя лазерными диодами для решения более сложных задач. Для иллюстрации приведены некоторые публикации нескольких коллективов авторов из США [23-27] со ссылками в тексте на успешное использование изготовленных нами лазерных эллипсометров с БМ. Область применений переключения ортогонально поляризованных пучков стремительно расширяется в различных областях науки и техники. Следует ожидать растущий интерес и к эллипсометрии с БМ. На ЗАО Концерн «Наноиндустрия», Москва начато серийное производство спектральных эллипсометров с бинарной модуляцией состояния поляризации (Приложение 1 в Диссертации).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:



Pages:     || 2 |
 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.