Жұқа пленкаларды сипаттауға арналған оптикалық әдіс

Жұқа пленкаларды сипаттауға арналған оптикалық әдіс – эллипсометрия. Бұл техника қабаттың қалыңдығы, құрамы, кедір-бұдырлығын анықтауға көмектеседі.

10 мин оқу

100%

Дереккөз: Ellipsometry — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Жұқа пленкаларды сипаттауға арналған оптикалық әдіс

Эллипсометрия – жұқа пленкалардың диэлектрлік қасиеттерін (кешенді сыну индексі немесе диэлектрлік функция) зерттеуге арналған оптикалық әдіс. Эллипсометрия, сәулеленудің шағылысқан немесе өткен кездегі поляризациялану өзгеруін өлшейді және оны модельмен салыстырады. Оны құрамын, беткейінің тегіс еместігін, қалыңдығын (тереңдігін), кристалдық құрылымын, қоспа концентрациясын, электр өткізгіштігін және басқа да материалдық қасиеттерді сипаттау үшін қолдануға болады. Ол зерттеліп жатқан материалмен өзара әрекеттесетін сәулеленудің оптикалық жауабының өзгеруіне өте сезімтал. Көптеген жұқа пленкаларды талдау зертханаларында спектроскопиялық эллипсометрді кездестіруге болады. Эллипсометрия биология және медицина сияқты басқа да салалардағы зерттеушілер үшін де қызығушылық тудырып келеді. Бұл салалар техникаға тұрақсыз сұйық беттерде өлшеулер мен микроскопиялық бейнелеу сияқты жаңа міндеттер қояды.

Этимология

"Эллипсометрия" атауы жарықтың эллипстік поляризациясы қолданылуынан туындайды. "Спектроскопиялық" термині алынған мәліметтің жарықтың толқын ұзындығы немесе энергиясына (спектрге) байланысты екендігімен байланысты. Бұл техниканы алғаш рет 1888 жылы Пауль Друдтың жұмыстары арқылы таныстырды және қазіргі күні көптеген қолданысқа ие. "Эллипсометрия" термині алғаш рет 1945 жылы қолданылды.

Негізгі қағидалар

Өлшенген сигнал – түсетін сәулеленудің (белгілі күйде) қызығушылық тудыратын материал құрылымымен (көріну, сіңірілу, шашырау немесе өту) өзара әрекеттескендегі поляризацияның өзгеруі болып табылады. Поляризацияның өзгеруі амплитудалық қатынас Ψ және фазалық айырма Δ (төменде анықталған) арқылы сандық түрде бағаланады. Сигнал қалыңдыққа да, материалдың қасиеттеріне де байланысты болғандықтан, эллипсометрия – барлық түрдегі қабықшалардың қалыңдығы мен оптикалық тұрақтыларын контактісіз анықтауға арналған әмбебап құрал болып табылады. Жарықтың поляризациясының өзгеруін талдау арқылы эллипсометрия зерттеу жарығының толқын ұзындығынан да жұқа қабаттар туралы, тіпті бір атомдық қабатқа дейін ақпарат бере алады. Эллипсометрия күрделі сындыру көрсеткішін немесе диэлектрлік функция тензорын зерттеуге мүмкіндік береді, бұл жоғарыда аталғандай негізгі физикалық параметрлерге қол жеткізуге жол ашады. Ол әдетте бірнеше ангстремнен немесе нанометрдің оннан бір бөлігінен бірнеше микрометрге дейінгі бірнеше қабатты немесе күрделі көп қабатты жүйелердің қабықша қалыңдығын өте жақсы дәлдікпен сипаттау үшін қолданылады.

Эксперименттің егжей-тегжейі

Эллипсометрия көбінесе тек шағылысу схемасында жүргізіледі. Поляризацияның нақты сипаты үлгінің қасиеттерімен (қалыңдығы, кешенді сындыру көрсеткіші немесе диэлектрлік функция тензоры) анықталады. Оптикалық техникалардың дифракциялық шектеулері болғанымен, эллипсометрия фазалық ақпаратты (поляризациялық күйді) пайдаланып, нанометрден де төменгі ажыратымдылыққа қол жеткізе алады. Ең қарапайым түрінде, бұл техника бірнеше микрометрге дейінгі қалыңдығы бар жұқа пленкаларға қолданылады. Көптеген модельдер үлгінің оптикалық тұрғыдан біртекті және изотропты, жақсы анықталған дискретті қабаттардан тұратынын болжайды. Бұл болжамдар бұзылған жағдайда, техниканың жетілдірілген нұсқалары қажет (төменде қараңыз). Дөңгелек үлгі беттерінде немесе біртекті емес орталардың болуына байланысты материалдың оптикалық тұрақтыларын анықтау үшін суға батыру немесе көп бұрышты эллипсометрия әдістері қолданылады. Жаңа әдістемелік тәсілдер, егер оптикалық бөлшектің беткі қабаты біртекті болмаса, градиенттік элементтердің физикалық және техникалық сипаттамаларын өлшеу үшін шағылысу эллипсометриясын пайдалануға мүмкіндік береді.

Эксперименттік қондырғы

Электромагниттік сәулелену жарық көзінен шығады және поляризатор арқылы сызықтық поляризацияланады. Ол қалау бойынша компенсатордан (кешіктіргіш, төртінші толқын пластинасы) өтіп, сынамаға түседі. Шағылысқаннан кейін сәуле компенсатордан (қалау бойынша) және екінші поляризатордан өтеді, ол анализатор деп аталады, содан кейін детекторға түседі. Кейбір эллипсометрлер компенсаторлардың орнына кіріс жарық сәулесінің жолында фазалық модуляторды қолданады. Эллипсометрия – бұл айналық оптикалық техника (түсу бұрышы шағылысу бұрышына тең). Кіріс және шағылысқан сәулелер түсу жазықтығында жатады. Осы жазықтыққа параллель поляризацияланған жарық p-поляризацияланған деп аталады. Ал оған перпендикуляр поляризациялық бағыт s-поляризацияланған (s-поляризацияланған) деп аталады. "s" әрпі неміс тіліндегі "senkrecht" (перпендикуляр) сөзінен алынған.

Деректерді жинау

Эллипсометрия жүйенің күрделі шағылысу қатынасын өлшейді, ол амплитудалық компонент және фазалық айырмашылық арқылы сипатталатын параметрлерге ие. Жарық сәулесі үлгіге түскен кезде, оның поляризациялық күйін s және p компоненттеріне жіктеуге болады (s компоненті түсу жазықтығына перпендикуляр және үлгі бетіне параллель бағытта тербеледі, ал p компоненті түсу жазықтығына параллель бағытта тербеледі). Шағылысқаннан кейін және бастапқы мәндеріне нормалдағаннан кейін, s және p компоненттерінің амплитудалары сәйкесінше және арқылы белгіленеді. және арасындағы максималды айырмашылықты қамтамасыз ету үшін, түсу бұрышы үлгінің Брюстер бұрышына жақын таңдалады. Эллипсометрия күрделі шағылысу қатынасын (күрделі сан) өлшейді, ол келесідей шамамен беріледі: - бұл шағылыс кезіндегі амплитуда қатынасы, ал - фазалық ығысу (айырмашылық). (Теңдеудің оң жағы күрделі санды көрсетудің тағы бір тәсілі екенін ескеру қажет.) Эллипсометрия екі шаманың қатынасын (немесе айырмасын) өлшегендіктен, абсолютті мәндерін емес, ол өте сенімді, дәл және қайталанатын нәтижелер береді. Мысалы, ол шашырау мен ауытқуларға салыстырмалы түрде сезімтал емес және стандартты үлгі немесе эталондық сәуле талап етпейді.

Деректерді талдау

Эллипсометрия – бұл жанама әдіс, яғни, көбінесе өлшенген және мәндерін үлгінің оптикалық тұрақтыларына тікелей түрлендіруге болмайды. Көбінесе модельдік талдау жүргізілуі керек, мысалы, Forouhi Bloomer моделі сияқты. Бұл эллипсометрияның бір кемшілігі. Модельдер физикалық тұрғыдан энергия өтулерге немесе деректерге сәйкес келу үшін қолданылатын еркін параметрлерге негізделуі мүмкін. және мәндерін тікелей инверсиялау тек изотропты, біртекті және шексіз қалың қабаттардың өте қарапайым жағдайларында ғана мүмкін. Қалған барлық жағдайларда үлгінің барлық жеке қабаттарының оптикалық тұрақтыларын (сындыру көрсеткіші немесе диэлектрлік функция тензоры) және қалыңдық параметрлерін, соның ішінде қабаттардың дұрыс реттілігін ескеретін қабаттық модель құрылуы керек. Итеративтік процедураны (ең кіші квадраттар әдісімен) қолданып, белгісіз оптикалық тұрақтылар және/немесе қалыңдық параметрлері өзгертіліп, Френель теңдеулерін пайдаланып және мәндері есептеледі. Есептелген және мәндері, эксперименттік деректерге ең жақсы сәйкес келіп, үлгінің оптикалық тұрақтылары мен қалыңдық параметрлерін анықтайды.

Анықтамалар

Қазіргі заманғы эллипсометрлер – әртүрлі сәулелену көздері, детекторлар, цифрлық электроника және бағдарламалық жасақтаманы біріктіретін күрделі құралдар. Қолданылатын толқын ұзындығының диапазоны көзбен көрінетіннен әлдеқайда кең, сондықтан бұл құралдар оптикалық емес.

Бір толқын ұзындығы мен спектроскопиялық эллипсометрия

Бір толқын ұзындығы бар эллипсометрияда монохроматикалық жарық көзі қолданылады. Бұл көру спектріндегі лазер, мысалы, 632,8 нм толқын ұзындығы бар HeNe лазері болып табылады. Сондықтан бір толқын ұзындығы эллипсометриясы лазерлік эллипсометрия деп те аталады. Лазерлік эллипсометрияның артықшылығы – лазерлік сәулелерді кішкентай нүктеге шоғырландыру мүмкіндігі. Сонымен қатар, лазерлер кең жолақты жарық көздеріне қарағанда жоғары қуатты. Сондықтан лазерлік эллипсометрияны бейнелеу үшін пайдалануға болады (төменде қараңыз). Дегенмен, эксперименттік нәтиже бір өлшемдегі Ψ және Δ мәндерінің бір жиынтығымен ғана шектеледі. Спектроскопиялық эллипсометрия (SE) инфрақызыл, көрінетін немесе ультракөк сәуле спектріндегі белгілі бір спектрлік диапазонды қамтитын кең жолақты жарық көздерін қолданады. Осы арқылы сәйкес спектрлік аймақтағы күрделі сыну көрсеткішін немесе диэлектрлік функция тензорын алуға болады, бұл көптеген негізгі физикалық қасиеттерді анықтауға мүмкіндік береді. Инфрақызыл спектроскопиялық эллипсометрия (IRSE) кристалдық тордың тербелісін (фонон) және еркін заряд тасымалдаушылардың (плазмон) қасиеттерін зерттей алады. Жақын инфрақызыл, көрінетін және ультракөк сәуле спектріндегі спектроскопиялық эллипсометрия мөлдірлік немесе энергиялық шығындар аймағындағы сыну көрсеткішін және электрондық қасиеттерді, мысалы, энергиялық деңгейлер арасындағы ауысуларды немесе экситондарды зерттейді.

Стандартты эллипсометрия мен жалпыланған эллипсометрия (анизотропия)

Стандартты эллипсометрия (немесе қысқаша "эллипсометрия") қолданылады, егер s поляризацияланған жарық p поляризацияланған жарыққа немесе керісінше түрленбесе. Бұл оптикалық изотроптық үлгілер үшін ғана емес, сонымен қатар аморфты материалдар немесе кубтық кристалл құрылымы бар кристаллдық материалдар үшін де жарамды. Оптикалық осі бір осьті үлгілер үшін де стандартты эллипсометрия жеткілікті, бірақ оптикалық ось бет нормаліне параллель орналасқан жағдайда ғана. Басқа барлық жағдайларда, егер s поляризацияланған жарық p поляризацияланған жарыққа және/немесе керісінше түрленсе, жалпыланған эллипсометрия тәсілін қолдану қажет. Мысалдарға кездейсоқ бағытталған оптикалық бір осьті үлгілер немесе оптикалық екі осьті үлгілер жатады.

Джонс матрицасы мен Мюллер матрицасы формализмі (деполяризация)

Электромагниттік толқынның эллипсометрдегі элементтермен (үлгіні қоса) өзара әрекеттесуін математикалық тұрғыдан сипаттаудың екі әдеттегі тәсілі бар: Джонс матрицасы және Мюллер матрицасы формализмдері. Джонс матрицасы формализмінде электромагниттік толқын электр өрісінің екі ортогональды кешенді мәнді компоненттерімен (әдетте және ) сипатталатын Джонс векторы арқылы бейнеленеді, ал оптикалық элементтің (немесе үлгінің) оған тигізетін әсері кешенді мәнді 2×2 Джонс матрицасымен сипатталады. Мюллер матрицасы формализмінде электромагниттік толқын төрт нақты мәнді компоненттері бар Стокс векторымен сипатталады, ал олардың өзгеруі нақты мәнді 4x4 Мюллер матрицасымен сипатталады. Егер деполяризация болмаса, екі формализм де толық сәйкес келеді. Сондықтан, деполяризацияланбайтын үлгілер үшін Джонс матрицасының қарапайым формализмі жеткілікті. Егер үлгі деполяризацияланса, Мюллер матрицасы формализмін қолдану керек, себебі ол деполяризацияның дәрежесін де көрсетеді. Деполяризацияға себеп болатын жағдайларға, мысалы, қалыңдықтың біркелкі болмауы немесе мөлдір ортадан кері шағылыс жатады.

Эллипсометриялық бейнелеу

Эллипсометрияны сондай-ақ детектор ретінде ККТ (CCD) камерасын пайдалану арқылы бейнелеу эллипсометриясы түрінде жүргізуге болады. Бұл үлгінің нақты уақыт режиміндегі контрастын қамтамасыз етеді, ол пленканың қалыңдығы және сыну көрсеткіші туралы ақпарат береді. Бейнелеу эллипсометрінің жетілдірілген технологиясы классикалық нөлдік эллипсометрия және нақты уақыт эллипсометриялық контрастты бейнелеу принципі бойынша жұмыс істейді. Бейнелеу эллипсометриясы нөлдеу концепциясына негізделген. Эллипсометрияда зерттелетін пленка жарық шағылысатын субстратқа орналастырылады. Пленка мен субстраттың жарық сыну көрсеткіштері әртүрлі. Пленканың қалыңдығы туралы деректер алу үшін субстраттан шағылысқан жарықты нөлге келтіру қажет. Нөлдеуге анализатор мен поляризаторды субстраттан шағылысқан барлық жарық сөнгендей етіп реттеу арқылы қол жеткізіледі. Жарық сыну көрсеткіштерінің айырмашылығына байланысты, бұл үлгінің өте жарқын және анық көрінуіне мүмкіндік береді. Жарық көзі қажетті толқын ұзындығы бар монохроматикалық лазерден тұрады. Көбінесе қолданылатын толқын ұзындығы – 532 нм жасыл лазерлік жарық. Жарық интенсивтілігін ғана өлшеу қажет болғандықтан, ККТ ретінде кез келген камераны пайдалануға болады, бұл эллипсометрді бөліктерден құрастыру үшін ыңғайлы. Әдетте, эллипсометрлер лазердің (L) сызықтық поляризатордан (P) тікелей өтетін жарық сәулесін шығаратындай етіп конфигурацияланады. Сызықтық поляризацияланған жарық төртінші толқын ұзындығы компенсаторынан (C) өтеді, ол жарықты эллипстік поляризацияланған жарыққа айналдырады. Бұл эллипстік поляризацияланған жарық үлгіден (S) шағылысып, анализатордан (A) өтеді және ұзақ жұмыс қашықтығы бар объектив арқылы ККТ камерасына түсіріледі. Мұндағы анализатор – P поляризаторына ұқсас тағы бір поляризатор, бірақ бұл поляризатор поляризацияның өзгеруін анықтауға көмектеседі, сондықтан оған анализатор деп аталады. Бұл конструкция көбінесе LPCSA конфигурациясы деп аталады. P және C бұрыштарының бағыты эллипстік поляризацияланған жарық үлгіден шағылысқаннан кейін толық сызықтық поляризацияланатындай етіп таңдалады. Келешек есептеулерді жеңілдету үшін компенсаторды лазер сәулесінің түсу жазықтығына қатысты 45 градус бұрышта орнатуға болады. Бұл ауа-сұйықтық интерфейсіндегі кальций фосфатының минералдануы, үлгіні кесу немесе тазалау сияқты процестерді қамтиды. In situ эллипсометриялық өлшеулер арқылы өсу немесе тозу жылдамдығы, уақытқа байланысты оптикалық қасиеттердің өзгеруі сияқты процестердің негізгі параметрлерін анықтауға болады. In situ эллипсометриялық өлшеулер бірқатар қосымша ескеретін жайттарды қажет етеді: үлгінің нүктесі әдетте процесс камерасының сыртындағы ex situ өлшеулерге қарағанда оңай қол жетімді емес. Сондықтан механикалық құрылғыны жарық сәулесін қайта бағыттау немесе шоғырландыру үшін қосымша оптикалық элементтермен (көздендіргіштер, призмалар немесе линзалар) реттеу қажет. Процесс кезіндегі қоршаған ортаның жағдайы қатал болғандықтан, эллипсометриялық орналымның сезімтал оптикалық элементтерін ыстық аймақтан бөліп ұстау керек. Ең қарапайым жағдайда бұл оптикалық терезелер арқылы жүзеге асырылады, бірақ (шыны) терезелердің кернеуге байланысты туындайтын қос сынуын ескеру немесе азайту қажет. Сонымен қатар, үлгілердің температурасы жоғары болуы мүмкін, бұл бөлме температурасындағы үлгілермен салыстырғанда әртүрлі оптикалық қасиеттерге ие екенін білдіреді. Осы қиындықтарға қарамастан, in situ эллипсометриясы жұқа пленканы жабын және өзгерту құралдары үшін процесс бақылау техникасы ретінде маңыздырақ болып келеді. In situ эллипсометрлері бір толқын ұзындығы немесе спектроскопиялық болуы мүмкін. Спектроскопиялық in situ эллипсометрлері көп арналы детекторларды, мысалы, ККТ детекторларын пайдаланады, олар зерттелген спектрлік диапазондағы барлық толқын ұзындығы үшін эллипсометриялық параметрлерді бір мезгілде өлшеуге мүмкіндік береді.

Ellipsometry can also be done as imaging ellipsometry by using a CCD camera as a detector. This provides a real time contrast image of the sample, which provides information about film thickness and refractive index. Advanced imaging ellipsometer technology operates on the principle of classical null ellipsometry and real time ellipsometric contrast imaging. Imaging ellipsometry is based on the concept of nulling. In ellipsometry, the film under investigation is placed onto a reflective substrate. The film and the substrate have different refractive indexes. In order to obtain data about film thickness, the light reflecting off of the substrate must be nulled. Nulling is achieved by adjusting the analyzer and polarizer so that all reflected light off of the substrate is extinguished. Due to the difference in refractive indexes, this will allow the sample to become very bright and clearly visible. The light source consists of a monochromatic laser of the desired wavelength. A common wavelength that is used is 532 nm green laser light. Since only intensity of light measurements are needed, almost any type of camera can be implemented as the CCD, which is useful if building an ellipsometer from parts. Typically, imaging ellipsometers are configured in such a way so that the laser (L) fires a beam of light which immediately passes through a linear polarizer (P). The linearly polarized light then passes through a quarter wavelength compensator (C) which transforms the light into elliptically polarized light. This elliptically polarized light then reflects off the sample (S), passes through the analyzer (A) and is imaged onto a CCD camera by a long working distance objective. The analyzer here is another polarizer identical to the P, however, this polarizer serves to help quantify the change in polarization and is thus given the name analyzer. This design is commonly referred to as a LPCSA configuration. The orientation of the angles of P and C are chosen in such a way that the elliptically polarized light is completely linearly polarized after it is reflected off the sample. For simplification of future calculations, the compensator can be fixed at a 45 degree angle relative to the plane of incidence of the laser beam. including calcium phosphate mineralization at the air liquid interface, etching or cleaning of a sample. By in situ ellipsometry measurements it is possible to determine fundamental process parameters, such as, growth or etch rates, variation of optical properties with time. In situ ellipsometry measurements require a number of additional considerations: The sample spot is usually not as easily accessible as for ex situ measurements outside the process chamber. Therefore, the mechanical setup has to be adjusted, which can include additional optical elements (mirrors, prisms, or lenses) for redirecting or focusing the light beam. Because the environmental conditions during the process can be harsh, the sensitive optical elements of the ellipsometry setup must be separated from the hot zone. In the simplest case this is done by optical view ports, though strain induced birefringence of the (glass ) windows has to be taken into account or minimized. Furthermore, the samples can be at elevated temperatures, which implies different optical properties compared to samples at room temperature. Despite all these problems, in situ ellipsometry becomes more and more important as process control technique for thin film deposition and modification tools. In situ ellipsometers can be of single wavelength or spectroscopic type. Spectroscopic in situ ellipsometers use multichannel detectors, for instance CCD detectors, which measure the ellipsometric parameters for all wavelengths in the studied spectral range simultaneously.

Эллипсометриялық порозиметрия

Эллипсометриялық порозиметрия – атмосфералық немесе төмендетілген қысымда қолданылатын материалдардың оптикалық қасиеттері мен қалыңдығының адсорбция және десорбция кезіндегі өзгерісін өлшеу әдісі. EP техникасының ерекшелігі – 10 нм-ге дейінгі қалыңдықтағы өте жұқа пленкалардың кеуектілігін өлшеу мүмкіндігі, нәтижелердің қайталануы және өлшеу жылдамдығы. Дәстүрлі поросиметрлермен салыстырғанда, эллипсометрлік поросиметрлер өте жұқа пленкалардағы пор өлшемдерін және пор өлшемдерінің таралуын өлшеуге артықшылықты ұсынады. Пленканың кеуектілігі – төмен κ материалдарын қолданатын кремний негізді технологияда, органикалық өнеркәсіпте (қапталған органикалық жарықдиодтарда), сондай-ақ золь-гель технологиясын қолданатын қаптау өнеркәсібінде маңызды фактор болып табылады.

Магниттік-оптикалық жалпыланған эллипсометрия

Магниттік-оптикалық жалпыланған эллипсометрия (MOGE) – өткізгіш үлгілердегі еркін заряд тасымалдаушылардың қасиеттерін зерттеуге арналған инфрақызыл спектроскопиялық эллипсометрияның жетілдірілген әдісі. Сыртқы магнит өрісін қолдану арқылы еркін заряд тасымалдаушылардың тығыздығын, оптикалық жылдамдық параметрін және тиімді масса параметрін тәуелсіз түрде анықтау мүмкін. Магнит өрісі болмаған жағдайда, үш еркін заряд тасымалдаушы параметрінің тек екеуін ғана тәуелсіз түрде алуға болады.

Қолданбалар

Бұл техника жартылай өткізгіш физикасынан микроэлектроника мен биологияға дейін, фундаменталды зерттеулерден бастап өнеркәсіптік қолдануға дейін көптеген салаларда қолданыс тапқан. Эллипсометрия – өте сезімтал өлшеу техникасы және жұқа пленкалардың метрологиясы үшін бесiмделiп келмейтiн мүмкiндiктер ұсынады. Оптикалық техника ретінде спектроскопиялық эллипсометрия бұзбаған және контактісіз болып табылады. Түсетін сәулеленуді шоғырландыруға болатындықтан, кішкентай үлгілерді бейнелеуге және қажетті сипаттамаларды үлкен аумақта (м2) картаға түсіруге болады.