Введение
Эллипсометрия – это оптический метод исследования диэлектрических свойств (комплексного показателя преломления или диэлектрической функции) тонких пленок. Эллипсометрия измеряет изменение поляризации при отражении или прохождении света и сравнивает его с моделью. Этот метод может использоваться для определения состава, шероховатости, толщины (глубины), кристаллической структуры, концентрации примесей, электрической проводимости и других характеристик материала. Он обладает высокой чувствительностью к изменению оптической характеристики падающего излучения при взаимодействии с исследуемым материалом. Спектроскопический эллипсометр можно найти в большинстве аналитических лабораторий, занимающихся тонкими пленками. Эллипсометрия также привлекает все большее внимание исследователей в других областях, таких как биология и медицина. Эти области ставят перед методом новые задачи, например, измерения на неустойчивых жидких поверхностях и микроскопическую визуализацию.
Ellipsometry is an optical technique for investigating the dielectric properties (complex refractive index or dielectric function) of thin films. Ellipsometry measures the change of polarization upon reflection or transmission and compares it to a model. It can be used to characterize composition, roughness, thickness (depth), crystalline nature, doping concentration, electrical conductivity and other material properties. It is very sensitive to the change in the optical response of incident radiation that interacts with the material being investigated. A spectroscopic ellipsometer can be found in most thin film analytical labs. Ellipsometry is also becoming more interesting to researchers in other disciplines such as biology and medicine. These areas pose new challenges to the technique, such as measurements on unstable liquid surfaces and microscopic imaging.
Этимология
Название "эллипсометрия" происходит от использования эллиптической поляризации света. Термин "спектроскопический" указывает на то, что получаемая информация зависит от длины волны или энергии света (спектра). Эта методика известна как минимум с 1888 года, благодаря работам Поля Друде, и находит широкое применение в настоящее время. Впервые термин "эллипсометрия" был задокументирован в 1945 году.
Основные принципы
Измеренный сигнал представляет собой изменение поляризации при взаимодействии падающего излучения (в известном состоянии) с интересующей материальной структурой (отражением, поглощением, рассеянием или прохождением). Изменение поляризации количественно оценивается отношением амплитуд, Ψ, и разностью фаз, Δ (определены ниже). Поскольку сигнал зависит как от толщины, так и от свойств материала, эллипсометрия является универсальным бесконтактным методом определения толщины и оптических постоянных пленок любого типа. Анализируя изменение поляризации света, эллипсометрия позволяет получать информацию о слоях, толщина которых меньше длины волны зондирующего излучения, вплоть до одного атомного слоя. Эллипсометрия позволяет исследовать комплексный показатель преломления или тензор диэлектрической проницаемости, что обеспечивает доступ к фундаментальным физическим параметрам, таким как перечисленные выше. Этот метод широко используется для определения толщины одиночных слоев или сложных многослойных структур в диапазоне от нескольких ангстрем или десятых долей нанометра до нескольких микрометров с высокой точностью.
Экспериментальные детали
Обычно эллипсометрия проводится только в отражательной геометрии. Точный характер изменения поляризации определяется свойствами образца (толщина, комплексный показатель преломления или тензор диэлектрической проницаемости). Хотя оптические методы по своей природе ограничены дифракцией, эллипсометрия использует фазовую информацию (состояние поляризации) и может достигать субнанометрового разрешения. В простейшем варианте метод применим к тонким плёнкам толщиной от менее чем нанометра до нескольких микрометров. Большинство моделей предполагают, что образец состоит из небольшого числа дискретных, чётко определённых слоёв, которые оптически однородны и изотропны. Нарушение этих предположений требует применения более сложных вариантов метода (см. ниже). Методы иммерсии или многоугловой эллипсометрии используются для определения оптических констант материала с шероховатой поверхностью или при наличии неоднородной среды. Новые методологические подходы позволяют использовать отражательную эллипсометрию для измерения физических и технических характеристик градиентных элементов в случае неоднородности поверхностного слоя оптического элемента.
Экспериментальная установка
Электромагнитное излучение испускается источником света и линейно поляризуется поляризатором. Оно может проходить через дополнительный компенсатор (ретадер, четвертьволновой пластины) и падать на образец. После отражения излучение проходит через компенсатор (необязательно) и второй поляризатор, называемый анализатором, и попадает в детектор. Вместо компенсаторов некоторые эллипсометры используют фазовый модулятор в пути падающего светового луча. Эллипсометрия – это спекулярная оптическая техника (угол падения равен углу отражения). Падающий и отраженный лучи лежат в плоскости падения. Свет, поляризованный параллельно этой плоскости, называется p-поляризованным. Направление поляризации, перпендикулярное к этой плоскости, называется s-поляризованным (s-polarized). Буква "s" происходит от немецкого "senkrecht" (перпендикулярный).
Приобретение данных
Эллипсометрия измеряет комплексное отношение отражения системы, которое может быть параметризовано амплитудной компонентой и разностью фаз. Состояние поляризации света, падающего на образец, может быть разложено на s- и p-компоненты (s-компонента колеблется перпендикулярно плоскости падения и параллельно поверхности образца, а p-компонента колеблется параллельно плоскости падения). Амплитуды s- и p-компонентов после отражения и нормализации к их исходным значениям обозначаются соответственно и . Угол падения выбирается близким к углу Брюстера образца для обеспечения максимальной разницы в и . Эллипсометрия измеряет комплексное отношение отражения (комплексную величину), которое является отношением к . Таким образом, является отношением амплитуд при отражении, а – сдвигом фаз (разностью фаз). (Следует отметить, что правая часть уравнения – это просто другой способ представления комплексного числа). Поскольку эллипсометрия измеряет отношение (или разницу) двух значений (а не абсолютное значение какого-либо из них), она обладает высокой устойчивостью, точностью и воспроизводимостью. Например, она относительно нечувствительна к рассеянию и флуктуациям и не требует стандартного образца или опорного пучка.
Thus, is the amplitude ratio upon reflection, and is the phase shift (difference). (Note that the right side of the equation is simply another way to represent a complex number.) Since ellipsometry is measuring the ratio (or difference) of two values (rather than the absolute value of either), it is very robust, accurate, and reproducible. For instance, it is relatively insensitive to scatter and fluctuations and requires no standard sample or reference beam.
Анализ данных
Эллипсометрия является косвенным методом, то есть в общем случае измеренные значения Ψ и Δ нельзя напрямую преобразовать в оптические константы образца. Обычно требуется выполнить модельный анализ, например, с использованием модели Forouhi-Bloomer. Это одна из слабостей эллипсометрии. Модели могут быть основаны на физических принципах, таких как энергетические переходы, или представлять собой просто свободные параметры, используемые для аппроксимации данных. Прямое обращение Ψ и Δ возможно только в очень простых случаях изотропных, однородных и бесконечно толстых пленок. Во всех остальных случаях необходимо построить слоистую модель, учитывающую оптические константы (показатель преломления или тензор диэлектрической проницаемости) и параметры толщины всех отдельных слоев образца, включая правильную последовательность слоев. С помощью итеративной процедуры (минимизации по методу наименьших квадратов) неизвестные оптические константы и/или параметры толщины изменяются, а значения Ψ и Δ вычисляются с использованием уравнений Френеля. Вычисленные значения Ψ и Δ, наилучшим образом соответствующие экспериментальным данным, позволяют определить оптические константы и параметры толщины образца.
Определения
Современные эллипсометры – это сложные приборы, включающие в себя широкий спектр источников излучения, детекторов, цифровой электроники и программного обеспечения. Диапазон используемых длин волн значительно превышает видимый спектр, поэтому строго говоря, это уже нельзя назвать оптическими приборами.
Эллипсометрия с одной длиной волны против эллипсометрии с спектроскопией
Эллипсометрия с одной длиной волны использует монохроматический источник света. Обычно это лазер в видимой области спектра, например, HeNe-лазер с длиной волны 632,8 нм. Поэтому эллипсометрию с одной длиной волны также называют лазерной эллипсометрией. Преимущество лазерной эллипсометрии заключается в возможности фокусировки лазерного луча на малую площадь. Кроме того, лазеры обладают большей мощностью, чем широкополосные источники света. Поэтому лазерная эллипсометрия может использоваться для визуализации (см. ниже). Однако экспериментальные данные ограничиваются одним набором значений и на одно измерение. Спектроскопическая эллипсометрия (SE) использует широкополосные источники света, охватывающие определенный спектральный диапазон в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой областях спектра. Это позволяет определить комплексный показатель преломления или тензор диэлектрической проницаемости в соответствующем спектральном диапазоне, что дает доступ к широкому спектру фундаментальных физических свойств. Инфракрасная спектроскопическая эллипсометрия (IRSE) позволяет исследовать колебательные (фононные) и свойства свободных носителей заряда (плазмонные) в кристаллической решетке. Спектроскопическая эллипсометрия в ближней инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра изучает показатель преломления в области прозрачности или ниже ширины запрещенной зоны, а также электронные свойства, например, межзонные переходы или экситоны.
Стандартная эллипсометрия против обобщенной (анизотропия)
Стандартная эллипсометрия (или просто "эллипсометрия") применяется, когда s-поляризованный свет не преобразуется в p-поляризованный свет и наоборот. Это справедливо для оптически изотропных образцов, например, аморфных материалов или кристаллических материалов с кубической кристаллической структурой. Стандартной эллипсометрии также достаточно для оптически одноосных образцов в частном случае, когда оптическая ось ориентирована параллельно нормали к поверхности. Во всех остальных случаях, когда s-поляризованный свет преобразуется в p-поляризованный свет и/или наоборот, необходимо использовать обобщенный эллипсометрический подход. Примерами служат произвольно ориентированные оптически одноосные образцы или оптически двуосные образцы.
Формализм матрицы Джонса против матрицы Мюллера (деполяризация)
Как правило, существует два различных способа математического описания взаимодействия электромагнитной волны с элементами внутри эллипсометра (включая образец): формализм матриц Джонса и Мюллера. В формализме матриц Джонса электромагнитная волна описывается вектором Джонса, содержащим два ортогональных комплексных значения для электрического поля (обычно и ), а влияние оптического элемента (или образца) на волну описывается комплексной матрицей Джонса 2x2. В формализме матриц Мюллера электромагнитная волна описывается векторами Стокса, содержащими четыре вещественных значения, а их преобразование описывается вещественной матрицей Мюллера 4x4. Если деполяризация не происходит, оба формализма полностью согласуются. Следовательно, для образцов, не вызывающих деполяризацию, достаточно использовать более простой формализм матриц Джонса. Если образец деполяризует, следует использовать формализм матриц Мюллера, поскольку он также позволяет определить степень деполяризации. Причинами деполяризации могут быть, например, неоднородность толщины или отражение от обратной стороны прозрачной подложки.
Эллипсометрия изображения
Эллипсометрия также может быть выполнена как визуальная эллипсометрия с использованием ПЗС-камеры (CCD) в качестве детектора. Это обеспечивает получение контрастного изображения образца в реальном времени, предоставляющего информацию о толщине пленки и показателе преломления. Передовая технология визуальных эллипсометров работает по принципу классической нулевой эллипсометрии и эллипсометрической контрастной визуализации в реальном времени. Визуальная эллипсометрия основана на концепции подавления отраженного сигнала. В эллипсометрии исследуемая пленка помещается на отражающую подложку. Пленка и подложка имеют различные показатели преломления. Для получения данных о толщине пленки необходимо подавить свет, отраженный от подложки. Подавление достигается путем регулировки анализатора и поляризатора таким образом, чтобы весь отраженный от подложки свет гасился. Благодаря разнице в показателях преломления, это позволяет образцу стать ярким и четко видимым. Источник света состоит из монохроматического лазера с требуемой длиной волны. Обычно используется зеленый лазер с длиной волны 532 нм. Поскольку требуются только измерения интенсивности света, практически любой тип камеры может быть использован в качестве ПЗС-камеры, что удобно при сборке эллипсометра из отдельных компонентов. Как правило, визуальные эллипсометры сконфигурированы таким образом, что лазер (L) излучает луч света, который сразу же проходит через линейный поляризатор (P). Линейно поляризованный свет затем проходит через четвертьволновой компенсатор (C), который преобразует свет в эллиптически поляризованный свет. Этот эллиптически поляризованный свет отражается от образца (S), проходит через анализатор (A) и формирует изображение на ПЗС-камере с помощью объектива с большим рабочим расстоянием. Анализатор в данном случае представляет собой еще один поляризатор, идентичный P, однако он служит для количественной оценки изменения поляризации и поэтому называется анализатором. Такая конструкция обычно называется конфигурацией LPCSA. Ориентация углов P и C выбирается таким образом, чтобы эллиптически поляризованный свет полностью линеаризовался после отражения от образца. Для упрощения дальнейших расчетов компенсатор можно зафиксировать под углом 45 градусов относительно плоскости падения лазерного луча. Это применимо, в частности, к изучению минерализации фосфата кальция на границе раздела фаз воздух-жидкость, травлению или очистке образцов. С помощью эллипсометрических измерений in situ можно определить основные параметры процесса, такие как скорости роста или травления, изменение оптических свойств во времени. Измерения эллипсометрии in situ требуют учета ряда дополнительных факторов: точка измерения на образце обычно менее доступна, чем при измерениях ex situ вне технологической камеры. Поэтому необходимо соответствующим образом настроить механическую установку, что может включать дополнительные оптические элементы (зеркала, призмы или линзы) для перенаправления или фокусировки светового луча. Поскольку условия окружающей среды в процессе могут быть агрессивными, чувствительные оптические элементы эллипсометрической установки должны быть отделены от горячей зоны. В простейшем случае это достигается с помощью оптических иллюминаторов, однако необходимо учитывать или минимизировать двулучепреломление окон (стекла), вызванное напряжением. Кроме того, образцы могут находиться при повышенных температурах, что подразумевает иные оптические свойства по сравнению с образцами при комнатной температуре. Несмотря на все эти проблемы, эллипсометрия in situ становится все более важной в качестве метода контроля процесса для оборудования для нанесения и модификации тонких пленок. Эллипсометры in situ могут быть одноволновыми или спектроскопическими. Спектроскопические эллипсометры in situ используют многоканальные детекторы, например, ПЗС-детекторы, которые одновременно измеряют эллипсометрические параметры для всех длин волн в исследуемом спектральном диапазоне.
Эллипсометрическая поросиметрия
Эллипсометрическая поросиметрия измеряет изменение оптических свойств и толщины материалов в процессе адсорбции и десорбции летучего вещества при атмосферном или пониженном давлении, в зависимости от области применения. Метод ЭП уникален благодаря возможности измерения пористости очень тонких пленок толщиной до 10 нм, его воспроизводимости и скорости измерений. По сравнению с традиционными порозиметрами, эллипсометрические порозиметры особенно хорошо подходят для измерения размера пор и распределения пор в тонких пленках. Пористость пленки является ключевым фактором в кремниевых технологиях с использованием материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, в органической промышленности (например, для инкапсулированных органических светоизлучающих диодов), а также в технологии покрытий с использованием золь-гель методов.
Магнитооптическая обобщенная эллипсометрия
Магнитооптическая обобщенная эллипсометрия (MOGE) – это современный метод инфракрасной спектроскопической эллипсометрии, предназначенный для изучения свойств свободных носителей заряда в проводящих образцах. При приложении внешнего магнитного поля становится возможным независимо определять плотность, параметр оптической подвижности и параметр эффективной массы свободных носителей заряда. Без магнитного поля можно независимо извлечь только два из трех параметров, характеризующих свободные носители заряда.
Приложения
Эта техника нашла применение в самых разных областях – от физики полупроводников до микроэлектроники и биологии, от фундаментальных исследований до промышленных приложений. Эллипсометрия – высокочувствительный метод измерений, предоставляющий уникальные возможности для характеризации тонких плёнок. Будучи оптическим методом, спектроскопическая эллипсометрия является неразрушающей и бесконтактной. Благодаря возможности фокусировки падающего излучения, можно исследовать образцы малых размеров и картировать нужные характеристики на больших площадях (м²).