Исследование поверхностей и тонкослойных покрытий методом отражательной эллипсометрии

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ) Лабораторная работа Исследование поверхностей и тонкослойных покрытий методом отражательной эллипсометрии Санкт-Петербург, 2012

Цель работы: приобретение навыков проведения модельного эксперимента в эллипсометрии на персональном компьютере с использованием современного программного обеспечения и ознакомление с физическими основами отражательной эллипсометрии.

Общие сведения

Специфика полупроводниковой технологии требует применения оперативных, локальных, безотказных и неразрушающих методов контроля, исключающих загрязнение и повреждение даже очень малых областей микро-электронных структур. С этой точки зрения наиболее удобны и перспективны оптические методы. Указанным требованиям удовлетворяет эллипсометрический метод как один из самых точных и чувствительных методов контроля поверхностей и тонкослойных структур.

Эллипсометрия — это оптический метод измерения, основанный на анализе изменения эллипса поляризации пучка поляризованного света при его отражении от исследуемого объекта. Метод применяется для исследования состояния поверхности, явлений на границе раздела двух фаз, структуры тонких поверхностных слоев и определения их толщины и показателя преломления, может выступать эффективным инструментом технологического контроля, исследования кинетики роста и травления пленок (толщиной от долей нанометров до 10 мкм).

Эллипсометрические углы. Основное уравнение эллипсометрии

Эллиптически поляризованный луч можно представить в виде наложения лучей, поляризованных линейно во взаимно перпендикулярных плоскостях:

где Р — плоскость падения, S — плоскость образца.

Эллипс поляризации излучения как падающего на поверхность образца, так и отраженного от поверхности, может быть вписан в некоторый прямоугольник со сторонами и (рис.1), который принято характеризовать углом :

.

Рис. 1. Параметры эллипса поляризации При и эллипс вырождается в отрезок прямой, расположенной под углом по отношению к оси S, в связи с чем часто называют азимутом восстановленной линейной поляризации. Параметр и разность фаз P— и S-составляющих, полностью определяют эллипс поляризации. Параметрам и однозначно соответствует относительная комплексная амплитуда излучения

Изменение параметров эллипса поляризации при отражении характеризуется коэффициентами Френеля:

различными для P— и S-поляризованных волн, и эллипсометрическими углами (параметрами) и . Первый из них — - определяет относительное изменение разности фаз P— и S-составляющих колебания, а другой — :

определяет относительное изменение азимута восстановленной линейной поляризации . Эллипсометрические углы связаны между собой. Действительно, почленное деление выражений для RP и RS дает соотношение

(1)

называемое основным уравнением эллипсометрии (уравнением Друде), где — относительный коэффициент отражения поляризованного излучения.

Конкретное аналитическое выражение коэффициентов Френеля через характеристики исследуемой отражающей системы зависит от выбора той или иной модели поверхности или структуры. Основное уравнение эллипсометрии позволяет для известных параметров структуры определить эллипсометрические углы (прямая задача), а также по экспериментально измеренным углам и в рамках выбранной модели вычислить параметры исследуемой системы (например, определить толщину и показатель преломления пленки на подложке с известными характеристиками). Как правило, комплексное основное уравнение эллипсометрии (реально — система трансцендентных уравнений) решается численными методами с помощью современной быстродействующей вычислительной техники.

Модели исследуемых систем и коэффициенты Френеля

В простейшем случае для чистой плоской поверхности изотропного материала с коэффициентом преломления, находящегося во внешней среде , используются коэффициенты Френеля

(2)

Рис. 2. Отражение и пропускание света при наклонном падении плоской световой волны на поверхность, покрытую однородным и изотропным плоскопараллельным слоем.

Если на подложке (N0) находится однородный изотропный слой, характеризующийся толщиной d и N1 (рис. 2), то коэффициенты отражения от поверхностей со слоями RP и RS наиболее удобно представлять через адмиттансы (адмиттанс — отношение тангенциальных компонент магнитного и электрического векторов), так как при этом они выражаются непосредственно через параметры слоя, среды и подложки и не требуют использования аналитических выражений для коэффициентов отражения каждой из границ:

где и — обобщенные адмиттансы для структуры под верхней границей, равные соответственно

(3)

Здесь величина

(4)

— фазовая толщина слоя (- длина волны используемого излучения в вакууме). Величины YjS и YjP есть адмиттансы соответствующей j-й среды. Они имеют вид

(5)

Формулы (4) и (5) можно записать с учетом закона Снеллиуса, из которого следует, что

Аналогичный, но немного более сложный вид имеют выражения для RP и RS в случае нескольких слоев на поверхности или анизотропных структур.

Нуль-измерения по зонной методике на эллипсометре ЛЭФ-3М

Нулевой метод измерения заключатся в определении таких положений двух оптических элементов при которых интенсивность сигнала на фотоприемнике оказывается минимальной. Существуют различные оптические схемы которые отличаются в основном расположением компенсатора (до или после образца) и тем какой из трех оптических элементов является фиксированным. Рассмотрим схему PCSA — поляризатор, компенсатор, образец, анализатор.

Основу прибора составляет гониометр позволяющий изменять угол падения луча на образец S (оптическая ось плеча источника) и угол оптической оси приемного плеча. Измеряемый образец S располагается на специальном юстировочном столике для точной установки его относительно оптических осей эллипсометра и точки отражения (на рисунке не показан). Источник излучения J формирует параллельный пучок света с круговой поляризацией. Обычно это лазер с двумя компенсаторами, которые позволяют сформировать круговую поляризацию из любой поляризации исходного излучения. Круговая поляризация необходима для того чтобы интенсивность на выходе поляризационной призмы P, называемой поляризатором, не зависела от угла поворота. Далее располагается компенсатор C. Это пластинка из слюды или кристаллического кварца осуществляющая сдвиг фаз на /4. В приемном плече установлена поляризационная призма A называемая анализатором. Фото приемное устройство ФП обычно представляет собой ФЭУ с предварительным усилителем. Далее сигнал поступает на усилитель и стрелочный индикатор.

Оптические элементы A, P и C установлены в поворотных лимбах с точными угловыми шкалами. Оси вращения оптических элементов совпадают с оптическими осями или слегка отклонены. Это делается с целью исключения попадания переотраженных от торцевых поверхностей элементов лучей в фото приемное устройство. За начало отсчета углов поворота принято считать плоскость падения.

эллипсометрический контроль поверхность отражение

Суть измерения заключается в том, что путем вращения поляризатора P и компенсатора K подбирается такая эллиптическая поляризация падающей волны, что, будучи отраженной от исследуемой поверхности, она превратится в линейную. Наличие линейной поляризации после отражения, а также азимут этой линейной поляризации определяются анализатором A. Для этого должно быть достигнуто гашение отраженной волны анализатором, что фиксируется нулевым (в реальности — минимальным) значением сигнала на приемнике излучения ФП. В зависимости от сочетания диапазонов значений, в которые попадают азимуты компенсатора и анализатора в положении гашения, различают четыре «измерительные зоны» (рис.4). Значения азимутов поляризатора в положении гашения для различных зон отличаются на градусов.

При однократном эллипсометрическом измерении определяется пара углов и . Поэтому в связи с тем, что схема PKSA содержит 3 вращающихся элементов, азимут одного из них фиксируют. Исторически фиксируется положение компенсатора — значения +45 или -45, так как это позволило получить наиболее простые выражения, связывающие азимуты трех оптических компонентов в положении гашения с эллипсометрическими углами. Эти выражения имеют вид:

где n — целое число.

Практически измерения обычно выполняются по 2-зонной методике: и измеряются в 2-х зонах, а затем производится усреднение. Усреднение позволяет свести к минимуму систематические ошибки, связанные с неидеальностью компонентов оптической системы, а также собственной оптической активностью компенсатора.

Формулы для вычисления эллипсометрических углов по азимутам в положении гашения, для зон 1 и 2, а также, 2 и 3, имеют вид:

Значение проще всего определить, используя в качестве калибрующего объекта отражающую поверхность, угол которой вдали от угла Брюстера хорошо известен (например, стекла).

Описание установки

В данной работе эллипсометрические углы определяются на эллипсометре ЛЭФ-3М (см. рис. 3), имеющем следующие технические характеристики:

рабочая длина волны лазера 632,8 нм точность отсчета азимутов P, C и A 0,5

диапазон возможных углов падения 50…90.

Оптические элементы прибора размещены в двух плечах: слева — в плече поляризатора — лазер, поляризатор (призма Глано-Фуко), модулятор, компенсатор С, индикаторная шкала для считывания азимутов Р и углов падения, а также окулярная насадка для считывания азимутов компенсатора C; справа — в плече анализатора — анализатор (призма Глано-Фуко), зеркальная диафрагма с экраном, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), индикаторная шкала для считывания азимутов А. С помощью экрана можно визуально наблюдать погасание света на выходе анализатора. Свет на экран поступает, отразившись от зеркала, находящегося между А и ФЭУ. В зеркале имеется отверстие, через которое свет попадает на ФЭУ. Углы наклона тубусов P и А изменяются поворотом расположенного у основания прибора маховика. На шкале индицируется угол. Установка поляризатора и анализатора в положение гашения производится с помощью расположенных на лицевой (а компенсатора — на обратной) стороне соответствующих плеч эллипсометра поворотных дисков. Образец укладывается на столик, который может перемещаться в двух направлениях, поворачиваться вокруг собственной оси, а также наклоняться при помощи трех ручек по бокам столика. Блок питания индикаторов и модулятора расположен на передней панели прибора, а ФЭУ — в его корпусе.

Результаты измерений

Образец, подлежащий исследованию, кладется на предметный столик. Вращением микрометрических подвижек перемещения столика пятно лазерного луча направляем на интересующий участок поверхности. Затем с помощью трех дисков управления наклоном предметного столика добиваемся появления пятна лазерного луча красной длины волны на матовом стекле юстировочного индикатора. Необходимым условием измерений является появление на фоне пятна черной точки отверстия, позволяющего вывести излучение на ФЭУ.

Попеременным вращением расположенных на лицевой стороне эллипсометра дисков изменения азимутов поляризатора (расположен слева) и анализатора (расположен справа) визуально добиваемся погасания пятна лазерного луча на матовом стекле. Вращением соответствующей ручки (на правом плече прибора) по часовой стрелке переходим к измерению малой интенсивности проходящего светового луча, подключая, таким образом, ФЭУ. Более существенного гашения сигнала добиваемся, используя шкалу стрелочного индикатора, расположенного в верхней части прибора, по мере необходимости увеличивая усиление сигнала с ФЭУ (это делается нажатием кнопки «АРУ» на передней панели эллипсометра).

По достижении минимума сигнала с ФЭУ сразу же обратным поворотом ручки по часовой стрелке отключаем подачу света на ФЭУ. С устройств индикации считываем значения азимутов поляризатора и анализатора — P и А. Повернув поляризатор на 90°, проводим измерения азимутов поляризатора и анализатора в положении гашения для 2-й измерительной зоны.

Исследуемые образцы:

на ситалле

Показатель преломления =

Стекло

Показатель преломления =

Полимер

Показатель преломления =

на кремниевой подложке

Показатель преломления =.

Толщина пленки, период толщины .