22 ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. Для исследования свойств поверхности твердого тела и пленочных структур применяются три вида оптических методов: спектрофотометрические (регистрация характеристического излучения при электронных переходах), интерферометрические (измерение разности фаз) и поляриметрические (измерения поляризации).

Эллипсометрия относится к поляриметрическим методам исследования поверхности и предназначена для измерения толщины тонких пленок, параметров тонкопленочных структур и оптических констант поверхностей различных материалов (металлов, полупроводников, диэлектриков, в том числе жидких сред).

Пленкой на поверхности  является слой чужеродных или собственных атомов. Оптические свойства поверхностных слоев отличаются от свойств объема. Примером служат слои с нарушенной структурой после ионной бомбардировки, с измененными химсвязями, эпитаксиальные пленки, легированные слои и др. Максимальная толщина измеряемой пленки определяется ее прозрачностью. Минимальная толщина может составлять один атомный слой и даже десятые-сотые доли монослоя, то есть уже не пленку, а атомно-размерные неравномерности поверхности по составу или структуре. Эллипсометрия используется также для измерения показателей преломления.

В эллипсометрии теоретической моделью светового рабочего пучка является плоская бесконечная монохроматическая волна. Такие волны существуют только на страницах учебников. Реальные световые пучки всегда ограничены в пространстве и во времени и содержат широкий набор электромагнитных колебаний различной частоты. Монохроматический свет есть  поляризованный свет. Поляризация характеризуется траекторией конца электрического вектора световой волны. Поляризацию можно разделить на три вида: линейную, эллиптическую и круговую право- , левоциркулярные. Поляризованный свет визуально неотличим от неполяризованного. Процесс поляризации пучка не приводит к изменению геометрической формы сечения пучка, а интенсивность света по площади поперечного сечения луча остается равномерной. (Следует не путать эллиптическую поляризацию с геометрическим эллиптическим сечением площади луча.) В поляризованном свете электрический вектор имеет разную величину в зависимости от азимута в поперечном сечении.

СУТЬ МЕТОДА. Метод эллипсометрии основан на эффекте изменения формы поляризации света при отражении от поверхности раздела двух сред и заключается в облучении исследуемой поверхности поляризованным светом и измерении изменений эллипса поляризации луча света в результате отражения от поверхности. Физика метода эллипсометрии заключается в изменениях характеристик светового пучка в результате взаимодействия с исследуемой поверхностью: в изменениях степени поляризации (эллиптичности) и повороте плоскости поляризации (ориентации эллипса). По этим изменениям определяют отражательные свойства поверхности, которые однозначно зависят от коэффициента преломления вещества, от наличия отражающих центров в приповерхностном слое или наличия второй плоскости отражения, то есть прозрачной пленки на поверхности. Поляризация света при отражении от внешней и внутренней поверхностей тонкой пленки на подложке зависит от коэффициента преломления и от толщины пленки в пределах от единиц микрон до долей моноатомного слоя.

Предметом исследования в эллипсометрии являются изменения состояния поляризации монохроматической волны при взаимодействии с веществом.

Поляризационные свойства поверхностей избирательны к характеру зондирующего луча света. Поэтому для каждой поверхности подбирается такой луч, который поляризуется и изменяется поверхностью наибольшим образом. Для удобства измерений важно также выбрать такой эллипс, чтобы он мог быть поляризован поверхностью до линии, и наоборот, чтобы линия превращалась после отражения в эллипс. Это осуществляется подбором длины волны, начальной эллиптичности луча, азимутальной ориентации эллипса, угла падения луча на поверхность.

Метод эллипсометрии осуществляется облучением исследуемой поверхности лучом поляризованного света видимого диапазона (380-750 нм) или инфракрасного излучения (например, 10.6 мкм СО2-лазер) и регистрацией изменений параметров поляризации в результате отражения. Основные изменения в результате отражения наблюдаются в интенсивности луча в целом, в степени его поляризации и повороте плоскости поляризации луча. Эти характеристики регистрируются экспериментально. Для одного и того же материала изменение эллиптичности поляризации и поворот плоскости поляризации однозначно связаны с толщиной поверхностной пленки, что позволяет проводить измерения толщины пленок. При этом может наблюдаться корреляция с концентрациями дефектов, примесей и другими особенностями пленок.

АППАРАТУРА. Эллипсометр содержит 4 узла: 1) источник света с системой формирования зондирующего луча, 2) столик для объекта исследования, 3) анализатор отраженного пучка с фотоприемником и 4) электронное регистрирующее устройство с компьютером (рис.1).

Формирование зондирующего пучка производится следующим образом: свет от источника коллимируется, монохроматизируется, линейно поляризуется, превращается в эллиптически поляризованный, модулируется по интенсивности, диафрагмируется и направляется на исследуемую поверхность.

После отражения от поверхности луч направляется в анализатор. Измеряются два параметра: отношение электрических векторов перпендикулярной и параллельной составляющих колебаний (по отношению к плоскости падения луча) Y и сдвиг фаз этих колебаний q.

Формирователь зондирующего луча содержит последовательно расположенные источник света, коллиматор, монохроматор, линейный поляризатор, компенсатор (l/4-пластинку), модулятор-прерыватель и диафрагму.

ИСТОЧНИК СВЕТА. Представляет собой лампу высокого давления (ксеноновая, ртутная) или лазер. При громоздких конструкциях модуль источника света жестко монтируется с монохроматором и соединяется с остальной частью формирователя зондирующего пучка с помощью световода.


МОНОХРОМАТОР.  Предназначен для получения из белого света светового пучка заданной длины волны. Он содержит призму или дифракционную решетку, разлагающие свет по длинам волн, и входную и выходную диафрагмы. С их помощью регулируются пропускание и разрешающая способность прибора и выделяется из разложенного спектра монохроматическое излучение с нужной длиной волны. Монохроматический свет есть поляризованный свет.

ПОЛЯРИЗАТОР. Поляризация светового луча создается и обнаруживается с помощью пластин-поляризаторов, пропускающих свет с направлением электрического вектора только по одной линии в плоскости сечения луча, перпендикулярной к направлению луча. Простейшим поляризатором является узкая щелевая металлическая диафрагма, или система тонких параллельных проволочек. Наиболее избирательными являются дихроичные поляризаторы (анизотропно пропускающие свет вещества). Дихроичными материалами являются монокристалл турмалина или специальные дихроморфные молекулы, встроенные в гомогенные полимерные пленки. В качестве поляризатора используется призма Глана-Тейлора, состоящая из двух склеенных кальцитовых призм с параллельными оптическими осями.

КОМПЕНСАТОР. Необходимая эллиптичность зондирующего пучка формируется из линейно поляризованного света с помощью четвертьволновой фазовой пластинки или l/4-пластинки. Она называется в оптике также фазовой или фазосдвигающей пластинкой, а в эллипсометрии еще называемой компенсатором. Она разделяет монохроматический линейно поляризованный свет на две взаимно перпендикулярные компоненты, направление векторов которых не совпадает с вектором линейной поляризации, сдвигает фазу одной из них относительно другой, а затем вновь соединяет их в единый пучок, который получается эллиптически поляризованным. В промышленных установках часто используют ахроматический компенсатор типа "модифицированный ромб Френеля".

МОДУЛЯТОР.  Изменяет интенсивность зондирующего луча или периодически прерывает его для получения переменной составляющей в отраженном пучке и измерения переменной составляющей фототока методом синхронного детектирования. В качестве модулятора используется вращающийся диск с отверстиями или электромагнитный прерыватель.

АНАЛИЗАТОР. Состоит из поляризатора, на выходе которого размещается фотоумножитель. При вращении поляризатора в плоскости, поперечной сечению пучка, изменяется величина электрического вектора проходящего света, соответственно и интенсивность света, измеряемая фотоумножителем. По этой угловой зависимости измеряется  поляризация луча.

Эллиптическая поляризация зондирующего пучка света по сравнению с линейной позволяет получать от поверхности больше информации из-за большего числа своих параметров. Линейная поляризация  упрощает измерения углов поляризации возможностью полного гашения луча поворотом плоскости пропускания анализатора-поляризатора перпендикулярно к линии колебания электрического вектора. При линейной поляризации получается реперная точка отсчета для экспериментального измерения параметров эллипсов поляризации.

Для повышения экспрессности и достоверности измерений эллипсометрические параметры измеряются независимо и одновременно использованием двухканального анализатора, например с "призмами Волластона". В качестве анализатора отраженного луча в простых устройствах используется линейный поляризатор с поворотным механизмом (по азимуту луча), ничем не отличающийся от поляризатора первичного пучка. Отраженный луч  предварительно до анализа может корректироваться компенсатором.

ЭЛЕКТРОННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СХЕМА. После анализатора интенсивность луча измеряется с помощью фотоэлектронного умножителя и электронного блока. Ток на выходе фотоумножителя может быть в виде импульсов, возбуждаемых отдельными фотонами, и при большой интенсивности света в виде постоянного тока. Для повышения чувствительности прибора осуществляют модуляцию интенсивности света, что позволяет получать на выходе фотоумножителя переменный ток. Измерения тока фотоумножителя производят соответственно в трех режимах: импульсном (счета отдельных фотонов), постоянного тока и синхронного детектирования. Режим счета фотонов малоинерционен, позволяет измерять интенсивности до 5-10 фотонов в секунду (10-18 А) и является наиболее чувствительным, но затруднен в реализации из-за отсутствия малофоновых фотоумножителей (темновой ток обычных ФЭУ пикоампер, а нужно аттоамперы) с высоким квантовым выходом. Режим постоянного тока при малых токах (до 10-12 А) пригоден для работы с ФЭУ, имеющими большой темновой ток, имеет большую постоянную времени измерений (секунды) из-за большого входного сопротивления усилителя (гига- и тераомы). Поэтому чаще всего используют режим синхронного детектирования. Заметим, что фазо- и частотночувствительный синхронный детектор позволяет регистрировать малые сигналы переменного тока на фоне больших помех, обеспечивает большое быстродействие и существенно повышает чувствительность измерительного тракта (по сравнению с режимом постоянного тока).

ГОНИОМЕТРЫ. УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ. При проведении эллипсометрических измерений поляризация луча регистрируется по току ФЭУ в зависимости от угловых положений вращаемых вокруг оси пучка поляризатора и компенсатора первичного тракта и поляризатора-анализатора вторичного тракта. Эти три элемента снабжены прецизионными гониометрами (поворотными механическими устройствами) с точностью установки угла поворота вокруг оси луча света до 0.01 град. угловых.

При измерениях необходимо изменять также углы падения и отражения пучка (угол отражения должен быть равным углу падения). Поэтому эллипсометр снабжается прецизионным гониометром для контролируемого изменения углов падения и отражения луча, а также и азимутального угла расположения образца по отношению к плоскости падения и отражения луча. Для этой цели в состав гониометра вводится отдельный предметный столик для образца (или для нескольких образцов), позволяющий перемещать образец линейно по x, y, z, вращать по азимуту по отношению к плоскости луча и изменять наклон к горизонту. Для исследований объектов микроэлектроники точностные требования к перемещениям образца на предметном столике сравнимы с дискретностью микросхем и составляют доли микрона. Таким образом, основные сложности в эллипсометре представляют механические поворотные и юстировочные системы. Точности механических устройств при механическом изготовлении могут быть обеспечены на уровне единиц микрон. Более высокие точности достигаются специальными технологическими операциями и приемами.

Пределы изменений углов падения-отражения могут варьироваться от близких к нормали к поверхности образцов до скользящих около нулевых. Для юстировки луча оптические элементы снабжаются обычными необходимыми регулировочными устройствами. Юстировка и калибровка прибора производятся при прямом попадании первичного пучка в анализатор (при нулевом угле падения-отражения, минуя образец), когда оси первичного луча и вторичного луча совпадают и находятся на одной прямой.

В зависимости от задач исследований эллипсометр может быть открытым или в вакуумном исполнении, то есть образец может располагаться на воздухе или в вакууме для исследования адсорбционных процессов на субмоноатомном уровне.