Эллипсометрия как метод неразрушающего контроля (стр. 2 из 2)
Результат расчёта (т.е. решения прямой задачи) представляется в виде таблиц или а -, -номограмм (рис. 9). Решая затем обратную задачу искомые физические величины определяются путём сравнения экспериментально измеренных значений эллипсометрических углов с теоретическими зависимостями, например от n и d, т.е. с результатами решения прямой задачи. За одно измерение на эллипсометре определяются оба угла и и, следовательно, два любых неизвестных физических параметра исследуемой системы, входящих в уравнение эллипсометрии, при известных остальных величинах.
Рис. 9. -,- номограмма для системы "прозрачная пленка – арсенид галлия"
Конструкции и функциональные схемы эллипсометров. Высокая точность измерений (погрешность измерений толщины 0,3нм) на плёнке SiO2, малая чувствительность к внешним воздействиям, отсутствие разрушающего воздействия - все эти важные преимущества эллипсометрического метода в сочетании с ЭВМ ставят его в ряд наиболее перспективных для технологического контроля (в реальном масштабе времени) не только толщин плёнок, но и оптических констант, диэлектрической проницаемости, концентрации и подвижности заряженных частиц, шероховатости поверхности и других параметров.
По способу измерения эллипсометрических параметров и эллипсометры могут быть разделены на две большие группы: ненулевые эллипсометры прямого фотометрирования и компенсационные нульэллипсометры (рис. 10). В эллипсометрах первой группы параметры и непосредственно не измеряются, а рассчитываются на основании данных об интенсивности излучения, отражённого от объекта измерений при заданных значениях азимутов поляризатора и анализатора. В компенсационных нульэллипсометрах, напротив, в результате измерений фиксируются угловые величины: азимуты анализатора tg и поляризатора tg n, а также разность фаз , создаваемая компенсатором за счёт изменения его толщины d до получения минимальной (нулевой) интенсивности на выходе эллипсометра. Параметры и в данном случае рассчитываются простыми соотношениями:
= arctg(tg/tgn) ,
= (2/)(np-ns)d - /2 .
функциональная схема ненулевого эллипсометра прямого фотометрирования. Оптическое излучение от лазера модулируется по амплитуде и, пройдя поляризатор с фиксированным азимутом, отражается от кремниевой пластины, на которую производится осаждение плёнки SiO2. Отражённое образцом лазерное излучение выходит из технологической камеры через оптическое окно и, попадая в приёмный блок, расщепляется с помощью двух светоделителей на три луча, которые проходят соответствующие анализаторы с углами поворота осей линейной поляризации (т.е. наибольшего пропускания) 0о, 45о и 90о относительно плоскости падения излучения на образец и регистрируются фотодетекторами ФД1-ФД3. Электрические сигналы с фотодетекторов поступают на усилители А1-А3 и в блок записи и обработки информации, в котором по трём значениям интенсивности I1, I2 и I3 на выходе трёх анализаторов рассчитываются параметры и .
Наибольшее число отечественных эллипсометров строится по компенсационной схеме. Это обусловлено независимостью результата измерений от колебаний Методика измерений на эллипсометре компенсационного типа заключается в гашении отражённого от исследуемого образца луча на выходе эллипсометра посредством вращения вокруг оптической оси прибора двух из трёх установленных на лимбах оптических элементов (поляризатора, анализатора и компенсатора) и расчете параметров и по углам поворота (азимутам) этих элементов относительно плоскости падения в положении гашения.
Рис. 11. Эллипсометр прямого фотометрирования для исследования нестационарных процессов:
1 - Не-Nе лазер; 2 - электромеханический модулятор; 3 - поляризатор; 4 - оптические окна; 5 - кварцевый реактор; 6 - индуктор; 7 - графитовый пьедестал с образцом; 8 - анализаторы; 9 - светоделители; 10 - блок обработки и записи информации
Рис. 12. Оптическая схема эллипсометрического микроскопа ЛЭМ-3:
1 - Не-Nе лазер; 2 - четвертьволновая пластина; 3 - поляризатор; 4 - электродвигатель; 5 - модулятор: 6 - компенсатор (четвертволновая пластина); 7 - объективы; 8 - анализатор; 9 - фотоэлемент; 10 - электронный блок; 11 - ВКУ; 12 - видикон; 13 - фотоаппарат; 14 - исследуемый образец
При получении с помощью системы эллипсометрических изображений гасятся только составляющие пучки света, отраженные от участков исследуемого образца, имеющих одинаковые параметры. Это позволяет оценить равномерность распределения контролируемых параметров (например, толщины плёнки) в исследуемых структурах (рис. 12). Соответствующие участки эллипсометрического изображения на экране выглядят темными, остальные - светлыми.
Рис. 13. Эллипсометрическое изображение транзисторной структуры (с настройкой на подложку и на пленку)
Эллипсометрические методы контроля широко используются на следующих этапах разработки, исследования и контроля технологических процессов полупроводникового производства: контроль подготовки поверхности пластин, фотолитографических и электрохимических процессов, изучении электрофизических свойств полупроводниковых материалов; исследование нарушенных и ионноимплантированных слоёв полупроводников и диэлектриков; измерение толщины и показателей преломления диэлектрических плёнок и параметров эпитаксиальных структур; анализ явлений, возникающих на поверхности пластин при диффузии и термообработке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Давыдов П. С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. - М.:Радио и связь, 2000. - 256 с.
2. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества: Учеб. пособие для инженерно-техн. спец. вузов.-М.: Высшая школа, 2002. - 368 с.
3. Технические средства диагностирования: Справочник / Под общ. ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 2005. - 672 с.
4. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. - Справочник. В 2-х кн./ Под ред. В.В.Клюева - М.: Машиностроение, 2006.
5. Ж.Госсорг. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц. – М. Мир, 2005. – 416 с.