Методы и приборы лазерной и спектральной эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации

2
Сокращения, используемые в диссертации :
СЭ - спектральная эллипсометрия.
ПС — поляризационное состояние.
БМ — бинарный модулятор.
СЭ БМСП - спектральная эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации.
ВЕМА - модель эффективной среды Бруггемана.
ISE (Imaging Spectroscopic Ellipsometer) — отображающий спектральный эл-липсометр.
RAE - эллипсометрия с вращающимся анализатором.
PSCAR - эллипсометрия с вращающимся анализатором с компенсатором.
РМЕ — эллипсометрия с фазовой модуляцией.
N= n - ik - комплексный показатель преломления
Еф - вектор электрического поля падающего электромагнитного излучения, расположенный в плоскости падения.
*
Eis - вектор электрического поля падающего электромагнитного излучения, расположенный перпендикулярно плоскости падения, р - относительный коэффициент отражения.
Я е‘3р Я е
s -основное уравнение эллипсометрии, которое связывает относительный амплитудный коэффициент отражения р с эллипсометрическими углами ¥ и А.
4і - эллипсометрический угол, равный арктангенсу модуля отношения коэффициентов Френеля для света, поляризованного в плоскости падения и перпендикулярно к ней.
А - эллипсометрический угол, равный разности фаз комплексных коэффициентов Френеля А = 5Р - 5S.
Фб - угол Брюстера.
Р - поляризатор.
А - анализатор.
С - компенсатор.
ДЛП - двойное лучепреломление, двулучепреломление.
ПВО - полное внутреннее отражение.
АСМ - атомносиловой микроскоп.
— интерферометрия белого света.
КР - спектроскопия комбинационного рассеяния света.
СЗМ - сканирующий зондовый микроскоп.
НПВО - метод нарушенного полного внутреннего отражения.
4
Содержание.
Введение.............................................................8
В.О. Общая характеристика работы.....................................8
В.1. Теория эллипсометрии.
В. 1.1. Основное уравнение эллипсометрии............................18
В. 1.2. Формулы Френеля.............................................19
В.2. Эллипсометрические методы измерений и спектральные эллипсо-метры широкого использования........................................22
В.2.1. Эллипсометрия с вращающимся анализатором (RAE)...............29
В.2.2. Эллипсометрия с вращающимся анализатором с компенсатором (PSCAR конфигурация)........................................31
В.2.3. Эллипсометрия с фазовой модуляцией (PME).....................32
В.2.4. Спектральная эллипсометрия в инфракрасной области спектра 34
В.2.5. Эллипсометрия высокого пространственного разрешения..........37
В.З. Анализ результатов эллипсометрических измерений................40
В.3.1. Модели диэлектрической функции...............................40
В.3.2 Аппроксимация эффективной среды Бруггемана....................43
В.3.3. Псевдо-диэлектрическая функция...............................44
В.З .4. Моделирование поверхностной шероховатости...................46
В.З.5. Процедура анализа данных.....................................48
Глава 1. Методы эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.
1.1 .Проблемы традиционных подходов эллипсометрии и предпосылки
5
к разработке нового подхода.............................................50
1.2. Метод псевдоугла Брюстера в исследованиях электрофизических параметров сильно легированных полупроводников..............................52
1.3. Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации (ЭБМСП).................................................................58
1.3.1.Методы ЭБМСП с двумя фотоириемными устройствами.................65
1.3.2.Методы ЭБМСП с одним фотоприемным устройством (фотодиод, линейка или матрица фотодиодов)...........................................67
Глава 2. Разработка и создание новых базовых элементов поля-
ризационной оптики.
2.1 .Поляризационный интерферометр-модулятор.........................73
2.2.Поляризатор для видимой и ИК области спектра.....................75
2.3.Переключатель состояния поляризации с делением пучков по фронту 78
2.4.Бинарный модулятор состояния поляризации (БМСП)..................80
2.5.Двухсторонний БМСП с использованием сходящегося пучка............83
2.6.Соосный ахроматический компенсатор...............................84
Глава 3. Разработка и создание эллипсометров для ИК области спектра.
3.1 .Автоматическая многоволновая эллипсометрическая установка.......87
3.2. Двухлучевой эллипсометр.........................................90
З.З.Эллипсометр для скоростных измерений.............................92
Глава 4. Разработка и создание эллипсометров для УФ, видимой и ближней ИК спектральной области.
4.1.Универсальный сканирующий спектроэллипсомстр ЕБ-2................94
4.2.Многоканальный компактный спектроэллипсометр с галогенной лампой...............................................................97
4.3.Двухканальный сканирующий спектроэллипсометр с импульсной ксеноно вой лампой 100
4.4.1n situ спектральный эллипсометр.................................103
4.5.Скоростной эллипсометр с бинарным модулятором и стандартным анализатором..............................................................104
4.6.Краткий обзор развития и использования бинарных модуляторов поляризации в устройствах поляризационной оптики...........................105
4.7.Сравнительный анализ параметров современных спектральных эллипсо-метров...............................................................113
Глава 5. Исследование полупроводниковых и диэлектрических материалов и структур методами спектральной эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.
5.1 .Спектральная эллипсометрия многослойных гетероструктур ZnS/ZnSe 117
5.1.1 .Брэгговские зеркала на основе многослойных структур ZnSe/ZnS, выращенных на подложках GaAs(100)....................................124
5.2.Исследование изменения оптических свойств пленок полиметил метакрилата и полистирена при ионном облучении методом СЭ...................126
5.3.Спектральная эллипсометрия скрытых графитизированных слоев в ионно-
имплаитированном алмазе..............................................132
5.4.0птические свойства наноструктурированных пленок a-C:H:Si........141
5.5.0птические свойства тонких алмазных пленок, осажденных с использованием прекурсора-поли (нафтилгидрокарбина)............................155
5.6.СЭ алмазоподобных пленок углерода, используемых в изделиях микроэлектроники......................../.................................159
5.7.Оптические и фотоэлектрические свойства напыленных и отожженных PECVD пленок поликристаллического кремния............................167
5.8.СЭ кремний-окисел-кремний структур...............................171
5.9.1.Спектроэллипсометрические исследования тонких композитных слоев GaAs-MnAs 182
5.9.2.Спектральная эллипсометрия тонких ферромагнитных слоев InMnAs 185
5.9.3.Спектральная эллипсометрия и резонансный экваториальный эффект Керра в слоях InMnAs........................................................189
Глава 6. Лазерная и светодиодная эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации в сенсорных устройствах.
6.1 .Исследование кинетики изменения параметров пленок палладия при воздействии водорода с использованием чувствительного скоростного эллипсо-метра.............................................................202
6.2.Прецизионный скоростной эллипсометр с п/п лазерными и светодиодными источниками излучения.............................................210
6.3.Перспективы использования светодиодной СЭ для исследования кинетических процессов, картографических измерений и применений в сенсорных устройствах...............................................214
Заключение........................................................218
Список цитируемой литературы......................................221
Список цитируемых публикаций с участием автора....................239
Приложение 1......................................................249
Приложение 2
250
8
Введение.
В.О. Общая характерист ика работы.
Актуальность темы.
Эллипсометрия - высокочувствительный метод определения оптических
параметров образцов по относительному изменению амплитуд и фаз компонент вектора электрического поля электромагнитной волны, расположенных в плоскости падения и перпендикулярно ей, при взаимодействии с исследуемым образцом [1,2]. Возможность одновременного измерения амплитудных и фазовых характеристик позволяет точно определять одновременно толщины пленок и оптические константы материала пленок. Измерение отношения комплексных компонент обеспечивает высокую помехоустойчивость и стабильность спектральных эллипсометрических измерений. Например, сравнительно несложно регистрировать в широком спектральном диапазоне изменение фазового сдвига между ортогональными компонентами А на 0,01 градуса, что соответствует изменению толщины около 0,01 монослоя при измерениях тонких окислов на полупроводниках.
Широкое применение эллипсометрия получила в связи с появлением лазерных источников излучения и компьютеров. Развитие микроэлектроники определило доминирующее развитие эллипсометрия, основанной на анализе отраженного пучка излучения. В настоящее время широкое распространение получила спектроэллипсометрия, в которой измеряются спектры эллинсометриче-
1
9
ских параметров. Это один из основных методов анализа современных наноструктур.
Эллипсометрические измерения носят универсальный характер. В частности, могут быть выполнены исследования линейного и кругового дихроизма, вращения плоскости поляризации, оптической анизотропии, поляризационной микроскопии.
Универсальность и информативность метода СЭ определили широкую область ее применения:
СЭ позволяет точно определять спектры оптических постоянных всего набора материалов современной технологии (металлов, полупроводников, диэлектриков) в объемном и пленочном состояниях и толщины пленок, поверхностных и переходных слоев в сложных многопленочных структурах в диапазоне от единиц до тысяч нанометров.
СЭ дает возможность исследовать механические, структурные, физикохимические свойства материалов, микрошероховатость поверхности, профиль распределения микропористости и микровключений.
СЭ - эффективное средство in situ контроля процессов напыления и травления.
Основные области применения СЭ:
нанотехнология, физика и химия поверхности и тонких пленок, оптика, кристаллофизика, электрохимия, сенсорные устройства для экологии, биология и медицина.
Существует несколько основных направлений в современной эллипсомет-рии. Наиболее развитое направление - эллипсометрия с вращающимися поляризационными элементами. Эллипсометрия с фотоупругими скоростными модуляторами также находит широкое применение. Именно эти два направления определяют широкий рынок спектральных эллипсометров. Спектральная эллипсометрия с делением отраженного от образца пучка излучения на несколько каналов с различными состояниями поляризации и несколькими фотоприемниками используется значительно реже. Нулевая эллипсометрия, основанная на нахождении азимутов поляризатора и анализатора, соответствующих минимуму сигнала на фотоприемнике, широко использовалась ранее с лазерными источниками излучения, но неэффективна в спектральной эллипсомет-рии.
Отечественная эллипсометрия начала развиваться с середины шестидесятых годов на предприятиях электронной и оптической промышленности и в институте физики полупроводников СО РАН. Было налажено серийное производство нулевых лазерных эллипсометров серий ЛЭМ и ЛЭФ с ручным управлением. (Общее количество произведенных эллипсометров более 700 шт ).
Производство отечественных лазерных эллипсометров с вращающимися анализатором или поляризатором не было налажено. Лазерные эллипсометры этого типа для ex situ и in situ измерений в большом количестве выпускались в 60-80 годы за рубежом. В 1969 и 1975 годах были созданы первые автоматические прецизионные эллипсометры с фотоупругим модулятором и вращающимся анализатором, соответственно [23,11]. Основанные в 80-е годы дина-
11
мичные фирмы (такие, например, как SOPRA (Франция, 1981) и Woollam (USA, 1986)) наряду с ранее известными фирмами обеспечили массовый выпуск спектральных эллипсометров.
В ИРЭ РАН автором в 1978 году предложено и развивается новое направление эллипсометрии - эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации (ЭБМСП), в которой на исследуемый образец попеременно направляется излучение с двумя состояниями поляризации, и не используются движущиеся поляризационные элементы. Первый лазерный эллипсометр с БМСП экспонировался на ВДНХ в 1981 г.
К настоящему времени области применений эллипсометрии быстро расширяются. В инструментальной части получили преимущественное развитие спектральные эллипсометры с вращающимся компенсатором. Существенно расширилась рабочая спектральная область эллипсометров - от ЮОнм до мм диапазона. Интенсивно развиваются отображающие (imaging) эллипсометры с микронным латеральным разрешением [53-55,162]. Появляются сообщения о создании эллипсометров ближнего поля в связке с оптическим или металлическим зондом с латеральным разрешением до 20 нм [165,166,168]. В эллипсо-метрах с высоким латеральным разрешением- решающее значение имеет приемлемое отношение сигнал/шум для конкретной исследуемой структуры. Естественно, не все азимуты, например, при вращении анализатора, равноценны с точки зрения реализации наибольшей чувствительности измерений. В ЭБМСП легко выбрать оптимальные азимуты в плечах поляризатора и анализатора и отношение интенсивностей переключаемых пучков для измерений с
12
высоким отношением сигнал/шум и максимальной чувствительностью. Актуальность исследований определяется возможностью существенного улучшения основных параметров эллипсометров, таких как чувствительность, точность по воспроизводимости (precision) и скорость измерений, при использовании ЭБМСП. Такие СЭ проще и надежнее широко используемых коммерческих СЭ и принципиально лучше согласованы с современными линейками и матрицами фотоириемников.
Цель работы - разработка эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации, создание новых эффективных базовых элементов поляризационной оптики для измерений в широкой спектральной области, разработка и создание семейства автоматических лазерных и спектральных эллипсометров для ex situ и in situ измерений, не содержащих движущихся поляризационных элементов. С использованием разработанных эллипсометров предполагалось выполнить широкий комплекс исследований оптических свойств твердотельных структур. Работа должна закончиться подготовкой и практической реализацией серийного изготовления прецизионных и надежных отечественных спектральных автоматических эллипсометров, превосходящих по ряду основных технических параметров эллипсометры, выпускаемые в нашей стране и за рубежом.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
• Разработка эллипсометров, не содержащих движущихся поляризационных элементов.
13
• Разработка поляризационных интерферометров - модуляторов для широкой области спектра с использованием светоделительных элементов, параллельных полированным пластинам легированного кремния, установленных под углом Брюстера к падающему на них излучению.
• Разработка бинарных модуляторов состояния поляризации с использованием тонкого симметричного клина из двулучепреломляющего материала, эффективно заменяющих цепочку поляризатор - модулятор состояния поляризации, часто используемую в современных спектральных эллипсомет-рах и других типах прецизионных поляризационных приборов.
• Разработка соосного фазосдвигающего устройства (компенсатора) на основе ромба Френеля для широкой области спектра.
Разработка новых методов измерений в эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.
• Разработка и создание семейства лазерных и спектральных эллипсометров
\
с бинарной модуляцией состояния поляризации.
• Сравнительный анализ технических параметров эллипсометров с бинарной модуляцией и современных зарубежных спектральных эллипсометров.
• Выполнение цикла исследований материалов и структур электронной техники.
Научно - техническая новизна работы заключается в создании принципиально нового направления в эллипсометрии, разработке новых базовых элементов поляризационной оптики, создании эллипсометров нового поколения,
14
с использованием которых выполнен цикл исследований полупроводниковых
и диэлектрических структур.
К наиболее существенным новым результатам, полученным в работе, относятся следующие:
• Предложено и развивается новое направление в эллипсометрии.
• Разработаны эффективные базовые элементы поляризационной оптики -бинарные модуляторы состояния поляризации и фазосдвигающие устройства. Эти элементы могут быть успешно использованы в различных поляризационных приборах.
• Предложены методы эллипсометрических измерений с использованием бинарной модуляции состояния поляризации.
• Создано семейство спектральных эллипсометров нового поколения с бинарной модуляцией состояния поляризации.
• Выполнен цикл исследований оптических свойств полупроводниковых и диэлектрических структур с использованием созданных спектроэллипсо-метров.
• Разработан и создан принципиально новый простой компактный автоматический эллипсометр с использованием двух попеременно переключаемых лазеров или светодиодов и устройства объединения ортогонально поляризованных пучков, позволивший достичь рекордную для эллипсометрии точность по воспроизводимости 2х 10’5 и 3x10'4 1радусов, для и А, соот-
15
ветственно. Это позволяет использовать эллипсометр в качестве высокочувствительного сенсорного устройства.
Положения, выносимые на защиту:
1. Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации, предложенная и развиваемая автором с 1978 г., - новое направление в эллипсометрии, открывающее возможности улучшения основных технических характеристик современных лазерных и спектральных эллипсометров.
2. Методы эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией, в которых измеряются отношения интенсивностей на двух фотоприемниках, расположенных в блоке анализатора после призмы Волластона, что позволяет использовать импульсные источники излучения и источники с сильно выраженной линейчатой структурой в спектрах излучения и обеспечивает высокие отношение сигнал/шум и точность по воспроизводимости.
3. Методы эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией с использованием одного фотоприемного устройства (фотодиода, линейки или матрицы фотоприемников). Методы используются в in situ и ex situ спектральных эллипсометрах, разработанных автором в вариантах с 35-элементной и 512- элементной линейками фотодиодов.
4. Новые базовые элементы поляризационной оптики - бинарные модуляторы и фазосдвигающие устройства для широкой области спектра, позволяющие в полной мере реализовать преимущества эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.
16
5. Разработано и создано семейство прецизионных лазерных и спектральных эллипсометров нового поколения, не использующих движущиеся поляризационные элементы.
6. Исследования методом эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации полупроводниковых и диэлектрических структур, показавшие эффективность использования созданных лазерных и спектральных эллипсометров при разработке технологии и в физических исследованиях.
7. Впервые реализованный в эллипсометрии метод поочередного включения двух идентичных лазеров или светодиодов с ортогонально поляризованными пучками позволил исключить дорогостоящие модуляторы состояния поляризации и создать высокопрецизионные простые скоростные лазерные и спектральные эллипсометры для исследования кинетических явлений, и применений в качестве сенсорного чувствительного устройства. Практическая значимость проведенных исследований и разработок заключается в следующем:
Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации, основанная на использовании новых базовых элементов и новых методов измерений, позволяет существенно улучшить ряд основных параметров лазерных и спектральных эллипсометров, упростить конструкции эллипсометров и обработку результатов измерений. Опробован ряд автоматических эллипсометров различного назначения. По разработанной нами технической документации налажен серийный выпуск СЭ БМСП « Эльф» с двумя фотоприемниками в ЗАО Концерн «Наноиндустрия», Москва. (Приложение!).
17
Разработанные нами новые и сравнительно дешевые базовые элементы могут эффективно использоваться при создании самых разных поляризационных приборов и устройств. Замена традиционно используемых поляризаторов и модуляторов состояния поляризации делает прецизионные поляризационные приборы заметно дешевле и надежнее.
Высокочувствительные компактные эллипсометры с лазерами и светодиодами позволяют создавать системы картирования, исследования кинетики параметров структур и эффективные сенсорные устройства.
В настоящее время стремительно развивается эллипсометрия с латеральным разрешением до 0.5 мкм. Наблюдается несоответствие потребностей быстрой обработки больших массивов информации и применения эллипсометрии со сравнительно медленно вращаюпщмися поляризационными элементами. Альтернативой несомненно является ЭБМСП, хорошо согласующаяся с необходимостью одновременного интегрирования сингалов многоэлементных фотоприемников. Особенно привлекательна возможность выбора оптимальных условий измерений в ЭБМСП и точной калибровки методом определения азимутов А1 и А2, описанном ниже и исключающем нелинейности, присущие чувствительным ПЗС матрицам. Заметим, что с очевидными проблемами минимизации влияния фоновых излучений (например, плазменного свечения в ростовой камере) сталкиваются и разработчики отечественных СЭ в ИФ1Т СО РАН, использующие статические методы измерений в эллипсометрии с делением отраженного от образца пучка излучения по фронту на несколько пучков, и, соответственно, несколько фотоприемников. Возникают трудности с
18
реалиизацией локальных измерений и измерений с многоканальными фотоприемными устройствами.
Итогом работы явилось получение совокупности новых знаний, что можно квалифицировать как крупное научное достижение в развитии принципиально новых подходов в области прецизионного оптического приборостроения.
В.1. Теория эллипсометрии.
В.1.1.Основное уравнение эллипсометрии
Эллипсометрия базируется на известных формулах Френеля и основном уравнении эллипсометрии на отражение:
о)
1апф= |гр /|г,| А = 8ГТ>-8Г5
19
где р- относительный коэффициент отражения, а гр и rs - амплитудные коэффициенты Френеля для отражения на исследуемой структуре. Ч* и Д - эллипсометрические углы.
В.1.2. Формулы Френеля.
Отражение на границе двух сред описывается известными формулами Френеля [1]:
Nk cos Qj — Nj cos 0* Nj cos 0y- — Nk cos 0*
Kjk'p Nk cos 0y- + Nj cos 0;. Tjk’* Nj cos 0;- + Nk cos 0A, ч ^
r jks и r Jkp - коэффициенты Френеля.
Nj и N k - комплексные показатели преломления соответствующих сред.
О j и 0 к — углы падения на границах раздела.
Если на границе двух сред имеется один плоскопараллельный слой, отличающийся по оптическим характеристикам от окружающих его сред, то отражение от этой системы можно представить в соответствии с Рис. 1. [1].
*012
*012
Рис. 1.
20
Суммирование рядов для отраженных и прошедших через образец компонент пучка приводит к следующим выражениям:
'<И.р + 'їг.рехР(-'2Р) _ гО|.* +ГІ2,«ЄХР(—,2Э)
/оі2.р — 7 Г.; 7 ^777 77^ гоі2,х
1+'0І,р'П,рЄХР(-'2Р)
%.р'і2.рЄХр(-('Р)
0,2'Р 1+»-о,.рГ12.рехр(-/2Э) 012-‘
> + г0І.5'‘і2..еХР(-'2Р) <01.«'и.»ехР(-'Р)
1 + 'оіЛ.. ехР (~'2Р)
(3)
Для многослойных покрытий используются рекуррентные соотношения, когда каждый следующий слой выражается через предыдущий.
На Рис.2(а) показана оптическая модель, в которой два тонких слоя образова-
(Ь)
Рис. 2.
ны на подложке. Как показано на Рис. 2(Ъ), сначала вычисляются амплитудные коэффициенты для второго слоя и подложки, применяя уравнения (4)
rl23 —
Г123 ~
21
r12-j-r23exp(-/2ß2)
1 +r12r23eXP(-,2ß2)
rl2r23exp(-iß2)____
• + Г12Г23 eXp (~/2ß2)
(4)
Фаза p2= 27td2N2 cos 02Л,, где d2 - толщина второго слоя. Из выражений для гш и ti23 получаем амплитудные коэффициенты для многослойки:
'01 +П2зехр(-/231)
Г0123 —
^0123 —
l + 'oi''i23exp(-/2ß1) 'oi *123 exp (~iß,) l + '0l'‘l23 eXP (—'2ßi)
(5)
В этих уравнениях ßi=2 n djNi cos 0\/X, где d| - толщина первого слоя. Рис.З иллюстрирует принцип эллипсометрических измерений.
Sample
^ . Transmission axis
22
Состояние поляризации определяется суперпозицией волн с ортогональными поляризациями. На Рис.З падающий свет имеет линейную поляризацию с азимутом +45°относительно Е-,р оси, при этом Е}Р= Е15.
При отражении от образца р- и я-поляризациоштые компоненты по- разному изменяются по амплитуде и фазе. Эллипсометрия измеряет две величины \|/ и
A, которые связаны с отношением амплитуд и разностью фаз р- из-поляризационных компонент, соответственно, соотношешаем (1).
B.2.Эллипсометрические методы измерений и спектральные эллипсомет-ры широкого использовании.
До 1970 года использовались в основном так называемые нулевые лазерные
эллипсометры, в которых считывались значения азимутов поляризационных элементов, соответствующие минимуму интенсивности на фотоприемнике [1,2]. Однако, эти эллипсометры редко используются при измерении эллипсометрических спектров, за исключением отображающих эллипсометров с матричными фотодетекторами [53-55]. Современные спектральные эллипсометры можно разделить на две главные категории, определяющие коммерческий рынок: эллипсометры с вращающимися поляризационными элементами [8,11,15— 221 и эллипсохметры с фотоупругими модуляторами [23-30]. Спектральные эл-липсохметры для ИК области спектра описаны в [31-40]. Более сложные эллипсом стры матрицы Мюллера описаны в работах [43,44,48-50].
На Рис.4 представлены схемы спектральных эллипсометров разного типа
[1,4].