СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
Глава 1. Оптические методы измерения физических параметров твердых тел - состояние проблемы. 13
§1.1. Метод матриц Джонса описания анизотропных свойств оптических элементов 14
§1.2. Теорема взаимности и метод матриц Джонса. Взаимные и невзаимные оптические фазовые анизотропные системы. 19
§ 1.3. Теорема эквивалентности Пуанкаре и метод матриц Джонса. 23
§1.4. Экспериментальные методы исследования оптических анизотропных свойств. 29
§ 1.5. Оптические методы контроля температуры и толщины твердых тел. 34 Глава 2. Теорема эквивалентности для невзаимных оптических систем и преобразование свойств анизотропии оптических элементов. 44
§2.1. Теорема эквивалентности в невзаимных системах. 44
§2.2. Теорема эквивалентности в двухпроходных оптических схемах с не взаимными элементами. 48
§2.3. Невзаимные эллиптические базисы. 49
§2.4. Преобразование свойств анизотропии взаимных поляризационных элементов. 52
§2.5. Преобразование анизотропных свойств невзаимных элементов. 58
§2.6. Примеры преобразования базовых типов анизотропии. 61
Выводы к главе 2 64
Глава 3. Методы измерения эффектов вынужденной оптической анизотропии в кольцевых и двухпроходных схемах 66
§3.1. Кольцевые схемы измерения. 66
§ 3.2. Измерение эффектов вынужденной оптической анизотропии в двухпроходной схеме. 72
2
§3.3. Детектирование поверхностных звуковых волн в твердом теле с применением двухпроходной схемы. 85
Выводы к главе 3 95
Глава 4. Мониторинг технологических процессов с применением методов низкокогерентной тандемной интерферометрии. 96
§4.1. Метод контроля положения модулятора разности хода интерферометра. 96
§4.2. Метод измерения геометрической толщины и показателя преломления образца. 102
§4.3. Системы промышленного мониторинга толщины. 106
§4.4. Система контроля толщины и температуры в полупроводниковых микро- и нанотехнологиях. 111
§ 4.5. Исследование технологических параметров горизонтального МОГ ФЭ реактора. 118
§ 4.6. Исследование технологических параметров вертикального МОГФЭ реактора. 125
§4.7. Методики определения толщины и температуры образца в процессе роста полупроводниковых структур. 130
Выводы к главе 4 136
Заключение 138
Список цитированной литературы 140
Список работ автора по теме диссертации 152
3
Введение.
Актуальность темы исследований
Оптические измерения в настоящее время играют большую роль как в физическом эксперименте, так и в измерительной технике. Дистанционные, бесконтактные, неинвазивные и высокоточные оптические методы позволяют решать задачи, недоступные другим подходам [1]. Наибольшее распространение получили интерференционные и поляризационные методы измерения.
При интерференции неполяризованных световых пучков или пучков с одинаковым состоянием поляризации, в области их наложения возникают интерференционные полосы, обработка которых позволяет решать такие задачи, как прецизионный контроль качества поверхностей, контроль малых смещений поверхности и др [2]. В физическом эксперименте интерферометрия позволяет с высокой точностью и чувствительностью измерять эффекты, приводящие к изменению оптических свойств среды (колебания давления, температуры, показателя преломления и др.).
При интерференции поляризованных пучков света происходит изменение состояния поляризации света. Основанные на этом поляризационные методы зачастую оказываются более чувствительными, удобными и информативными, чем стандартные интерференционные [2]. Контроль состояния поляризации света, взаимодействующего с объектом, позволяет измерять механические напряжения, исследовать электро- и магнитооптические эффекты. Для исследования свойств поверхности и тонких пленок широкое распространение получила эллипсометрия [3].
По мере развития поляризационных методов исследования появлялись различные методы описания состояния поляризации, а также преобразования поляризации веществом. Наиболее известными являются методы векторов и матриц Джонса и векторов Стокса и матриц Мюллера [4]. Однако для объектов со сложной анизотропией простое применение данных методов может приводить к сложным и «ромоздким вычислениям. Исследование
4
таких систем требует создания теоретических и экспериментальных методов их разложения на простые компоненты, преобразования их свойств, выделения отдельных компонентов [5].
В большинстве случаев, стандартные интерференционные и поляризационные методы используются для измерения фазовых задержек меньше длины волны используемого света, что обусловлено периодичностью интерференционных полос. Для измерения фазовых задержек, которые много больше длины волны наиболее удобными оказываются методы низкокогерентной интерферометрии [6], которые также могут быть поляризационными. Особенностью низкокогерентных методов является использование источников света с длиной когерентности малой по сравнению с измеряемыми задержками (толщинами). Одной из разновидностей низкокогерентной интерферометрии является тандемная низкокогерентная интерферометрия. Изначально она появилась как метод мультиплексирования в оптических линиях связи, однако вскоре стало понятно, что данная методика является многообещающей для измерения геометрических размеров, показателя преломления, смещений, температуры и других оптических параметров, которые могут быть получены из измерений оптической разности хода. Одно из основных достоинств тандемной низкокогерентной интерферометрии состоит в возможности измерения параметров объектов, находящихся в условиях агрессивной окружающей среды [7].
Таким образом, разработка новых теоретических и экспериментальных методов описания и исследования сложных анизотропных систем и развитие методов когерентной и низкокогерентной интерферометрии являются весьма актуальными задачами.
Цели работы:
• создание теоретических методов описания сложных анизотропных систем;
5
• развитие экспериментальных поляризационных и интерферен-ционных методов измерения малых эффектов вынужденной оптической анизотропии;
• развитие методов измерения толщины и температуры твердых тел на основе тандемной низкокогерентной интерферометрии и их применение в промышленных измерительных системах и системах мониторинга в технологиях формирования полупроводниковых микро- и наноструктур.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. обобщение теоремы эквивалентности Пуанкаре на невзаимные фазовые анизотропные системы;
2. теоретическая разработка метода преобразования свойств анизотропии невзаимных фазовых анизотропных элементов;
3. экспериментальная демонстрация разработанных методов на примере измерения эффектов вынужденной оптической анизотропии и детектирования акустических волн на поверхности твердых тел;
4. теоретическая и экспериментальная разработка методов повышения точности и надежности промышленных систем мониторинга толщины на базе тандемной низкокогерентной интерферометрии;
5. создание системы мониторинга температуры подложки и толщины растущего слоя для технологий формирования микро- и наноструктур на основе тандемной низкокогерентной интерферометрии;
6. проведение исследований ростовых процессов в реакторах металлоорганической газофазной эпитаксии.
Научная новизна:
1. Сформулирована и доказана обобщенная теорема эквивалентности для произвольной фазосдвигающей иевзаимной анизотропной оптической системы: произвольный невзаимный фазовый анизотропный оптический элемент может быть представлен как комбинация пяти элементов: взаимной линейной фазовой пластинки, невзаимной линейной фазовой пластинки,
взаимного ротатора и двух фарадеевских ротаторов.
2. Предложен оригинальный метод преобразования свойств оптической анизотропии произвольных взаимных и невзаимных фазовых анизотропных элементов. Теоретически доказано, что душ преобразования произвольного типа фазовой анизотропии в другой произвольный тип достаточно четырех взаимных четвертьволновых линейных фазовых пластинок и набора фарадеевских ротаторов, количество которых может быть равным двум, четырем или шести и определяется типом исходной и требуемой анизотропии.
3. Впервые продемонстрирована возможность мониторинга толщины растущего слоя на начальных стадиях роста в условиях металлоорганической газофазной эпитаксии (рост буферного слоя GaN на подложке А1203.) непосредственно в реакторе в процессе роста.
Практическая значимость работы:
1. Разработан и эксперимен тально продемонстрирован макет прибора для оптического детектирования звуковых волн на поверхности твердого тела на базе двухлучевого поляризационного интерферометра, в котором использованы созданные в диссертации методы преобразования анизотропных свойств оптических элементов.
2. Разработана и экспериментально продемонстрирована система мониторинга температуры подложки и толщины растущего слоя для технологий формирования полупроводниковых микро- и наноструктур. Достигнуты параметры: абсолютная точность определения оптической толщины ±10 нм, чуствительность определения изменения толщины ±2 нм, абсолютная точность определения температуры подложки ±1 К (определяется точностью калибровки).
3. Проведено исследование технологических параметров реакторов металлоорганической газофазной эпитаксии. Получены профили температуры вдоль подложкодержателя, а также зависимость этих
температурных профилей от различных параметров в реакторе (давление, поток газа, температура). Показано, что значения показаний обычно применяемой термопары, закрепленной в подложкодержателе и реальной температуры подложки сильно различаются. Кроме того, показано, что изменения технологических параметров могут сильно влиять на температуру подложки, практически не сказываясь на показаниях термопары;
Результаты диссертации использованы при изготовлении нового поколения промышленных систем технологического контроля толщины ленты стекла, которые установлены на ряде предприятий России и СНГ, при изготовлении системы мониторинга толщины СУБ алмазов в установке лазерного травления (установлена в ИОФ РАН), а также для оптимизации технологических процессов в реакторах метало-органической газофазной эпитаксии, установленных в ИФМ РАН.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Произвольный невзаимный фазовый анизотропный элемент может быть представлен как комбинация пяти элементов: взаимная линейная фазовая пластинка, невзаимная линейная фазовая пластинка, взаимный ротатор и два фарадеевских ротатора.
2. Для преобразования между произвольными типами взаимной и невзаимной фазовой анизотропии достаточно четырех взаимных четвертьволновых линейных фазовых пластинок и набора фарадеевских ротаторов, количество которых может быть равным двум, четырем или шести и определяется типом исходных и требуемых анизотропных свойств.
3. Используя методы преобразования фазовой анизотропии на базе, фарадеевских ротаторов, четвертьволновых пластинок и двухлучевого поляризационного интерферометра можно создать оптическую систему для детектирования звуковых волн на поверхности твердого тела.
8
4. Тандемная низкокогерентная оптическая интерферометрия может быть использована для оперативного контроля температуры подложки и толщины растущего слоя на всех стадиях металлоорганической газофазной эпитаксии.
Личный вклад автора в получение результатов
- Основной вклад в формулировку и доказательство теоремы эквивалентности, обобщенной на невзаимные фазовые анизотропные системы [А1] (совместно с Новиковым М. А.).
- Основной вклад в теоретическую разработку методов преобразования свойств анизотропии произвольных невзаимных фазовых анизотропных систем [А2, А14] (совместно с Новиковым М.Д.).
- Равноценный вклад в разработку и экспериментальную демонстрацию методов измерения эффектов вынужденной оптической анизотропии с использованием кольцевых и двухпроходных схем [A3, A4] (совместно с Новиковым М.А., Хышовым A.A.).
- Равноценный вклад в создание экспериментального макета оптической схемы детектирования звуковых волн на поверхности твердого тела [А 15, А16] (совместно с Новиковым М.А., Хышовым A.A., Захаровым Ю.Н.).
- Основной вклад в теоретическую и экспериментальную разработку методов повышения точности и надежности промышленных систем мониторинга толщины на базе тандемной низкокогерентной интерферометрии [А5-А9] (совместно с Новиковым М.А., Тертышником А.Д, Горюновым A.B.).
- Равноценный вклад в разработку и создание макетов аппаратуры контроля лазерного травления алмазов и для мониторинга температуры подложки и толщины растущего слоя для технологий формирования микро-и наноструктур [А11-А20] (Совместно с Новиковым М.А., Лукьяновым А.Ю., Тертышником А.Д., Горюновым A.B.)
- Основной вклад в проведение экспериментальных исследований технологических параметров реакторов металлоорганической газофазной
9
эпитаксии и теоретическую разработку методов независимого определения толщины и температуры образца в процессе роста полупроводниковых структур [А13-А20].
Публикации и апробации результатов
Основные результаты диссертации отражены в 20 публикациях, в том числе, 11 работ в рецензируемых журналах, 7 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций и симпозиумов; 2 патента на изобретение.
Основные результаты и положения диссертации докладывались на: III международной конференции «Оптика - 2003» (Санкт-Петербург, 20-24 октября, 2003), III международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век», конференции «Прикладная оптика - 2004» (Санкт-Петербург, 19-21 октября, 2004), 6-й международной молодежной конференции по оптике и высокотехнологичным материалам «SPO 2005» (Киев, 27-30 октября, 2005), 6 международной конференции по лазерам в производстве (Мюнхен, 24-26 июня, 2003), Симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 13-17 марта 2006, 2007), VIII Российской конференции «Физика полупроводников» (Екатеринбург, 30 сентября - 5 октября, 2007) , 14 международной конференции по металлорганической газофазной эпитаксии «ICMOVPE-XIV» (Метц, Франция, 1-6 июня, 2008), втором международном форуме по нанотехнологиям «Роснанофорум» (Москва, 3-5 декабря, 2008). Результаты работы были представлены на школах и сессиях молодых ученых, а также обсуждались на семинарах ИФМ РАН и ИНФ РАН.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объем диссертации составляет 154 страницы, включая 50 рисунков. Список цитированной литературы включает 114 наименований, список работ автора по теме диссертации - 20 наименований.
10
Во Введении обоснована актуальность темы исследований, показана ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели работы, представлены сведения о структуре и содержании работы, а также приведены положения, выносимые на защит\г.
Глава 1 представляет собой обзор имеющейся в литературе информации по оптическим методам измерения физических констант твердых тел. Основное внимание уделено поляризационным и интерференционным методам исследования. Для описания состояния поляризации излучения и его преобразования в анизотропных средах в диссертации используется хорошо известный и очень удобный метод матриц Джонса. В первой главе приведены основные положения метода, а также рассмотрены теорема эквивалентности Пуанкаре и теорема взаимности на языке матриц Джонса. Проведено разделение оптических анизотропных систем с точки зрения выполнения теоремы взаимности на взаимные и невзаимные. В диссертации используется одна из разновидностей интерферометрии - низкокогерентная тандемная интерферометрия. В первой главе описаны основные принципы и применения низкокогерентной интерферометрии.
В Главе 2 диссертации теорема эквивалентности Пуанкаре обобщена на случай невзаимных систем. Показано, что существует расширенный набор стандартных элементов, позволяющий описать произвольную оптическую систему с невзаимной фазовой анизотропией. Рассмотрен важный, с точки зрения эксперимента, вопрос создания анизотропных элементов с заданными параметрами, или трансформации одного типа анизотропии в другой. Предложен универсальный метод преобразования свойств анизотропии произвольных оптических фазовых систем (в том числе невзаимных) с использование фиксированного набора элементов.
Глава 3 посвящена методам экспериментального исследования эффектов вынужденной оптической анизотропии во внешних электрических и магнитных полях. Используя результаты второй главы, предложены
11
методы выделения взаимных и невзаимных эффектов в анизотропных оптических системах с использованием кольцевых и двухпроходных схем. Разработанные методы применены для построения оптического бесконтактного детектора поверхностных звуковых волн.
Глава 4 посвящена мониторингу технологических процессов с применением тандемной низкокогерентной интерферометрии. Предложен новый метод контроля положения модулятора разности хода в интерферометре и новый метод измерения геометрической толщины и показателя преломления образца. Продемонстрирована возможность мониторинга температуры и толщины полупроводниковых структур в условиях металлоорганической газофазной эпитаксии. Проведено исследование температурных условий и ростовых процессов в горизонтальном и вертикальном реакторах металлоорганической газофазной эпитаксии. Предложен новый метод разделения увеличения оптической толщины подложки, связанных с изменением ее температуры и роста/травления слоев.
В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.
12
Глава \.
Оптические методы измерения физических параметров твердых тел -состояние проблемы.
Первая глава представляет собой обзор имеющейся в литературе информации по оптическим методам измерения физических констант твердых тел. Основное внимание уделено поляризационным и интерференционным методам исследования.
Применения поляризованного света чрезвычайно широки. С точки зрения практического применения наиболее часто поляриметрия используется для контроля и измерения механических напряжений. В этом методе используется возникающее при механической деформации двулучепреломление, которое позволяет получить картину внутренних напряжений объекта. Широкое распространение получили эллипсометрические методы исследования. Здесь используется изменение поляризации при отражении от границы раздела или пленки. Эллипсометрия весьма чувствительна к слабым эффектам на границе раздела, к числу которых относится, в частности, образование островкового атомного и молекулярного субмонослоя. С точки зрения физического эксперимента большое значение имеют эффекты вынужденной оптической анизотропии во внешних электричеких и магнитных полях (эффекты Фарадея, Керра и др.).
Существуют различные методы описания поляризованного излучения, а также анизотропных свойств исследуемого объекта. В диссертации используется хорошо известный и очень удобный метод матриц Джойса. В данной главе приведены основные положения метода, а также рассмотрены теорема эквивалентности Пуанкаре и теорема взаимности на языке матриц Джонса. Проведено разделение оптических анизотропных систем с точки зрения выполнения теоремы взаимности на взаимные и невзаимные.
Интерференционные измерения являются одними из самых распространенных как в физическом эксперименте, так и в технике. Это
- Київ+380960830922