Суть метода эллипсометрии и способы математического описания взаимодействия поляризованного света с веществом

Введение

Создание низкоразмерных структур для микро- и наноэлектронных приборов требует комплексного подхода к анализу и контролю как свойств пленок металлов, диэлектриков и полупроводников, так и синтезируемых материалов, не существующих в природе. Среди аналитических методов исследования структуры и морфологии тонких пленок эллипсометрический метод благодаря неразрушающему воздействию занимает особое место, наряду с такими методами, как электронная, рентгеновская и туннельная микроскопия; дифракция электронов или рентгеновских лучей.

Бурное развитие метода эллипсометрии обеспечивает изучение многообразных свойств пленок для микро- и нано-электроники,. В большей части работ используется эллипсометрия на отражение, хотя есть работы по эллипсометрии на пропускание (по поляриметрии). Кроме того, исследователи, традиционно занимающиеся эллипсометрией, для решения новых проблем используют эллипсометр-поляриметр, или как его называют, эллипсометр матрицы Мюллера. Большая чувствительность поляризационных характеристик отраженного света к наличию неровностей или пленок на поверхности позволила использовать эллипсометрический метод, как для оценки качества поверхности, так и для определения параметров пленок (толщины пленки, дисперсии комплексной диэлектрической функции, а также анизотропии и профиля показателя преломления).

Задачи эллипсометрии делятся, прежде всего, на прямые и обратные. Прямая задача - определение эллипсометрических характеристик отраженного электромагнитного излучения от поверхности, для которой известны высота, форма, плотность и закон распределения неровностей; наличие пленок и их свойства в измеряемом диапазоне. Обратная задача - это нахождение параметров исследуемой системы по измеренным поляризационным характеристикам отраженного сигнала.

Суть метода эллипсометрии и способы математического описания взаимодействия поляризованного света с веществом

Эллипсометрия базируется на известных коэффициентах Френеля, и любая задача начинается с рассмотрения основного уравнения (1) эллипсометрии на отражение:

 

где - относительный коэффициент отражения, а R_p и R_s –коэффициенты Френеля для отражения на границе двух сред с комплексными показателями N₁ и N₂ для угла падения света и угла преломления (тоже в общем случае комплексным).

Метод четырехполюсника

(Амплитудная и фазовая передаточные функции (ATF и PhTF) отражающей системы)

Прибор для измерения состояния поляризации, называемый эллипсометром, схематично изображен на Рис. 1а, где исследуемая оптическая система, чей нормализованный вектор Джонса измерен, представлена «черным ящиком S» с передаточной функцией для комплексной амплитуды волны (CATF-Complex Transfer Function) при прохождении через оптическую систему. CATF можно разложить на две действительные: амплитудную и фазовую передаточные функции (ATF-Amplitude Transfer Function и PhTF-Phase Transfer Function). Схема сбора и обработки данных эллипсометра с фазовой модуляцией сигнала представлена на Рис. 1б. На вход поляризатора падает свет с круговой поляризацией (или циркулярно поляризованный), чтобы интенсивность прошедшего света не зависела от азимута собственной плоскости поляризатора. Интенсивность света на выходе эллипсометра зависит от азимутов элементов P, C, A и свойств исследуемой отражающей системы. В нуль-эллипсометрах задается комбинация азимутов Р и С, чтобы получить такую эллиптическую поляризацию света, которая дает линейно поляризованный свет при отражении от S, и тогда может быть найден ортогональный азимут гашения анализатора. Следовательно, интенсивность на выходе нуль-эллипсометра равна нулю (в идеальном случае) или близка к нулю (для большинства измеряемых отражающих систем). В ненулевых (фотометрических) эллипсометрических методах измерения интенсивность светового пучка на выходе эллипсометра определяется при нескольких комбинациях азимутов оптических элементов P, C, A

Уравнения (11а-11б) определяют амплитудную и фазовую передаточные функции (ATF и PhTF) измеряемой системы. Ненулевые методы широко используются при автоматизации измерений и мониторинге (с обратной связью) процессов изготовления стратифицированных структур для современных приборов и устройств.

Заключение

Эллипсометрия является высокоточным неразрушающем методом контроля поверхностей и многослойных покрытий. Точность элипсометрических измерений очень высока например, Арчер и Гобели при исследовании хемосорбции кислорода на поверхности кремния эллипсометрическим методом смогли измерить адсорбционные покрытия с точностью до 0.02 долей монослоя.

Список литературы

 

1. Свиташёва С.Н. Развитие метода эллипсометрии для исследования наноразмерных пленок диэлектриков, полупроводников и металлов Новосибирск-2013 г.

Введение

Создание низкоразмерных структур для микро- и наноэлектронных приборов требует комплексного подхода к анализу и контролю как свойств пленок металлов, диэлектриков и полупроводников, так и синтезируемых материалов, не существующих в природе. Среди аналитических методов исследования структуры и морфологии тонких пленок эллипсометрический метод благодаря неразрушающему воздействию занимает особое место, наряду с такими методами, как электронная, рентгеновская и туннельная микроскопия; дифракция электронов или рентгеновских лучей.

Бурное развитие метода эллипсометрии обеспечивает изучение многообразных свойств пленок для микро- и нано-электроники,. В большей части работ используется эллипсометрия на отражение, хотя есть работы по эллипсометрии на пропускание (по поляриметрии). Кроме того, исследователи, традиционно занимающиеся эллипсометрией, для решения новых проблем используют эллипсометр-поляриметр, или как его называют, эллипсометр матрицы Мюллера. Большая чувствительность поляризационных характеристик отраженного света к наличию неровностей или пленок на поверхности позволила использовать эллипсометрический метод, как для оценки качества поверхности, так и для определения параметров пленок (толщины пленки, дисперсии комплексной диэлектрической функции, а также анизотропии и профиля показателя преломления).

Задачи эллипсометрии делятся, прежде всего, на прямые и обратные. Прямая задача - определение эллипсометрических характеристик отраженного электромагнитного излучения от поверхности, для которой известны высота, форма, плотность и закон распределения неровностей; наличие пленок и их свойства в измеряемом диапазоне. Обратная задача - это нахождение параметров исследуемой системы по измеренным поляризационным характеристикам отраженного сигнала.

Суть метода эллипсометрии и способы математического описания взаимодействия поляризованного света с веществом

Эллипсометрия базируется на известных коэффициентах Френеля, и любая задача начинается с рассмотрения основного уравнения (1) эллипсометрии на отражение:

 

где - относительный коэффициент отражения, а R_p и R_s –коэффициенты Френеля для отражения на границе двух сред с комплексными показателями N₁ и N₂ для угла падения света и угла преломления (тоже в общем случае комплексным).