Спектроэллипсометр реального ремени на основе коммутационной схемы

СПЕКТРОЭЛЛИПСОМЕТР РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

НА ОСНОВЕ КОММУТАЦИОННОЙ СХЕМЫ

С. В. Дулин

Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск

Коммутационный спектральный эллипсометр предназначен для исследований и контроля поверхностных структур и тонких плёнок в микро - и наноэлектронике и других областях науки и техники [1]. Эллипсометр может быть выполнен как в виде настольного универсального прибора на вертикальном гониометре, так и в виде отдельного средства диагностики, непосредственно встраиваемого в технологическую ростовую установку, и предназначенного для мониторинга "in-situ" поверхностных кинетических процессов в реальном масштабе времени.

Как известно, спектральные эллипсометры имеют существенно большую информативность по сравнению с одноволновыми лазерными эллипсометрами [2,3]. Они позволяют контролировать в процессе роста не только геометрические параметры, но и состав, морфологию, а также другие характеристики слоёв и структур. В настоящее время встраиваемые спектроэллипсометры, работающие в реальном масштабе времени, строятся, в основном, по фотометрической схеме эллипсометрических измерений на основе многоэлементных фотоприёмных устройств (фотодиодных линеек фотоприемников) с вращающимися поляризационными элементами [4]. Такие схемы включают в себя в качестве основного элемента узел прецизионного вращения поляризатора (анализатора или компенсатора ), который, в основном и определяет быстродействие эллипсометра. Время одного цикла измерения в этих схемах равно периоду вращения элемента, то есть определяется частотой вращения. Значительный вес и габаритные размеры вращающегося узла и его подшипников ограничивают максимальную частоту вращения и, следовательно, быстродействие. Кроме того, в процессе работы не производится периодических измерений темнового тока фотоприёмников, что приводит к дополнительным погрешностям. Для контроля сверхтонких слоёв и при высокой скорости роста весьма актуально повышение быстродействия прибора при сохранении высокой точности.

Авторами представлен специально разработанный для решения данной задачи спектральный коммутационный эллипсометр [5]. Применённая в этом эллипсометре измерительная схема (рис.1), названная нами коммутационной, является альтернативой используемой практически во всех быстродействующих спектроэллипсометрах схеме с вращающимся поляризатором (анализатором, компенсатором).

На рис.1 приведена блок – схема спектрального эллипсометра. Эллипсометр состоит из двух плеч, смонтированных на гониометре или непосредственно на технологической камере: плеча поляризатора 1, плеча анализатора 2, имеющих возможность разворота относительно общей оси и фиксации на выбранном угле между ними, либо в фиксированном положении перед окнами камеры. Плечо поляризатора 1 включает: источник света 3,например дуговую ксеноновую лампу, коллимирующую линзу 4, призму - делитель 5, призму - соединитель 6, диск обтюратора 7 ,насаженный на вал электродвигателя 8, соединенного с блоком управления и обработки 25, две оптопары, включающие светодиоды 9, 10 и соответствующие им фотоприемники 11, 12, соединенные с блоком управления и обработки 25. Между плечами поляризатора и анализатора находится столик для крепления образца 13 или соответствующее устройство в технологической камере. Плечо анализатора 2 включает: призму - делитель 14, призму - соединитель 15, диск обтюратора 16, насаженный на вал электродвигателя 17, соединенного с блоком 25, две оптопары, включающие светодиоды 18, 19 и соответствующие им фотодиоды 20, 21, соединенные с блоком 25, линзу - конденсор 22, полихроматор 23 с фоторегистратором 24, соединенный с блоком 25. На рис. 1 плоскость деления пучка в плечах поляризатора и анализатора совпадает с плоскостью рисунка. В рабочем положении плоскость деления пучка в поляризаторе развернута относительно оптической оси на +30°, а плоскость деления пучка в анализаторе на - 30° относительно оптической оси.

Рис.1

Предложенная схема позволяет достигать экстремально высокого быстродействия, ограниченного лишь быстродействием используемого фоторегистратора. Схема допускает реализацию эллипсометра, работающего в спектральном диапазоне от вакуумного ультрафиолета до среднего инфракрасного. Другая отличительная особенность коммутационной схемы – её универсальность по отношению к способу регистрации спектра. Эллипсометр, выполненный по этой схеме может быть совмещён как с линейной развёрткой спектра (с помощью обычного монохроматора), так и с параллельной регистрацией спектра (с помощью многоэлементного фотоприёмника), а также с Фурье – спектрометром. Алгоритм работы прибора допускает использование как непрерывного, так и импульсного источника излучения.

На изготовленном и испытанном нами экспериментальном образце коммутационного спектроэллипсометра были получены следующие характеристики:

рабочий спектральный диапазон - 200 ÷1000нм.

минимальное время измерения - 40мсек.

максимальное сечение зондирующего пучка - 7мм.

диапазон времени усреднения - 40мсек.÷ 2сек.

погрешность измерения y(l) , D(l), при

времени усреднения 1сек. - ± 0.01°

воспроизводимость измерений - ± 0.01°

Область применения коммутационного спектроэллипсометра традиционна: измерение толщин тонких пленок, их состава, параметров тонкоплёночных структур и оптических констант поверхностей различных материалов (металлов, полупроводников, диэлектриков и др.), в том числе анизотропных и жидких. Отличительная особенность данного прибора – экстремально достижимое быстродействие. При использовании в обтюраторах высокоскоростных двигателей, время однократного измерения может составить ~1мсек. и менее. Это открывает возможности исследования и контроля in situ весьма быстропротекающих процессов, как в технологических камерах, так и на различных поверхностях, изучения в реальном времени их физико-химических свойств.

Литература:

1., , . Эллипсометрия физико-химических процессов на межфазных границах//Конденсированные среды и межфазные границы, том 8,№4,2006,с.327-333

2.. Эллипсометрия-прецизионный метод исследования физико-химических поверхностных явлений//Журнал структурной химии, том 33,№1,1992,с.173-174

3.In situ ellipsometry for control of Hg 1-x CdxTe nanolayer structures and inhomogeneous layers during MBE growth., V. A. Shvets, S. V. Rykhlitski, a. o., Thin Solid Films

455 – – 694.

4. H. G. Tompkins, W. A. Mc. Gahan, Spectroscopic Ellipsometry and Reflektometry (Wiley, New York, 1999)

5.Дулин С.А., Рыхлицкий С.В. Патент № 000 РФ, БИ. 2005, № 7.