1.2. Интерференционный метод [2,5].

Интерференционный метод определения толщины диэлектрических пленок основан на интерференции лучей, отраженных от поверхности пластины и пленки. Эти измерения могут быть проведены с разрушени­ем и без разрушения пленки. В первом случае часть пленки стравлива­ют и получают ступеньку. В поле зрения микроинтерферометра НИИ-4 наблюдают интерференционную картину (рис. 1.1,а).

Если целостность пленки не нарушать, то интерференционная карти­на будет другой (рис. 1.l,б). Когда система интерференционных полос от пучка, отраженного поверхностью пленки, имеет слабую интенсив­ность, напыляют на ступеньку тонкий (2OO-300 А) сдой алюминия, который усиливает интенсивность картины и, кроме того, делает пленку прозрачной.

Расчет толщины d пленки производят по одной из формул:

[1.1]

Интерференционные картины при контроле толщины диэлектрических пленок [5]:

1. от поверхности пластины, покрытой пленкой;

2. от чистой поверхности;

3. от поверхности пленки.

Рис.1.1.

где N₁ - расстояние между одинаковыми по цвету интерференционными полосами от поверхности чистой пластины и от нее же после прохождения через пленку;

N₂ - расстояние между одинаковыми полосами от поверхности

пленки и чистой пленки на ступеньке;

n - показатель преломления материала пленки;

i - расстояние между соседними полосами.

Погрешность интерференционного метода связана с ошибкой при измерении по шкале микроокуляра расстояний N₁ и N₂ - и i и составляет 10%, а при малых толщинах пленок может достигать 50%.

1.3. Эллипсометрический метод [2,3].

Эллипсометрический метод определения толщины и оптичес­ких постоянных споев на диэлектрических, полупроводниковых и металлических подложках основан на измерении изменений состояния поляризации монохроматического поляризованного светового пучка при его отражении от системы слой — подложка или прохождении через нее. Эллипсометрия является наиболее точным методом измерения параметров тонких (толщиной 10 — 100 нм) и сверхтонких (толщиной от десятых долей до несколь­ких нанометров) слоев, контроля равнотолщинности и однород­ности слоев по площади, а также изучения процессов роста слоев. Тонкие и сверхтонкие слои, например, окисные слои на поверхностях полупроводников широко используются в полупроводниковой микро- и оптоэлектронике. Теория эллипсометрического метода базируется на исполь­зовании формул Френеля. Пусть на слой, нанесенный на подлож­ку, падает параллельный пучок линейно поляризованного света с амплитудой E₀ (рис. 1.3, а). Проекции E₀ на плоскость падения и плоскость, ей перпендикулярную, составляют E_½½ и E_^. Так как амплитудные коэффициенты отражения системы слой — поверх­ность подложки (r_½½)₁₃, и (r_^)₁₃ в общем случае поглощающего слоя на произвольной подложке являются различными комплексными величинами, то амплитуда напряженности электри­ческого поля (E_r) отраженного пучка имеет другую величину и ориентацию, а отроенный пучок становится эллиптически поля­ризованным (рис. 1.3 а).

Отражающие системы

а) Система «подложка - однородная пленка»

б)Система «подложка с двумя однородными пленками».

Рис. 1.2

Для описания изменения состояния поляризации при отра­жении от системы слой — поверхность подложки используется основное уравнение эллипсометрии, которое обычно записыва­ется в виде:

Рис. 1.3 Изменение состояния поляризации при отражении света от поверхности подложки с покрытием.

(1.2)

где ; ; здесь и - скачки фазы световой волны при отражении для соответствующей поляризации падающей волны.

Углы y и D, характеризующие относительный коэффициент отражения, обычно называются поляризационными углами или эллипсометрическими параметрами. D - фазовый угол между параллельной и перпендикулярной компонентами отраженной волны. y - азимут восстановленной линейной поляризации. Через формулы Френеля параметры D и y связаны неявными математическими зависимостями с показателем преломления n₁ окружающей сре­ды, физическими характеристиками слоя d₂, n₂, k₂ и подложки n₃, k₃, длиной световой волны l и углом падения j. Эту связь можно записать в виде следующей системы двух уравнений:

(1.3)

В простейшем случае прозрачного слоя при известных па­раметрах подложки и фиксированных j и l поляризационные углы y и D представляют собой периодические функции с периодом . Поэтому между значениями углов y и D и параметрами слоя n₂, d₂ в пределах интервала толщин 0 £ d­₂ £ D существует взаимно однозначное соответствие.

При произвольной толщине слоев ее значение определяют с точностью до периода интерференции, который должен быть известен из других измерений, а метод эллипсометрии используют для уточнения значения толщины. На практике удобно пользоваться системой графиков, рассчитанных и построенных заранее для различных наборов d₂ и n₂.

Данному методу присущи такие качества, как высокая точность измерений (~50 А), малая чувствительность к внешним воздействиям, отсутствие разрушающего воздействия.

Численное решение основного уравнения эллипсометрии для системы «кремниевая подложка - диэлектрическая пленка».

l = 6328 А; j₀ = 70°; n₂ = 3.9; k₂ = 0.02; n₁ = 1.3¸2.48

Рис. 1.4

Принципиальная схема прибора ЛЭФ-3М-1

1 - основание, 2 - предметный столик, 3 - плечо поляризатора, 4 - плечо анализатора, 5 - электронный блок, 6 - индикатор, 7 - опора, 8 - направляющая, 9 - кронштейн, 10 - ручка перемещения кронштейна, 11 - ручка фиксации кронштейна, 12-15 экраны, 16 - жгут патрона лампы подсветки.

Рис. 1.5

1.4. Устройство эллипсометра ЛЭФ-ЗМ-1 [6].

Лазерный фотоэлектрический эллипсометр предназначен для измерения изменений в состоянии поляризации монохроматического пучка света, возникающих в результате взаимодействия этого пучка с исследуемым образцом,

Технические данные.

Допускаемая основная абсолютная погрешность отсчета угломерного головки угла падения пучка света на образец ±0,02°.

Допускаемая основная абсолютная погрешность при измерении поляризационных углов ±0,08°.

Чувствительность измерительного тракта при минимальной интенсивности пучка света должна быть не менее 10.

Диапазон изменения угла падения пучка света на образец от 45° до 90°.

Эллипсометр (рис. 1,5) состоит из основания 1, предметного сто­лика 2, плеча поляризатора 3, плеча анализатора 4, блока элект­ронного 5, индикатора 6. На передней части основания 1 имеется вертикальная направляющая 8 типа "ласточкин хвост", по которой пе­ремещается кронштейн предметного столика 9. Перемещение кронштейна осуществляется спаренной ручкой 10, а его фиксация в нужном положе­нии - ручкой II • Плечо поляризатора 3 представляет собой корпус с расположенными в верхней части экранами 12 и 13. Внутри корпуса рас­положен поляризатор о устройством поворота, а также компенсатор с поворотным устройством и микрообъективом для отсчета угла поворота компенсатора. За корпусом расположен лазер. Плечо анализатора 4 представляет собой корпус с расположенными в верхней части экранами 14 и 15. В передней части корпуса расположены: ручка переключателя индикации, при помощи которой изображение выводится на экран 14.

В основу принципа действия эллипсометра положен "нулевой опти­ческий метод, который предусматривает в данном случае достижение минимальной интенсивности пучка света на выходе анализатора неоче­редных поворотов поляризатора и анализатора. Угловое положение ком­пенсатора при измерениях фиксируется так, чтобы его "быстрая" ось под углом + 45° или под углом -45° к плоскости падения пучка света на образец: это дает упрощение процедуры расчета значений поляри­зационных углов D и Y на заключительной стадии измерения. В каж­дом фиксированном рабочем положении компенсатора имеются две неза­висимые комбинации угловых положений поляризатора и анализатора, в которых может быть достигнута минимальная интенсивность пучка све­та. Еще две комбинации имеются при повороте на 180° поляризатора и анализатора. В общем для четырех положений компенсатора таких комби­наций 16. Из них независимые четыре, что и обуславливает четыре из­мерительные зоны (i = 1,2,3,4).

Юстировочные параметры положения "быстрой" оси для данного прибора следующие:

P₀ = 90°5’

A₀ = 0°5’

C₀ = 90°6’

Исходя из того, что C₀ = 90°6, а измерение проводится при С = C₀ + 45°, то расчет D и Y производится для первой зоны по следующим формулам:

D = P_I + P_II (1.4)

Y = 0.5 [A_I +(180° - A_II)] (1.5)

где P₀ - угловое положение поляризатора, при котором его направление пропускания совпадает с плоскостью падения рабочего пучка излучения;

A₀ - угловое положение анализатора, при котором его направление пропускания совпадает о плоскостью падения рабочего пучка излучения;

C₀ - угловое положение компенсатора, расположенного между поляризатором и анализатором, при котором происходит гашение излучения, прошедшего через поляризатор в положение P₀, анализатор в положе­нии A₀ + 90°;

при этом главные оси компенсатора совпадает с плоскостью падение ра­бочего пучка излучения и плоскостью перпендикулярной ей.

Плоскость падения - плоскость, содержащая в себе падающий луч, отраженный луч и нормаль к поверхности, на которую падает луч.

2. Методика проведения измерений на эллипсометре ЛЗФ-ЗМ-1»

1. Ознакомиться о устройством эллипсометра и с разрешения пре­подавателя включить шнур в сеть.

2. Включить тумблер "Сеть" на панели управления прибором. За­горевшаяся лампочка означает включение прибора.

3. Установить ручку переключателя зеркала в верхнее положение»

4. Установить механизмом подъема плеч угол подъема, равный 140°. Наблюдая за этим на экране 13 путем нажатия кнопки "Угол".

5. Установить компенсатор в положение C₁ =C₀ + 45° (135°6’), наблюдая за установкой в отсчетный микроскоп.

6. Установить на предметный столик исследуемый образец.

7. Подъемом или опусканием предметного столика добиться, чтобы отраженный от образца луч попадал в центр диафрагмы, расположенной на плече анализатора. На экране 14 появится световое пятно.

8. Вращением поворотных винтов, находящихся на предметном сто­лике добиться центричнооти светового пятна (в центре светового пят­на должно располагаться черная точка). Точность данной установки будет влиять на точность измерений.

9. Медленным и плавным поворотом анализатора и поляризатора добиться полного гашения пятна света на экране 14.

10. Переключить ручку поворота зеркала на плече анализатора во вт второе положение.

КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ ПЕРЕКЛЮЧАТЬ РУЧКУ ПРИ НЕПОГАШЕН­НОМ ПЯТНЕ НА ЭКРАНЕ. ЭТО МОЖЕТ ПРИВЕСТИ К ПОЛОМКЕ И ВЫХОДУ ИЗ СТРОЯ ЭЛЛИПСОМЕТРА.

II. Нажать один раз (поворотное нажатие увеличит чувствитель­ность) кнопку "АРУ" на пульте управления и осторожным небольшим вращением анализатора и поляризатора добиться минимального значения тока на микроамперметре.

Нажать кнопку "Сброс" и переключить ручку поворота зеркала в исходное положение.

13. Путем попеременного нажатия кнопок "A" и "P" снять с экранов 12 и 15 значение углов поворота поляризатора и анализатора A_I и P_I. A_I и P_I не должны превышать 180° при несоответствии этому условию необходимо повернуть поляризатор или анализатор (в зависимости от значений A и P) на угол 180° и повторять п.п. 9-13.

14. Установить угол поворота поляризатора P_II = P_I ± 90° путем поворо­та поляризатора в ту или иную сторону, наблюдая по экрану 12 за значением угла (при нажатой кнопки "P").

15. Добиться гашения светового пятна на экране 14, путем мед­ленного поворота анализатора.

16. Переключить ручку поворота зеркала на плече анализатора во второе положение. Выполнить п.п. 11-12.

17. Снять значения угла поворота анализатора A c экрана 15 путем нажатия кнопки A.

Произвести измерения необходимо в трех точках. После чего включить прибор.

18. Произвести расчет углов D и Y по формулам (1.4) и (1.5).

По программе «Ellips» произвести расчет оптических параметров образца. Согласуя с цветовым методом, определить полную толщину исследуемой пленки.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНЫ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Получить у преподавателя исследуемые образцы.

2. Провести измерения по цветовому методу и полученные данные занести в таблицу 2.3.

3. Провести измерение по интерференционному методу на микро­интерферометре МИИ-4, полученные данные занести в таблицу 2.3.

4. Провести измерение по эллипсометрическому методу на эллипсометре ЛЭФ 3М-1, полученные данные занесены в таблицы 2.2. 2.3. Пользуясь программой “Ellips”(таблица 2.1), произвести расчет параметров измеряемой пленки n, d, и d0. Полученные значения занести в таблицы 2.2 и 2.3.

Таблица 2.1.