Отражательная эллипсометрия в приборостроении

ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

С.В. Антонов

Эллипсометрия является оптическим методом, дающим возможность бесконтактного выявления нарушений поверхности, программного моделирования воздействия структурных дефектов на свойства пленок, а также решения ряда других задач механики и оптики. Важной особенностью метода эллипсометрии является наличие матричного аппарата, который эффективно реализуется программным путем.

Преимуществами данного метода являются в первую очередь его дешевизна, надежность, простота реализации и использования, причем при применении его на производстве можно улучшить контроль качества поверхностей и многослойных структур. К недостатку можно отнести несколько меньшую точность, чем при непосредственном выявлении дефектов образца разрушающими методами. Данный недостаток обусловлен обработкой данных на цифровых системах и, как следствие, их дискретностью, однако в свете совершенствования программных и аппаратных средств при применении методов аппроксимации полученных данных можно получить результаты, не имеющие практического отличия от результатов, полученных непосредственно разрушающими методами.

Многоканальная спектральная эллипсометрия позволяет вести in situ контроль слоистых полупроводниковых структур. Одновременное измерение коэффициента отражения, фазы и поляризации от ближнего инфракрасного до дальнего ультрафиолетового диапазонов дает возможность с высокой точностью определять не только толщины слоев, но даже размер переходных областей, т. е. качество границ.

Если подходить к свету с волновой точки зрения, то его можно представить в виде гармонических колебаний электрической и магнитной составляющих, вектора напряженности которых обозначим соответственно через E и H. Характерно то, что они перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны. Физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, называется поляризацией света. Поскольку векторы E и H электромагнитной волны перпендикулярны друг другу, то для полного описания состояния поляризации светового пучка требуется знание поведения лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирается вектор E.

Свет, испускаемый каким-либо атомом или молекулой, всегда поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей. При этом пространственная ориентация вектора Е и моменты актов испускания света отдельными частицами в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в результирующем излучении направление вектора Е в каждый момент времени непредсказуемо. Подобное излучение называется неполяризованным (естественным) светом.

Свет называется полностью поляризованным, если две взаимно перпендикулярные компоненты (проекции) вектора E светового пучка совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Обычно состояние поляризации света изображается с помощью эллипса поляризации - проекции траектории конца вектора на плоскость, перпендикулярную лучу. Проекционная картина полностью поляризованного света в общем в случае имеет вид эллипса с правым или левым направлением вращения вектора E во времени. Такой свет называется эллиптически поляризованным. Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической поляризации - линейная (плоская) электромагнитная волна, когда эллипс поляризации вырождается в отрезок прямой линии, определяющий положение плоскости поляризации, и циркулярная (круговая), когда эллипс поляризации представляет собой окружность. В первом случае свет называется линейно

поляризованным, а во втором - право- или лево-циркулярно поляризованным в зависимости от направления вращения вектора Е.

Рассмотрим плоскую электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль оси абсцисс. Уравнение такой волны может быть записано [4] в виде

Ех = 0, Еу = - кх), Ег = 0; Нх = 0, Ну = 0, И = Н^со^ - кх),

где k=wlu - волновое число, и - скорость волны.

Рис. 1. Линейно поляризованная волна

Как видно, вдоль оси абсцисс, по которой волна распространяется, не происходит колебаний векторов поля (Ех = Нх = 0). Это означает, что электромагнитная волна является поперечной. Этим она принципиально отличается от упругих волн, у которых практически всегда имеется продольная составляющая.

Явление поляризации света и особенности взаимодействия поляризованного света с веществом нашли исключительно широкое применение в научных исследованиях кристаллохимической и магнитной структуры твердых тел, оптических свойств кристаллов, природы состояний, ответственных за оптические переходы, структуры биологических объектов, характера поведения газообразных, жидких и твердых тел в полях анизотропных возмущений (электрическом, магнитном, световом и пр.), а также для получения информации о труднодоступных объектах (в частности, в астрофизике). Поляризованный свет широко используется во многих областях техники, например, при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка (закон Малюса), при исследованиях напряжений в прозрачных средах (поляризационно-оптический метод исследования), для увеличения контраста и ликвидации световых бликов в фотографии, при создании светофильтров, модуляторов излучения и пр.

Закон Малюса состоит в следующем. Если поляроид (поляризационный светофильтр) падает линейно поляризованная волна, то интенсивность I прошедшего света будет зависеть от угла а между направлением поляризации падающего света и выделенным направлением самого поляроида следующим образом (закон Малюса): I = 10 соБ2а.

Когда направление выделенной оси поляроида совпадает с направлением поляризации падающего света, на экране за поляроидом видно пятно с максимальной интенсивностью. Когда эти направления перпендикулярны, свет полностью поглощается поляроидом, и световое пятно на экране отсутствует.

Применимость свойств поляризации для исследования структурных свойств материалов положила начало такому направлению, как эллипсометрия. Эллипсометрия является совокупностью методов изучения поверхностей жидких и твердых тел по состоянию поляризации светового пучка, отраженного этой поверхностью и преломленного на ней. Падающий на поверхность плоско поляризованный свет

приобретает при отражении и преломлении эллиптическую поляризацию вследствие наличия тонкого переходного слоя на границе раздела сред. Зависимость между оптическими постоянными слоя и параметрами эллиптически поляризованного света устанавливается на основании формул Френеля.

На принципах эллипсометрии построены методы чувствительных бесконтактных исследований поверхности жидкости или твердых веществ, процессов адсорбции, коррозии и др. В качестве источника света в эллипсометрии используется монохроматическое излучение зеленой линии ртути, а в последнее время - лазерное излучение, что дает возможность исследовать микронеоднородности на поверхности изучаемого объекта.

Получило развитие также новое направление спектральной эллипсометрии в широком интервале длин волн, существенное при исследованиях атомного состава неоднородных и анизотропных поверхностей и пленок. Представим себе две линейно поляризованные волны, падающие на подложку с образцом. Одна волна, отраженная от подложки, не испытывает изменение состояния поляризации и отражается также в виде линейно поляризованной волны. Другая волна, отраженная от образца, меняет поляризацию на круговую.

Дефектоскопия при помощи эллипсометрии обычно осуществляется следующим способом. Излучение лазерного источника проходит сначала через поляризатор, а затем через двулучепреломляющую пластинку, которая из волны линейной поляризации формирует эллиптически поляризованную волну. Отражаясь от образца, свет изменяет состояние поляризации и превращается в линейно поляризованную волну. Объектив собирает свет, отраженный от образца, и через анализатор (по сути тот же поляризатор) направляет этот свет на фотоприемную матрицу. Анализатор сориентирован так, что задерживает свет линейной поляризации, отраженный от образца, в то время как значительная часть света эллиптической поляризации, отраженного от подложки, проходит на фотоприемное устройство. В результате образец становится видимым на фоне подложки в виде темного пятна. Изменяя взаимную ориентацию поляризатора, анализатора и двулучепреломляющей пластинки, можно получать позитивное изображение исследуемого объекта, его негативное изображение, а также все промежуточные состояния, выбирая то, при котором контраст объекта будет максимальным. При данном способе достигается большая точность и не вносится никаких изменений в структуру кристалла.

В результате можно сказать, что на сегодняшний день эллипсометрия является наиболее эффективным способом исследования тонких пленок, причем ввиду быстрого развития компьютеров это направление видится особенно перспективным.

Литература

1. Ландсберг Г. С. Оптика. М., 1976.

2. М. Борн, Э. Вольф,Основы оптики. М., 1973.

3. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. М., 1981.

4. Калитиевский Н. И. Волновая оптика. М., 1978.