Современные эллипсометрические методы решения задач нанотехнологического исследования материалов

ПРИБОРЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

УДК 535.5

Современные эллипсометрические методы решения задач

нанотехнологического исследования материалов

З. Г. Симоненко, канд. техн. наук, доцент

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

Ключевые слова: нанотехнология, эллипсометрия, отражение, пропускание, процесс массопереноса, информационно-измерительная система.

Рассмотрены современные эллипсометрические методы исследования материалов для решения задач нанотехнологий. Описаны эллипсометрия отражения и пропускания, а также типы применяемых лазерных эллипсометров, показаны перспективы их использования.

Современный прогресс в развитии всевозможных направлений нано- и пикотехноло-гий (от изделий квантовой радиоэлектроники до биомедицинских объектов генной инженерии) во многом зависит от развития научно-технической и метрологической базы материаловедения.

В программе фундаментальных исследований РАН направление «Индустрия наносис-тем и материалы» объединяет две составляющие, одна из которых включает исследования и создание новых материалов и технологий для наноэлектроники и оптоэлектроники, вторая — таких продуктов, как полимеры и эластомеры, композиты и керамика, кристаллические материалы на основе металлов и сплавов, а также мембраны и каталитические системы. Их технология базируется на использовании подходов макрокинетики, гидродинамики, тепло- и массопереноса.

В настоящее время обеспечение таких технологий весьма эффективно осуществляется с помощью эллипсометрического метода наблюдения, управления, контроля, диагностики и интерпретации.

Эллипсометрия — это поляризационно-оп-тический метод технической физики, изучающий эллиптическую аппроксимацию состояния поляризации электромагнитных волн после взаимодействия их с исследуемыми материалами на границах раздела сред.

Эллипсометрия, по сравнению с другими оптическими методами в наноматериалове-дении, имеет ряд бесспорных преимуществ,

обусловленных простотой и прецизионностью измерений зеркально гладких образцов и широтой их охвата. Важной особенностью при этом является бесконтактный, неразрушаю-щий характер исследований.

В эллипсометрическом методе носителем информации является круговое или эллиптическое состояние поляризации электромагнитного излучения, определяемое ориентацией вектора напряженности электрического поля в плоскости волнового фронта и изменяемое при взаимодействии со средой.

Основными методами исследований состояния поляризации являются наиболее распространенная эллипсометрия отражения и менее изученная эллипсометрия пропускания поляризованных световых волн.

Эллипсометрия отражения

Отражательная эллипсометрия играет важную роль в исследованиях поверхностей и тонких пленок, особенно при измерении оптических свойств материалов и их частотной зависимости (дисперсия по длинам волн), при этом материалы могут находиться как в жидкой, так и в твердой фазе, быть оптически изотропными и анизотропными. Кроме того, можно использовать как объемные образцы, так и тонкие пленки.

В отражательной эллипсометрии эллипсо-метры разделены по способу измерения эл-липсометрических параметров на две большие группы: ненулевые эллипсометры пря-

мого фотометрирования и компенсационные нуль-эллипсометры. В эллипсометрах первой группы параметры непосредственно не измеряются, а рассчитываются на основании данных об интенсивности излучения, отраженного от объекта измерений при заданных значениях азимутов поляризатора и анализатора.

В компенсационных нуль-эллипсометрах, напротив, в результате измерений фиксируются угловые величины: азимуты анализатора и поляризатора, а также разность фаз, создаваемая компенсатором за счет изменения его толщины до получения минимальной (нулевой) интенсивности на выходе эл-липсометра.

К этим приборам относятся отечественные лазерные одноволновые быстродействующие эл-липсометры серии ЛЭФ. Эти приборы используются не только в научных исследованиях, но и в качестве высокоточного инструмента технологического контроля. Для проведения локальных измерений изготавливается аппаратура с размером зондирующего пятна несколько единиц — десятков микрон. Лазерные эл-липсометры, встроенные в технологическую линейку, используются как индикаторы, сигнализирующие об отклонении технологического процесса и позволяющие отбраковывать некондиционную продукцию.

Несомненно, эта аппаратура обладает рядом таких достоинств, как возможность производить наблюдения и контроль в ходе процесса измерений (in situ), в вакууме, при высоких температурах, в агрессивных средах. Кроме того, во время экспериментов поверхности не загрязняются и не разрушаются. Простота в эксплуатации позволяет работать на них даже персоналу с низкой квалификацией. Высокое быстродействие лазерных эл-липсометров находит широкое применение при исследовании кинетики быстропротека-ющих процессов на поверхности.

Недостаток метода — трудность правильного выбора модели отражающей системы и интерпретации результатов измерений.

Обе эти группы приборов неразрушающе-го контроля широко используются на следующих этапах разработки, исследования и контроля технологических процессов полупроводникового производства:

• контроль подготовки поверхности пластин, фотолитографических и электрохимических процессов;

• изучение электрофизических свойств полупроводниковых материалов;

• исследование нарушенных и ионно-им-плантированных слоев полупроводников и диэлектриков;

• измерение толщины и показателей преломления диэлектрических пленок и параметров эпитаксиальных структур;

• анализ явлений, возникающих на поверхности пластин при диффузии и термообработке.

Наиболее перспективно сочетание эллип-сометрии с другими методами исследования поверхности, например, с оже-спектроскопи-ей, УФ- и рентгеновской спектроскопией, методами дифракции электронов и рассеяния ионов, с использованием микроскопии и видеонаблюдения.

Серьезное расширение функциональных возможностей в эллипсометрических исследованиях позволяют осушествить спектральные эллипсометры при проведении измерений в оптическом диапазоне от ближнего ИК вплоть до вакуумного ультрафиолета. Основная область применения таких приборов: измерение спектров оптических постоянных и спектральных характеристик различных материалов, анализ слоистых структур, характеризация сверхчистой поверхности.

Несомненными аппаратными преимуществами обладает сканирующий спектроэллипсо-метрический комплекс «СПЕКТРОСКАН-150», который относится к классу уникального научного оборудования и предназначен для проведения особопрецизионных измерений в следующих областях:

• в области физики полупроводников — измерение спектров диэлектрических функций и изучение зонной структуры полупроводниковых материалов, включая синтезированные полупроводниковые квантово-размерные структуры (сверхрешетки, квантовые точки и т. п.); исследование физических характеристик тонкопленочных структур микро- и нанометрового диапазонов: оптических постоянных, состава, кристаллического совершенства, механических напряжений и толщин слоев; исследование межфазных границ раздела, процессов адсорбции-десорбции на поверхности твердых и жидких тел, а также процессов роста полупроводниковых слоев из газовой фазы и молекулярных пучков; исследование имплантированных слоев полупроводников — процессов дефектообразования, кристаллизации и формирования полупроводниковых наноструктур; исследование поверхности при плазмо-химическом воздействии; диагностика атомарно чистой поверхности полупроводников; картирование оптических характеристик поверхности исследуемых образцов;

• в оптике — исследование оптических свойств материалов, пьезо-, электро-, магнитооптических эффектов; исследование анизо-

№ 2 (50)/2009

HI

тропных свойств кристаллов и поверхностных пленок в кристаллооптике; исследования объектов многослойной и градиентной оптики;

• в электрохимии — изучение процессов коррозии металлов; исследование начальных стадий зародышеобразования при электролизе; исследование процессов роста — растворения анодных окислов (при этом эллипсометрия является уникальным методом, позволяющим проводить исследования в процессе протекания электрохимических реакций);

• в органической химии — исследование структурных свойств и оптических характеристик полимерных пленок, включая пленки Лэнгмюр — Блоджетта; исследования адсорбции органических молекул на межфазных границах;

• в других областях — геологии, метеорологии, экологии, криминалистике, при изучении свойств новых материалов и технологии их обработки.

Отдельного внимания заслуживает эл-липсометрия в коррозионных исследованиях. Сотрудники Института физической химии РАН занимаются разработкой и практическим использованием эллипсометрических методов для исследования кинетики и механизмов формирования неоднородных поверхностных и коррозионных слоев в условиях нарушения, а также пассивного состояния, приводящего к локализованным видам коррозионного разрушения как на микро-, так и на макроуровне.

Основные методы проведения эллипсометри-ческих исследований неоднородных поверхностных слоев: ручная, автоматическая и обрат-нопроходная эллипсометрия, микроскопическая и видеоэллипсометрическая методики, комбинированные методы светорассеяния, флукту-ационной, шумовой рефлектометрии и зондирующей эллипсометрии микролокализованных коррозионных процессов, дистанционная эл-липсометрия. Основное внимание уделено вопросам использования эллипсометрических методов в практике реальных и натурных коррозионных исследований на полуколичественном уровне (качественная эллипсометрия), без использования усложненных оптических методик и моделей, на базе доступного в России при-борно-методического парка. Наиболее удачные примеры эффективного использования методов эллипсометрии отражения и рассеяния в приложении к мониторингу характерных видов коррозионных разрушений — это исследования питтинговой и щелевой коррозии; активного растворения металлов и фотостимулиро-ванной коррозии; коррозионного растрескивания и коррозии под защитными покрытиями;

газового окисления металлов и сплавов; атмосферной коррозии.

Особого внимания при этом заслуживает технология дистанционного лазерно-эллип-сометрического коррозионного мониторинга, позволяющего с большого расстояния исследовать коррозионные разрушения материалов, строить карты коррозионных разрушений протяженных технологических объектов.

Эллипсометрия пропускания

Высокое быстродействие лазерных эллип-сометров находит широкое применение в изучении кинетики и контроля быстропротека-ющих процессов на поверхности или границе раздела двух сред (жидкая — жидкая, твердая — жидкая фаза).

Определение коэффициента массопереноса в простейшем случае сводится к вычислению основного исследуемого параметра — разности фаз, вызванной градиентом концентраций жидкой среды с границей раздела. При переносе массы вещества или наличия градиента концентрации имеет место эллиптически поляризованное излучение.

Лазерные одноволновые эллипсометры для исследования процессов массопереноса сплошных сред с границей раздела, созданные на основе предложенных автором методов, относятся к приборам нанотехнологиче-ского класса [1].

Три прибора этого класса позволяют определить ряд параметров изучаемого процесса.

В первом методе, приведенном в работе [2], определяется разность фаз, которая описывается через синусные и косинусные составляющие интенсивности поляризованного излучения, выделенные и зарегистрированные в моменты времени, соответствующие трем первым экстремальным значениям этих ин-тенсивностей. Схема прибора, реализующего этот метод, представлена на рис. 1.

Измеряемые величины позволяют оценить скорость массопереноса в реальном масштабе времени.

Во втором методе [3] описано определение зависимости разности фаз в бинарной жидкой системе, от четырех параметров синусных и косинусных составляющих интенсивности поляризованного излучения, прошедшего в рабочем и опорном каналах (проходящего вне зоны диффузии) за интервал времени от момента начала процесса массопереноса до завершения регистрации всех четырех величин составляющих интенсивности. Здесь также имеется возможность приготовления жидкостей с заранее заданными свойствами.

1 2 3 4 5 6 7 8

9 10

1 2,_ 3 4 5 6 7 8 9 10 11, 12 13,14

20 19 18 17 А

20 19 18 17 А

Рис. 1. Схема одноканального лазерного эл-липсометра для измерения значений параметров массопереноса:

1 — источник излучения; 2 — поляризатор (полуволновая пластина А/2); 3, 7 — двулуче-преломляющие пластины из исландского шпата; 4, 6 — четвертьволновая пластина (А/4), 5 — кювета подслоения; 8 — анализатор; 9 — светоде-лительный элемент (полупрозрачное зеркало); 10, 12 — фотоприемники; 11 — блок управления; 13 — таймер; 14 — генератор; 15 — блок определения экстремальных значений интенсивности;

16 — АЦП (аналого-цифровой преобразователь);

17 — ОБЗ ВУ (оперативный блок запоминания вычислительного устройства); 18 — ЦПУ (циф-ропечатающее устройство); 19 — печатающее устройство; 20 — вычислительное устройство

Предложенный метод осуществляется при помощи вычислительного устройства, представленного на рис 2: 1 — источник излучения; 2, 3 — светоделительные элементы (полупрозрачные зеркала); 4 — поляризатор (полуволновая пластина А/2); 5, 9 — двулучепреломля-ющие пластины из исландского шпата; 6, 8 — четвертьволновая пластина (А/4); 7 — рабочая кювета; 10 — механический прерыватель-синхронизатор; 11, 12 — фотоприемники, 13, 14 — усилители; 15 — АЦП (аналого-цифровой преобразователь); 16 — БЗ ВУ; 17 — индикатор положения; 18 — блок управления; 19 — таймер; 20 — ЦПУ (цифропечатающее устройство); 21 — самописец; 22, 24, 26, 28 — анализаторы с диафрагмами; 23, 25, 27, 29 — соответственно вычислительное устройство.

Работает устройство в оптической части так же, как и предыдущее, однако выделение интенсивностей здесь происходит при помощи четырех анализаторов — 22, 24, 26, 28 с диафрагмами — 23, 25, 27, 29 для рабочего и опорного каналов (см. рис 2, вид А).

В схему второго предложенного прибора, реализующего описанный метод, введен дополнительный элемент — вращающийся механический прерыватель-синхронизатор с четырь-

Вид А

25 24

23

22

Рис. 2. Схема двухканального лазерного эл-липсометра для измерения мгновенных значений величин параметров массопереноса

мя анализаторами для выделения в рабочем и опорном каналах всех четырех требуемых значений составляющих интенсивности лазерного излучения. Этот метод позволяет вести мгновенный, дискретный контроль за такими технологическими параметрами, как коэффициент массопереноса и разность показателей преломления в любой момент рабочего времени.

Третий анализируемый нами метод позволяет получить зависимость исследуемой разности фаз от разности углов поворота плоскостей поляризации в рабочем и опорном каналах, что реализовано автором в работе [4].

Прибор, представленный на рис. 3, содержит следующие элементы: 1 — источник излучения; 2, 3 — светоделительные элементы (полупрозрачные зеркала); 4 — поляризатор (полуволновая пластина 2/А); 5, 9 — двулуче-преломляющие пластины из исландского шпата; 6, 8 — четвертьволновая пластина (А/4); 7 — кювета диффузионная; 10 — третья четвертьволновая пластина (А/4); 11 — полуволновая пластина (2/А,); 12 — компенсатор Сенармона; 13 — фотодиод; 14 — аналого-цифровой преобразователь; 15 — блок управления; 16 — блок оперативной памя-

Рис. 3. Схема лазерного эллипсометра для оценки степени деструктурирования исследуемой среды

ти; 17 — таймер; 18 — процессор; 19 — ЦПУ (цифропечатающее устройство); 20 — самописец. Поляризационные элементы 4, 5, 6, 8, 9 установлены в схеме точно так же, как и поляризационные элементы во второй схеме. Далее введен компенсатор Сенармона для анализа эллиптически поляризованного излучения.

С помощью приборов данного класса наиболее эффективно проводить исследования физ-химии растворов электролитов, а также широкого класса водных растворов солей (точность измеряемого коэффициента массопереноса составляет не более 1 %).

Новые подходы к решению уравнений мас-сопереноса для случая нетрансляционного переноса в сплошных средах выявили возможности дальнейшего развития описанных экспериментальных методов.

В настоящее время осуществляются разработка и автоматизированное проектирование многомодульной информационно-измерительной системы (ИИС) для целей неразруша-ющего контроля параметров массопереноса сплошных сред, где в качестве модулей при-

меняются описанные в данной работе схемы лазерных одноволновых быстродействующих эллипсометров [5].

В настоящем обзоре выявлены основные тенденции и перспективные направления развития отечественного приборостроения в области эллипсометрии: от отдельных лазерных приборов до сложных комплексов и мониторинговых информационно-измерительных систем.

Проведенный обзор современных эллипсо-метрических методов иллюстрирует многофункциональные возможности новых подходов к решению задач исследования материалов в материаловедении. Это, безусловно, способствует укреплению и дальнейшему развитию научно-технической и метрологической базы нанотехнологий.

Литература

1. www.nanonewsnet.ru

2. С. А. Алексеев, В. Т. Прокопенко, Е. К. Ска-лецкий и др. Введение в прикладную эллипсомет-рию. СПб.: ГУ ИТМО, 2005. 200 с.

3. Симоненко З. Г. Лазерные поляризационные интерферометры для измерения параметров мас-сопереноса в жидких бинарных средах с границей раздела: Автореферат... дисс. канд. техн. наук. СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2000. 19 с.

4. Симоненко З. Г., Шмуйлович Г. А., Рав-дель А. А., Порай-Кошиц А. Б. Способ определения коэффициента молекулярной диффузии в жидкостях и устройство для его реализации. Авт. свид. СССР № 976307. Бюлл. ОИ ПОТЗ, 1985.

5. Симоненко З. Г., Порай-Кошиц А. Б., Москалев В. А. Способ определения коэффициента молекулярной диффузии в жидкостях и устройство для его реализации. Авторское свидетельство СССР № 1349452. Бюллетень ОИ ПОТЗ, 1987. № 45. С. 218.

6. Симоненко З. Г., Ткалич В. Л. Разработка информационно-измерительной системы нераз-рушающего контроля параметров массопереноса в жидкой бинарной среде с границей раздела: Учеб. пособие. СПб.: СПбГУИТМО, 2006. 120 с.