автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка лазерных сканирующих эллипсометров высокого пространственного разрешения

Введение.

1 Основные направления развития и аппаратурное обеспечение эллипсометрии высокого пространственного разрешения.

1.1 Основы метода эллипсометрии.

1.2 Основные направления эллипсометрии высокого пространственного разрешения.

1.2.1 Отображающая микроэллипсометрия.

1.2.2 Микроэллипсометрия на основе сфокусированного пучка света.

2 Анализ и выбор оптимального метода эллипсометрических измерений с высоким пространственным разрешением.

2.1 Обоснование выбора.

2.2 Исследование и анализ основных факторов, влияющих на точность эллипсометрических измерений контрастных микрообъектов.

2.3 Расчет параметров фокусирующего микрообъектива.

3 Разработка и исследование оптимальной измерительной схемы эллипсометра.

3.1 Анализ и разработка статической двухканальной измерительной схемы.

3.2 Анализ чувствительности статической двухканальной измерительной схемы.

3.3 Анализ основных систематических погрешностей.

4 Сканирующий эллипсометр высокого пространственного разрешения.

4.1 Работа и устройство эллипсометра.

4.2 Юстировка эллипсометра.

4.3 Испытания и результаты измерений.

История эллипсометрии имеет более чем полутора вековую историю, хотя в начале своего развития этот метод был известен под именем поляриметрии. Начало исследованиям в этой области было положено работами Малюса и Брюстера. Однако основополагающий вклад в развитие эллипсометрии как метода исследования поверхности был внесен немецким ученым и исследователем Паулем Друде в 1887 году. Он не только вывел уравнения эллипсометрии, которые используются вплоть до настоящего времени для интерпретации результатов измерений, но также провел и первые экспериментальные исследования на поглощающих и прозрачных материалах, имеющих как чистую поверхность, так и поверхностные слои.

В дальнейшем, после этих фундаментальных исследований, вплоть до середины нашего столетия, метод эллипсометрии не находил сколько нибудь широкого применения, что объяснялось сложностью и громоздкостью математической обработки результатов измерений. Всё это сдерживало расширение области применения эллипсометрии и не стимулировало совершенствование применяемой аппаратуры.

К концу 60-х годов ситуация, однако, резко изменилась в лучшую сторону. Появление компьютеров и развитие вычислительной техники устранило трудности интерпретации результатов измерений и позволило автоматизировать метод эллипсометрии. Все это создало предпосылки для превращения эллипсометрии в эффективный инструмент, который находит применение в самых разнообразных областях науки и техники: физике твердого тела, физике и химии поверхности, оптике, биологии, медицине и многих других областях.

Такую привлекательность метод эллипсометрии получил благодаря некоторым своим очень важным качествам.

Во-первых, он является не только неразрушающим, но и невозмущающим (при правильном выборе длины волны и интенсивности света), что дает возможность использование эллипсометрии при измерениях в реальном масштабе времени т-згШ.

Во-вторых, применение эллипсометрии в исследовании материалов может проводится в широком интервале температур и давлений, и даже в условиях агрессивных сред.

В-третьих, эллипсометрия очень чувствительна к слабым эффектам на границе раздела сред, например, к образованиям атомных и молекулярных субмонослоев.

В настоящее время теория и техника классической эллипсометрии, работающей со сравнительно однородными объектами с использованием параллельных световых пучков, дающих на поверхности измеряемого объекта размер зондирующего пятна порядка 1 -2 мм, достаточно развиты.

В то же время, в связи с тенденцией постоянной микроминиатюаризации параметров изделий в микроэлектронике, необходимостью проведения прецизионных измерений биологических, химических и других объектов, а также для обеспечения качественного контроля различных технологических процессов, особую актуальность приобретает проблема осуществления эллипсометрических измерений неоднородных объектов с высоким пространственным разрешением, то есть измерения поверхностных структур микронных размеров, например, контроль параметров в малых окнах непосредственно на рабочих полупроводниковых структурах в микроэлектронике.

Отсутствие в данной области аппаратурного обеспечения, отвечающего современным требованиям, сдерживает широкое использование метода микроэллипсометрии в промышленности и науке.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка физических принципов и создание эллипсометрической аппаратуры высокого пространственного разрешения. в соответствии с указанной целью в работе решаются следующие основные задачи:

• выбор и исследование оптимального метода эллипсометрических измерений с высоким пространственным разрешением;

• исследование основных факторов, влияющих на точность проведения эллипсометрических измерений микрообъектов с резко выраженными границами;

• разработка и исследование оптической схемы сканирующего эллипсометра высокого пространственного разрешения.

Научные результаты работы и их новизна заключаются в следующем:

• разработаны физические принципы и предложен метод проведения прецизионных эллипсометрических измерений высококонтрастных микрообъектов;

• теоретически и экспериментально исследованы поляризационно -оптические характеристики отражения от планарных локальных объектов с резко выраженными границами, освещенных фокусированным пучком света;

• разработаны новые статические измерительные схемы сканирующего эллипсометра высокого пространственного разрешения;

• проведен анализ основных аппаратурных факторов, ограничивающих чувствительность и точность микро-эллипсометрических измерений;

• разработан и исследован микрообъектив высокого поляризационного качества, обеспечивающий минимальный уровень фонового излучения и удовлетворяющий требованиям микроэллипсометрии;

• разработан и исследован эллипсометрическая аппаратура высокого пространственного разрешения, ориентированная на промышленное производство;

На заш;иту выносится следующее:

1. Метод прецизионных зллипсометрических измерений локальных высококонтрастных микрообъектов. Метод состоит в фокусировке светового излучения непосредственно в границы объекта с последующим измерением состояния поляризации в узком осевом пучке, диафрагмированном из отраженной сферической световой волны.

2. Статические измерительные схемы эллипсометров, обеспечивающие достижение предельной скорости измерения при сохранении высокой чувствительности.

3. Эллипсометрическая аппаратура высокого пространственного разрешения, созданная на основе предложенного метода микроэллипсометрических измерений и оригинальных измерительных схем. Аппаратура позволяет осуществлять эллипсо-метрические измерения поверхностных микроструктур с высокой точностью, быстродействием и пространственным разрешением.

Диссертационная работа написана по результатам исследований выполненных автором в период 1991-2001 г. и является составной частью научно исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых по эллипсометрической тематике в ОИФП СО РАН.

Основное содержание диссертации опубликовано в 16 печатных работах.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения.

Заключение

В соответствии с поставленной задачей в работе были получены следующие результаты.

1. Разработана оптимальная методика прецизионных эллипсометрических измерений высококонтрастных микрообъектов с резкими границами. Данная методика предполагает использовать физический принцип синтеза фокусировки зондирующего излучения эллипсометра непосредственно на поверхность измеряемого объекта с последующим анализом изменения состояния поляризации света в узком квазипараллельном пучке, диафрагмированном из отраженной сферической волны в совокупности со сканированием сфокусированным пучком по измеряемой поверхности.

2. Осуществлен анализ основных факторов, влияющих на точность проведения эллипсометрических измерений микрообъектов с резко выраженными границами для случая использования одного фокусирующего объектива в зондирующем канале эллипсометра. Даны практические рекомендации по устранению влияния диффузно рассеянного излзЛения на результаты эллипсометрических измерений.

3. Разработаны две статические измерительные схемы эллипсометров, обеспечивающие предельно высокую скорость измерений, при сохранении высокой чувствительности.

4. Разработана классификация инструментальных погрешностей микроэллипсометров и проведен анализ основных аппаратурных факторов, ограничивающих чувствительность и точность микроэллипсометрических измерений. Выявлено условие оптимального соотношения локальности и угловой пороговой чувствительности микроэллипсометров.

5. Выявлены основные требования, которые необходимо учитывать в дальнейшем при создании эллипсометрической аппаратуры высокого пространственного разрешения для измерения поверхности микроструктур и контрастных микрообъектов с резкими границами.

6. Разработан и исследован микрообъектив высокого поляризационного качества, обеспечивающий минимальный уровень фонового излучения и удовлетворяющий требованиям микроэллипсометрии.

7. Созданы две модели эллипсометров, ориентированных на промышленное производство.

Испытания разработанных моделей эллипсометрической аппаратуры высокого пространственного разрешения подтвердили правильность выбранных методических, схемных и аппаратных решений, полученных на основе теоретических и экспериментальных материалов диссертации.

Эллипсометр высокого пространственного разрешения внедрен в Конструкторско-технологическом институте СО РАН (г. Новосибирск).

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в настоящей работе, могут быть использованы при разработке эллипсометрической аппаратуры высокого пространственного разрешения.

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю, кандидату технических наук Рыхлицкому СВ. за постоянное внимание и ценные указания в ходе работы.

Автор выражает также особую благодарность кандидату технических наук Федоринину В.Н. внесшему большой вклад в формирование научного потенциала автора.

Автор благодарит всех сотрудников лаборатории №2 «эллипсометрии полупроводниковых материалов и структур», в результате труда которых была создана эллипсометрическая аппаратура высокого пространственного разрешения.

1. R.F. Cohn, J.W. Wagner, J. Kruger. Dinamic imaging microellipsometry: theory, system design, and feasibility demonstration // Appl.Opt., 1988, 27, №22, p.4664-4671.

2. D. Beaglehole. Rev. Sci. Instrum. 59, 2557 (1988)

3. Mishima Teruhito, Kao Kwan C. Detection of thickness uniformity of film layers in semiconductor devices by spatially resolved ellipsointerferometry // Opt.Eng., 1982, 21, N6, 1074-1078.

4. Mishima Teruhito, Kao Kwan C. Improved lateral resolution in the thickness measurements of thin films by ellipsointerferometry // Appl.Opt., 19882,21,N 23, p.4203-4204.

5. Mishima Teruhito. Resent trends of studies on ellipsointerferometry. A new technique for the determination of two dimensional distributions of thickness and optical constants of thin films // Bull.Fac.Eng.Hokkado mUniv., 1983, N 112, p.47-55.

6. Oesterl Reinhard. Measuring the depth of etching in small structures // Ger.(East) DD 207,060 (CI.HO 1121/66). 15 Feb. 1984, Appl. 237, 216, 05 Feb. 1982, p.6

7. Hyuk Рак, Bruce H.Low. 2D imaging ellipsometric microscope // Rev.Sci. Instrum. 66, Oct. 10, 1995, p.4972

8. Liu An-Hong, Wayner Peter C. Jr, Plawsky Joel L. Image scanning ellipsometry for measuring nonuniform film thickness profils // Applied Optics V.33 n 7, Mar 1, 1994 p. 1223-1229.

9. Adachi Eiki, Yoshimura Hideyuki, Nagayama Kuniaki. Color ellipsoscop for real time imaging of nanometer-scale surface phenomena // Applied Optics v34 n 4 Feb 1, 1995, p 729-731.

10. Albersdofer A., Elender G., Mathe G., Neumaier K.R., Padushek P. High resolution imaging microellipsometry of soft surfaces at 3 jim lateral and 5 A normal resolution. // Appl.Phys.Lett., vol. 72, n 23, Jun 8, 1998, p. 29302932.

11. U.Erman M., Theeten J.B. Spatially resolved ellipsometry // J.Appl.Phys, 1986, 60(3), P.859.

12. Erman M., Renoud M., Gourriere S. Spatially resolved ellipsometry for semiconductor process control: application to gallium indium arsenide MIS structures //Jap.J.Appl.Phys., part 1, 1987, vol 26, N 11, p.1891-1897.

13. Holmes R.D., See C.W. Somekh M.G. Scanning microellipsometry for extraction of true topography. // Electronics Letters, v 31, n 5, Mar 2, 1995, p 358-359.

14. Nyffenegger R., Ammann E., Siegenthaler H., Kotz r., Haas O. In-situ scanning prode microscopy for the measerement of thickness changes in an electroactive polymer. // Electrochimica Acta v 40 n 10 Jul 1995. 141-1415

15. Streiz Christopher C, Kruger Jerome, Moran Patrick J. Microellipsometric study of the passive film formation on Al-Ta alloys I.Solid solution alloys.// Journal of Electrochemical Society, v.l4l, n 5, May, 1994, p 1126-1131.

16. Michaels A., Schultze J.W. Anisotropy Microellipsometry for in-situ Determination of Optical and Crystallographic Properties of Anisotropic

17. Solids and Layes with Ti/Ti02 as an example.// Thin Solid Films 1996, vol. 274, Iss. 1-2, p. 82-94 (UQ256)

18. Michaelis-A Schweinsberg M An Anisotropy Microellipsometry (Ame) Study of Anodic Film Formation on Ti and Zr Single Grains.// Thin Solid Films 1998, Vol. 313, Iss. Feb, p. 756-760

19. Barros D.A., Ferraz A.M. Messaddeq Y, Aegerter M.A. Uniaxial-Stress Relaxation Measerement in Fluoroindate Glasses.// Journal of Non-Crystalline Solids 1997, vol. 213, Jun., p.336-340

20. Oconor T.M., Back Y. R., John M.S. M i n B . G, Karris Т.Е. Surface Diffusion of Thin Perfluoropolyalkylether films.// Journal of Applied Optics 1996, vol. 79, Iss. 8, Part 28, p. 5788-5790 (UG878)

21. Ruhe J., Novotny v., Clare T., Street G.B. Ultrathin Perfluopolymer films -Influence of Anchoring and Mobility of Polymers on the Tribological Properties.// Journal of Tribology-Transactions of the ASM 1996, vol. 118, Iss. 3,p 663-668 (UX811).

22. Hénon S., Meunier J. Ellipsometry and reflectivity at the Brewster angle: tools to study the bending elasticity and phase transitions in monolayers at liquid interfaces.// Thin Solid Films, vol.233-234, Oct., 1993, p. 471-474.

23. Valignat M.P., Fraysse N., Cazabat A.M., Heslot F., Levinson P. An ellipsometric study of layered droplets.// Thin Solid Films, vol.233-234, Oct., 1993, p. 475-477.

24. Voué M ., De Coninck J., Villette,Valignat M.P., Cazabat A . M . Investigation of layered microdroplets using ellipsometric techniques.// Thin Solid Films, Vol. 313, Iss. Feb, 1998, p. 819-824.

25. Анциферов А.П. и др. Применение эллипсометрии для измерения толщин диэлектрических пленок на отдельных элементах интегральных микросхем.// Микроэлектроника, 19756 т.4б №3 6 С .273275.

26. Биленко Д.И., Казакова Н.П., Полянская В.П. Определение толщины слоев в локальных эпитаксиальных структурах.// Микроэлектроника, 1983,т.12,№1б, с.70-75.

27. Егорова ГЛ. Лонский Э.С., Потапов Е.В., Раков A.B. Дифракционная эллипсометрия для определения толщины остаточных пленок в окнах малых размеров при контроле структур БИС // Микроэлектроника, 1982, 1982, т. 11,вып.5,с.387-395.

28. Барсуков Д.О., Гусаков Г.М., Комарницкий A.A. Точная эллипсометрия на основе сфокусированного пучка света. Часть 1// Оптика и спектроскопия, 1986, т.64, №6, с. 1313-1317.

29. Барсуков Д.О., Гусаков Г.М., Комарницкий A.A. Точная эллипсометрия на основе сфокусированного пучка света. Часть2 Анализ чувствительности // Оптика и спектроскопия, 1988, т.65, №2, с.398-402.

30. ЗЕСвиташев К.К., Семененко А.И., Семененко Л.В., Соколов В.К. Эллипсометрия на основе сходящегося пучка света.// Оптика и спектроскопия, №34, 1973,с.542.

31. Ржанов А.В, Свиташев К.К. и др. Основы эллипсометрии // Новосибирск, Наука, 1978, с.322-329.

32. Шишков A.B., Тищенко Е.А. Оптика и спектроскопия, №72, 1992, 265.

33. Федоринин В.Н. Метод эллипсометрического анализа периодических структур // Эллипсометрия: теория, методы, приложения. Матер.Всес.Конф., Новосибирск, 9-11 июля 1985., Наука, 1987, с. 123126.

34. Спесивцев Е.В., Федоринин В.Н. Эллипсометрические исследования поверхности локальных объектов в фокусированном пучке света.// Эллипсометрия: теор., мет., прил., Новосибирск, 1991,с. 138-147.

35. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами.// М.: Сов. радио. 1978.

36. А.с. 4235335 СССР. Спектроэллипсометр// С.В.Рыхлицкий, В.К.Соколов, В.Н.Федоринин. Опубл. 28.07.89. Бюл. № 27

37. Рыхлицкий СВ., Свиташев К.К., Соколов В.К., Хасанов Т.Х. О влиянии многократного отражения на работу фазовой кварцевой пластинки // Оптика и спектроскопия. Том 63. вып.5. 1987. с. 1092-1094.

38. Hale P.D., Day G.W. Stability ofbiréfringent linear retarders (waveplates).// Applied Optics, vol. 24, n.24, Dec. 1988, p. 5146-5153.

39. Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения.// Москва, Советское радио, 1977.

40. Бори М., Вольф Э. Основы оптики.// Москва, Наука, 1973

41. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике.// Москва, 1959.

42. Спесивцев Е.В., Рыхлицкий СВ. Свидетельство на полезную модель «Эллипсометр» № 163 14 от 20.12.2000 с приоритетом от 13.11.98 г.

43. Спесивцев Е.В. Сканирующая микроэллипсометрия метод исследования полупроводников с высоким пространственным разрешением.// Международная конференция «Оптика полупроводников - 2000», Ульяновск, 2000 г.

44. Спесивцев Е.В. Рыхлицкий СВ. Эллипсометрия высокого пространственного разрешения.//Автометрия, янв.№1,1997,с.73-75.

45. Rykhlitsky S.V., Spesivtsev E.V. Ellipsometry of local microobjects with sharply expressed borders.// Second International Conference on Spectroscopic Ellipsometry, Charleston, South Carolina, USA, 12-15 May 1997, p 5.18.

46. Аульченко Н.А., Ладыгин В.И., Рыхлицкий СВ., Соколов В.К., Спесивцев Е.В., Федоринин В.П., Чупин В.В. Сканирующий эллипсометр высокого пространственного разрешения.// Приборы и техника эксперимента, 1992, с.72

47. Спесивцев Е.В. Рыхлицкий СВ., Назаров Н.И. Автоматический сканирующий микроэллипсометр.//Автометрия,№ 1,1997,с. 100-105.

48. Свиташев К.К., Швец В.А., Мардежов А.С, Дворецкий СА., Сидоров Ю.Г., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий СВ., Чикичев СМ., Придачин Д.Н. Метод эллипсометрии в технологии синтеза соединений кадмий-ртуть-теллур.//Автометрия, №4, 1996, с. 100.

49. Spesivtsev E. V., Shvets V. A., Rykhlitsky S.V., Romanov S.I., Sokolov L . V . Ellipsometric study of pi"" porous silicon layers.// Second International Conference on Spectroscopic Ellipsometry, Charleston, South Carolina, USA, 12-15 May 1997, p.513.

50. Mikhailov N.N., Rykhlitski S.V., Spesivtsev E.V., Dulin S.A., Nazarov N.I. Sidorov Yu.G., Dvoretsky S.A. Integrated analytical equipment for control of film growth in MBE technology//Material Science and Engineering B80(2001)p.41-45