Развитие эллипсометрических и спектрофотометрических методов для исследования многослойных структур нанометровой толщины д.т.н Аюпов Борис Мингареевич тел.: (8-383) факс: (8-383) Институт неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН

Схема нулевого монохроматического эллипсометра L-лазер, P-поляризатор, C-компенсатор, S-образец, A-анализатор, D-приемник света

Определение толщины и показателей преломления пленок путем решения обратных задач в нулевой монохроматической эллипсометрии Требования к аппаратуре, измерениям и их интерпретации Выполнение требований 1Монохроматичность источника должна быть максимальной Используется одномодовый гелий-неоновый лазер 2Параметры компенсатора должны быть стабильны во времени Компенсатор термостабилизирован путем его выноса из корпуса ЛЭФ-3М 3Измерения не должны зависеть от частоты изменения освещенности в помещении В эллипсометре ЛЭФ-3М используется синхронное детектирование: частота усиливающего канала задается модулятором 4Должна быть точная установка соответствия показаний азимутальных шкал Р, С и А положениям их оптических осей Разработана прецизионная методика установления такого соответствия 5Число измерений должно быть достаточным для решения обратной задачи Измерения проводятся, как минимум, при семи углах падения света на образец 6Оптическая модель образца должна быть наиболее приближенной к его строению Выбор модели основывается на знаниях о механизме роста пленок, о возможных реакциях на поверхностях раздела

Аюпов Б.М., Козлова Н.А.//Оптич. журн Т С Соответствие между показаниями азимутальных шкал Р, С и А и положениями их оптических осей Зависимость азимутального угла поляризатора Р от азимутального угла анализатора А при исследовании изотропного образца Si 1 – угол падения света на образец равен 80º, ось анализатора находится вблизи плоскости падения (А ~ 0º), 2 - = 90º (плечи эллипсометра поставлены «на просвет»), 3 - = 80º, A 90º, 4 - =70º, A 90º, 5 - = 70º, A ~ 0º.

Выбор оптической модели образца основывается на предварительных знаниях о механизме получения пленок, реакциях на их границах, электронно-микроскопических исследованиях, травлении пленок и т. д. Изменение показателей преломления пленок диоксида кремния от их приведенной толщины 1 – термические диоксиды толщиной 10 и 6 нм соответственно, 3 – термический диоксид толщиной 100 нм, 4 – РПД диоксид толщиной 153 нм из силана и кислорода, 5 - РПД диоксид толщиной 103 нм из силана и закиси азота

Решения обратных задач при исследовании пленок диоксида кремния на кремнии Приготовлены образцы пленок разной толщины на кремнии 1 – для каждого образца измерения проводились при одном угле падения света на образец, оптические константы Si задавались (K.J. Hebert at al // Appl. Phys. Lett V. 68. P. 266.), 2 – для каждого образца измерения проводились при одном, толщина пленки определялась независимо, константы Si задавались (J. Wang, E.A. Irene// J. Vac. Sci Technol. B V. 18. P. 279) 3 - наши измерения проводились при 7, решалась обратная задача по однослойной модели. Справка: показатель преломления кварцевого стекла равен для этой длины волны 1,46

Определение наличия нарушенного слоя на поверхности полированной подложки Физико - химическая модельОптическая модель Аморфизованный слой Слой с механическими напряжениями Массив Изменение оптических констант Появление оптической анизотропии Массив Методики 1. Решение обратной задачи по модели: среда (n1) /слой естественного оксида (n2, k2, d2)/ переходный слой (n3, k3, d3)/ массив (n4, k4) 2. Определение местоположения главного угла падения 3. Поиск модели оптической анизотропии 4. Установление слабой оптической анизотропии

Установление наличия нарушенного слоя на поверхности монокристаллического кремния путем решения обратной задачи Справка: показатель преломления монокристаллического кремния для длины волны 630 нм равен 3,85 0,02 Последняя операция подготовки n2d2, нмn3d3, нмn4 АСМ 3/21,623,04,1435,93,84 АСМ 1/01,653,14,2137,53,94 ХМП1,473,03,9038,13,93

Определение наличия нарушенного слоя по местоположению главного угла падения Исследуется поверхность монокристаллического кремния после полировки алмазным порошком Главный угол падения света на образец определяется как угол, при котором один из параметров поляризации отраженного света имеет минимальное значение. Для монокристаллического кремния = 75º24´, следовательно, на кремнии присутствует нарушенный слой.

Определение наличия нарушенного слоя и заполированных царапин по появлению оптической анизотропии Исследованы три образца монокристаллического кремния: Si(111), Si(100) – планарные стороны (линии 1, 2), Si(111) – не планарная сторона (линия 3). Идея: если зафиксировать один из поляризующих элементов эллипсометра и найти углы гашения двух других, то при исследовании изотропного образца углы гашения будут оставаться постоянными при изменении полярного угла. По форме кривых 1 и 2 и их отклонению от нулевой линии можно предположить, что имеются заполированные царапины. Линия 3 свидетельствует об обработке поверхности: после резки кристалла на пластины поверхность была отполирована без шлифовки.

Определение наличия слабой анизотропии Зависимость азимутального угла поляризатора Р от азимутального угла анализатора А при исследовании анизотропного образца Si 1 – угол падения света на образец равен 80º, ось анализатора находится вблизи плоскости падения (А ~ 0º), 2 - = 90º (плечи эллипсометра поставлены «на просвет»), 3 - = 80º, A 90º, 4 - =70º, A 90º, 5 - = 70º, A ~ 0º.

Спектрофотометрические исследования систем пленка-подложка Спектры пропускания и отражения обусловлены оптическими константами подложки, толщиной пленки и её оптическими константами

Особенности спектров и их происхождение На рисунке приведены результаты расчетов спектров отражения двухслойных пленок. Видно, что интенсивности отраженного света в соседних максимумах не одинаковы. Расчеты позволяют найти объяснение особенностям спектров

Решение обратной задачи в спектрофотометрии Для реальных образцов модель должна учитывать неоднородность по площади и толщине, наличие пленки на обратной стороне подложки, разные типы переходов на краю поглощения, экситонное и плазменное поглощение в пленке. В проекте планируется при поиске дисперсии показателей преломления пленок, ширины их запрещенной зоны и энергии Урбаха решать обратные задачи в спектрофотометрии. Такой подход ещё не нашел широкого применения в практике

Задачи проекта Будет разработана методика и определены ширина и энергия Урбаха нанокомпозитных пленок, полученных методом термического и плазменного разложения паров летучих элементоорганических и комплексных соединений. Использованная оптическая модель будет позволять нахождение этих параметров для двух межзонных переходов, учитывать клиновидность пленок, форму участков освещаемой поверхности (круг или прямоугольник). Кроме того, использованная модель будет учитывать наличие экситонных переходов и плазменного резонанса в пленках. Оптическая анизотропия образцов будет количественно определяться на полученных образцах по моделям двухосных анизотропных пленок. Для нанесения пленок будут использоваться изотропные подложки – подложки без аморфизованного и напряженных слоев. Появление нанокристаллов в пленках будет фиксироваться по наличию и виду отклонений углов гашения поляризатора и компенсатора при постоянном положении анализатора от их положений при исследовании изотропного образца при изменении его полярного угла.