Эллипсометрия в микроэлектронике

Илья Новожилов, руководитель проектов направления «Микроэлектроника» nia@dipaul.ru

Сегодня наблюдаются активные тенденции в исследовании оптических и электрофизических свойств новых материалов, которые могут стать заменой традиционным материалам в производстве интегральным микросхем, оптоэлектронных устройств, органической электроники, плоских дисплеев, солнечных элементов, 3D-наноматериалов. Все эти исследования и разработки тесно связаны с эллипсометрией. В 2008 году партнер «Диполя» — венгерская компания Semilab, один из лидеров в области метрологических решений для полупроводниковой промышленности, фотовольтаики и научно-исследовательского сектора, приобрела французскую компанию Sopra — разработчика первых в мире спектральных эллипсометров (1985 г.) и обладателя эксклюзивных прав (патент IMEC 2004 г.) на метод порометрии (измерение пористости тонких пленок). В статье мы рассмотрим теоретические основы метода и особенности моделей эллипсометров Semilab.

Эллипсометрия

Что же такое эллипсометрия? Это понятие подразумевает быстрый, высокочувствительный и точный оптический метод определения толщин оптически (в диапазоне DUV-MidIR) прозрачных пленок и их оптических постоянных. Метод основан на измерении изменения поляризации света при его взаимодействии с отражающей поверхностью, слоистыми структурами или при прохождении через различные среды. Изменение фазы поляризованного света проявляется в результате прохождения света через слой (гетеро, эпитаксиальный и т. д.) и дальнейшего отражения от лицевой поверхности, что позволяет извлекать оптические свойства материалов в этой структуре (рис. 1). Эллипсометрия измеряет отношение комплексных коэффициентов отражения Френеля. Поскольку это комплексное число, его можно разделить на амплитудную составляющую и фазовый сдвиг, которые соответствуют так называемым эллипсометрическим углам, ψ (psi) и ∆ (delta). Оба параметра содержат физические свойства структуры, такие как толщина слоя и коэффициент преломления (n). Поскольку решается комплексное и нелинейное уравнение (рис. 2), вычисления производятся с помощью численных методов, основанных на определенной физической модели структуры (indirect technique). В модели структура слоя рассматривается с заданными коэффициентами преломления и поглощения (k). Подложка часто аппроксимируется как полубесконечный толстый материал с известными оптическими свойствами. Спектральная дисперсия и поглощение (k) каждого из слоев, как правило, описываются параметрическими функциями. Могут быть использованы как простые эмпирические формулы, так и более сложные формулы (в зависимости от материала). Далее вычисляется теоретический сдвиг фазы, который сравнивается с измеряемыми величинами по методу численной регрессии. В результате численной регрессии показатель преломления может быть вычислен как функция длины волны. Поскольку оптические параметры отражают внутренние свойства материала, эллипсометрия может применяться для исследования кислородных вакансий, плотности носителей заряда, а также поляронных и фотонных свойств материалов.

Рис. 1. Схема изменения поляризации падающего света при взаимодействии с отражающей поверхностью

Рис. 2. Основное уравнение эллипсометрии

Конструкция и виды эллипсометров

Стандартная конструкция эллипсометра состоит из руки-поляризатора с источником света (формирует пучок падающего поляризованного света), гониометра для задания угла падения света, координатного стола X, Y, Z для размещения образца и руки-анализатора отраженного света (рис. 3). Неотъемлемой частью является вычислительный модуль на базе ПК или ноутбука со специализированным программным обеспечением для проведения измерений, сбора и анализа полученных данных.

Рис. 3. Схема конструкции эллипсометра Semilab

Пределы чувствительности измерения оптически прозрачной пленки на непрозрачной подложке варьируются в диапазоне от единиц нанометров до нескольких десятков микрон. В случае слоев, нанесенных на стеклянную подложку, контраст показателя преломления между тонкопленочным покрытием и подложкой значительно уменьшается по отношению к структуре образца на непрозрачной подложке. Поэтому измерение структур на стекле, сапфире, требует высокой чувствительности эллипсометра, чтобы иметь возможность оптически различать два схожих слоя диэлектрика. Наличие ксеноновой (Xe) лампы c высокой интенсивностью в качестве источника света и вращающегося компенсатора (RCA) в конструкции руки-поляризатора, обеспечивающего постоянство поляризации падающего света, позволяет эллипсометрам Semilab максимально точно контролировать пленки толщиной от единиц и десятков нанометров на прозрачных подложках. Особенно это актуально, когда требуется контролировать буферные или адгезионные слои толщиной в несколько единиц или десятков нанометров.

Измерение эллипсометром верхнего предела толщины пленки зависит от прикладываемого диапазона длин волн и разрешения длины волны. Данные параметры определяются спецификацией эллипсометра, на котором выполняются измерения. Линейка эллипсометров компании Semilab состоит из спектральных, лазерных и порометрических эллипсометров. Существуют как настольные модели, так и полностью автоматические системы с загрузкой из открытой или SMIF-кассеты. Рассмотрим каждый тип эллипсометров подробнее.

Рис. 4. Основные модели спектральных эллипсометров Semilab (слева направо): SE-1000, SE-2000, uSE-2500

Спектральные эллипсометры

Спектральные эллипсометры (рис. 4) предназначены для работы с одиночными и многослойными структурами толщиной 1 нм — 100 мкм на кремнии, стекле, пленочном носителе, в спектральном диапазоне длин волн 190 нм (DUV) — 25 мкм (Mid-IR). Работа в столь широком диапазоне длин волн возможна благодаря уникальному в своем классе ИК-эллипсометру (IRSE), изготовленному на одном гониометре (рис. 5). Данный режим работы может быть исполнен в виде отдельной измерительной установки или дополнительной опции к стандартной модели эллипсометра. ИК-эллипсометр позволяет решить следующие основные задачи:

• определение оптических или диэлектрических констант тонких пленок и подложек;
• информирование о физических данных о материале (толщина, пористость);
• исследование свойств эпитаксиальных слоев SiC, Si;
• информирование о содержании водорода в a-Si- или SiNx-слоях;
• исследование электрических свойств металлических диффузионных барьеров (TaN, CoSi2);
• исследование электрических свойств ITO пленок;
• определение концентрации легирующей примеси через закон Друде.

Рис. 5. Уникальный ИК-эллипсометр Semilab c диапазоном длин волн 190 нм — 25 мкм

Наибольший интерес у заказчиков компании «Диполь» вызывают эллипсометры SE-1000 и SE-2000, так как они могут применяться и в рамках научных исследований, и в серийном производстве. Установки способны работать с подложками диаметром до 200 мм (опция 300 мм), а также с кусочками полупроводниковых пластин. Наличие центрирующих пинов позволяет точно располагать пластины на подложкодержателе. Конкурентными преимуществами данных эллипсометров являются размер пятна измерения, скорость и точность измерений по всему спектральному диапазону, воспроизводимость результатов, а также опция «микропятна», когда требуется пучок света в несколько десятков микрон. Данная опция позволяет уменьшить размер пятна падающего света до 60×120 мкм в диапазоне длин волн 245–990 нм. Включение/выключение опции «микропятна» производится через ПО. Обе модели оснащены встроенной функцией автоматической калибровки. Основные технические характеристики моделей приведены в таблице. В зависимости от задач доступна оснастка для работы с различными типами подложкодержателя и для следующих процедур: измерение пористых материалов, фотометрия, рефлектометрия, исследования в ИК-диапазоне, высокотемпературные (до 1000 °С) и низкотемпературные (до –196 °С) исследования, испытания в жидкости, матрица Мюллера (11, 16 элементов), вертикальная камера. На рис. 6 и 7 приведены примеры дополнительной оснастки для жидкостных и высокотемпературных исследований.

Таблица. Основные технические характеристики эллипсометров SE-1000 и SE-2000

Рис. 6. Жидкостная кювета объемом 25 мл

Рис. 7. Оснастка Linkam для проведения высокотемпературных исследований

Рис. 8. Основные модели порозиметров Semilab (слева направо): PS-1000, PS-1100, PS-2000

Порозиметры

Порозиметры (рис. 8) применяются для работы с пористыми материалами (пористые Low-k-диэлектрики, пористый Si, нанокомпозитные материалы) и позволяют получать точные измерения толщины, показателя преломления и пористости, модуля упругости пористого материала (модуль Юнга), проводить распределение пор по размерам (0,5–60 нм) тонких пористых пленок во время цикла адсорбции (поглощения) органического растворителя. Это эксклюзивный метод измерения пористости одиночных и многослойных тонкопленочных структур с отличной воспроизводимостью и скоростью измерений, права на который принадлежат исключительно компании Semilab.

Рис. 9. Лазерный эллипсометр LE-103PV

Лазерные эллипсометры

Лазерные эллипсометры (рис. 9) используются для работы с антиотражающими (antireflective) покрытиями, нанесенными на монокристаллический или поликристаллический кремний. В основном применяются в фотовольтаике при производстве солнечных элементов. Позволяют определить показатель преломления (n), поглощения (k) и толщину пленки на длине волны гелий-неонового (HeNe) лазера 632,8 нм. Подложкодержатель адаптирован для подложек 156×156 мм. Угол падения и отражения луча света регулируется ручным гониометр в диапазоне 55–90° с шагом 5°. Возможна интеграция в производственную линию (in-line).

Подводя итог нашему обзору, можно отметить, что на сегодня эллипсометры Semilab соответствуют требованиям контроля самых передовых технологий формирования тонких пленок и являются точным, надежным и универсальным инструментом для решения широкого спектра задач в различных областях промышленности и НИОКР. При необходимости специалисты компании «Диполь» готовы провести тестовые измерения на образцах заказчика с предоставлением детального отчета. Подробная информация об эллипсометрах и других продуктах компании Semilab представлена на сайте «Диполь» (раздел «Оборудование для микроэлектроники»), также ее можно запросить по электронной почте micro@dipaul.ru.

Официальный сайт Группы компаний "Диполь": www.dipaul.ru

Понравилась статья? Поставьте лайк 2

Микроэлектроника Контроль Эллипсометр спектральный Эллипсометр лазерный Порозиметр Semilab Эллипсометрия