В линейке UVISEL спектроскопических эллипсометров компании "HORIBA Jobin Yvon" используются фотоупругие модуляторы, которые позволяют осуществлять модуляцию поляризации с высокой частотой (50 kHz) без каких-либо механических перемещений. Благодаря этой технологии данные системы отличаются чрезвычайной быстротой, отсутствием движущихся деталей и высокой точностью измерений в широком спектральном диапазоне без необходимости дополнительных оптических элементов. Фазовая модуляция позволяет достичь большей чувствительности в определении характеристик толщины и оптических постоянных тонких пленок в сравнении с традиционными эллипсометрами.
Как работает фазомодулированный эллипсометр?
Оптическая настройка
В качестве источника излучения используется ксеноновая лампа, которая покрывает большой спектральный диапазон от 190 до 2100 нм. Пройдя первый поляризатор, который устанавливает линейную поляризацию, излучение отражается под косым углом (обычно 70°) от исследуемой пробы. Выходная головка состоит из фотоупругого модулятора и поляризатора-анализатора, который разрешает поляризационное состояние отраженного луча.
Оба поляризатора удерживаются в фиксированном положении в процессе измерения, в то время как фотоупругий модулятор используется для побуждения модулированного фазового сдвига отраженного луча.
Излучение анализируется монохроматором с дифракционной решеткой, который последовательно направляет излучение каждой отдельной длины волны на детектор. Задействовано два типа детекторов: фотоумножители для применений FUV-VIS и InGaAs фотодиоды для применений NIR.
Сканирующие системы монохроматора дают преимущество контролируемой полосы пропускания, что обеспечивает получение очень точных экспериментальных спектров, высокого разрешения, имеющего значение для анализа толстых слоев, и превосходной повторяемости измерений. Современные монохроматоры компании "Horiba Jobin Yvon" способны осуществлять измерение от дальнего УФ до ближнего ИК диапазона за короткий промежуток времени.
Конфигурация фазомодулированного эллипсометра UVISEL показана на рисунке ниже.
Описание технологии фазовой модуляции
Что такое фотоупругий модулятор?
Фотоупругий модулятор представляет собой стержень из плавленого кварца, демонстрирующий изотропное поведение при отсутствии нагрузки. Фотоупругий модулятор – это оптический элемент, который можно описать как двулучепреломляющий модулятор.
Если к кварцевому стержню применяется механическое напряжение, например, через пьезопреобразователь, прикрепленный к концу стержня, модулятор становится двулучепреломляющим (n0 ≠ ne). Это означает, что излучение, проходя через него, перемещается вдоль одной оси быстрее, чем вдоль другой, что порождает разную фазовую скорость для каждой, и в луче света возбуждается модулированный фазовый сдвиг.
Схема работы фотоупругого модулятора
В чем заключаются преимущества фотоупругого модулятора над другими формами модуляции поляризации?
· Покрытие широкого спектрального диапазона
Основным преимуществом является то, что покрывается широкий спектральный диапазон от дальнего УФ до ближнего ИК без необходимости нескольких конфигураций аппаратного обеспечения. Без движения каких-либо оптических элементов UVISEL обеспечивает непрерывное и точное измерение по широкому спектральному диапазону от 190 до 2100 нм.
· Большой угол ввода
Оптический элемент фотоупругого модулятора имеет большой допуск угла падения, что упрощает юстировку системы. Так как пучку света не нужно следовать главной оси вращающегося элемента, это большое преимущество при осуществлении измерений в ячейках для жидкостей, на реакторах осаждения / травления в реальных условиях.
· Возможность микрофокусировки
Прибор UVISEL интегрирует оптическую связь с пробой на основе зеркал, которая обеспечивает возможность микрофокусировки до 50 мкм по всему спектральному диапазону. Измерения с микрофокусировкой полезны для определения характеристик структурированных материалов, присутствующих в полупроводниковых пластинках, демонстрационных материалах и биосенсорах. Также она обеспечивает некоторое преимущество при анализе шероховатых слоев и устройств с прозрачными подложками.
· Высокоточные измерения для всех значений Пси и Дельта
Фазомодулированный эллипсометр обеспечивает оптимальную точность для всех значений Ψ и Δ для любой пробы путем измерения параметров:
|
ls = sin 2Ψ sin ∆ lc = sin 2Ψ cos ∆ |
|
Обеспечивает точное измерение параметра ∆ по полному диапазону [0 - 360°]. |
|
|
|
|
|
и: ls = sin 2Ψ sin ∆ lc′ = cos 2Ψ |
|
Обеспечивает точное измерение параметра Ψ по полному диапазону [0 - 90°]. |
· Высокая чувствительность
Чувствительность эллипсометра определяется всеми используемыми компонентами. Когда в качестве ключевого компонента используется фотоупругий модулятор, его частота модуляции 50 kHz обеспечивает широкий динамический диапазон без шума. При сочетании с усреднением мощного цифрового сигнала фазомодулированный эллипсометр UVISEL характеризуется превосходным отношением сигнал-шум от дальнего УФ до ближнего ИК диапазона.
· Высокая скорость сбора данных
С частотой модуляции 50 kHz фазомодулированный эллипсометр может работать с настолько малым временем отклика, как 1 мс/точку, и с хорошим отношением сигнал-шум. Это делает прибор идеальной системой для управления процессом в реальном времени и проведения динамических исследований и измерений поверхности жидкостей в режиме реального времени.
· Улучшенные возможности измерений
□ Эффекты деполяризации
Деполяризация может возникать в случае некогерентного отражения, шероховатости, рассеяния, не соответствующего спектрального разрешения, неоднородности.
Путем измерения Is, Ic и Ic’ программное обеспечение UVISEL позволяет рассчитывать степень поляризации, которая определяется по формуле:
P = (Is)2 + (Ic)2+ (Ic’)2
- Когда P=1, проба не деполяризуется.
- Когда P<1, проба деполяризуется.
Степень поляризации <1, демонстрируемая 5µm органическим слоем.
□ Матрица Мюллера
Фазомодулированный эллипсометр UVISEL может измерять до 11 элементов матрицы Мюллера. Измерения матрицы Мюллера полезны в тех случаях, когда проба и деполяризуется, и является анизотропной.
Подтверждение функциональных характеристик фазомодулированного эллипсометра UVISEL
Эллипсометрическая точность в случаях, где ∆ близок к 0°: прямоточные измерения воздуха
Единственное вещество, эллипсометрические параметры которого абсолютно известны, это воздух: эллипсометрическое измерение в прямоточной конфигурации должно по определению дать Ψ = 45° и ∆ = 0°.
Прямоточные эллипсометрические измерения воздуха, проведенные с помощью UVISEL в диапазоне 1,5 – 5 eV с временем интегрирования 2000 ms
Среднее значение для Ψ находится в диапазоне от 44.98º до 45.02º.
Среднее значение для ∆ находится в диапазоне от -0.02º до 0.02º.
Среднеквадратическое отклонение для Ψ равно 0.0035 и ∆ 0.0057, то есть ±0.01º.
Точность и повторяемость эллипсометра
· Стандартные эталонные пробы
Измерения точности и повторяемости эллипсометра UVISEL осуществлялись с использованием стандартных эталонных проб (SRM), предоставляемых Национальным институтом стандартов и технологии (NIST). Стандартные пробы состоят из термоокисла на кремнии; использовался NIST 100 nm.
NIST 100 nm дает следующие сертифицированные значения (для однослойной модели):
- Толщина: 973.00 Å
- Показатель преломления: 1.465
· Определения
Повторяемость определяется как среднеквадратическое отклонение 10 статических измерений, произведенных в одном и том же положении пятна.
Точность представляет собой разницу между средним значением свойств пробы (толщины и показателя преломления) по 10 измерениям и номинальным значением NIST.
· Функционирование
Было проведено десять измерений на NIST 100 нм при угле падения 70°, с использованием времени интегрирования 200 мс/точку по всему спектральному диапазону 190-2100 нм. Использовалась однослойная модель SiO2 на c-Si. Оптические постоянные SiO2 определялись с помощью классической дисперсионной формулы осциллятора Лоренца.
Результаты демонстрируют прекрасную повторяемость по всему спектральному диапазону:
- среднее значение толщины 973.23 ± 0.11 Å,
- среднее значение показателя преломления 1.4627 ± 0.00006.
В соответствии с вышеупомянутым определением UVISEL характеризуется следующей точностью:
- 0.23 Å по толщине,
- 0.002 по показателю преломления.
· Повторяемость в отношении времени интегрирования
Для обычных применений, как правило, используется время интегрирования 100 мс или 200 мс на точку.
Экспериментальные условия:
- Количество измерений: 10 при 2.75 eV (450 нм)
- Проба: термоокисел (~840Å) на Si
- Время интегрирования: колеблется в пределах между 1000 и 1 мс
|
Время (мс) |
1000 |
500 |
200 |
100 |
50 |
|
Ψ (%) |
0.02 |
0.03 |
0.05 |
0.05 |
0.07 |
|
∆ (%) |
0.01 |
0.02 |
0.03 |
0.04 |
0.06 |
|
Время (мс) |
20 |
10 |
5 |
2 |
1 |
|
Ψ (%) |
0.14 |
0.23 |
0.32 |
0.61 |
0.86 |
|
∆ (%) |
0.10 |
0.16 |
0.20 |
0.25 |
0.41 |
Заключение
Спектроскопическая эллипсометрия, основанная на фотоупругой модуляции, обеспечивает очень высокую точность и повторяемость. Благодаря этой технологии UVISEL предоставляет уникальное сочетание высокой производительности и экспериментальной гибкости с целью удовлетворения широких нужд пользователей и расширенных возможностей применения.
