Комплекс методик для исследования оптическими методами тонкопленочных структур, материалов и элементов оптики

• Автор: Аюпов, Борис Мингареевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 306 с. : ил

Содержание
Введение
Аналитический обзор
1 Исследование тонкопленочных структур в приближении оптической модели однослойной пленки
1.1 Использование интерференционных полос для доказательства равенства показателей преломления диэлектрических пленок и иммерсионных жидкостей
1.2 Сравнение показателей преломления диэлектрических пленок и иммерсионных жидкостей с помощью интерференционных полос
1.3 Измерение показателей преломления и толщины пленок поли-кристаллического кремния
1.4 Измерение показателей преломления ультратонких (до 5 нм) диэлектрических пленок на полупроводниковых подложках
1.5 Прецизионное определение показателей преломления диэлектрических пленок
1.6 Определение толщины и показателя преломления диэлектрического слоя, находящегося под слоем другого диэлектрика
1.7 Определение оптических постоянных кристаллов кубической сингонии
1.8 Оценка чисел переноса ионов при анодном оксидировании полупроводников
1.9 Оценка растворения образующегося оксида во время анодного оксидирования полупроводников
Выводы по разделу
2 Исследование тонкопленочных структур и поверхности материалов при использований сложных оптических моделей. Систематизация особенностей тонкопленочных структур
2.1 Простая модель. Формулы, описывающие простую модель
2.2 Клиновидность пленок
2.3 Поглощение света в пленке
2.4 Плавное изменение показателя преломления пленки от её толщины и послойное строение пленки
2.5 Анизотропия пленок. Анизотропия образцов
2.6 Шероховатость границы пленка - среда
2.7 Несплошность пленок
2.8 Переходный слой между пленой и подложкой
2.9 Нарушенный слой на поверхности подложки
2.10 Шероховатость поверхности подложки и границы раздела пленка - подложка
2.11 Анизотропия подложек и изменение показателя преломления подложки перпендикулярно её поверхности
Выводы по разделу
3 Определение механических напряжений в системе пленка - подложка оптическими методами

220 227 1;
3.1 Используемый метод
3.2 Прибор для измерения кривизны пластин
3.3 Измерения при варьировании температуры образца
3.4 Результаты экспериментов по определению механических на- 232 пряжений между пленкой и подложкой
3.5 Призменный интерферометр
Выводы по разделу 3
4 Исследование массивных материалов и оптической элементной базы 246 оптическими методами
4.1 Измерение показателей преломления методом призм
4.2 Определение оптических параметров материала плоскопарал- 256 лельных пластин
4.3 Изучение стекла ТФ
4.4 Исследование компенсатора к ЛЭФ - ЗМ
4.5 Обследование поверхности кристаллов трибората лития
Выводы по разделу 4
Заключение
Материалы о внедрении результатов диссертации
Библиография

Введение
Под материалом будем подразумевать вещество в твердой фазе, находящееся в виде порошка, керамики, стекла, поли- или монокристалла, толстой или тонкой пленки. «Толстыми» называют такие пленки, которые получаются из порошка путем нанесения на подложку суспензии или пасты с последующими Ф сушкой и отжигом. В этом случае исходный материал порошка в пленке не претерпевает существенных изменений и она называется «толстой» независимо от её толщины. «Тонкой» называется пленка, получаемая путем контролируемого взаимодействия с подложкой атомов, молекул, ионов при использовании физических, химических или электрохимических методов. В таких процессах материал пленки формируется путем элементарных актов на атомном, молекулярном, ионном уровнях. Под оптической элементной базой или элементами оптики в данной работе подразумеваются детали из стекла или кристаллов, применяемые в оптических приборах.
Для характеризации материалов используются оптические методы, некоторые из них являются неразрушающими, не требуют специальной подготовки ♦ образца и его свойства не меняются после исследования. Исследование оптиче-
скими методами при использовании иалучения в видимом диапазоне спектра поверхностей тонкопленочных структур и материалов, применяемых в микроэлектронной, оптоэлектронной и оптической промышленности, зачастую происходит в виде текущего контроля между технологическими операциями. Именно на этих производствах большинство материалов используется в виде пленок.
В первую очередь, оптические методы используются для определения '• толщины пленок, которая является мерой количества вещества. Характеристи-
кой данного вещества являются фундаментальные оптические постоянные: показатели преломления и коэффициенты поглощения. Наряду с этим возможности оптических методов позволяют исследовать и особенности тонкопленочных структур, связанные с их строением. Такими особенностями могут быть оптическая анизотропия пленок и подложек, клиновидность пленок, вариация показателей преломления пленки по её площади и толщине. Оптические методы позволяют изучать и реальное строение пленок, поскольку эти пленки могут состоять из отдельных колонн, зёрен, в них могут быть поры, пузырьки газа, час-^ тицы метатла или полупроводникового материата, в отдельных местах пленки
могут быть закристаитизованы. При исследовании гладких поверхностей мате-риатов и оптических детатей из стекла и кристаллов эти методы используются для определения плоскостности, шероховатости, наличия измененного по сравнению с массивом поверхностного слоя.
Интерес к тонкопленочным структурам на кремнии начат появляться с 60-х годов. Вначате наибольшие усилия были предприняты для исследования термических пленок диоксида кремния на кремнии. Тогда для нахождения по-ф казателей преломления пленок и их толщины стал использоваться метод эллип-
сометрии. Использовались оптические модели однослойных пленок и расчёты проводились по формулам Эйри и Френеля. В рамках этой модели и используемых методик не могли быть решены задачи по определению показателей

полупрозрачным зеркалом и образцом. Так, если п га. > п ^ , то сдвиг полос на участке 2 рисунка 4 будет иметь противоположный знак по сравнению с участком 3, при п пл. < п ср. знаки будут одинаковы.
1 - тубус микроскопа,
2 - участок диэлектрической пленки,
3 - участок диэлектрической пленки, покрытый слоем металла,
4 - полупрозрачное зеркало,
5 - подложка
Рисунок 4 - Схема устройства доя измерения толщины и показателей преломления диэлектрических пленок
Использование такой методики позволило определить показатель преломления пленки диоксида кремния на кремнии, полученные термическим оксидированием последнего в парах воды при 1100° С. Он оказался равным 1,458 ± 0,003 при "к = 535 нм. Эта же методика была использована для определения показателей преломления толстых пленок Б Юг, образующихся в процессе термического оксидирования пленок нитрида кремния, нанесенных на подложки из монокристаллического кремния. Таким образом, этот метод позволяет определять показатели преломления верхнего слоя, не принимая во внимание мно-гослойность нижележащей пленки.
1.2 Сравнение показателей преломления диэлектрических пленок и иммерсионных жидкостей с помощью интерференционных полос
Если в формуле (4) показатель преломления среды п1 приближается к показателю преломления пленки гь> то дтя любого образца сдвиг полос на ступеньке будет также уменьшаться. Расчёты по формуле (8) показывают, что и при учете многолучевой интерференции в пленках при щ —> пг а'/а —>0.