Исследование и разработка лазерных сканирующих эллипсометров высокого пространственного разрешения

• Автор: Спесивцев, Евгений Васильевич
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 105 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ 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
Заключение
Библиография

Введение
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-н 'йи.
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.
локальности микроизмерений нужно решать выбирая оптимальные соотношения локальности, точности и быстродействия системы.
Для того, чтобы оценить степень дифракции гауссового пучка лазера на диафрагме микрообъектива, необходимо произвести расчет распределения плотности излучения в дифракционной картине путем интегрирования комплексной скалярной функции поля в соответствии с выражением (12) [36].
2лГС0 2 2 /
/(и) = А е-аг !(0 .10(ги)гс1г , (12)

где а - радиус круглой апертуры; со- размер пятна основной моды; г.-радиус лазерного пятна в плоскости апертуры; м = 2лп/з/Лг; р- радиус лазерного пятна в плоскости анализа; г - расстояние между плоскостью апертуры и плоскостью анализа; / - функция Бесселя нулевого порядка.
Опустив здесь расчеты, отметим только, что при отношении размера апертуры к размеру лазерного пятна в плоскости апертуры а/со > 2,2, что соответствует уменьшению интенсивности излучения на краях диафрагмы до 6-10'5 от центра, практически не происходит искажения волнового фронта лазерного излучения, и пучок, при такой степени ограничения можно считать неограниченным.
В наших расчетах диаметр пятна лазера на фокусирующем объективе получился равным 2,3 мм, следовательно световой диаметр микрообъектива должен быть не менее 5 мм.
На основе этих выкладок был сконструирован микрообъектив поляризационного качества с фокусным расстоянием /-8,16 мм и удаленным передним отрезком -5/г=8 мм, имеющий световой диаметр равный 5 мм при числовой апертуре 0,3. Поскольку лазерное излучение