С. В. Рыхлицкий, Е. В. Спесивцев, В. А. Швец, В. Ю. Прокопьев
Институт физики полупроводников, Новосибирск
Комплекс предназначен для измерения оптических параметров поверхностных микроструктур, а также распределения оптических свойств материалов и толщин тонкопленочных слоев по поверхности образца с высоким пространственным разрешением. Комплекс является эффективным аналитическим средством для исследования и контроля параметров поверхности в следующих областях: физика и химия поверхности; физика и химия тонких пленок; физика полупроводников, микро- и нано-электроника; кристаллофизика и оптика; химия органических соединений и электрохимия; биология и медицина; и др.
Структурная схема комплекса представлена на рисунке 1. Внешний вид– на рисунке 2.
Рис. 1. Устройство сканирующего микроэллипсометра: ПП – плечо поляризатора эллипсометра; П – поляризатор с автоматическим переключением положения на ±45; О – микрообъектив высокого поляризационного качества; Х – исследуемый образец (на отражение); АС – автоматизированный двух-координатный предметный столик; ПА – плечо анализатора эллипсометра; А – анализатор с автоматическим переключением положений 0 и 45; К – контроллер для измерения световых потоков и управления приводами поляризатора, анализатора и предметного столика (по внутренней информационной магистрали комплекса); ПК – персональный компьютер для связи с контроллером (К) по интерфейсу USB.
Оптическая часть комплекса разработана на основе оригинальной статической схемы эллипсометрических измерений. Высокая скорость измерений обеспечивается за счет отсутствия вращения поляризационных элементов во время измерения и модуляции сигнала. Съем данных осуществляется в безостановочном режиме при непрерывном измерении эллипсометрических параметров в процессе перемещения столика.
Предметный столик комплекса обеспечивает движение измеряемого образца по двум ортогональным координатам, позволяя измерить полную картину распределения оптических параметров по его поверхности.
«МИКРОСКАН-3М» является полностью автоматизированным комплексом, что включает в себя управление переключением положения поляризатора (повышение точности измерения), и анализатора (повышение точности измерений, снятие неоднозначности в вычислении параметра ), управление двигателями координатного столика. Встроенный контроллер передает команды периферийным модулям (поляризатор, анализатор, столик) по внутреннему информационному интерфейсу. Этот же контроллер отвечает за измерение оптических сигналов и связь с персональным компьютером. Управление контроллером производится с персонального
компьютера по интерфейсу USB.
Плечи комплекса размещены на вертикальном гониометре, что позволяет в ручном режиме проводить многоугловые измерения
Рис.2. Сканирующий микроэллипсометр
Источником излучения служит высокостабильный Не-Ne лазер, работающий на длине волны 632.8 нм. Повышение локальности измерений до 5 мкм достигается применением специального микрообъектива высокого поляризационного качества оригинальной конструкции. Шаг столика по одной координате также составляет 5 мкм.
Управление комплексом осуществляется с помощью оригинального программного обеспечения, которое позволяет реализовать различные режимы измерения, проводить анализ и моделирование измеренных данных и включает обширную базу данных по полупроводниковым и диэлектрическим материалам.
Технические характеристики. Источник света: Не-Ne лазер, длина волны 632.8 нм. Скорость сканирования по одной координате 3.5 мм/сек. Диаметр зондирующего светового пучка (локальность измерения): 5 мкм. Воспроизводимость результатов измерений: = 0.005, = 0.01. Максимальный диаметр образца: 200 мм; перемещение предметного столика по каждой координате: 100 мм; регулировка наклона плоскости предметов: 2. Полный вес комплекса: 30 кг.
Рис.3. Фотоэмиссионное изображение (слева) и эллипсометрические измерения (справа) фотокатода электронно-оптического преобразователя На рис. 3 справа показана топограмма распределения параметра , измеренная для структуры, представляющей фотокатод электронно-оптического преобразователя (ЭОП), а слева - фотоэмиссионное
изображение, полученное на ЭОП, изготовленном из той же самой структуры. Наблюдается хорошо заметная корреляция между эмиссионными свойствами ЭОП и картиной распределения параметра : кольцо в центре и отдельные точки, помеченные стрелками. Это области с пониженной или отсутствующей фотоэмиссией. Физическая причина появления этих областей связана, по-видимому, с загрязнением
поверхности в процессе изготовления фотокатодной структуры. Замечательно, однако, что эллипсометрические измерения позволяют выявить наличие таких дефектных областей на ранней стадии изготовления прибора, провести отбраковку структур и избежать последующих дорогостоящих технологических операций.