Методы и приборы лазерной и спектральной эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

4851851

"Шк

КОВАЛЕВ ВИТАЛИЙ ИВАНОВИЧ

Методы и приборы лазерной н спектральной эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 8 ИЮл 2011

Фрязино - 2011 г.

4851851

Работа выполнена во Фрязннскоч филиале Учреждения Российской академии наук Института радиотехники к злектроиикн им. В.Л. Котслышкоиэ РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-магсчатичсских наук

профессор

Мащснко Владислав Евдокимович

доктор технических наук, доцент

Ннкптнн Алексеи Константинович

доктор технических наук, профессор

Потопов Владимир Тимофеевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Физико-технологический институт РАН Зашита диссертации состоится «30» сентября 2011 1„ в Ю-ОО на заседании диссертационного совета Л 002.231.03 при Учреждении Российской Академии наук Институте ралио-тсхннки и электроники им. В.Л. Котельником РАИ по адресу: 125009, г. Москва, ГС11-9, ул. Моховая, д.11, корп.7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии нау к Институте радиотехники и электроники им. Н.Л. Котельникова РАИ

Автореферат разослан « 11 2011 г.

Ученый секретарь днсссрташюнного совета кандидат физико-математических наук

В.Н.Корниенко.

Актуальность темы.

Эллипсометрия - высокочувствительный метод определения оптических параметров образцов по относительному изменению амплитуд и фаз компонент вектора электрического поля электромагнитной волны, расположенных в плоскости падения и перпендикулярно ей, при взаимодействии с исследуемым образцом [1-3]. Возможность одновременного измерения амплитудных и фазовых характеристик позволяет точно определять одновременно толщины пленок и оптические константы материала пленок. Измерение отношения комплексных компонент обеспечивает высокую помехоустойчивость и стабильность спектральных эллипсо-метрических измерений. Например, сравнительно несложно регистрировать в широком спектральном диапазоне изменение фазового сдвига между ортогональными компонентами Д на 0,01 градуса, что соответствует изменению толщины около 0,01 монослоя при измерениях тонких окнслов на полупроводниках.

Широкое применение эллипсометрия получила в связи с появлением лазерных источников излучения и компьютеров. Развитие микроэлектроники определило доминирующее развитие эллипсометрия, основанной на анализе отражешюго пучка излучения. В настоящее время широкое распространение получила спекроэллипсометрия, в которой измеряются спектры эллипсометрических параметров. Это один го основных методов анализа современных наноструктур.

Эллипсометрические измерения носят универсальный характер. В частности, могут быть выполнены исследования линейного и кругового дихроизма, вращения плоскости поляризации, оптической анизотропии, поляризационной микроскопии.

Универсальность и информативность метода СЭ определили широкую область ее применения.

СЭ позволяет точно определять спектры оптических постоянных всего набора материалов современной технологии (металлов, полупроводников, диэлектриков) в объемном и пленочном состояниях и толщины пленок, поверхностных и переходных слоев в сложных многопленочных структурах в диапазоне от единиц до тысяч нанометров.

СЭ дает возможность исследовать механические, структурные, физико-химические свойства материалов, микрошсроховатость поверхности, профиль распределения микропористости и микровключений.

СЭ - эффективное средство in situ контроля процессов напыления и травления.

Основные области применения СЭ:

нанотехнология, физика и химия поверхности и тонких пленок, оптика, кристаллофизика, электрохимия, сенсорные устройства для экологии, биология и медицина.

Существует несколько основных направлений в современной эллипсомерии. Наиболее развитое направление - эллипсометрия с вращающимися поляризационными элементами. Эллипсометрия с фотоупругими скоростными модуляторами также находит широкое применение. Спектральная эллипсометрия с делением отраженного от образца пучка излучения на несколько каналов с различными состояниями поляризации и несколькими фотоприемни^ами используется значительно реже. Нулевая эллипсометрия, основанная на нахождении азимутов поляризатора и анализатора, соответствующих минимуму сигнала на фотоприемнике, широко использовалась ранее с лазерными источниками излучения, но неэффективна в спектральной эллипсометрии.

Отечественная эллипсометрия начала развиваться с середины шестидесятых годов на предприятиях электронной и оптической промышленности и в институте физики полупроводников СО РАН. Было налажено серийное производство нулевых лазерных эллипсометров серий ЛЭМ и ЛЭФ с ручным управлением. (Общее количество произведенных эллипсометров более 700 шт).

Производство отечественных лазерных эллипсометров с вращающимися анализатором или поляризатором не было налажено. Лазерные эллипсометры этого типа для ex situ и in situ измерений в большом количестве выпускались в 60-80 годы за рубежом. В 1969 и 1975 годах были созданы первые СЭ с фотоупругим модулятором и вращающимся анализатором, соответственно [6,7]. Основанные в 80-е годы динамичные фирмы (такие, например, как SOPRA (Франция, 1981) и Woollam (USA,1986)) наряду с ранее известными фирмами обеспечили массовый выпуск спектральных эллипсометров. В ИРЭ РАН автором в 1978 году предложено и развивается новое направление эллипсометрии - эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации (ЭБМСП), в которой на исследуемый образец попеременно направляется излучение с двумя состояниями поляризации, и не используются движущиеся поляризационные элементы. Первый лазерный эллипсометр с БМСП экспонировался на ВДНХ в 1981г.

К настоящему времени области применений эллипсометрии быстро расширяются. В инструментальной части получили преимущественное развитие спектральные эллипсометры с вращающимся компенсатором. Существенно расширилась рабочая спектральная область эллипсометров - от ЮОнм до мм диапазона. Интенсивно развиваются отображающие (imaging) эллипсометры с микронным латеральным разрешением [13,14]. Появляются сообщения о создании эллипсометров ближнего поля в связке с оптическим или металлическим зондом с латеральным разрешением до 20 нм [21]. В эллипсометрах с высоким латеральным разрешением решающее значение имеет приемлемое отношение сигнал/шум для конкретной исследуемой структуры. Естественно, не все азимуты, например, при вращении анализатора, равноценны с точки зрения реализации наибольшей чувствительности измерений. В ЭБМСП легко выбрать оптимальные азимуты в плечах поляризатора и анализатора и отношение интепсив-ностей переключаемых пучков для измерений с высоким отношением сигнал/шум и максимальной чувствительностью. Актуальность исследований определяется возможностью существенного улучшения основных параметров эллипсометров, таких как чувствительность, точность по воспроизводимости (precision) и скорость измерений, при использовании ЭБМСП. Такие СЭ проще и надежнее широко используемых коммерческих СЭ и принципиально лучше согласованы с современными линейками и матрицами фотоприемников.

Цель работы - развитие предложенного автором нового направления в эллипсометрии - эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации, предполагающее сравнительный анализ возможных способов эллипсомегрических измерений, создание новой эффективной элементной базы поляризационной оптики для измерений в широкой спектральной области, разработку и создание семейства автоматических лазерных и спектральных эллипсометров длз ex situ и in situ измерений, не содержащих движущихся поляризационных элементов, разработку современного программного обеспечения для эффективного анализа сложных исследуемых систем. С использованием разработанных эллипсометров предполагалось выполнить широкий комплекс исследований оптических свойств твердотельных структур и жидкостей. Работа должна закончиться подготовкой и практической реализацией се-

рийного изготовления прецизионных и надежных отечественных спектральных автоматических эллипсометров, превосходящих по ряду основных технических параметров эллипсомет-ры, выпускаемые в нашей стране и за рубежом.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи :

• Разработка эллипсомстров, не содержащих движущихся поляризационных элементов.

• Разработка поляризационных интерферометров - модуляторов для широкой области спектра с использованием светоделительных элементов, параллельных полированным пластинам легированного кремния, установленных под углом Брюстера к падающему на них излучению.

• Разработка бинарных модуляторов состояния поляризации с использованием тонкого симметричного клина из двулучепреломляющего материала, эффективно заменяющих цепочку поляризатор - модулятор состояния поляризации, часто используемую в современных спектральных эллипсометрах и других типах прецизионных поляризационных приборов.

• Разработка соосного фазосдвигающего устройства (компенсатора) на основе ромба Френеля для широкой области спектра.

• Разработка новых методов измерений в эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

• Разработка и создание семейства лазерных и спектральных эллипсометров с бинарной модуляцией состояния поляризации.

• Сравнительный анализ технических параметров эллипсометров с бинарной модуляцией и современных зарубежных спектральных эллипсометров.

• Выполнение цикла исследований материалов и структур электронной техники.

Научно -техническая новизна работы заключается в создании принципиально нового

направления в эллипсометрии, разработке новой элементной базы поляризационной оптики, создании эллипсометров нового поколения, с использованием которых выполнен цикл исследований полупроводниковых и диэлектрических структур и жидкостей.

К наиболее существенным новым результатам, полученным в работе, относятся следующие

Предложено и развивается новое направление в эллипсометрии. Разработана элементная база поляризационной оптики - бинарные модуляторы состояния поляризации и фазосдвигающие элементы. Эти элементы могут быть успешно использованы практически во всех поляризационных приборах: поляриметрах, рефрактометрах, линейных и круговых дихрометрах, дифференциальных рефлектометрах, поляризационных микроскопах.

Предложены методы эллипсометрических измерений с использованием бинарной модуляции состояния поляризации.

Создано семейство спектральных эллипсометров нового поколения с бинарной модуляцией состояния поляризации.

Выполнен цикл исследований оптических свойств полупроводниковых и диэлектрических структур и жидкостей с использованием созданных спектроэллипсомет-ров. Получены новые результаты.

• Разработан и создан принципиально новый простой компактный автоматический эллипсометр с использованием двух попеременно переключаемых лазеров или све-тодиодов и устройства объединения ортогонально поляризованных пучков, позволивший достичь рекордные для эллипсометрии точности по воспроизводимости 2х 10"s и ЗхЮ4 градусов, для Ти Д соответственно. Это позволяет использовать эллипсометр в качестве высокочувствительного сенсорного устройства. Положения выносимые на защиту:

1. Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации, предложенная и развиваемая автором с 1978 г., - новое направление в эллипсометрии, открывающее возможности улучшения основных технических характеристик современных лазерных и спектральных эллипсометров.

2. Методы эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией, в которых измеряются отношения интенсивностей на двух фотоприемниках, расположенных в блоке анализатора после призмы Волластона. Эти методы позволяют использовать импульсные источники излучения и источники с сильно выраженной линейчатой структурой в спектрах излучения и обеспечивают высокие отношение сигнал/шум и точность по воспроизводимости. Предложенный метод используется в выпускаемых ЗАО «Наноиндустрия» мелкой серией прецизионных универсальных спектральных эллипсометрах, разработанных автором.

3. Методы эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией с использованием одного фотоприемника (линейки или матрицы фотоприемников). Методы используются в in situ и ex situ спектральных эллипсометрах, разработанных автором в вариантах с 35-элементной и 512- элементной линейками фотодиодов.

4. Разработана новая элементная база поляризационной оптики - бинарные модуляторы и фазосдвигающие устройства для широкой области спектра, позволяющие в полной мере реализовать преимущества эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

5. На основе новых базовых поляризационных элементов и методов разработано и создано семейство прецизионных лазерных и спектральных эллипсометров нового поколения, не использующих движущиеся поляризационные элементы.

6. Исследования методом эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации полупроводниковых и диэлектрических структур и жидкостей, показавшие эффективность использования созданных лазерных и спектральных эллипсометров при разработке технологии и в физических исследованиях.

7. Впервые реализованный в эллипсометрии метод поочередного включения двух идентичных лазеров или светодиодов с ортогонально поляризованными пучками позволил исключить дорогостоящие модуляторы состояния поляризации и создать высокопрецизионные простые скоростные лазерные и спектральные эллипсометры с широкими возможностями применений при исследовании кинетических явлений, картирования по-верхностеи и в качестве сенсорного чувствительного устройства.

Практическая значимость проведенных исследований и разработок заключается в следующем:

• Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации, основанная па использовании новой элементной базы и новых методов измерений, позволяет существенно улучшить ряд основных параметров лазерных и спектральных эллипсомет-ров, упростить конструкции эллипсометров и обработку результатов измерений. Опробован ряд автоматических эллипсометров различного назначения. По разработанной нами технической документации налажен серийный выпуск СЭ БМСП «Эльф» с двумя фотоприемниками ЗАО Концерн «Наноиндустрия», Москва.

Разработанная нами новая и сравнительно дешевая элементная база может эффективно использоваться при создании самых разных поляризационных приборов и устройств. Замена традиционно используемых поляризаторов и модуляторов состояния поляризации делает прецизионные поляризационные приборы заметно дешевле и надежнее.

Высокочувствительные компактные эллипсометры с лазерами и светодиодами позволяют создавать системы картирования, исследования кинетики параметров структур и эффективные сенсорные устройства.

В настоящее время стремительно развивается эллипсометрия с латеральным разрешением до 1 мкм. Наблюдается несоответствие потребностей быстрой обработки больших массивов информации и применения эллипсометрии со сравнительно медленно вращающимися поляризационными элементами. Альтернативой, несомненно, является ЭБМСП, хорошо согласующаяся с необходимостью одновременного интегрирования сигналов многоэлементных фотоприемников. Особенно привлекательна возможность выбора оптимальных условий измерений в ЭБМСП и точной калибровки методом определения азимутов AI и А2, описанном ниже и исключающем нелинейности, присущие чувствительным ПЗС матрицам. Заметим, что с очевидными проблемами минимизации влияния фоновых излучений (например, плазменного свечения в ростовой камере) сталкиваются и разработчики отечественных СЭ в ИФП СО РАН, использующие статические методы измерений в эллипсометрии с делением отраженного от образца пучка излучения по фронту на несколько пучков, и, соответственно, несколько фотоприемшков. Возникают трудности с реалиизацией локальных измерений и измерений с многоканальными фотоприемными устройствами.

Апробация работы.

Материалы исследований и разработок докладывались на следующих Всесоюзных, Российских и Международных конференциях:

VII Всесоюзная конференция по микроэлектронике, Львов, 1975; 1-ая Всесоюзная конференция по эллипсометрии, Новосибирск , 1977; International Simposium on Reliability of microelectronic devices. Berlin.1978; IV International Conference "Mikronika-79. Warszawa. 1979;

1-ая Всесоюзная школа-семинар «Проблемы функциональной микроэлектроники» Горький. 1980; 9-ая Всесоюзная научно-техническая Конференция по микроэлектронике. Казань. 1980;

2-ая Всесоюзная конференция по эллипсометрии., Новосибирск, 1981;3-я Всесоюзная Конференция по эллипсометрии. Новосибирск. 1985; 4-ая Всесоюзная Конференция по эллипсометрии. Новосибирск, 1989; Совещание общества Попова. Москва, 1986; Всесоюзная конференция «Физические и физико-химические основы микроэлектроники» Вильнюс.1987; Доклад на Межотраслевом Экспертном Совете. 1987; Всезоюзная научно-техническая конференция

«Специальные коммутационные элементы», Рязань, 1984; Всесоюзная конференция «Поверхность 89» Черноголовка, 1989; MRS Fall Meeting, Boston,1994; Всероссийская научно-техническая конференция «Микро- и наноэлектроника-99». Звенигород, 1999; Международная конференция «Взаимодействие излучения с твердым телом - ВИТТ-2003», Минск, 2003; International Conference "Micro- and Nanoelectronics-2003", Москва-Звенигород, 2003; 25-th ACRS, Chiang-Mai, Thailand, 2004; 10 International Symposium on Microwave and Optical Technology (ISMOT-2005). Fukuokajapan. August 22-25. 2005.pp.87; Proceedings of International conference "Modern problems of Condensed Matter - 2007", Kiev, Ukraine, 2-4 October 2007, p. 247-248; International Workshop on Photonics and Applications. Can Tho, Vietnam, 15-19 August, 2006, p.81; 4lh International Conference on Spectroscopic Ellipsometry (June 11-15, 2007, Stockholm, Sweden); XV Международная научно-техническая конференция" Высокие технологии в промышленности России»; XXII Международный симпозиум «Тонкие пленки в электронике». Москва, 2009, с.440-446; «Оптическая и магнитооптическая спектроскопия тонких ферромагнитных слоев InMnAs»; XII Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлек-троника», Сборник трудов, Нижний Новгород, 2008, т.2, с. 273-274; PICES XVI Annual Meetings. The changing North Pacific; Previous patterns, future projections, and ecosystem impacts. Victoria, Canada, October 26- November 2, 2007, pp. 108; Proceedings of ICMNE-2007, p. D5; 11 International Symposium on Microwave and Optical Technology (ISMOT 2007). Monte Porzio Ca-tone, Italy, 17-21 December, 2007, pp. 385-388; First Mediterranean Photonics Conference, Ischia, Napoli, Italy, 2008;

Участие в выставках:

• Елинсон М.И., Игнатов Б.Г., Ковалев В.И., Марьин В.И., Перов П.И., Россуканый Н.М., Тужиков А.В. Оптическая установка для определения параметров микроэлектронных структур. Экспонат ВДНХ. М. 1981. Впервые в качестве модулятора состояния поляризации в эллипсометрии применен поляризационный интерферометр - модулятор.

• Ковалев В.И., Россуканый Н.М. Универсальный автоматический эллипсометр. Экспонат ВДНХ. 1983. Серебряная медаль.

• Ковалев В.И., Руковишников А.И. Эллипсометр с бинарной модуляцией состояния поляризации. Экспонат ВДНХ. 1987. Серебряная медаль.

• Ковалев В.И., Россуканый Н.М. Автоматический эллипсометр для видимой и ИК области спектра. Экспонат на выставке Важнейшие законченные работы АН СССР. 1986.

• Ковалев В.И., Руковишников А.И., Крапивин В.Ф., Климов В.В., Мкртчян Ф.А. Компактный многоканальный спектроэллипсометр. Экспонат ВВЦ «Инновации 2000». 2000 г. Золотая медаль.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 74 научных работах, из которых 28 статей в рецензируемых изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 8 авторских свидетельств и патентов, 38 ста7ей в других изданиях и в трудах Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций.

По разработанной нами технической документации налажен серийный выпуск СЭ БМСП «Эльф» ЗАО Концерн «Наноиндустрия», Москва.

Личный вклад автора.

Представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве. Разработка и изготовление электронных схем и устройств и разработка программного обеспечения для автоматических эллипсомстров выполнены с.н.с. Руковишниковым А.И. Исследования, отраженные в Главе 5 , выполнены при активном участии с.н.с. Хомича A.B. и Куньковой З.Э.

Результаты, представленные в Гл.6 , получены при участии с.н.с. Россуканого Н.М. и с.н.с. Климова В.И.

Структура и объем дисссртации.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, общих выводов и списка литературы. Объем диссертации - 250 страниц, содержащие 110 рисунков и 6 таблиц.

Список литературы содержит более 200 ссылок.

Содержание работы.

Во введении мотивируется актуальность диссертации, формулируются ее цели, приводятся основные результаты, отмечается их новизна и изложены защищаемые положения. Приведен обзор современного состояния спектральной эллипсометрии, включающий теорию эллипсометрии, описание эллипсометрических методов измерений и спектральных эллипсо-метров широкого использования. Показаны примеры анализа результатов эллипсометрических измерений.

Глава 1. Методы эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

Глава 1 содержит 5 разделов. В 1.1 рассмотрены проблемы традиционных подходов в эллипсометрии и предпосылки к разработке нового подхода.

Представленный во Введении диссертации обзор состояния эллипсометрии показывает, что устоявшиеся два направления в спектральной эллипсометрии (эллипсометрия с вращающимися поляризационными элементами и эллипсометрия с фотоупругими модуляторами), определяющие мировой рынок современных спектральных эллипсометров, непрерывно развиваются, однако остаются некоторые принципиальные ограничения.

Так, в эллипсометрии с вращающимися элементами удалось исключить влияние поляризационной зависимости фотоприемников в RAE или остаточной поляризации в излучении источника в RPE, применяя более информативные и точные эллипсометры с вращающимся компенсатором RCE. Оказалось возможным существенно расширить спектральный диапазон эллипсометров с вращающимися элементами и эллипсометров с фотоупругим модулятором PME. PME легко использовать в ИК диапазоне с FT1R в отличие от эллипсометров с вращающимися элементами. Однако, современные PME остаются дорогостоящими сложными устройствами, плохо согласующимися с линейками и матрицами фотодетекторов. Эллипсометры с вращающимися поляризационными элементами не позволяют исследовать кинетику процессов, а величина отношения сигнал/шум в большой мере определяется качеством блока вращающегося элемента и фотоприемника.

К середине 70-х появилось множество разработок по оптическим методам исследования, в частности, по лазерной и спектральной эллипсометрии, позволяющих решать основные метрологические задачи в различных отраслях промышленности, особенно в микроэлектронике. Информативность и уникальные свойства эллипсометрии явились главной предпосыл-

кой начала работ по эллипсометрии в отделе микроэлектроники ФИРЭ РАН. Именно в это время в США появился первый автоматический спектральный эллипсометр с вращающимся анализатором [7], работающий в видимой и УФ области спектра.

Другие предпосылки нетрудно понять из рассмотрения метрологической работы автора {3}, изложенной в разделе 1.2. Ко времени публикации {3} существовали единичные публикации с описанием ИК спектроэллипсометров на основе стандартных монохроматических источников излучения. В {3} фактически измеряются ИК спектры и угловые зависимости эл-липсометрического параметра (Tan Ч") с использовагагем разработанного автором эффективного отражательного поляризатора. Аналогичные измерения Tan Ч* выполняются и в методах НПВО. Возможцость переключения р- и s - компонент позволила бы существенно увеличить чувствительность и точность измерения Tan Ч*. Позже, Roseler [9] предложил использовать FTIR спектрометры в спектральной эллипсометрии, что обеспечило существенное улучшение их технических характеристик.

Метод эллипсометрических измерений в [9] основан на последовательных измерениях интенсивностей при 4 различных азимутах поляризатора. Естественно, и здесь переключение азимутов может существенно улучшить точность и увеличить скорость измерений.

Работы автора по исследованию квантового размерного эффекта в тонких пленках и оптической диагностике структур микроэлектроники {1-3} также привели к необходимости разработки нового подхода в эллипсометрии, который бы позволил создавать простые лазерные и спектральные эллипсометры с высокими техническими характеристиками.

Еще одна важная предпосылка - появление публикаций Запасского [5] по прецизионной лазерной поляриметрии с балансными схемами фотоприемников, обеспечивающей чувствительность на уровне до 10"6 градусов. Уровень чувствительности лазерных эллипсометров при измерении эллипсометрических параметров на три порядка ниже. Возникает предположение, что если мы будем последовательно посылать на образец пучки с выбранными азимутами поляризации и регистрировать их ортогональные компоненты (например, после призмы Волла-стона с определенным азимутом, расположенной после образца), появляется возможность эллипсометрических измерений с существенно улучшенной чувствительностью и точностью. Это и есть принцип эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации. Авторское свидетельство 1978 г {29} "Поляризационный интерферометр - модулятор" и предложенные методы измерений явились основой создания различных автоматических эллипсометров видимого и ИК спектрального диапазона. В 1981г. эллипсометр с переключением поляризации экспонировался на ВДНХ.

В разделе 1.2. «Метод псевдоугла Брюстера в исследованиях электрофизических параметров сильно легированных полупроводников» приведены результаты исследования дисперсии показателей преломления и поглощения и подвижности свободных носителей в сильно легированном кремнии точным и сравнительно простым методом псевдоугаа Брюстера, где необходимо измерение величины псевдоугаа Брюстера фв и отношения Re = Rp/Rs при ф = фв , Rp и Rs-коэффициенты отражения электромагнитного излучения, поляризованного параллельно и перпендикулярно плоскости падения, соответственно [4]. В [4] представлены простые "аналитические выражения, позволяющие определять показатель преломления л и показатель поглощения к по Re и ф6. Используя эти выражения из [4], мы определили дисперсию п и к в области плазменного края отражения сильно легированных образцов Si №1 (п-тип, толщина диффузионного

слоя фосфора (1= 2,19 мкм, поверхностное сопротивление 1*8 = 3,6 Ом/а) и №2 (р-тип, толщина диффузионного слоя бора с] = 0,2 мкм, Яэ = 96 Ом/а).

Угловые измерения отражения в спектральной области от 1,8 до 6 мкм выполнены нами на экспериментальной установке, включающей монохроматор ИКМ-1, поляризатор, систему зеркал, формирующую параллельный пучок излучения за выходной щелыо монохроматора, устройство синхронного сканирования угла поворота образца и болометра.

Рис.1. 1. Дисперсия п и к в области плазменной частоты. Образец Х»1: 1- п2- к ; образец 81 №2: 3-«, 4- к

Рис.1. 2. Спектры плазменного отражения при Т = 300° К: 1,2 - образцы №1,№2, измерены при нормальном падении; 3, 4 - образцы №1,№2 , спектры получены по измеренным методом псевдоугла Брюстера значениям пик .

В разделе 1.3. «Методы эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации» представлено описание различных методов эллипсометрических измерений, их преимущества и недостатки. Общим для всех методов является определение эллипсометрических параметров в соответствии с основным уравнением эллипсометрии:

4* и Д - эллипсометрические углы, определяющие отношешк комплексных амплитудных коэффициентов отражения гр и г5 для р и б- поляризаций [2]. Измеренные значения параметров Ч1 и Д сопоставляются с рассчитанными с помощью формул Френеля, исходя из заданной модели образца.

Наилучшее согласие между расчетом и моделью оценивалось по минимальной величине целевой функции о, характеризующей квадратичное отклонение экспериментальных (индекс "е") и расчетных ("с") значений эллипсометрических параметров, определенных при одних и тех же длинах волн Х{ г

с = 1/М Н Ивч/Д) - 18ус(Х,)]2 + [созДД,) - совДД)/, (2)

где N — количество экспериментальных точек.

Все разнообразие эллипсометрических методов можно разделить на нулевые и фонометрические методы. Стандартная геометрия расположения поляризационных элементов в эллипсометрах: поляризатор (Р) - компенсатор (С) - образец (Б) - анализатор (А). В нулевых методах эллипсометрические углы определяются по значениям азимутов поляризатора и анализатора, при которых наблюдается минимум интенсивности на фотоприемнике. При исполь-

Ржс. 2

I

р = гр / г5 = Тап Ч* ехр (¡Д)

С)

зовании так называемых четырехзонных измерений (при различных азимутах компенсатора) реализуется высокая абсолютная точность определения Ч* и Д - 0.02°-0.05°, безотносительно к диапазону их значений. Однако малая скорость измерений и неэффективное использование интенсивности определили преимущественное использование в спектральной эллипсометрии (СЭ) фотометрических методов с измерением интенсивности пучков. Это методы с вращающимся анализатором, поляризатором или компенсатором, а также метод эллипсометрии с фотоупругим модулятором (ЭФМ) и методы с пространственным разделением (МПД) отраженного от образца пучка света на несколько пучков. Как правило, фотометрические методы имеют абсолютную точность определения У и & в диапазоне 0.05-0.5градуса [3], но существенно более высокую скорость измерений и точность по воспроизводимости. Методы СЭ с вращающимися поляризационными элементами (ВПЭ) хорошо согласуются с линейками и матрицами фотоприемников, в отличие от ЭФМ и МПД, проще для автоматизации, имеют более широкий рабочий спектральный диапазон и их применение является доминирующим. Недостатки СЭВПЭ - невысокая скорость измерений (доЮмсек), ошибки, связанные с девиацией пучка, механическими вибрациями, с поляризационной зависимостью фотоприемников и наличием поляризационной составляющей пучка света на входе поляризатора.

В 1978 году автором было предложено новое направление в эллипсометрии - эллипсо-метрия с бинарной модуляцией состояния поляризации (ЭБМСП), не использующая движущиеся поляризационные элементы. В ЭБМСП последовательно по времени на исследуемый образец подается излучение с двумя заданными состояниями поляризации. Отраженный от образца пучок излучения либо делится призмой Волластона на два ортогонально поляризованных пучка с азимутами А и А+90°, которые одновременно направляются на два фотоприемника, либо проходит через поляризационное устройство, выделяющее последовательно по времени поляризацию с азимутами А и А+90°.

Для эллипсометра с конфигурацией поляризатор—образец—анализатор интенсивность света на фотоприемнике 2 2

I„ = 10 (sin A„sin Р„ + cos Ancos P„tg ¥ + 0.5sin2Ansin2P„cosA tgT), (3)

где Pn и An— азимуты поляризатора и анализатора (утлы Р и А устанавливаются исходя из оптимальных условий измерения); 10— коэффициент, не зависящий от Р„и Ап

Запишем уравнение (3) для азимутов (А, Р), (А+90°,Р), (А, Р+90") и (А+90°, Р+90°), соот-

ветственно:

11 = ha*I0 (sin2 A sin2P + cos2Acos2P tg2>F + 0.5sin2Asin2PcosA tg4>) (4a)

12 = lo (cos2Asin2P + sin2Acos2P tg2,P - 0.5sin2Asin2PcosA tgf) (4b)

13 = ha*I» (sin2Acos2P + cos2Asin2P tg24< - 0.5sin2Asin2PcosA tgf) (4c) U = lo (cos2A cos2P + sin2Asin2P tg24" + 0.5sin2Asm2PcosA tg¥) (4d)

ha- коэффициент, характеризующий отношение чувствительностей 2-х каналов в анализаторе. Для каждого из азимутов Р и Р + 90° измеряется отношение сигналов на фотоприемниках при азиатах анализатора А и А+ 90°. По измеренным отношениям bi = l\l I2 /ha и b2 = I; /14 /ha определяются эллипсометрические параметры ¥ и Д из соотношений:

Tan2 Т = (х, -bib2x2 + с) / (bib2 х, - х2+ с) (5)

Cos Д = [bix3 - sin2 A sin2 Р+(biX4 - cos2 A cos2 Р) Tan2 Ч*]/ 0.5(bi+l)sm2Asin 2Р Tan Ч< (6)

здесь

с = b2 (sin 2 A sin 2 Р - cos2 A cos2 Р) + Ь^х4 - хз)

Xl = sin ' A , X2 = COS 2 A , X3 = COS 2 A sin 2 P, X4 = sin 2A cos2 P Описатшый скоростной и чувствительный метод измерений не обеспечивает, как и все фотометрические методы, высокую абсолютную точность измерений при величинах измеряемых отношений, существенно отличающихся от единицы. В ЭБМСП легко реализовать метод с переключением азимута Р и Р+90° и нахождением азимутов анализатора Al и А2, при которых интенсивности падающих на фотоприемник пучков равны. На Рис. 1.3 показаны так называемые номограммы в координатах А1-А2 , где цифры, указанные на кривых, это толщины оксида кремния в ангстремах на кремниевой подложке. Длина волны излучения 633 mi. Угол падения на образец 70 градусов, а - отношение интенсивностей переключаемых пучков.

Видно, что измерения с введенным в пучок компенсатором для очень топких оксидов намного чувствительнее. В отличие от эллипсометров с ВЭ в методе ЭБМСП можно выбрать оптимальные условия измерений для конкретного исследуемого образца и интересуемого диапазона толщин.

Этот метод, как и стандартный нулевой метод эллипсометрии, исключает ошибки, связанные с нелинейностью фотоприемников. При этом уровень сигналов существенно выше, что позволяет использовать метод в спектральной эллипсометрии, в частности, для точной калибровки.

Отметим, что БМ позволяет изменить алгоритм измерений в широко используемых эллип-сометрах с вращающимся анализатором (ЭВА) [7] с шаговым приводом. Обычно используемую сложную калибровку можно замеголъ на вышеописанную калибровку с определением Al и А2. Кроме того с БМ реализуется двухзонный режим измерений, что повышает их точность.

Q. ~а' . го за "" w "ее" го éo~jé>

Рис.1.3.{73,74}.

В ЭБМСП возможны различные способы измерений, представленные в главе 1.

Раздел 1.4.Методы ЭБМСП с двумя фотоприемными устройствами.

Именно балансные системы фотоприемников используются в основном в прецизионных поляриметрах с чувствительностью до 10'6 градуса [5].

Переключение состояния поляризации позволяет реализовать чувствительный элпипсо-мегрический метод, характеристики которого решающим образом определяются используемым бинарным модулятором.

1. Метод эллипсометрии с переключением ортогонально поляризованных пучков с азимутами Р и Р+90" (бинарная модуляция), падающих на образец, в котором отраженные пучки направляются призмой Волластона с азимутом А на два фотоприемника.

2. Метод эллипсометрии, отличающийся от первого переключением двух линейно поляризованных пучков с произвольно устанавливаемыми азимутами поляризационным устройством с делением пучка по фронту ¡33}.

3. Метод эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации, в котором последовательно включаются два идентичных лазерных либо светодиодных источника, причем обеспечивается ортогональность азимутов переключаемых пучков.

4. Метод короткоимпульсных эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации, в котором импульс излучения преобразуется бинарным модулятором в два последовательных импульса с ортогональными азимутами поляризации.

Раздел 1.5. Методы ЭБМСП с одним фотоприемным устройством (фотодиод, линейка или матрица фотодиодов).

5. Метод эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации, в котором бинарная модуляция осуществляется в плечах поляризатора и анализатора.

6. Метод эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации, в котором бинарная модуляция выполняется только в плече поляризатора, измеряются интенсивности на расположенном за анализатором фотоприемнике и на фотоприемнике, расположенном в опорном канале бинарного модулятора на Рис. 11.

7. Метод эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации, в котором бинарная модуляция выполняется только в плече поляризатора, и определяются азимуты А1 и А2, при которых наблюдается равенство интенсив-ностей после сканируемого по азимуту анализатора.

Глава 2 Разработка и создание новой элементной базы поляризационной оптики.

В Главе 2 приведено описание разработанных автором новых поляризационных элементов, которые составляют элементную базу для поляризационной оптики, и, в частности, эллипсометрии. Эффективность метода эллипсометрии с БМСП определяется ключевым элементом — бинарным модулятором поляризации. В 1978 году автором был предложен поляризационный интерферометр-модулятор (ПИМ) {29}, который обеспечивает попеременно пучки излучения с ортогональными поляризациями в спектральном диапазоне от 400 нм до 15000нм. Отличительной чертой соосного ПИМ является использование светоделительных пластин, параллельных полированным легированным кремниевым пластинам, установленным под углом Брюстера к падающему на них излучению. Известные интерферометры Май-

кедьсона и Маха-Цендера не обеспечивают соосности входного и выходного пучков, в отличие от предложенной нами трапецеидальной геометрии интерферометра. Возможность ин-терферометрических измерений в положениях, когда оба пучка открыты, очень важна. например, при чувствительных измерениях показателя преломления жидкостей и газов, либо двулучепреломления в твердотельных материалах.

В устройствах |1б| поляризационные элементы устанавливались в клечах, например, интерферометра Маха-Цендера, и соосность не обеспечивалась. Бинарные модуляторы состояния поляризации на основе интерферометров Майкеяьсона и Маха-1 (ендера рассмотрены в публикациях Аялтта 1993 г.[18,19]. Необходимость использования дополнительного ахроматического полуволнового устройства ограничивает использование модуляторов в широком спектральном диапазоне.

Рие.2.1. I-поляризатор, 2 и 3 - идентичные еветоделителыше пластины (Bal-; или XnSe), параллельные пластинам кремния 4 и 5 , установленным под утлом Брюстера к падающему на иих пучку, поляризованному перпендикулярно плоскости рисунка. Кремниевые пластины 6-,9 (пластины 6,7 для снижения потерь можно заменить зеркалами) развернуты относительно пластин 4,5 оа 90 градусов и установлены под углом Брюстера. Обтюратор 10 попеременно открывает ортогонально поляризованные пучки.

В главе 2 также приведены конструкции поляризатора и переключателя состояния поляризатора с делением пучков по фронту ( Рис.3.1} в которых используются полированные кремниевые пластины, установленные под углом Брюстера. Высокая степень легирования пластин исключает влияние отражения от задней границы и обеспечивает более слабую зависимость степени поляризация от длины водны и угловой апертуры нучка.

Широкий спектральный диапазон, высокая степень поляризации, возможность варьирования азимутов переключаемых пучков в большом диапазоне позволяют эффективно использовать этот соосиыИ i ICi 1 в ИК спектральных эллипсометрах.

Рис,2.2. 15

Ключевой элемент спектральных эллипсометров с бинарной модуляцией состояния поляризации - бинарный модулятор поляризации {34} показан на Рис.2а. Коллимированный пучок излучения расщепляется клином из кальцита (СаСОЗ) на два ортогонально поляризованных коллимированных пучка, которые сферическим зеркалом 3 фокусируются в точках В и С, где попеременно перекрываются обтюратором 2. Далее пучки снова становятся коллими-рованными и совмещаются клином с направлением первоначального пучка. Фактически мы имеем геометрию поляризационного интерферометра. Этот простой БП эффективно заменяет стандартную дорогостоящую цепочку поляризатор-модулятор состояния поляризации.

Основные характеристики:

Совмещение пучков не хуже 0,01 градуса, степень поляризации -10"5, рабочий спектральный диапазон ПСП -240-2400 нм. Скорость прерывания пучков - до нескольких кГц.

Кальцит является идеальным материалом для БМ, показанного на Рис.2а. Расширение спектрального диапазона обеспечивает сравнительно новый материал- а-ВВО (а-ВаВгО^, прозрачный в области 189-3500 нм. Особенности дисперсии этого материала и меньшая разность обыкновенного и необыкновенного показателей преломления не позволяют использовать вышеописанную конструкцию во всей области прозрачности кристаллов. В главе 2 дано описание двухстороннего варианта БМ с использованием сходящегося пучка, что позволяет существенно повысить отношение сигнал/шум в УФ области спектра. Работа в сходящихся пучках позволяет использовать дешевые малоразмерные призмы.

Схема четвертьволнового фазосдвигающего устройства, предложенная нами в 1986г.{35}, показана на Рис.2б. Ромб Френеля из плавленого кварца и пара зеркал, установленных под углом 12-13 градусов к падающему на них пучку обеспечивают соосность и улучшение ахроматичности, так как дисперсия диэлектриков и, соответственно, фазовый сдвиг в ромбе и фазовый сдвиг при отражении от зеркал имеют противоположные зависимости от длины волны. Аналогичная конструкция описана позже в работе 2002 г.[28].

ГлаваЗ. Разработка и создание лазерных и спектральных эллипсометров для ИК области спектра.

В Главе 3 представлены результаты разработок лазерных эллипсометров для ИК области спектра на основе новых поляризационных элементов. Принципиальная схема автоматической многоволновой эллилсометрической установки показана в {4}. На выходе ПИМ с частотой 160 Гц попеременно формируется линейно-поляризованное излучение с азимутами Р и Р+90° . Отраженное от образца излучение проходит через анализатор с азимутом А на блок фотоприемников. Сканируя азимут анализатора при автоматическом считывании значений азимута с дискретностью 10', определяем два азимута А1 и Аг, при которых сигналы 11И 1г, соответствующие переключаемым ПИМ пучкам, равны. По А1 и Аг определяются эллипсомет-рические и электрофизические параметры.

Технические параметры установки:

Длина волны излучения 0,63; 1,15; 3,39; 10,6 мкм.(Не-Ке лазер ЛГ-126 и С02 лазер).

Время измерения - 5 сек; Диапазон измеряемы^ толщин- 0,001-20 мкм. Погрешность определения толщин- 0,5 нм; Погрешность определения показателя преломления 0,005; Погрешность определения концентрации свободных носителей заряда (при №> 1019 см"3)- 5%. Погрешность определения подвижности свободных носителей заряда 15%. Погрешность определения эллипсометрических параметров у и Д 0,02°-0,04° на длинах волн 0,63-3,39 мкм и

0,1" на длине волны 10,6 мкм. Диапазон автоматического сканирования угла падения излучения на образец-30-90 градусов. Погрешность определения азимута анализатора -0,02".

В Главе 3 представлен двухлучевой дифференциальный ИК эллипсометр, описанный в

{37}.

Эллипсометр имеет высокую чувствительность при определении разности эллипсомет-рических параметров эталонного и исследуемого образцов.

Широкий спектральный диапазон, меньшие потери излучения и возможность выбора произвольных значений переключаемых азимутов поляризации характерны для И К эллипсо-метра, предложенного в {33}. Система деления пучка по фронту и переключения пучков обеспечивает очень широкий спектральный диапазон от 400 им до 50 мкм (Табл. в Гл.З) при высокой степени поляризации пучков.

3-диафрагма, 4-обтюратор, попеременно прерывающий верхную от плоскости рисунка и нижную половинки пучка.5,6, 9и10- плоские зеркала, 7,8,11 и 12 - пластины легированного кремния, установленные под углом Брюстера к падающему пучку, 14-исследуемый образец, 15-анализатор отражательного типа , 16-линза, 17 - болометр (либо фотоприемник Ge:Au) -регистрирующая система.

Глава 4. Разработка и создание лазерных и спектральных эллипсометиов для УФ. видимой и ближней ИК спектральной области.

Глава 4 посвящена разработке и созданию лазерных и спектральных эллипсометров для УФ, видимой и ближней ИК спектральной области.

Универсальный сканирующий спектроэллипсометр ES-2 (Эльф).

Спектральный диапазон 270-1050 нм. Диапазон изменения углов падения4- 45-90 градусов. Время измерения спектров эллипсометрических параметров Ч1 и Д - 20 сек. Точность определения Ти А по воспроизводимости 0.003 и 0.005 градусов, а показателя преломления и толщины пленок 0,001 и 0,01нм, соответственно. Долговременная стабильность 0,01 градуса.

Диаметр пучка 3 и 0,2 мм (с микроприставкой). Предусмотрена возможность использования УФ светодиодов иУТОР для работы в спектральном диапазоне от 270 нм с высокой надежностью и отношением сигнал/шум.

Рис.4.1. Универсальный сканирующий спектроэллипсометр Е8-2.

ШЩЯШКШВ^Щ V .' У ЩпгЛ 111

амг-----„--

¥ тт " ->.' '......... - , • ' ' * ШШйШШШШШШШй

шн к

Рис. 4.2. Многоканальный компактный спектроэллипсометр с 512-элементной линейкой фотодиодов. Источник - галогенная лампа. Спектральный диапазон-380-800 нм. Угол падения излучения на образец-70 градусов. Минимальное время измерения спектров эллипсометриче-сюи параметров Ч* и Д -0,6 сек. Точность измерения эллипсометрических параметров ¥ и Д по воспроизводимости 0.003 и 0.01 градуса, соответственно. Долговременная стабильность ¥ и А - 0.01 градуса. Точность измерения оптического пропускания жидкостей и поворота плоскости поляризации: 0.05% и 0,001 градуса, соответственно. Точность определения показателя преломления -0,001.

Проблема недостаточного ресурса стандартных ксеноновых ламп в коммерческих спектральных эллипсометрах решается использованием экономичного импульсного ксенонового источника излучения РХ-2 (Ocean Optics.Inc.){14}. Последовательно по ходу пучка излучения расположены линзовый осветитель, монохроматор МДР-3, управляемый от компьютера, БМСП, расположенный вертикально образец, модифицированная призма Волластона с воздушным зазором и два кремниевых фотодиода S5226-8BQ (Hamamatsu). Одновременное интегрирование сигналов на фотоприемниках обеспечивает высокое отношение с/ш при использовании сравнительно нестабильных ксеноновых ламп и импульсных ксеноновых ламп РХ-2 (длительность импульса излучения 5 мкс, частота повторения импульсов до 220 Гц, ресурс 10' импульсов). На Рис.4.3 показаны спектры действительной и мнимой частей псевдодиэлектрической функции кремниевых пластин с тонким термическим окислом в УФ части спектра. Спектральные зависимости, вычисленные в рамках однослойной модели (термический окисел толщиной 4.4 нм и 29 нм на кремниевой подложке), хорошо соответствуют экспериментальным данным. Основные технические характеристики импульсного двухканального СЭ: Спектральный диапазон 270-1100 нм. Спектральное разрешение 1.3 нм в диапазоне 270-370 нм и 2.6 нм в диапазоне 370-1100 нм. Диапазон углов падения излучения на образец 40-90 градусов. Точность определения эллипсометрических параметров cosA и tgf по воспроизводимости и их долговременная стабильность 10'4 в области длин волн более 450 нм.

На Рис.4.4. показан многоканальный СЭ с геометрией: источник излучения - бинарный модулятор - ахроматический компенсатор - образец - второй бинарный модулятор - минис-пектрограф- линейка 35 фотодиодов. Минимальное время измерения спектров - 0,6 сек.

40

Рис.4.3.

ттшттщ-

111 IliUj.

Рис 4.4. in situ многоканальный спектральный таиисометр для исследования в реальном времени роста полупроводниковых структур методом индуктивно связанной плазмы (ФТИАН).

li главе 4 дано описание некоторых других схем -илипеометров. удобных для конкретных приложений. Например, при использовании 113C матриц фотоприемников и локальных измерениях имеет определенные преимущества зллипеометр с геометрией: источник излучения - ВМ с опорным фотоириемииком - компенсатор-образец - стандартный анализатор - ПЗС ! матрица. Достаточно измерить отношения сигналов на пикселах матрицы к опорному сигналу для каждого из переключаемых пучков. Естественно, увеличивается скорость измерений, упрощается конст рукция. Такой млипсометр можно использовать и для in situ измерений.

Основной вывод представленных выше глав - эяяипсомстрия с бинарной модуляцией состояния поляризации дает широкие возможности для разработок новых поляризационных элементов и создания широкого семейства млипсометров различного назначения, исключающих основные недостатки современных коммерческих эялипсометров. Открываются возможности нового подхода при создании других поляризационных приборов: линейных и циркулярных дихрометров, дифференциальных поляризационных рефлектометров, блнжнеполе-вых эялипсомстроя.

Глава 5. Исследование ¡полупроводниковых и ш мекм'ичеекчч материалов......и

структур метолом спектральной чл.типсометцин с бинарной модуляцией состояния поляризации.

5.1.Спектральная эдлипсометрия многослойных гетероструктур ZnS/ZnSe ¡11,12},

При исследовании слоев селенида цинка, сульфида цинка и многослойных структур ZnS/ZnSe, полученных методом химического газофазного осаждения из адемеитоорганиче-ских соединений на ОаМ-нодложках, эялилсометричсские измерения проводились на универсальном автоматическом двухкаиолмюм снеетрозшишеометре с БМСП на основе серийного монохроматора МДР-3 со спектральным разрешением 1 ми.

Для локальных эядипсометрических измерений использовалась приставка, изготовленная на основе двух сферических зеркал с фокусным расстоянием 50 мм, что позволило зиачи-

телыга уменьшить ошибки анализа слоев с большими толщинами, обусловленные их неоднородностью, и проводить картографирование поверхности образца с локальностью не хуже 0.2 х 0.5 мм при угле падения 70°. Качество гетероструктур оценивалось методами фотолюминесценции и рентгеновской дифрактометрии, а толщины определялись методами эллипсо-метрии и по спектрам отражения.

Из-за упругих напряжений вследствие несоответствия параметров решетки эпитакси-альных слоев и подложки и наличия дефектов в объеме пленки оптические константы тонких пленок А В и соответствующих монокристаллов несколько различаются. Для определения дисперсии показателей преломления и поглощения тонких эпитаксиальных слоев гпБ и ZnSe выращены простые слои соединений А В . В спектрах соэД и tgЧ/ двух структур гиБе/СаА? с различной толщиной эпитаксиалыюго слоя, зарегистрированных с приставкой для локальных измерений, хорошо заметно изменение характера кривых вблизи края запрещенной зоны се-ленида цинка. Двухслойная модель поверхностный оксидный слой/пленка ¿пБе/подложка ОаАэ (рис. 1) удовлетворительно описывает экспериментальные результаты. Наличие особенностей вблизи энергий Е0/(Е0 +Д0) критических точек и совпадение абсолютных величин п икс литературными данными свидетельствуют о высоком структурном качестве слоев 2п5е. Вследствие упругих напряжешш максимум спектра показателя поглощения к смещен в коротковолновую сторону по сравнению с известивши данными для объемных монокристаллов селенида цинка. Отметим, что использование микроприставки в СЭ-измерениях дает возможность исследовать достаточно толстые пленки, при этом достигается хорошее совпадение как в области прозрачности 2пБе, так и в коротковолновой части спектра

Данные измерений одиночных слоев позволили нам с большей достоверностью анализировать эллипсометрические спектры многослойных структур, в том числе брэгговских зеркал на основе 2пЗе/2пЗ. На рис. 5.1 приведены результаты измерений и расчета в рамках 10- и 12-слойной модели для двух структур (гпЗейпЗ^ЯпЗе/ОаАв, причем толщины слоев как гпБ, так и гпЭе в многослойной структуре принимались одинаковыми во всех парах слоев. Расчет и эксперимент хорошо согласуются во всем спектральном диапазоне, величина а не превышает 0.02—0.03. Спектры отражения, рассчитанные для угла падепия 20° по определенным из СЭ параметрам (рис. 3), совпадают с измеренными (рис. 2, в и г).

г ei'

о.б г

0.2

0.6 0.4

0.2 ¡/

А

L/V

w

400 -150 500 550 600

400 450 500 550 600 А. им

Рис.5.1.. Эллипсометрические спектры tgЧ' (о) и соэД (Д) двух многослойных структур в сопоставлении с модельными расчетами для структур: поверхностный оксидный слой 4 нм/четыре пары слоев (46 нм 7п8е/58 нм 2,п$>)16Ъ нм Хпве/СаАя (а и б) и поверхностный оксидный слой 5 нм/пять пар слоев (41.5 нм гп8е/45.5 нм гп8)/271 нм гпБеЛЗаАз (в и г).

Распределенный брэгговский рефлектор (РБР), состоящий из чередующихся четвертьволновых слоев двух материалов с различными показателями преломления, является важным компонентом поверхностно излучающих лазерных резонаторов. Согласно нашим измерениям для пары 2пБйп8е на X = 480 нм Дп = 0.35 и расчет показывает, что коэффициент отражения на этой длине волны для РБР с 20 парами должен быть >99 %.

При выращивании РБР на основе гпБЖпЗе главное внимание уделено снижению шероховатости растущей поверхности. В результате для лучшего выращенного образца РБР с 20 парами коэффициент отражения 99 % на X = 480 нм.

Приведены экспериментальный и расчетный спектры. Коэффициенты отражения в области максимума практически совпадают, хотя более узкая экспериментальная полоса свидетельствует о разбросе периода РБР. Следует отметить, что столь высокий коэффициент отражения на полупроводниковых РБР для синей области спектра получен впервые.

5.2. Исследование изменения оптических свойств пленок полиметилметакрилата и по-листирена при ионном облучении методом СЭ {15} .

Мы использовали метод СЭ с бинарной модуляцией состояния поляризации. В универсальном автоматическом спектроэллипсометре последовательно расположены: импульсная ксеноновая лампа РХ-2 -дифракционный монохроматор МДР-3 - коллимирующие зеркала -бинарный модулятор - зеркальный объектив (диаметр сфокусированного пучка до 150 мкм) -модифицированная призма Волластона - два сферических зеркала - два кремниевых фотодиода - ПК). Спектральный диапазон эллипсометра -270-1050 нм. Одновременное интегрирова-

ние на фотоприемниках существенно увеличивает отношение сигнал/шум при работе с импульсными и нестабильными источниками излучения.

Результаты наших СЭ исследований показали, что при облучении РММА ионами азота при дозах ниже 1 хЮ15 ст2 сильная дисперсия п(>.) и к(Х) наблюдается в спектральном диапазоне 300-600 11111 (Рис.5.2.). Величины п(Х) и к(Х) возрастают с уменьшением к. При 1> 600 им наблюдается слабая дисперсия п(А.) и к(Х).

При дозах облучения более 1х1015 ст2 спектральное поведение п(Х) и к(Х) РММА пленок наблюдается сильное увеличение коэффициента экстишсции и пленки не могут использоваться как волноводный материал. Максимум в зависимости п(^) сдвигается в длинноволновую сторону, а к возрастает на три порядка в коротковолновой части спектра. Облучение РММА и Р5 ионами можно использовать как эффективное средство изменения оптических свойств и изготовления диэлектрических планарных волноводов

300 400 500 600 700 800 S00 1000 Wavelength, nm

1 1

с i

1 1

300 400 500 600 700 800 900 1000 Wavelength, nm

Рис.5.2. Влияние N ионной имплантации (300 KeV) на оптические свойства РММА пленок, полученных из Tan v|/ и cos А спектров

5.3. Спектральная эллипсометрия скрытых графитизированных слоев в ионно-имплантированном алмазе.

Эллипсометрический анализ скрытых графитизированных слоев, образованных в Не+имплантированном и отожженном алмазе, выполнен в {18}. Спектры эллипсометрических параметров, измеренных в области длин волн 360-1050 нм при углах падения 65, 70 и 75 градусов, согласуются в рамках трехслойной модели. С использованием дополнительных измерений оптического пропускания, атомносиловой и интерферометрической микроскопии, определены с высокой точностью пик спектры, толщина и шероховатость графитизированных слоев.

5.4.Оптические свойства наноструктурированных пленок a-C:H:Si.

4 В {70} показана эффективность использования СЭ в комплексе с Рамановской^пектро-скопией, атомносиловой микроскопией и измерениями фотопроводимости для определения свойств пленок микрокристаллического (ic-Si:H) и аморфного (a-Si:H), полученных методом PECVD при низких температурах и отожженных при различных температурах в диапазоне

300-600° С. Спектры действительной и мнимой частей псевдодиэлектрической функции, измеренные на СЭ в области 270-1100 нм анализируются с помощью аппроксимации эффективной среды Бруггемана (ВЕМА). Удовлетворительное описание экспериментальных СЭ спектров обеспечивает введение подповерхностного слоя толщиной 30-40 нм с относительно высоким (15-20%) содержанием пустот. В соответствии с данными СЭ главным эффектом отжига пленок было уменьшение толщины и /или концентрации пустот подповерхностного слоя без заметного изменения свойств поверхностного слоя.

Во всем спектральном диапазоне наблюдалось полное совпадение спектров пропускания, измеренных и рассчитанных с использованием спектров п(Х.) и к(А,).Показатель преломления по своей величине и спектральной зависимости в целом совпадал с данными для пленок a-C::H:Si, осажденных при низких содержаниях тетраметилсилана в метане [30], тогда как рост коэффициента экстинкции с уменьшением длины волны в наших пленках был выражен слабее, чем в образцах из работы [30].

В разделе5.5 диссертации показаны результаты исследования оптических свойств тонких алмазных пленок, осажденных с использованием прекурсора- поли (нафтилгидрокарби-на) {71}.

Раздел 5.6 представляет СЭ измерения алмазоподобных пленок на Си {21}.

Оптические и фотоэлектрические свойства напыленных и отожженных PECVD пленок поликристаллического кремния {16,55} отражены в разделе 5.7.

В разделе 5.8. показана эффективность СЭ исследования SIMOX структур.

Спектроэллипсометрические исследования тонких композитных слоев GaAs-MnAs и ферромагнитных слоев InMnAs {22,23,26,27} представлены в разделе 5.9 диссертации.

Глава 6. Лазерная и светодиодная эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации в сенсорных устройствах.

Нами разработан компактный и скоростной эллипсометр (Рис.6.1.), работающий по следующей схеме: пучки двух идентичных светодиодов попеременно поступают на клин из кальцита (или призму Волластона) так, чтобы ортогонально поляризованные пучки от светодиодов совмещались в один и направлялись на образец под углом, например, 70 градусов. Отраженные пучки проходят через второй клин (или призму Волластона) и направляются на два идентичных фотодиода. Измеряются отношения интенсивностей на фотодиодах при последовательном включении светодиодов и определяются эллипсометрические параметры Ч* и Д. Скорость измерений ограничивается инерционностью фотоприемников и временем преобразовать АЦП. Для свегодиода с длиной волны излучения 620 нм получены рекордные для эллипсометрии значения для точности по воспроизводимости (precision): 2х10"5° для Ч* и Зх10"4° для Д. Такие крайне простые и дешевые малогабаритные эллипсометры с бинарной модуляцией состояния поляризации удобны для картографирования, исследования кинетики различных процессов и применений в сенсорных устройствах.

Рис. 6.1.

На Рис.6.2 показано, как с увеличением концентрации паров гексана толщина сенсорной пленки меняется от 435 до 525 нм. Наблюдается хорошее соответствие с рассчитанной номограммой. При этом разрешение по толщине лучше 0,01 нм.

Рис. 6.2.

В ряде работ используется одновременно в условиях in situ микромеханические канти-леверы и эллипсометрия в качестве сенсорных устройств^ 5]. Эллипсометрия обеспечивает измерение толщины молекулярного слоя с точностью 0,1 нм и поверхностное напряжение в разрешением 5x10 -5 Н/м. В таких задачах решающее значение имеет чувствительность эл-липсометра.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые состоят в следующем:

• Показаны перспективы предложенного и последовательно развиваемого автором нового направления в эллипсометрии - эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации, которые определяются быстро растущими требованиями к техниче-

ским параметрам современных эллипсометров. Например, высокое отношение с/ш в спектральных отображающих (imaging) эллипсометрах с высоким латеральным разрешением достигается максимально возможным временем интегрирования в условиях наивысшей чувствительности. Элпипсометрия с БМ хорошо подходит, в отличие от эллипсометров с вращающимися поляризационными элементами и эллипсометров с фазовыми модуляторами, для этих целей.

• Предложены и экспериментально отработаны различные методы измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации. Каждый из них имеет специфические преимущества.

• Разработана новая элементная база поляризационной оптики.

• Разработано и создано семейство автоматических лазерных, светодиодных и спектральных эллипсометров нового поколения, не содержащих движущихся поляризационных элементов.

• На основе созданных спектральных эллипсометров выполнен цикл исследований оптических свойств полупроводниковых и диэлектрических материалов и структур и жидкостей. Показана информативность метода эллипсометрии с бинарной модуляцией и высокое качество развитого программного обеспечения.

• Продемонстрированы большие потенциальные возможности сенсорных устройств с использованием малогабаритных надежных светодиодных эллипсометров.

В процессе выполнения работы в полной мере решены все поставленные задачи. Вышеперечисленные основные результаты составляют прочную основу дальнейшего успешного развития эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

Отметим появление сообщений о реализации поляризационных устройств с бинарной модуляцией. В ИФП РАН (Новосибирск) в 2005г. предложен эллипсометр с коммутирующими поляризационными элементами. В период с 2005 по 2008 г. в MIT (Boston) создан дихро-метр-микроскоп с использованием двух светодиодов с длиной волны 280 нм [20]. В [29] предложен метод измерения двулучепреломления с использованием двух лазеров с ортогональными поляризациями. Однако еще с 1994 г. в университете Suffolk (Boston) работает наш прецизионный эллипсометр с двумя лазерными диодами для решения более сложных задач. Для иллюстрации приведены некоторые публикации нескольких коллективов авторов из США [23-27] со ссылками в тексте на успешное использование изготовленных нами лазерных эллипсометров с БМ. Область применений переключения ортогонально поляризованных пучков стремительно расширяется в различных областях науки и техники. Следует ожидать растущий интерес и к эллипсометрии с БМ. На ЗАО Концерн «Наноиндустрия», Москва начато серийное производство спектральных эллипсометров с бинарной модуляцией состояния поляризации (Приложение 1 в Диссертации).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1 Огрин Ю.Ф., Луцкий В.Н., Арифова М.У., Ковалев В.И., Сандомирский В.Б., Елинсон М.И. Температурная зависимость электропроводности и эффекта Холла в кван-тово-размерных пленках. Письма ЖЭТФ, 1967, т.53, в.4(10), с. 1218-1224.

2 Огрин Ю.Ф., Ковалев В.И. Электромеханический метод фазовой модуляции излучения. Радиотехника и электроника, 1970, т.15, в.4,с. 851.

3 Ковалев В.П., Елинсон М.И., Габучян В.М., Шульженко М.П. Определение электрофизических параметров сильно легированных полупроводников методом псевдоугла Брюстера. Микроэлектроника, 1976, т.5, с.76-78.

4 Елинсон М.И., Ковалев В.И., Россуканый Н.М., Шаповалов В.И., Габучян В.М., Шульженко М.П. Автоматическая эллипсометрическая установка. Электронная промышленность, 1982, Вып.10-11 (116-117), с. 100-102.

5 Габучян В.М., Шульженко М.П., Лобзин С.Е., Ковалев В.И. Метод и устройство для измерения концентрации свободных носителей заряда. Электронная техника. Сер. 8. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания, 1982, вып. 1(93)-2(94), с. 93-94.

6 Васильев Н.Н., Ковалев В.И. Универсальный автоматический эллипсометр . Электронная промышленность, №7,1991,с. 29-30.

7 Kovalev V.I., Rukovishnikov А.1., Rossukanyi N.M., Perov P.I. New high precision and high speed automatic ellipsometer with polarization switching for in situ control in semiconductor device technologies. Physics of Semiconductor Devices (New Delhi:Tata McGraw-Hill), 1991, pp. 244-249.

8 Perov P.I., Kovalev V.I., Rukovishnikov А.1., Rossukanyi N.M. and Johnson W.H. Hydrogen-sensitive palladium film study with precise and fast ellipsometers . Int. J. Electronics. 1994, v. 76, n.5, c. 797-803.

9 Ковалев В.И., Руковишников А.И., Перов П.И., Россуканый Н.М., Авдеева Л.А. Разработка оптических методов и аппаратуры для контроля технологии и параметров полупроводниковых структур нано - и микроэлектроники. Радиотехника и электроника, 1999, т.44, №11 ,с. 1404 -1407.

10 Климов В.В., Ковалев В.И., Крапивин В.Ф., Мкртычан Ф.А., Руковишников А.И. Адаптивная информационная система для экологического мониторинга водной среды. Вопросы радиоэлектроники, серия Общетехническая, 2002, в.2, с. 88-91.

11 Ковалев В.И., Кузнецов П.И., Житов В.А., Захаров Л.Ю., Руковишников А.И., Хомич А.В., Якущева Г.Г., Гапоненко С.В. Спектральная эллипсометрия многослойных гетероструктур ZnS-ZnSe. Журнал прикладной спектроскопии, 2002, т. 69, с. 258-263.

12 Kuznetsov P. I., Yakushcheva G.G., Kovalev V.I., Ermolenko M.V. Optical properties of multilayer heterostructures based on ZnSe/ZnS. In "Physics, Chemistry, and Application of Nanostructures", World Scientific, 2003 p. 102-106.

13 Ковалев В.П., Руковишников А.И. Компактный многоканальный спектроэллип-сометр. Приборы и техника эксперимента, 2003, с.164-165.

14 Ковалев В.И., Руковишников А.И.. Импульсный спектральный эллипсометр с бинарной модуляцией состояния поляризации. Приборы и техника эксперимента, 2003,с.162-163.

15 Leontyev A.V., Kovalev V.I., Khomich A.V., Komarov F.F., Grigoryev V.V., Kami-shan A.S. PMMA and polystyrene films modification under ion implantation studied by spectroscopic ellipsometry. Proceedings SPIE, 2004, v.5401, p. 129-136.

16 Khomich A.V., Kovalev V.I., Vedeneev A.S., Kazanskii A.G., Forsh P.A., He D„ Wang X.Q., Mell H., Vlasov I.I., Zavcdcc^E.V. Optical and photoelectrical characterization of as-deposited and annealed PECVD polysilicon thin films. Proceedings SPIE, 2004, v.5401, p. 200-207.

17 Komarov F.F., Leontyev A.V., Khomich A.V., Kovalev V.I. The formation of dielectric microwaveguides at the system polymer/SiCh/Si by using of ion irradiation. Vacuum, 2005, v. 78, p. 617-622.

18 Khomich A.V., Kovalev V.I., Zavedeev E.V., Khmelnitskiy R.A., Gippius A.A. Spectroscopic ellipsometry study of buried graphitized layers in ion implanted diamond. Vacuum, 2005, v. 78, p. 583-587.

19 Mkrtchan F.A.,.Krapivin V.F., Kovalev V.I., Klimov V.V.Rukovishnikov A.I., Nguen Si Hong, Bui Cuok Nghia. Adaptive Spectroellipsometric Technology for the Precise Real-Time Monitoring of the Water Systems. Environmental Informatics and Education, №6, 2006, pp. 124130.

20 Mkrtchyan F.A.,Krapivin V. F.,Kovalev V. I.,Klimov V.V. An adaptive spectroellipsometric technology for ccological monitoringof sea water. PICES Scientific Report,2006,No.36,pp.215-218.

21 Иовдальский B.A., Пелипец O.B., Зубков Н.П., Ковалев В.И. Исследование состава алмазоиодобных пленок углерода, используемых в изделиях микроэлектроники. Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника, 2007, в. 1 (489), с.70-78.

22 Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Демидов Е.С., Звонков Б.Н., КовалевВ.И., Кунь-кова З.Э. и др. Ферромагнетизм в напыленных лазером GaMnAs слоях. Известия РАН, сер. Физическая, 2007, т. 71, №1, с. 37-39.

23 Ганьшина Е.А., Голик Л.Л., Ковалев В.И., Кунькова З.Э., Вашук М.В., Вихрова О.В., Звонков Б.Н., Сафьянов Ю.Н., Сучков А.И. «Оптическая и магнитооптическая спектроскопия тонких композитных слоев GaAs-MnAs», Известия РАН, сер. Физическая, 2008, т.72, №2, с. 176-179.

24 Самарцев И.Э., Крапивин В.Ф., Ковалев В.И., Ковалев С.В., Потапов И.И. Экономическая эффективность технологии гибких информационно - моделирующих систем в задачах мониторинга окружающей среды. Экономика природопользования, 2009, №1, с. 88-100.

25 Фролов В.Д., Герасименко В.А., Кононенко В.В., Пименов С.М., Хомич А.В., Ковалев В.И., Кирпиленко Г.Г., Шелухин Е.Ю. Оптические свойства наноструктуриро-ванных пленок a-C:H:Si. Российские нанотехнологии, 2009, т.4 , № 5-6, с. 138-143.

26 Gan'shina Е.А., Golik, L.L., Kovalev V.I., Kun'kova Z.E., Temiryazeva M.P., Dani-lov Yu.A., Vikhrova O.V., Zvonkov B.N., Rubacheva A.D., Tcherbak P. N., Vinogradov A.N.,Zhigalina O.M., Resonant enhancement of the transversal Kerr effect in the InMnAs layers. J. Phys.: Condens. Matter 22,2010, 396002 (9pp) doi:10.I088/0953-8984/22/39/396002

27 Gan'shina E.A., Golik L.L., Kovalev V.I., Kun'kova Z.E., Temiryazeva M.P., Dani-lov Yu.A.,Vikhrova O.V.,Zvonkov B.N.,On nature of resonant transversal Kerr effect in InMnAs and GaMnAs layers. Solid State Phenomena, 2011, Vols.168-169, p.35-38. Online available since 20I0/Dec/30 atwww.scientific.net

28 Mkrtchyan F. A., Krapivin V. F., Kovalev V. I., and Klimov V. V. An adaptive spec-troellipsometer for ecological monitoring," Microwave and Optical Technology Letters, 2009, Vol. 51, No. 11, pp.2792-2795.

29 Ковалев В.И., Елинсон М.И., Игнатов Б.Г., Перов П.И., Габучян В.М. Поляризационный интерферометр - модулятор. А.С. №771601.1980. Пр.14.7.1978.

30 Габучян В.М., Шульженко М. П., Лобзин С.Е., Кирсанов Н.С., Ковалев В.И. Устройство для бесконтактного измерения параметров планарно- эпитаксиальных структур. А.С.№687925. 1979.

31 Ковалев В.И., Елинсон М.И. Способ эллипсометрических измерений.А.С. №1288558.1985. np.20.04.1983.Qn. 7.02.1985.Б.И. №5.

32 Ковалев В.И., ЕлинсоЪ М.И., Перов П.И. Эллипсометр. А.С.№1160810,- 1985. Пр. 20.04.1983.

33 Ковалев В.И. Спектральный эллипсометр. А.С.№1369471.1988. Пр. 28.02.1986.

34 Ковалев В.И., Эллипсометр. А.С.№ 1695145 . 1989. Пр. 3.08.1988.

35 Ковалев В.И., Россуканый Н.М. Ахроматическое фазосдвнгающее устройство. А.С.№1337860.1987.Пр.27.02.1986.

36 Ковалев В.И. Эллипсометр. Патент России № 1695145. Зарегистрирован 10.01.1996г.

37 Ковалев В.И., Елинсон М.И., Габучян В.М., Шульженко М.П. Двухлучсвой эллипсометр на основе Не- Ne лазера ЛГ-126. Тезисы докладов 1 Всесоюзной конференции по эллипсометрии. Новосибирск.1977, с.73.

38 Kovalev V.l., Elinson M.I., Kamaukhov V.A., Potapov V.T. Optical method investigations of structures used in the linear integral circuit production. Proceedings of the International Simposium on Reliability of microelectronic devices. Berlin. 1978. p. 62-65.

39 Kovalev V.l., Elinson M.I. Polarization optical device for the investigation of microelectronic structures. IV International Conference " Mikronika-79. Abstracts.p. 112, 20-22 November 1979. Warszawa.

40 Ковалев В.И., Елинсон М.И., Игнатов Б.Г., Россуканый Н.М., Тужиков A.B. Эл-липсометр-гониофотометр для экспрессного определения параметров материалов микроэлектроники. Тезисы докладов 1 Всесоюзной школы - семинара « Проблемы функциональной микроэлектроники» Горький. 1980. С.31.

41 Ковалев В.И., Елинсон М.И., Габучян В.М. Исследование кремниевых структур методами эллипсометрии с поляризационной модуляцией. Тезисы докладов на 9 Всесоюзной научно-технической конференции по микроэлектронике. Казань. 1980 , С. 28.

42 Ковалев В.И., Габучян В.М., Елинсон М.И., Россуканый Н.М. Эллипсометр с дискретной модуляцией состояния поляризации для экспрессных измерений в видимой и ИК области области спектра.2 Всесоюзная конференция по эллипсометрии. Новосибирск, 1981, с. 120.

43 Шаповалов В.И., Лискин Ю.Ф., Просвирников В.В., Ковалев В.И., Никитен-коН.Д., Петрова И.М. Исследование деградационных процессов в контактной области герконов. Всесоюзная научно-техническая конференция « Специальные коммутационные элементы»,19-21 сентября 1984 , Рязань, с.26.

44 Россуканый Н.М., Ковалев В.И., Елинсон М.И. ИК - эллипсометр на основе СО и С02 лазеров. Всесоюзная Конференция по эллипсометрии. Новосибирск. 1985. с. 96.

45 Ковалев В.И., Габучян В.М., Елинсон М.И. Эллипсометрия с дискретной модуляцией состояния поляризации. Всесоюзная Конференция по эллипсометрии. Новосибирск. 1985, с.87.

46 Ковалев В.И., Россуканый Н.М.,Руковишников А.И. Эллипсометрия с дискретной модуляцией состояния поляризации - эффективный метод исследования электронных структур. Тезисы докладов на ежегодном Совещании общества Попова,4.10.1986,с. 31.

47 Ковалев В.И., Елинсон М.И., Руковишников А.И. Автоматические эллипсомет-ры для исследования материалов и структур микроэлектроники. Тезисы докладов на I Всесоюзной конференции « Физические и физико-химические основы микроэлектроники» Вильнюс.1987. С. 174-176.

48 Скоростной автоматический эллипсометр с бинарной модуляцией состояния поляризации для картографирования и исследований in situ. CöopmtK достижений АН СССР. 1989, с.27.

49 Ковалев В.И., Руковишников А.И. Малогабаритный автоматический эллипсометр для исследований in situ. Всесоюзная конференция « Поверхность 89» Черноголовка,4-6 июля 1989, с. 155.

50 Kovalev V.l., Perov P.I., Rukovishnikov A.I.,Rossukanyi N.M., Perov P.I., Johnson W.H. and Driscoll J.N. Novel polarization-optical technique and devices for fast and pricise cha-racterizatioifof thin films for chemical sensors, MRS Fall Meeting, 1994. p. 43.

51 Ковалев В.И., Руковишников А.И., Хомич A.B. Применение спектральной эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния для исследования ионно-имплантированных структур. Труды Международной конференции « Взаимодействие излучения с твердым телом - ВИТТ-2003», Минск, Беларусь,8-10 октября, с. 365-367.

52 Ковалев В.И., Леонтьев А.В., Хомич А.В. Спектральная эллипсометрия пленок ПММА и полистирола, облученных ионами азота. - ВИТТ-2003,Минск, Беларусь, 8-10 октября, с. 262-264.

53 Заведеев Е.В., Хмельницкий Р.А., Хомич А.В., Ковалев В.И. Островковая гра-фитизация в алмазах, имплантированных водородом и дейтерием. Труды Международной конференции « Взаимодействие излучения с твердым телом - ВИТТ-2003», Минск, Беларусь^" 10 октября, с. 262-264.

54 Leontyev A.V., Kovalev V.I., Khomich A.V., Komarov F.F. PMMA and polysterene films modification under ion implantation studiesd by spectroscopic ellipsometry. - International Conference "Micro- and Nanoelectronics -2003",Москва-Звенигород, 6-10 октября ,-c. Pl-26.

55 Khomich A.V., Kovalev V.I., Vedeneev A.S., Kazanskii A.G., Forsh P.A., He D., Wang X.Q., Mell H.Optical and photoelectrical characterization of as-deposited and annealed PECVD polysilicon thin films.-International Conference " Micro- and Nanoelectronics -2003", Москва-Звенигород, 6-10октября, с. Pl-27.

56 Kovalev V.l.,Rukovishnikov A.I., Khomich A.V. Advanced capabilities of binary modulation polarization ellipsometry. - - International Conference "Micro- and Nanoelectronics -2003",Москва-Звенигород, 6-10 октября , с. 1-4.

57 Mkrtchan F.A., Krapivin V.F., Kovalev V.I., Klimov V.V.,Rukovishnikov A.I., Go-lovachev S.P. An adaptive spectroellipsometric technology for the ecological monitoring of the aquatic environment. Proceeding of 25-th ACRS, Chiang-Mai, Thailand, 2004, pp. 13-15.

58 Mkrtchan F.A., Krapivin V.F., Kovalev V.I., Klimov V.V. Spectroellipsometric technology for ecological monitoring of the aquatic environment. / Proceedings of the First Mediterranean Photonics Conference, 25-28 June 2008, Ischia, Napoli, Italy, pp. 333-335.

59 Klimov V.V., Kovalev V.I., Krapivin V.F., Mkrtchan F.A., "An expert system to diagnose pollutant spills in the water surface", Proceedings of the 12-th Conference on Control Systems and Computer Science, Bucharest, May, 1999, pp. 277-283.

60 Mkrtchan F.A., Krapivin V.F., Kovalev V.I., Klimov V.V., Golovachev S.P.An Adaptive Polarization Optics Technology for Ecological Monitoring of the Aquatic Enviren-ment. Proceedings of the International Symposium PIERS 2006-TOKYO (Progress In Electromagnetics Research Symposium), August 2-5,2006, Tokyo, Japan, pp. 1886-1891.

61 Мкртчян Ф.А., Климов В.В., Ковалев В.И. Экологический мониторинг водной среды на базе адаптивного идентификатора. Материалы седьмого международного симпозиума « Проблемы экоинформатики . Москва, 7-9 декабря, 2006, с.171-175.

62 Kovalev V.I., Rukovishnikov A.I., Khomich et al. Spectroscopic ellipsometry based on binary modulation polarization for thin film structure study. Proceedings of International conference "Modern problems of Condensed Matter - 2007", Kiev, Ukraine, 2-4 October 2007, p. 247-248.

63 Mkrtchan F.A., Krapivin V.F., Kovalev V.I., Klimov V.V. Spectroellipsometric adaptive identifier For ecological monitoring of the aquatic environment. Proceedings of the 22-th International Symposium on Okhotsk Sea& Sea Ice. 18- 23 February 2007, Mombetsu, Hokkaido, Japan, pp.30 -32.

64 Mkrtchan F.A., Krapivin V.F., Klimov V.V., Kovalev V.I. Spectroellipsometric Adaptive Identifier for the Ecological Monitoring Water Envirenment. Book of Proceedings 11 International Symposium on Microwave and Optical Technology (ISMOT 2007). Monte Porzio Catone, Italy, 17-21 December, 2007, pp. 385-388.

65 Крапивин В.Ф., Ковалев В.И., Климов B.B., Мкртчян Ф.А., Потапов И.И. Спек-троэллипсометрическая технология для контроля качества воды. Экология производства, 2005,№8, с. 38-41.

4 66 Крапивин В.Ф., Климов В.В., Мкртчян Ф.А., Ковалев В.И. Возможности ^6ВЧ-радиометрии и спектроэллипсометрии в мониторинге водных систем. В Сборнике «Фундаментальное исследование океанов и морей», 11 том, « Наука», Москва, 2006, с. 512-531.

67 Ковалёв В.И., Мадонов А.В., ЛазаревА.В., Руковишников А.И.,Ковалев С.В. «Многоканальные спектроэллипсометры и некоторые особенности их программного

обеспечения». Матер. YIII Межд. Симпозиума «Проблемы экоипформатики» 16-17 декабря 2008г. Москва, с.141-146.

68 Ганьшина Е.А., Голик Л.Л., Ковалев В.И., Кунъкова З.Э., Звонков Б.Н., Виноградова А.Н. «Оптическая и магнитооптическая спектроскопия тонких ферромагнитных слоев InMnAs», XII Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Сборник трудов, Нижний Новгород, 2008, т.2, с. 273-274.

69 Ковалев В.И. Руковишников А.И. Ковалев C.B. Хомич A.A. Исследовага1е пла-нарных кремниевых и алмазных структур методом спектральной эллипсометрии с дискретной модуляцией состояния поляризации. Химия твердого тела: монокристаллы, нано-материалы, нанотехнологии. 9 Мееждународная научная конференция. Кисловодск, 16 октября 2009 г. Ставрополье. 162-164.

70 KovalevV.I., KhomichA.V., Ralchenko V.G., et al. Variable-angle spectroscopic el-lipsometry studies of amorphous a-C:H:Si and ultrananocrystalline CVD diamond films for MEMS. Proceedings of ICMNE-2007, p. D5.

71 Булычев Б.M., Гепчель В.К., Звукова Т.М., Сизов А.И., Александров А.Ф., Коробов В.А., Большаков А.П., Герасименко В.А., Канзюба М.В., Седов B.C., Совык Д.Н., Ральченко В.Г., Ковалев В.И., Хомич Ф.В. Синтез и оптические свойства тонких алмазных пленок, осажденных с использованием прекурсора-поли (нафтилгидрокарбина). XV Международная научно-техническая конференция" Высокие технологии в промышленности России» XXII Международный симпозиум " Тонкие пленки в электронике". Сборник трудов. Москва, 2009, с.440-446.

72 Krapivin V.F., Mkrtchan F.A., Kovalev V.l., KJimov V.V. An adaptive system to identify the spots of pollutants on the water surface. Материалы VIII Международного симпозиума. Проблемы экоинформатики. Москва. 16-17 декабря 2008. с.35-46.

73 Ковалев В.И., Габучян В.М., Елинсон М.И.,Гришин В.П.,Смородин И.Н.,Пантин А.Н.,Козакова Н.И. Эллипсометрия с дискретной модуляцией состояния поляризации. Сборник « Эллипсометрия в науке и технике» Новосибирск, Наука. 1987.с.43-49.

74 Ковалев В.И., Руковишников А.И., Бондаренко A.A., Васильев H.H., Габучян В.М.,Россуканый Н.М.,Тихомиров H.A. Автоматические эллипсометры для научных исследований и технологии. Сборник «Эллипсометрия в науке и технике». Новосибирск, Наука. 1990, с. 68-72.

Список цитируемой литературы

[1]. Azzam R.M.A.,Bashara N.M.,Ellipsometry and Polarized Light,North-HolIand, Amsterdam, 1977.

[2]. Fujiwara H., Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications, New York, Wiley,

2007.

[3 J.Tompkins H.G., Irene E.A. Handbook of ellipsometry, William Andrew/Springer. 2005.

[4] Potter R.F. Applied Optics, 1965, vol.4, p. 53.

[5].3апасский B.C., Феофилов П.П. Развитие поляризационной магнитооптики парамагнитных кристаллов. Успехи Физических наук, 1975, т. 116, в. 1,41-78.

[6] Jasperson S. N. and Schnatterly S. E. An improved method for high reflectivity ellipsometry based on a new polarization modulation technique, Rev. Sci. Instrum., 1969,40,761-767.

[7] Aspnes D. E.,Studna A. A high precision scanning ellipsometer, Appl. Opt,1975,14, 220228.

[8] Drevillon В., Perrin J., Marbot R. et al. Fast polarization modulated ellipsometer using a microprocessor system for digital Fourier analysis, Rev. Sci. Instrum., 1982, 53 ,969-977.

[9] Roseler A., Spectroscopic ellipsometry in the infrared, Infrared Physics, 1981, 21,349-355.

[10] Zangooie S., Schubert M., Thompson D. W., and Woollam J. A. Infrared response of multiple-component free-carrier plasma in heavily doped p-type GaAs, Appl. Phys. Lett, 2001,78 , 937939. [11] Arwin H., Askendahl A., Tengvall P., Thompson D.W., Woollam J.A. Infrared ellipsometry studies of thermal stability of protein monolayers and multilayers. -Phys. stat. sol., (c) 5, No. 5,

2008, p. 1438-1441.

[12] Hilfiker J. N., Bungay C. L., R. A. Synowicki R. A„ Tiwald Т. E„ Herzinger С. M., Johs В., К. Pribil G. K. and Woollam J. A., Progress in spectroscopic ellipsometry: Applications from vacuum ultraviolet to infrared, J. Vac. Sci. Technol. A, 2003,21, 1103-1108.

[13] Meng Y.H., Chen S., Jin G. An auto-focusing method for imaging ellipsometry system. -Phys. stat. sol., (c) 5, No. 5,2008, p. 1046-1049.

[14]Meng Y.H., Chen Y.Y., Qi C.,et al. An automatic imaging spectroscopic ellipsometer for characterization of nano-film pattern on solid substrate. -Phys. stat. sol., (c) 5, No. 5, 2008, p. 10501053.

[15 J.Godin M., Laroche O., Tabard-Cossa V., Beaulieu L.Y.,Grutter P.,Williams P.J. Combined in situ micromechanical cantilever-based sensing and ellipsometry.Review of Sci. Instr., 2003, vol. 74,n.ll,4902-4907.

[16]Abraham M. and Tadjeddine A. The influence of plasma waves on the dispersion of surface plasmons: experimental evidence. J. Physique , 1987,48,267-275.

[17] Azzam, R. M. A., Binary polarization modulator: a simple device for switching light polarization between orthogonal states.Optics Letters, Vol. 13, Issue 9, pp. 701-703 (1988)

[18] Azzam, R. M. A., Polarization Michelson Interferometer (POLMINT) as a Global Polarization State Generator and for Measurement of the Coherence and Spectral Properties of Quasi- Monochromatic Light, Rev. Sci. Instrum.,1993,64, 834-838.

[19]Azzam, R.M.A., Polarization Michelson Interferometer (POLMINT): Its Use for Polarization Modulation and Temporal Pulse Shearing, Opt. Commun.,1993,98, 19-23.

[20] Zeskind BJ, Jordan CD, Timp W., Trapani L, Waller G, Horodincu V, Ehrlich DJ, and Matusudaira P. Nucleic acid and protein mass mapping by live-cell deep-ultraviolet microscopy. Nature Methods, 2007,4(7), 567-569.

[21] Karageorgiev P.,Orendi H.,Stiller В., Brehmer L. Appl. Phys. Lett. 2001, 79, 1730-1732.

[22] Callegaro L.,Puppin E. Lasers and light-emitting diodes as sources for fixed-wavelength magneto-optical phase modulated ellipsometry. Rev. Sci. Instrum., 1995, Vol. 66, No. 11, 5375-

^ 5376. ^

[23] Feresenbet E., Raghavan D., Holmes G. A. The influence of silane coupling agent composition on the surface characterization of fiber and on fiber-matrix interfacial shear strength.

The Journal of Adhesion. 2003,Volume 79, Issue 7, Pages 643 - 665.

[24] Sidorenko A., Zhai X. W., A. Greco A., and Tsukruk V. V. Hyperbranched Polymer Layers as Multifunctional Interfaces. Langmuir, 2002, 18, 3408-3412.

[25]. Reukov V.,Vertegel A., Burtovyy A., Kornev K, Luzinov I and Paul Miller. Fabrication of nanocoated fibers for self-diagnosis of bacterial vaginosis. Materials Science and Engineering: C. 2009, Volume 29, Issue 3, Pages 669-673

[26]. Bonhomme G., LeMieux M., Weisbecker P. et al. Oxidation kinetics of an AlCuFcCr ap-proximant compound: an ellipsometric study. Journal of Non-Crystalline Solids, 2004, Volumes 334-335, Pages532-539.

[27] LeMieux M. C., Peleshanko S., Anderson D., K., and V. V. Tsukruk V. V. Adaptive Nanome-chanical Response of Stratified Polymer Brush Structures. Langmuir, 2007, 23, 265-273.

[28] alexandria.tue.nl/extra2/200213830.pdfJ-Charles Cigal. A Novel Spectroscopic Ellipso-metcrin the Infrared. Dissertation, 2002, Chapter2, p.42.

[29] Mackey Jeffrey R, Salari Ezzatollah and Tin Padetha. Optical material stress measurement using two orthogonally polarized sinusoidally intensity-modulated semiconductor lasers. Meas. Sci. Technol. 2002,13, 179-185.

[30]. Zhang X., Weber W.H., Vassell W.C., Potter Y.J., Tamor M.A. Optical study of silicon-con- taining amorphous hydrogenated carbon. J. Appl. Phys. 1998. V.83. P. 2820.

Подписано в печать 07.07.2011 г. Формат 60x80/16. Объем 1 усл. печ. лист Тираж 100 экз. Отпечатано ИП Меренков E.H., ОГРНИП 305505004100110

Введение.

В.О. Общая характеристика работы.

В.1. Теория эллипсометрии.

В. 1.1. Основное уравнение эллипсометрии.

В. 1.2. Формулы Френеля.

В.2. Эллипсометрические методы измерений и спектральные эллипсо-метры широкого использования.

В.2.1. Эллипсометрия с вращающимся анализатором (RAE).

В.2.2. Эллипсометрия с вращающимся анализатором с компенсатором (PSCAR конфигурация).

В.2.3. Эллипсометрия с фазовой модуляцией (PME).

В.2.4. Спектральная эллипсометрия в инфракрасной области спектра.

В.2.5. Эллипсометрия высокого пространственного разрешения.

В.З. Анализ результатов эллипсометрических измерений.

В.3.1. Модели диэлектрической функции.

В.3.2 Аппроксимация эффективной среды Бруггемана.

В.3.3. Псевдо-диэлектрическая функция.

В.З.4. Моделирование поверхностной шероховатости.

В.З.5. Процедура анализа данных.

Глава 1. Методы эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

1.1 .Проблемы традиционных подходов эллипсометрии и предпосылки к разработке нового подхода.

1.2. Метод псевдоугла Брюстера в исследованиях электрофизических параметров сильно легированных полупроводников.

1.3. Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации (ЭБМСП).

1.3.1.Методы ЭБМСП с двумя фотоприемными устройствами.

1.3.2.Методы ЭБМСП с одним фотоприемным устройством (фотодиод, линейка или матрица фотодиодов).

Глава 2. Разработка и создание новых базовых элементов поляризационной оптики.

2.1 .Поляризационный интерферометр-модулятор.

2.2.Поляризатор для видимой и ИК области спектра.

2.3.Переключатель состояния поляризации с делением пучков по фронту.

2.4.Бинарный модулятор состояния поляризации (БМСП).

2.5.Двухсторонний БМСП с использованием сходящегося пучка.

2.6.Соосный ахроматический компенсатор.

Глава 3. Разработка и создание эллипсометров для ИК области спектра.

3.1 .Автоматическая многоволновая эллипсометрическая установка.

3.2.Двухлучевой эллипсометр.

З.З.Эллипсометр для скоростных измерений.

Глава 4. Разработка и создание эллипсометров для УФ, видимой и ближней ИК спектральной области.

4.1 .Универсальный сканирующий спектроэллипсометр Е8-2.

4.2.Многоканальный компактный спектроэллипсометр с галогенной лампой.

4.3.Двухканальный сканирующий спектроэллипсометр с импульсной ксеноновой лампой.

4.4.In situ спектральный эллипсометр.

4.5.Скоростной эллипсометр с бинарным модулятором и стандартным анализатором.

4.6.Краткий обзор развития и использования бинарных модуляторов поляризации в устройствах поляризационной оптики.

4.7.Сравнительный анализ параметров современных спектральных эллипсо-метров.

Глава 5. Исследование полупроводниковых и диэлектрических материалов и структур методами спектральной эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

5.1.Спектральная эллипсометрия многослойных гетероструктур ZnS/ZnSe 117 5.1.1.Брэгговские зеркала на основе многослойных структур ZnSe/ZnS, выращенных на подложках GaAs(100).

5.2.Исследование изменения оптических свойств пленок полиметилметакри-лата и полистирена при ионном облучении методом СЭ.

5.3.Спектральная эллипсометрия скрытых графитизированных слоев в ионноимплантированном алмазе.

5.4,Оптические свойства наноструктурированных пленок a-C:H:Si.

5.5.0птические свойства тонких алмазных пленок, осажденных с использованием прекурсора—поли (нафтилгидрокарбина).

5.6.СЭ алмазоподобных пленок углерода, используемых в изделиях микроэлектроники.'.

5.7.0птические и фотоэлектрические свойства напыленных и отожженных PECVD пленок поликристаллического кремния.

5.8.СЭ кремний-окисел-кремний структур.

5.9.1.Спектроэллипсометрические исследования тонких композитных слоев GaAs-MnAs.

5.9.2.Спектральная эллипсометрия тонких ферромагнитных слоев InMnAs

5.9.3.Спектральная эллипсометрия и резонансный экваториальный эффект Керра в слоях InMnAs.

Глава 6. Лазерная и светодиодная эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации в сенсорных устройствах.

6.1.Исследование кинетики изменения параметров пленок палладия при воздействии водорода с использованием чувствительного скоростного эллипсо-метра.

6.2.Прецизионный скоростной эллипсометр с п/п лазерными и светодиодными источниками излучения.

6.3.Перспективы использования светодиодной СЭ для исследования кинетических процессов, картографических измерений и применений в сенсорных устройствах.

Актуальность темы.

Эллипсометрия - высокочувствительный метод определения оптических параметров образцов по относительному изменению амплитуд и фаз компонент вектора электрического поля электромагнитной волны, расположенных в плоскости падения и перпендикулярно ей, при взаимодействии с исследуемым образцом [1,2]. Возможность одновременного измерения амплитудных и фазовых характеристик позволяет точно определять одновременно толщины пленок и оптические константы материала пленок. Измерение отношения комплексных компонент обеспечивает высокую помехоустойчивость и стабильность спектральных эллипсометрических измерений. Например, сравнительно несложно регистрировать в широком спектральном диапазоне изменение фазового сдвига между ортогональными компонентами А на 0,01 градуса, что соответствует изменению толщины около 0,01 монослоя при измерениях тонких окислов на полупроводниках.

Широкое применение эллипсометрия получила в связи с появлением лазерных источников излучения и компьютеров. Развитие микроэлектроники определило доминирующее развитие эллипсометрии, основанной на анализе отраженного пучка излучения. В настоящее время широкое распространение получила спектроэллипсометрия, в которой измеряются спектры эллипсометрических параметров. Это один из основных методов анализа современных наноструктур.

Эллипсометрические измерения носят универсальный характер. В частности, могут быть выполнены исследования линейного и кругового дихроизма, вращения плоскости поляризации, оптической анизотропии, поляризационной микроскопии.

Универсальность и информативность метода СЭ определили широкую область ее применения:

СЭ позволяет точно определять спектры оптических постоянных всего набора материалов современной технологии (металлов, полупроводников, диэлектриков) в объемном и пленочном состояниях и толщины пленок, поверхностных и переходных слоев в сложных многопленочных структурах в диапазоне от единиц до тысяч нанометров.

СЭ дает возможность исследовать механические, структурные, физико-химические свойства материалов, микрошероховатость поверхности, профиль распределения микропористости и микровключений.

СЭ - эффективное средство in situ контроля процессов напыления и травления.

Основные области применения СЭ: нанотехнология, физика и химия поверхности и тонких пленок, оптика, кристаллофизика, электрохимия, сенсорные устройства для экологии, биология и медицина.

Существует несколько основных направлений в современной эллипсомет-рии. Наиболее развитое направление — эллипсометрия с вращающимися поляризационными элементами. Эллипсометрия с фотоупругими скоростными модуляторами также находит широкое применение. Именно эти два направления определяют широкий рынок спектральных эллипсометров. Спектральная эллипсометрия с делением отраженного от образца пучка излучения на несколько каналов с различными состояниями поляризации и несколькими фотоприемниками используется значительно реже. Нулевая эллипсометрия, основанная на нахождении азимутов поляризатора и анализатора, соответствующих минимуму сигнала на фотоприемнике, широко использовалась ранее с лазерными источниками излучения, но неэффективна в спектральной эллипсомет-рии.

Отечественная эллипсометрия начала развиваться с середины шестидесятых годов на предприятиях электронной и оптической промышленности и в институте физики полупроводников СО РАН. Было налажено серийное производство нулевых лазерных эллипсометров серий ЛЭМ и ЛЭФ с ручным управлением. (Общее количество произведенных эллипсометров более 700 шт ).

Производство отечественных лазерных эллипсометров с вращающимися-анализатором или поляризатором не было налажено. Лазерные эллипсометры этого типа для ex situ и in situ измерений в большом количестве выпускались в 60-80 годы за рубежом. В 1969 и 1975 годах были созданы первые автоматические прецизионные эллипсометры с фотоупругим модулятором и вращающимся анализатором, соответственно [23,11]. Основанные в 80-е годы динамичные фирмы (такие, например, как SOPRA (Франция, 1981) и Woollam (USA, 1986)) наряду с ранее известными фирмами обеспечили массовый выпуск спектральных эллипсометров.

В ИРЭ РАН автором в 1978 году предложено и развивается новое направление эллипсометрии - эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации (ЭБМСП), в которой на исследуемый образец попеременно направляется излучение с двумя состояниями поляризации, и не используются, движущиеся поляризационные элементы. Первый лазерный эллипсометр с БМСП экспонировался на ВДНХ в 1981г.

К настоящему времени области применений эллипсометрии быстро расширяются. В инструментальной части получили преимущественное развитие спектральные эллипсометры с вращающимся компенсатором. Существенно расширилась рабочая спектральная область эллипсометров - от ЮОнм до мм диапазона. Интенсивно развиваются отображающие (imaging) эллипсометры с микронным латеральным разрешением [53-55,162]. Появляются сообщения о создании эллипсометров ближнего поля в связке с оптическим или металлическим зондом с латеральным разрешением до 20 нм« [165,166,168]. В эллипсо-метрах с высоким латеральным разрешением-решающее значение имеет приемлемое отношение сигнал/шум для конкретной исследуемой структуры. Естественно, не все азимуты, например, при вращении анализатора, равноценны с точки зрения реализации наибольшей чувствительности измерений. В ЭБМСП легко выбрать оптимальные азимуты в плечах поляризатора и анализатора и отношение интенсивностей переключаемых пучков для измерений с высоким отношением сигнал/шум и максимальной чувствительностью. Актуальность исследований определяется возможностью существенного улучшения основных параметров эллипсометров, таких как чувствительность, точность по воспроизводимости (precision) и скорость измерений, при использовании ЭБМСП. Такие СЭ проще и надежнее широко используемых коммерческих СЭ и принципиально лучше согласованы с современными линейками и матрицами фотоприемников.

Цель работы - разработка эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации, создание новых эффективных базовых элементов поляризационной оптики для измерений в широкой спектральной области, разработка и создание семейства автоматических лазерных и спектральных эллипсометров для ex situ и in situ измерений, не содержащих движущихся поляризационных элементов. С использованием разработанных эллипсометров предполагалось выполнить широкий комплекс исследований оптических свойств твердотельных структур. Работа должна закончиться подготовкой и практической реализацией серийного изготовления прецизионных и надежных отечественных спектральных автоматических эллипсометров, превосходящих по ряду основных технических параметров эллипсометры, выпускаемые в нашей стране и за рубежом.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: • Разработка эллипсометров, не содержащих движущихся поляризационных элементов.

• Разработка поляризационных интерферометров — модуляторов для широкой области спектра с использованием светоделительных элементов, параллельных полированным пластинам легированного кремния, установленных под углом Брюстера к падающему на них излучению.

• Разработка бинарных модуляторов состояния поляризации с использованием тонкого симметричного клина из двулучепреломляющего материала, эффективно заменяющих цепочку поляризатор - модулятор состояния поляризации, часто используемую в современных спектральных эллипсомет-рах и других типах прецизионных поляризационных приборов.

• Разработка соосного фазосдвигающего устройства (компенсатора) на основе ромба Френеля для широкой области спектра.

• • Разработка новых методов измерений в эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

• Разработка и создание семейства лазерных и спектральных эллипсометров с бинарной модуляцией состояния поляризации.

• Сравнительный анализ технических параметров эллипсометров с бинарной модуляцией и современных зарубежных спектральных эллипсометров.

• Выполнение цикла исследований материалов и структур электронной техники.

Научно - техническая новизна работы заключается в создании принципиально нового направления в эллипсометрии, разработке новых базовых элементов поляризационной оптики, создании эллипсометров нового поколения, с использованием которых выполнен цикл исследований полупроводниковых и диэлектрических структур.

К наиболее существенным новым результатам, полученным в работе, относятся следующие:

• Предложено и развивается новое направление в эллипсометрии.

• Разработаны эффективные базовые элементы поляризационной оптики -бинарные модуляторы состояния поляризации и фазосдвигаюгцие устройства. Эти элементы могут быть успешно использованы в различных поляризационных приборах.

• Предложены методы эллипсометрических измерений с использованием бинарной модуляции состояния поляризации.

• Создано семейство спектральных эллипсометров нового поколения с бинарной модуляцией состояния поляризации.

• Выполнен цикл исследований оптических свойств полупроводниковых и диэлектрических структур с использованием созданных спектроэллипсо-метров.

• Разработан и создан принципиально новый простой компактный автоматический эллипсометр с использованием двух попеременно переключаемых лазеров или светодиодов и устройства объединения ортогонально поляризованных пучков, позволивший достичь рекордную для эллипсометрии точность по воспроизводимости 2х 10~5 и 3x10"4 градусов, для Ч* и А, соответственно. Это позволяет использовать эллипсометр в качестве высокочувствительного сенсорного устройства.

Положения, выносимые на защиту:

1. Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации, предложенная и развиваемая автором с 1978 г., - новое направление в эллипсо-метрии, открывающее возможности улучшения основных технических характеристик современных лазерных и спектральных эллипсометров.

2. Методы эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией, в которых измеряются отношения интенсивностей на двух фотоприемниках, расположенных в блоке анализатора после призмы Волластона, что позволяет использовать импульсные источники излучения и источники с сильно выраженной линейчатой структурой в спектрах излучения и обеспечивает высокие отношение сигнал/шум и точность по воспроизводимости.

3. Методы эллипсометрических измерений с бинарной модуляцией с использованием одного фотоприемного устройства (фотодиода, линейки или матрицы фотоприемников). Методы используются в in situ и ex situ спектральных эллипсометрах, разработанных автором в вариантах с 35-элементной и 512- элементной линейками фотодиодов.

4. Новые базовые элементы поляризационной оптики - бинарные модуляторы и фазосдвигающие устройства для широкой области спектра, позволяющие в полной мере реализовать преимущества эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

5. Разработано и создано семейство прецизионных лазерных и спектральных эллипсометров нового поколения, не использующих движущиеся поляризационные элементы.

6. Исследования методом эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации полупроводниковых и диэлектрических структур, показавшие эффективность использования созданных лазерных и спектральных эллипсометров при разработке технологии и в физических исследованиях.

7. Впервые реализованный в эллипсометрии метод поочередного включения двух идентичных лазеров или светодиодов с ортогонально поляризованными пучками позволил исключить дорогостоящие модуляторы состояния поляризации и создать высокопрецизионные простые скоростные лазерные и спектральные эллипсометры. для исследования кинетических явлений, и применений в качестве сенсорного чувствительного устройства. Практическая значимость проведенных исследований и разработок заключается в следующем:

Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации, основанная на использовании новых базовых элементов и новых методов измерений, позволяет существенно улучшить ряд основных параметров лазерных и спектральных эллипсометров, упростить конструкции эллипсометров и обработку результатов измерений. Опробован ряд автоматических эллипсометров различного назначения. По разработанной нами технической документации налажен серийный выпуск СЭ БМСП « Эльф» с двумя фотоприемниками в ЗАО Концерн «Наноиндустрия», Москва. (Приложение!).

Разработанные нами новые и сравнительно дешевые базовые элементы могут эффективно использоваться при создании самых разных поляризационных приборов и устройств. Замена традиционно используемых поляризаторов и модуляторов состояния поляризации делает прецизионные поляризационные приборы заметно дешевле и надежнее.

Высокочувствительные компактные эллипсометры с лазерами, и светодио-дами позволяют создавать системы картирования, исследования кинетики параметров структур и эффективные сенсорные устройства.

В настоящее время стремительно развивается эллипсометрия с латеральным разрешением до 0.5 мкм. Наблюдается несоответствие потребностей быстрой обработки больших массивов информации и применения эллипсометрии со сравнительно медленно вращающимися поляризационными элементами. Альтернативой несомненно является ЭБМСП, хорошо согласующаяся с необходимостью одновременного интегрирования сигналов многоэлементных фотоприемников. Особенно привлекательна возможность выбора оптимальных условий измерений в ЭБМСП и точной калибровки методом1 определения азимутов А1 и А2, описанном ниже и исключающем нелинейности, присущие чувствительным ПЗС матрицам. Заметим, что с очевидными проблемами минимизации влияния фоновых излучений (например, плазменного свечения в ростовой камере) сталкиваются и разработчики отечественных СЭ в ИФП< СО РАН, использующие статические методы измерений в эллипсометрии с делением отраженного от образца пучка излучения по фронту на несколько пучков, и, соответственно, несколько фотоприемников. Возникают трудности с реалиизацией локальных измерений и измерений с многоканальными фотоприемными устройствами.

Итогом работы явилось получение совокупности новых знаний, что можно квалифицировать как крупное научное достижение в развитии принципиально новых подходов в области прецизионного оптического приборостроения.

В.1. Теория эллипсометрии.

В.1.1.Основное уравнение эллипсометрии

Эллипсометрия базируется на известных формулах Френеля и основном уравнении эллипсометрии на отражение:

1)

1апф = гр|/|г5| Д = 8гр-81 гз где р- относительный коэффициент отражения, а гр и rs — амплитудные коэффициенты Френеля для отражения на исследуемой структуре. и А - эллип-сометрические углы. В.1.2. Формулы Френеля.

Отражение на границе двух сред описывается известными формулами Френеля [1]: nk cos qj — nj cos 0A. nj cos dj — nk cos 0* p = nk cos + nj cos 6* Г]к'* = nj cos fy + nk cos 8* x гд5 и - коэффициенты Френеля.

Nj и N k - комплексные показатели преломления соответствующих сред. 0 j и 9 к — углы падения на границах раздела.

Если на границе двух сред имеется один плоскопараллельный слой, отличающийся по оптическим характеристикам от окружающих его сред, то отражение от этой системы можно представить в соответствии с Рис. 1. [1]. г012

Суммирование рядов для отраженных и прошедших через образец компонент пучка приводит к следующим выражениям:

012,р —

012,р

1 + П)1,р»-12,рехр(-12Э)

1+АЫ,р'"12,реХР(-'2Э)

012,5 —

012,$

3)

Для многослойных покрытий используются рекуррентные соотношения, когда каждый следующий слой выражается через предыдущий.

На Рис.2(а) показана оптическая модель, в которой два тонких слоя образова

Г01 к а)

Ь)

Рис. 2. ны на подложке. Как показано на Рис. 2(Ь) , сначала вычисляются амплитудные коэффициенты для второго слоя и подложки, применяя уравнения (4)

Г12 ' Г23 exp (-/

123 ~ 1 -b'*12r23exp("i2p2) r = r12r23exp(-ip2) 123 1 -b г12r23 exp (—/2(32)

4)

Фаза 27td2N2 cos 02A-, где d2 - толщина второго слоя. Из выражений для i*i23 и tj23 получаем амплитудные коэффициенты для многослойки:

Г = Г01 + Г123 ехр (-¿Ж)

0123 1 + 'ш'Ъз ехР (-'2Эх) t = ¿01*123 ехр(-/рт) 0123 1 + '01 ^123 ехр (-/2Р0 (5)

В этих уравнениях Pi=2 я diNj cos ©i/A,, где di - толщина первого слоя. Рис.3 иллюстрирует принцип эллипсометрических измерений.

Состояние поляризации определяется суперпозицией волн с ортогональными поляризациями. На Рис.3 падающий свет имеет линейную поляризацию с азимутом +45°относительно Е^ оси, при этом Е;р= Е13.

При отражении от образца р- и э-поляризационные компоненты по- разному изменяются по амплитуде и фазе. Эллипсометрия измеряет две величины \|/ и

A, которые связаны с отношением амплитуд и разностью фаз р- и^-поляризационных компонент, соответственно, соотношением (1).

B.2.Эллипсометрические методы измерений и спектральные эллипсомет-ры широкого использования.

До 1970 года использовались в основном так называемые нулевые лазерные эллипсометры, в которых считывались значения азимутов поляризационных элементов, соответствующие минимуму интенсивности на фотоприемнике [1,2]. Однако, эти эллипсометры редко используются при измерении эллипсо-метрических спектров, за исключением отображающих эллипсометров с матричными фотодетекторами [53-55]. Современные спектральные эллипсометры можно разделить на две главные категории, определяющие коммерческий рынок: эллипсометры с вращающимися поляризационными элементами [8,11,1522] и эллипсометры с фотоупругими модуляторами [23-30]. Спектральные эллипсометры для ИК области спектра описаны в [31-40]. Более сложные эллипсометры матрицы Мюллера описаны в работах [43,44,48-50].

На Рис.4 представлены схемы спектральных эллипсометров разного типа [1,4]. a) Rotating-analyzer ellipsometry (PSAR) r\ v).

Light source

Polarizer

P)

Sample (S)

Rotating analyzer (Ar)

Detector b) Rotating-analyzer ellipsometry with compensator (PSCAR)

Compensator (C) s ~ i

Light source

Sample (S)

171

Rotating analyzer Detector (AR) c) Rotating-compensaíor ellipsometry (PSCRA)

Rotating compensator (CR)

Light source

Polarizer

P)

Sample (S) i i Analyzer " --(A) Detector d) Phase-modulation ellipsometry (PSMA)

PEM (M)

S rÀ f\ u

Polarizer

Sample (S)

Light source

Analyzer

A) Detector

Phc.4.

Эллипсометр с вращающимся анализатором (RAE) на Рис.4 (а) был усовершенствован Аспнесом в 1975 [11]. В 1990г. группа из Пенсильванского университета впервые создала эллипсометр реального времени с линейкой фотодиодов [15]. В этом эллипсометре вместо анализатора вращается, поляризатор (PRSA).

Эллипсометр с вращающимся анализатором и фиксированным компенсато ром не имеет недостатков, присущих RAE-эллипсометрам (Табл.3). Эллипсометр с вращающимся компенсатором (RCE) на Рис.З(с), имеющий аналогичную оптическую конфигурацию, впервые реализован в 1975 [17]. Первый спектроскопический эллипсометр реального времени с вращающимся компенсатором создан в 1998 [19]. Эллипсометр с фазовой модуляцией (PME) на Рис. 4(d) впервые был успешно использован в 1969 [23].

В сканирующей спектральной эллипсометрии длина волны падающего излучения изменяется с помощью монохроматора и монохроматический свет детектируется ФЭУ или фотодиодом [11]. Время измерения спектров эллипсо-метрических параметров составляет несколько минут. В спектроэллипсомет-рах реального времени образец освещается белым светом и излучение с различными длинами волн детектируется одновременно фотодиодной или ПЗС линейкой [15,16,19]. На Рис. 5 показана схема этого эллипсометра (PSAR конфигурация). В этом приборе свет детектируется непрерывно, за исключением времени считывания,

Holographie grating

Rotating analyzer Sample^ 1 S

Entrance slit

Scan

4—Photodiode array (PDA) <—Control imil

Speetrograph

Light source

Reflection mirror Trigger [ Рис.5.

Этот эллипсометр позволяет выполнять мониторинг роста тонких пленок с временем полного измерения 64 мс [16].

Табл. 2 суммирует характеристики различных спектральных эллипсометров. Эллипсометрия в основном измеряет параметры вектора Стокса[23]. Как показано в Таблице 2, каждый из эллипсометров определяет различные параметры вектора Стокса. Изменение измерительных ошибок в каждом типе эллипсометров связано с этой разницей. Как показано в Табл.2, параметр S3 не может быть измерен в эллипсометрах PSAR и PRSA. В RAE с компенсатором (PSCAR или PCSAR конфигурации), по крайней мере два измерения должны быть выполнены с различными азимутами компенсатора, чтобы получить все параметры вектора Стокса. В RCE все параметры вектора Стокса могут быть получены из одного измерения. Для PME измерений имеется две оптические конфигурации [23,25-27], достаточные для измерения всех параметров вектоpa Стокса. Отметим, что диапазон величин \|/ иА ограничен, если не измеряются все параметры вектора Стокса. Так, в RAE, S3 не измеряется и только cosA определяется, с неоднозначным определением А. Следовательно, диапазон измерений RAE составляет половину 0° < А < 180° полного диапазона--180° < А <180°. Таблица 1.

Instrument Measurable Stokes Measurable Minimum Number of type3 parameters region measurement time wavelengths measuredb

PSA, (PRSA) 5Q, ад 0° < ф < 90° 0°<Д<180° ~ JOms ~200

PSCAr (PCSAr) Sq, Sv $2» iS3 0° < ф < 90° -180°< Д < 180° ~ 10msd ~200 pscra SQ« Sj 5 S2153 0°<ф<90° — 180° < А < 180° ~ 10ms ~ 200

PCrSA)

PSMAC ■Sq* » 0° < Ф < 90° 0° < А < 180° 20 Jas -10

PMSA) Sq, S2, S3 0°<ф<45° -180° < Д < 180°

3 Polarizer (P), sample (S), analyzer (A), compensator (C), and photoelastic modulator (M). Die subscript R indicates die rotation of the optical elementb capabilities for measurements in the visible/UV region c two measurements with different angle setting of a compensator are necessary to obtain all the Stokes parameters d when a compensator position is fixedc there exist two measurement configurations.

Измерительные области для Аи\|/в PME меняются в зависимости от измерительной конфигурации.

В RCE параметры А и \|/ могут быть определены в полном диапазоне значений, так как измеряются все параметры вектора Стокса.

Таблица 2.

Optical element Jones matrix

Mueller matrix

Polarizer3

Analyzer)

P(A)

Compensator

Retarder) С

Photoelastic modulator6 M

Coordinate rotation41

R(a)

Sample® S

Depolarizer D

I 0 0 0

1 0 0 exp(—iS)

1 0 0 exp(iS) cos a sin a — sin a cos a siin{fexp(iA) 0 0 cos ф

1 10 0"

110 0

0 0 0 0

0 0 0 0

1 0 0 о

0 1 0 0

0 0 cos 8 sinÔ

0 0 — sin 8 COSÔ

1 0 0 0 ~

0 1 0 0

0 0 cos 8 — sin 8

0 0 sin 5 cos 8

0 0 0

0 cos 2а sin 2а 0

0 — sin 2а cos 2а 0

0 0 0 1 A 1

-cos2i|i 0 0

- cos 2ф 1 0 0

0 0

0 0 siii 2ф cos A sin 2ф sin Д sin 2ф sin Д

Г1 0 0 0"

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0 a Transmission axis is parallel to the x axis b fast axis is parallel to the jr axis and 8 is given by Hq. (3.3) c 8 is given by Eq. (3.4) d coordinate rotation is counterclockwise (see Fig. 3.11) <-■ a = (rpr;+v;)/2.

Из Таблицы 1 видно, что минимальное измерительное время в эллипсометрах с вращающимися оптическими элементами около 10 ms [20]. В PME, с другой стороны, минимальное время измерения определяется резонансной частотой фотоупругого модулятора (50 кГц) [23—30]. Соответственно, быстрые измерения за 20 мке возможны в PME [26]. С использованием PME исследована кинетика отклика жидкокристаллических молекул к электрическим импульсам с длительностью меньше 1 мс [52].

Количество измеряемых длин волн в Табл. 1 иллюстрирует возможности измерений в реальном времени в УФ-видимой области спектра. В PME это количество на порядок ниже, чем в эллипсометрах с вращающимися поляризационными элементами, так как электрическое напряжение на фотоупругом модуляторе должно изменяться с длиной волны для поддержания постоянной величины фазового сдвига. Спектры эллипсометрических параметров были определены в реальном масштабе времени* с PME с использованием фото диодной линейки[28,29] или нескольких ФЭУ [30]. С линейкой фотодиодов время измерения на каждой длине волны не менее 5 мсек [28,29].

В RAE максимальное число используемых в измерениях длин волн определяется числом пикселей в линейке; поскольку анализатор не имеет зависимости от длины волны (ахроматичен) в широком спектральном диапазоне. Интенсивности света на разных длинах волн измеряются в RAE одновременно. Если волновая зависимость компенсатора в RCE известна, многоволновые измерения могут также выполняться одновременно с фотодиодной линейкой [19,20].

Табл.3 суммирует преимущества и недостатки каждого измерительного метода. Эллипсометры с вращающимся анализатором (поляризатором) имеют простую конфигурацию и являются ахроматичными. Недостатки — не измеряются S3 и измерительная ошибка возрастает при Д=0° and 180°. RAE с компенсатором была развита для улучшения этих характеристик. В этом методе, однако, несколько измерений необходимо для реализации точных измерений при Д= 0° и 180° и следовательно, действительное время измерений больше по сравнению с RAE. Главное преимущество RCE и RAE с компенсатором - возможность Аи\|/ измерений во всем диапазоне значений. Более того, эти установки позволяют измерять волновую зависимость степени поляризации. В частности, они обеспечивают точные измерения даже когда образцы деполяризуют падающий свет. При этом, чувствительность измерений А и \|/ не изменяется во всем диапазоне значений. Однако, оптическая^ конфигурация и . калибровка становятся сложнее в RCE [19] и RAE с компенсатором по сравнению с RAE. Главное преимущество PME - возможность быстрых (до 20 мксек) эл-липсометрических измерений [26]. Другое преимущество PME - возможность измерений в реальном времени в ИК диапазоне с использованием FTIR [39,40].

С PME можно измерить спектры деполяризации, но необходимы два измерения [43], аналогично измерениям RAE с компенсатором [33]. С другой стороны, в PME параметры Slmra S2 не могут быть определены из одного изме рения, а измерительная ошибка увеличивается в определенных областях значений А и \|/, как и при измерениях с RAE.

В.2.1.Эллипсометрия с вращающимся анализатором (RAE).

Эллипсометрические измерения можно интерпретировать на основе формализма матриц Джонса и Мюллера, представленных в Табл.2. Измерения RAE как правило описывают методом матриц Джонса. Для PSAR конфигурации имеем [1]: ьои1=ак(а)811(-р)рца где ¿ош - вектор Джонса света, детектируемого приемником. Ь-т - нормализованный вектор Джонса падающего на поляризатор излучения. В матричном представлении уравнение (8) описывается как: еа "1 0" cos Л sin А sin ф exp(i А)

0 0 0 — sin А cos А 0 О

COS 4» X cos Р sinP

- sinP cosP

1 о

О О

1 О

Выражение для временной зависимости интенсивности на детекторе: г) = /0(1 -bacos2toi + ßsin2tö?) Ю tan2 ф - tan2 р 2tam|/cosAtanP а= tan2ф+tan2Р ß= tan2ф+tan2?

1 + а tan ф = J-|tan P| cos А = l-а vT а 2

9)

10)

В эллипсометрических измерениях с RAE , сначала определяются а и ß из Фурье-анализа измеренных интенсивностей света и затем вычисляют по формулам (10) параметры \j/ и А. Отметим, что PRSA эллипсометр математически эквивалентен PSAR эллипсометру, так как одинаковы их оптические конфигурации. Уравнения для PRSA получаются заменой tan Р в (9) и (10) на tanA .

В.2.2.Эллипсометрия с вращающимся анализатором с компенсатором (PSCAR конфигурация).

В RAE, параметр Стокса S3 не измеряется и , следовательно, ошибка измерения увеличивается при А = 0° и 180°. Если мы введем компенсатор в RAE, эта проблема снимается [32,33]. Поэтому, RAE с компенсатором стала популярнее в настоящее время. Используя векторы Джонса и матрицы, показанные в уравнении (6), мы можем описать RAE с компенсатором (PS CAR конфигурация):

Loa =AR(A)CSR(-P)PLin где с - матрица компенсатора. ехр(—i8) О О 1

12)

1 о

0 о

1 о" о о cosA sin А cos А sin А sin А cos А sin А cos А ехр(—iS) О 0 1 sinif'exp(iA) cos ф sin ф exp[i(A — 5)] cosiji

В.2.3.Эллипсометрия с фазовой модуляцией (PME).

Если установить напряжение на фотоупругом модуляторе так, что F = 138° (амплитуда фазы), численный анализ сильно упрощается [24]. В этом случае имеем Jo (F) = 0 [24], 2jx (F) = 1.04 and 2J2 (F) = 0.86 [27]. Получаем выражение t) = /0 {1+sin 2ф sin A[2J1 (í) sin (Oí]+sin 2ф cos á[2 J2 (F) eos 2cor]}

14)

Это выражение действительно для конфигурации: Р - М = 45°, М = 0°, и А = 45°.

Из (14) очевидно что и А можно определить по Фурье-коэффициентам sin cot and cos 2 cot.

Computer FT1R

Rotating Compensator (30.7 Hz)

Optical Fiber s: surface roughness

W a-Si:H/ HC-Sî:H b)

На Рис.6 показана система для измерений в реальном времени в условиях плазменного напыления. Одновременно используются эллипсометр с вращающимся компенсатором и ИК фурье-спектрометр.

Таблица 3.

Instrument type8

Advantage

Disadvantage

PSAr{PrSA)

Optical configuration is simple Instrument is achromatic

S3(-180° < A < 0°) cannot be measured Measurement error increases at A = 0° and 180°

PSCAR(PCSAR)

PSCrA(PCrSA)

PSMA (PMSA)

AU the range of (»jj>A) can he measured

Depolarization spectrum can be measured

Uniform measurement sensitivity for 01», A)

• All the range of (iji, A) can be measured

• Depolarization spectrum can be measured

• Uniform measurement sensitivity for (x\>, A)

• Fast measurement

• Capability for real-time spectroscopic measurement in the infrared region

• Depolarization spectrum can be measured

Longer data acquisition time, compared with PSAr and PSCRA Optical configuration is complicated, compared with PSAr

Instrument is chromatic

Optical configuration is complicated, compared with PSAr

Instrument is chromatic

Si or S2 cannot be measured in a single measurement Increases in measurement error in specific regions of OK A)

Instrument is chromatic

1 Polarizer (R), sample (S), analyzer (A), compensator (C), and photoeiastic modulator (M). The subscript R indicates the rotation of the optical element.

На Рис. 7 представлен отечественный скоростной лазерный эллипсометр с делением отраженного пучка по фронту (статическая схема измерений).

-0-

-VW--1|--<а)

Рис. 7.Из [146]. Сканирующий микроэллипсометр.

Технические характеристики микроэллипсометра: Источник света: He-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: бЧ' = 0.005°, 8А = 0.01°. Максимальный диаметр образцов: 200 мм; перемещение предметного столика по каждой координате: 100 мм; регулировка наклона плоскости предметов: ±2°. Полный вес комплекса: 30 кг.

В.2.4.Спектральная эллипсометрия в инфракрасной области спектра (ИКСЭ).

ИКСЭ позволяет исследовать поглощение на свободных носителях, LO и ТО фононные моды и локальные колебательные моды [1,5]. Вплоть до восьмидесятых годов в ИКСЭ использовались классические монохроматоры. В 1981 Roseler описал первый спектроэллипсометр на основе Фурье-ИК спектрометра (FTIR) [31]. В этом эллипсометре использовалась PRSA измерительная конфигурация, позже преобразованная в RAE эллипсометр с компенсатором [32,33]. Эллипсометры FTIR-PSAR [34] и FTIR-PSCRA [35] показаны на Рис. 8(b). В 1986 г. разработан первый ИКСЭ'с комбинацией FTIR-PME [37]. Оптическая конфигурация этого эллипсометра показана на Рис.8(с). Калибровочная процедура для этого прибора была предложена в 1993 г. [38]. На этом ИКСЭ были выполнены измерения в реальном масштабе времени [39,40]. В эллипсометрах, описанных в [32,33] применялись совершенные компенсаторы отражательного типа. Процедура эллипсометрических измерений в FTIR PRSA конфигурации описана в [33]. Как показано на Рис. 9 FTIR состоит из источника излучения (глобара) и интерферометра Майкельсона, содержащего делитель пучка, неподвижное и движущееся зеркала. На Рис. 9 а и b - расстояния от светоделителя до фиксированного и подвижного зеркала, соответственно. В интерферометре Майкельсона волны излучения, отраженного от зеркал, интерферируют. Разность фаз определяется выражением 5 = 27ехА, где х — разница оптических путей (х < 2d). Интенсивность света на выходе интерферометра I 00 cos 4ndix. Зависимость интенсивности излучения от d составляет интерферограмму, показанную на Рис.9(в). Очевидно, что интер-ферограмма включает вклады различных длин волн. В FTIR спектр интенсивности света определяется Фурье-преобразованием интерферограммы, как показано на Рис.9(с).

В FTIR-PRSA, несколько РТШлзмерений выполняется с различными азимутами поляризатора. На Рис.9 (с), четыре спектра интенсивности измерены при Р = 0°, 45°, 90°, and 135°.

Мы можем вычислить параметры Стокса (S1 и S2) из Table 3.3 [33]: s1 = i0,-r90. =-С082ф

So /4.*»° , i == —-— = sin 2ф cos А $0 /00 + ^90° d) Determine ellipsometric spectra (4/, Д) from 4 intensity spectra. b) Interferogram

Detected light intensity /

A

4 measurements at P=0°, 45°, 90° 135°

Fourier

Transformation

Рис.9.

В.2.5.Эллипсометрия высокого пространственного разрешения.

Нулевой метод был применен в отображающей эллипсометрии, позволяющей выполнять измерения в двумерной плоскости [53-55]. Рис. 11(a) показывает схематическую диаграмму отображающего эллипсометра (PCSА конфигурация). В этом эллипсометре параллельный луч, сформированный коллими-рующей системой, падает на образец и отраженный пучок измеряется CCD матрицей. Длина волны определяется набором фильтров. Рис. 11(b) поясняяет принцип измерения в отображающей эллипсометрии. Изменение толщины измеряется по изменению интенсивности. Когда с!< 5нм, толщина прямо пропорциональна интенсивности. Рис.11 (с) показывает изображение структуры со ступеньками, измеренной на отображающем эллипсометре [53]. а)

Collimating system

Vе

Ь) vXe lamp

Sample

Analyzer - И rt—1

Compensator bens | Ц—j Polarizer CCD camera Filter tanyf expiiAf) If* 0 tan\|/s exp(iAs) t hin film

Substrate

Рис.11 показывает измеренные методом ЭВА величины при повторяющихся измерениях на полированном кристалле №[11]. Длина волны 400 нм.

0.10344 ос

0.10340

-0.25680 0

-0.25684 32.6245

32.6235

-104.962 Д

-104.964

Е1 -4.0390 -4.0395

6.0430 2

6.0425

Рис. 11. Из работы [11].

Время измерения в каждой точке 7 сек. В этом эллипсометре термические флуктуации воздуха вокруг источника излучения определяют измерительный шум. а и р на Рис.13 - нормализованные коэффициенты Фурье.

В измерениях получены разбросы si и е2 , равные ±00005 и

000 ^соответственно. [11]. Этот RAE эллипсометр для ex situ измерений включает монохроматор, расположенный вблизи источника излучения и фотоумножитель.

В спектральной эллипсометрии для многоканальных измерений в реальном времени достигнута измерительная ошибка в \|/ и А 0.01° и

0.02°,соответственно, [20] с временем измерения ~ 2сек (PRSA конфигурация).

Для измерений на подложке Сг точность по воспроизводимости vj/ и А составляет 0.003° и 0.007°, соответственно, при времени интегрирования 3.2 с [16].

В.З.Анализ результатов эллипсометрических измерений. В.3.1.Модели диэлектрической функции [56,57,63].

На Рис. 12 представлены зависимости от энергии действительной и мнимой частей диэлектрической функции для различных моделей.

Модель Друде описывает простыми формулами, представленными в Главе 1, систему свободных носителей заряда ( электронов или дырок) в металлах и легированных полупроводниках. Формулы Зелмейера и Копта описывают поведение оптических параметров диэлектриков.

Рис.12. [1].

Поведение комплексной диэлектрической функции в области края поглощения и более высокоэнергетических межзонных переходов описывается многопараметрическими выражениями, предложенными для аморфных и кристаллических соединений в [56,57,63].

Зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической функции от энергии фотонов для Ое, 81 и алмаза показаны на Рис.13.

Photon energy En (eV)

Рис.13.Зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической функции от энергии фотонов для Ge, Si и алмаза. Из [1].

Формулы Зелмейера имеют вид:

В к2

В.3.2.Аппроксимация эффективной среды Бруггемана[58,59]. еа 8 , /, г \ &ь е

8^+28 8Ь + 28

17) 8—8 ^ «/ I 1 г\

8; + 2.В

1=1 * (18)

Ниже приведены примеры, когда применение теорий эффективной среды затруднительно: a) вычисление диэлектрических функций полупроводниковых сплавов [60, 62], b) характеризация поверхностной шероховатости с характерными размерами больше У10 c) оценка поверхностной шероховатости в прозрачных пленках с малым показателем преломления, характеризация двумерных островков, выращенных на подложках.

Теории эффективной среды позволяют уменьшить число аналитических параметров в оптической модели и в вычислениях комплексных показателей преломления поверхностной шероховатости и межфазных слоев. Однако должны удовлетворяться специфические условия. Одно из них: размеры фаз диэлектриков) в композитном материале должны быть существенно больше размеров атома, но меньше чем 1/10 длины волны. [63].

В.3.3. Псевдо-диэлектрическая функция.

Псевдо-диэлектрическая функция представляет диэлектрическую функцию, полученную прямо из измеренных величин \|/ и А и вычисляется из оптической модели, которая предполагает совершенно плоскую подложку бесконечной толщины, (см. Рис.14).Если имеется поверхностная шероховатость, псевдо-диэлектрическая функция меняется в зависимости от величины шероховатости. a) Sample structure b) Pseudo-dielectric function

Рис.14

На Рис. 15 показана очень высокая зависимость действительной и мнимой частей псевдодиэлектрической функции от величины шерозоватости, что и объясняет чувствительность метода эллипсометрии в области энергий межзонных переходов к качеству обработки поверхности. 1

4=О А

2 3 4 5 Р1ю1оп епе^у Еп (еУ) 6

Рис.15. Зависимости действительной и мнимой частей псевдодиэлектрической функции от толщины шероховатого слоя на 81. Из [1].

Для подложки без пленки применяется аналитическое выражение (19): е) = 81 = 8Ш2 04 1+1ап261

В.3.4. Моделирование поверхностной шероховатости.

Рис. 16 показывает оптическую модель, соответствующую образцу с поверхностной шероховатостью. В этой оптической модели плоский поверхностный шероховатый слой толщиной с15 заменяется на однородный слой с эффективной диэлектрической функцией, определяемой по соотношениям Бруг-гемана.

Рис.16. Из [1].

На Рис.17 показана корреляция величины поверхностной шероховатости с15, определенной из спектроэллипсометрических измерений (ЭЕ) с величиной среднеквадратической шероховатости с^, измеренной с атомно-силовым микроскопом (АРМ) [64,65]. m

Cft

С О

120

100

80 ОТ •s—"

S и 60 в о tî D

00

40

20 0 О dc= 1.5tfrais4-4Â

• Tapping mode о Contact mode

10 20 30 40 50 60 70 Surface roughness by AFM d^ (A)

Рис. 17.Из [1].

В.3.5. Процедура анализа данных.

Анализ эллипсометрических функций обычно выполняется с использованием линейного регрессионного анализа. Оптические константы и толщины слоев определяются минимизацией ошибки согласования расчетных и измеренных эллипсометрических параметров.

X = у!м-Р- 1 м Е

0=1

-.2

1/2

20)

На Рис.18 показана процедура анализа данных в спектральной эллипсо-метрии. В этой процедуре сначала конструируется оптическая модель, соответствующая образцу, а затем выбираются диэлектрические функции каждого слоя. Когда диэлектрические функции неизвестны, применяются модели диэлектрических функций, описанные в В.3.1. Диэлектрическая функция подложки может быть получена из псевдодиэлектрической функции, если отсутствуют поверхностные слои и поверхностная шероховатость. Угол падения в эллипсометрических измерениях может быть определен из измерений на стандартном образце. Альтернативно, угол падения может быть использован как аналитический параметр. Когда ошибка согласования большая, оптимизируются оптическая модель или диэлектрические функции. Окончательно, из оптической модели и диэлектрических функций, которые минимизируются, определяются оптические константы и толщины образца.

Construction of an optical model

Selection or modeling of dielectric functions

Fitting to (\j/?A) spectra

Error minimization

Determination of optical constants and thickness 7

Surface roughness

Bulk layer A dh

Substrate

M-P-l p = tomb exp(iA) M: Number of data points p: Number of parameters

Judgement of result

Phc.18.H3 [1].

Основные результаты работы состоят в следующем:

• Показаны перспективы предложенного и последовательно развиваемого автором нового направления в эллипсометрии - эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации, которые определяются быстро растущими требованиями к техническим параметрам современных эллипсомет-ров. Например, высокое отношение с/ш в спектральных отображающих (imaging) эллипсометрах с высоким латеральным разрешением достигается максимально возможным временем интегрирования в условиях наивысшей чувствительности. Эллипсометрия с БМ хорошо подходит, в отличие от эл-липсометров с вращающимися поляризационными элементами и эллипсо-метров с фазовыми модуляторами, для этих целей.

• Предложены и экспериментально отработаны различные методы измерений с бинарной модуляцией состояния поляризации. Каждый из них имеет специфические преимущества.

• Разработаны и созданы новые эффективные базовые элементы поляризационной оптики.

• Разработано и создано семейство автоматических лазерных, светодиодных и спектральных эллипсометров нового поколения, не содержащих'движущихся поляризационных элементов.

• С использованием созданных спектральных эллипсометров выполнен' цикл исследований оптических свойств полупроводниковых и диэлектрических материалов и структур. Показана информативност точность по1 воспроизводимости и стабильность метода эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

• Продемонстрированы большие потенциальные возможности сенсорных устройств с использованием малогабаритных надежных светодиодных эллипсометров.

Следует особо отметить, что в процессе выполнения всей работы выдержана общая направленность на создание предельно простых, надежных и эф I фективных методов измерений, поляризационных устройств и-конструкций* эллипсометров. В процессе выполнения работы в полной мере решены все поставленные задачи. Вышеперечисленные основные результаты составляют- прочную основу дальнейшего успешного развития эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации.

Отметим появление сообщений о реализации поляризационных устройств с бинарной модуляцией. В ИФП РАН (Новосибирск) в 2005г. предложен эллип-сометр с коммутирующими поляризационными элементами (Рис.4.16). В*период с 2005 по 2008 г. в MIT (Бостон) создан дихрометр-микроскоп с использованием двух светодиодов с длиной волны 280 нм, имеющих ортогональные поляризации [142]. В [95] предложен метод измерения двулучепреломления с использованием двух лазеров с ортогональными поляризациями. Однако еще с 1994 г. в университете Suffolk (Бостон) работает, наш прецизионный эллипсо-метр с двумя» лазерными-диодами для более информативных эллипсометриче-ских измерений. Для иллюстрации приведены также1 некоторые публикации нескольких коллективов'авторов из США [180-184] со ссылками в тексте на успешное использование изготовленных нами лазерных эллипсометров с БМ.

Область применений переключения ортогонально поляризованных пучков стремительно расширяется в различных областях науки и техники с 80-х годов прошлого века. Это волоконная[151] и безпроводная связь, системы дистанционного зондирования, когерентные томографы* и микроскопы в медицине, оптические и радио поляриметры в астрономии. Большой интерес вызывают так называемые пары спутанных фотонов с ортогональными поляризациями, рождающиеся при облучении нелинейных кристаллов. Эти пары (qubits) могут быть основным элементом квантовых компьютеров. Предложены квантовые эллипсометры [169]. Следует ожидать растущий интерес и к классической эл-липсометрии сБМ: Особенно перспективны надежные, прецизионные и дешевые светодиодные спектральные эллипсометры. На ЗАО Концерн» «Наноинду-стрия», Москва начато серийное производство спектральных эллипсометров с бинарной модуляцией состояния поляризации (Приложение 1 в Диссертации).

Заключение.

1. Fujiwara Н., Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications, New York, Wiley, 2007.

2. Azzam R. M. A., Bashara N. M., Ellipsometry and Polarized Light, North-Holland, Amsterdam (1977).

3. Tompkins H. G, McGahan W. A., Spectroscopic Ellipsometry and Reflectome-try : A User's Guide, John Wiley & Sons, Inc., New York (1999).

4. Tompkins H. G., Irene E. A., Eds, Handbook of Ellipsometry, William Andrew, New York (2005).

5. Schubert M., Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures: Pho-nons, Plasmons, and Polaritons, Springer, Heidelberg (2004).

6. Palik E D, Holm R T 1985 Handbook of Optical Constants of Solids, ed E D Palik (Academic Press) p 482

7. Rothen A., The ellipsometer, an apparatus to measure thicknesses of thin surface films, Rev. Sei. Instrum., 1945, 16, 26-30.

8. Budde W., Photoelectric analysis of polarized light, Appl. Opt., 1962 , 1, 201205.

9. Maynard H. L., Layadi N., and Lee J. T. C., Plasma etching of submicron devices: in situ monitoring and control by multi-wavelength ellipsometry, Thin Solid Films, 313-314 (1998) 398^05.

10. Meng Y.H., Chen Y.Y., Qi C., Liu L., Jin G. An automatic imaging spectroscopic ellipsometer for characterization of nano-film pattern on solid substrate. -Phys. stat. sol., (c),2008, 5, No. 5, 1050-1053.

11. Aspnes D. E., Studna A. A., High1 precision scanning ellipsometer, Appl. Opt., 1975,14,220-228.

12. Meriaudeau F., Morel O., Ferraton M., Stolz C. and Bigue L., Polarization imaging for-industrial inspection, Proc. SPIE ,2008, 6813, pp. 681308.

13. Rotermund H.H. Imaging pattern formation in surface reactions from ultra-high vacuum up to atmospheric pressures. —Sur. Sci., 1997, 386, p. 10-23.

14. Meng Y.H., Chen S., Jin G. An auto-focusing method for imagingellipsometry system. -Phys. stat. sol., (c), 2008, 5, No. 5, 1046-1049. '

15. Kim Y.-T., Collins R. W., and VedanvK., Fast scanning spectroelectrochemical ellipsometry: in situ characterization of gold oxide, Surf. Sci., 223 (1990) 341—350.

16. Lee J., Collins R. W., Veerasamy V. S., Robertson JI, Analysis of amorphous carbon thin films by spectroscopic ellipsometry, J. Non-Cryst. Solids, 227-230 (1998)617-621.

17. Lee J., Rovira P. L, An I. and Collins R. W., Rotating-compensator multichannel ellipsometry:Applications for» real time Stokes vector spectroscopy of thin film growth, Rev. Sci. Instrum., 69 (1998) 1800-1810.

18. Collins R. W., Koh J., Fujiwara H., Rovira P. I., Ferlauto A. S., Zapien J. A., Wronski C. R., and Messier C. R., Recent progress in thin film growth analysis by multichannel spectroscopic ellipsometry, Appl. Surf. Sci., 154-155 (2000) 217-228.

19. For a review, see Hauge P. S., Recent developments in instrumentation in ellip-sometry, Surf. Sci.,1980, 96,108-140.

20. Aspnes D. E., Spectroscopic ellipsometry of solids, in Optical Properties of ■Solids: New Developments, edited by B. O Seraphin, Chapter 15, 801-846, North-Holland; Amsterdam (1976).

21. Jasperson S. N. and Schnatterly S. E., An improved method for high reflectivity ellipsometry based'on a new polarization modulation technique, Rev. Sci. Instrum;, 1969,40,761-767.

22. Jasperson S. N., Burge D. K., and G'Handley R. C., A modulated ellipsometer for- studying thin-film optical properties and' surface dynamics, Surf.Sci;, 37 (1973) 548-558.

23. Bermudez V. M. and V. H; Ritz, Wavelength-scanning polarization-modulation ellipsometry: some practical considerations, Appl. Opt., 17 (1978) 542-552.

24. Drevillon B., Perrin J), Marbot Ri,;VioletpAr, Dalby J. L., Fast polarization • modulated ellipsometer using a microprocessor system for digital Fourier, analysis,. Rev. Sci. Instrum., 53 (1982) 969-977.

25. Henck S. A., Duncan W. M:, Lowenstein L. M. and Butler S. W., In situ spectral ellipsometry for real-time thickness measurement: etching multilayer stacks, J. Vac.Sci. Technol. A, 1993, 11, 1179-1185.

26. Roseler A. and Molgedey W., Improvement in;accuracy of spectroscopic IR ellipsometry by the use of IR retarders, Infrared Physics,1984,24,1-5.

27. Roseler A., IR spectroscopic ellipsometry: instrumentation and results, Thin Solid Films, 1993, 234,307-313.

28. Ferrieu F., Infrared spectroscopic ellipsometry using a Fourier transform infrared spectrometer: some applications in thin-film characterization, Rev. Sci. Instrum., 1989, 60,3212-3216.

29. Tiwald T. E., Thompson D. W., Woollam J. A., Pepper S. V., Determination of the mid-IR optical constants of water and lubricants using IR ellipsometry combined, with an ATR1 cell, Thin Solid Films, 1998, 313-314,718-721".

30. Stobie R. W., Rao B., and Dignam Ml J., Automatic ellipsometer with'high sensitivity andf special advantages for infrared spectroscopy of adsorbed' species, Appl. Opt., 14 (1975) 999-1003.

31. Graf Ri T., Eng F., Koenig J. L. and Ishida H., Polarization modulation Fourier transform infrared ellipsometry of thin polymer films, Appl. Spectrosc., 1986, 40, 498-503. .

32. Canillas A., Pascual E. and Drevillon B., Phase-modulated ellipsometer using a Fourier transform infrared' spectrometer for real time applications, Rev. Sci. Instrum., 1993, 64,2153-2159.'

33. For a review, see Drevillon B., In situ spectroscopic ellipsometry studies of interfaces of thin films deposited by PECVD; Thin Solid Films, 1994, 241, 234-239!

34. Tachibana K., Shirafuji T. and Muraishi S., Construction and performance of a Fourier transform infrared phase-modulated ellipsometer for in-process surface diagnostics, Jpn. J. Appl. Phys., 1996, 35, 3652—3657.

35. Azzam R.M.A., Photopolarimetric measurement of the Mueller matrix by Fourier analysis of a single detected,signal, Opt. Lett., 2 (1978), 148-150:

36. Azzam R. M. A., Giardina K. A., and Lopez A. G., Gonventional and generalized Mueller-matrix ellipsometry using the four-detector photopolarimeter, Opt. Eng., 30(1991) 1583-1589:

37. Q. Zhan and J. R. Leger, lligh-resolution imaging ellipsometer, Appl. Opt:, 41 (2002)4443-4450.

38. Compain E.;DrevillomBV, Hue J., Parey J., Y., Bouree J. E., Complete Mueller matrix measurement, with a single high frequency, modulation; Thin Solid; Films, 313-314(1998) 47-52. ■

39. Lee J., Koh J:, and Collins R. W., Multichannel Mueller matrix ellipsometer for realtime spectroscopy of:anisotropic surfaces and'films, Opt. Lett., 25 (2000) 1573 ~ 1575. .•

40. For a review, see Chen C., An I., Ferreira G. M., Podraza N. J., J. A. Zapien J. A., Collins R. W., Multichannel Mueller« matrix ellipsometer based .on the dual rotating compensator principle, Thin Solid Films, 455-456 (2004) 14-23.

41. Tompkins H: G., Irene E. A., Eds, Handbook of Ellipsometry Williams Andrew, New- York (2005): Aiwin Hi Ellipsometry in Life Sciences. Pp. 800-855.

42. Jin G., Tengvall P., Lundstrom I., Arwin H. A biosensor concept based on Imaging Ellipsometry for visualization of biomolecular interactions. Analytical Biochemistry, 1995, 232, p. 69-72.

43. Adachi E., Yoshimura H., Nagayama K. Color ellipsoscope for real-time imaging of nanometer-scale surface phinomena. —Appl. Optics, 1995, 34, No. 4.

44. Harke M., Stelzle M., Motschmann H .Microscopic ellipsometry: imaging monolayer on arbitrary reflecting supports.Thin Solid Films, 1996, 284-285,412-416;

45. Forouhi A. R., Bloomer I., Optical dispersion relations for amorphous semiconductors and amorphous dielectrics, Phys. Rev. B, 34 (1986) 7018-7026.

46. Fujiwara H1., Koh J., Rovira P. I., and.Collins R. W., Assessment of effective-medium theories in the analysis of nucleation and microscopic surface roughness evolution for semiconductor thin films, Phys. Rev. B, 61 (2000) 10832-10844.

47. Salvador Bosch, Josep Ferre'-Borrull, Norbert Leinfellner, Adolf Canillas. Efffective dielectric function of mixtures of three or more materials: a numerical procedure for computations. Surface Science, 2000, 453, 9-17.

48. Erman M., Theeten B., Chambon P., Kelso S. M., and Aspnes D. E., Optical properties and damage analysis of GaAs single crystals partly amorphized by ion implantation, J. Appl. Phys., 56 (1984) 2664-2671.

49. H. Fujiwara, M. Kondo, and A. Matsuda, Real-time spectroscopic ellipsometry studies of the nucleation-and grain growth processes in microcrystalline silicon thin films, Phys.Rev. B, 63 (2001) 115306-l-9t

50. P: G. Snyder, J: A. Woollam, S. A. Alterovitz, and B. Johs, Modeling Alx-Gal-x As optical constants as functions of composition, J. Appli Phys., 68 (1990) 5925-5926.

51. Aspnes D. E., Bounds on allowed values of the effective dielectric function of twocomponent composites at finite frequencies, Phys. Rev. B, 25 (1982) 1358-1361.

52. Запасский B.C., Феофилов П.П. Развитие поляризационной магнитооптики парамагнитных кристаллов. Успехи Физических наук, 1975,116, в. 1,41-78.

53. Кухарский А.А.,Субашиев В.К. К вопросу об определении эффективной-массы и концентрации свободных носителей в полупроводниках по ИК -спектрам отражения света. ФТП,1970,Т.4, 2, 287-293.

54. Zangooie S., Schubert М., Thompson D. W., andt Woollam J. A., Infrared response of multiple-component free-carrier plasma in heavily doped p-type GaAs, Appl. Phys.Lett, 78 (2001) 937-939.

55. Jellison G. E., Jr, Use of the biased estimator in the interpretation of spectroscopic ellipsometry data, Appl: Opt., 30 (1991) 3354-3360.

56. Potter Roi F. Reflectometer for Determining Optical Constants, Applied Optics, 1965, Vol. 4, Issue 1, pp. 53-57.

57. Ковалев В:И. Исследование оптических свойств некоторых сильно легированных полупроводников и разработка новых оптических методик определения их электрофизических параметров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф.-м.н. М. 1973г.

58. Azzam, R.M.A., Polarization Michelson Interferometer (POLMINT): Its Use for Polarization Modulation and Temporal Pulse Shearing, Opt. Commun., 1993, 98, 19-23.

59. Watkins Lionel R. Spectroscopic ellipsometer based on direct measurement of polarization ellipticity. Applied Optics, 2011,50 , Issue 18, 2973-2978.

60. Запасский В.С.,Методы высокочувствительных поляриметрических измерений (Обзор). Журнал Прикладной Спектроскопии;, 1982, .т. 37, №2, 181-186.

61. Abraham М. and Tadjeddine A. The influence of plasma waves on the dispersion of surface plasmons: experimental evidence. J. Physique ,1987, 48, 267-275.

62. Hofmann Т., Herzinger C.M., Tedesco L. J., Gaskill K. D., Woollam J.A;, . and M. Schubert Terahertz ellipsometry anditerahertz optical-Hall effect. Thin.Solid Films, 2011,519,2593. ; v .

63. Kang T.D., Standards., CarrG.L., ZhouT.,Kotelyanskii M., Sirenko A.A. Rotatable broadband retarders for far-infrared spectroscopic ellipsometry.

64. Thin Solid Films 2011,519, 2698-2702

65. Deumie' G., Giovannini H. and Amra C. Ellipsometry of lights scattering from multilayer coatings, Applied' Optics, 1996, Vol. 35, No. 28, 5600-5608.

66. Stoffel A, Mechanical Modulator for Use with Precision Ellipsometers, Appl. Opt., 1967, 6, 7, 1279-1280.

67. Rinzema G., A simple- wavelength independent modulator for linearly polarized light. Applied Optics,1970 , v.9, 8, 1934.

68. Keston A.S. l-JS Patent, No. 2 829 555, 1967.

69. Иеньковский А.И. Поляриметр для^ измерения концентрации сахара в.моче. Авт. Свид. №> 2029258, 1995. , ,

70. Azzam, R.M-.A., Binary Polarization Modulator: A Simple Device for. Switching Light Polarization between Orthogonal. States, Opt. Lett., 1988; 13v 701-703.

71. Hazebroek H. F. and Holschcr A. A., J.Phys.E: Sci: Instrum., 1973, 6, 822-826:

72. Дмитриев A.JI. Эллипсометр с визуализацией проекционной картины на экране осциллографа. Оптика и спектроскопия, 1972,т.32, 191-195.

73. Кеймах Р.Я. и Кудрявцев В.И. Поляризационный интерферометр-рефрактометр. Авт. Свид. №148550, 1962.

74. Shinozaki Toshiaki, Mori Ichiro. Fixed-slit Type Photoelectric Micro! scope, 1985, US Patent # 4560278 .f4

75. Mickols W. Imaging differential polarization microscope with electronic readout. Rev. Sci.Instrum., 1985,56, 12, 2228-2236.

76. Xu Minren and Tran Chieu D. Thermal lens — circular dichroism spectropola-rimeter, Applied Spectroscopy, 1990, 44,6, 962- 966.

77. Yu F., Lu X., Binary magnetooptical modulator for subscription images. Applied Optics,1986 , 25, 20, 3773-3775.

78. Saxena Indu. General technique for discrete retardation-modulation poarimetry, Applied Optics,1993 , 32, 19, 3614-3617.

79. Ning Y. N., Wang Z. P., Palmer A. W., and Grattan К. Т. V., Recent progress in optical current sensing techniques. Rev.Sci.Instr. 1995, 66, 5, 3097-3111.

80. Mackey Jeffrey R, Salari Ezzatollah and Tin Padetha. Optical material stress measurement using two orthogonally polarized' sinusoidally intensity-modulated semiconductor lasers. Meas. Sci. Technol. 2002, 13, 179-185.

81. Patskovsky S., Maisonneuve M., Meunier M., Kabashin A. V. Mechanicalimodulation method for ultrasensitive phase measurements in photonics biosensing Optics Express, 2008, Vol. 16, No. 26, 21305-21314.

82. Compain E. and Drevillon B. Broadband division-of-amplitude polarimeter based on uncoated prisms. Applied Optics, 1998, 37, 5938-5944.r

83. Kim C.C. and S.Sivananthan. Phys. Rev. B, 1996 , 53 ,1475—1481t

84. Koo M.S., T.J.Kim, M.S.Lee, M.S.Oh, Y.D.Kim, S.D.Yoo, D.E.Aspnes, B.TJonker. Appl. Phys. Lett., 2000 , 77 , 3364—3366

85. Inagaki Т., Arakawa E.T., Hamm RN., Williams MW., Optical properties of polystyrene from the near-infrared to the x-ray region and convergence of optical sum rules, Phys. Rev. B.15, 1977, 3243-3253.

86. Ferrieu F., Lecat J.H., Spectroscopic Ellipsometry for Characterization of thin Films, J. Electrochem.Soc., 1990 ,137, 2203-2208.

87. Pliskin WA., Refractive index dispersion of dielectric films, J. Electro-chem;Soc., 1987,134,2819-2826.

88. Ruck D.M., Ion induced modification of polymers at energies between 100 keV and 1 GeV applied for optical waveguides and improved metal adhesion, Nucl. lnstr. Meth. in Phys.Res. B,2000~, 166, 602-609.

89. Constantini J.-M., CouvreurF., Salvetat J.-P., Bouffard S.,Micro-Raman study of the carbonization of polyimide induced by swift heavy ion irradiations, Nucl. Instr. Meth. in Phys.Res., В 194, 132-140, 2002.

90. Komarov F.F., Leontyev A.V., Ostretsov E.F., Grigoriev V.V.,Analytical methods for investigations of ion implanted polymer layers, Nucl. Instr. Meth. in Phys.Res., В 65, 1992, 438-442.

91. J Vavilov V. S. Phys-Uspekhi 1994, 37,407-11.

92. Khmelnitsky R.A., Dravin V.A., Gippius A.A. J Chem Vapor Depos, 1996, 5 ,121-5.110.'Lai<P.F., Prawer S, Bursill L.A. Diam Relat Mater 2001,10 , 82-6.

93. KalishR, Reznik A,NugentK.W., Prawer S. Nucl Instr and Meth В 1999,148,626-33.

94. Gippius A.A., Khmelnitsky R.A., Dravin V.A., Khomich A.V. Diam & Relat Mater, 2003,12,538-41.

95. Снопко B.H. Поляризационные характеристики оптического излучения и методы их измерения. Изд. Наука и техника. Минск. 1992г.

96. Petrik Р, Fried М, Lohner Т, Berger R, Biro LP, Schneider С, Gyulai J, Ryssel H. Thin Solid Films 1998;-313-314:259-63.

97. Lee J, Collins RW, Veerasamy VS, Robertson J. Diam &Rel Mater 1998 7,999-1009.

98. Choi J., Kawaguchi M., Kato Т., Ikeyama M. Deposition of Si-DLC film and its microstructural, tribological and corrosion properties. Microsyst. Technol. 2007. V. 13. P.1353.

99. Oguri K., Arai T. // Tribological properties and characterization of diamondlike carbon coatings with silicon prepared by plasma-assisted chemical vapour deposition. Surf. Coat. Technol. 1991. V. 47. P. 710.

100. Dmitriev V.K., Inkin V.N, Kirpilenko G.G., Potapov B.G., Ilyichev E.A., Shelukhin E.Y. Thermostable resistors based on diamond-like carbon films deposited by CVD method. Diamond Relat. Mater. 2001'. V. 10. P. 1007.

101. Kirpilenko G.G., Shelukhin E.Y., Frolov V.D., Zavedeev E.V., Pimenov S.M. Synthesis, characterization and nanostructuring of (a-C:H ):Si and (a-C:H ):Si:metal films. Diamond Relat. Mater. 2006, V. 15,2160.

102. Frolov V.D., Konov V.I., Pimenov S.M., Zavedeev E.V Field-induced modifications of hydrogenated diamond-like carbon films using a scanning probe microscope. Diamond Relat. Mater. 2004. V. 13. P.l 147.

103. Abbas G.A., Papakonstantinou P., McLaughin J.A., Weijers-Dall T.D.M., Elliman R.G., Filik J. Hydrogen softening and optical transparency in Si-incorporated hydrogenated amorphous carbon films. J. Appl. Phys. 2005. V.98. P. 103505.

104. Cannilas A., Polo M.C., Andujar J.L., Sancho J., Bosch S., Robertson J., Milne W.I. Spectroscopic ellipsometric study of tetrahedral amorphous carbon films: optical properties and modeling. Diamond Relat. Mater. 2001. V. 10. P.l 132.

105. Jellison G.E., Jr., Modine F.A. Parameterization of the optical functions of amorphous materials in the interband region. Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. P.371

106. Kato N., Mori H., Takahashi N. Spectroscopic ellipsometry of silicon-containing diamond-like carbon (DLC-Si) films. Phys. Stat. Sol. (C),2008, 5,1117.

107. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. М: Наука. 1977. С. 159.

108. Zhang X., Weber W.H., Vassell W.C., Potter Y.J.,Tamor M.A. Optical study of silicon-containing amorphous hydrogenated carbon. J.Appl. Phys,1998 ,83, 2820.

109. Tauc J., in J. Tauc (Ed.). Amorphous and Liquid Semiconductors. Plenum Press, London. 1974. P. 159.

110. Laidani N., Bartali R., Gottardi G., Anderle M. and Cheyssac P. Optical absorption parameters of amorphous carbon films from Forouhi-Bloomer and Tauc-Lorentz models: a comparative study. J. Phys. Condens. Matter. 2008. V. 20. P. 015216.

111. Hong J., Goulett A., Turban G. Ellipsometry and Raman study on hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) films deposited in a dual ECR-r.f.plasma. Thin Solid Films, 1999,352,41.

112. Pereira L., Aguas H., Fortunato E. and Martins R. Nanostructure characterization of high k materials by spectroscopic ellipsometry. Appl. Surf. Sci.,2006, 253, 339.

113. Feng G.F. and Zallen R. Optical properties of ion-implanted GaAs: The observation of finite-size effects in GaAs microcrystals. Phys.Rev.B.,1989 , 40,1064.

114. Baia Neto A.L., Santos R.A., Camargo S.S., Jr., Freire F.L., Jr., Carius R., Beyer W. and Finger F. Relation between mechanical and structural properties of silicon-incorporated hard a-C:H films. Thin Solid Films., 1997,193, 206.

115. Forouhi A.R. and Bloomer I. Optical properties of crystalline semiconductors and dielectrics. Phys. Rev. B.,1988, 38,1865.

116. Luo J.K., Y.Q. Fu, H.R. Le, J.A. Williams, S.M. Spearing, and W.I. Milne. Diamond and diamondlike carbon MEMS. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007,17, S147-S163.

117. Ralchenko V., A. Saveliev, S. Voronina, A. Dementjev, K. Maslakov, M. Salerno, A. Podesta,and P. Milani. Nanodiamond seeding for nucleation and growth of

118. CVD diamond films in Synthesis, Properties and Applications of Ultrananocrystal-line Diamond, D.M. Gruen et al. (eds.), Springer., 2005,109-124.

119. Treu J.I. A differential ellipsometer. Rev.Sci.Instrum. 1974,45,1462-1463.

120. Хомич A.B., В.П. Варнин, И.Г. Теремецкая, Н.А. Поклонский, Н.М. Лап-чук, А.О. Коробко. Исследование состояния водорода в нанопористых алмазных плёнках. Неорганические материалы. 2005,41,928- 934.

121. Перспективы применения алмазоподобных пленок в технологии приборов на арсениде галлия. В.Ф. Дорфман, А.В. Емельянов, В.Н. Инкин и др. Электронная техника. Сер. 3, Микроэлектроника. 1991, Вып. 3(142), 35-38.

122. Wakagi М., H.Fujiwara, R.W. Collins.Real time spectroscopic ellipsometry for characterization of the crystallization of amorphous silicon by thermal annealing, Thin Solid Films, 1998,313-314, 464-468.

123. A. Fontcuberta i Morral, P. Roca i Cabarrocas, Shedding light of amorphous, polymorphous, protocrystalline and microcrystalline silicon thin films. Thin Solid Films,2001,383,161-164.

124. Zeskind В J, Jordan CD, Timp W., Trapani L, Waller G, Horodincu V, Ehrlich DJ, and Matusudaira P. Nucleic acid and: protein mass mapping by live-cell deep-ultraviolet microscopy. Nature Methods, 2007, 4(7), 567-569.

125. Dummer Daniel J., Kaplan Simon G., Hanssen Leonard M., Pine Alan S., and Zong Yugin. High-quality Brewster's angle polarizer for broadband infrared application. Applied Optics, 1998, 37, 7, 1194-1204.

126. Сканирующий микроэллипсометр. С. В. Рыхлицкий, Е. В. Спесивцев, В. А. Швец, В. Ю. Прокопьев, ИФП СО РАН, г. Новосибирск.

127. Ayman F. Abouraddy, Kimani C. Toussaint, Jr., Alexander V. Sergienko, Ba-haa E. A. Saleh, and Malvin C. Teich Entangled-photon ellipsometry . J. Opt. Soc. Am. В., 2002, 19, No. 4,656-662.

128. Tanaka, H. Umeda, Y. Takyu, O. High-speed LED driver for visible light communications with drawing-out of remaining carrier. Radio and Wireless Symposium (RWS), 2011 IEEE 16-19 Jan. 2011, 295-298.

129. David S. Moore, Cynthia A. Bolme, Shawn D. McGrane and David J. Funk II, Single pulse ultrafast dynamic ellipsometry, Proc. SPIE 6261, 626105 (2006); doi:10.1117/12.674782

130. Chastang L. et al. Ultra-fast photometric instrument. US Patent # 4585348, 1986.

131. Kageyama H., Kanai N. Laser beam composite apparatus. US Patent # 5179462, 1993.

132. Xiao L.H., R. Zhou, Y. He and E. S. Yeung, Direct Observation of Nanopar-ticle Self-Assembly Dynamics at the Water-Air Interface Using Differential Interference Contrast Microscopy, J. Phys. Chem. C. 2009, 773, 1209.

133. Timerman L. Method and apparatus for measuring the quantities which characterize the optical properties of substances, US Patent # 4 309 110, 1982.

134. LI De-Hua, MA Jian-Jun, ZHOU Wei, LIU Sheng-Gang .Terahertz Waveforms Manipulation by Two Orthogonal-Polarized Femtosecond Pulses.Chin. Phys. Lett. Vol. 2011, 28, No. 6, 064205.

135. Кирьянов А.П. Способ определения эллипсометрических параметров объекта. Патент России № 2008652, 28.02.1994.

136. Blaine D. Johs; Martin М. Liphardt; Ping He; Jeffrey S. Hale.Discrete Polarization State Spectroscopic Ellipsometer System and Method Of Use. Patent US # 7075650, 2006.

137. Godin M., Laroche O., Tabard-Cossa V., Beaulieu L.Y.,Grutter P.,Williams P.J. Combined in situ micromechanical cantilever-based sensing and ellipsometry. Review of Sci. Instr., 2003, vol. 74,11, 4902-4907.

138. Feresenbet E., Raghavan D., Holmes G. A. The influence of silane coupling agent composition on the surface characterization of fiber and on fiber-matrix interfacial shear strength.The Journal of Adhesion,2003, Vol.79, Iss.7, Pages 643 665.

139. Sidorenko A., Zhai X. W., A. Greco A., and Tsukruk V. V. Hyperbranched Polymer Layers as Multifunctional Interfaces. Langmuir, 2002, 18, 3408-3412.

140. Reukov V.,Vertegel A., Burtovyy A., Kornev K, Luzinov I and Paul Miller. Fabrication of nanocoated fibers for self-diagnosis of bacterial vaginosis. Materials Science and Engineering: C. 2009, Volume 29, Issue 3, Pages 669-673

141. Bonhomme G., LeMieux M., Weisbecker P. et al. Oxidation kinetics of an AlCuFeCr approximant compound: an ellipsometric study. Journal of Non-Crystalline Solids,2004 ,Vol.334-335,532-539.

142. LeMieux M. C., Peleshanko S., Anderson D., K.,and V. V. Tsukruk V. V. Adaptive Nanomechanical Response of Stratified Polymer Brush Structures. Langmuir, 2007, 23, 265-273.

143. Wolf S A, Awschalom D D, Buhrman R A, Daughton J M, von Molnär S, Roukes M L, Chtchelkanova A Y and Treger D M Science,2001, 294, 1488

144. Schallenberg T and Munekata H . Appl. Phys. Lett.,2006, 89, 042507

145. Blattner A J and Wessels B.W., Appl. Surf. Science, 2004, 91, 7902

146. Soo Y L, Kim S, Kao Y H, Blattner A J, Wessels B W, Khalid S, Hanke C S and Kao C-C Appl. Phys. Lett.,2004, 84. 481

147. Chiu P T, Wessels B W, Keavney D J and Freeland J W , Appl. Phys. Lett.2005, 86, 072505

148. Dietl T .J. Phys.: Condens. Matter, 2007, 19, 165204

149. Kuroda S, Nishizava N, Takita K, Mitome M, Bando Y, Osuch K and Dietl T 2007 Nature Materials 6, 440

150. Wang K Y, Sawicki M, Edmonds K W, Campion R P, Rushforth A W, Freeman A A, Foxon C T, Gallagher B L and Dietl T 2006 Appl. Phys. Lett. 88 022510

151. Akinaga H, Miyanishi S, Tanaka K, Van Roy W and K. Onodera 2000 Appl. Phys. Lett., v.76 97.

152. Bohren G F and Huffman D. R. 1983 Absorption and Scattering of Light by Small Particles (J.Wiley & Sons Inc.) p 411

153. R. Engel-Herbert, T. Hesjedal et al, J. Appl. Phys., 98, 063909 (2005).

154. ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО1. КО Н ЦЕЕ Р Н1. НАНОИНДУСТРИЯ117246, Москва. Научный проезд, 20, строение 4.

155. Тел. (495) 332-88-11 Факс (495) 332-88-11 E-mail: im»otech@naqoi£clb,B' www.nnnotech.ru1. Э5-те^&^ьиыП директор ЗАО

156. КонцеЖо&%)н "Наношгдустрия" М.А.йСстсвгл »tonoindustry»,1. У^Шаля 20. 1 г.1. АКТо внедрении (использовании) результатов докторской диссергашошюй работы Ковалева Виталия Ивановича1. Комиссия в составе:

157. Председатель: кл\и. Балашова И.Е.

158. Председатель комиссии; Члены комиссии:1