イメージ投射 Ellipsometry - 表面の性格描写のための動作原理

AZoNano 著

目録

導入
ライトの分極
適切な座標系
表面の反射
Ellipsometry に使用する光学コンポーネント
偏光子
光学抑制剤
Nuling Ellipsometry
光学模倣
イメージ投射 Ellipsometry
スキャンナー
Nanofilm イメージ投射 Ellipsometer
結論
Accurion について

導入

Ellipsometry は表面についての情報を得るのに約百年間使用されていた機密性が高い光学技術です。それはライトの変更する分極状態がかもしれない主義で光ビームが表面から反映されるとき動作します。表面がフィルムの薄膜かスタックカバーされれば、フィルム及び基板の全体の光学系は分極の変更に影響を与えます。スペースの固定小数点で見られた場合電場のベクトルが長円に沿って、である分極の最も汎用状態移動する分極の楕円の状態。 ellipsometer の基本的なコンポーネントは光源、分極および探知器を変更するある光学コンポーネントです。画像技術の助けによって、薄膜に高い感度の視覚化のツールまたは顕微鏡の新しい形式に古典的な ellipsometer を伸ばすことは可能です。

図 1. ellipsometer [ポール Drude、 Lehrbuch の der Optik、ライプチヒ 1906 年] の歴史的セットアップ

ライトの分極

電磁波であるライトを記述するためには、方向はこれとしておよび電界 E の強さは持っています磁界より問題との強い相互作用を考慮されます。単色光はスペース E のポイントで、 x、 y の z 座標システムに沿う 3 つの独立した調和的な振動に分割されるためにかもしれないです。光波が z 軸に沿って伝わる平面波なら、 E のベクトルは z に直角常にです、従って x および Y. に沿う 2 つの調和的な振動によって記述することができます。これらの振動は同一の頻度、別の振幅および段階を過します。その結果、 E のベクトルはスペースの指定ポイントで長円に沿って移動します。ベクトル場がスペースの固定小数点で時間と変わる方法は分極として知られています。それ故に単色光の汎用分極は楕円です。 x および y の振動が等しければ、生じる長円は直線に形作ります。位相差が +/-90° あれば長円は円に形作ります。従って、線形および円の分極は汎用楕円の州の専門にされたケースです。他のすべての位相差のために、「本当の」長円は展開します。

図 2. ライトの分極国家。

適切な座標系

光ビームが斜めの発生の下で表面を照らすとき、平面はライトおよび表面の常態 N. の方に指す波ベクトル K によって指定されるかもしれません。これは入射面として知られています。 x および y の方向は x が入射面に平行であり、 y が垂直であるように定義されます。 x を取り替えるこれらの方向は垂直、 y 表示法の平行そして s のための p として指定されます。従って、電界 E は p および s のコンポーネントに解決します。

表面の反射

ライトはサンプル表面によって反映されます。サンプルは異なった光学的性質を持っている複数の層の複雑な光学系から成り立ちます。層インターフェイスの多重反射は分極の修正された状態が付いている反射光の波を形作るために重ねます。具体的には、 p および s のコンポーネントは位相ずれの範囲に応じてあり、また異なった反射特性を表わします。従って、分極の長円の形そしてサイズは変更されます。この変更は光学系またはサンプルの特性の量を示された値です。事件および反映された E のベクトルは同等化 1 に示すようにサンプルの反射のマトリックス R によってリンクされます:

サンプル (フィルム/基板システム) からの図 3. 反射は分極の長円を変更します。

Ellipsometry に使用する光学コンポーネント

ほとんどのタイプの ellipsometers で使用される主要な光学コンポーネントは次のセクションで記述され、偏光子および抑制剤を含んでいます。

偏光子

偏光子は出力で分極の特別な状態のライトを作り出します。線形偏光子は働き、入射光の 1 つのコンポーネントの抑制によって他のコンポーネントだけ渡るようにします。この偏光子の回転は直線に偏光のビームを偏光子の軸線の回転の角度に相当して分極の方向を用いる unpolarized 入射光から作り出します。事件ビームが既に分極されれば、送信された強度は偏光子の軸線に沿う E のコンポーネントの振幅によって決まります。このような場合偏光子は 1 つが p および s のコンポーネントの比率を測定するようにする検光子と呼出されます。

光学抑制剤

光学抑制剤が入射光の 1 つのコンポーネントの段階を移すのに使用されています。典型的な抑制剤は「速いのを」「」これらの斧に沿う E のコンポーネントで 90° の位相ずれを引き起こす軸線を遅らせてもらう「quarterwave 版」であり。四分の一波の版のオリエンテーションに基づいてそれは分極の長円を変形させます、例えば、直線に偏光は線形分極の軸線について円形に偏光にとき 45° へのセット変形します。抑制剤はまた補正器と呼出されます。線形偏光子 P および回転台紙の四分の一波の補正器 C (パソコン) の組合せが s がある出力で分極の望ましい楕円の状態を生成でき、 p によってが振幅入力で等しい可変的な分極フィルターとして機能できることに注意することは必要です。

Nuling Ellipsometry

s または p の方向を除いてどこでも指すことを軸線を持っている直線に偏光がサンプルの事件のとき、反射光は分極の楕円の状態を示します。分極のしかし表面の逆転させた回転事件の同じ楕円の州は直線に分極された反射を作り出します。

直線に分極されたビームのために線形分極の軸線について 90° の位置へ検光子をセットすることによってビームを消すことは可能です。これは「知られていて空白」を見つけるか、または」無効にします」ように。調理法は PCSA の整理の無効にする ellipsometer 下記のように与えられます:

ライトは P および C. の角の設定を記録している間パソコンの組合せを通るためになされます。
サンプル S からの反射が直線に分極されるように P および C は変更されます。
光検出機構は検光子 A の後ろでシグナルの最小値としてこれを検出するために配列されます。

実際にブランクの状態を満たすと P、 C および A のための直角の設定が見つけるように反復的なルーチンを定めることは今可能です。最も広く使われた技術は補正器が特定の角度で固定であり、その P および A が回るかどれの「固定補正器無効にするスキーム」です。それは P を最小のシグナル位置で保っている間 P の回転が A の回転によって引き起す空白を続いたこと示すことができます。この技術は必須の精密を得るために繰り返して繰り返されなければなりません。 ellipsometry 無効にすることの 1 つの利点はが軽い変化の代りに角度を測定するという事実で、従って部分的に探知器の光源または非直線性の安定性の問題を避けます。

無効にするイメージ投射 ellipsometer の図 4. セットアップ。

ellipsometry 無効にすることの間の分極の図 5. 国家。

光学模倣

R が斜め (Rsp、 Rps = 0) である等方性材料のために 2 いわゆる ellipsometric 角度の Y および D はことができま、 ellipsometer によって実際に測定される複雑な反射係数 Rpp および Rss の比率を定義します定義する、:

Y は角度であり、タンジェントは D は反射に p および s のコンポーネントの相対位相シフトを表示するが、 p および s のコンポーネントのための振幅の変更の比率を与えます。無効にした結果は一組の P、 C および A. の角度です。同等化 5. に示すように ellipsometric 角度の Y および D とこうして反射のマトリックス R にこれらの番号を関連付ける方式があります。

検査されるサンプルの物理量を例えば定められます重要基板のフィルム厚さです。 R に基づいて、これらのパラメータは直接測定することができません従って Y および D. の測定値と等しくなるまで光学モデルを開発し、モデルの出力に合うことは必要になります。光学模倣は屈曲点 ellipsometry の考慮されます。

Y および D の事件 (AOI)スペクトルの図 6. 角度: 空気 | 基板および空気 | 表面のコーティング | 基板。

2 つの測定可能な実質の量の単一の無効にする結果。従って、フィルム厚さと共にまたは 2 つの実数の別の組合せ主に話すこと、複雑な屈折率または実質の屈折率は可能です。しかし普通二重層化システムのために、二重層システムのための 2 つの屈折率と 2 つの厚さは測定される必要があります。これは多重角度の発生測定をするか、またはあらゆる波長が分散による新しい未知数 R.i. をもたらすが、で Y および D. に 2 つの新しい値を提供します異なった波長で測定可能。これは分光 ellipsometry に導きます。特にサンプルが異方性なら含まれる計算および数学は余りに複雑になります。そのケースで Y および D を定義することは十分ではないです。

図 7. 異なった AOI の Y そして D. - 空気の波長スペクトル | graphene | SiO₂ | Si.

イメージ投射 Ellipsometry

そこの ellipsometer へイメージ投射を追加することは敏感な CCD のカメラのような目的そして空間的に解決の探知器のための必要性、です。客観的な画像カメラにサンプルの照らされた領域。その結果、異なった光学的性質をカメラの画像で別のシグナルを引き起こしてもらう領域。 ellipsometric の条件を「満たす領域は P、 C および A のその特定の設定のために空白」消え、画像で暗いようです。

図 8. 追加イメージ投射 ellipsometer の光学コンポーネント

この条件が満たされないところにより高い輝度は探知器に事件で、より明るい画像領域を作り出します。 P、 C および A の設定の変更によって前の暗い領域で明るいようである起因するこれらの領域のための空白を定めることは今可能です。そのようなイメージ投射 ellipsometer の主要な利点はサンプルの細部およびサンプルの全体のレーザ光線の点上のない平均を示すシグナルが空間的に解決されることです。 1 つは即時の定性的情報しか受け取りませんが、 ellipsometric 分析は視野内の興味の特定の領域に制限されます。専有アルゴリズムのアプリケーションは全体の画像のために 1 つが無効にしますマップするようにします。これはサンプルまたは別の量の厚さのマップに修正することができる ellipsometric データの二次元のマップをもたらします。

マップする図 9.: 厚さのマップ - 空気 | SiO₂ | Si

スキャンナー

1 つは普通 ellipsometry イメージ投射の傾向がある観測角の問題に直面します。従来の光学を使用するとき画像の限られた領域だけ十分集中するようです。イメージ投射 Ellipsometer は視野内の異なった焦点距離の一連の画像を集めるのにモーターを備えられた集中のメカニズムの使用によってこの限定を克服します。デジタル画像処理システムは端から端に鋭いデジタル化された画像に終ってそれから画像シリーズの集中された部分だけ、重ねます。観察の下の目的の動きが重大であるので実験状態の広い範囲にシステムを適応させるために、可変的なスキャンナーの速度は提供されます。