Die spektroskopische Ellipsometrie ist eine zerstörungsfreie, kontaktfreie und nicht-invasive optische Technik, die auf der Änderung des Polarisationszustands des Lichts basiert, wenn es schräg von einer Dünnschichtprobe reflektiert wird. Die Ellipsometrie verwendet einen modellbasierten Ansatz zur Bestimmung von Dünnschicht-, Grenzflächen- und Oberflächenrauheitsdicken sowie optischen Eigenschaften (und vielem mehr!) für Dünnschichten mit einer Dicke von wenigen A bis zu mehreren Dutzend Mikrometern.
Außerdem kann spektroskopische Ellipsometrie entweder ex-situ oder in-situ, im statischen oder kinetischen Modus, für verschiedene Anwendungsanforderungen durchgeführt werden.
Abb. 1: Optische Aufstellung der UVISEL-Serie.
Die spektroskopische Ellipsometrie misst ψ und Δ, die beide den Ausgangszustand elliptischer Polarisation beschreiben, nachdem linear polarisiertes Licht schräg von einer Dünnschichtprobe reflektiert wird.
Die Parameter ψ und Δ stehen mit den komplexen Fresnel-Reflexionskoeffizienten in Beziehung zu: ρ = tan ψ eiΔ = rp / rs. Nach der Sammlung ψ und Δ muss ein Modell erstellt werden, das die Dünnschichtstruktur repräsentiert, um Dicken- und/oder optische Konstanten zu bestimmen.
Typischerweise messen Ellipsometer ψ und Δ nicht direkt. Stattdessen messen sie Funktionen von ψ und Δ. Im Fall phasenmodulierter Ellipsometer wie UVISEL PLUS und UVISEL 2 sind die drei Messwerte: Is, Ic und Ic', die Funktionen von ψ und Δ gemäß Is = sin2ψ.sin Δ, Ic = sin 2ψ cos Δ und Ic' = cos 2ψ sind. In Kombination liefern Is und Ic eine genaue Messung von Δ über den gesamten Bereich von 0° bis 360°, und Is und Ic' liefern eine genaue Messung von ψ über den gesamten Bereich von 0° bis 90°.
Ex-situ spektroskopische Ellipsometrie.
Es ist wichtig zu beachten, dass spektroskopische Ellipsometrie eine indirekte Technik ist, die die Dünnschichtdicke und/oder die optischen Eigenschaften nicht direkt misst. Um die Dünnschichtdicke und/oder die optischen Eigenschaften zu bestimmen, muss ein modellbasierter Ansatz verwendet werden. Ex-situ-spektroskopische Ellipsometrie ermöglicht die Charakterisierung einer Reihe von Dünnschichteigenschaften, darunter Schichtdicke, Oberflächenrauheit, Grenzflächendicke, optische Konstanten, Zusammensetzung, Bandlücke, Zusammensetzung, Kristallinität, Gradierung, Anisotropie sowie Gleichmäßigkeit nach Tiefe und Fläche. Sie kann auch verwendet werden, um den Depolarisationsfaktor und die Koeffizienten der Mueller-Matrix zu berechnen.
In-situ-spektroskopische Ellipsometrie kann verwendet werden, um Keimbildungs- und Wachstumsparameter zu bestimmen, präzise optische Eigenschaften ohne signifikante Oberflächenrauheit oder Oxide sowie Filmwachstumsprofile.
Es ist wichtig zu beachten, dass spektroskopische Ellipsometrie eine indirekte Technik ist, die die Dünnschichtdicke und/oder die optischen Eigenschaften nicht direkt misst. Um die Dünnschichtdicke und/oder die optischen Eigenschaften zu bestimmen, muss ein modellbasierter Ansatz verwendet werden. Neben der Dünnschichtdicke und optischen Eigenschaften kann die in-situ-spektroskopische Ellipsometrie auch zur Bestimmung von Nukleations- und Wachstumsparametern, präzisen optischen Eigenschaften ohne nennenswerte Oberflächenrauheit oder -oxide sowie Filmwachstumsprofile verwendet werden.
Da Ellipsometrie ein modellbasierter Ansatz ist, ist es hilfreich, etwas über deine Probe zu wissen (Anzahl der Schichten, Materialien usw.). Wenn jedoch wenig bis gar nichts über die Probe bekannt ist, kann sie dennoch mit Ellipsometrie untersucht werden, solange es sich um eine einfache Einzelschicht auf einem bekannten Substrat handelt. Ellipsometrie kann auch verwendet werden, um die optischen Eigenschaften des Substrats zu bestimmen, wenn sein Material unbekannt ist.
Polarisation kann als Überlagerung zweier orthogonaler Wellen beschrieben werden.
Die Polarisation wird durch die Orientierung und Phase des elektrischen Feldvektors definiert. Wir können Polarisation als Überlagerung zweier orthogonaler Wellen beschreiben. Der allgemeinste Polarisationszustand, bekannt als elliptisch, erlaubt eine beliebige Phasendifferenz und beliebige relative Amplituden der beiden orthogonalen Wellen.
Die zirkulare Polarisation ist ein Spezialfall der elliptischen Polarisation. Um eine zirkulare Polarisation zu erreichen, müssen die beiden orthogonalen Wellen um 90° phasenversetzt und gleiche Amplituden haben.
Zwei Spezialfälle der elliptischen Polarisation sind als zirkuläre und lineare Polarisation bekannt. Um eine zirkulare Polarisation zu erreichen, müssen die beiden orthogonalen Wellen um 90° phasenversetzt und gleiche Amplituden haben.
Lineare Polarisation ist ein Spezialfall der elliptischen Polarisation. Um eine lineare Polarisation zu erhalten, müssen die beiden orthogonalen Wellen in Phase sein, können jedoch beliebige Amplituden haben.
Um eine lineare Polarisation zu erhalten, müssen die beiden orthogonalen Wellen in Phase sein, können jedoch beliebige Amplituden haben.
Bilder stammen von Fujiwara, H. "Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications", John Wiley and Sons, 2007.
Optische Eigenschaften bestehen aus zwei Komponenten: dem Brechungsindex und dem Extinktionskoeffizienten. Der Brechungsindex, bezeichnet mit n, ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im Material. Der Extinktionskoeffizient, bezeichnet mit k, steht im Zusammenhang mit dem Absorptionsverlust im Material. Zusammen bilden diese beiden Komponenten den komplexen Brechungsindex, gegeben durch N = n-ik, der die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materialien (Geschwindigkeitsänderung und Absorptionsverlust) beschreibt.
