Vákuumkamrás ellipszométer mechanikai rendszerének fejlesztése

Bogár István Direct-Line Kft., Optometal Kft.
Dr. Fried Miklós MTA MFA
Dr. Horváth Zoltán György MTA MFA
Juhász György MTA MFA
Major Csaba MTA MFA

A Magyar Tudományos Akadémia Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézete (a továbbiakban MTA MFA) és a PhotoVoltaic Innovation and Commercialization Center at University of Toledo (Ohio, USA) (http://www.utoledo.edu/research/pvic/) szerződést kötött egy vákuumkamrás ellipszométer kifejlesztésére. Az optikai rendszert, kiértékelést az MTA MFA, a vákuumkamrát a University of Toledo fejleszti. Az MTA MFA a berendezés mechanikai rendszerének kidolgozásával a Direct-Line, Optometal Kft-t bízta meg. Az eszközt a University of Toledo napelem technológia fejlesztésnél alkalmazza majd.

A berendezés működési elve

Az anyagok fényvisszaverő tulajdonsága függ a megvilágító fényforrás hullámhosszától, polarizációjától és a fény beesési szögétől. Az ellipszometria ezen tulajdonságok vizsgálatával, illetve a tulajdonságok ismeretében, azok mérési célra történő felhasználásával foglalkozik. A megvilágított felületről visszaverődő fény, mint elektromágneses hullám, a felületi határréteggel történt kölcsönhatás következtében az amplitúdó és fázis viszonyaiban meghatározott, az adott anyagra jellemző változásokat szenved el. Ezek a változások a fény polarizációs állapotában bekövetkező változásként detektálhatók. Mivel a polarizációs állapot változása az adott anyag optikai tulajdonságaival szoros kapcsolatban áll, és az adott anyagra jellemző, a változás mérésével a réteg optikai tulajdonságait befolyásoló jellemzők, mint vastagság, törésmutató, összetétel, szerkezet szintén jól mérhetők. Mivel a jelenség hullámhossz és beesési-szögfüggő, a hullámhosszak és a beesési szögek számának növelésével lehetővé válik a meghatározandó paraméterek számának és a kiértékelés pontosságának növelése. A mérési eljárás primer mérési eredményei a tgpszi és cosinusdelta úgynevezett ellipszometriás szögértékek, melyekből bonyolult, nagy számítástechnikai apparátust igénylő modellalkotási és fittelési eljárásokkal megvalósított, úgynevezett inverz probléma megoldás során kapjuk meg a bennünket érdeklő törésmutató és vastagság értékeket.

Az utóbbi évtizedek számítástechnikai kapacitásának jelentős növekedése tette lehetővé az úgynevezett képalkotó ellipszometria létrejöttét, amely nagyobb felületek térképező méréseit a mérési pontok nagy száma ellenére is elfogadható mérési időn belül képes megvalósítani.

Az egy pontban mérő, és a képalkotó ellipszométerek főbb jellemvonásai

Az egy pontban mérő ellipszométerek egyetlen, viszonylag keskeny fénynyalábot használnak a méréshez. Mivel egy keskeny nyaláb létrehozása, formálása és detektálása az optikai út teljes hosszában problémamentesen megoldható, ezért semmi akadálya nincs annak, hogy a berendezés minden elemében ellipszometriás szempontból kiváló minőségű legyen. Ebből adódóan ezeket a berendezéseket a nagyon nagy pontosság jellemzi. Fokozottan igaz ez a fehér fénnyel dolgozó, úgynevezett spektroszkópiai ellipszométerekre, melyek a fehér fény egy adott spektrumában nagyon sok hullámhosszra elvégzik a vizsgálatot. Ezek a berendezések elsősorban ismeretlen anyagok optikai tulajdonságainak és összetételének vizsgálatakor jutnak erejükhöz méltó szerephez. Amennyiben a réteg vastagságának, vagy egyéb, optikailag mérhető fizikai jellemzőinek laterális változása is érdekel bennünket, a mérést a felület mentén több pontban is el kell végeznünk. Ez a felület menti térképezés, felbontástól függően, igen időigényes a pontonkénti letapogatás esetében. Erre a feladatra fejlesztették ki a képalkotó ellipszométereket, melyek, egy mérési ciklusban detektormátrix segítségével egyszerre egy nagyobb felület több pontjáról szolgáltatnak mérési eredményeket. Ebben az esetben a méretek már korlátot szabnak az alkalmazható optikai elemek körének, és ezért adott esetben a pontosság és az egy mérési ciklusban mérhető felület nagysága között valamilyen kompromisszumra kényszerülünk.

A jelen cikkben ismertetett berendezés alapvetően térképezési feladatok ellátására szolgáló képalkotó spektroellipszométer, mely széles hullámhossz tartományban és több beesési szög mellett képes nagy felületekről térképszerű vastagság, törésmutató, valamint szükség esetén a fenti paraméterekkel kapcsolatba hozható anyag összetételi térképeket készíteni.

A széles hullámhossz tartományt két fehérfényű fényforrás /egy nagyteljesítményű xenon és egy nagyteljesítményű halogén lámpa/ alkalmazásával, míg a több beesési szög előállítását kúpszerű, tehát nem párhuzamos fénynyaláb előállításával valósítjuk meg. A kúpszerű megvilágítás során automatikusan előállnak a felületet megvilágító különböző beesési szögű fénysugarak, melyek természetesen különböző felületi pontokhoz tartoznak, így a beesési szög a képfelületen a hely függvénye lesz. Arról, hogy a felület egy adott pontja több, különböző beesési szögű fénnyel is meg legyen világítva, a minta mozgatásával gondoskodunk.

A mérési eredmények kiértékeléséhez előzőleg szögkalibrációs eljárással meghatározzuk és hozzárendeljük a CCD egyes pixeleihez vagy pixelcsoportjaihoz a rájuk eső fénysugarak beesési szögértékét, valamint a minta megfelelő mértani pontjait. Ezek alapján a gép már naplózni tudja és megfelelő módon össze tudja rendezni a minta adott felületét ért fénysugarak beesési szögértékeihez tartozó mérési eredményeket.

Néhány mérési eredmény:

1. ábra: Ionmart kráter

2. ábra: SiO2 lépcső

3. ábra: Porozitás

Az ábrákon a függőleges tengely mértékegysége nm.

A reflexiós, interferometrikus eljárásokkal csak a fényhulláhossz egytizedével összemérhető nagyságrendű vastagságváltozások mérhetők. A jelen cikkben ismertetett képalkotó spektroellipszometriával a rétegvastagságok (sub) nanométeres pontossággal detektálhatók a rétegek optikai jellemzőinek meghatározásával egyidejűleg. Egy ilyen elven működő berendezés jól használható a napelemek gyártásánál, optikai vékonyrétegek, lézertükrök, színszűrők minőségellenőrzésénél.