Рис. 3.1.

Рис. 3.1.

Рис. 3.1.

2.2.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛЕНОК

Важное значение при изготовлении интерференционных покрытий имеют оптические параметры пленок, из которых они сконструированы. Особое место среди них занимают коэффициент поглощения и показатель преломления. Коэффициенты поглощения и показатели преломления пленкообразующих материалов в интересующих нас областях спектра приведены на рис.1.5.

Как правило, показатель преломления пленки может отличаться от показателя преломления кристалла на несколько процентов. Поглощение пленок может отличатся от поглощения монокристаллов в 10-100, а иногда даже в десятки тысяч раз.

Существует много методик, определения показателей преломления и коэффициента поглощения, среди которых можно выделить эллипсометрические и спектрофотометрические. Для пленок, используемых в инфракрасной и видимой области спектра, наиболее распространенными являются именно спектрофотометрические. Суть большинства из них состоит в анализе спектров пропускания и отражения света. Для этого используются монохроматоры с дифракционными решетками или призмами, осуществляющие автоматическое сканирование по спектру с одновременной регистрацией прошедшего излучения.

Наряду с этим при определении малого поглощения в пленках в последнее время стали широко применяться калориметрические методы. Преимущество этого методов по сравнению с спектрофотометрическими заключается в том, что при его использовании измеряется собственное поглощение, идущее на джоулево тепло, в то время как при анализе спектров пропускания и отражения невозможно сказать, связаны ли изменения в спектрах с поглощением или с рассеиванием. Кроме того, определение оптических параметров по спектрам пропускания или отражения осложняется наличием в спектрах полос поглощения водой, абсорбированной в порах пленки и, наконец, чувствительность калориметрического метода несоизмеримо выше, чем спектрофотометрического. В силу этого при описании измерения поглощения в пленках мы остановимся только на калориметрическом методе.


Рис. 3.1.


Спектрофотометрические методы определения коэффициентов преломления базируются на измерении абсолютного значения коэффициента пропускания или отражения при разных длинах волн, т.е. по спектрам пропускания или отражения. Один из методов, применяемых у нас, заключается в том, что измеряется пропускание в экстремумах спектра. Этот метод также удобен тем, что его можно использовать для определения показателя преломления пленки на длине волны контроля непосредственно в процессе напыления, т.е. в вакууме.

Нарис.3.1 приведен спектр пропускания однослойных пленок As2S3и As2Se3с коэффициентом преломления на подложке с коэффициентом преломления (стекло). Оптическая толщина пленки п2h2много больше длины волны .В некоторой области спектра (где пропускание падает) пленка поглощает и интенсивность уменьшается.

Если свет содержит все длины волн и оптическая толщина пленки пh— постоянная, то в спектре будет наблюдаться появление ряда максимумов и минимумов для длин волн

=1,2,3,...), (2.2 )


Если п2> n3, то первый и все последующие минимумы будут иметь место для длин волн .

Максимумы располагаются в местах, соответствующих длинам волн, определяемым рядом


. (2.3 )


Т.е.для пленок, толщина который кратна половине длины волны,
свет не отражается. В этом случае пропускание пленки на подложке будет
определятся только отражением на передней грани подложки и поглощением в пленке. Если через Тообозначить пропускание подложки, то пропускание подложки с поглощающей пленкой на длинах волн, кратных , будет равно

(2.4)


где А-поглощение в пленке. А можно определить как разницу между максимальным значением пропускания в длинноволновой области (0.7-1 мкм) и значениями в максимумах экстремумов на фиксированных длинах волн в более коротковолновых областях спектра (0.4-0.7 мкм). Зная геометрическую толщину пленки hпо закону Бугера


, или (2.5)


можно определить коэффициент поглощения пленки на длине волны 0

(2.6)


и ее комплексный показатель поглощения ( к) из уравнения


(2.7)


Из формул 3.1-3.5 можно определить толщину пленки по положению экстремумов пропускания на шкале длин волн и коэффициент преломления.

Пусть соседние экстремумы лежат на длинах волн и . Неизвестными являются к, nи h. Возьмем три соседних экстремума с определенными длинами волн , и . Для них можно написать систему из трех уравнений с тремя неизвестными.

maxk = 4п2h2/ 2k

mink = 4п2h2/ (2k+1)

maxk+1 = 4п2h2/ 2(k+1)

Решая эту систему, найдем оптическую толщину п2h2 ик.

Значение пропускания Тв экстремумах (Тminи Тmax) также можно использовать для вычисления показателей преломления пленок nв области с минимальным поглощением с помощью следующих соотношения :

(1.8)


(2.9)



Определив таким образом показатель преломления пленки n2на длине волны контроля, можно, используя формулу Лорентц-Лоренца, вычислить относительную плотность пленки p:


(2.10)


где nm– показатель преломления монокристалла, соответствующего плёнкообразующего вещества, на данной длине волны контроля.




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 эллипсометрических измерений. Например, сравнительно несложно регистрировать в широком спектральном диапазоне изменение фазового сдвига между ортогональными компонентами Δ на 0,01 градуса, что соответствует изменению толщины около 0,01 монослоя при измерениях тонких окислов на полупроводниках.

Широкое применениее 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 спекроэллипсометрия, 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 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 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 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 100нм 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 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 – развитие предложенного автором нового направления в эллипсометрии – эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации, предполагающее сравнительный анализ возможных способов эллипсометрических измерений, создание новой эффективной элементной базы поляризационной оптики для измерений в широкой спектральной области, разработку и создание семейства автоматических лазерных и спектральных эллипсометров для 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 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 :

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:

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 поверхностей и в качестве сенсорного чувствительного устройства.

Практическая значимость проведенных исследований и разработок заключается в следующем:

Эллипсометрия с бинарной модуляцией состояния поляризации, основанная на использовании новой элементной базы 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 ЗАО Концерн «Наноиндустрия», Москва.

Разработанная нами новая и сравнительно дешевая элементная база может эффективно ис - пользоваться 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 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.

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 ConferenceMikronika-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;Третья Всесоюзная Конференция по эллипсометрии. Новосибирск. 1985; Четвертая 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 ConferenceMicro- and Nanoelectronics -2003”, Москва-Звенигород, 2003; 25-th ACRS, Chiang-Mai, Thailand, 2004; 10 International Symposium on Microwave and Optical Technology (ISMOT-2005). Fukuoka.Japan. 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; 4thInternational Conference on Spectroscopic Ellipsometry (June 11–15, 2007, Stockholm, Sweden); XV Международнаянаучно-техническаяконференция Высокиетехнологии впромышленности России»; XXII Международный симпозиум« Тонкие пленкив электронике. Москва, 2009, с.440-446; «Оптическая и магнитооптическая спектроскопия тонких ферромагнитных слоёв InMnAs»; ХII Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», 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 Catone, Italy, 17-21 December, 2007, pp. 385-388; First Mediterranean Photonics Conference, Ischia, Napoli, Italy, 2008;

Участие в выставках:

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 74 научных работах, из которых 28статей в рецензируемых изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 8авторских свидетельств и патентов, 38статей 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. Paзработка и изготовление электронных схем и устройств и разработка программного обеспечения для автоматических эллипсометров выполнены с.н.с. Руковишниковым А.И. Исследования, отраженные в Главе 5 , выполнены при активном участии с.н.с. Хомича А.В. 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 диссертации.

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 эллипсометров 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 FTIR 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 предпосылкой 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 эллипсометрического параметра Ψ (Tan Ψ) с использованием разработанного автором эффективного отражательного поляризатора. Аналогичные измерения Tan Ψ выполняются и в методах НПВО. Возможность переключения p- и s – компонент позволила бы существенно увеличить чувствительность и точность измерения Tan Ψ . 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 Волластона 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 псевдоугла Брюстера, где необходимо измерение величины псевдоугла Брюстера φБ и отношения RБ = Rp/ Rs при φ = φБ , 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 п и показатель поглощения к по RБ и φБ.. 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 d = 2,19 мкм, поверхностное сопротивление Rs = 3,6 Ом/□) и №2 (р-тип, толщина диффузионного слоя бора d = 0,2 мкм, Rs = 96 Ом/□).

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 щелью монохроматора, устройство синхронного сканирования угла поворота образца и болометра.

графики4

Рис.1. 1. Дисперсия п и к в области плазменной частоты. Образец Si №1: 1- п

2- к ; образец Si №2: 3- п, 4- к

Рис.1. 2. Спектры плазменного отражения при Т = 300º К: 1,2 – образцы №1,№2, измерены при нормальном падении; 3, 4 – образцы №1,№2 , спектры получены по измеренным методом псевдоугла Брюстера значениям п и к .


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:

ρ = rp / rs= Tan Ψ exp (iΔ) (1)

Ψ и Δ - эллипсометрические углы, определяющие отношение комплексных амплитудных коэффициентов отражения rp и rs для p и s- поляризаций [2]. Измеренные значения параметров Ψ и Δ сопоставляются с расчитанными с помощью формул Френеля, исходя из заданной модели образца.

Наилучшее согласие между расчетом и моделью оценивалось по минимальной величине целевой функции σ, характеризующей квадратичное отклонение экспериментальных (индекс “e”) и расчетных (“c”) значений эллипсометрических параметров, определенных при одних и тех же длинах волн λi

σ2 = 1/N Σi [tgψei) – tgψci)]2 + [cosΔei) – cosΔci)]2, (2)

где N — количество экспериментальных точек.

Все разнообразие эллипсометрических методов можно разделить на нулевые и фотометрические методы. Стандартная геометрия расположения поляризационных элементов в эллипсометрах: поляризатор (Р ) - компенсатор(С) - образец(S) - анализатор (А). В нулевых методах эллипсометрические углы определяются по значениям азимутов поляризатора и анализатора, при которых наблюдается минимум интенсивности на фотоприемнике. При использовании так называемых четырехзонных измерений (при различных азимутах компенсатора) реализуется высокая абсолютная точность определения Ψ и Δ - 0.02º-0.05º , 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 Ψ и Δ 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 (до10мсек), 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 - эллипсометрия 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+90º, которые одновременно направляются на два фотоприемника, либо проходит через поляризационное устройство, выделяющее последовательно по времени поляризацию с азимутами А и А+90º.

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

In = I0 (sin2Ansin2Pn + cos2Ancos2Pntg2Ψ+ 0.5sin2Ansin2PncosΔtgΨ), (3)

где Pn и An — азимуты поляризатора и анализатора (углы P и A устанавливаются исходя из оптимальных условий измерения); I0 — коэффициент, не зависящий от Pn и An

Запишем уравнение (3) для азимутов (А, Р), (А+90º,Р), (А, Р+90º) и (А+90º, Р+90º), соответственно:

I1= ha*I0 (sin2A sin2P + cos2Acos2P tg2Ψ+ 0.5sin2Asin2PcosΔ tgΨ) (4a)

I2= I0 (cos2Asin2P + sin2Acos2P tg2Ψ- 0.5sin2Asin2PcosΔ tgΨ) (4b)

I3= ha*I0 (sin2Acos2P + cos2Asin2P tg2Ψ- 0.5sin2Asin2PcosΔ tgΨ) (4c)

I4= I0 (cos2A cos2P + sin2Asin2P tg2Ψ+ 0.5sin2Asin2PcosΔ tgΨ) (4d)

ha- коэффициент, характеризующий отношение чувствительностей 2-х каналов в анализаторе. Для каждого из азимутов P и P + 90º измеряется отношение сигналов на фотоприемниках при азимутах анализатора А и А+ 90º. По измеренным отношениям b1 = I1/ I2 /ha и b2 = I3 / I4 /ha определяются эллипсометрические параметры Ψ и Δ из соотношений:

Tan2 Ψ = (x1– b1b2x2+ c) / (b1b2x1 - x2 + c) (5)

Сos Δ = [b1x3- sin 2 A sin 2P + (b1x4- cos 2 A cos 2P) Tan 2Ψ] / (6)

0.5(b1+1)sin2Asin 2P Tan Ψ

здесь

с = b2(sin 2 A sin 2P - cos 2 A cos 2P) + b1(x4- x3)

x1= sin 2 A , x2= cos 2A , x3= cos 2 A sin 2P, x4= sin 2 A cos 2P

Описанный 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+90º и нахождением азимутов анализатора А1 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 нм. Угол падения на образец 70 градусов, а - отношение интенсивностей переключаемых пучков.

Видно, что измерения с введенным в пучок компенсатором для очень тонких 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 эллипсометрах с вращающимся анализатором (ЭВА) [7] c шаговым приводом. Обычно используемую сложную калибровку можно заменить на вышеописанную калибровку с определением A1 и A2. Кроме того с БМ реализуется двухзонный режим измерений, что повышает их точность.

kov3

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 10-6градуса [5].

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

  1. Метод эллипсометрии с переключением ортогонально поляризованных пучков с азимутами P и P+90º (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 интенсивностей 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 cоосного ПИМ является использование светоделительных пластин, параллельных полированным легированным кремниевым пластинам, установленным под углом Брюстера к падающему на них излучению. Известные интерферометры Майкельсона и Маха-Цендера не обеспечивают соосности входного и выходного пучков, в отличие от предложенной нами трапецеидальной геометрии интерферометра. Возможность интерферометрических 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 [16] поляризационные элементы устанавливались в плечах, например, интерферометра Маха-Цендера, и соосность не обеспечивалась. Бинарные модуляторы состояния поляризации на основе интерферометров Майкельсона и Маха-Цендера рассмотрены в публикациях Azzama 1993 г.[18,19]. Необходимость использования дополнительного ахроматического полуволнового устройства ограничивает использование модуляторов в широком спектральном диапазоне.




Рис.2.1. 1-поляризатор, 2 и 3 – идентичные светоделительные пластины ( BaF2 или ZnSe ) , параллельные пластинам кремния 4 и 5 , установленным под углом Брюстера к падающему на них пучку, поляризованному перпендикулярно плоскости рисунка. Кремниевые пластины 6-,9 ( пластины 6,7 для снижения потерь можно заменить зеркалами)развернуты относительно пластин 4,5 на 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 поляризации от длины волны и угловой апертуры пучка.

Широкий спектральный диапазон, высокая степень поляризации, возможность варьирования азимутов переключаемых пучков в большом диапазоне позволяют эффективно использовать этот соосный ПСП в ИК спектральных эллипсометрах.



а). б).


Рис.2.2.

Ключевой элемент спектральных эллипсометров с бинарной модуляцией состояния поляризации – бинарный модулятор поляризации {34} показан на Рис.2а. Коллимированный пучок излучения расщепляется клином из кальцита ( CaCO3) 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 коллимированными 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-ВаВ2О4), 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].

Глава3. 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 эллипсометрической установки показана в {4}. На выходе ПИМ с частотой 160 Гц попеременно формируется линейно-поляризованное излучение с азимутами Р и Р+90º . 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 А2, при которых сигналы I1и I2, соответствующие переключаемым ПИМ пучкам, равны. По А1 и А2 определяются эллипсометрические и электрофизические параметры.

Технические параметры установки:

Длина волны излучения 0,63; 1,15; 3,39; 10,6 мкм.(He-Ne лазер ЛГ-126 и CO2 лазер).

Время измерения – 5 сек; Диапазон измеряемых толщин- 0,001-20 мкм. Погрешность определения толщин- 0,5 нм; Погрешность определения показателя преломления 0,005; Погрешность определения концентрации свободных носителей заряда (при N> 1019 см-3)- 5%. Погрешность определения подвижности свободных носителей заряда 15%. Погрешность определения эллипсометрических параметров ψ и Δ 0,02º-0,04º на длинах волн 0,63-3,39 мкм и 0,1º на длине волны 10,6 мкм. Диапазон автоматического сканирования угла падения излучения на образец-30-90 градусов. Погрешность определения азимута анализатора -0,02º.

В Главе 3 представлен двухлучевой дифференциальный ИК эллипсометр, описанный в {37}.

Эллипсометр имеет высокую чувствительность при определении разности эллипсометрических параметров эталонного и исследуемого образцов.

Широкий спектральный диапазон, меньшие потери излучения и возможность выбора произвольных значений переключаемых азимутов поляризации характерны для ИК эллипсометра, предложенного в {33}. Система деления пучка по фронту и переключения пучков обеспечивает очень широкий спектральный диапазон от 400 нм до 50 мкм (Табл. в Гл.3) при высокой степени поляризации пучков.



Рис.3.1. 1-призменный монохроматор ИКМ-1, 2- зеркальная система коллимации пучка, 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 эллипсометров 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 падения - 45-90 градусов. Время измерения спектров эллипсометрических параметров Ψ и Δ - 20 сек. Точность определения Ψ и Δ 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 UVTOP для работы в спектральном диапазоне от 270 нм с высокой надежностью и отношением сигнал/шум.


IMG_0484

Рис.4.1.


Универсальный сканирующий спектроэллипсометр ES-2.



IMG_0490

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 эллипсометрических параметров Ψ и Δ -0,6 сек. Точность измерения эллипсометрических параметров Ψ и Δ по воспроизводимости 0.003 и 0.01 градуса, соответственно. Долговременная стабильность Ψ и Δ – 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 109 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 cosΔ и tgΨ по воспроизводимости и их долговременная стабильность 10-4 в области длин волн более 450 нм.


Рис1


















Рис.4.3.



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



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

В главе 4 дано описание некоторых других схем эллипсометров, удобных для конкретных приложений. Например, при использовании ПЗС матриц фотоприемников и локальных измерениях имеет определенные преимущества эллипсометр с геометрией: источник излучения - БМ с опорным фотоприемником - 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 конструкция. Такой эллипсометр можно использовать и для in situ измерений.

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

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


5.1.Спектральная эллипсометрия многослойных гетероструктурZnS/ZnSe {11,12}.

При исследовании слоев селенида цинка, сульфида цинка и многослойных структур ZnS/ZnSe, полученных методом химического газофазного осаждения из элементоорганических соединений на GaAs-подложках, эллипсометрические измерения проводились на универсальном автоматическом двухканальном спектроэллипсометре с БМСП на основе серийного монохроматора МДР-3 со спектральным разрешением 1 нм.

Для локальных эллипсометрических измерений использовалась приставка, изготовленная на основе двух сферических зеркал с фокусным расстоянием 50 мм, что позволило значительно уменьшить ошибки анализа слоев с большими толщинами, обусловленные их неоднородностью, и проводить картографирование поверхности образца с локальностью не хуже 0.2 × 0.5 мм при угле падения 70°. Качество гетероструктур оценивалось методами фотолюминесценции и рентгеновской дифрактометрии, а толщины определялись методами эллипсометрии и по спектрам отражения.

Из-за упругих напряжений вследствие несоответствия параметров решетки эпитаксиальных слоев и подложки и наличия дефектов в объеме пленки оптические константы тонких пленок А2B6 и соответствующих монокристаллов несколько различаются. Для определения дисперсии показателей преломления и поглощения тонких эпитаксиальных слоев ZnSи ZnSe выращены простые слои соединений А2B6. В спектрах cosΔ и tgΨдвух структур ZnSe/GaAsс различной толщиной эпитаксиального слоя, зарегистрированных с приставкой для локальных измерений, хорошо заметно изменение характера кривых вблизи края запрещенной зоны селенида цинка. Двухслойная модель поверхностный оксидный слой/пленка ZnSe/подложка GaAs (рис. 1) удовлетворительно описывает экспериментальные результаты. Наличие особенностей вблизи энергий E0/(E0 +Δ0) критических точек и совпадение абсолютных величин n и kс литературными данными свидетельствуют о высоком структурном качестве слоев ZnSe. Вследствие упругих напряжений максимум спектра показателя поглощения k смещен в коротковолновую сторону по сравнению с известными 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 ZnSe, 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 ZnSe/ZnS. На рис. 5.1 приведены результаты измерений и расчета в рамках 10- и 12-слойной модели для двух структур (ZnSe/ZnS)n/ZnSe/GaAs, причем толщины слоев как ZnS, так и ZnSe в многослойной структуре принимались одинаковыми во всех парах слоев. Расчет и эксперимент хорошо согласуются во всем спектральном диапазоне, величина σ не превышает 0.02—0.03. Спектры отражения, рассчитанные для угла падения 20° по определенным из СЭ параметрам (рис. 3), совпадают с измеренными (рис. 2, в и г).






Рис.5.1.. Эллипсометрические спектры tgΨ (○) и cosΔ (Δ) двух многослойных структур в сопоставлении с модельными расчетами для структур: поверхностный оксидный слой 4 нм/четыре пары слоев (46 нм ZnSe/58 нм ZnS)/63 нм ZnSe/GaAs (а и б) и поверхностный оксидный слой 5 нм/пять пар слоев (41.5 нм ZnSe/45.5 нм ZnS)/271 нм ZnSe/GaAs (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 ZnS/ZnSe на λ = 480 нм Δn = 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 ZnS/ZnSe главное внимание уделено снижению шероховатости растущей поверхности. В результате для лучшего выращенного образца РБР с 20 парами коэффициент отражения 99 % на λ = 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 полистирена при ионном облучении методом СЭ {15} .


Мы использовали метод СЭ с бинарной модуляцией состояния поляризации. В универсальном автоматическом спектроэллипсометре последовательно расположены: импульсная ксеноноваялампа PX-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 интегрирование на фотоприемниках существенно увеличивает отношение сигнал/шум при работе с импульсными и нестабильными источниками излучения.

Результаты наших СЭ исследований показали, что при облучении PMMA ионами азота при дозах ниже 1 x1015cm2сильная дисперсия n(λ) и k(λ) наблюдается в спектральном диапазоне 300-600 nm (Рис.5.2.). Величины n(λ) и k(λ) возрастают с уменьшением λ. При λ> 600 нм наблюдается слабая дисперсия n(λ) и k(λ).

При дозах облучения более 1x1015cm2спектральное поведение n(λ) и k(λ) PMMA пленок наблюдается сильное увеличение коэффициента экстинкции и пленки не могут использоваться как волноводный материал. Максимум в зависимости n(λ) сдвигается в длинноволновую сторону, а k возрастает на три порядка в коротковолновой части спектра. Облучение PMMA и PS ионами можно использовать как эффективное средство изменения оптических свойств и изготовления диэлектрических планарных волноводов


Рис.5.2. Влияние N ионной имплантации (300 KeV) на оптические свойства PMMA пленок, полученных из Tan ψ и cos Δ спектров


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


Эллипсометрический анализ скрытых графитизированных слоев, образованных в He+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 n и k спектры, толщина и шероховатость графитизированных слоев.


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


В {70} показана эффективность использования СЭ в комплексе с Рамановской спектроскопией, 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 300-600º C. Спектры действительной и мнимой частей псевдодиэлектрической функции, измеренные на СЭ в области 270-1100 нм анализируются с помощью аппроксимации эффективной среды Бруггемана ( BEMA). 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 n(λ) и k(λ).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 ал-мазных пленок, осажденных с использованием прекурсора– поли (нафтилгидрокарбина) {71}.

Раздел 5.6 представляет СЭ измерения алмазоподобных пленок на Cu {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 Ψ и Δ. Скорость измерений ограничивается инерционностью фотоприемников и временем преобразования АЦП. Для светодиода с длиной волны излучения 620 нм получены рекордные для эллипсометрии значения для точности по воспроизводимости (precision): 2х10-5º для Ψ и 3х10-4º для Δ. Такие крайне простые и дешевые малогабаритные эллипсометры с бинарной модуляцией состояния поляризации удобны для картографирования, исследования кинетики различных процессов и применений в сенсорных устройствах.

kov1


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.


kau-100

Рис. 6.2.


В ряде работ используется одновременно в условиях in situ микромеханические кантилеверы

и эллипсометрия в качестве сенсорных устройств[15]. Эллипсометрия обеспечивает измерение толщины молекулярного слоя с точностью 0,1 нм и поверхностное напряжение в разрешением 5х10 -5 Н/м. В таких задачах решающее значение имеет чувствительность эллипсометра.


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

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 дихрометр-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 квантово-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.И., 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 A.I., 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 A.I., 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, с. 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, c. 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.И., Руковишников А.И. Компактный многоканальный спектроэллипсометр. 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., Kamishan A.S. PMMA and polystyrene films modification under ion implantation studied by spectroscopic ellipsometry. Proceedings SPIE, 2004, v.5401, p. 129-136.

  16. Кhomich A.V., Kovalev V.I., Vedeneev A.S., Kazanskii A.G., Forsh P.A., He D., Wang X.Q., Mell H., Vlasov I.I., Zavedeev 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/SiO2/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, рр.124-130.

  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 В.А., Пелипец О.В., Зубков Н.П., Ковалев В.И. Исследование состава алмазоподобных 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., Кунькова 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 слоёв 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 наноструктурированных пленок а-С:Н:Si. Российские нанотехнологии, 2009, т.4 , № 5-6, с. 138-143.

  26. Ganshina E.A., Golik, L.L., Kovalev V.I., Kunkova Z.E., Temiryazeva M.P., Danilov 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:10.1088/0953-8984/22/39/396002

  27. Gan’shina E.A., Golik L.L., Kovalev V.I., Kun’kova Z.E., Temiryazeva M.P., Danilov 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 2010/Dec/30 at www.scientific.net

  28. Mkrtchyan F. A., Krapivin V. F., Kovalev V. I., and Klimov V. V. An adaptive spectroellipsometer 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. Пр.20.04.1983.Оп. 7.02.1985.Б.И. №5.

  32. Ковалев В.И., Елинсон 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 фазосдвигающее 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. Двухлучевой эллипсометр на основе Не- Ne лазера ЛГ-126. Тезисы докладов 1 Всесоюзной конференции по эллипсометрии. Новосибирск.1977, с.73.

  38. Kovalev V.I., Elinson M.I., Karnaukhov 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.I., 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 А.В. Эллипсометр-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., НикитенкоН.Д., Петрова И.М. Исследование деградационных процессов в контактной области герконов. Всеcоюзная 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 СО2 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 эллипсометры 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. Сборник 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.I., 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 characterization of thin films for chemical sensors, MRS Fall Meeting, 1994. p. 43.

  51. Ковалев В.И., Руковишников А.И., Хомич А.В. 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 графитизация в алмазах, имплантированных водородом и дейтерием. Труды Международной конференции « Взаимодействие излучения с твердым телом – ВИТТ-2003», Минск, Беларусь,8-10 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 ,-с. Р1-26.

  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, 6-10 октября, с. Р1-27.

  56. Kovalev V.I.,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., Golovachev 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 Envirenment. 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 В.В., Мкртчян Ф.А., Потапов И.И. Спектроэллипсометрическая технология для контроля качества воды. Экология производства,2005,№8, с. 38-41.

  66. Крапивин В.Ф., Климов В.В., Мкртчян Ф.А., Ковалев В.И. Возможности СВЧ-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 экоинформатики» 16-17 декабря 2008г. Москва, с.141-146.

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

  69. Ковалев В.И. Руковишников А.И. Ковалев С.В. Хомич А.А. Исследование планарных кремниевых и алмазных структур методом спектральной эллипсометрии с дискретной модуляцией состояния поляризации. Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии. 9 Мееждународная научная конференция. Кисловодск, 16 октября 2009 г. Ставрополь.с. 162-164.

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

  71. Булычев Б.М., Генчель В.К., Звукова Т.М., Сизов А.И., Александров А.Ф., Коробов В.А., Большаков А.П., Герасименко В.А., Канзюба М.В., Седов В.С., 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.I., Klimov 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 А.А., Васильев Н.Н., Габучян В.М.,Россуканый Н.М.,Тихомиров Н.А. 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-Holland,Amsterdam,1977.

[2].Fujiwara H., Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications, New York, Wiley, 2007.

[3].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].ЗапасскийВ.С., ФеофиловП.П. Развитиеполяризационноймагнитооптики парамагнитныхкристаллов. УспехиФизических 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, 14,220–228.

[8] Drevillon B., 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 , 937–939. [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 T. E., Herzinger C. M., Johs B., K. 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. 1050-1053.

[15 ].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.11, 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 B., 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 AlCuFeCr approximant 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 Nanomechanical Response of Stratified Polymer Brush Structures.Langmuir, 2007,23, 265-273.

[28] alexandria.tue.nl/extra2/200213830.pdf J-Charles Cigal. A Novel Spectroscopic Ellipsometer in the Infrared. Dissertation, 2002, Chapter2, p.42.

[29] Mackey Jeffrey R, Salari Ezzatollahand 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.





Структура светодиода с множественными квантовыми ямами представляет собой довольно сложный “пирог”. На сапфировой подложке, после буферного слоя AlN (толщиной 30 нм), выращен относительно толстый (4 мкм) слой n-GaN:Si. Затем идет активный нелегированный слой, состоящий из пяти чередующихся квантовых ям InxGa1–xN (3-4 нм) и барьеров GaN (4-5 нм). Эффективная ширина запрещенной зоны квантовых ям InxGa1–xN соответствует излучению от голубой до желтой области (450-580 нм), если состав активного слоя меняется в пределах x = 0.2-0.4; она зависит и от толщины d. Расположенный выше барьерный широкозонный слой p-Al0.1Ga0.9N:Mg (100 нм) инжектирует дырки и согласует решетку с решеткой верхнего слоя p-GaN:Mg (0.5 мкм), на который нанесен металлический контакт Ni-Au. Второй металлический контакт (Ti-Al) с нижним слоем n-GaN создается после стравливания части структуры.

http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/06_01/UNOVICH8.GIF



ААЭКС, №2(22), 2008, Современные технические средства, комплексы и системы

УДК 621.362

ПРИМЕНЕНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ InGaNВ ФОТОВОЛЬТАИКЕ

Аппазов Э.С.

 Известно, что максимальная эффективность преобразования солнечного излучения достигается при использовании соединений группы А3В5 для изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) [1]. Это обеспечивается, с одной стороны, -подходящими электрофизическими свойствами соединений этой группы, с другой – возможностью  создания твердых растворов на их основе, позволяющих варьировать ширину запрещенной зоны и другие важные для фотоэлектрического преобразования параметры в достаточно широком диапазоне значений  и создавать многопереходные  ФЭП.

Установленное истинное значение ширины запрещенной зоны нитрида  индия [2,3] позволяет посмотреть по-новому на приборное использование этого материала [4].  В системе InN-GaN оказалось возможным получение твердых растворов с шириной запрещенной зоны от 0,78 эВ (InN) до 2,2 эВ (GaN) [5], перекрывающих спектральный диапазон от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения, т.е., создания ФЭП для любой длины волны в этом диапазоне. В настоящей работе мы определим потенциальные  возможности ФЭП на основе InxGa1-xN при преобразовании солнечного излучения.

http://aaecs.org/img/content/appazov-es-primenenie-tverdih-rastvorov-na-v-fotovoltaike/image001.jpg

Рис. 1 Зависимость максимального к.п.д. преобразователя солнечного излучения от  ширины запрещенной зоны [1]

 

       Рис. 1 демонстрирует зависимость идеального к.п.д.  фотопреобразователя  от ширины запрещенной зоны Eg материала для однопереходного ФЭП при АМ 1,5 и конкретные значения эффективности для некоторых, наиболее эффективных  в фотопреобразовании солнечной энергии материалов.  Приведенная зависимость показывает, что максимальная эффективность преобразования солнечного излучения будет достигнута при использовании материала со значением  Eg  между  Eg(InP) = 1,26 эВ и Eg(GaAs) = 1,424 эВ. Легко определить, что ширина запрещенной зоны Eg оптимального для солнечного спектра материала примерно составляет  1,334 эВ.  Расчетная зависимость  n(Eg)  получена при использовании общего термодинамического подхода, при  котором поглощение   каждого фотона с энергией  hv > Eg  сопровождается  рождением электрона, дающего вклад в фототок [1].  Отметим, что на  сравнительно небольшой энергетический интервал, равный разнице ширины запрещенной зоны GaAs и Eg(InxGa1-xN)= 1,334 эВ,  приходится около 9% всех  фотонов, излучаемых  Солнцем. Известно, что не для всех твердых растворов закон Вегарда  выполняется строго [6]. Особенности изменения  ширины запрещенной зоны  твердого раствора  InxGa1-xN в настоящее время точно не установлены. Однако, экспериментальные данные фотолюминесценции (ФЛ) [6] твердых растворов  InxGa1-xN, в предположении, что краевая полоса ФЛ формируется зона-зонными переходами,  позволяет  считать, что закон Вегарда  выполняется строго, как это обычно происходит в твердых  растворах  А3В5 с  подобной  зонной структурой  бинарных соединений, образующих твердый раствор. 

http://aaecs.org/img/content/appazov-es-primenenie-tverdih-rastvorov-na-v-fotovoltaike/image002.jpg

Рис. 2 Зависимость ширины запрещенной зоны твердого

раствора InxGa1-xN от концентрации индия

 

Зависимость  Eg  твердого раствора InxGa1-xN  от  его состава приведена на рис. 2.  Таким образом, можно определить, что ширине запрещенной зоны  1,334 эВ будет соответствовать твердый раствор   с   мольной долей   индия  x = 0,55. Особенно существенно преимущества  In0,55Ga0,45N проявляются при преобразовании концентрированного солнечного излучения, что наглядно демонстрирует рис. 3.

http://aaecs.org/img/content/appazov-es-primenenie-tverdih-rastvorov-na-v-fotovoltaike/image003.jpg

▬▬▬ In0.55Ga0.45N,   ▬  ▬  ▬GaAs.

Рис. 3 Зависимость к.п.д. от:

1 - коэффициента концентрации излучения;

2 - температуры преобразователя

Здесь зависимости к.п.д. от степени концентрации Кс рассчитаны  для  температуры ФЭП  280 К.  С  увеличением   температуры  эксплуатации ФЭП, что  является  характерным  при  преобразовании     концентрированного  солнечного  излучения,  эффективность   ФЭП   уменьшается [7],  но  для   InxGa1-xN   снижение   к.п.д.   происходит  медленнее,  чем   для  фотопреобразователя   на  основе  арсенида  галлия.  Если  для    Т = 280 К  при  Кс =    разница  к.п.д.  составляет  0,93  %,  то  для  Т =  340 К   эффективность  ФЭП   на  основе  твердого раствора выше на 0,95 %. 

 Таким образом можно утверждать, что фотопреобразователи на основе тверды растворов InxGa1-xN   могут быть использованы при производстве преобразователей солнечного излучения. Кроме того, температурная стабильность данных материалов делает возможным концентрацию солнечного излучения.

 

Possibility of application of hard solution of InxGa1-xN for the production of converters of sun radiation is considered. Solution and his efficiency is offered by comparison to a traditional converter on the basis of antimonide gallium is counted.

 

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер. с англ. – 2-е перераб. и доп. изд. – М.: Мир, 1984. –  456с.

2. Davydov V. Yu., Klochikhin A. A., Seisyan R. P., Emtsev V. V., Ivanov S. V., Bechstedt F., Furthmueller J., Harima H., Mudryi A. V., Aderhold J., Semchinova O. // J. Phys. stat. sol. (b). –2002. -229. – Р. 195.

3. Miyajima T., Kudo Y., Liu K.-L., Uruga T., Honma T., Saito Y., Hori M., Nanishi Y., Kobayashi T., and Hirata S. Structure Analysis of InN Film Using Extended X-Ray Absorption Fine Structure Method. // Phys. stat. sol. (b). – 2002. - 234, № 3. - Р801–804.

4. S. Shutov, E. Appazov, V.Shostak. New application of InN. // InN, GaN, AlN and related materials, their heterostructures and devices. E-MRS Spreeng Meeting 2004. May 24-28 2004. –Strasbourg. - L/PII.03.

5. Davydov V. Yu., Klochikhin A. A., Emtsev V. V., Kurdyukov D. A., Ivanov S. V., Vekshin V. A. Band Gap of Hexagonal InN and InGaN Alloys. // Рhys. stat. sol. (b). – 2002. - 234, № 3. – Р. 787–795.

6.Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы. – М.: Мир. - 1986. – 440 с.

7.  Wysocki J.J., Rappaport P. Effect of Temperature on Photovoltaic Solar Energy Conversion. // J. Appl. Phus. – 1960. -31. – Р. 571