Ellipsometrie

Der prinzipielle Aufbau eines Ellipsometers:

Die Verbindung Ellipsometrie und Ionenstrahl-Analytik:

Ellipsometrie liefert Informationen über die Struktur der Proben, die komplementär zu der aus der Ionenstrahl-Analytik (IBA) ist. Informationen über Schichtdicken, dielektrische Eigenschaften (Brechungsindex und Absorption), sowie strukturelle Eigenschaften wie relative Dichte (Volumenanteile), Rauhigkeit, Textur und kristallographische Orientierung (Anisotropie) können gewonnen werden. Diese Informationen sind für die eindeutige Auswertung von IBA-Daten notwendig und umgekehrt ist die Information über die Zusammensetzung für die Bewertung der optischen Daten erforderlich.

Die wesentlichen Vorteile der Ellipsometrie sind:

  • sie ist eine absolut zerstörungsfreie Methode
  • sie kann mono-Lagen empfindlich sein (bei geeigneten Parametern und Nutzern)
  • sie kann in nahezu jeder Umgebung angewandt werden (in Vakuum, Gasen, Flüssigkeiten)
  • die typische Zeitauflösung liegt im Bereich von ms bis s (ms sind möglich)

Einige Grundlagen:

Die Ellipsometrie ist ein optisches Meßverfahren, das auf der Messung der Änderung des Polarisationszustandes einer elektromagnetischen Welle nach Wechselwirkung mit der Probe (i.A. Reflexion) beruht. Die Änderung des Polarisationszustandes bei der Wellenlänge l und dem Einfallswinkel F wird durch eine komplexe Zahl r(l,F) oder zweckmäßigerweise durch zwei reelle Zahlen (Änderung von Amplitudenverhältnis und relative Phase) beschrieben :  r(l,F) = tan Y * exp (i D).
Der Phasenparameter D ist bei Reflexions- und Transmissionsmessung nicht zugänglich und gerade dieser ist für die außergewöhnlich hohe (mono-Lagen) Empfindlichkeit der Ellipsometrie verantwortlich. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zur Reflektometrie besteht darin, daß bei der Ellipsometrie keine absoluten Intensitäten gemessen werden, sondern lediglich Intensitätsverhältnisse. Dies hat zur Folge, daß die Intensität der Lichtquelle, die Empfindlichkeit des Detektors, sowie z.B. die Absorption von Fenstern etc. das Meßergebnis nicht beeinflussen, wodurch die Meßergebnisse entschieden kleinere absolute Fehler aufweisen.
Wie alle optischen Meßverfahren für die Dünnschicht-Analytik, so erfordert auch die Auswertung der ellipsometrischen Meßwerte die Berechnung von optischen Vielschicht-Modellen. In Verbindung mit numerischen Regressionsverfahren werden die Modellparameter ermittelt, die die beste Anpassung der Modellwerte an die Meßwerte liefern. Es bleibt jedoch stets zu zeigen, daß das Modell physikalisch sinnvoll und das einzig mögliche Modell ist, daß eine derart gute Anpassung an die Meßwerte liefert, um haltbare Aussagen treffen zu können. Hierbei helfen alle Zusatzinformationen über die Probe, wie z.B. die aus der Ionenstrahl-Analytik gewonnenen.

 Vorhandene Ausrüstung:

  • Variable Angle of Incidence Spectroscopic Ellipsometer (VASE),  l=250-1700 nm,

    • mit AutoRetarder Option,  J.A.Woollam Co. Inc.
  • Spektroskopisches in-situ Ellipsometer (M-44), J.A.Woollam Co. Inc.

    • 44 Wellenlängen, l=340-630 nm
  • Ein-Wellenlängen (HeNe) in-situ Ellipsometer, Eigenbau

Gegenwärtige Forschungsarbeiten:

  • Bornitrid Schichten
    • in-situ Analyse der Schichtabscheidung
    • ex-situ Analyse der Anisotropie (generalized ellipsometry)
  • in-situ Diagnostik von Plasma Prozessen anhand der Plasma-Wand-Wechselwirkung
  • Plasma Ätzen  I (Tiefenprofil-Messung in Verbindung mit in situ ERD)
  • Plasma Ätzen  II (Si, SiO2, Si3N4)
  • Kavitäten in Silizium durch He Implantation