Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

M9: Ellipsometrie
Methoden
M9: Ellipsometrie
Einsatzbereich und Genauigkeit
des Verfahrens
Die Ellipsometrie ist ein optisches Messverfahren,
das die berührungslose Bestimmung von
optischen Konstanten (Brechungsindex und Absorptionskoeffizient)
und Schichtdicken von Dünnschichten
und Dünnschichtsystemen erlaubt. Das
Verfahren bietet – abhängig von den zur Verfügung
stehenden Wellenlängen und der Qualität der untersuchten
Schichten – eine Dickenauflösung bis
hinunter in den Nanometerbereich. Der Bereich
untersuchbarer Schichten reicht von wenigen
Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern (in
speziellen Fällen auch darüber hinaus). Im Bereich
von 100 nm aufwärts können Brechzahl und Dicke
simultan bestimmt werden, darunter verhindert die
zunehmende Parameterkorrelation zwischen den
beiden Größen (verschiedene Wertepaare liefern
„gleich gute“ Werte) eindeutige Lösungen. Zu großen
Dicken hin besteht abermals die Möglichkeit
der Mehrdeutigkeit nahe beieinander liegender
Lösungen, hier kann allerdings durch bekannte
Dispersionsrelationen von Materialien u. U. Abhilfe
geschaffen werden. Die Genauigkeit der Brechungsindexbestimmung
hängt wiederum von der
Schichtgüte und anderen Einflussfaktoren ab, gute
Instrumente erreichen etwa 10 -3 . Voraussetzung
für die Möglichkeit der Dickenbestimmung ist die
hinreichende Transparenz der untersuchten Schichten
für die verwendeten Wellenlängen, zumindest
der erste von der Unterseite reflektierte Teilstrahl
muss mit dem an der Schichtoberseite reflektierten
Teilstrahl zur Interferenz kommen können.
Bauformen
Ellipsometer werden heute von einigen Firmen
in verschiedenen Bauformen angeboten, wobei i.A.
in Reflexionsgeometrie gearbeitet wird. Es existieren
aber auch Geräte, die sowohl in Reflexion als
auch in Transmission messen können, allerdings
ist dabei eine vertikale Lage der Proben in Kauf zu
nehmen. Der meistverwendete Spektralbereich ist
der Bereich des sichtbaren Lichts (VIS) von etwa
400 bis 800 nm. Die in diesem Bereich arbeitenden
Geräte (Lichtquelle i. A. Xenon-Hochdrucklampe)
reichen zumeist in den ultravioletten Bereich (UV)
bis zu etwa 300 oder 250 nm hinein. Für die Verwendung
noch kleinerer Wellenlängen (bis zu etwa
140 nm) muss aufgrund von Wasserdampf- und
Sauerstoff-Absorptionen der Luft mit trockenem
Stickstoff gespült werden, als Lichtquellen werden
Deuterium-Lampen verwendet. Bis in den Bereich
des nahen Infrarot (etwa 2 µm) können dispersiv
arbeitende Ellipsometer (mit entsprechend infrarot-empfindlichen
Detektoren) eingesetzt werden,
für größere Wellenlängen bis etwa 30 µm werden
Fourier-Transformations-Ellipsometer eingesetzt.
Grundsätzlich sind – auch abhängig vom verwendeten
Wellenlängenbereich – Bauformen mit
unterschiedlichem optischem Design im Einsatz:
Ellipsometer mit rotierendem Analysator oder Polarisator
(RAE oder RPE), Geräte mit rotierendem
Kompensator (RCE) sowie Null-Ellipsometer.
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