Спектральные эллипсометры Semilab SE-1000 и SE-2000 для научно-исследовательских и производственных задач

Илья Новоложилов,
руководитель проектов
направления "Микроэлектроника"
NovozhilovIA@dipaul.ru

В нашей предыдущей статье про основы метода эллипсометрии мы приводили краткое описание конструктивных особенностей линейки эллипсометров компании Semilab (Венгрия). С момента выхода той статьи прошло уже несколько лет, и за этот период, в условиях активной конкуренции среди производителей спектральных эллипсометров, инженеры, разработчики и дизайнеры Semilab привнесли ряд улучшений в свои флагманские модели эллипсометров SE-1000 и SE-2000. Эти улучшения позволили повысить функциональные и эргономические возможности данных моделей, чтобы они могли соответствовать современным требованиям для проведения самых передовых исследований в рамках наиболее актуальных и новых технологий. Давайте рассмотрим, какие же улучшения были привнесены специалистами Semilab в новые версии моделей спектральных эллипсометров SE-1000 и SE-2000.

Спектральный эллипсометр SE-1000

Дизайн. Ни для кого не секрет, что для большинства научно-исследовательских лабораторий, как российских, так и зарубежных, ограниченный бюджет зачастую играет определяющую роль, когда встает вопрос об обновлении или дооснащении парка имеющегося оборудования. Изначально, модель эллипсометра SE-1000 была выпущена на мировой рынок как бюджетная, но в то же время, крайне функциональная: бюджетное и настольное решение, доступное широкому кругу пользователей.

На практике выяснилось, что баланс модели SE-1000 все-таки смещен в сторону максимальной функциональности, а ряд заказчиков готов отказаться от большинства опций в случае крайне ограниченного бюджета. Поэтому было принято решение максимально упростить основную конструкцию, сохранив главные базовые функции, а опциональный состав вынести в дополнительное оборудование, разделив тем самым базовую и продвинутую платформы между моделями SE-1000 и SE-2000. В результате, новый дизайн эллипсометра SE-1000 (рис. 1) позволил существенно снизить общую стоимость прибора и повысить интерес для заказчиков с небольшим бюджетом. Фактически, в модели SE-1000 для заказчиков доступен высококачественный базовый спектральный эллипсометр по цене малобюджетных аналогов.

Рис. 1 – Новый дизайн спектрального эллипсометра SE-1000 (слева направо: управляющий компьютер, основной блок, блок электроники)

Спектральный диапазон. В новой версии эллипсометра SE-1000 предлагается несколько вариантов спектрального диапазона: базовый (380 -1000 нм) и опциональный (245 – 1000 нм), с возможностью расширения верхнего предела спектра в ИК-область до 1700 или 2150 нм. Стоит отметить, что спектрограф позволяет осуществлять многоканальный сбор данных полного спектра (макс. 2048 длин волн) одновременно на матричном ПЗС-детекторе. Тем самым обеспечивается быстрые (не более 1 с для спектра 245/380 – 1000 нм и не более 10 с для ИК-спектра), точные и воспроизводимые измерения параметров тонких пленок в однослойных и многослойных структурах, как на прозрачных, так и непрозрачных подложках.

Гониометр. В новом исполнении теперь доступны несколько вариантов гониометра с ручным заданием углов рук поляризатора и анализатора, при этом значения углов поляризатора и анализатора могут отличаться, что дает возможность также проводить измерения в режиме оптической скаттерометрии (например, на этапе контроля критических размеров структур с шириной линии менее 90 нм).

В базовом исполнении предлагается гониометр с диапазоном углов 60˚ - 75˚ (шаг 5˚) и 90˚ для режима калибровки. Опционально возможно расширение нижнего предела гониометра до 45˚. Стандартный размер светового пятна при этом может быть уменьшен до 365х470 мкм за счет специальных оптических элементов на магнитном креплении для рук поляризатора и анализатора - так называемый «микроспот» (рис. 2). Эта опция необходима, если стоит задача проводить измерения в ограниченной области на образце или необходимо измерять наноразмерные пленки на прозрачной подложке (стекло, кварц и др.). Запатентованная конструкция «микроспота» позволяет исключить эффект отражения света с обратной стороны подложки, делая измерения максимально достоверными и точными в отличии от других эллипсометров, в которых применяются исключительно математические алгоритмы в программном обеспечении для обработки полученного сигнала. «Микроспот» удобно использовать в комбинации с вертикальной камерой (увеличение до 6.5х) для визуализации области измерений в программном обеспечении или визуального инспектирования исследуемой области.

Рис. 2 – Базовый гониометр и опциональный «микроспот»

Держатель образцов. Фиксированный держатель образцов в базовом исполнении позволяет работать с максимальным диаметром подложек до 200 мм. Для пользователей, которые ведут исследования на пластинах диаметром 300мм, также доступен соответствующий держатель. В числе основных отличий от старой версии эллипсометра SE-1000, стоит выделить возможность ручного картирования образца по осям X-Y в диапазоне 60х60 мм или 100х100 мм (рис. 3). Ручная регулировка стола по вертикали осталась без изменений. Конструкция держателя адаптирована для простой установки различных высокотемпературных (до 1000°С) или низкотемпературных (до -196°С) ячеек Linkam, ячеек с кварцевыми микровесами (Quartz Crystal Microbalance), жидкостных и электрохимических ячеек, закрывая тем самым широкий спектр применений в научно-исследовательской деятельности.

Рис. 3 – Пример держателя подложек с ручным перемещением по осям X-Y 60х60 мм

Спектральный эллипсометр SE-2000

Рис. 4 – Спектральный эллипсометр SE-2000

Эллипсометр модели SE-2000 является максимально универсальным и функциональным решением для научно-исследовательских центров, институтов и производственных компаний, специализирующихся в области разработки и производства интегральных микросхем; силовых приборов на базе GaN и SiC; оптоэлектронных устройств; органической электроники; OLED и TFT дисплеев; солнечных элементов; 3D-наноматериалов. В числе основных новшеств в модели SE-2000 за последние несколько лет можно выделить следующие:

Возможность измерения толщины и оптических свойств пленок ПАВ (PDMS, Triton X-100, додекан, и др.) на поверхности жидкости (вода, масло, глицерин и др.). Эта возможность достигается за счет опциональной системы активной виброизоляции рабочей области, тем самым обеспечивается стабильность измеряемой системы (жидкость/ПАВ) даже при многоугловых измерениях;

Режим фотометрии и скаттерометрии, а также измерение 11 элементов матрицы Мюллера для анизотропных материалов, теперь доступны в базовой конфигурации эллипсометра (16 элементов матрицы Мюллера доступно опционально);

Уникальная конфигурация SE-2000 c диапазоном спектра 190 нм — 25 мкм на одном гониометре (рис. 5);

Рис. 5 - Уникальная конфигурация SE-2000 c диапазоном спектра 190 нм — 25 мкм

Для производственных компаний с небольшими объемами выпуска пластин, особенно интересна будет новая опция автоматической загрузки пластин Ø76 – 200мм из открытой кассеты. Данная конфигурация является определенным компромиссом между линейкой Semilab SE и линейкой промышленных эллипсометров Semilab uSE, соответствующих требованиям крупных микроэлектронных фабов, работающих с топологическими нормами менее 90 нм.

Рис. 6 – Спектральный эллипсометр SE-2000 с кассетной загрузкой и промышленный эллипсометр серии uSE.

5)     «Ультра-микроспот» 60х120 мкм (не путать с упоминавшимся ранее «микроспотом») теперь доступен не только в диапазоне 245 – 1000нм, но и в ИК-области спектра до 1700нм

6)     Возможность использования рефлектометра и четырехзондового модуля (для контроля удельного и поверхностного сопротивления) на одной платформе эллипсометра SE-2000 (рис. 7);

Рис. 7 – Пример конфигурации эллипсометра SE-2000 c рефлектометром, вертикальной камерой и четырехзондовым модулем (4PP)

Различные варианты ручных и автоматических держателей с картированием поверхности пластин диаметром до 300мм и автоматической подстройкой фокуса по оси Z, в том числе держатели с наклоном для работы с солнечными элементами (рис. 8)

Рис. 8 – Держатель с регулируемым наклоном для измерения солнечных элементов

Съемные тестовые ячейки для исследования свойств пористых пленок (SiO₂, TiO₂, WO₃, ZnO, золь-гель пленки др.) при атмосферном или пониженном давлении (рис.9). Данные исследования обычно включают контроль толщины, показателя преломления, пористости, модуля Юнга, гидрофобности, распределения микро и мезо пор по размерам (0,5–60 нм) во время цикла поглощения/удаления растворителя (толуол, этанол, изопропиловый спирт, вода, метанол и др.). Важно отметить, что технология эллипсометрической порозиметрии (EP- Ellipsometric porosimetry) была запатентована научно-исследовательским центром IMEC (Бельгия) и лицензирована исключительно для компании Semilab.

Рис. 9 – Ячейка для порозиметрии при пониженном давлении

Заключение

В заключении хотелось бы отметить, что все перечисленные выше новшества, привнесенные за последнее время в конструкцию спектральных эллипсометров Semilab SE-1000 и SE-2000, производителю Semilab удалось осуществить без существенного повышения цен на оборудование, а где-то даже удалось добиться снижения стоимости некоторых опций. При этом получилось выделить в линейке SE базовый, наиболее бюджетный прибор SE-1000, и топовую платформу SE-2000, для которой доступны все возможные опции.

Также стоит отметить, что модели эллипсометров SE-1000 и SE-2000 в своих предыдущих версиях уже давно заслужили высокую оценку ведущих мировых научно-исследовательских институтов и производственных компаний как за рубежом, так и в России. Этот факт позволяет предположить, что новые версии спектральных эллипсометров SE-1000 и SE-2000 вызовут еще больший интерес и помогут решить своим пользователям самые амбициозные задачи, в том числе, в области микроэлектроники.