1. С.В. Рыхлицкий, С.А. Дулин, В.Ю. Прокопьев, Е.К. Иванов, Н.А. Аульченко, Н.И. Назаров. Спектральный рефлектометрический комплекс КРС-2. Приборы и техника эксперимента, 2011, № 5, стр. 1-2.
2. Е.В. Спесивцев, С.В. Рыхлицкий, Н.А. Аульченко, В.Ю. Прокопьев. Матричный эллипсометрический комплекс МЭК-2. Приборы и техника эксперимента, 2011, № 5, стр. 1-2.
3. С.В. Рыхлицкий, Е.В. Спесивцев, В.А. Швец, А.Г. Борисов. Быстродействующий in-situ эллипсометр. Приборы и техника эксперимента, 2011, № 6, стр. 1-2.
4. В.А. Швец. Эллипсометрия движущихся объектов. Автометрия, 2011, т. 47, № 2, стр. 79-87.
5. Е.В. Спесивцев, С.В. Рыхлицкий, В.А. Швец. Развитие методов и средств оптической эллипсометрии в Институте физики полупроводников. Автометрия, 2011, т. 47, № 5, стр. 5-12.
6. В.А. Швец, Н.Н. Михайлов, С.А. Дворецкий. Выращивание гетероструктур HgCdTe при эллипсометрическом контроле in situ. Автометрия, 2011, т. 47, № 5, стр. 13-24.
7. Власов В.В., Синяков А.Н., Пышный Д.В., Рыхлицкий С.В., Кручинин В.Н., Спесивцев Е.В., Пышная И.А., Костина Е.В., Дмитриенко Е.Д., Бессмельцев В.П. Эллипсометрический мониторинг в микрочиповых label-free биотехнологиях. Автометрия, Т. 45, № 5, 2011, стр. 67-76.
8. Антонов В.А., Спесивцев Е.В., Тысченко И.Е. Анодное окисление нанометровых слоев Si в структурах кремний на изоляторе. ФТП, 2011.
9. С.В. Рыхлицкий, Е.В. Спесивцев, В.А. Швец, В.Ю. Прокопьев. Спектральный эллипсометрический комплекс ЭЛЛИПС-1891-САГ. Приборы и техника эксперимента № 1, 2012, стр. 1-2. (принято в печать).
10. С.В. Рыхлицкий, В.А. Швец, Е.В. Спесивцев, В.Ю. Прокопьев, С.Г. Овчинников, В.Н. Заблуда, Н.Н. Косырев, С.Н. Варнаков, Д.В. Швецов. Измерительно-ростовой комплекс для синтеза и исследования in-situ материалов спинтроники. Приборы и техника эксперимента, № 1, 2012, стр. 1-2. (принято в печать).
11. В.А. Швец, С.В. Рыхлицкий, Е.В. Спесивцев, В.Ю. Прокопьев. Быстродействующий вакуумно-эллипсометрический комплекс. Приборы и техника эксперимента, № 1, 2012, стр. 1-2.(принято в печать).
12. V.V. Atuchin, A.V. Kalinkin, V.A. Kochubey, V.N. Kruchinin, R.S. Vemuri, C.V. Ramana. Spectroscopic ellipsometry and X-ray photoelectron spectroscopy of La₂O₃ thin films deposited by reactive magnetron sputtering. Journal of Vacuum Science and Technology v. A 29, № 2, 2011, p. 021004.
13. C.V. Ramana, V.H. Mudavakkat, K. Kamala Bharathi, V.V. Atuchin, L.D. Pokrovsky, V.N. Kruchinin, Enchanced optical constants of nanocrystalline yttrium oxide thin films. Applied Physics Letters. 2011, v. 98, №3, p. 031905-031911.
14. V.V. Atuchin, V.A. Golyashov, K.A. Kokh, I.V. Korolkov, A.S. Kozhukhov, V.N. Kruchinin, S.V. Makarenko, L.D. Pokrovsky, I.P. Prosvirin, K.N. Romanyuk, O.E. Tereshchenko. Formation of inert Bi₂Se₃(0001) cleaved surface. Crystal Growth & Design, 2011, (in Press)
15. М.И. Воевода, С.Е. Пельтек, М.В. Кручинина, С.А. Курилович, В.Н. Кручинин, С.В. Рыхлицкий, К.П. Могильников. Применение эллипсометрии для исследований биоорганических сред. Автометрия, 2011, т. 47, № 5, стр.114-121.

КОНТАКТЫ

Руководитель:	к.т.н., Спесивцев Евгений Васильевич Тел. (383) 330-89-46, (383) 330-87-16 Факс (383) 333-27-71
Адрес:	г. Новосибирск, ул. академика Ржанова, 2 Лабораторно-технологический корпус ИФП
Сайт лаборатории:	www.thinlayers.ru

1. Рыхлицкий С.В., Спесивцев Е.В., Швец В.А., Прокопьев В.Ю. Спектральный эллипсометрический комплекс Эллипс-1891-САГ // ПТЭ, 2012, № 2, с. 161.
2. Швец В.А., Рыхлицкий С.В., Спесивцев Е.В., , Прокопьев В.Ю. Быстродействующий вакуумно-эллипсометрический комплекс. // ПТЭ, 2012, № 2, с. 163.
3. Рыхлицкий С.В., Швец В.А., Спесивцев Е.В., Прокопьев В.Ю., Овчинников С.Г., Заблуда В.Н., Косырев Н.Н., Варнаков С.Н., Шевцов Д.В. Измерительно-ростовой комплекс для синтеза и исследования in situ материалов спинтроники. // ПТЭ, 2012, № 2, с. 165.
4. Тарасов И.А., Косырев Н.Н., Варнаков С.Н., Овчинников С.Г., Жарков С.М., Швец В.А., Бондаренко С.Г., Терещенко О.Е. Эллипсометрическая экспресс-методика определения толщины и профилей оптических постоянных в процессе роста наноструктур Fe/SiO₂/Si(100) // ЖТФ, 2012, том 82, выпуск 9, с. 44.
5. Аристов Л.И., Бородин М.С., Прокопьев В.Ю., Прокопьев Ю.М., Сенцов Ю.И., Хмельщиков М.В., Шилов А.М., Щепихин И.В. Аппаратура контроля электрического заряда на телекоммуникационном космическом аппарате.// Научно-технические разработки КБ «Салют» 2009-2011 гг., Выпуск 3, 2012, с. 327-333.
6. Воевода М.И., Кручинина М.В., Пельтек С.Е., Курилович С.А., Кручинин В.Н., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Володин В.А., Генералов В.М., Герасимов В.В., Князев Б.А. Использование оптических методов исследования крови в диагностике стадии заболевания при диффузной патологии печени. // Архив внутренней медицины, 2012, № 4, С. 46-54.
7. Рыхлицкий С.В., Спесивцев Е.В., Швец В.А., Борисов А.Г. Быстродействующий in-situ эллипсометр. // ПТЭ, 2012, № 1, с. 160-161.
8. Mudavakkat V.H., Atuchin V.V., Kruchinin V.N., Kayani A., Raman C.V. Structure, morphology and optical properties of nanocrystalline yttrium oxide (Y₂O₃) thin films // Optical materials, 2012, V. 34, P. 893-900.
9. Atuchin V.V., Grigorieva T.I., Pokrovsky L.D., Kruchinin V.N., Lychagin D.V., Ramana C.V. Dispersive optical parameters of Ni(100) crystal and thermally evaporated nickel films // Modern Physics Letters B, 2012, V. 26, No. 5, 1150029 (6 pages).
10. Gavrilova T.A., Atuchin V.V., Kruchinin V.N., Lychagin D.V. Micromorphology and spectroscopic ellipsometry of Ni(100) crystal surface // Physics Procedia, 2012, V. 23, P. 61-64.

ИСТОРИЯ

Оптическая эллипсометрия в ИФП: 45-летний путь становления и развития
С.В. Рыхлицкий

Зарождение и становление эллипсометрии в ИФП

В Институте физики полупроводников СО РАН одним из приоритетных и старейших научных направлений является оптическая эллипсометрия - эффективный оптический метод исследования поверхности твёрдого тела, в основе которого лежит анализ состояния поляризации света, отражённого от исследуемого образца.

Все научные достижения в области изучения поверхности твёрдого тела и создания новейших тонкоплёночных технологий, как правило, всегда неразрывно связаны с развитием прецизионных аналитических методов исследования и разработкой высокоточных средств диагностики. Особое место в этом ряду занимает эллипсометрия. Уже в самом начале её стремительного взлёта в середине прошлого века, который совпал с бурным прогрессом, происходившим тогда в СССР в таких отраслях промышленности, как микроэлектроника, оптика, лазерная техника, приборостроение, космос и др., стало ясно, что высокая чувствительность и точность метода, бесконтактность и отсутствие возмущающего воздействия на объект исследования, могут стать определяющими критериями при выборе эллипсометрии, как для научных исследований, так и при технологическом контроле в промышленности. Прогресс в развитии тонкоплёночных технологий и полупроводниковой индустрии неизбежно вёл к уменьшению характерных размеров создаваемых структур. Это предъявляло повышенные требования к аналитическим средствам контроля параметров слоистых структур в процессе их производства: состава слоёв, кристаллического совершенства материалов и в первую очередь их геометрических характеристик - толщин слоёв. Эллипсометрия удачно дополнила существующий арсенал методов диагностики поверхности: оже-спектроскопию, дифракцию медленных и быстрых электронов, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию и др. Эллипсометрия достаточно быстро получила широкое распространение для исследования физико-химических свойств поверхности, её морфологии, для измерения толщин многослойных структур и характеризации оптических свойств тонких плёнок. Ряд существенных достоинств этого метода делали его крайне привлекательным. Перечислим только некоторые из них: прежде всего – универсальность метода. Оптические константы (показатели преломления n и поглощения k), которые, в конечном счете, и определяют результат эллипсометрических измерений - есть фундаментальные характеристики вещества. Любое внешнее воздействие приводит, как правило, к изменению оптических свойств измеряемого объекта. Поэтому с помощью метода эллипсометрии можно характеризовать широкий спектр физических параметров: состав композиционных соединений, плотность инородных включений, структурное совершенство материала, качество границ раздела, регистрировать изменения, обусловленные изменением температуры или воздействием электрических, магнитных, механических полей и многое, многое другое. При этом, в отличие, например, от дифракции электронов, эллипсометрия одинаково хорошо применима как к кристаллическим веществам, так и к аморфным. Можно ещё добавить, что эллипсометрические измерения имеют высокую чувствительность: к изменению показателя преломления она составляет ~1·10^-3, а к изменению толщины плёнки достигает долей монослоя. При оптимизации условий измерений, эти приведенные значения могут быть улучшены ещё на порядок.

Ещё одно важное свойство метода – это неразрушающее и невозмущающее воздействие измерений. Энергия зондирующих фотонов составляет всего несколько электрон-вольт. Их воздействие на исследуемую структуру пренебрежимо мало по сравнению, например, с электронным пучком, где энергия электронов на 3 – 4 порядка выше. Это делает возможным использование эллипсометрии «in-vitro» для таких деликатных «живых» химических соединений, как кровь, клетки и белки и др., а также для широкого класса объектов в биологии и медицине. Глубина проникновения света зависит от поглощения материала и составляет, как правило, около сотни нанометров. Именно с такой глубины «считывается» вся полезная информация о структуре. Поэтому, нет необходимости проводить послойное удаление материала, тем самым, разрушая образец, чтобы измерить параметры глубинных слоёв или делать его профилирование. Нужно только правильно расшифровать полученную информацию.

Как правило, использование тех или иных измерительных средств накладывает определённые ограничения как на исследуемые образцы, так и на условия, при которых проходят измерения (например, зачастую измерения проводятся в вакууме). Многие методы предполагают препарирование образцов перед измерениями. Иногда эти требования вступают в противоречие с жёсткими технологическими условиями. В этом отношении эллипсометрия выглядит более чем непритязательной. Свет одинаково хорошо распространяется как в вакууме, так и в воздухе или в любой прозрачной среде, даже если эта среда весьма агрессивная. Исследуемый образец не нужно специально готовить к измерениям. Тем самым проявляется ещё одно качество этого метода – экспрессность. Весь цикл измерений, включая размещение образца на предметном столике и непосредственное измерение, занимает считанные секунды. Низкие требования к условиям измерения, а также бесконтактность и высокое быстродействие делают метод очень технологичным и позволяют использовать его для контроля непосредственно в процессе создания структур или при изучении различного рода физических воздействий в реальном времени, то есть in situ.

Возникновение метода эллипсометрии восходит к работам великого немецкого физика конца 19 века Пауля Друде. Именно им были сформулированы основные принципы эллипсометрии и отражённый поляризованный свет впервые был использован для измерения оптических констант металлов. Вплоть до середины прошлого столетия метод оставался мало востребованным. Локомотивом его второго рождения и интенсивного развития стала быстро развивающаяся в то время полупроводниковая микроэлектроника, которая остро нуждалась в экономичном, доступном и надёжном методе прецизионного контроля толщин диэлектрических слоёв полупроводниковых структур и, вследствие удачного стечения обстоятельств, получилось так, что эллипсометрия как нельзя лучше могла удовлетворить все требования этой отрасли. Более того, оказалось, что возможности, заложенные в физических принципах метода, гораздо шире и позволяют не только измерять толщины слоёв, но и характеризовать их физико-химические свойства, а также исследовать достаточно тонкие процессы на поверхности.

С этого и началось интенсивное развитие эллипсометрии 20-го века. Оно было обусловлено ещё двумя обстоятельствами: появлением источников направленного монохроматического излучения – лазеров и широким распространением быстродействующей вычислительной техники. Последнее обстоятельство позволило облегчить процедуру интерпретации измерений, существенно расширить рамки модельных представлений при описании исследуемых структур и тем самым перейти к изучению более сложных объектов. Развитие метода шло по нескольким взаимосвязанным направлениям. Прежде всего, это развитие методических основ самого метода эллипсометрии, разработка моделей для интерпретации эллипсометрических измерений, создание алгоритмов и методов численного решения эллипсометрических задач. Параллельно шла разработка аппаратурного обеспечения метода эллипсометрии: создание эллипсометров высокого временного и латерального разрешения, а также широкого спектрального диапазона. Это, в свою очередь, привело к распространению метода эллипсометрии из микроэлектроники в другие области знаний: физику твёрдого тела, физику поверхности, материаловедение, технологию оптических покрытий, химию полимеров и электрохимию, биологию, медицину и др.

Первые работы в области эллипсометрии в ИФП СО РАН были начаты в середине 60-х годов прошлого века, когда возникла острая необходимость в измерении тонких и сверхтонких (до десятков ангстрем) плёнок на различных подложках, причём с большой точностью и без разрушения и механического воздействия на поверхность.

К.К. Свиташев, Л.В. Семененко, В.К. Соколов, А.И. Семененко

За решение данной проблемы взялась группа из четырёх человек: Свиташев К.К. - научный сотрудник, Семененко А.И. - научный сотрудник, Семененко Л.В. - младший научный сотрудник, Соколов В.К. - старший лаборант. Все работы были начаты практически с нуля и велись в трёх основных направлениях:

- разработка конструкции и создание первого в ИФП действующего макета эллипсометра;
- разработка методик измерений и интерпретации их результатов;
- развитие теоретических основ и изучение процесса отражения поляризованного излучения от различных отражающих объектов.

Возглавил новое научное направление - эллипсометрию - будущий член-корреспондент РАН Свиташев Константин Константинович - учёный разносторонних интересов, широких познаний, педагог и прекрасный организатор. Научную деятельность в Институте физики полупроводников К.К. Свиташев начал в 1962 году младшим научным сотрудником после окончания физического факультета Ленинградского Государственного университета и трёх лет работы в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова. Затем аспирантура, защита кандидатской (1966 г.) и докторской (1974 г.) диссертаций - обычный путь становления и роста учёного.

Константин Константинович - один из ведущих специалистов в области оптических и фотоэлектрических явлений в полупроводниках и полупроводниковых структурах, автор более 180 научных работ и двух книг по проблемам физики поверхности полупроводников и тонких плёнок.

Работами К.К. Свиташева охвачены практически все научные направления института: физика полупроводников и диэлектриков, физико-химические основы технологий микроэлектроники, наноэлектроники, а также микрофотоэлектроники. Наиболее важные результаты были получены К.К. Свиташевым в областях исследований свойств поверхности полупроводников и их границ раздела с диэлектриками и металлами, разработке эпитаксильных технологий создания новых классов полупроводниковых приёмников излучения, в особенности, большеформатных многоэлементных матричных фотоприёмников. Но основной и важнейший фундаментальный вклад был им сделан в развитие теории и практической реализации эллипсометрических методов исследования тонких слоёв металлов, диэлектриков и полупроводников.

Член-корреспондент РАН К.К. Свиташев. Основоположник эллипсометрии в ИФП СО РАН

Уже в середине 60-х годов К.К. Свиташевым впервые была оценена перспективность и незаменимость метода эллипсометрии в контроле производства элементов и приборов микроэлектроники. В течение ряда лет под научным руководством Константина Константиновича широким фронтом велись многочисленные исследования, направленные на создание теоретической и практической базы метода эллипсометрии. Одновременно с этим, большое значение он придавал разработке и производству самих эллипсометров - приборов прецизионного неразрушающего контроля параметров тонких плёнок и слоёв. Эллипсометры, разработанные в ИФП успешно изготавливались как на Опытном заводе СО РАН, так и на Феодосийском приборостроительном заводе и др. предприятиях. Всего их было выпущено более 650 штук. Сейчас, наверное, это самая «массовая» наукоёмкая продукция в истории СО РАН. В настоящее время в ИФП СО РАН разработаны и производятся современные автоматические эллипсометры 5-поколения, которые по своим техническим параметрам нисколько не уступают лучшим зарубежным аналогам, но при этом гораздо эффективнее и дешевле их. Эллипсометры защищены многочисленными патентами и пользуются большим спросом во многих областях науки и техники. Под научным руководством К.К. Свиташева эллипсометрия превратилась в востребованный метод нанодиагностики, который широко применяется как при проведении научных исследований, так и в промышленности. Благодаря основополагающим работам К.К. Свиташева наша страна имеет в настоящее время эллипсометры мирового класса, а Институт физики полупроводников СО РАН по праву считается одним из ведущих мировых центров исследований в области эллипсометрии. За развитие теории метода эллипсометрии и практическое внедрение в промышленность разработанных эллипсометрических приборов и установок Константин Константинович в составе коллектива авторов удостоен премии и Почётной грамоты Совета Министров СССР за 1984 год.

Организаторские способности К.К. Свиташева наиболее полно проявились на посту директора Института физики полупроводников. Важная особенность его стиля работы - умение сочетать углублённую теоретическую разработку проблемы с практической работой по созданию опытных образцов приборов и устройств, реализующих предложенные принципы. В значительной мере это проявилось в том, что в годы его руководства институтом, существенно расширились и укрепились научные связи ИФП с предприятиями ряда отраслей промышленности по совместной реализации крупных научно-технических программ. Под его руководством институт активно строился и сформировался как крупный исследовательский центр с широким фронтом деятельности в области современной физики полупроводников, физики конденсированного состояния, в создании научных основ технологий полупроводниковой электроники.

Все работы, проводимые в ИФП СО РАН, неизменно опирались на мощь технологических и производственных возможностей института, важнейшей из которых является технология молекулярно-лучевой эпитаксии. Впечатляющим результатом научной и организационной деятельности К.К. Свиташева являются работы по разработке воспроизводимой и управляемой с помощью эллипсометра технологии выращивания гетероэпитаксиальных структур КРТ методом МЛЭ на подложках из арсенида галлия и кремния. Сегодня институт освоил производство высокосовершенного КРТ, как материала для чувствительных инфракрасных фотоприёмников. В институте создан технологический комплекс для синтеза гетероэпитаксиальных слоёв КРТ и разработана промышленно-ориентированная технология производства ГЭС КРТ МЛЭ с рекордными параметрами. Создание в институте под научным руководством К.К. Свиташева высокоэффективной управляемой технологии МЛЭ со 100% прецизионным эллипсометрическим и поляризационным пирометрическим мониторингом явилось одним из важнейших достижений института. Наиболее значимым результатом этой работы является технологический комплекс молекулярно-лучевой эпитаксии «Обь», работающий под управлением высокостабильного лазерного эллипсометра и поляризационного пирометра.

Константин Константинович успешно совмещал как научную и научно-организаторскую работу, так и преподавательскую деятельность. Так при его основополагающем творческом вкладе и научном руководстве были подготовлены к печати и изданы две важнейшие монографии: «Основы эллипсометрии» А.В. Ржанов, К.К. Свиташев, А.И. Семененко, Л.В. Семененко, В.К. Соколов; (издательство «Наука», Сибирское отделение, 1979, 421 с.) и «Алгоритмы и программы для численного решения некоторых задач эллипсометрии» И.Г. Бурыкин, Л.П. Воробьева, В.В. Грушецкий, Э.Е. Дагман, Р.И. Любинская, Г.А. Сапрыкина, К.К. Свиташев, А.И. Семененко, Л.В. Семененко (издательство «Наука», Сибирское отделение, 1980, 191 с.).

По просьбе журнала «Advances in Electronics and Electron Physics» была написана обзорная статья (84 с.) «Ellipsometric Technigues to Study Surfaces and Thin Films», (А.В. Ржанов, К.К. Свиташев), которая опубликована в 1979 г., Vol. 49. К.К. Свиташев большое внимание уделял популяризации метода эллипсометрии. Под его редакцией постоянно осуществлялся перевод и издание иностранной литературы в СССР по эллипсометрической тематике. Так была переведена и издана в 1981 году в московском издательстве «Мир» одна из лучших в мире на то время монография «Эллипсометрия и поляризованный свет».

В течение 1992-1994 годов под его редакцией были изданы три тома «Избранные труды классиков физической оптики», посвящённые истории открытия и исследования явления поляризации света, куда вошли основополагающие работы мировых классиков физической оптики, и которые впервые были переведены на русский язык непосредственно с оригиналов. Том 1 - «Поляризация света», 1992 г.; том 2 - «Взаимодействие поляризованного света с веществом», 1993 г.; том 3 - «Оптические постоянные и поверхностные слои», 1994 г.

Готовя это издание, Константин Константинович, исходил из того, что «с точки зрения научной информации мировое сообщество становится всё менее и менее многоязычным, и уже сейчас представитель любой страны оказывается в состоянии принимать полноценное участие в научно-образовательном и творческом процессе, опираясь всего лишь на два-три языка, к числу которых относится и русский. В связи с этим на отечественную науку накладываются определённые обязательства - создавать людям, избравшим русский язык в качестве основного, достаточно полное культурное обеспечение, включающее в себя возможность знакомства со всемирным наследием классиков естествознания».

Им были разработаны курсы лекций "Контактные явления в полупроводниках", "Оптические измерения", "Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках", под его научным руководством подготовлены и защищены пять кандидатских диссертаций. Одной из главных черт его характера являлось яркое проявление дара прирождённого учителя и наставника, которым в полной мере обладал К.К. Свиташев. Он на собственном примере учил своих учеников не только науке, но и научной этике, трудолюбию, добросовестности и уважительному отношению к окружающим.

Всего при активном участии К.К. Свиташева по эллипсометрической тематике сотрудниками института было защищено пять докторских (К.К. Свиташев, А.И. Семененко, В.А. Швец, Т. Хасанов, С.Н. Свиташева) и 8 кандидатских диссертаций (Л.В. Семененко, В.К. Соколов, А.С. Мардежов, Ю.Б. Алгазин, Ф.С. Миронов, В.Н. Федоринин, С.В. Рыхлицкий, Е.В. Спесивцев). Докторские диссертации О.П. Пчелякова, Ю.Г. Сидорова, М.В. Якушева, Ф.Н. Дульцева и ряд кандидатских диссертаций сотрудников нашего института (Л.В. Соколов, В.Н. Кручинин, В.А. Марков, Н.Н. Михайлов, В.Ш. Алиев и др.) также содержат немалую долю материала, связанного с использованием эллипсометрии. Иными словами, можно констатировать наличие в институте общепризнанной научной школы по оптической эллипсометрии.

Эллипсометрия сегодняшнего дня в ИФП

Г.Л. Ковригин – руководитель оптического участка

Ещё в середине прошлого века эллипсометрическая аппаратура не производилась ни в СССР, ни вообще где-либо в мире. Поэтому в ИФП остро встал вопрос - где брать эллипсометры? Выход был только один - разрабатывать и производить самим. Поэтому были форсированы работы в этом направлении, привлечены талантливые разработчики, инженеры и рабочие, и в 1972 году была создана первая промышленная модель эллипсометра ЛЭФ-2, которым сразу же были оснащены ведущие лаборатории института (это лаборатории С.М. Репинского, Г.Л. Курышева, Квон Зе Дона, В.Г. Еркова, Е.И. Черепова, В.В. Васильева, О.П. Пчелякова, Ю.Г. Сидорова). Сразу же практически все работы в институте по нанесению диэлектрических и оксидных покрытий стали контролироваться методом эллипсометрии. Наиболее успешно и эффективно метод эллипсометрии был использован в технологиях молекулярно-лучевой эпитаксии соединений А₃В₅ и А₂В₆.

В настоящее время в институте работы в области эллипсометрии ведутся в лаборатории «Эллипсометрия полупроводниковых материалов и структур» (зав. лабораторией С.В. Рыхлицкий). Здесь трудятся такие ведущие научные специалисты-эллипсометристы, как В.А. Швец, Е.В. Спесивцев, В.Н. Кручинин, опытные конструкторы Е.К. Иванов, Н.А. Дрожжина, программисты Н.А. Аульченко, Н.И. Назаров, электроники В.Ю. Прокопьев, Кузнецов В.М., инженеры-эллипсометристы А.С. Мардежов, А.Г. Борисов, С.А. Дулин, организован прекрасный оптический участок (руководитель Г.Л. Ковригин).

Коллектив лаборатории №2. Слева направо, первый ряд, сидят: Н.А. Аульченко, В.А. Швец, С.В. Рыхлицкий, О.Г. Шибаева, Н.А. Козлова, А.С. Мардежов, В.М. Кузнецов, Н.И. Назаров. Второй ряд, стоят: А.Ю. Шилов, В.Н. Кручинин, Е.К. Иванов, Ю.И. Козловский, Г.Л. Ковригин, Е.В. Спесивцев, А.Г. Борисов, Н.А. Дрожжина, С.А. Дулин, Д.А. Якимов, И.А. Азаров.

Г.Л. Ковригин (руководитель оптического участка) и Н.А. Козлова (оптик)

Как показывает опыт, впереди всех всегда находится тот учёный, который использует в своей работе самое современное оборудование, как исследовательское, технологическое, так и диагностическое. Возможность создания и использования в своей работе собственных уникальных эллипсометрических комплексов для проведения исследований новых перспективных материалов и наноструктур есть совсем у немногих лабораторий в мире. К счастью, лаборатория эллипсометрии ИФП СО РАН, относится к их числу.

В настоящее время на рынке эллипсометров – приборов для измерения эллипсометрических параметров – очень плотно работают несколько десятков зарубежных фирм из Германии, Франции, США, Канады, Новой Зеландии и др. стран. В основе всех этих приборов лежит преобразование поляризации света оптическими линейными элементами - поляризационными призмами и фазосдвигающими устройствами.

Микроэллипсометр ЛЭФ-757М

По функциональным возможностям все эллипсометры можно условно разделить на несколько классов. Прежде всего, это спектральные эллипсометры, позволяющие проводить измерения в оптическом диапазоне от ближнего ИК вплоть до вакуумного ультрафиолета. Основная область применения таких приборов – научные исследования: измерение спектров оптических постоянных и спектральных характеристик различных материалов, анализ неоднородных и слоистых структур, характеризация сверхчистой поверхности. Как правило, работа со спектральными эллипсометрами предполагает высокую квалификацию пользователя, как в области проводимых исследований, так и в части интерпретации результатов эллипсометрического эксперимента.

Лазерный быстродействующий эллипсометр ЛЭФ-757П	Встраиваемый эллипсометр
Сканирующий эллипсометр «Микроскан»	Спектральный эллипсометр

Другой класс аппаратуры – лазерные быстродействующие эллипсометры. Эти приборы используются как в научных исследованиях, учебном процессе, так и в высокотехнологичном производстве в качестве инструмента контроля. Простота в эксплуатации позволяет работать на них персоналу средней квалификации. В основном, такие эллипсометры, встроенные в технологическую линейку, используются как индикаторы, сигнализирующие об отклонении технологического процесса и позволяющие отбраковывать некондиционную продукцию. Высокое быстродействие лазерных эллипсометров находит широкое применение также при исследовании кинетики быстропротекающих процессов.

Зав. лаб. №2, к.т.н. С.В. Рыхлицкий и вед. инженер Е.К. Иванов	В.н.с., д.ф.-м.н. В.А. Швец	Вед. инж. Н.А. Аульченко
С.н.с., к.т.н. Е.В. Спесивцев	Н.с., к.х.н. В.Н. Кручинин и аспирант И.А. Азаров	Вед. инж. А.С. Мардежов и вед. инж. А.Г. Борисов

Для проведения локальных измерений на поверхности, например в технологических окнах, и исследования микрообъектов на поверхности изготавливается аппаратура, с размером зондирующего пятна несколько микрон. В автоматическом режиме за короткое время с помощью такого прибора можно сделать картирование физических характеристик по поверхности исследуемого образца.

В ИФП СО РАН постоянно ведутся работы по созданию новых образцов эллипсометрической аппаратуры, удовлетворяю-щих широким потребностям научного эксперимента и промышленного контроля. На сегодняшний день в ИФП разработаны и выпускаются эллипсометры всех перечисленных выше классов. В основе этих приборов лежит оригинальная статическая оптическая схем, защищенная многочисленными патентами. Главные ее достоинства – отсутствие вращающихся элементов и модулятров, высокое быстродействие и высокая чувствительность.

Спектральный эллипсометр, выпускаемый уже много лет и постоянно совершенствуемый, позволяет проводить измерения в спектральном диапазоне от 250 до 1050 нм всего за несколько секунд. Для этой цели специально был разработан быстродействующий монохроматор, обеспечивающий развертку спектра в этом диапазоне за 2 секунды. Гониометр с механизмом подъема плеч позволяет менять угол падения света на образец для выбора наиболее оптимальных условий измерения. Еще одно удобство этого прибора - USB интерфейс, через который он взаимодействует с компьютером. Это обеспечивает высокую надежность, удобство и универсальность.

Лазерный эллипсометр имеет внешне похожий вид, но без блока осветителя. В качестве источника света в нем используются HeNe или полупроводниковые лазеры, которые смонтированы прямо на плече поляризатора. Газовый лазер дает стабильное узконаправленное монохроматическое излучение высокой мощности с высоким отношением сигнал/шум. Это в свою очередь обеспечивает высокую точность измерения за очень малое время. Высокие технические характеристики прибора обеспечивают измерения толщин и оптических параметров пленочных структур с высокой точностью в реальном времени, позволяют исследовать высокоскоростные кинетические процессы адсорбции/десорбции, нагрева и т.п. Для этих целей модифицированная версия как спектрального, так и лазерного эллипсометров может быть установлена на технологические или исследовательские вакуумные камеры для проведения in situ измерений.

Эллипсометр терагерцового диапазона

Для проведения микроизмерений в ИФП СО РАН разработан лазерный сканирующий эллипсометр высокого пространственного разрешения «МИКРОСКАН», снабженный микрооптикой для фокусировки лазерного пучка в пятно размером 10 микрон и двухкоординатным сканирующим столиком для перемещения образца в процессе измерений по двум координатам в пределах 0 - 150 мм. Измерения проводятся в автоматическом режиме в процессе сканирования исследуемой поверхности и их результаты отображаются в реальном времени в виде топограммы измеряемой характеристики или в виде трехмерного ее изображения. В МИКРОСКАНЕ также проявились достоинства оригинальной статической схемы ИФП. Сканирующие измерения проводятся в режиме «нон-стоп», то есть сигналы читаются непрерывно с интервалом 1 миллисекунда в процессе движения столика и согласовываются с текущей координатой. Это открывает широкие возможности для создания промышленных эллипсометрических установок для быстрого картирования образцов диаметром больше 300 мм.

Благодаря постоянному совер-шенствованию эллипсометров ИФП и разработке современного программ­ного обеспечения, адаптированного к решению прикладных задач, метод эллипсометрии стал удобным и надежным средством решения ряда проблем в различных областях науки, в полупроводниковой микроэлектронике и промышленном производстве.

Созданные в ИФП СО РАН эллипсометры полностью отвечают совре­менным мировым требованиям предъявляемым к приборам такого класса, и на­ходят эффективное применение в научных исследованиях и в технологии произ­водства наукоемкой продукции.

Эллипсометрия ИФП: взгляд в будущее

Вакуумный эллипсометрический комплекс ВЭК-600

Практически на протяжении жизни одного поколения исследователей метод эллипсометрии из некоей лабораторной экзотики (середина 60-х годов ХХ века) превратился в один из основных аналитических методов характеризации поверхности твердого тела и диагностики многослойных тонкопленочных наноструктур. Эллипсометрия из науки широко шагнула в промышленность и заняла лидирующие позиции, как один из основных методов контроля базовых технологических процессов, прежде всего в микро- и наноэлектронике, как самой наукоемкой сфере тончайших технологий в истории человечества. Учитывая, что состояние поляризации является сугубо квантовым внутренним свойством каждого отдельного фотона, несомненно будущее эллипсометрии-это релятивистская эллипсометрия. Другим важным направлением является расширение рабочего спектрального диапазона эллипсометров: от рентгена до радиоволн. И, наконец, это явно наметившаяся тенденция активного расширения областей практического применения эллипсометрии в науке и технике: ее «переползания» из микроэлектроники в оптику, электрохимию, органическую химию, биологию, космос и др. В лаборатории эллипсометрии проводятся работы практически по все этим направлениям.

Магнитоэллипсометр на камере МЛЭ

Так переход к области субмиллиметрового диапазона позволяет отодвинуть одно из принципиальных физических ограничений метода оптической эллипсометрии, связанного с рассеянием света при изучении гетерогенных сред и шероховатых поверхностей, когда размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны. Кроме того, в процесс формирования отраженного отклика вовлекаются принципиально иные фундаментальные механизмы. Всё это позволяет исследовать качественно новые свойства материалов и открывает широкие перспективы применения уже развитых эллипсометрических методик для исследований в области машиностроения, в материаловедении, в биологии и медицине.

На базе источника Новосибирского лазера на свободных электронах разработан эллипсометр терагерцового диапазона. В его основе лежит динамическая фотометрической схема «поляризатор-образец-анализатор» с вращающимся анализатором. Результаты измерений на тестовых образцах демонстрируют точность работы эллипсометра δΨ ≤ 0.3° и δ(cosΔ) ≤ 0.01. В рамках программы медицинских исследований на этом приборе было проведено исследование кровяных мазков, нанесённых на пластину кремния, и определены толщины и показатель преломления плёнок крови.

В лаборатории разработан вакуумно-аналитический комплекс для исследования физико-химических про-цессов на поверхности твердого тела в реальном масштабе времени.

Комплекс предназначен для проведения фундаментальных исследо-ваний механизмов адсорбционно- десорбционных процессов на поверх-ности полупроводников и диэлектриков, исследования фазовых переходов в тонкопленочных структурах при изменении температуры и состава газовой среды, измерения темпера-турных зависимостей оптических констант перспективных материалов микро- и наноэлектроники, а также может быть использован для изучения каталитических процессов на молекулярном уровне.

Сотрудниками лаборатории совместно с ИФ СО РАН, в результате выполнения совместных проектов впервые было предложено и создано новое научное направление: магнито-эллипсометрия, позволяющее проводить исследо-вания магнитооптических свойств ферромагнитных наноструктур в реальном времени.

В результате этих работ были разработаны лазерные и спектральные магнито-эллипсометрические комплексы (Керрометры), предназначенные для исследования поверхностного магнито-оптического эффекта Керра в условиях сверхвысокого вакуума in situ. Интерес к этим исследованиям связан с современной коммер-циализацией магнитооптических накопителей информации. Поверхностный магнитооптический эффект Керра - общепринятая методика для изучения поверхностного магнетизма. Он применяется к различным материалам и композиционным структурам для выявления магнитного упорядочения, для изучения доменной и магнитной структуры и фазовых переходов в магнитоупорядоченных веществах. Экспериментальные исследования в области магнитооптики используются для идентификации преобладающей магнитной анизотропии, для установления связи между температурой Кюри и толщиной пленки, для характеристики критического индекса намагниченности в двумерном фазовом переходе и выявления ряда других особенностей магнитных материалов. С помощью созданных магнитоэллипсометрических комплексов решается одна из фундаментальных задач в области магнитооптических явлений - изучение природы магнитооптической активности как запрещенных, так и разрешённых электронных переходов и установление основных связей между химической формулой и структурой вещества с одной стороны и его оптическими и магнитооптическими свойствами с другой.

Эллипсометрический комплекс «Эллипс-ППР»

В лаборатории активно проводятся работы в области отображающей (обзорной) эллипсометрии, где в качестве фотоприемного устройства используются широкоформатные матрицы. Дело в том, что традиционная эллипсометрия работает с использованием широких зондирующих пучков диаметром 1 мм и более, что не позволяет проводить измерения поверхности микроструктур и локальных объектов. Кроме того, время измерения в традиционных эллипсометрах составляет от десятых долей до единиц секунд. Такая низкая скорость измерения не дает возможности использовать их для быстрого картирования поверхности.

Отображающая эллипсометрия объединяет в себе высокое разрешение оптической микроскопии с возможностью эллипсометрических измерений тонких пленок. Такая комбинация представляется очень актуальной для широкого спектра применений. Здесь можно выделить такие важные задачи, как диагностика топологии оптических свойств образцов; обнаружение дефектов поверхности, невидимых с помощью оптической микроскопии. С помощью отображающего эллипсометра можно быстро и надежно измерять целые микрочипы без использования красителей, требуемых традиционной флуоресцентной спектроскопией

Обзорный матричный эллипсометр

Коллективом разработчиков был создан матричный обзорный эллипсометрический комплекс МЭК-2, важным преимуществом которого является практически мгновенные измерения рабочей области образца. Скорость измерения зависит от быстродействия фотоприемной матрицы и скоростью оцифровки и в среднем составляет 30 мсек на кадр. Такое высокое быстродействие открывает возможность использования отображающей эллипсометрии для in-situ диагностики процессов, протекающих в микроструктурах. Это может быть температурная диагностика локальных элементов и включений, наблюдение реакционного молекулярного взаимодействия в биологических микрочипах, измерения толщины окисла в локальных окнах непосредственно в процессе травления.

Для эффективного использования эллипсометрии в современной наноэлектронике и нанотехнологиях крайне необходимо увеличение чувствительности эллипсометрического метода. Одним из перспективных способов увеличения чувствительности является проведение эллипсометрических измерений в условиях поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Использование плазмоники увеличивает чувствительность определения оптических констант при эллипсометрических измерениях объектов, расположенных вблизи поверхности более, чем на два порядка. Это позволяет использовать эллипсометрию для изучения различных сверхтонких покрытий на основе нанообъектов, расположенных вблизи резонансной поверхности металла и отработки технологии их нанесения. Кроме того, становится возможным определение сверхмалых значений концентраций различных молекул, а также изучение реакций между молекулами в газовой и жидких средах вблизи резонансной среды, что важно для развития полупро-водниковой наносенсорики, имею-щей важное значение в химии, биологии и медицине.

Эллипсометрический комплекс «ЭЛЛИПС-ЭХИ»

Для реализации этих задач был разработан специальный эллипсометрический комплекс, работающий в условиях поверхностного плазмонного резонанса «ЭЛЛИПС-ППР».

Для проведения исследований термооптических свойств и структурных превращений в тонкопленочных полупроводниковых системах был разработан специальный комплекс «ЭЛЛИПС-ТЕРМОВАК»

Эллипсометрический комплекс «ЭЛЛИПС-АМ»

Комплекс предназначен для прецизионных измерений оптических свойств тонкопленочных структур полупроводниковой микро- и наноэлектроники, а также для исследования превра-щений кристаллографичес-кой структуры материалов при высокотемпературных нагревах. Комплекс также был эффективно исполь-зован при проведении фундаментальных исследо-ваний высокотемпературных физико-химических процес-сов, таких как: плавление, высокотемпературная диф-фузия, структурные превра-щения в аморфных и поликристаллических материалах и др. С помощью нашего аналитического комплекса можно наблюдать указанные процессы в реальном времени, что является наиболее информативным.

С помощью комплекса были проведены исследования процесса формирования квантовых точек в диэлектрической матрице при ионном внедрении полупроводниковых материалов при последующем высокотемпературном отжиге. До настоящего времени все исследования при отжигах проводились в режиме ex-situ, а кинетика самого процесса оставалась не исследованной. В реальном времени наблюдалось формирование нанокристаллов имплантанта в структурах, были получены детальные характеристики процесса.

Эллипсометрический комплекс «ЭЛЛИПС-ТЕРМОВАК»

Другой пример применения такого оборудо-вания – это исследование диффузионных процессов в твердом теле при высоких температурах. Современная полупроводниковая техноло-гия имеет дело со струк-турами, для которых толщины отдельных слоев составляют от единиц до сотен нанометров. При таких размерах слоев особое значение приобретают меж-фазные границы раздела, которые формируются, как правило, при достаточно высоких температурах, при которых уже сказывается влияние диффузии. Разработанный комплекс как нельзя лучше подходит для исследования этих процессов. Проведенные исследования показали, что свойства материалов, составляющих сверхтонкие слои, существенно отличаются от объемных по своим физическим характеристикам, и поэтому влияние диффузии в таких структурах не всегда можно оценить, руководствуясь справочными данными.

Для решения задач, связанных с нанодиагностикой поверхности шерохо-ватых, неоднородных и анизотропных слои-стых материалов ме-тодом полной элли-псометрии (Мюллер-эллипсометрии) был разработан эллипсо-метрический комп-лекс «ЭЛЛИПС-АМ». Работа комплекса основана на измерения полного вектора Стокса или 16 элементов матрицы Мюллера, которые дают исчерпывающую информацию об оптических свойствах анизотропной, а также несовершенной диффузно-рассеивающей поверхности деполяризующих материалов, применяемых в наноиндустрии.

Был разработан специальный эллипсометрический комплекс для электрохимических исследований «ЭЛЛИПС-ЭХИ», с помощью которого были in situ исследованы процессы роста пленок анодного оксида алюминия различной пористости методом эллипсометрии высокого временного разрешения.

Установлено, что процессы роста и характеристики пористых анодных плёнок обнаруживают большую вариативность и зависят от целого ряда технологических параметров: времени анодирования, потенциала электрохимической ячейки, состава и температуры электролита. Были исследованы различные режимы роста анодных плёнок и установлены оптимальные режимы, для которых получаются пористые слои оксида алюминия с заданными свойствами.

В заключении хочется отметить, что у оптической эллипсометрии в ИФП СО РАН была славная и многолетняя история, и можно с уверенность утверждать, что теперь ее ожидает не менее блестящее будущее в наноиндустрии, космосе, биологии и др.. И основано это на известном постулате М. Постека: «Если нельзя измерить, то невозможно создать…». Эллипсометрия востребована современной наукой и промышленностью-и это вселяет оптимизм.