Development and application of imaging ellipsometry for optical characterization and defect analysis of advanced thin films
Gelişmiş ince filmlerin optik karakterizasyonu ve kusur analizi için görüntüleme elipsometrisinin geliştirilmesi ve uygulanması
- Tez No: 947323
- Danışmanlar: PROF. DR. ESRA ZAYİM, DR. MUHARREM AŞAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Bu çalışma,“Gelişmiş İnce Filmlerin Optik Karakterizasyonu ve Kusur Analizi için Görüntüleme Elipsometrisinin Geliştirilmesi ve Uygulanması”başlığı altında yürütülen disiplinler arası bir araştırma faaliyetinin sonuçlarını içermektedir. Bu kapsamda, malzeme bilimi, optik metroloji, yazılım mühendisliği ve güç elektroniği alanlarını bir araya getiren bütüncül bir yaklaşım benimsenmiştir. Çalışma, Avrupa Birliği tarafından desteklenen PowerElec ve Atmoc projeleri çerçevesinde gerçekleştirilmiş olup, özellikle güç elektroniğinde sıkça karşılaşılan SiC (Silisyum Karbür) ve GaN (Galyum Nitrür) gibi ileri teknoloji alt tabaka malzemelerinin karakterizasyonuna odaklanmaktadır. Aynı zamanda, Atmoc projesi kapsamında optik metroloji alanında değerlendirilen farklı malzemeler de çalışmanın odağına alınmıştır. Bu tez çalışmasının temel amacı, hedeflenen malzemelerin yüzey kalitesi, kusur yoğunluğu ve optik sabitleri gibi kritik parametrelerinin hem görünür hem de kızılötesi (IR) bantlarda yüksek doğrulukla belirlenmesini sağlamaktır. Bu amaç doğrultusunda, özellikle yarı iletken, dielektrik ve metalik tabakalar gibi geniş bir malzeme yelpazesi üzerinde gerçekleştirilmesi gereken analizlerin hassasiyetini ve güvenilirliğini artırmak hedeflenmiştir. Bu bağlamda, mevcut literatürde sıklıkla karşılaşılan yöntemsel sınırlamaların üstesinden gelinmesi önemli bir motivasyon kaynağı olmuştur. Geleneksel elipsometri teknikleri, özellikle geniş yüzey alanlarına sahip, heterojen yapılar barındıran ya da yüzey kusurları içeren malzemelerin analizinde yetersiz kalmaktadır. Bu yöntemlerde kullanılan optik sistemlerin sınırlı mekansal çözünürlüğü, küçük ölçekli kusurların tespiti açısından ciddi bir dezavantaj oluşturmaktadır. Ayrıca, dar açısal ölçüm aralığı nedeniyle özellikle çok katmanlı yapılar veya kompleks optik davranış sergileyen malzemeler için yeterli veri elde edilememekte, bu da modelleme ve fitleme süreçlerinde belirsizliklere neden olmaktadır. Bunun yanı sıra, klasik sistemlerin numune hazırlık süreçleri genellikle zaman alıcı ve kullanıcıya bağımlıdır. Örneğin, bazı sistemlerde ölçüm yapılabilmesi için malzeme yüzeyinin yüksek derecede pürüzsüz olması ya da belirli bir konfigürasyonda kesilmiş olması gerekmektedir. Bu tür sınırlamalar, hızlı ve tekrarlanabilir ölçümler yapılmasını zorlaştırmakta ve üretim sürecine entegre optik metroloji sistemlerinin geliştirilmesini engellemektedir. Özellikle endüstriyel uygulamalarda, yüksek hacimli üretim süreçlerinde hızlı ve güvenilir kalite kontrol sistemlerine ihtiyaç duyulurken, mevcut elipsometri sistemlerinin bu ihtiyaca cevap vermekte zorlandığı görülmektedir. Bu nedenlerle, çalışmada geliştirilen Görüntüleme Elipsometrisi sistemi, yalnızca bu sınırlamaları ortadan kaldırmakla kalmayıp aynı zamanda daha yüksek çözünürlük, geniş açısal aralık ve kullanıcı dostu bir ölçüm deneyimi sunacak şekilde tasarlanmıştır. Böylece, hem akademik araştırmalarda hem de endüstriyel uygulamalarda kullanılabilecek esnek ve güçlü bir karakterizasyon aracı oluşturulması hedeflenmiştir. Bu ihtiyaçlar doğrultusunda, tez kapsamında yenilikçi bir Görüntüleme Elipsometrisi sistemi tasarlanmış ve deneysel olarak uygulanmıştır. Geliştirilen sistem, klasik elipsometrelerin sınırlamalarını aşmak amacıyla özel olarak yapılandırılmıştır. Sistem, kullanıcıya yüksek mekansal çözünürlükte ve geniş spektral aralıkta ölçüm yapabilme imkânı tanımaktadır. Optik yapı, çeşitli dalga boylarında çalışan tek modlu ayarlanabilir lazer kaynakları (633 nm, 612 nm, 604 nm, 594 nm ve 543 nm), hassas hareket kabiliyetine sahip motorize kompanzatör ve analizör birimleri, yüksek sayısal açıklığa sahip (NA = 0.75) Nikon Plan Florit objektif, ışığın yönlendirilmesi için kullanılan bir ışın bölücü ve yüksek çözünürlüklü Retiga-R6 CCD kamera gibi gelişmiş optik bileşenlerden oluşmaktadır. Bu optik donanım, yazılım altyapısıyla entegre bir şekilde çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Ölçüm sisteminin kontrolü ve elde edilen verilerin işlenmesi amacıyla yüksek performanslı bir yazılım platformu geliştirilmiştir. Özellikle yüksek çözünürlüklü verilerin hızlı ve verimli şekilde işlenmesi amacıyla, CUDA tabanlı paralel işlem algoritmaları kullanılmıştır. Bu sayede, geleneksel tek iş parçacıklı analiz süreçlerine kıyasla daha kısa sürede daha yüksek doğrulukta sonuçlar elde edilmiştir. Yazılım geliştirme sürecinde tercih edilen C++ programlama dili, sistem performansını artırmak ve donanımla doğrudan uyum sağlamak amacıyla seçilmiştir. Bu yazılım sayesinde hem sistem kontrolü hem de veri analizi süreçleri etkin bir şekilde yönetilebilmektedir. Gerçekleştirilen deneysel çalışmalar, sistemin farklı örnekler üzerinde etkinliğini ortaya koymuştur. GaN ve SiC gibi endüstride kritik öneme sahip malzemeler üzerinde yapılan kusur analizleri, yüzey morfolojisinin yüksek çözünürlükte ortaya konmasını sağlamıştır. Ayrıca, geliştirilen sistemle elde edilen Ψ ve Δ spektrumları, geleneksel elipsometrelerle karşılaştırıldığında daha stabil ve yüksek hassasiyetli olarak ölçülmüştür. Optik sabitlerin (kırılma indisi ve sönüm katsayısı) belirlenmesinde kullanılan modelleme ve fitleme süreçleri, sistemin hem doğruluğunu hem de tekrarlanabilirliğini kanıtlamıştır. Ölçüm sonuçlarının, literatürdeki ileri düzey elipsometri sistemleriyle karşılaştırıldığında, benzer veya daha yüksek performans gösterdiği görülmüştür. Bu tez çalışması, yalnızca teknik bir yenilik sunmakla kalmayıp, aynı zamanda ileri düzey malzeme karakterizasyonu için potansiyel uygulama alanlarını da genişletmektedir. Özellikle güç elektroniği, yarı iletken üretimi, fotonik cihaz geliştirme ve hassas metroloji gibi alanlarda kullanılabilecek bir ölçüm sistemi sunmaktadır. Ayrıca, geliştirilen Görüntüleme Elipsometrisi sistemi, üniversitelerde araştırma-geliştirme süreçlerinde veya endüstriyel kalite kontrol uygulamalarında rahatlıkla adapte edilebilecek bir yapıya sahiptir. Bu yönüyle, akademik dünyada hem lisansüstü araştırmalar hem de sanayi uygulamaları için referans bir platform niteliği taşımaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma, Görüntüleme Elipsometrisi alanında literatüre önemli bir katkı sunarken, aynı zamanda geliştirilen sistemin gelecekteki versiyonları için de bir temel oluşturmaktadır. Yapılabilecek olası geliştirmeler arasında çoklu açılı ölçüm imkânı, otomatik odaklama sistemleri, daha geniş spektral aralıkta çalışan kaynakların entegrasyonu ve yapay zekâ destekli analiz yazılımlarının geliştirilmesi yer almaktadır. Bu kapsamda, tez çalışması yalnızca mevcut gereksinimlere yanıt vermekle kalmamış, aynı zamanda ileriye dönük yeni araştırma alanlarına da kapı aralamıştır.
Özet (Çeviri)
This study is based on a research conducted under the title of“ Development and Application of Imaging Ellipsometry for Optical Characterization and Defect Analysis of Advanced Thin Films ”. The research covers substrate materials such as GaN and SiC, which are critical in power electronics within the scope of the PowerElec project, and different materials in the ATMOC project. The main purpose of the study is to perform both defect analysis and determination of optical constants of these materials and to contribute to these processes with measurements in the visible and infrared (IR) bands. Classical ellipsometry methods have various limitations, especially in terms of defect analysis. The disadvantages of these systems, such as low spatial resolution, narrow angular measurement range and complex sample preparation, have led to significant deficiencies in studies conducted in this field in the literature. Against this background, instead of assuming that Imaging Ellipsometry implies a totally new principle, the current thesis puts its essential ideas to work to correct particular inadequacies found in traditional ellipsometry. Though traditional ellipsometry has already served, at one time or other, as a highly effective and precise technique for measuring optical constants and thin-film thicknesses, it necessarily supplies a macroscopic average of reflected light, consequently restricting its usefulness in surface investigation when lateral inhomogeneities or microscale structure attributes are concerned. To overcome this limitation, Imaging Ellipsometry has proven to be a highly effective auxiliary technique, allowing for spatially resolved surface and thin-film characterization. Here, unlike in usual dual-arm imaging ellipsometry systems, a small but easy-to-operate imaging ellipsometry instrument has been conceived and put in place. This tool unites optical microscopy principles and ellipsometric measurement, seeking to improve usability while, at the same time, maintaining high spatial resolution and clear imagery. Accordingly, it holds much potential for microscale surface defects analysis, besides surface and bulk substance characterization. The system consists of optical components such as a single wavelength tunable laser source (633 nm, 612 nm, 604 nm, 594 nm and 543 nm), and other ligth sources, motorized compensator and analyzer units, high NA (0.75) Nikon Plan Fluorite objective, a beam splitter on the light path and a Retiga-R6 CCD camera. The data of the optical system is processed with a high-performance analysis infrastructure. In this context, CUDA-based software was developed to increase the parallel processing capacity and obtain faster analysis results. In the software development process, C++ programming language was used to optimize both system control and data analysis processes. This choice provided a performance-oriented and efficient infrastructure. Empirical analysis has proven that the Imaging Ellipsometer system can be optimally applied for defect analysis and for determining optical constants for materials like GaN, SiC, and others. Moreover, this system has proven to offer higher accuracy and resolution compared to conventional ellipsometry methods described in published work elsewhere. The study provides significant contributions in areas like material science and power electronics in terms of creating an innovative Imaging Ellipsometer. This research presents itself as a relevant resource for researchers, teachers, and professionals who encourage a wide-ranging use of the technology in processes that evaluate material quality.
Benzer Tezler
- Biyomoleküler tanı sistemleri için taşınabilir, gerçek zamanlı ve etiketsiz biyosensor geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of portable, real-time & label-free biosensors for biomolecular recognition
MUSTAFA OĞUZHAN ÇAĞLAYAN
Doktora
Türkçe
2009
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. ERHAN BİŞKİN
- Ağaç içi kovuklarının tespiti için radar görüntüleme algoritmalarının geliştirilmesi ve uygulanması
Development and application of radar imaging algorithms for detecti̇ng of tree cavities inside the tree trunk
SERHAT GÖKKAN
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMersin ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CANER ÖZDEMİR
- Mikrodalga duvar içi görüntüleme algoritması oluşturulması ve uygulaması
Microwave wall imaging algorithm development and application
SERKAN KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELÇUK PAKER
- Klinik meme difüz optik tomografi sisteminin elektronik devre tasarımı ve uygulaması
Electronical circuit design and application of a clinical breast diffuse optical tomography system
ADEM ER
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAkdeniz ÜniversitesiBiyoistatistik ve Tıbbi Bilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET YARDIMCI
- Mass spectrometry based approaches for monoclonal antibody characterization and target discovery in endoplasmic reticulum associated protein degradation (ERAD) pathway
Monoklonal antikor karakterizasyonu ve endoplazmik retikulum ilişkili protein yıkım (ERAD) yolağında hedef keşfi için kütle spektrometrisi temelli yaklaşımlar
BARAN DİNGİLOĞLU
Doktora
İngilizce
2025
Biyokimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GİZEM DİNLER DOĞANAY