СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОВОДЯЩИХ ОБРАЗЦОВ Российский патент 2000 года по МПК G01N21/43 

Изобретение относится к технике оптико-физических измерений, а именно к способам определения оптических параметров (показателя преломления, показателя поглощения и толщины) проводящих образцов по значениям характеристик поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), распространяющихся в волноведущей структуре, содержащей образец, и может быть использовано в различных областях науки и техники, в частности в металлооптике, при производстве металлодиоэлектрических волноведущих структур, металлических зеркал и подложек.

Известен способ определения оптических постоянных металлов, включающий воздействие на полупрозрачный образец сколлимированным p-поляризованным монохроматическим излучением, возбуждение этим излучением ПЭВ на поверхности образца методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), регистрацию интенсивности отраженного излучения I при изменении угла падения ϕ излучения, расчет оптических постоянных с использованием дисперсионного уравнения ПЭВ, значения угла ϕ = ϕ₀, соответствующего 100% эффективности возбуждения ПЭВ, и угловой ширины резонансного провала на зависимости I(ϕ), обусловленного возбуждением ПЭВ [1] . Основными недостатками известного способа являются невысокая точность определения оптических постоянных, составляющая 20-50%, и невозможность одновременного определения толщины образца.

Известен способ определения оптических постоянных проводящих образцов, включающий воздействие на образец p-поляризованным монохроматическим излучением, возбуждение по методу НПВО этим излучением ПЭВ в волноведущей структуре, содержащей образец, окружающую среду и призму НПВО, регистрацию интенсивности отраженного излучения и измерение угла падения ϕ₀, соответствующего 100% эффективности возбуждения ПЭВ, расчет оптических параметров образца с использованием формулы для коэффициента отражения структуры и значений угла ϕ₀, измеренных при использовании различных призм НПВО [2,3]. Основным недостатком известного способа является низкая точность определения оптических постоянных образца, превышающая 10%.

Известен способ определения оптических постоянных проводящих образцов, включающий воздействие на образец p-поляризованным монохроматическим излучением, возбуждение этим излучением ПЭВ в волноведущей структуре, содержащей образец, окружающую среду и призму НПВО, регистрацию интенсивности I отраженного излучения при изменении угла падения ϕ, измерение угла падения ϕ₀ , соответствующего 100% эффективности возбуждения ПЭВ, расчет оптических характеристик образца с использованием формулы для коэффициента отражения структуры, значения угла ϕ₀ и метода наименьших квадратов для оптимизации корреляции экспериментальной и расчетной зависимостей I(ϕ) [4]. Основным недостатком известного способа является низкая точность определения оптических постоянных образца, составляющая 5-50%.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения оптических параметров проводящих образцов, включающий воздействие на образец p-поляризованным монохроматическим излучением, возбуждение по методу НПВО этим излучением ПЭВ в волноведущей структуре, содержащей образец и слой с регулируемыми параметрами, регистрацию интенсивности отраженного излучения и измерение угла падения ϕ₀, соответствующего 100% эффективности возбуждения ПЭВ, расчет оптических параметров образца с использованием формулы для коэффициента отражения структуры и значений угла ϕ₀, измеренных при различных значениях параметров слоя. Основным недостатком известного способа является низкая точность определения параметров образца, составляющая 1-10%. Устройство, реализующее этот способ, содержит источник монохроматического излучения, свободно перемещаемый в плоскости падения излучения по дуге вокруг образца, поляризатор, выделяющий из падающего излучения p-составляющую, волноведущую структуру, направляющую ПЭВ и включающую в себя образец, окружающую среду и призму НПВО, на основание которой нанесен слой с регулируемыми параметрами, а также фотоприемник, свободно перемещаемый в плоскости падения и подключенный к измерительному прибору.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения оптических параметров проводящих образцов, включающем воздействие на образец линейно-поляризованным монохроматическим излучением, возбуждение этим излучением ПЭВ в волноведущей структуре, содержащей образец, регистрацию отраженного излучения, измерение угла падения ϕ₀, соответствующего 100% эффективности возбуждения ПЭВ, расчет оптических параметров образца с использованием формулы для коэффициента отражения структуры и значений угла ϕ₀, измеренных при различных параметрах структуры, падающее излучение выбирают имеющим ненулевые p- и s-составляющие поля, а об эффективности возбуждения ПЭВ, при измерении ϕ₀, судят по величине угла поворота плоскости поляризации излучения Δψ в результате его взаимодействия со структурой, причем 100% эффективности возбуждения ПЭВ соответствует Δψ = 90^°-ψ₀, где ψ₀ - угол наклона плоскости поляризации падающего излучения к плоскости падения.

В устройство для определения оптических параметров проводящих образцов, содержащее источник монохроматического излучения, свободно перемещаемый в плоскости падения излучения по дуге вокруг образца, поляризатор, размещенный на пути падающего излучения, волноведущую структуру, направляющую ПЭВ и включающую в себя образец, окружающую среду и призму НПВО, и фотоприемник, подключенный к измерительному прибору, дополнительно введены анализатор, расположенный на пути отраженного излучения, снабженный лимбом и имеющий ось вращения, совпадающую с направлением распространения отраженного излучения, регулируемый компенсатор, осуществляющий дополнительный сдвиг по фазе между p- и s-составляющими излучения и размещенный на его пути между поляризатором и анализатором, а поляризатор снабжен лимбом и имеет ось вращения, совпадающую с направлением распространения падающего излучения.

Существенное повышение точности определения оптических параметров проводящего образца при применении заявляемого способа и устройства, по сравнению с другими известными способами и устройствами, основанными на использовании ПЭВ, объясняется более выраженным резонансным характером зависимости угла поворота Δψ плоскости поляризации возбуждающего ПЭВ излучения с ненулевыми p- и s-составляющими от эффективности возбуждения излучения ПЭВ η по сравнению с зависимостью энергетического коэффициента отражения p-составляющей R_p от η. Это позволяет более точно определять угол падения излучения ϕ₀, соответствующий η = 100%, и, таким образом, существенно повысить точность определения параметров образца.

Поясним это утверждение. В известных способах определения оптических параметров проводящих образцов по характеристикам ПЭВ, распространяющихся в структурах, содержащих образец, возбуждение ПЭВ осуществляют методом НПВО. При этом для детектирования возбуждения ПЭВ применяют рефлектометрический метод. В этом методе измеряют интенсивность p-составляющей отраженного излучения при изменении угла его падения ϕ и устанавливают зависимость, R_p(ϕ) . Факт возбуждения ПЭВ обнаруживает себя наличием резонансного провала на зависимости R_p(ϕ), глубина которого пропорциональна эффективности возбуждения ПЭВ η 1-R_p. Угловая ширина провала составляет несколько градусов, что позволяет измерять значение ϕ₀ с точностью не превышающей 1 угловой минуты и затем рассчитать параметры образца с погрешностью не менее 1-10%.

В заявляемом способе используется линейно-поляризованное излучение с ненулевыми p- и s- составляющими. При возбуждении ПЭВ падающим излучением происходит изменение интенсивности составляющих поля: у p-составляющей она уменьшается, а у s-составляющей остается неизменной (для нее явление полного внутреннего отражения не нарушается). В результате, плоскость поляризации излучения, при условии сохранения синфазности колебаний обеих его составляющих, поворачивается на угол Δψ = ψ-ψ₀, где ψ - азимут плоскости поляризации отраженного излучения, а ψ₀ - азимут плоскости поляризации падающего излучения (отсчет от плоскости падения). Учитывая, что энергетический коэффициент отражения для s-составляющей R_s≈1, нетрудно получить формулу для расчета величины ψ:

Так как R_p связан с эффективностью возбуждения ПЭВ η соотношением R_p=1- η, то величина ψ (или ψΔ ) может служить мерой η. При η =1 (или 100%) имеем R_p=0, откуда, согласно (1), ψ =90^o и Δψ = 90^°-ψ₀. Из формулы (1) также следует, что, при возбуждении ПЭВ по методу НПВО, угловая ширина резонансного провала на зависимости R_p(ϕ) значительно превышает угловую ширину резонансного пика на зависимости (ϕ)R_p или ψ(ϕ). Это различие выражено тем больше, чем меньше значение ψ₀. В результате, при использовании одного и того же фотоприемника для измерения зависимостей R_p(ϕ) (как в прототипе) и ψ(ϕ) (как в заявляемых способе и устройстве) значение ϕ₀, соответствующее η =100%, во втором случае (т. е. в заявляемом способе) может быть определено с более высокой точностью. Поскольку "основной вклад в погрешность (определения параметров образца) вносит неточность измерения угла [5], то заявляемые способ и устройство позволяют уменьшить эту погрешность и, таким образом, повысить точность определения параметров образца.

На фиг. 1 приведена схема устройства, позволяющего реализовать заявляемый способ, где цифрами обозначено: 1 - источник монохроматического излучения, 2 - коллиматор, 3 - поляризатор, снабженный лимбом и имеющий ось вращения, совпадающую с направлением распространения падающего излучения, 4 - рассеивающие линзы, 5 - полуцилиндрическая призма НПВО, 6 - слой связи, заполненный окружающей средой, 7 - проводящий образец, 8 - подложка, 9 - регулируемый компенсатор, 10 - анализатор, снабженный лимбом и имеющий ось вращения, совпадающую с направлением распространения отраженного излучения, 11 - фокусирующий объектив, 12 - фотоприемник, 13 - измерительный прибор. Элементы 1, 2, 3 и первая линза 4 соединены между собой механически и образуют левое плечо устройства; элементы 12, 11, 10, 9 и вторая линза 4 также соединены между собой механически и образуют правое плечо устройства. Оба плеча имеют одну ось вращения, совпадающую с осью призмы 5.

Устройство работает и способ осуществляется следующим образом. Источник 1 излучает монохроматическое излучение, направляемое через коллиматор 2 на поляризатор 3, плоскость поляризации которого выбирают наклоненной, по отношению к плоскости падения, на угол ψ₀. Линейно-поляризованное излучение с отличными от нуля p- и s-составляющими поля, пройдя через рассеивающую плоско-вогнутую линзу 4, падает на цилиндрическую поверхность призмы 5. Вследствие того, что линза 4 и призма 5 имеют одинаковые показатели преломления и радиусы кривизны поверхности, пучок излучения, падающий на основание призмы 5, является сколлимированным. Так как угол падения ϕ этого пучка больше критического, то падающее излучение претерпевает явление полного внутреннего отражения (ПВО), которое сопровождается частичным проникновением поля излучения в однородный слой связи 6 толщиной h, заполненный веществом окружающей среды. Поэтому, при определенных ϕ и h, экспоненциально затухающее в слое 6 поле падающего излучения, возбуждает на поверхности образца 7, нанесенного на подложку 8 и отделенного от основания призмы 5 слоем 6, ПЭВ. В результате частичного преобразования энергии поля p-составляющей падающего излучения в энергию поля ПЭВ явление ПВО для p-составляющей нарушается и ее энергетический коэффициент отражения R_p становится меньше единицы. Отраженное излучение последовательно проходит через вторую рассеивающую линзу 4 (идентичную первой), регулируемый компенсатор 9, анализатор 10, фокусирующий объектив 11 и падает на фотоприемник 12, генерирующий электрический сигнал, измеряемый прибором 13.

Для определения угла поворота плоскости поляризации Δψ в результате взаимодействия излучения с образцом 7 необходимо найти такое угловое положение анализатора 10, при котором отраженное излучение полностью "гасится". При этом плоскость поляризации отраженного излучения перпендикулярна плоскости поляризации анализатора 10. Однако, так как при отражении излучение взаимодействует с поглощающим образцом 7, то оно приобретает эллиптическую поляризацию [6]. Поэтому в этом случае "погасить" отраженное излучение вращением одного лишь анализатора 10 невозможно, необходимо предварительно компенсировать фазовый сдвиг между p- и s-составляющими поля, возникающий при отражении излучения от образца 7. С этой целью в схему устройства введен регулируемый компенсатор 9, который может быть размещен по ходу излучения как до, так и после образца 7. При определенных параметрах компенсатора 9 отраженное излучение на его выходе становится линейно-поляризованным и интенсивность отраженного излучения может быть "погашена" вращением анализатора 10. Гашения" отраженного излучения добиваются, минимизируя его интенсивность путем поочередного подбора параметров компенсатора 9 (в случае использования клиновидного компенсатора, вносимый им сдвиг по фазе между p- и s-составляющими регулируют путем смещения компенсатора вдоль направления клина, т.е. за счет изменения толщины его просвечиваемой части) и углового положения анализатора 10; эта методика "гашения" излучения с эллиптической поляризацией широко используется в эллипсометрии и называется "нулевой" [7]. Угловое положение плоскости поляризации отраженного излучения ψ совпадает с азимутом нормали к плоскости поляризации анализатора 10, находящегося в положении, соответствующем нулевой интенсивности отраженного излучения. Тогда Δψ = ψ-ψ₀. Изменяя угол ϕ и используя "нулевую" методику, получают экспериментальную зависимость ψ(ϕ) для фиксированного (но неизвестного) значения h. Если максимальное значение ψ на полученной зависимости отлично от 90^o, то измерения повторяют при новых значениях h до тех пор, пока "гашение" отраженного излучения не будет реализовано при ψ =90^o и измеряют угол падения ϕ₀, соответствующий η =100% при данных параметрах волноведущей структуры. Затем, поочередно изменяют некоторые параметры структуры (например, можно заменить призму или окружающую среду, или изменить свойства дополнительного слоя, наносимого на основание призмы, как это делают в прототипе) и измеряют новые значения ϕ₀ по выше описанной методике. Таким образом, получают ряд значений ϕ₀, число которых N должно быть не меньше числа неизвестных параметров образца. Используя формулу для коэффициента отражения структуры, составляют N независимых уравнений. Затем, применяя алгоритм, предложенный в работе [8] и использованный в [5], рассчитывают неизвестные параметры образца.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения параметров (показателя преломления n_m, показателя поглощения k_m и толщины d) золотой пленки с помощью устройства, реализующего способ. Для обеспечения возможности сравнения результатов с прототипом, выполним численное моделирование резонансных провала и пика на зависимостях R_p(ϕ) и ψ(ϕ) соответственно. Выберем образец, призму, слой с регулируемыми параметрами, материал слоя связи, подложку и излучение с оптическими характеристиками, описанными в [5] . А именно: длина волны излучения в вакууме λ =0,63 мкм, "истинные" значения параметров золотой пленки n_m = 0,225, k_m =3,312 и d= 50,0 нм, показатель преломления призмы n_p=1,500, дополнительный слой на основании призмы имеет показатель преломления n_f=2,58 и толщину d_f = 86,3 нм, материал слоя связи - воздух с показателем преломления n_l =1,000 или вода с n_l= 1,330, стеклянная подложка с показателем преломления n_s = 1,512. Угол наклона плоскости поляризации поляризатора по отношению к плоскости падения излучения ψ₀ выберем равным 1^o.

Расчет показывает, что, в случае выбора в качестве материала слоя связи (окружающей среды) воздуха, 100% эффективность возбуждения ПЭВ в золотой пленке достигается при толщине этого слоя h=0,4582 мкм. На фиг. 2 приведены расчетные зависимости R_p(ϕ) и ψ(ϕ) для рассматриваемой структуры при n_l = 1,000. Сравнение этих зависимостей показывает, что угловая ширина провала на кривой R_p(ϕ) примерно в 10 раз больше угловой ширины пика на кривой ψ(ϕ). В прототипе точность измерения ϕ₀ выбрана равной одной угловой минуте, что соответствует точности измерения R_p, равной 0,001%. При такой точности измерения R_p (или интенсивности отраженного излучения) поляриметрические методы позволяют измерять угловое положение плоскости поляризации линейно-поляризованного излучения ψ с точностью до 10^-5-10^-6 радиан, т.е. меньше одной угловой минуты [9]. Анализ кривой ψ(ϕ) показывает, что при такой точности измерения ψ значение ϕ₀ может быть измерено с точностью до 10^-8 радиан, что на 3 порядка лучше, чем в прототипе. На фиг. 2 значению ψ =90^o соответствует ϕ₀ =44^o28'21,73''. Замена материала слоя связи с воздуха на воду приводит к новому значению ϕ₀ =72^o37'27,12'' при h=0,2335 мкм; удаление же дополнительного слоя при воздушном слое связи и h=0,4379 мкм приводит к ϕ₀ =44^o06' 02,68''. Учитывая, что серийные гониометры позволяют измерять углы с точностью до 1'', положим ошибку измерения ϕ₀ равной 1''. Тогда решение обратной задачи, с использованием трех измеренных значений ϕ₀ и выражения для коэффициента отражения пятислойной структуры, дает следующие значения параметров золотой пленки n_m= 0,227±0,002, k_m =3,317±0,010 и d=50,1±0,1 нм. Расчетные ошибки определения параметров не превышают 1%, т.е. на порядок меньше, чем в прототипе.

Таким образом, заявляемый способ и устройство, реализующее этот метод, позволяют определять оптические параметры проводящего образца, с помощью измерения характеристик возбуждаемых на его поверхности ПЭВ, с точностью, превышающей точность прототипа более чем на порядок.

Список источников информации
1. Kretschmann Е. The determination of optical constants of metals by excitation of surface plasmons// Zeitschrift fur Physik, 1971, v.241, N. 4, p. 313-324.

2. Kitajima H. , Hieda K., Suematsu Y. Use of a total absorption ATR method to measure complex refractive indices of metal foils // J. Optical Society of America, 1980, v.70, N.12, p.1507-1513.

3. Житков П.М., Никитин А.К. Определение оптических постоянных металлов с помощью поверхностных электромагнитных волн // Депонент ВИНИТИ, 1985, N 4895-85 Деп.

4. Owner-Petersen М. , Zhu B.-S., Dalsgaard E. Extreme attenuation of total internal reflection used for determination of optical properties of metals // J. Optical Society of America, 1987, v.4, N. 9, p.1741-1747.

5. Мошкунов С.И., Петрушин А.Н., Хомич В.Ю. О точности определения параметров тонких пленок методом возбуждения поверхностных плазмонов // Известия РАН (сер. Физическая), 1992, Т.56, N4, С.212-215 (прототип).

6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973.

7. Основы эллипсометрии. // Под ред. А.В.Ржанова. - Новосибирск, 1979.

8. Kitajima H., Hieda К., and Suematsu Y. Optimum conditions in the attenuated total reflection technique //Applied Optics, 1981, v. 20, N 6, p. 1005-1010.

9. Шишловский А.А. Прикладная физическая оптика.- М.,1961 г.

Изобретение относится к технике оптико-физических измерений, а именно к способам определения оптических параметров (показателя преломления, показателя поглощения и толщины) проводящих образцов по значениям характеристик поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) и может быть использовано в металлооптике, при производстве металлодиэлектрических волноведущих структур, металлических зеркал и подложек, а также в других областях науки и техники. Сущность изобретения заключается в том, что при использовании излучения с ненулевыми р- и s-составляющими поля для возбуждения ПЭВ происходит изменение интенсивности составляющих поля: у р-составляющей она уменьшается, а у s-составляющей остается неизменной, что приводит к более выраженному резонансному характеру зависимости угла поворота плоскости поляризации от эффективности возбуждения ПЭВ η. Это позволяет более точно определять угол падения излучения, соответствующий η=100% и, таким образом, существенно повысить точность определения параметров образца. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения оптических параметров проводящих образцов, включающий воздействие на образец линейно-поляризованным монохроматическим излучением, возбуждение этим излучением поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) в волноведущей структуре, содержащей образец, регистрацию отраженного излучения, измерение угла падения ϕ₀, соответствующего 100% эффективности возбуждения ПЭВ, расчет оптических параметров образца с использованием формулы для коэффициента отражения структуры и значений угла ϕ₀, измеренных при различных параметрах структуры, отличающийся тем, что падающее излучение выбирают имеющим ненулевые p- и s-составляющие, а об эффективности возбуждения ПЭВ, при измерении ϕ₀, судят по величине угла поворота плоскости поляризации излучения Δ_ψ в результате его взаимодействия со структурой, причем 100% эффективности возбуждения ПЭВ соответствует Δ_ψ= 90^°-ψ₀, где ψ₀ - угол наклона плоскости поляризации падающего излучения к плоскости падения. 2. Устройство для определения оптических параметров проводящих образцов, содержащее источник монохроматического излучения, свободно перемещаемый в плоскости падения излучения по дуге вокруг образца, поляризатор, размещенный на пути падающего излучения, волноведущую структуру, направляющую ПЭВ и включающую в себя образец, окружающую среду и призму НПВО, и фотоприемник, подключенный к измерительному прибору, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит анализатор, расположенный на пути отраженного излучения, снабженный лимбом и имеющий ось вращения, совпадающую с направлением распространения отраженного излучения, регулируемый компенсатор, осуществляющий дополнительный сдвиг по фазе между p- и s-составляющими излучения и размещенный на его пути между поляризатором и анализатором, а поляризатор снабжен лимбом и имеет ось вращения, совпадающую с направлением распространения падающего излучения.