ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01B9/02 G01B7/06 

Изобретение относится к области оптической микроскопии, а более конкретно к оптическим микроинтерферометрам, которые используются для анализа чистоты обработки поверхности, и может быть использовано в микроэлектронике и других областях техники для контроля и измерений геометрических размеров элементов технологических структур микросхем, измерения толщины и глубины залегания пленок в многослойных пленочных структурах.

Известен и широко используется в различных областях техники телевизионный металлографический микроскоп. Для повышения чувствительности микроскопа (использование фазового контраста) в микроскопе перед источником света вводится кольцевая дифраграмма, а перед объектом устанавливается фазовая пластина (1).

Недостатком микроскопа является то, что объектив микроскопа микрометрическим винтом фокусируется на поверхность образца, а для формирования изображения поверхности образца в фокальной плоскости окуляра используется только отраженный от поверхности световой поток, а поэтому микроскоп практически не применим для анализа многослойных пленочных структур.

Наиболее близкими к заявляемому объекту являются промышленные интерферометры фирмы "Цейс" и отечественный интерферометр Линка МИИ-4, которые используются для визуальной оценки и измерения параметров шероховатости поверхности и получения ее интерферограмм (2).

Недостатком микроинтерферометров является то, что они позволяют определять параметры шероховатости поверхности (разницу в высоте уровней рельефа поверхности) и толщину однослойных покрытий с точностью не выше +/- 27 нм.

Целью предлагаемого технического решения является измерение коэффициента преломления или толщины пленок от 50 до 1000 нм с точностью не ниже 5 нм в многослойных пленочных структурах и визуализация их микроструктуры с площади до 2-3 мкм.

Цель достигается тем, что для точной регулировки фаз отдельных пучков когерентного монохроматического излучения и фокусировки микроскопа на заданную глубину используется хроматическая оберрация объектива микроскопа, осветитель микроскопа заменен монохроматором, излучающим излучение в узком спектральном интервале Δλ=5-10 нм, а рабочая длина волны изменяется в широком диапазоне длин волн λ=390-1000 нм, изменен ход лучей в микроскопе, разделительная пластина металлографического микроскопа толщиной менее 0,5 мм заменена набором пластин толщиной 0,5-6 мм, покрытых светоделительным покрытием, делящим излучение монохроматора на три равные по интенсивности когерентных пучка монохроматического излучения, два из которых, отраженные от поверхности пластины и светоделительного покрытия, проходят сквозь объектив микроскопа и фокусируются на поверхность образца, а пучок, прошедший сквозь разделительное покрытие, проходит сквозь фазовую пластину и светопровод (например, волоконный) и облучает образец с противоположной стороны. Смена разделительных пластин разной толщины и фазовые пластины используются при необходимости грубой регулировки фаз.

Новизна заявленного устройства состоит в том, что в качестве осветителя микроскопа использован монохроматор, изменением рабочей длины которого осуществляется тонкая фокусировка объектива микроскопа по толщине многослойной пленочной структуры и осуществляется сдвиг фаз пучков, отраженных от двух плоскостей делительной пластины. Толстая (1-6 мм) делительная пластина делит излучение монохроматора на 3 равных по интенсивности когерентных монохроматических пучка, два из которых проходят сквозь фазовые пластины, которые используются для глубокой регулировки фаз.

Отличительными особенностями заявляемого устройства является изменение хода лучей в металлографическом микроскопе и использование в качестве осветителя микроскопа монохроматора толстой делительной пластины со светоделительным покрытием. Разработанный микроскоп фактически является многолучевым интерферометром.

На чертеже приведена оптическая принципиальная схема заявляемого устройства, где:
1 - монохроматор; 2 - конденсерная линза;
3 - светоделительная пластина;
4 - светоделительное покрытие;
5, 7 - фазовые пластины;
6 - объектив микроскопа;
8, 9 - пленки, нанесенные на подложку;
10 - окуляр микроскопа;
11 - видеокамера;
12 - фокусирующая линза.

Излучение монохроматора 1 попадает на конденсерную линзу микроскопа 2, которая проектирует пучок монохроматического излучения на делительную пластину 3, покрытую светоделительным покрытием 4. Два пучка монохроматического излучения, отраженные от двух плоскостей пластины 3, фокусируются объективом микроскопа 6 на анализируемую поверхность, отраженной от делительного покрытия 4, пучок проходит сквозь фазовую пластину 5, используемую в случае необходимости для глубокой регулировки фаз.

После отражения двух пучков от многослойной пленочной структуры пучки снова проходят через объектив 6, пластину 3, 4 и окуляр микроскопа 10, в фокальной плоскости которого установлен фотоприемник видеокамеры 11, где и происходит интерференция лучей, отраженных от поверхности образца и пленок, находящихся на различных глубинах залегания. Пучок излучения, прошедший сквозь светоделительное покрытие 4, проходит сквозь фазовую пластину 7, светопровод, объектив 12, облучает образец с противоположной стороны, проходит сквозь подложку и многослойную пленочную структуру 8, 9, объектив 6, пластину 3, 4, окуляр 10 и регистрируется фоточувствительным слоем видеоприемника, в котором происходит интерференция пучков когерентного монохроматического излучения.

Принцип работы заключается в следующем. Монохроматическое излучение монохроматора конденсером 2 проектируется на делительную пластину 3, 4 и отражается от ее двух плоскостей. Отраженный от светоделительного покрытия пучок, пройдя расстояние l₁ и l₂, получает фазовый сдвиг δ₁ и δ₂. В случае необходимости дополнительный сдвиг по фазе осуществляется введением фазовой пластины 5. Оба пучка объективом микроскопа фокусируются на поверхность многопленочной структуры. Изменением рабочей длины волны монохроматора излучение фокусируется на пленки, находящиеся на различных глубинах залегания. Отраженные от поверхности образца и пленок световые пучки проходят сквозь объектив 6, делительную пластину и в фокальной плоскости окуляра II, где установлен фотоприемник видеокамеры, происходит интерференция отраженных от образца пучков когерентного излучения. Если пленки нанесены на оптически прозрачную подложку, то используется излучение, проходящее сквозь светоделительное покрытие, фазовую пластину и проектируется на противоположную сторону многослойной структуры. В фокальной плоскости окуляра происходит интерференция трех пучков когерентного монохроматического излучения, имеющих разный фазовый сдвиг.

Толщина пленок определяется по максимуму ослабления или усиления интенсивности регистрируемого излучения, отраженного от пленок, находящихся на разных глубинах залегания, согласно известным формулам:
nd = (2к+l)/4 (усиление),
nd = к/2 (гашение),
где d - толщина пленки;
l - рабочая длина волны;
к - порядок отражения;
n - показатель преломления пленок.

Если разности фаз двух пучков, отраженных от двух плоскостей делительной пластины, недостаточно для усиления или ослабления регистрируемого светового потока, то для грубой регулировки фаз вводится фазовая пластина 5. В точках, где разность хода равна λ, 2λ, 3λ и т.д., в результате интерференции пучков получатся световые полосы (усиление света), а в точках, где разность хода равна λ/2, 3/2λ, 5/2λ и т.д., получаются темные полосы (гашение света). Для грубой регулировки фаз может быть использован набор делительных пластин разной толщины. В этом случае для конкретной пленочной структуры выбирается пластина 3, толщина которой при тонкой регулировке фаз обеспечивает измерение толщин всех элементов анализируемой структуры, или вводятся фазовые пластины 5, 7.

Экспериментальный образец микроинтерферометра выполнен на базе металлографического микроскопа типа "Метам", монохроматора МДР-23, видеоканала "Электроника 409 ВКУ". В отличие от микроскопа указанного типа в заявленном приборе при измерениях толщины пленок не используются микрометрические винты, которые являются основным элементом, определяющим точность измерений. В заявленном устройстве точность измерений определяется точностью установки рабочей длины волны монохроматора, которая контролируется с точностью не хуже 1 нм, и фиксацией гашения или усиления яркости наблюдаемого элемента структуры, которая выполняется с точностью не хуже 5 нм. При контроле пятислойной пленочной структуры были измерены толщины пленок 50-500 нм с точностью не хуже 2-5 нм.

Источники информации
1. Вейнберг Ф. Приборы и методы физического металловедения. Вып. 1. Изд. "Мир", 1975 г.

2. Микроинтерферометр Линка МНИ-4. Техническое описание. Тип ЛОМО, зак. 5400, 10.03.89 г. - прототип.

Оптический микроинтерферометр включает металлографический микроскоп, осветитель которого выполнен в виде монохроматора, светоделительную пластину толщиной 0,5÷6 мм, которая делит пучок излучения монохроматора на три равных по интенсивности когерентных пучка излучения. Пучок, отраженный от поверхности пластины, проходит сквозь объектив микроскопа и фокусируется на поверхность образца, пучок, отраженный от светоделительного покрытия, проходит сквозь фазовую пластину и объектив микроскопа и также фокусируется на поверхность образца, а пучок, прошедший светоделительное покрытие, проходит фазовую пластину, световод и облучает образец с противоположной стороны, причем прошедший и два отразившихся от образца пучка проходят объектив и светоделительную пластину и окуляром фокусируются на фотоприемник видеокамеры. Технический результат: измерение коэффициента преломления или толщины пленок от 50 до 1000 нм с точностью не ниже 5 нм в многослойных пленочных структурах, а также их визуализация. 1 ил.

Оптический микроинтерферометр, включающий металлографический микроскоп, осветитель которого выполнен в виде монохроматора, отличающийся тем, что монохроматор излучает в диапазоне длин волн Δλ=5÷10 нм, а его рабочая длина волны изменяется в диапазоне λ=390÷1000 нм, при том введена светоделительная пластина толщиной 0,5÷6 мм, делящая пучок излучения монохроматора на три равных по интенсивности когерентных пучка монохроматического излучения таким образом, что пучок, отраженный от поверхности пластины, проходит сквозь объектив микроскопа и фокусируется на поверхность образца, пучок, отраженный от светоделительного покрытия, проходит сквозь фазовую пластину и объектив микроскопа и также фокусируется на поверхность образца, а пучок, прошедший светоделительное покрытие, проходит фазовую пластину, световод и облучает образец с противоположной стороны, причем прошедший и два отразившихся от образца пучка проходят объектив и светоделительную пластину и окуляром фокусируются на фотоприемник видеокамеры, расположенный в фокальной плоскости окуляра микроскопа.