СПЕКТРАЛЬНЫЙ ЭЛЛИПСОМЕТР С УСТРОЙСТВОМ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 2015 года по МПК G01N21/21 G01B7/06 

Изобретение относится к области in situ мониторинга производства наноразмерных магнитных гетероструктур с помощью оптических методов.

Эллипсометрические параметры очень чувствительны к диэлектрическим функциям и толщинам слоев, но Эллипсометрические измерения не являются прямыми. В общем случае необходимо решать обратную задачу, что может представлять значительные трудности. Здесь очень важную роль играет построение изначально адекватной модели, которая уже с помощью регрессивных методов подгоняется под экспериментальные результаты. При этом значительными преимуществами обладает спектральная эллипсометрия, так как в этом случае экспериментальные данные снимаются на многих длинах волн. На стадии моделирования исследуемый образец представляется в виде многослойной системы, слои которой характеризуются определенными модельными оптическими функциями и толщинами. Отклик от такой системы вычисляется на основании уравнений Френеля. Следует отметить, что Эллипсометрические параметры могут быть чувствительны к изменениям оптических констант на доли процента. Таким образом, даже небольшие изменения могут приводить к ошибкам. Поэтому Эллипсометрические методы целесообразно дополнять другими методами контроля.

Например, Эллипсометрические измерения могут выполняться в присутствии переменного модулирующего возбуждения: светового, электрического и магнитного. Соответствующие способы известны как фотоэллипсометрия, электроэллипсометрия и магнитоэллипсометрия. Так, в аналоге (Заявка РСТ/WO 1998028606 A1 In-situ monitoring of electrical properties by ellipsometry, Carline Roger Timothy, Pickering Christopher) предложен метод мониторинга материальных параметров в реальном времени в процессе производства с помощью эллипсометрии и модуляции внутреннего электрического поля. Рассматривая изменения эллинсометрических параметров, можно определять оптические и электрические параметры материалов. Модуляция осуществляется с помощью источника электромагнитного излучения, например воздействия лазера.

В открытой печати имеется также описание совместного использования эллипсометрии и магнитооптики. Эти измерения хорошо совмещаются инструментально на основе статического спектрального эллипсометра, описанного в патенте и принятого за прототип эллипсометра (см. Патент №16314, приоритет от 28 сентября 2005 г., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С. В., Швец В.А. Эллипсометр.)

Это статическая фотометрическая схема эллипсометра, в которой реализовано параллельное считывание отраженных сигналов для двух взаимно ортогональных поляризаций света. В разработке используется пространственное разделение светового пучка, а не деление по амплитуде. Часть светового потока отщепляется в фазовый канал с помощью ромба Френеля оригинальной конструкции, который одновременно выполняет функцию фазосдвигающего устройства.

Недостатками указанных методов является использование только оптических схем, которые одинаково ограничены чувствительностью оптических компонент (скорость переключения дифракционной решетки монохроматора или поляризатора, интенсивность света при отражении и т.д.), что вносит дополнительные ошибки при определении оптических констант и толщины слоев. Устранение таких ошибок требует использования независимых от оптической системы (но совместимых с ней) измерений.

Для мониторинга процесса роста магнитных гетероструктур предлагается дополнить эллипсометрию магнитодинамическим анализом, который также является бесконтактным измерительным методом, основанным на нелинейности намагничивания магнитных структур и генерации высших гармоник. Прототип такого прибора отсутствует. Функциональная схема прибора показана на фиг.1.

Перечень элементов функциональной схемы:

1 - источник света с монохроматором,

2 - поляризатор,

3 - образец,

4 - анализатор,

5 - магнитодинамическое устройство измерений,

6 - детектор с контроллером,

7 - компьютер.

Отличительной чертой нелинейной системы является отсутствие суперпозиции, что приводит к качественному искажению первоначального возбуждающего сигнала. Так, если возбуждение может быть разложено на элементарные сигналы, то отклик нелинейной системы не может быть представлен как сумма откликов на указанные элементарные возмущения. На этом фундаментальном свойстве основаны мощные методы исследования и применения нелинейных систем в оптоэлектронике, мобильной связи, микроволновой технике, и т.д. Недавно в связи с потребностями нанобиотехнологий этот метод был предложен для регистрации и томографии суперпарамагнитных частиц с размером порядка сотен нанометров, которые используются как биологические метки. В качестве аналога используется реализация этого метода, предложенная в (см. EUROPEAN PATENT, International publication number: WO 01/067062 Analysis of biological and/or chemical mixtures using magnetic particles, P.I. Nikitin, P.M. Vetoshko).

В данной разработке используется специфическое возбуждение магнитных наночастиц магнитным полем, содержащим две частоты.

Работа аналога описывается следующей схемой. Возбуждающий сигнал генераторов создает в индуктивном блоке (система магнитных катушек или единичная катушка) переменное магнитное поле с частотами возбуждающего сигнала f₁ и модуляционного сигнала f₂. Поскольку процесс взаимодействия магнитного поля с ферромагнитными частицами является нелинейным, особенно при достаточно большой напряженности воздействующего магнитного поля, в частотном спектре отклика измеряемого образца на воздействие поля появляются комбинационные спектральные компоненты. В разработке прототипа сигнал детектировался на частоте f=f₁+2f₂. Случай, когда модулирующий сигнал имеет наименьшую частоту и наибольшую амплитуду, имеет определенные технические выгоды, связанные с простотой технической реализации и достигаемым техническим результатом. Именно к этому случаю относится осуществленная в прототипе конкретная реализация предлагаемого устройства с частотами f₁=100 кГц и f₂=100 Гц.

Поскольку мощность указанных комбинационных компонент однозначно связана с количеством в образце искомых ферромагнитных частиц, то, выделив сигнал комбинационной частоты с помощью фильтра, на выходе приемника можно получить информацию об этом количестве. Для этого приемник изготавливается по любой известной схеме, используемой в технике помехоустойчивого приема сигналов малой мощности на фоне шумов и помех, и выполняет функции усиления, детектирования и накопления.

Для in situ применения метод изобретения-аналога обладает рядом недостатков.

Образец с частицами помещается внутрь индуктивного блока, что накладывает ограничения на геометрию испытываемого образца, а также ограничивает доступ света.

Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении функциональной гибкости и чувствительности спектрального эллипсометра за счет использования магнитодинамического модуля измерений и в возможности его применения для in situ характеризации роста магнитных пленок.

Магнитодинамический модуль включает следующие основные элементы, показанные на фиг.2.

8 - генератор сигнала возбуждения и модуляции,

9 - низкочастотная катушка возбуждения

10 - высокочастотная катушка с катушкой детектирования,

11 - измеряемый образец

12 - приемный блок,

13 - управляющий микропроцессор.

14 - оптическая система

Возбуждающий сигнал генератора 8 создает в катушке возбуждения 9, которая имеет больший радиус, переменное магнитное поле низкой частоты f₁ с достаточно большой амплитудой. В высокочастотной катушке 10 с меньшим радиусом, которая расположена частично внутри катушки возбуждения 9, создается магнитное поле высокой частоты f₂ с малой амплитудой. Из-за нелинейности процесса намагничивания в частотном спектре отклика измеряемого образца на воздействие такого поля появляются комбинационные спектральные компоненты. В общем случае они представляют собой линейные комбинации указанных частот: f_i=mf₁+nf₂, где m, n - целые числа отличные от нуля. При достаточно большой частоте f₂ предлагается измерять сигнал в окрестности 2f₂. В принципе, в линейную комбинацию может входить и большее число частот спектральных составляющих воздействующего магнитного поля. Могут использоваться также различные соотношения между амплитудами указанных частотных компонент магнитного поля. Амплитуда выходного сигнала в окрестности f₂ определяется в приемном блоке 12, где может использоваться фазово-чувствительная схема, настроенная на частоту 2f₂. Величина сигнала связана с типом магнитной нелинейности и пропорциональна количеству ферромагнетика. Используя калибровочные кривые, можно определять толщину растущей ферромагнитной пленки образца 11. Исследование формы сигнала может дать дополнительную информацию о магнитных параметрах: поле коэрцитивности, анизотропии, и т.д. Работа всей системы управляется с помощью микропроцессора 13, который также синхронизирует магнитный блок с оптической системой 14.

Пример

Индуктивный блок представляет собой две концентрические катушки. Катушка с большим диаметром создает возбуждающее магнитное поле с меньшей частотой (100 Гц), а маленькая катушка используется как для создания высокочастотного возбуждения (порядка 100 КГц), так и для регистрации отклика на комбинаторной частоте (f₁+2f₂). Эта катушка может быть смещена вдоль оси по отношению к большей катушке для оптимизации их взаимного влияния. Оптимальное положение определяется из измерения чувствительности с использованием контрольных образцов. На Фиг.3 представлена зависимость выходного сигнала от толщины пленок Fe в зоне максимальной чувствительности. При размерах пленки в плоскости 1 см×1 см разрешение метода составляет 2 нм.

Таким образом, предлагается новая разработка, которая дополняет оптический in situ метод некоррелирующим магнитодинамическим методом, с помощью которого может независимым образом определяться толщина магнитных слоев многослойной системы. Устройство магнитодинамического блока также имеет следующие преимущества по сравнению с аналогом магнитоиндуктивного датчика:

1) конфигурация индуктивного блока позволяет проводить измерения на открытой поверхности и не накладывает ограничений на форму исследуемого образца;

2) способ может использоваться совместно с другими методами характеризации, такими как оптические и магнитооптические.

Изобретение относится к области in situ контроля производства в условиях сверхвысокого вакуума наноразмерных магнитных структур и может быть использовано в магнитной наноэлектронике для характеризации гетерогенных магнитных элементов в устройствах памяти, в сенсорных устройствах и т.п. Спектральный эллипсометр дополнительно содержит магнитодинамический модуль, состоящий из аксиальных катушек разных диаметров, который производит измерения, основанные на нелинейности характеристики намагничивания пленки. Таким образом, из независимых измерений может определяться толщина пленки. Изобретение обеспечивает повышение функциональности и точности измерений за счет использования дополнительного оптически некоррелированного метода - магнитодинамического метода. 3 ил.

Спектральный эллипсометр, содержащий источник излучения с монохроматором, плечи поляризатора и анализатора, в котором реализовано параллельное считывание отраженных сигналов для двух взаимно ортогональных поляризаций света с помощью пространственного разделения светового пучка ромбом Френеля, выполняющего также функцию фазосдвигающего устройства, отличающийся тем, что содержит магнитодинамический модуль, состоящий из аксиальных катушек разных диаметров, создающих переменное магнитное поле высокой и низкой частоты, причем катушка меньшего диаметра создает поле высокой частоты и является одновременно детектирующей катушкой, генератор сигнала возбуждения, приемный блок и управляющий микропроцессор.