Устройство для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур Российский патент 2023 года по МПК G02B17/00 

Техническое решение относится к оптике, к оптическим элементам с отражающими поверхностями и может быть использовано для повышения точности эллипсометрических измерений, проводимых в процессе in situ диагностики при формировании слоистых, в том числе гетероэпитаксиальных структур, методом нанесения в вакууме, в том числе молекулярно-лучевой эпитаксией.

Известно устройство для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур (Швец В.А., Азаров И.А., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Якушев М.В., Марин Д.В., Михайлов Н.Н., Кузьмин В.Д., Ремесник В.Г., Дворецкий С.А. «Высокоточная эллипсометрия для in situ диагностики процессов роста слоев КРТ в технологии МЛЭ», XXIV Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 2016, с.с. 67-70), содержащее в плече анализатора эллипсометра после ограничивающей диафрагмы в направлении распространения лазерного пучка систему зеркал и регистрирующую фоточувствительную матрицу, при этом система зеркал выполнена с возможностью направления лазерного пучка на регистрирующую фоточувствительную матрицу (ПЗС/КМОП-матрица). Формируемое изображение ПЗС/КМОП-матрицей светового пятна при падении на нее пучка выводят на экран монитора и принимают его положение относительно центра матрицы в качестве критерия для настройки.

В качестве ближайшего аналога принято устройство для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур (Швец В.А., Азаров И.А., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Якушев М.В., Марин Д.В., Михайлов Н.Н., Кузьмин В.Д., Ремесник В.Г., Дворецкий С.А. «Методические и приборные проблемы высокоточной эллипсометрической in situ диагностики состава слоев кадмий-ртуть-теллур в технологии молекулярно-лучевой эпитаксии», Приборы и техника эксперимента, 2016, №6, с.с. 87-94), содержащее в плече анализатора эллипсометра оптически связанные элементы: ограничивающую диафрагму, зеркальный переключатель и регистрирующую фоточувствительную матрицу. После ограничивающей диафрагмы в направлении распространения оптического излучения расположен зеркальный переключатель и регистрирующая фоточувствительная матрица, при этом зеркальный переключатель установлен на оптической оси по ходу пучка после ограничивающей диафрагмы с возможностью направления пучка на регистрирующую фоточувствительную матрицу (ПЗС/КМОП-матрицу) и регистрации ею полного изображения светового пятна. Регистрируемое ПЗС/КМОП-матрицей изображение светового пятна при падении на нее пучка выводят на экран монитора и принимают его положение относительно центра матрицы в качестве критерия для настройки. На основании его положения относительно виртуального перекрестья судят о корректности настройки и необходимости проведения юстировки подложки с формируемой на ней слоистой структурой.

Приведенные технические решения обладают недостатком, заключающимся в достижении ограниченной степени контроля угла отражения оптического излучения, что препятствует достижению более высокой точности эллипсометрических измерений. Причиной является использование в этих целях средств, которые не обеспечивают надлежащую оптическую базу для реализации требуемой чувствительности к отклонениям направленности излучения, чтобы улучшить контроль. Изображение пятна на регистрирующей фоточувствительной матрице размыто вследствие дифракции Френеля на апертурах и неоднородностях оптического тракта. Тестовые испытания, проведенные на имитаторе вакуумной камеры, показали, что разброс эллипсометрических параметров с использованием описанных средств достигает δΨ=±0,008° и δΔ=±0,06° от эксперимента к эксперименту.

Таким образом, известными средствами контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии, используемой для in situ диагностики роста слоистых структур, не может быть реализовано максимально точное определение состава, температуры и толщины при формировании слоев указанных структур.

Разработка устройства направлена на решение технической проблемы создания компактно размещаемого в плече анализатора эллипсометра средства для улучшения диагностики роста слоистых структур, обеспечения настройки необходимого положения подложки в процессе формирования слоистой структуры в целях достижения точности контроля за процессом формирования структур, в частности, получаемого состава, определения температуры и толщины выращиваемых слоев за счет достигаемого технического результата.

Техническим результатом при использовании предлагаемого технического решения является:

- повышение точности контроля угла отражения оптического излучения до пределов поляризационной оптики - 0,001 угловых градуса в параметре Ψ;

- устранение неоднородностей светового пятна на регистрирующей фоточувствительной матрице.

Технический результат достигается устройством для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур, содержащим в плече анализатора эллипсометра в направлении распространения оптического пучка ограничивающую диафрагму, оптически связанную с указанной диафрагмой регистрирующую фоточувствительную матрицу, выполненную с возможностью регистрации полного изображения светового пятна, при этом ограничивающая диафрагма выполнена обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка, между ограничивающей диафрагмой и регистрирующей фоточувствительной матрицей установлено оптически связанное с ними приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения.

В устройстве для контроля направленности оптического излучения приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, выполнено увеличивающим распространение оптического пучка до длины, равной одному метру.

В устройстве для контроля направленности оптического излучения указанное приспособление, выполнено в виде призматического зеркального клина или в виде установленных напротив друг друга зеркальных пластин с зазором, повторяющим геометрию призматического зеркального клина, при этом зеркальные поверхности призматического зеркального клина или зеркальных пластин расположены по отношению друг к другу под углом 0,7° и выполнены с длиной поверхностей, между которыми реализованы множественные отражения оптического пучка, равной 33 мм.

В устройстве для контроля направленности оптического излучения ограничивающая диафрагма, выполненная обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка, реализована с размером входной апертуры, обеспечивающим достаточность дифракции в зоне за апертурой для размытия спекл-картины оптического пучка при прохождении пучком оптического тракта от излучателя до анализатора и возможность регистрации полного изображения светового пятна регистрирующей фоточувствительной матрицей однородным, с локализацией его в пределах регистрирующей фоточувствительной матрицы при отклонениях направленности оптического излучения.

В устройстве для контроля направленности оптического излучения в ограничивающей диафрагме, выполненной обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка, реализованной с размером входной апертуры, обеспечивающим достаточность дифракции в зоне за апертурой для размытия спекл-картины оптического пучка при прохождении пучком оптического тракта от излучателя до анализатора и регистрации полного изображения светового пятна регистрирующей фоточувствительной матрицей однородным, с локализацией его в пределах регистрирующей фоточувствительной матрицы при отклонениях направленности оптического излучения, размер апертуры равен 1 мм.

В устройстве для контроля направленности оптического излучения в качестве регистрирующей фоточувствительной матрицы, выполненной с возможностью регистрации полного изображения светового пятна, использована малоформатная матрица размером 6,4×4,8 мм².

Устройство для контроля направленности оптического дополнительно снабжено отклоняющим зеркалом, установленным между ограничивающей диафрагмой и приспособлением, увеличивающим распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, указанное зеркало предназначено для удобства оптической связи между указанными элементами устройства, направляя квазипараллельный пучок от диафрагмы в указанное приспособление.

Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

На Фиг. 1 представлена схема осуществления контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур с многократным проходом вырезанного квазипараллельного пучка между зеркально отражающими поверхностями, тем самым формирующим необходимую оптическую базу, обеспечивающую требуемую чувствительность к отклонениям направленности, для повышения точности контроля угла отражения, с финальной подачей пучка на регистрирующую фоточувствительную матрицу (ПЗС/КМОП-матрицу) и выводом регистрируемого матрицей светового пятна на экран монитора, где 1 - квазипараллельный пучок; 2 - фоточувствительная матрица.

На Фиг. 2 схематически проиллюстрирована возможность увеличения оптической базы за счет многократных проходов оптического пучка между зеркальными поверхностями, где 3 - зеркально отражающие поверхности.

На Фиг. 3 представлены результаты измерения эллипсометрических углов Ψ и Δ на испытательном стенде при многократных качаниях тестового образца монокристаллического кремния относительно двух взаимно перпендикулярных осей - взаимная зависимость эллипсометрических углов при многократных качаниях образца, где: δγ - поворот плоскости падения; δϕ - изменение угла падения.

На Фиг. 4 отражены результаты испытания предлагаемого устройства относительно синхронного слежения за изменением положения регистрируемого матрицей светового пятна и показаниями эллипсометра при наклонах образца, его качании, - на представленном графике продемонстрировано соответствие синхронных измерений эллипсометрического угла и смещения светового пятна на регистрирующей фоточувствительной матрице при покачивании образца на предметном столике в диапазоне качания ±3' угловых минуты.

Предлагаемое устройство осуществляет выявления и измерения малых отклонений направленности зондирующего оптического (лазерного) пучка эллипсометра. Направленность пучка влияет на результаты измерений. В составе устройства в плече анализатора эллипсометра выполнена ограничивающая диафрагма. После ограничивающей диафрагмы в направлении распространения оптического пучка устройство содержит оптически связанную с указанной диафрагмой регистрирующую фоточувствительную матрицу 2. К отличительным особенностям предлагаемого устройства по сравнению с прототипом относится, во-первых, выполнение в устройстве ограничивающей диафрагмы, обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, вырезающей квазипараллельный пучок 1 из пучка, поступающего на ее апертуру, и, во-вторых, наличие приспособления, увеличивающего распространение квазипараллельного оптического пучка (см. Фиг. 2) между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения (см. Фиг. 1 и 2). В устройстве отсутствуют подвижные части и наблюдение за смещением пучка производится одновременно с эллипсометрическими измерениями. Приспособление создает необходимую оптическую базу для повышения чувствительности к отклонению направленности оптического излучения при прохождении им оптического тракта.

Устройство позволяет повысить точность настройки эллипсометрического оборудования, в частности, в камере молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и контролировать направленность оптического пучка при осуществлении технологического процесса роста структур на основе твердых растворов, в частности твердого раствора теллуридов кадмия и ртути (КРТ). Таким образом обеспечивается возможность для корректировки положения образца - подложки с формируемой на ней слоистой структурой, повышения точности определения состава, температуры и толщины выращиваемых слоев. В ниже приведенной таблице по нескольким выбранным параметрам приведены данные, демонстрирующие действенность предлагаемого устройства.

Повышение точности контроля угла отражения оптического излучения до пределов поляризационной оптики - 0,001 угловых градуса в параметре Ψ обеспечивается в устройстве главным образом за счет увеличения оптической базы в малом компактном пространстве, для чего предназначено указанное приспособление. Чем больший путь проходит оптический пучок при распространении в пространстве, тем сильнее проявляется отклонение направленности оптического излучения и, как следствие, повышается чувствительность при выявлении отклонений. Таким образом, предлагаемым устройством за счет повышения степени контроля угла отражения оптического излучения достигается снижение погрешности при определении параметров формируемой структуры, в частности в камере молекулярно-лучевой эпитаксии.

Устранение размытия, неоднородностей, светового пятна на регистрирующей фоточувствительной матрице вследствие дифракции Френеля на апертурах оптического тракта достигается тем, что предлагаемое устройство функционирует в условиях проявления дифракции Фраунгофера. Световое пятно на матрице имеет четкий контур. Это достигается ограничивающей диафрагмой, вырезающей малую часть исходного квазипараллельного пучка 1 и обеспечивающей тем самым условия дифракции Фраунгофера (см. Фиг. 1).

С учетом всех основных функциональных элементов конструкции - ограничивающей диафрагмы, приспособления, регистрирующей фоточувствительной матрицы - устройством обеспечивается реализация слежения за положением пятна от оптического пучка на матрице с требуемой точностью. При обнаружении отклонения от требуемого положения пятна на матрице, принятого за начальную точку отсчета, осуществляют коррекцию положения образца. Выполненная коррекция положения приводит к повышению точности измерений эллипсометрических параметров с достижением максимума точности, так как световое пятно имеет четкий контур, а угол отражения, принципиально влияющий на результаты эллипсометрических измерений, находится под контролем.

Известно, что результаты эллипсометрических измерений весьма чувствительны к настройке образца. Положение образца характеризуется тремя степенями свободы: два угла качания - один в плоскости падения света (угол падения ϕ), второй - угол поворота плоскости падения (γ), и поступательное перемещение вдоль нормали к поверхности - ось Н. При этом, как правило, принимается, что образец является однородным и планарным, и, таким образом, смещение светового пятна зондирующего луча по поверхности образца не приводит к изменениям эллипсометрических показаний. В отношении геометрии зондирующего луча, падающего на образец, характерны два предельных случая.

Первый - пучок сфокусирован в плоскости поверхности исследуемого образца, в регистрирующую часть эллипсометра поступает расходящийся пучок.

Второй - геометрически параллельный пучок, характеризующийся минимальной расходимостью вдоль всего оптического пути (квазипараллельный пучок).

В первом случае измерения оказываются нечувствительными к угловому положению образца, поскольку из расходящегося пучка диафрагмой вырезается конус, соответствующий заданному углу отражения. Однако указанные измерения имеют высокую чувствительность к смещению образца вдоль оси Н. Во втором случае, наоборот, измерения оказываются нечувствительными к смещению образца вдоль оси Н, и характеризуются высокой чувствительностью к угловому положению образца.

Выше сказанное подтверждают результаты экспериментов. При фокусировке излучения на поверхности образца, даже в случае присутствия неоднородностей в оптическом тракте анализатора, стабильность измерений повышается. Однако малые перемещения образца вдоль нормали к поверхности, по оси Н, вызывают резкие изменения регистрируемых эллипсометрических параметров. В случае с квазипараллельным пучком - наоборот, при малых смещениях образца вдоль оси Н существенных изменений в эллипсометрических параметрах (углах Ψ и Δ) не происходит, при угловых же смещениях положения образца, его наклонах, - фиксируются существенные изменения.

Оценки показывают совпадение наблюдаемых изменений с ожидаемыми величинами, обуславливаемыми угловыми зависимостями поляризационных характеристик образца. На примере тестового образца монокристаллического кремния, на Фиг. 3 показаны изменения эллипсометрических углов Ψ и Δ при качаниях образца с поворотом плоскости падения и с изменением угла падения на δγ≈δϕ≈7', соответственно. При этом угловая чувствительность на поверхности кремния вблизи угла падения 65° составляет δΨ/δϕ=-1,05. Изменение угла Ψ в эксперименте составляет δΨ_ехр≈0,12°=7'12'', что согласуется с оценочным значением δΨ_calc=(δΨ/δϕ)⋅δϕ=7'33''. Чувствительность угла Δ в данном случае оказывается на порядок выше расчетной, что связано с высокой неоднородностью оптического тракта del-канала в данном эксперименте.

Тем не менее, несмотря на неоднородности в оптических трактах, воспроизводимость зависимости измеряемых эллипсометрических углов от углового положения образца, остается неизменной. Это подтверждается повторяемостью сложной кривой в координатах Ψ-Δ при периодическом качании образца (см. Фиг. 3). Повторяемость показывает разброс в каждой области кривой в пределах стабильности измерений. Данный факт приводит к выводу о том, что неоднородности оптического тракта относительно волнового фронта остаются неизменными во времени.

Последнее свидетельствует в пользу возможности повышения воспроизводимости эллипсометрических измерений до уровня долговременной стабильности, которая составляет δΨ=0,004° и δΔ=0,05°. Однако при этом необходимо организовать возможность выявления, как реально расположен образец и как следует скорректировать его положение. При этом воспроизводимость позиционирования образца должна быть на уровне не хуже δϕ=δγ≤10''=0,003° и δh≤0,1 мм.

В целях реализации указанного выполнено оснащение плеча анализатора специальными средствами, входящими в состав предлагаемого устройства.

Повысить точность и решить указанные проблемы возможно при использовании дополнительной диафрагмы на входе плеча анализатора. Эта диафрагма вырезает малую часть оптического пучка, поступающего на вход плеча анализатора. В этом случае, благодаря дифракции на отверстии происходит усреднение интенсивности в пределах апертуры пучка, что делает изображение пятна от оптического излучения более однородным. Для достижения требуемой чувствительности необходимо создать достаточно большую оптическую базу между диафрагмой и приемной матрицей - регистрирующей фоточувствительной матрицей (см. Фиг. 1). Это достигается за счет использования приспособления, увеличивающего распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения. В приспособлении сформирован зеркальный клин, обеспечивающий множество отражений пучка между зеркальными поверхностями 3 (см. Фиг. 2).

В обеспечении высоких параметров чувствительности большое значение имеет наличие параллельного пучка оптического излучения, отвечающего условию минимальной расходимости. Так, расходимость пучка в 1 мрад не обеспечивает точность выше 3,5 угловых минут, поскольку направленность пучка на краях и в центре не является одинаковой.

Размер пучка и диафрагмы ограничен дифракционными пределами. С увеличением апертуры пучка и апертуры диафрагмы расходимость пучка уменьшается. Однако при этом для реализации устройства потребуется увеличение размеров оптических элементов и элементов регистрирующей фоточувствительной матрицы.

Необходимо отметить также следующее.

Оптическая база (см. Фиг. 2) между диафрагмой и матрицей, обеспечиваемая выполнением в устройстве соответствующего приспособления, в частности, составляет в количественных значениях 1 м. При этом при наличии дифракционной расходимости пучка чувствительность к положению пучка на матрице снижается и составляет 0,03 мм. Таким образом, чувствительность системы в целом остается на уровне 6''. Но для достижения этого требуется, чтобы пучок, подаваемый в плечо анализатора, имел меньшую расходимость (хотя бы в пределах возможных смещений образца по высоте). Это налагает достаточно жесткое требование для системы оптической коллимации излучения от источника. Например, расходимость применяемых гелий-неоновых лазеров ГН-2П-1 составляет 2 мрад и обеспечивает точность 7' при апертуре 0,5 мм. Для корректной работы данной системы требуются значения расходимости в несколько раз меньше при апертуре в 15-20 раз большей. Эти требования обеспечиваются применением телескопической системы расширения пучка. Таким образом, предлагаемое устройство работает с претерпевшим предварительное расширение, перед поступлением его на ограничивающую диафрагму, оптическим пучком.

В обобщенном случае выполнения, предлагаемое устройство для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур содержит в плече анализатора эллипсометра ограничивающую диафрагму, регистрирующую фоточувствительную матрицу и приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения (см. Фиг. 1). При этом ограничивающая диафрагма выполнена обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка 1. Регистрирующая фоточувствительная матрица 2 выполнена с возможностью регистрации полного изображения светового пятна.

Указанная диафрагма расположена в направлении распространения оптического пучка, с возможностью подачи на нее оптического излучения. Ограничивающая диафрагма оптически связана с приспособлением, увеличивающим распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения. Указанное приспособление оптически связано с регистрирующей фоточувствительной матрицей.

В предпочтительных вариантах реализации предлагаемого устройства для него характерны следующие особенности.

Так, ограничивающая диафрагма, выполненная обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка 1, реализована с размером входной апертуры, обеспечивающим достаточность дифракции в зоне за апертурой для размытия спекл-картины оптического пучка при прохождении пучком оптического тракта от излучателя до анализатора. Кроме того, указанная диафрагма обеспечивает возможность регистрации полного изображения светового пятна регистрирующей фоточувствительной матрицей однородным, с локализацией его в пределах регистрирующей фоточувствительной матрицы 2 при отклонениях направленности оптического излучения. В частном случае реализации в указанной ограничивающей диафрагме размер входной апертуры равен 1 мм.

В частном случае реализации приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, выполнено увеличивающим распространение оптического пучка до длины, равной одному метру. При этом указанное приспособление, выполнено в виде призматического зеркального клина или в виде установленных напротив друг друга зеркальных пластин с зазором, повторяющим геометрию призматического зеркального клина (см. Фиг. 2). В приспособлении зеркальные поверхности призматического зеркального клина или зеркальных пластин расположены по отношению друг к другу под углом 0,7° и выполнены с длиной поверхностей, между которыми реализованы множественные отражения оптического пучка, равной 33 мм.

В устройстве в качестве регистрирующей фоточувствительной матрицы, выполненной с возможностью регистрации полного изображения светового пятна, использована малоформатная матрица размером 6,4×4,8 мм².

Кроме того, в частном случае реализации предлагаемого устройства, оно может быть дополнительно снабжено отклоняющим зеркалом (см. Фиг. 1). Отклоняющее зеркало установлено между ограничивающей диафрагмой и приспособлением, увеличивающим распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения. Указанное зеркало предназначено для удобства оптической связи между указанными элементами устройства, направляя квазипараллельный пучок от диафрагмы в указанное приспособление.

Приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, изготовлено из материала, выбираемого исходя из прозрачности в рабочем диапазоне длин волн устройства. Для оптического диапазона, коротковолнового, видимого, инфракрасного, подойдут материалы, соответственно, марки КУ, К8, ИКС-25.

Относительно выбираемых размеров при реализации предлагаемого устройства, в частности, входной апертуры диафрагмы, размера регистрирующей фоточувствительной матрицы, величины увеличения длины распространения лазерного луча приспособлением, необходимо учесть следующее.

Во-первых, исходную расходимость 2θ_L оптического пучка, заданной резонатором лазера или коллимационной системой осветителя.

Во-вторых, дифракционную расходимость пучка, прошедшего диафрагму, tg(θ_d)≈λ/2A, где: λ - рабочая длина волны; А - размер диаметра диафрагмы.

В зависимости от отношения углов дифракционной расходимости и исходной расходимости, а также расстояний источник - входная апертура (апертура ограничивающей диафрагмы) и апертура - приемник (регистрирующая фоточувствительная матрица) рассчитывается размер падающего на матрицу пучка.

Оптимизация расходимости осуществляется с применением телескопических систем. При этом с увеличением апертуры пучка расходимость уменьшается.

Размер входной апертуры (ограничивающей диафрагмы) выбирают исходя из условия получения дифракции Фраунгофера (диафрагма вырезает менее одной волновой зоны Френеля) - достаточной дифракции в зоне за апертурой для размытия спекл-картины оптического пучка при прохождении им оптического тракта от излучателя до анализатора и получения оптимального размера светового пятна, с однородным изображением его, на регистрирующей фоточувствительной матрице в дальней зоне (зоне Фраунгофера).

В приближении квазипараллельного пучка, в котором характерное расстояние z от источника до входной апертуры много больше размера апертуры А, и радиус кривизны R_z=z+(R_э)²/4z много больше расстояния от апертуры до приемника, размер пятна D на регистрирующей фоточувствительной матрице задан выражением D=A+tg(θ_d)L, где L - оптический путь от входной апертуры до регистрирующей фоточувствительной матрицы.

Чувствительность угломерного устройства в этом случае определяется как tg(δβ)=δX/L, где: δХ - минимальное значение регистрируемых смещений, δβ - угловая чувствительность. При оптимально подобранном размере пятна на матрице и достаточной однородности пятна, δX≈D/100.

В рассматриваемом случае, если z≈1 м, а приведенный конфокальный параметр полупроводникового лазера с коллиматором R_э=0,01 м, то радиус кривизны у входной диафрагмы анализатора составит R_z≈1 м, что много больше апертуры пучка (0,009 м) и апертуры входной диафрагмы (0,001 м). Отсюда следует, что волновой фронт можно считать плоским, а размер пятна на матрице, отнесенной на метр от входной апертуры, составит 0,0015 м. Таким образом, становится возможным использование малоформатной регистрирующей фоточувствительной матрицы размером от 1/3,2'' (6,4×4,8 мм²).

Настроив время выдержки регистрирующей фоточувствительной матрицы для фиксации контура пятна с интенсивностью более полувысоты, получим пятно диаметром около миллиметра, за которым удобно следить и визуально по изображению с матрицы на экране ПК, и программно, накладывая образ в виде круга. Таким образом, удается достичь чувствительности на уровне 1/100 диаметра, что соответствует изменению угла δβ=2'' (угловые секунды).

Работа предлагаемого устройства заключается в осуществлении им следующих действий.

Претерпевшее предварительное расширение оптическое излучение поступает на огранивающую диафрагму. Ограничивающая диафрагма вырезает квазипараллельный пучок 1. Затем вырезанный квазипараллельный оптический пучок поступает в приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей (см. Фиг. 1) до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения. Увеличение длины составляет 1 м. Претерпевший многократные отражения оптический пучок от зеркальных поверхностей приспособления, в результате которых увеличена длина его распространения, поступает на регистрирующую фоточувствительную матрицу 2. Матрицей осуществляется фиксация изображения пятна.

Соответствие синхронных измерений эллипсометрического угла Ψ и смещения пятна на матрице устройства при покачивании образца на предметном столике показаны на Фиг. 4. Диапазон качания составляет ±3' (угловых минуты). При многократных качаниях зависимость измеряемых параметров воспроизводится с высокой точностью. Взаимная зависимость угла наклона и эллипсометрического параметра Ψ близка к линейной.

Таким образом, с помощью описанного угломерного устройства контроля положения образца удается достичь точности и воспроизводимости эллипсометрических измерений на уровне δΨ=±0,002°.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано для повышения точности эллипсометрических измерений, проводимых в процессе in situ диагностики. Устройство для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур содержит в плече анализатора эллипсометра в направлении распространения оптического пучка последовательно оптически связанные ограничивающую диафрагму, приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, и регистрирующую фоточувствительную матрицу. Последняя выполнена с возможностью регистрации полного изображения светового пятна. Ограничивающая диафрагма выполнена обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера с возможностью вырезания квазипараллельного пучка. Технический результат выражается в повышении точности контроля угла отражения оптического излучения до пределов поляризационной оптики и в устранении неоднородностей светового пятна на регистрирующей фоточувствительной матрице. 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Устройство для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур, содержащее в плече анализатора эллипсометра в направлении распространения оптического пучка ограничивающую диафрагму, оптически связанную с указанной диафрагмой регистрирующую фоточувствительную матрицу, выполненную с возможностью регистрации полного изображения светового пятна, отличающееся тем, что ограничивающая диафрагма выполнена обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера с возможностью вырезания квазипараллельного пучка, между ограничивающей диафрагмой и регистрирующей фоточувствительной матрицей установлено оптически связанное с ними приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения.

2. Устройство для контроля направленности оптического излучения по п. 1, отличающееся тем, что приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, выполнено увеличивающим распространение оптического пучка до длины, равной одному метру.

3. Устройство для контроля направленности оптического излучения по п. 2, отличающееся тем, что указанное приспособление выполнено в виде призматического зеркального клина или в виде установленных напротив друг друга зеркальных пластин с зазором, повторяющим геометрию призматического зеркального клина, при этом зеркальные поверхности призматического зеркального клина или зеркальных пластин расположены по отношению друг к другу под углом 0,7° и выполнены с длиной поверхностей, между которыми реализованы множественные отражения оптического пучка, равной 33 мм.

4. Устройство для контроля направленности оптического излучения по п. 1, отличающееся тем, что ограничивающая диафрагма, выполненная обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка, реализована с размером входной апертуры, обеспечивающим достаточность дифракции в зоне за апертурой для размытия спекл-картины оптического пучка при прохождении пучком оптического тракта от излучателя до анализатора и возможность регистрации полного изображения светового пятна регистрирующей фоточувствительной матрицей однородным, с локализацией его в пределах регистрирующей фоточувствительной матрицы при отклонениях направленности оптического излучения.

5. Устройство для контроля направленности оптического излучения по п. 4, отличающееся тем, что в ограничивающей диафрагме, выполненной обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка, реализованной с размером входной апертуры, обеспечивающим достаточность дифракции в зоне за апертурой для размытия спекл-картины оптического пучка при прохождении пучком оптического тракта от излучателя до анализатора и регистрации полного изображения светового пятна регистрирующей фоточувствительной матрицей однородным, с локализацией его в пределах регистрирующей фоточувствительной матрицы при отклонениях направленности оптического излучения, размер апертуры равен 1 мм.

6. Устройство для контроля направленности оптического излучения по п. 1, отличающееся тем, что в качестве регистрирующей фоточувствительной матрицы, выполненной с возможностью регистрации полного изображения светового пятна, использована малоформатная матрица размером 6,4×4,8 мм².

7. Устройство для контроля направленности оптического излучения по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно снабжено отклоняющим зеркалом, установленным между ограничивающей диафрагмой и приспособлением, увеличивающим распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, указанное зеркало предназначено для удобства оптической связи между указанными элементами устройства, направляя квазипараллельный пучок от диафрагмы в указанное приспособление.