Спектральный эллипсометр Советский патент 1991 года по МПК G01J4/04 

со о: со

4

Изобретение относится к поляризационной оптике и может использоваться при исследованиях в физике, электронике, электрохимии, медицине, биологиии и в различных отраслях про- мьгаитениости.

Целью изобретения являются повьппе- ние точности и чувствительности эл липсометрических измерений и упрощение обработки данных.

На фиг, 1 изображен эллипсометр; на фиг. 2 - вид по стрелке А; на фиг 3 - вид по стрелке Б.

Спектральный эллипсометр содержит двойной призменный монохроматор 1, зеркальную систему 2 формирования слабосходящегося пучка излучения (уго сходимости пучка 0,5), диафрагму 3 с двумя отверстиями, делящую пучок излучения на верхний и нижний пучки с заданной формой сечения, обтюратор 4. Зеркала 5, 6, расположенные под углом Д5 к падающему на них излучению, и две отражающие пластины 7, 8- из кремния, установленные под углом 75 к падающему на них излучению (близким к углу Брюстера), составляют поляризатор отражательного типа эффективно работающих в спектральной области 0,5-10,6 мкм. Зеркала 9, 10 и пластины 11, 12 из кремния расположены аналогично соответствующим зеркалам и пластинам в поляризаторе 13 служат для поляризации нижнего пучка излучения. За образцом 14 расположены анализатор 15, аналогичный поля- pHsatopy 13, фокусирующая система 16 фотоприемники 17, связанные с системой 18 регисТ|рации излучения и обработки данных,

Эллипсометр работает следующим образом.

I

Слабосходящийся монохроматический пучок излучения делится диафрагмой 3 с двумя отверстиями 19 и 20 на верхний В и нижний Г пучки.

Пучки В и Г проходят одинаковые оптические пути при отражениях от зеркал 5, 6 и пластин 7, 8 и зеркал 9, 10 и пластин 11, 12 соответственно. . Конструкция обеспечивает возможность изменения азимутов линейной поляриза ции пучков В и Г, После отражения от исследуемого участка образца пучки В и Г проходят анализатор 15, фокусирующую систему 16 и регистрируются фотоприемниками 17, связанными с темой регистрации и обработки данных

2

18. Обтюратор 4 прерывает пучки В и Г с частотой 340 Гц.

Зависимость интенсивности сигнала на фотоприемнике от азимута анализатора А описывается формулой

I«Ip(sin Psin2A R| IP + 0,5sin2P-sin2AWpRsCosA) ,(1)

где

I P. A R

P

sинтенсивность излучения, падающего на образец; азимуты поляризатора и анализатора соответственно; коэффициенты отражения по интенсивности излучения, /Поляризованного в плоскости падения и перпендикулярно ей, соответственно.

tg v

Ж IRS

у,/ц - эллипсометрические параметрыI

Один Из вариантов эллипсометриче с- ких измерений следующий.

При калибровке эллипсометра с помощью анализатора в положении на пррсвет (без образца) устанавливают

азимуты пучков В и Г. Нужное из соображений повышения чувствительности измерений соотношение интенсивностей а пучков В и Г устанавливается либо ослаблением одного из пучков, либо изменением азимута дополнительного поляризатора перед диафрагмой. При этом а точно определяется по азимуту анализатрра, при котором интенсивности прерываемых обтюратором пучков В и Г на фото1фиемнике равны. Устанавливая обрйзец под углом Lf к падающему излучению и поворачивая плечо анализатора с фотоприемниками на угол 2t, регистрируют величины сигналов на фотоприемнике I., соответствующие моментам, когда открыты пучки В и Г, Изменяя азимут анализатора, определя

ют азимуты А и А, соответствующие равенству I, и 1. Используя условие

;-;() 1, 1 и формулу (1), легко получить простые вьфажения, связывающие А и AI с эллипсометрическими параметрами V и д .

В другом варианте измерений на

gg спектральном эллипсокетре система 2, формирования пучка излучения перестраивается так, что пучки В и Г строг коллимированы. Тогда они падают на различные участки образца и вариант

л

измерений можно назвать двухлучевмм. При этом обтюратор может последоиа- тельно прерывать пучки либо при при- .менении двух фотоприемников, включен- ных по балансовой схеме, когда пучки В и Г падают на отдельные фотоприемники, может быть выведен из пучка. В первом случае оба пучка сводятся

71

ллг ломом г пектр.итыи м -. 1липсом(тре , позполяют гктпыгить тпошснир rtirn;ui/ /шум, и, следОватрльрто, точиост - и чу0- ствите-пьногть эл-мипсомртричгских измерений по сравнению с нотодльо) : ппип- сометрии с пращающимсч по.чпризатором или анализатором, в ко1 орых отношение времени измерений (выборок) при дие

Изобретение относится к поляризационной оптике и может использоваться в эллипсометрии. Цель изобретения - повышение точности и чувствительности эллипсометрических измерений и упрощение обработки данных. Спектральный эллипсометр содержит мо- нохроматор 1, на выходе которого помещена система формирования слабосходящегося пучка излучения 2. Диафрагма 3 делиз этот пучок на два пучка, которые поочередно перекрываются с помощью обтюратора 4 . На пути одного из пучков расположен отражательный поляризатор, образованный зеркалами 5 и 6 и полупроводниковыми пластинами 7 nS. Аналогично выполнены поляризатор, установленный на пути второго пучка, и анализатор 15. Поляризаторы установлены с возможностью вращения вокруг направления падающего на них излучения. После анализатора 15 установлены фоку- с сирующая система 16, фотоприемники 17 и система обработки данных 18. 3 ил. (Л

на один фотоприемник, и измерения ана-|о кретных положениях азимут ч анализа- логичны описанным. При измерениях без обтюратора азимуты анализатора, соответствующие равенству интенсивностей пучков, падающих на различные фотопритора к интервалам между выборками ма ло ,

В используемых способах определяю J5 ся непосредственно А, и А по просты формулам, следующим из (1),у и л. Сл довательно, алгоритм измерений замет но проще, чем ялгоритм обработки методом Фурье анализа. Целью эллипсоме рических измерений является определе ние параметров исследуемых образцов, поэтому можно без промежуточных операций определения и л определять эт параметры по А, и А 5. Измерения с бы 25 стрым переключением пучков позволяет исключить и нестабильность источников излучения.

емники, определяются точно из-за существенного подавления шумов.

В конструкции спектрального эллип- сометра не используются дисперсионные светоделительные элементы, и рсе элементы отражательные. Деление пучка на верхний и нижний пучки диафрагмой, их последовательное переключение с 1астотой 340 Гц и формирование двух линейно поляризованньгх пучков с азимутами Р и Р позволяет повысить точность и чувствительность эллипсо- метрических измерений и существенно упростить приемно-регистрирующую систему и алгоритм обработки данных,

Так как для определения А и Л требуется только наблюдение равенства двух интенсивных сигналов, а не их фотометрирование, снимаются жесткие требования к линейности и стбилизации дрейфа приемно-регистрирую- щей системы и, следовательно, попытается точность и стабильность эллипсо- метрических измерений и упрощается приемно-регистрирующая система. Разность сигналов I и Ij изменяется с азимутом анализатора вблизи положений баланса At и А быстрее, чем сигналы I , и It, следовательно, чув- ствительность измерений вьппе, чем в эллипсометрии с вращающимся анализатором.

Отсутствие быстро вращающихся ип- тических элементов и возможность строгого учета ошибок, связанных с не-иде- альностью поляризатора и анализатора, при двух фиксированных азимутах поляризации Р. и Р„ , исключение оишПок из-за девиации пучка при вращении поляризатора и поляризационной чувствительности фотоприемннка также позволяет увеличить точность и чу1:тии- тельность зллипсометрических ний. Измерения с переключемж м ачи- мутов Р, и Р, реализовялш.кз на riprj;кретных положениях азимут ч анализа- тора к интервалам между выборками мало ,

В используемых способах определяют- ся непосредственно А, и А по простым формулам, следующим из (1),у и л. Следовательно, алгоритм измерений заметно проще, чем ялгоритм обработки методом Фурье анализа. Целью эллипсомет рических измерений является определение параметров исследуемых образцов, поэтому можно без промежуточных операций определения и л определять эти параметры по А, и А 5. Измерения с бы- стрым переключением пучков позволяет исключить и нестабильность источников излучения.

0

5

0

5

0

5

Формула изобретения

Спектральный эллипсометр, содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси монохроматор, систему формирования слабо сходящегося пучка излучения и поляризатор, а также анализатор, фотоприемник и систему регистрации и обработки данных, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности эллипсометрических измерений и упрощения обработки данных, он дополнительно содержит последовательно установленные по ходу пучка излучения после системы формирования слабо сходящегося пучка излучения диафрагму с двумя отверстияьп и обтюратор, а также второй поляризатор, каждый из поляризаторов оптически связан с соответствующим отверстием в диафрагме и установлен с возможностью вращения вокруг направления падающего на поляризатор излучения, причем каждый Из поляризаторов выпотнен в виде последовательно ycTaFion.noiriiux и оптически связанных двух парллпрльных зеркал с металлическим покр.пп(;-м и днух отражающих пластин ntuiyiii ir i A- никовогЬ материала, устанопл .мпи.ьх под углом Брюстера к падавшему ичлучонию.

Ф1/г.2