Эллипсометр Советский патент 1991 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к оптическим поляризационным приборам и может использоваться дпя экспрессного неразру- шающего определения физических параметров (толщины слоев спектров показателя преломления и поглощения двулучепреломления, концентрации рас юов и т д.) твердых и жидких материалгг личных областях науки и техники

Известна поляризацис - . :ческая установка в которой последов, ьно по ходу луча расположены источник коллимирешенного монохроматического излучения, элемент разделения поляризованныхлучей, содержащий тонкую светоделительную пластину (СП) с полупрозрачным покрытием и алюминированное зеркало, расположенные под углом 45° к падающему на них излучению, два поляризатора с ортогональными азимутами направления поляризации, установленные в двух пространственно разделенных параллельных лучах, модулятор и элемент объединения поляризованных лучей в один, содержащий алюми- нированнов зеркало и СП, столик для крепления образца и ФЭУ с регистрирующей системой. Диск модулятора прерывает пространственно разделенные лучи, поляризованные в плоскости падения излучения на образец и перпендикулярно ей, на различных частотах, Сигнал с ФЭУ поступает на селективные усилители, настроенные на эти частоты, на выходе которых регистрируется отношение сигналов, определяющее эллипсометрический параметр

тр (tg if) , где Ври Rs - модули коэффициентов отражения по интенсивности излучения, поляризованного в плоскости падения излучения на образец и перпендикулярно ей соответственно.

К недостаткам этой установки относятся возможность определения только одного эллипсометрического параметра ty, низкое отношение сигнал/шум, обусловленное большими потерями в элементах разделения и обьединения лучей, так как коэффициенты отражения и пропускания полупрозрачных СП составляют 30%, а общее пропускание пучков с ортогональными поляризациями меньше 9%. Остаточное двулуче- преломление в материале СП и интерференция многократно отраженных лучей в тонкой СП приводят к температурным изменениям степени поляризации лучей и нестабильности, что понижает точность измерения гр.

В эллипсометре после источника монохроматического излучения по ходу луча расположены система формирования слабо сходящегося или коллимированного пучка излучения, диафрагма с двумя отверстиями, обтюратор, два пояяризатора, каждый из которых оптически связан с соответствующим отверстием в диафрагме установлен с возможностью вращения вокруг направления падающего на них излучения, анализатор, и приемно-регистрирующая система. Каждый из поляризаторов выполнен в виде последовательно установленных и оптически связанных двух параллельных зеркал с металлическим покрытием и двух отражательных пластин из полупроводникового материала, установленных под углом Брюстера к падающему излучению. Деление пучков на верхний и нижний пучки диафрагмой, их последовательное прерывание и формирование двух линейно поляризованных лучей с различными азимутами поляризации с последующей регистрацией азимутов анализатора AI и Аг, при которых наблюдается равенство сигналов на фото- приемнике, соответствующих переключаемым лучам, обеспечивают точность

определения эллипсометрических параметров иА по воспроизводимости 0,05-0,1° в спектральном диапазоне длин волн от 0,5 до 2,5 мкм.

К недостаткам эллипсометра относится

уменьшение отношения сигнал/шум из-за потерь излучения при диафрагмировании и при отражении от полупроводниковых пластин. Недостаточно высокая степень поляризации в видимой ближней ИК-области

спектра приводит к уменьшению абсолютной точности измерений эллипсометрических параметров ip и Д . Эллипсометр не перекрывает важную область спектра от 0,25 до 0,5 мкм.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является эллипсометр, содержащий источник монохроматического излучения, расположенные последовательно по ходу

пучка элемента разделения поляризованных пучков, модулятор, элемент объединения пучков и анализатор, установленные с возможностью вращения, и приемно-реги- стрирующую систему. Элементы разделения и объединения лучей содержат светоделительные пластины из BaF2 и полированные пластины из легированного кремния, расположенные параллельно друг другу под углом Брюстера к падающему излучению.

Наиболее точный вариант измерений на эллипсометре-измерения с дискретной (бинарной) модуляцией состояния поляризации, когда последовательно переключают

два пучка с различными азимутами линейной поляризации и регистрируют азимуты анализатора Ai и А2, при которых наблюдается равенство сигналов на фотоприемнике, соответствующих переключаемым пучкам.

По значениям AI и А2 определяются эллип- сометрические параметры 1рн Д . Точность определения р и Д по воспроизводимости при измерениях с дискретной (бинарной) модуляцией состояния поляризации достигает ±0,03° и ±0,05° соответственно. Основной недостаток эллипсометра - большие потери интенсивности, приводящие к снижению точности измерений и отношения сигнал/шум. Вычисления отражения поляризованного излучения при наклонном падении по формулам Френеля показывают, что интенсивность пучка м, поляризованного перпендикулярно плоскости чертежа, уменьшается на 60% при отражении от каждой из прозрачных пластин из 8aF2, и на 30% при отражении от кремниегих пластин. Интенсивность пучка А после четырех отражений составляет 8% от интенсивности перпендикулярной компоненты пучка, падающего на первую саетоделительную пластину, Потери интенсивности пучка Б после прохождения через светоделительные пластины составляют около 40% для компоненты, поляризованной в плоскости чертежа, и около 85% для компоненты, поляризованной перпендикулярно плоскости чертежа. Отношение интенсивностей компонент, а, следовательно, и азимут линейной поляризации пучка Б, определяются значением показателя преломления прозрачных пластин, которое изменяется с изменением длины волны излучения и температуры. Изменения азимута линейной поляризации с колебаниями температуры приводит к уменьшению точности измерений и отношения сигнал/шум. Большие потери интенсивности пучка А ( в 12 раз) приводят к уменьшению точности измерений 1р и Аи отношения сигнал/шум, особенно при спектральных эллипсометрических измерениях. Изменение величины отношения интенсивностей пучков А и Б и азимута линейной поляризации пучка Б от длины волны приводит к необходимости сложных калибровок, что также понижает абсолютную точность эллипсометрических спектральных измерений. Степень поляризации пучков Аи Б мала в спектральной области 0,25-0,5 мкм, что также уменьшает точность измерения тр и А . Эффекты деполяризации и остаточного двулучепреломления з прозрачных СП приводят к уменьшению степени линейкой поляризации пучка Б и температурным нестабильностям, что также уменьшает абсолютную точность измерения 1/ и А .

Целью изобретения является повышение точности измерения эллипсометри- .ческих параметров / и А и повышение отношения сигнал/шум.

Поставленная цель достигается тем, что в эллипсометре, содержащем источник монохроматического излучения, расположенные последовательно по ходу пучка элемент

разделений поляризованных пучкоа, модуля-то и элемент объединэния пучков, ус- тано&печные с возможностью одновременного вращения, анализатор и приемно5 регистрирующую систему, элементы разделения и объединения поляризованных пучков объединены в один элемент, выполненный в виде равнобедренной призмы из двулучепреломляющего материала, опти0 ч-зскэя ось которой расположена в плоскости, перпендикулярной направлению распространения первоначального пучка и проходящей через линию пересечет г плоскостей ВХОДНОЙ И ВЫХОДНОЙ би- f,BWX

5 граней призмы параллельно или перпендикулярно основанию призмы, а походу ofu.::- нозекного и необыкновенного пу ;ков, выходящих из призмы под углами ( и ips к первоначальному направлению пучка соот0 ветсгвенно, расположены сферические либо параболические зеркала, установленные симметрично относительно указанной плоскости, при этом модулятор установлен между зеркалами.

5 В предлагаемом зплипсометре, в отличие от известного, для разделения и объеди1 нения поляризованных пучков вместо светоделительных пластин и полированных пластин из легированного кремния мсполь0 зуются призма из двулу«епреломляющего материала и система сферических или параболических зеркал, расположенные указанным выше образом, Благодаря этому в нескопько раз уменьшаются потери излуче5 ния, достигается более высокая степень по- ляризац| |И переключаемых пучков, что в совокупное:; позволяет повысить ;очность измерений и отношение сигнал/шум.

На фиг. 1 приведена общая схема пред0 латаемого эллипсометра; на фиг.2-5 - различные варианты выполнения узла разделения л объединения поляризованных пучков света, Предлагаемый зллипсомеф содержит источник монохроматического, ио5 лучения 1 (фиг.1), систему формирования пучкэ 2, элемент разделения и объединения поляризованных пучков, выполненный в виде равнобедренной призмы 3 из двулучеп- реломляющего материала, зеркала 4,5,

0 установленные на выходе призмы 3 по ходу обыкновенного пучка Б. и G.7, устанорлен- ные на выходе призмы по оду необыкновенного пучка света В, модулятор 8, установленный между зеркалами 4.6 и 5,7,

5 держатель обоазца 9, анализатор 10, установленный с возможностью врлшония вокруг оси отраженного от обр-nna пучка света, и приемно-регистриоуощую иг.тему, содержащую фотоприем ни 1 и блок 12 усиления, обработки и отображения информации. Призма 3 и зеркала 4,5,6,7 установлены с возможностью одновременного вращения вокруг оси первоначального пучка света, Призма 3 может быть выполнена из СаСОз, MgFa, CdS и т.п. в зависимости от длины волны рабочего излучения. Источник монохроматического излучения 1 может быть вы- полнен в виде лампы накаливания м монохроматора либо в виде лазера. Система формирования пучка 2 может быть выполнена из одной или нескольких линз либо зеркал, Оптическая ось призмы 3 расположена в плоскости СС, перпендикулярной направлению распространения первоначального пучка излучения и проходящей через линию пересечения плоскостей входной и выходной боковых граней призмы 3, параллельно или перпендикулярно ее основа- нию. Зеркала 4,5,6 и 7 выполнены сферическими или параболическими и расположены симметрично относительно плоскости СС, являющейся плоскостью симметрии, Зеркала 4,5(фиг.2), установленные по ходу обыкновенного пучка света ориентированы так, что угол между осью этого пучка и нормалью к поверхности данного зеркала (4 или 5) в точке пересечения оси с зеркалом составляет р0С2. , где tpo - угол между первоначальным направлением распространения пучка света м направлением распространения обыкновенного пучка на выходе призмы 3. Зеркала 6,7, установленные по ходу необыкновенного пучка света, ориентированы так, что угол между осью этого пучка и нормалью к поверхности данного зеркала (6 или 7) в точке пересечения оси с зеркалом составляет ре/2, где р&- угол между первоначальным направлением распространения пучка света и направлением распространения необыкновенного пучка света на выходе призмы 3. Углы ра определяются обыкновенным по и необыкновенным пе локазателями преломления материала призмы 3 и углом в при ее вершине из соотношений

л

р0 arcsin no-sin (в )2

sin ту arcsin (-),

В

arcsin ne Sin (в-фе )-Ј,

sin arcsin (-рЈ-).

(2)

В варианте, показанном на фиг.2, зеркала 4,5,6 и 7 установлены на расстояниях FI и F2 от плоскости симметрии СС, равных их фокусным расстояниям. Модулятор 8 выполиен в виде обтюратора, диск которого расположен в плоскости симметрии СС, В диске выполнено две системы отверстий с. расстоянием между центрами отверстий по радиусу диска, равном расстоянию между

осями пучков Аи 8. Для скоростных измерений может быть использована схема, показанная на фиг.З, в которой модулятор 8 выполнен в виде двух электрооптических модуляторов 13 и 14 с установленными перед ними полуволновыми пластинами 15 и 16. Злектрооптические модуляторы эффективно работают при использовании кол- лимированных пучков света. Для формирования их зеркала 4 и 6 устанавливают на

расстояниях от призмы З, равных их фокусным расстояниям. При этом по ходу первоначального пучка света на выходе призмы 3 установлен формирователь 17 пучка. На фиг,4 приведен вариант схемы, обеспечивающий наибольшую точность измерений в широком интервале температур и длин волн. В этом варианте, в отличие от варианта на фиг.З, каждое зеркало 4,5,6,7 установлено относительно плоскости симметрии

СС на расстоянии X, определяемом из выражения

1,1 1 X W F

где X - расстояние от призмы 3 до данного зеркала;

F - фокусное расстояние данного зеркала.

Модулятор 8 может быть выполнен а

виде обтюратора. При работе с шир.око- апертурными пучками, с призмой 3, имеющей малый угол в , и с длиннофокусными зеркалами удобно использовать схему, показанную на фиг.5, В отличие от схемы 5, показанной на фиг.2, она содержит два сферических или параболических зеркала 18 и 19, установленных на расстояниях от призмы 3, равных их фокусным расстояниям, при

этом зеркала ориентированы так, что углы между осями обыкновенного, и необыкновенного пучков и нормалями к поверхности зеркала в точках пересечения осей этих пучков с зеркалами составляют соответственно

р0/2 И (ре/2 .

Предлагаемый эллипсометр был изготовлен в модификациях по фиг. 1,2 и 5 и опробован в лабораторных условиях. При этом в качестве источника излучения использовались лампа накаливания КГМ 70x9 и монохроматор ДМР-4 или.Не-Ne лазер ЛГ-79. Призма 3 была изготовлена из кальцита, а угол в варьировался в различных вариантах от 10 до 20°. В качестве фотопри- емника 11 использовались ФЭУ 100, кремниевый фотодиод ФД-256 и фотосопротивление из PbS. Рабочий диапазон волн эллипсометра 0,25-2,5 мкм.

Эллипсометр работает следующим об- разом.

Монохроматическое излучение от источника 1 поступает на систему формирования пучка 2 (фиг.1), Сформированный пучок излучения разделяется призмой 3 на обык- новенный и необыкновенный пучки, которые зеркалами 4 и 6 направляются параллельно первоначальному пучку в противоположную сторону. Зеркалами 5 и 7 обыкновенный Б и необыкновенный В пучки направляются на призму 3 и совмещаются в один пучок. Модулятор 8 последовательно прерывает пучки Б и В, обеспечивая на выходе призмы 3 переключение пучков с ортогональными азимутами линейной поляри- зации Pi и Ра, направляемых на исследуемый образец. Отраженное от образца излучение проходит через анализатор 10 с азимутом оси пропускания А на фотоприемник 11. Сигнал фотоприемника усиливается, обрабатывается и отображается в блоке 12, В вариантах, показанных на фиг.2,4 и 5 зеркала фокусируют обыкновенный и необыкновенный пучки в плоскости симметрии СС, что позволяет существенно увеличить число отверстий в обтюраторе, расположенном в этой же плоскости, увеличить частоту модуляции излучения f, а, следовательно уменьшить шум типа 1/f и увеличить отношение сигнал/шум. Отметим, что сферические (ли- бо параболические) зеркала осуществляют инверсию пучков излучения, проходящих через призму 3 первый и второй раз. Таким образом, осуществляется идентичность оптического пути при двух прохождениях в призме по всему сечению пучка. В варианте узла для разделения и объединения поляризованных пучков излучения, приведенном на фиг.2, система 2 формирует коллимиро- ванный пучок излучения, который поступает на призму 3, где разделяется на обыкновенный и необыкновенный пучки. Зеркала 4 и 6 фокусируют эти пучки в плоскости СС. Зер- .калами 5 и 7 формируются коллимирован- ные пучки и направляются на призму 3, совмещающую эти пучки.

В варианте, показанном на фиг.З, исходный пучок фокусируется системой 2 на призму 3, разделяется на обыкновенный и необыкновенный пучки, которые коллимируются зеркалами 4 и 6. Полуволновые устройства 15 и 16 поворачивают плоскость поляризации пучков Б и В на 90°, В отсутствие напряжения на электрооптических модуляторах 13 и 14 поворот на 90° приводит к гашению пучков на выходе призмы 3 в направлении первоначального пучка. При подаче импульсов электрического поля на электрооптические модулятора 13 и 14 на выходе призмы формируются импульсы излучения с ортогональными азимутами линейной поляризации Pi и Рз, задаваемыми азимутом блока призмы, жестко связанной с зеркалами, модуляторами и полуво новыми устройствами.

На фиг.4 представлен вариант, когда пучок излучения фокусируют на призму 3. а зеркала 4 и 6 образуют изображения точки фокусировки в плоскости СС. Зеркала 5,6 направляют пучки на призму 3 в точку фокусировки, формирователь 17 пучка формируетколлимированный либо сходящийся пучок излучения. Особенностью схемы является постоянство положения точек фокусировки в плоскости симметрии СС при изменении длины волнь 1 излучения Я и температуры Т, что повышает точность и отношение сигнал/шум в широком интервале изменения Я и Т.

В варианте узла разделения и сведения поляризованных пучков, показанном на фиг.5, используют два зеркала для упрощения конструкции и реализации измерений с широкими пучками излучения для повышения отношения сигнал/шум. Коллимирован- ные пучки излучения расщепляются призмой 3 на обыкновенный и необыкновенный пучки, зеркалом 16 направляются параллельно первоначальному пучку в противоположном направлении, прерываются обтюратором 8 и зеркалом 19 коллимируются и направляются на призму 3, совмещающую

ПУЧКИ. При 6 10 И ( ( е ) 1° ПуЧКИ

после второго прохождения призмы 3 совмещаются сточностью до 0,01° и практически идентичны.

Измерения эллипсометрических параметров 1/ И Д выполняются следующим образом. При калибровке эллипсометра в положение на просвет (без образца) с помощью изменения азимута анализатора 10 определяется отношение а итенсивностей переключаемых пучков с установленными значениями азимутов линейной поляризации (например, PI - 30П Р2 120°) по формуле

a cos2(P2 Aoj

cos ( Л,, Pi )

где АО - азимут анализатора, соответствующий равенству сигналов на фотоприемнике, индуцированных переключаемыми пучками. После калибровки устанавливают образец под углом р к падающему излучению, а блок анализатор - фотоприемники поворачивают на угол 2 р. Изменяют азимут анализатора 10 и определяют значения азимута анализатора AI и Аа, при которых наблюдается равенство сигналов на фотоприемнике, соответствующих переключаемым пучкам с азимутами Pi и Ра. Эллипсометрические параметры и Д определяются по формулам

/(a sin 2 Pi - sin 2 P2 ) tg Ai tg Аа J(a cos2 Pi -cos2 Pa)

(3)

д (a sin2 Pi -sin2 Pa) QgAl + |gA2) COStg (sin a Pa-a sin a Pi )

(4)

Исследование точности и чувствительности измерения Ai, Аа, V и с помощью соотношений (3) и (4) позволяет выбрать оптимальные значения а, Рч и Ра для исследования данных образцов. Оптимальные значения а можно установить с помощью изменения азимута дополнительного поляризатора, устанавливаемого после системы формирования пучка 2, При спектральных эллипсо- метрических измерениях использование дополнительного поляризатора не обяза- тельно, Приведем сравнение точности и величины отношения сигнал/шум, полученных при измерениях на известном эллипсометре и лабораторных макетах спектрального и лазерного эллипсометров, соответствующих данному изобретению. В измерениях на известном эллипсометре (прототип) погрешности определения воспроизводимости ±0,03° и ±0,05° соответственно, а абсолютная точ- ность измерения иЛ ±0,1°. На предлагаемом зллипсометре точность измерения по воспроизводимости ±0,003° и ±0,006° соответственно, а абсолютная точность измерения ф и Д- Д0± 0,05° , Отношение сигнал/шум повышается в 5-7 раз по сравнению с прототипом вследствие значительного снижения потерь интенсивности излучения в элементах разделения и объединения поляризованных пучков, исключения температурной нестабильности из-за остаточного двулучепре- ломления в светоделительных пластинах, а также увеличения апертур рабочих пучков.

5 0

5

0

5 0 5 0 5 0 55

Формула изобретения

1.Эллипсометр, содержащий источник монохроматического излучения, расположенные последовательно на оптической оси систему формирования излучения, элемент разделения излучения на обыкновенный и необыкновенный пучки, модулятор и элемент объединения пучков, установленные с возможностью одновременного вращения, анализатор и приемно-регистрирующую систему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и увеличение отношения сигнал/шум, элементы разделения и объединения пучков объединены в один элемент, выполненный в виде равнобедренной призмы из двулучепреломляю- щего материапа, оптическая ось которой расположена в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения и проходящей через линию пересечения плоскостей входной и выходной боковых граней призмы, на выходе призмы по ходу обыкновенного и необыкновенного пучков симметрично относительно указанной плоскости установлены сферические или параболические зеркала, при этом модулятор расположен между зеркалами.

2.Эллипсометр по п.1.отличают, и- й с я тем, что по ходу обыкновенного и необыкновенного пучков установлено, соответственно, по два зеркала, ориентированные так, что угол между осью каждого и нормалью к поверхности зеркала в точке пересечения оси пучка с зеркалом составляет р0/2 для обыкновенного и ре/2 для необыкновенного пучков, где р0 и ре - углы между первоначальным распространением излучения и соответственно обыкновенным и необыкновенном пучками на выходе призмы.

3.Эллипсометр по п.2, отличающийся тем, что зеркала установлены на фокусных расстояниях отуказанной тоскости симметрии.

4.Эллипсометр по п.2, отличающийся тем, что зеркала установлены на фокусных расстояниях от призмы.

5.Эллипсометр по п. 1,отличают и- й с я тем, что каждое зеркало установлено относительно плоскости симметрии на расстоянии X, определяемом из выражения

1,1 1v

тт + /т - г - где X - расстояние or призмы

до соответствующего зеркала, F - его фокусное расстояние

6 Эллипсометр по п. 1, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что по ходу обыкновенною и необыкновенного пучков установлено по

одному зеркалу симметрично плоскости симметрии на расстояниях от призмы, равных фокусным расстояниям зеркал, при этом зеркала установлены так, что углы между осями обыкновенного и необыкновенного пучков , и нормалями к поверхности зеркал в точках пересечения осей пучков с зеркалами составляют соответственно и ре/2

Изобретение относится к оптическим поляризационным приборам и может использоваться для экспрессною неразрушающего определения физических параметров (толщины пленок, их степени пористости, спектоов показателя преломления и поглощения, двулучепреломления, шероховатости и качества обработки поверхностей, химического состава, концентрации растворов и т.д) твердых и жидких материалов в различных областях науки и техники Эллип- сометр содержит источник монохроматического излучения 1, расположенные последовательно по ходу пучка систему формирования пучка 2, элемент разделения пучков, модулятор и элемент объединения пучков, установленные с возможностью одновременно вращения держатель образца9анализатор10и приамно-регистрирующую систему, содержащую фоюприемник 11 и блок усиления, обработки и отображения информации 12 Для повышения точности измерений и увеличения отношения сигнал/шум, элементы разделения и объединения поляризованных пучков Б предложенном эллипсометре обь- единачы в один элемент, выполненный е виде равнобедренной призмы 3 из двулу- чепреломляющсго материала ось которой расположена в , перпечдикупяр- ной направлению распространения первоначального и проходящей через лингю перэсе-«ения плоскостей входной и ви одной боковых граней призмы idpar лелььо или перпендикуляоно основанию призмы, а на выходе призмы по ходу обык- ИОВРННОГО и необыкновенного пучков симметрично относительно указанной плоскости уст ановлены сферические или па- рабспические зеркала 4-7 при этом модулятор 8 установлен между зеркалами В эллипсометре реализуются малые потери излечения, высокая степень поляризации переключаемых пучков широкий спект- ральнкй диапазон 5 з п ф-лы, 5 ил (Л С ел

9

Фиг.З

7

5

4

/7

%

C

Фиг Л

Vo/2

c Фиг. 5