Дифференциальный оптический сканирующий микроскоп Советский патент 1992 года по МПК G02B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам, позволяющим измерять рельеф отражающей поверхности или неоднородности показателя преломления прозрачных сред вместе с вариациями коэффициента отражения или соответственно пропускания, и может быть использовано для контроля качества обработки поверхности, однородности тонких пленок, параметров поверхностных микроструктур преимущественно в области микроэлектроники, интегральной оптики, полупроводниковой технологии.

Известен дифференциальный оптический сканирующий микроскоп, состоящий из лазера, двух делителей оптического излучения, акустооптического модулятора, дефлектора, фокусирующей линзы, трех фотодиодов, электронной системы регистрации и устройства сканирования исследуемого объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является сканирующий дифференциальный фазовый

оптический микроскоп, содержащий последовательно установленные лазер и делитель излучения, объектный канал, включающий дефлектор, расположенный по ходу прошедшего через делитель излучения, фокусирущую линзу и блок, предназначенный для сканирования исследуемого объекта в плоскости, перпендикулярной оптической оси излучения, опорный канал, включающий акустооптический модулятор, расположенный по ходу отклонения делителем излучения, и зеркало, расположенное перпендикулярно оптической оси излучения, фотодиод, оптически связанный с изме- рительным и опорным каналами посредством делителя излучения, и электронную систему регистрации, электрически связанную с фотодиодом.

Недостатком данного микроскопа является то, что он не позволяет прбизводить раздельное измерение вариаций фазового рельефа и коэффициента отражения исследуемой поверхности, что приводит к неоднозначностиинтерпретации

сл

VJ о

XI СА) СО О

экспериментальных результатов. Практическое приложение данного устройства достаточно узко, так как с его помощью можно надежно измерять только фазовый рельеф однородной по структуре поверхности или изменения коэффициента отражения поверхности, тогда как разнородные профили- рованные поверхности широко используемые, напр.имер, в микроэлектронике, требуюгпроведения независимых амплитудных и фазовых измерений.

Целью изобретения я вляется повышение надежности измерений и расширение области применения устройства.

Поставленная цель достигается тем, что дифференциаьный фазовый оптический сканирующий микроскоп, содержащий последовательно установленные лазер и делитель излучения, обьектный канал в виде дефлектора, расположенный по ходу прошедшего через делитель излучения, фокусирующей линзы и блока сканирования плоскости, перпендикулярной оптической оси излучения, опорный канал в виде зеркала, расположенного по ходу отклоненного делителем излучения, фотодиод, оптически связанный с измерительным и опорным каналами посредством делителя излучения, и электронную систему регистрации, электрически связанную с фотодиодом, снабжен фазовым модулятором, установленным в опорном канале между делителем излучения и зеркалом, и источником постоянного напряжения смещения, связанным с фазовым модулятором.

Новым в дифференциальном оптическом сканирующем микроскопе является то, что он снабжен установленным в опорном канале между делителем излучения и зеркалом фазовым модулятором, электрически связанным с источником постоянного на- .пряжения смещения.

Сущность изобретения заключается в том, что наличие фазового модулятора позволяет не только сдвигать частоту проходящего через него лазерного излучения, но и изменять оптическую длину опорного канала путем подачи постоянного напряжения смещения на модулятор, и, вследствие этого, производить независимую регистрацию фазовых и амплитудных изменений пучка излучения в объектном канале. Это связано с тем, что выбором величины постоянного напряжения смещения на фазовом модуляторе можно добиться того, что компонента сигнала фотодиода на частоте управляющего дефлектором напряжения будет пропорциональна изменению амплитуды пучка при его сканировании дефлектором, а компонента сигнала фотодиода на частоте, равной сумме (или разности) частот на модуляторе и дефлекторе, будет пропорциональная изменению фазы сканирующего пучка. Таким образом, предлагаемое устройство

5 позволяет одновременно и независимо измерять изменение фазы и амплитуды пучка при сканировании его дефлектором по исследуемой поверхности. При этом точность измерений фазы и амплитуды ограничивает10 ся только шумовыми факторами, а разрешение в плоскости объекта определяется размерами пучка в фокусе линзы, т. е. в предлагаемом устройстве отсутствуют конструктивные ограничения на его характери15 стики.

На чертеже изображена принципиальная схема дифференциального оптического сканирующего микроскопа.

Дифференциальный оптический скани0 рующий микроскоп состоит из лазера 1, делителя излучения 2, расположенного по ходу излучения лазера 1, объектного канала, включающего дефлектор 3, расположенный по ходу прошедшего через

5 делитель 2 излучения и управляемый генератором 4, фокусирующую линзу 5 и блок 6, предназначенный для сканирования исследуемого объекта 7 в плоскости, перпендикулярной оптической оси излучения, опорного

0 канала, включающего фазовый модулятор 8, расположенный по ходу отклоненного делителем 2 излучения и управляемый генератором 4 вместе с источником 9 постоянного напряжения, и зеркало 10, расположенное

5 перпендикулярно оптической оси излучения, фотодиода 11, оптически связанного с измерительным и опорным каналами посредством делителя излучения 2, и электронную систему регистрации 12,

0 электрически связанную с фотодиодом 11.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 проходит через делитель оптического излучения 2 и падает на

5 дефлектор 3, который отклоняет это излучение с частотой fi управляющего сигнала генератора 4. Проходящее через дефлектор 3 излучение фокусируется линзой 5 на поверхность исследуемого объекта 7, который мо0 жет перемещаться перпендикулярно оптической оси по двум координатам X и Y блоком б, предназначенным для сканирования исследуемого объекта 7. Часть излучения лазера 1 отражается от делителя

5 оптического излучения 2 и проходит через фазовый модулятор 8, который управляется переменным сигналом генератора 4 на частоте f2 и постоянным напряжением смещения V источника 9. Отраженное зеркало 10 излучение проходит через делитель оптического излучения 2 и вместе с отраженным исследуемой поверхностью объекта 7 излучением, которое отражается делителем оптического излучения 2, падает на фотодиод 11. Электронная система регистрации 12 измеряет амплитуду модуляции тока фотодиода 11 на частотах f i и f 1 ;f2 (или на частоте

Ifi-fci).

Повышение надежности измерений и расширение области применения устройства за счет одновременной регистрации изменения фазы и амплитуды пучка излучения при сканировании его дефлектором по исследуемой поверхности поясняется следующим образом.

Абсолютные величины компонентов сигнала фотодиода на частоте fi и комбинационных частотах, измеряемых микроскопом прототипом, соответственно представляются в виде

(T1)aP{dr r 4-J0 (Ар) cos АДО- J0 (A)sin (1)

I (fi + f2) a P{0,5 r Ji (Ap) + + 0, (Ауз) sin (2)

где Р - мощность излучения лазера; а- коэффициент пропорциональности; д Г И( изменения амплитуды (относительное) и фазы пучка излучения отраженного исследуемой поверхностью, возникающие при сканировании излучения дефлектором по поверхности на частоте fi; амплитуда изменения фазы излучения на частоте iz после прохождения фазового модулятора; Aty9 - постоянная величина разности фаз пучков излучения измерительного и опорного каналов при падении на фотодектектор; Jo и Ji - функция Бесселя нулевого и первого порядка; г - коэффициент отражения исследуемой поверхности,

Расположенный в опорном канале заявляемого микроскопа фазовый модулятор позволяет выбором величины постоянного напряжения смещения на нем изменять величину и добиться того, чтобы выполнялось условие AT/J 0. В этом случае sin At/ О и, как видно из соотношений (1,2), величина компоненты сигнала фотодиода на частоте fi будет пропорциональна дг.

l(fi)(Ap)5r,(3)

а величина компонентов сигнала на комбинационных частотах будет определяться 6 р

I (fi ±fa) 0,5 a Pr Ji (Др)бр. (4) Таким образом, измерение величин этих комопнент позволяет определять одновременно и независимо изменения коэффициента отражения (3) и фазового рельефа (4) исследуемой поверхности, что обеспечивает повышение надежности измерений и

расширяет область применения предлагаемого микроскопа.

Авторами была собрана схема предлагаемого дифференциального оптического

сканирующего микроскопа, Излучение од- ночастотного He-Ne лазера мощностью 0,7 мВт на длине волны 0,633 мкм, проходя через делитель излучения, отклонялось аку- стооптическим дефлектором на стоячей

волне с частотой fi 1104,6 кГц и фокусировалось линзой с фокусным расстоянием 1Q см на исследуемую поверхность, Диаметр пятна излучения в фокусе составлял примерно 50 мкм и амплитуда отклонения излучения дефлектором на поверхности достигала 70 мкм. Отраженное делителем излучение проходило через фазовый электрооптический модулятор, на который подавалось переменнное напряжение

амплитудой 60 В на частоте f2 2 МГц и постоянное напряжение смещения вплоть до 250 В. Излучение, отраженное зеркалом и исследуемой поверхностью, регистрировалось фотодиодом, сигнал которого подавался на анализатор спектра СКА-59. Исследование фазового и амплитудного рельефа поверхности осуществлять путем сканирования исследуемого образца вдоль оси X с шагом 10 мкм при различных положениях его по координате Y. В качестве исследуемых образцов были взяты пластинки кремния, на которые напылялись слои различных металлов толщинами от 20А до 200 А методом высокочастотного ионноплазменного распыления. Эксперименты показали возможность измерения фазового рельефа поверхности с точностью до 1 А и амплитудного рельефа (изменения коэффи-4

циента отражения) вплоть до 10 ,

Формула изобретения Дифференциальный оптический сканирующий микроскбп, содержащий последовательно установленные лазер и делитель

излучения, объектный канал, в виде дефлектора, расположенный по ходу прошедшего через делитель излучения, фокусирующей линзы и блока сканирования плоскости, перпендикулярной оптической оси излучения, опорный канал в виде зеркала, распо- ложенного по ходу отклоненного делителем излучения, фотодиод, оптически связанный с измерительным и опорным каналами посредством делителя излучения, и электронную систему регистрации, электрически связанную с фотодиодом, отличающий- с я тем, что, с целью повышения надежности измерений и расширения области применения, он снабжен фазовым

модулятором, установленным в опорном канале между делителем излучения и зерка- смещения, связанным с фазовым модулятолом и источником постоянного напряжения ром.

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение надежности и расширение области применения. Цель достигается тем, что производят независимую регистрацию фазовых и амплитудных изменений пучка излучения за счет того, что дополнительно к сдвигу частоты излучения еще и меняют оптическую длину опорного канала путем подачи постоянного напряжения смещения на фазовый модулятор. 1 ил.