Радиоволновый эллипсометр Советский патент 1993 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении параметров покрытий, в частности, для определения толщины тонких металлических пленок на диэлектрических подложках и непроводящих покрытий на металлах.

Цель изобретения - повышение точности и скорости измерений.

На чертеже представлена структурная электрическая схема радиоволнового эл- липсометра.

Радиоволновой эллипизметр содержит СВЧ-генератор 1, волноводно-лучевые переходы 2, поляризатор 3, держатель образца 4, делитель с калиброванными параметрами 5, поляризационный делитель 6, анализатор поляризации 7, СВЧ-детекторы 8, измеритель отношений 9, вычислительное устройство 10, индикатор 11. Аттенюаторы в каналах падающей и отраженной волны могут быть установлены в различных участках в зависимости от их конструкции и на схеме не указаны.

Радиоволновой эллилсометр работает следующим образом.

00

со

о VI ю

Сверхвысокочастотные электромагнитные колебания.генерируемые генератором 1, формируются в квазиоптический пучок волноводно-лучевым переходом 2, После прохождения поляризатора, пучок падает под углом на контролируемый образец 4. Отраженный пучок делится на два канала делителем с калиброванными параметрами 5. Одна часть отраженного пучка разделяется на два взаимно ортогональные компоненты поляризационным делителем 6. Другая пропускается через анализатор-поляризации 7, ось пропускания которого установлена под углом, например, 45° к оси пропускания поляризационного делителя. Выделенные поляризационным делителем 6 и анализатором 7 линейно поляризованные компоненты проходят через соответствующие волноводно-лучевые переходы 2, детектируются СВЧ-детекторами 8 и в виде электрических сигналов подаются на измеритель отношений 9. На выходе измерителя отношений 9 сигналы, пропорциональные величинам отношений и - сигналы с первого, второго и третьего СВЧ-детекторов , поступают на входы вычислителя (ВУ) 10. Предварительно в память В У введены параметры калиброванного делителя, т.е. известны поляризационные искажения, вносимые делителем в оба выходящих пучка для произвольной поляризации отраженной волны.

Вычислитель на основании измеренных отношений трех линейно поляризованных компонент отраженной волны с учетом поляризационных искажений, вносимых калиброванным делителем 5, восстанавливает изображение эллипса поляризации отраженной волны. Результат регистрируется индикатором 11.

Алгоритм вычислений построен следующим образом.

На выходе измерителя отношений 9 получаем сигналы, пропорциональные величинам отношений Ua/Ur и Ua/Ui, где th, Uz, Ua - соответствуют трем линейно поляризованным компонентам, причем Ui и 1)2 - взаимно ортогональные, а 1)з составляет угол а с Ui (угол между осью пропускания анализатора и осью пропускания поляризационного делителя).

Если начало прямоугольных координат перенесено в центр поляризационного эллипса, то уравнение эллипса имеет вид

+ 2ai2 ху + ааа у2 + азз 0.(1)

Так как при эллипсометрических измерениях определяются относительные величины - зллипсометрические параметры, характеризующие изменение формы и ориентации поляризационного эллипса, то можем записать уравнение эллипса в виде

х2 + 2ai2 х у + 322. у2 + азз 0. (2)

Уравнение (2) получено из (1) путем деления правой и левой части на коэффициент

аи. Измеряемые эллипсометрические параметры из уравнения (2) определяются следующими соотношениями: а и b - полуоси эллипса равны:

инварианты уравнения эллипса (2).

aVi ai2 sin 2 ip + ( 1 - Э22 cos 2 р +

+ 2(1+922) а212 312 S|n 2 р -v (1 а22). cos 2 р +

+ 2(1+322) где угол р равен

) ,

(5)

(6)

40 Отношение полуосей (эллипсометриче- ский параметр) равно

45

а aVi

(7)

где 322, аи определяются согласно (5).

Другой эллипсометрический параметр - угол ориентации эллипса относительно вы- бранной системы координат определяется значением угла р.

Таким образом, задача определения эллипсометрических параметров сводится к нахождению коэффициентов ai2, 322. азз.

При прохождении волной делителя с калиброванными параметрами эллипс деформируется, т,е. изменяются коэффициенты аг2, 322, азз.

Величина этих изменений определяет- Ьза Mai «12 + Мааад + Маэаза M2iau+ ся матрицей преобразования. Для прошед- + М22322 шей волныР

Си - М.ц 811 + Mi2razi + Мп аз - Мц + I b I I М 11 a I,(8) 5 +Mi2 ai2

где I a I - матрица коэффициентов исходно- Ci2 Mn aia + Mi2 «22 + Mia aaz го эллипса;-Мц1 ai2 + Wi2 822

I b I- матрица коэффициентов прошедшей волны;to С22 M2i ai2 + Маа ааз + Мзз аза Mzi ai2 +

I M I- матрица известных коэффициен- -Н022 аг2 тов преобразования.

Для отраженной волныСзз Мз.1 в1з. + Мз2 агз + Мзз азз Мзз азз.

.-(11)

1C 1 I М1 I а I ,(9) 15 Окончательно для нахождения кеиэвестных коэффициентов 812, 822, азз получаем

где I С I - матрица коэффициентов поляри- систему из трех уравнений зационного эллипса отраженной волны;

I M l - матрица известных коэффициен- Мц + M.t2 а« + Мззазз б тов преобразования.20

Если совместить ось X прямоугольной К212Мгт 12 + К212 Мвгв22 -ИЙзз азз О системы координат с осью пропускания поляризационного делителя и ввести обсзна- к§1 . eos2й( w,Ч- |уЦ2 ) + 2 Й1 х чения.

25

у Узх sfn а cos а(Mb a« + М 22 ) +

,

Н-К§1 CZ ( Mil 812 + М22 822 ) +

-сигналы на выходе измерителя отношений 9, то математически задача сводится к 30+ j азз о(12) нахождению эллипса поляризации по известным координатам трех точек, принад- Получив коэффициенты ai2. а22, азз по лежащих исходному эллипсу с учетомформулам). (6), (7). находимэялипсомвтри- матриц преобразования. Координаты точекческие параметры равны: 35

-точка 1 0)Формула изобретения

-точка 2 (О, К21)Радиоволновый эллипсометр, содержа-точка 3 (K31COS а , Ksisln a ).щ Пос/издовательно соединенные СВЧ-ге- а- угол между осью пропускания ана-нератор, первый волноводно-лучевой

лизатора поляризации и осью пропускания 40 nepexOAi поляризатор и держатель образца, поляризационного делителя. Для вышепе- последовательно соединенные поляризаци- речисленных трех точек имеем 3 уравнения онный делитель, второй волноводно-лучевой переход, первый СВЧ-детектор и

bii + Ьзз-ОАК измеритель отношений, а также последова2тельно соединенные третий волноводно-луК21 Ь22 + Ьзз 0-че&ой переход и второй СВЧ-детектор,

включенные между вторым выходом поля- Си cos2 а + 2 Cia К§1 sin а cos а + ризационного делителя и вторым входом из. мерителя отношений, и индикатор, о т л и ч а+ С22 K§i sin2 а + ,ющийея тем, что, с целью повышения

точности и сокращения времени измерений,

где коэффициенты bij и Сц (I. J - 1. 2, 3) «едены делитель с калиброванными переопределяются на основании (8), (9).метрами, включенной между держателем

образца и поляризационным делителем, поЬц Miian + М12Э2, + М13аз1 - Mtt + следовательно соединенные анализатор по- + ai9ллризации, четвертый волноводно-лучевей

переход и третей СВЧ-детектор, включенЬзз - М31Э13 + М32Э23 + МязаззНЪ1 между вторым Делителя с калиброввнными параметрами и третьим

входом измерителя отношений, который выполнен трехканальным, а также вычислитель параметров эллипса поляризации отраженной волны, включенный между выходами измерителя отношений и входом индикатора, при этом ось пропускания анализатора поляризации ориентирована под углом к оси пропускания поляризационного делителя,

Использование: измерение толщины покрытий. Сущность изобретения: радиоволн, эллипсометр, содержит последовательно соединенные СВЧ-генератор, первый волноводно-лучевой переход (ВЛП), поляризатор и держатель образца, поляризационный делитель, второй ВЛП, СВЧ-де- тектор, измеритель отношений, индикатор, последовательно соединенные третий ВЛП, связанный со вторым выходом поляризационного делителя, второй СВЧ-детектор, соединенные с вторым входом измерителя отношений, первый аттенюатор в канале падающей волны и второй аттенюатор в канале отраженной волны. Дополнительно введены делитель с калиброванными параметрами, включенный между держателем образца и поляризационным делителем, вычислитель, включенный между измерителем отношений и индикатором, последовательно соединенные анализатор поляризации, связанный с вторым выходом делителя с калиброванными параметрами, четвертый ВЛП, третий СВЧ-детектор, соединенные с третьим входом измерителя отношений, причем ось пропускания анализатора поляризации устанавливается под определенным, например, 45°, углом к оси пропускания поляризационного делителя, измеритель отношений выполнен трехка- нальным, а параметры калиброванного делителя введены в память вычислителя и учитываются при восстановлении изображения поляризационного эллипса СВЧ-вол- ны. 1 ил. у te