(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ И ЕГО ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ
1
Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении оптическими методами параметров тонких металлических, полупроводниковых и диэлектрических слоев, оптическая толщина которых меньше длины волны применяемого для измерения излучения.
Известен способ измерения показателя преломления и толщины тонкого слоя путем помещения слоя, нанесенного на поглощающую подложку, поочередно в две иммерсионные среды и измерения в этих средах разности фаз между ортогональными компонентами электрического поля, направленного на слой оптического сколлимированного монохроматического, поляризованного излучения и расчета искомых величин по формулам 1J.
Способ не позволяет измерять показатель поглощения слоя, так как предназначен для определения параметров прозрачных слоев.
Известен также способ измерения показателей преломления и поглощения тонкого слоя и его толщины путем направления на слой, напосенный па поглощающую подложку, оптического сколлимированрюго, монохроматического поляризованного излучения,, измерения изменений в поляризационных характеристиках отраженного излучения и энергетического коэффициента отражения и расчета по формулам искомых величин 2|. Однако способ обладает низкой точнос тью измерения показателя поглощения слоя вследствие однократного взаимодействия анализируемого излучения со слоем.
Наиболее близким по технической сущIQ ности к данному изобпетению является способ измерения показателей преломления и поглощения тонкого слоя и его толщины, нанесенного на прозрачную для анализируемого излучения подложку, путем направления на слой оптического сколлимированного, 15 монохроматического поляризованного излучения, измерения поляризационных характеристик отраженного излучения и энергетического коэффициента пропускания слоя и расчета искомых величин по формулам |3. Однако данный способ также обладает низкой точностью в измерении показателя поглощения тоикого слоя вследствие однократного прохождения луча через исследуемый слой.
ГДельн, изобретения я)ляется повыиижие точноеги измерер1ия показателя поглощения c.iooB, оптическая толщина которых меньше длины волны анализирующего излучения.
Поставленная цель достигается тем, что в способе определения толщины слоя и его показателей преломле П я и поглощения, заключаюнюмся в направлении монохроматического поляризованного излучения на исакдуемый слой, нанесенный на прозрачную подложку, измерения поляризационных няраметров в отраженном слоем и подложкой излучении, а энергетического параметра - в прошедшем слой и подложку излучении и определении искомых параметров по известным соотношениям, выбирают угол Падения луча на слой, его диаметр и толщину плоскопараллельной подложки из соотношения
Wft - Sm()
D
.аи о«1МШШ«,..„ «
sTfTT
где D и п„ - толщина и показатель преломления подложки соответственнее f м 0-диаметр и угол падения луча
соответственно.
Кроме того, на сторону подложки, противоположную стороне с исследуемым слоем, наносят дополнительный отражающий слой, энергетический параметр измеряют в одном из лучей, отраженном дополнительным слоем, а поляризационные параметры в луче, отраженном исследуемым слоем.
На фиг. i и 2 представлены примеры конкретной реализации способа нанесением слоя на плоскопараллельную подложку.
На слой 1, нанесенный на прозрачную плоскопараллельную подложку 2, направляют коллимированное, монохроматическое поляризованное излучение. Если угол падения луча, его диаметр и толщина подложки удовлетворяют соотношению (1), то вследствие многократных отражений в подложке, в отраженном и в прошедшем свете формируется система пространственного разделения лучей. Порядковый номер отраженного структурой слой - подложка луча (т) соответствует четному числу прохож.дений лучом подложки, а прошедшего (гт) - нечетному.
Поляризационные и энергетические параметры в этих лучах более чувствительны к изменению оптических постоянных и слоя и его толщины по сравнению с параметрами лучей с порядковыми номерами 1 и 1, так как эти лучи неоднократно (например для m 2 и т 2 - дважды) прохг дят исследуемый слой, поэтому измерение поляризационных и энергетических параметров лучей с m 1 и m позволяет повысить точность измерения искомых параметров слоя.
Чувствительность параметров оптическрго излучения к изменению оптических постоянных и толщины слоя возрастает с увеличением порядкового номера луча. Однако при ЭТО надает энергия излучения./1ля увеличения энергии излучения в лучах с , что облегчает процесс измерения и повышает точность, на противоположную
исследуемому слою сторону пoдлoжкv наносят .дополнительный отражающий слон 3 (фиг. 2). В этом случае для определения оптических постоянных слоя и его толщины достаточно измерить три какие-либо параметра в одном из отраженных лучей, например поляризационные (азимут линейной поляризациир, разность фаз между ортогонально поляризационными компонентами электрического поля световой волны А) и один из энергетических - коэффициент
отражения R или S комлц.нент поляризованного-излучения (R или RS соответственно) или их отношение. Однако так как возможные объемные оптические неоднородности подложки могут вызвать неучитываемые погрешности в измерении А, то предпочтительнее измерять Н и Д в луче с m 1, так как в его формировании не участвует объем подложки, а энергетический параметр - в одном из лучей с ш , так как для него влияние оптической неоднородности
5 подложки несущественно.
Измеряемое значение (Ryj) m 1 в лучах с связано с энергетическими коэффициентами отражения и пропускания исследуем го и дополнитель| го лоев формулой 0 (Rp,5) (Ыс )f,f,(2)
где TC.- энергетический коэффициент пропускания слоя на полубесконечной подложке при палении излучения на внешнюю границу слоя; TC, и Rj-: энергетические коэффициенты про5 пускания и отражения слоя соответственно, когда излучение падает на внутреннюю границу слоя со стороны подложки;
R - энергетический коэффициент отра.жения границы дополнительный
слой - подложка, когда излучение падает на нее со стороны исследуемого слоя; m 2,3,...
5 Искомые параметры слоя - показатели
преломленияп и поглощения к и его толщина
рассчитываются на измеренных значениях
Ц , Д Rp, RS на основании формулы (2)
и известного уравнения эллипсометрии по
CQ известным соотношениям, связывающим их с п, к я а-.
Так Как показатель поглощения слоя определяется по энергетическому параметру, измеренному в луче с порядковым номером , то точность предлагаемого способа
55 выше известных, в которых показатель поглощения определяется из энергетического параметра при однократном прохождении луча слоя, т, е. луча m I.
Приведем конкретный пример, отображающий погрешности определения по известному н предлагаемому способам.
Пусть Я 0,6328 мкм - длина волны анализируемого излучения; Пп 1,515; d 500А; п 1,7; к 0,7. Относительная погрешность измерения энергетического параметра ( uRp/Rp),i 0,01, Тогда при измерении по известному способу К погрешность АК составит - 0,009, а по предлагаемому, если измерять, например, Rf, АК составит 0,45.
Пример показывает, что точность измерения ДК предлагаемым способом в два раза превышает точность известного. При измерениях в лучах с m 2 точность измерения К может еще больше возрасти.
Дополнительно измеряя параметры излучения и в других лучах, можно повысить достоверность определения искомых параметров слоя за счет избыточности информации и определить дополнительные параметры например, показатель преломления подложки, оптические постоянные дополнительного отражающего слоя и т. д.
Предложенный способ может быть применен при контроле параметров как готовых слоев, так и в процессе их нанесения.
Повышенная точность определения параметров слоев, оптическая толщина которых меньше длины волны излучения, позволит повысить качество изготовления структур с такими слоями, являющихся базовыми элементами многих современных приборов.
Благодаря возможности комплексиого контроля слоистых систем способ может найти широкое применение в технике, связанной с применением и изготовлением многослойных сложных структур, например, Б микроэлектронике, интегральной и интерференционной оптике и других.
Формула изобретения . Способ определения толщины слоя li его показателей преломления и поглощения, заключающийся в направлении монохроматического поляризованного излучения на исследуемый слой, нанесенный на прозрачную подложку, измерении поляризационных Параметров :. отраженном слоем и подложкой излучении, а энергетического параметра - в прошедшем слой и подложку излучении и определении искомых параметров по известным соотношениям, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения показателя поглощения слоев, оптическая толш.ина которых меньше длины волны анализирующего излучения, выбирают угол падения луча на слой, его диаметр и толщину плоскопараллельной подложки из соотно1иения
p;.)i
где D и п -толщина и показатель преломления подложки соответственнсг еря & - диаметр и угол падения луча
соответственно.
2. Способ по п. , отличающийся тем, что на сторону подложки, противоположную стороне с исследуемым слоем, наносят дополнительный отражающий слой, энергетический параметр измеряют в одном из лучей, отраженном дополнительным слоем, а поляризационные параметры в луче, отраженном исследуемым слоем.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I. Авторское свидетельство СССР № 415.559, кл. G 01 N 21/46, 1971.
2.Paik, John О. М. Bockries. Exact Ellipsometric Меазцгетеп of thickness and optical properties of a thin light-absorbing film
, without auxiliarv measurements. «Surface Science, 1971, vol. 28, ,№ 1, p. 61 -68.
3.T. Yamaguchi, S. Yoshida and A. Kinbara. Continuous Ellipsometric Determination of the Optical Contacts and Thickness of a Silver Film during Deposition. «Japanese Journal of Applied Physic, vol. 8, № 5, May. 1969.
