Способ эллипсометрической спектроскопии

.4(51) С О 1 И деляютльтатам ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(72) В,А. Котенев и М.Н. Фокин (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физической химии АН СССР (53) 535.24(088,8)(56) 1. Рац 1 Н. Бш 1 йЬ. БигГасе Бсдепсе, 16, 1969, р. 51-66.2. Вегшийег Ч. 81.ск Ч. Арр 1 дед ОрСсз. 17, 1978, 542-543 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКОИ СПЕКТРОСКОПИИ, включающий формирование пучка монохроматического излучения, модуляцию его по разности фаз между ортогонально поляризованными компонентами, облучение пучком исследуемого объекта, линейную поляризацию отраженного излучения, регистрациюзависимости интенсивности отраженногоизлучения от длины волны по интенсивности одной из гармоник частоты модуляции, о т л н ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения чувствительности и быстродействия измерений,перед линейной поляризацией отраженного излучения дополнительно вносятфазовый сдвиг между ортогонально поляризованными компонентами, изменяютего и регистрируют, а при регистрации зависимости интенсивности выделяют интенсивности первой и дополнительно второй гармоник частоты модуляции,змеряют их отношения и оптические параметры по регистрации.Изобретение относится к исследованию поверхности и грацицы разделасред спектроэллипсометрическимп методами и может быть использовано дляопределения параметров топких пленокна различных подложках и оптическихпостоянных исследуемого материала,Известны способы измерения оптических параметров исследуемых матери.алов в спектральном диапазоне эллигсометрическими методами, в котортях формируют пучок моцохроматического излучения и линейно поляризуют его поляризатором, направлятот его ца исследуемую грацицу раздла сред. У от раженцого излучения о с. уще ствлятот сдвиг фаз на заданный фиксированный угол, линейно поляризуют его анализатором и фоторегистрируют. Вращением поляризатора и анализатора добиваются зану 20 ления интенсивности излучения на фоторегистраторе. 1 о значениям азимутов поляризатора и анализатора судятоб оптических параметрах исследуемойсистемы 1, 25Однако данный способ обладаетмалой чувствительностью и низкимбыстродействием измерений.,Наиболее близким техническим решением к предлагаемому явпяетсяспособ эллипсометрической спектроскопии, вклточающий формироваттие пуч -ка моцохроматического излучения,модуляцию его по разности фаз междуортогонально поляризованными ко;тпонентами .толяризации, об.ттучцие пучком исследуемого объекта, липйттуюПОЛЯРИЗаЦИЮ ОтРаж(.ННОГО ПЗЛУЧЕтт;тЯ,регистратсгцо зависимости тт: т с.цсюзттости отраженного излучения От длины 40волны то пцтцстттис;с.тп оц.т(рй из гармоник тастоты модуляцпт 12.Недостатком извстцсго :т:ос(батакже явлттьотся малая;увстттитл-ность и низкое бь:страдйстнп тзмерений,Цел изобрететптя - повыщенпе чувствитльностт и бысгролействия ттзмеревийПоставлецп-:тя тт.тп достпгастсц 50тем, что сс;глас цо стос(.бу эл.ттт.тсолтс"рической сттектроскотши, ттк ццчсцощемуформирование пр тка монохрома гпчссксго излучения, модулятцтво его по разности фаз между 01 ртоготтазтецо ттолттрт - 55 з Ованттыми т(от попетат ттт тт,)ля 1 рттз ацииоблучецие пучком;следуемого объекта линейную поляризатцпо отраже пво; о излучения, регистрацттю зависимости интенсивцости отраженного излучения от длины волны по интенсивности однойиз гармоник частоты лтодуг яции, перед липс йцой попяризацией О" ражепного излучения дополцительцо вносят фазовый сдвиг между ортогонально ттоляризованными компонентами, ттзменятот его и регистрирутот, а при регттстрации зависимости интецсивттости выделяют интенсивности первой и второй гармоникчастоты модуляции, измеряют их отноьтения и определяют оптические параметры по результатам ре.истрации,11 а чертеже приведпа фупкциоцальцая схема устройсттза дття Осуществления способа.Способ ссуществляется следующим обрразом.г,1 учок монохроматического излучения, сформи ованцый с помощью источ:шка 1 излучения, линзовой системы 2 и моцохроматора 3, модулируется по разности фаз между ортогоцальцо поля ризовацными компонентами излучетшяпомощью возбуждалтого генератором фазового модулятора 5 в состав которого входят расположенные последовательно по ходу луча поляризатор и акгивцый элемент. Далее излучение падает ца исследуемую систему, закрепленную в держателе 6, Отраженное от исследуемой системы т.злучецие проходит через фазосдвигающе устройство 7, сдвиг фаз в котором изменяется и регистрируется, проходит через поляризатор 8 и падает на фотоприемцик 9. Элс.т(тртптесктттт сигнатт с :1 тотоприемника 9 усиливвтся тт широт(опсрл(рстцрл ттредусилителс 10 и далее разделяется на два канала, В первом из цих выделяется и уси.тивается ицтенсивноеть первой гармотпп(и частоты модуляции с помощью сякровиого усилителя 11, во втором канале вьделттется и усиливается пцтеттсигность второй ГаРМОт:ИКИ ЧаетОТЫ МОДУЛЯЦИН С ПОМОЩЬЮ сицхрсртптого усилите.тя 12, Далее получившиеся вьтпрямртстттпь ицтецсивцостт тт 1 овой т вто 1)от г;т 1 рмоттттк частоты модуляции делятся друг ца друга на делителе 13. Получтвюееся частное о депения регпс:трирустся с помощью цифрового вол тмстра 14 и дьухкоордттттатноге самописца 15, второй вход которого связан с разверткой монохроматора по Длетнам вол л, Ориентация оптических осей поляризующих элемен)21, (А)1 зз.п(+ а ) (1) г 21 г (А)1 сон ( Ь + К ), (2) 15 где 1, 1 - интенсивность первойгяи второй гармоникчастоты модуляции; 20 У= "- первый эллипсометрический параметр исследуемой системы;6 - второй эллипсометрический параметр иссле.дуемой системы;А - амплитуд модуляциифазового модулятора;1 - первая и вторая функции Бесселя;0 - сдвиг фаз на фазосдви -гающем устройстве. После деления (1) на (2) получаем: 35(3)-= ед( ь+ос), 1 т 1 гргде- известная постоянная. Очевидно, что при Д +Ы. - ,40 10 /1 , -оо, что обеспечивает высокую чувствительность измерений к малым изменениям эллипсометрического параметра 6 при изменении длины волны злучеция. Настраивая на каждой длине волны фазосдвигающее устч1 роистно так . чтобы Ь + ь. - и реЭ У гистрируя значение К, можно с очень втсокой чувствительностью измерить 4 ( Ф )е Знание )( Ъ ) вследстние высокой чувствительности Ь к оптическим параметрам исследуемой системы, в частности к коэффициенту поглощения, дает возможность проведения спектрального анализа с весьма высокой чунстнительностью, Быстродействие при этом определяется, в основном,з 114 ОО тов относительно плоскости падения излучения на исследуемую системуследующая: азимут поляризатора модулятора 45; азимут активного элемента модулятора О ; азимут фазосдвигающего устройства О; азимут аналцзато. ра 45. При данной ориентации оптических элементов интенсивности первой и второй гармоник частоты модуляции имеют вид; 1009 4электронным трактом и может бытьтакже весьма высоким.П р и м е р. В схеме (см.чертеж)источником излучения служит лампанакаливания, монохроматором ЩР,модулятором электрооптический модулятор с встроенной поляризационнойпризмой серии 1 Л задающим генератором ГЗ-ЗЗ, фаэосдвигающим устройством компенсатор Бабцнс-Солеиля,анализатором призма Глана-Томсона,фотоприемником ФЭУ; предусилцтелем У 2-б, синхронными усилителямиУ 2-8, делителем РАР, цифровым вольтметром прибор ФЗО, самописцем КСП,синхронизированный с разверткой монохроматора по длинам волн. В качестве оптических элементов используются элементы, прозрачцые н втбранцомспектральном диапазоне,Повтшецие чувствительности можнооценить воспользовавшись (3), разФложив в ряд по степени прироста 3: 1)ЗЬ 1,1сояГь/(4) Отсюда видно, что по сравнениюс прототипом при малом изменении Ьчувствительность в предложенномспособе, по крайней мере, ца порядок выше.Предлагаемтй способ позволяетФисследовать спектры сравнительномалых количеств адсорбцрованных наповерхности соединений, что актуально в настоящее время. Кроме того,предложенная методика деления интенсивности гармоник устраняет источники помех, связанные с систематическими и случайными изменениями интенсивности излучения; так как регистрируется только поляризаццоцнтй состав излучения, не связанный, например, ,: глощеццем в окружающей среде, 1,:ц этом высокую чувствительностьи помехозащищенность способа обеспечивают достаточно цедорсгце аппаратурцые средства. Способ можно осуществить практически ца любом спектрометре при относительно небольших затратах, Повышение быстродейстн.я измерений достигается благодаря тому, чтовыходной сигнал в приборе являетсяфункцией только одного параметра Ьчто позволяет однозначно опрецелитьего из одного измерения на каждойдлине волны с высокой чувствительностью,