Дифференциальный оптический сканирующий микроскоп

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) (11) 767 55 0 02 В 21 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТОТКРЫТИЯМ ПИС ИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт микроэлектроники АН СССР (72) С, И. Божевольный, А, В. Постников и Е. А. Божевольная(56) Авторское свидетельство СССР Мв 1629751, кл, 0 01 В 11/30, 1989.Арр. Орбсз,1985,24, %15, р,2373 - 2379. (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СКАНИРУЮЩИЙ МИКРОСКОП 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(57) 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 меняютоп- тическую длину опорного канала путем под- ачи лостоякного напряжения смещенияйа фазовый модулятор, 1 ил. 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 измерительным и опорным каналами посредством делителя излучения, иэлектронную систему регистрации, электрически связанную с фотодиодом,Недостатком данкого микроскопа является то, что он ке позволяет прбизводить раздельное измерение вариаций фазового рельефа и коэффициента отражения исследуемой поверхности, что приводит к неоднозначности интерпретацииэкспериментальных 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 профилированные поверхности широко используемые, например, в микроэлектронике, требуют проведения независимых амплитудных и фазовых измерений.Целью изобретения является 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, 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, 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 напряжения 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, рав 55 оптического излучения 2 и проходит черезфазовый модулятор 8, который управляется переменным сигналом генератора 4 на частоте 12 и постоянным напряжением смещения Ч источника 9, Отраженное зеркало 10 излучение проходит через делитель оптиченой сумме (или разности) частот на модуляторе и дефлекторе, будет пропорциональная изменению фазы сканирующего пучка,Таким образом, предлагаемое устройство5 позволяет одновременно и независимо измерять изменение фазы и амплитуды пучкапри сканировании его дефлектором по исследуемой поверхности. При этом точностьизмерений фазы и амплитуды ограничивает 10 ся только шумовыми факторами, а разрешение в плоскости объекта определяетсяразмерами пучка в фокусе линзы, т. е, впредлагаемом устройстве отсутствуют конструктивные ограничения на его характери 15 стики.На чертеже изображена принципиальная схема дифференциального оптическогосканирующего микроскопа,Дифференциальный оптический скани 20 рующий микроскоп состоит из лазера 1, делителя излучения 2, расположенного походу излучения лазера 1, объектного канала, включающего дефлектор 3, расположенный по ходу прошедшего через25 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, опорного30 канала, включающего фазовый модулятор 8,расположенный по ходу отклоненного делителем 2 излучения и управляемый генератором 4 вместе с источником 9 постоянногонапряжения, и зеркало 10, расположенное35 перпендикулярно оптической оси излучения, фотодиода 11, оптически связанного сизмерительным и опорным каналами посредством делителя излучения 2, и электронную систему регистрации 12,40 электрически связанную с фотодиодом 11,Устройство работает следующим образом.Излучение лазера 1 проходит через делитель оптического излучения 2 и падает на45 дефлектор 3, который отклоняет это излучение с частотой б управляющего сигнала генератора 4. Проходящее через дефлектор 3излучение фокусируется линзой 5 на поверхность исследуемого объекта 7, который мо 50 жет перемещаться перпендикулярнооптической оси по двум координатам Х и Ублоком 6, предназначенным для сканирования исследуемого объекта 7, Часть излучения лазера 1 отражается от делителяского излучения 2 и вместе с отраженнымисследуемой поверхностью объекта 7 излучением, которое отражается делителем оптического излучения 2, падает на фотодиод11. Электронная система регистрации 12 5измеряет амплитуду модуляции тока фотодиода 11 на частотах т 1 и т 1 тг (или на частотеб 1 - 1 г),Повышение надежности измерений ирасширение области применения устройства за счет одновременной регистрации изменения фазы и амплитуды пучка излученияпри сканировании его дефлектором по исследуемой поверхности поясняется следующим образом. 15Абсолютные величины компонентовсигнала фотодиода на частоте 11 и комбинационных частотах, измеряемых микроскопом прототипом, соответственнопредставляются в виде 20(11) =а Рпдг(г+,3, (Ьр) сов ЬД -- д р г 3, (Ьср) зи Лзр (1)(1 + г) = а Р 0,5 д р г 1 (Л р) ++ 0,5 д г 31 (Л р) 3и Л ф (2)где Р - мощность излучения лазера; а - коэффициент пропорциональности; д Г ид р -изменения амплитуды (относительное) и фазы пучка излучения отраженного исследуемой поверхностью, возникающие присканировании излучения дефлектором поповерхности на частоте 11; Лр- амплитудаизменения фазы излучения на частоте Гг после прохождения фазового модулятора;Ьф - постоянная величина разности фазпучков излучения измерительного и опорного каналов при падении на фотодектектор;3 о и Л 1 - функция Бесселя нулевого и первого порядка; г - коэффициент отражения исследуемой поверхности,Расположенный в опорном канале заявляемого микроскопа фазовый модулятор позволяет выбором величины постоянногонапряжения смещения на нем изменять величину Ьф и добиться того, чтобы выполнялось условие Лф = О, В этом случае эи Лф= 450 и, как видно из соотношений(1, 2), величинакомпоненты сигнала фотодиода на частотет 1 будет пропорциональна дг:=аР(г+,рРд, (3) 50а величина компонентов сигнала накомбинационных частотах будет определяться д р(11 + 1 г) = 0,5 а Рг 1 (Л р) д р, (4)Таким образом, измерение величинэтих 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 одночастотного Не - Ме лазера мощностью 0,7 мВт на длине волны 0,633 мкм, проходя через делитель излучения, отклонялось акустооптическим дефлектором на стоячей волне с частотой 11 = 1104,6 кГц и фокусировалось линзой с фокусным расстоянием 10 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 1 г = 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. Исследование фазового и амплитудного рельефа поверхности осуществлять путем сканирования исследуемого образца вдоль оси Х с шагом 10 мкм при различных положениях его по координате У. В качестве исследуемых образцов были взяты пластинки кремния, на которые напылялись слои различных металлов толщинами от 20 А до 200 А методом высокочастотного ионноплазменного распыления. Эксперименты показали возможность измерения фазового рельефа поверхности с точностью до 1 А и амплитудного рельефа (изменения коэффициента отражения) вплоть до 10 Формула изобретения Дифференциальный оптический сканирующий микроскоп, 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, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения надежности измерений и расширения области применения, он снабжен фазовым модулятором, установленным в опорном ка1767330 Составитель С.Божевольныйедактор В,Суханова Техред М.Моргентал Корректо ил юков Заказ 3540 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Произво ул, Гагарина, 10 енно-издательский комбинат "Патент", г. Уж нале между делителем излучения и зеркалом и источником постоянного напряженияУ смещения, связанным с фазовым модулятором,