Эллипсометр

: шоов и т.д.) т личных к оптическим м и может исного неразруческих параектров показания, двулучепческа овь. ьно и ник коллимиГОСУДАРСТВЕННо Й КОМИТЕТпО изОБРетениям и ОткРытиямПРИ ГКЯТ СССР НИЕ АЗОВ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ(71) Институт радиотехники и электроники АН СССР(56) М.АЬга)а)т) апд А,асЦеддпе, ТЪе пйоепсе о 1 разгпа вачез оп.йе дзрегзоп от запасе развопз ехрегГпеп 1 а ечдепсе. . оцгп. о 1 Рбузцце, 48, 1987, р.267-275.Ковалев В.И. и др, Эллипсометрия с дискретной модуляцией состояния полярлзации. Труды конЮеренции "Эллипсометрия в науке и технике", Новосибирск, 1987, с.43- 49.(57) Изобретение относится к оптическим поляризационным приборам и может использоваться для экспрессного неразрушающего определения физических параметров (толщины пленок, их степени пористости, спектоов показателя преломления и поглощения, двулучепреломления, шероховатости и качества обработки поверхностей, химического состава, концентрации растворов и т.д,).твердых и жидких материалов в различных областях науки и техники, Эллипсометр содержит источник монохроматического излучения 1, расположенные последовательно по ходу пучка систему Изобретение относится поляризационным прибора пользоваться для экспресс шающего определения Юиз метров (толщины слоев, сп теля преломления и поглоще-ЕТГНИЯ формирования пучка 2, элемент разделения пучков, модулятор и элемент обьединения пучков, установленные с возможностью одновременного вращения, держатель образца 9 анализатор 10 и приемно-регистрирующую систему, содержащую Юотоприемник 11 и блок усиления, обработки и отображения информации 12, Для повышения точности измерений и увеличения отношения сигнал/шум, элементы разделения и обьединения поляризованных пучков с предложенном эллипсометре обьединены в один элемент, выполненный в виде равнобедренной призмы 3 из двулучепреломляющего материала, ось которой расположена в г.:лоскости, перпендикулярной направлению распространения первоначального пучка и проходящей через линию пересе. ения плоскостей входной и выходной боковых граней призмы, параллельно или перпендикуляоно основанию призмы, а на выходе призмы по ходу обыкновенного и необыкновенного пучков симметрично относительно указанной плоскости установлены сферические или парабслические зеркала 4 - 7 при этом модулятор 8 установлен между зеркалами, В эллиг.сометре реализуются малые потери излучения, высокая степень поляризации переключаемых пучков, широкий спектральный диапазон. 5 з.п,Ю-лы, 5 ил,реломления, концентрации ратвердых и жидких материалообластях науки и техники,Известна поляризациоустановка. в которой последходу лу:а расположены исто5 10 15 20 рованного монохроматического излучения, элемент разделения поляризованных лучей, содержащий тонкую светоделительную пластину (СП) с полупрозрачным покрытием и алюминированное зеркало, расположенные под углом 45 к падающему на них излучению, два поляризатора с ортогональными азимутами направления поляризации, установленные в двух пространственно разделенных параллельных лучах, модулятор и элемент объединения поляризованных лучей в один, содержащий алюминированное зеркало и СП, столик для крепления образца и ОЭУ с регистрирующей системой, Диск модулятора прерывает пространственно разделенные лучи, поляризованные в плоскости падения излучения на образец и перпендикулярно ей, на различных частотах, Сигнал с ФЭУ поступает на селективные усилители, настроенные на эти частоты, на выходе которых регистрируется отношение сигналов, определяющее эллипсометрический параметр( Т 9 ф = - , где ВР и Яз - модули коэфВзфициентов отражения по интенсивности излучения, поляризованного в плоскости падения излучения на образец и перпендикулярно ей соответственно.К недостаткам этой установки относятся возможность определения только одного эллипсометрического параметра ф, низкое отношение сигнал/шум, обусловленное большими потерями в элементах разделения и объединения лучей, так кэк коэффициенты отражения и пропускания полупрозрачных СП составляют 30, а общее пропускание пучков с ортогональными поляризациями меньше 9;(,. Остаточное двулучепреломление в материале СП и интерференция многокоатно отраженных лучей в тонкой СП приводят к температурным изменениям степени поляризации лучей и нестабильности, что понижает точность измерения ф,В эллипсометре после источника моно- хроматического излучения по ходу луча расположены система формирования слабо сходящегося или коллимированного пучка излучения, диафрагма с двумя отверстиями, обтюратор, два поляризатора, каждый из которых оптически связан с соответствующим отверстием в диафрагме и установлен с возможностью вращения вокруг направления падающего на них излучения, анализатор, и приемно-регистрирующая система.Каждый из поляризаторов выполнен в виде последовательно установленных и оптически связанных двух параллельных зеркал с металлическим покрытием и двух отражательных пластин из полупроводникового материала, установленных под углом Брюстера к падающему излучению. Деление пучков на верхний и нижнии пучки диафрагмой, их последовательное прерывание и формирование двух линейно поляризованных лучей с различными азимутами поляризации с последующей регистрацией азимутов анализатора А 1 и Аъ при которых наблюдается равенство сигналов на фотоприемнике, соответствующих переключаемым лучам, обеспечивают точность определения эллипсометрических параметров ф и Л по воспроизводимости 0,05-0,1 в спектральном диапазоне длин волн от 05 до 2,5 мкм.К недостаткам эллипсометра относится уменьшение отношения сигнал/шум из-за потерь излучения при диафрагмировании и при отражении от полупроводниковых пластин. Недостаточно высокая степень поляризации в видимой ближней ИК-области спектра приводит к уменьшению абсолютной точности измерений эллипсометрических параметров ф и Л . Эллипсометр не перекрывает важную область спектра от 0,25,до 0,5 мкм,Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является эллипсометр, содержащий источник монохроматического излучения, расположенные последовательно по ходу пучка элемента разделения поляризованных пучков, модулятор, элемент объединения пучков и анализатор, установленные с возможностью вращения, и приемно-регистрирующую систему. Элементы разделения и объединения лучей содержат светоделительные пластины из ВаГ 2 и полированные пластины из легированного кремния, расположенные параллельно друг другу под углом Брюстерэ к падающему излучению,Наиболее точный вариант измерений на эллипсометре-измерения с дискретной (бинарной) модуляцией состояния поляризации, когда последовательно переключают два пучка с различными азимутами линейной поляризации и регистрируют азимуты анализатора А 1 и А 2, при которых наблюдается равенство сигналов нэ фотоприемнике, соответствующих переключаемым пучкам. По значениям А 1 и А 2 определяются эллип-. сометрические параметры ф и Л . Точность определения ф и Ь по воспроизводимости при измерениях с дискретной (бинарной) модуляцией состояния поляризации дости30 40 45 50 55 гает +0,03 и +0,05 соответственно. Основной недостаток зллипсометоа - большие потери интенсивности, поиводящие к снижению точности измерений и отношения сигнал/шум. Вычисления Отражения поляризованного излучения при наклонном падении по формулам Френеля показывают, что интенсиВность пучка А, полЯризованного пеопендикулярно плоскости чертежа, уменьшается на 60% при отражении от каждой из поозрацных пластин из ВаР 2, и на 30% при отражении от кремниевых пластин. Интенсивность пучка А после четырех отражений составляет 8;, от интенсивности перпендикулярной компоненты пучка, падающего на первую сзетоделительнуо пластину. Потери интенсивности пучка Б после прохождения через светоделительные пластины составляют около 40% для компоненты, поляризованной в плоскости чертежа, и около 85% для компоненты, поляризованной перпендикулярно плоскости чертежа. Отношение интенсивностей компонент, а, следовательно, и азимут линейной поляризации пучка Б, определяются значением показателя преломления прозрачных пластин, которое изменяется с изменением длины волны излучения и температуры, Изменения азимута линейной поляризации с колебаниями температуры приводит к уменьшению точности измерений и отношения сигнал/шум, Большие потери интенсивности пучка А ( - В 12 раэ) приводят к уменьшению точности измерений у и Ь и отношения сигнал/шум, особенно при спектральных эллипсометрических измерениях, Изменение величины отношения интенсивностей пучков А и Б и азимута линейной поляризации пучка Б от длины волны приводит к необходимости сложных калибровок, что также понижает абсолютную точность эллипсометрических спектральных измерений, Степень поляризации пучков А и Б мала в спектральной области 0,25-0,5 мкм, что также уменьшает точность измерения ф и Л, Эффекты деполяризации и остаточного двулучепреломления В прозрачных СП приводят к уменьшению степени линейной поляризации пучка Б и температурным нестабильностям, что также уменьшает абсолютную точность измерения ф и Л .Целью изобретения является повышение точности измерения эллипсометри.ческих параметоов ф и Л и повышение отношения сигнал/шум.Поставленная цель достигается тем, что в эллипсометре, содержащем источник монохроматического излучения, расположенные последов "тельно по ходу пучка элемент разделения поляризованных пучков, модулятор и элемент обьединеил пучков, ус- тановленные с возможностью одновременного вращения, анализатор и приемно- регистрирующую систему, элементы разделения и объединения поляризованных пучков обьединены в один элемент, выполненный в виде равнобедренной призмы из двулучепреломляющего материала, оптическая ось которой расположена в плоскости, перпендикулярной направлению распространения первоначального пучка и проходящей через линию пересечено." плоскосЕЙ входной и выходной б .,Вьх граней призмы параллельно или пер анрикулярно основанию призмы, а по ходу обь,.:.- новенного и необыкновенного пучков, Выходягцих из призмы под углами фо и фе к первоначальному направлению пучка соотВетственно, расположены сферические либо параболические зеркала, установленные симметрично Относительно указанной плоскссти, при этом модулятор установлен между зеркалами.В предлагаемом зллипсометре, в отличие от известного, для разделения и обьеди- нения поляризованных пучков вместо светоделительных пластин и полированных пластин из легированного кремния используются гризма из двулуцепреломллющего материала и система сферических или параболицеских зеркал, расположенные указанным выше образом, Благодзрл этому в несколько раз уменьшаются потери излучения, достигается оолее высокая степень поллризации переключаемых пучков, что В совакупнос,и позволяет повыс;:,ть ",очностьГ измерении и отношение сигнал(шум, На фиг., приведена общая схема предлагаемсго зллипсометра; на фиг,2 - 5 - различные Варианты ВыпОлненил узла разделения и обьединенил поляризованных пучков света, Предлагаемый зллипсоме 1 р содержит источник монохроматическогс, ицлуценил 1 ,фиг, ), систему формированил пучка 2, элемент разделения и абьединения поляризованных пучков, Выполненный В Виде равнобедренной призмы 3 из двулу епреломляющего материала, зеркала 4,5, установленные на выходе призмы 3 по ходу обыкновенного пучка Б, и 6.7, установленные на выходе поизмы по ходу необыкно- ВЕННОГО ПуцКа СВЕта Б, МОдулятОр 8, установленный между зеркалами 1,6 и з,7, дегзжатель обоазца 9. аазатор 10, установленный с Возможноеьо Врлщея вокруг оси отраженного от облз.зучкз света, и приемно-рег стригуочу сиегему, содержащую фотоприе -1 блок 12 уси 1695145ления, обработки и отображения информации. Призма 3 и зеркала 4,5,6,7 установлены с возможностью одновременного вращения вокруг оси первоначального пучка света, Призма 3 может быть выполнена из СаСОъ МЦГ 2, СОЯ и т.п. в зависимости от длины волны рабочего излучения. Источник моно- хроматического излучения 1 может быть выполнен в виде лампы накаливания и монохроматора либо в виде лазера, Система формирования пучка 2 может быть выполнена иэ ОДНОЙ или нескОльких линз либО зеркал, Оптическая ось призмы 3 расположена в плоскости СС, перпендикулярной направлению распространения первоначального пучка излучения и проходящей через линию пересечения плоскостей входной и выходной боковых граней призмы 3, параллельно или перпендикулярно ее основанию. Зеркала 4,5,6 и 7 выполнены сферическими или параболическими и расположены симметрично относительно плоскости СС, являющейся плоскостью симметрии, Зеркала 4,5 (фиг.2), установленные по ходу обыкновенного пучка света ориентированы так, что угол между осью этого пучка и нормалью к поверхности данного зеркала (4 или 5) в точке пересечения оси с зеркалом составляет ро/2, где уъ - угол между первоначальным направлением распространения пучка света и направлением распространения Обыкновенного пучка навыходе призмы 3. Зеркала 6,7, установленные по ходу необыкновенного пучка света, ориентированы такчто угол между осью этого пучка и нормалью к поверхности данного зеркала (6 или 7) в точке пересечения оси с зеркалом составляет ре/2, где Ре - угол между первоначальным направлением распространения пучка света и направлением распространения необыкновенного пучка света на выходе призмы 3. Углы бо и ре определяются обыкновенным по и необыкновенным пе показателями преломления материала призмы 3 и углом О при ее вершине из соотношенийфо = дгсззппо 31 п (О фо ) 1 7ОВ 81 П 2 гдеь = агсяп ( р = агсз 1 ппе зп(В -ЧЪ ) 3 уО вп 2 гдедъ = агсяп (В варианте, показанном на фиг.2, зеркала 4,5,6 и 7 установлены на расстояниях Е 1 и Е 2от плоскости симметрии СС, равных их фокусным расстояниям. Модулятор 8 выполнен в виде Обтюратора, диск которого расположен в плоскости симметрии СС. В диске выполнено две системы отверстий срасстоянием между центрами отверстий по радиусу диска, равном расстоянию междуосями пучков А и В, Для скоростных измерений может быть использована схема, показанная на фиг.3, в которой модулятор 8выполнен в виде двух электрооптических модуляторов 13 и 14 с установленными перед ними полуволновыми пластинами 15 и 16. Злектрооптические модуляторы эффекрабоаю при испозоан коллимированных пучков света. Для формирования их зеркала 4 и 6 устанавливают на расстояниях от призмы 3, равных их фокусным расстояниям. При этом по ходу первоначального пучка света на выходе призмы 3 установлен формирователь 17 пучка, Нафиг,4 приведен вариант схемы, обеспечивающий наибольшую точность измерений в широком интервале температур и длин волн, В этом варианте, в отличие от варианта на фиг.3, каждое зеркало 4,5,6,7 установлено относительно плоскости симметрии 30 СС на расстоянии Х, определяемом из выра- жения 1 1 1 Х+Х =Р 35 40 45 50/где Х - расстояние от призмы 3 до данного зеркала;Р - фокусное расстояние данного зеркала,Модулятор 8 может быть выполнен в виде обтюратора. При работе с широко- апертурными пучками, с призмой 3, имеющей малый угол О, и с длиннофокусными зеркалами удобно использовать схему, показанную на фиг,5, В отличие От схемы 5, показанной на фиг.2, она содержит два сферических или параболических зеркала 18 и 19, установленных на расстояниях ат призмы 3, равных их фокусным расстояниям, при атом зеркала ориентированы так, что углы между осями Обыкновенного и необыкновенного пучков и нормалями к поверхности зеркала в точках пересечения осей этих пучков с зеркалами составляют соответственно Оо/2 и Ое/2 .Предлагаемый эллипсометр был изготовлен в модификациях по фиг.1,2 и 5 и опробован в лабораторных условиях. При этом в качестве источника излучения ис 1695145 1025 30 35 40 ванный пучок излучения, который поступает 50 55 пользовались лампа накаливания КГМ 70 х 9 и монохроматор ДМРили Не-Йе лазер ЛГ - 79. Призма 3 была изготовлена иэ кальцита, а угол 0 варьировался в различных вариантах от 10 до 20 О. В каче:тве фотоприемника 11 использовались ФЭУ 100, кремниевый фотодиод ФД - 256 и фотосопротивление из РЬБ. Рабочий диапазон волн эллипсометра 0,25-2,5 мкм.Эллипсометр работает следующим образом.Монохроматическое излучение от источника 1 поступает на систему формирования пучка 2 (фиг,1), Сформированный пучок излучения разделяется призмой 3 на обыкновенный и необыкновенный пучки, которые зеркалами 4 и 6 направляются параллельно первоначальному пучку в противоположную сторону. Зеркалами 5 и 7 обыкновенный Б и необыкновенный В пучки направляются на призму 3 и совмещаются в один пучок, Модулятор 8 последовательно прерывает пучки Б и В, обеспечивая на выходе призмы 3 переключение пучков с ортогонапьными азимутами линейной поляриэации Р 1 и Р 2, направляемых на исследуемый образец. Отраженное от образца излучение проходит через анализатор 10 с азимутом оси пропускания А на фотоприемник 11. Сигнал фотоприемника усиливается,обрабатывается и отображается в блоке 12, В вариантах, показанных на фиг,2,4 и 5 зеркала фокусируют обыкновенный и необыкновенный пучки в плоскости симметрии СС,что позволяет существенно увеличить число отверстий в обтюраторе расположенном в этой же плоскости, увеличить частоту модуляции излучения , а, следовательно уменьшить шум типа 1/1 и увеличить отношение сигнал/шум. Отметим, что сферические (либо параболические) зеркала осуществляют инверсию пучков излучения, проходящих через призму 3 первый и второй раз, Таким образом, осуществляется идентичность оптического пути при двух прохождениях в призме по всему сечению пучка, В варианте узла для разделения и объединения поляризованных пучков излучения, приведенном на фиг.2, система 2 формирует коллимирона призму 3, где разделяется на обыкновенный и необыкновенный пучки. Зеркала 4 и 6 фокусируют эти пучки в плоскости СС, Зеркалами 5 и 7 формируются колпимированные пучки и направляются на призму 3, совмещающую эти пучки.В варианте, показанном на фиг.3, исходный пучок фокусируется системой 2 на призму 3, разделяется на обыкновенный и необыкновенный пучки, которые коллими 5101520 руются зеркалами 4 и 6, Полувопновые устройства 15 и 16 поворачивают плоскость поляризации пучков Б и В на 90", В отсутствие напряжения на электрооптических модуляторах 13 и 14 поворот на 90 приводит к гашению пучков на выходе призмы 3 в направлении первоначального пучка, При подаче импульсов электрического поля на электоооптические модулятора 13 и 14 на выходе призмы формируются импульсы излучения с ортогональными азимутами линейной поляризации Р 1 и Р 2, задаваемыми азимутом блока призмы, жестко связанной с зеркалами, модуляторами и полуво новыми устройствами,На фиг.4 представлен вариант, когда и - чок излучения фокусируют на призму 3, а зеркала 4 и 6 образуют иэображения точки фокусировки в плоскости СС, Зеркала 5,6 направляют пучки на призму 3 в точку фокусировки, формирователь 17 пучка формирует коллимированный либо сходящийся пучок излучения, Особенностью схемы является постоянство положения точек фокусировки в плоскости симметрии СС при изменении длины волны излучения А и температуры Т,.что повышает точность и отношение сигнал/шум в широком интервале изменения А и Т.В варианте узла разделения и сведения поляризованных пучков, показанном на фиг.5, используют два зеркала для упрощения конструкции и реализации измерений с широкими пучками излучения для повышения отношения сигнал шум, Коллимированные пучки излучения расщепляются призмой 3 на обыкновенный и необыкно" еенный пучки, зеокалом 16 направляются параллельно первоначальному пучку в противоположном направлении, прерываются обтюратором 8 и зеркалом 19 коллимируются и направляются на призму 3, совмещающую пучки. При д10 и (/)о - де )1 пучки после второго прохождения призмы 3 совмещаются с точностью до 0,01 и практичеоски идентичны.Измерения элпипсометрических параметров ф и Л выполняются следующим образом. При калибровке эллипсометра в положение "на просвет" (без образца) с помощью изменения азимута анализатора 10 определяется отношение а итенсивностей переключаемых пучков с установленными значениями азимутов линейной поляризации (например, Р 1 =- 30, Р 2 - 120 ) по формулесоз ( Р . А )сокА Р 1 )где Ао - азимут анализатора, соответствующий равенству сигналов на фотоприемнике, индуцированных переключаемыми пучками, После калибровки устанавливают образец под углом р к падающему излучению, а 5 блок анализатор - фотоприемники поворачивают на угол 2 р. Изменяют азимут анализатора 10 и определяют значения азимута анализатора А 1 и А 2, при которых наблюдается равенство сигналов на фотоприемнике, 10 соответствующих переключаемым пучкам с азимутами Р 1 и Р 2, Эллипсометрические параметры ф И Лопределяются по формулам20(4) Исследование точности и чувствительности 25 измерения А 1, А 2, ф и Лс помощью соотношений (3) и (4) позволяет выбрать оптимальные значения а, Р 1 и Р 2 для исследования данных образцов. Оптимальные значения а можно установить с помощью изменения 30 азимута дополнительного поляризатора, устанавливаемого после системы формирования пучка 2, При спектральных эллипсометрических измерениях использование дополнительного поляризатора не обяза тельно, Приведем сравнение точности и величины отношения сигнал/шум, полученных при измерениях на известном эллипсометре и лабораторных макетах спектрального и лазерного эллипсометров, 40 соответствующих данному изобретению, В измерениях на известном эллипсометре (прототип) погрешности определения фиЛ по воспроизводимости +0,03 и М,05 соответственно, а абсолютная точ ность измерения ф и Л +0,1. На предлагаемом эллипсометре точность измерения ф и Л по воспроизводимости +0,003 и .+0,006 соответственно, а абсолютная точность измерения р и Л" дО + 0,%, 50 Отношение сигнал/шум повышается в 5 - 7 раз по сравнению с прототипом вследствие значительного снижения по-терь интенсивности излучения в элементах разделения и обьединения поляризованных 55 пучков, исключения температурной нестабильности иэ-за остаточного двулучепреломления в светоделительных пластинах, а также увеличения апертур рабочих пучков.3. Эллипсометр по п.2, о т лй с я тем, что зеркала установкусных расстояниях отуказанносимметрии,4. Эллипсометр по п,2, о т лй с я тем, что зеркала установлкусных расстояниях от призмы,5, Эллипсометр по п.1, о т лй с я тем, что каждое зеркало уотносительно плоскости симметстоянии Х, определяемом из1 1 1- + - т = р, где Х - расстояниХ Х ича ющилены на фой плоскости ичающи становлено рии на расыражения от призмы его окуссоответствующего зеркалае расстояние,6. Эллипсометр ий с я тем, что понеобыкновенного п оп.1, отл ходу обык учков уста и ч а ю щ иовенного и новлено по Формула изобретения 1, Эллипсометр, содержащий источник монохроматического излучения, расположенные последовательно на оптической оси систему формирования излучения, элемент разделения излучения на обыкновенный и необыкновенный пучки, модулятор и элемент Обьединения пучкОВ, установленные с Возможностью Одновременного вращения, анализатор и приемно-регистрирующую систему, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений и увеличение отношения сигнал/шум, элементы разделения и объединения пучков обьединены в один элемент, выполненный в виде равнобедренной призмы из двулучепреломляющего материала, оптическая ось которой расположена в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения и проходящей черезлинию пересечения плоскостей входной и выходной боковых граней призмы, на выходе призмы по ходу обыкновенного и необыкновенного пучков симметрично относительно указанной плоскости установлены сферические или параболические зеркала, при этом модулятор расположен между зеркалами,2. Эллипсометр по п,1, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что по ходу обыкновенного и необыкновенного пучков установлено, соответственно, по два зеркала, ориентированные так, что угол между осью каждого и нормалью к поверхности зеркала в точке пересечения оси пучка с зеркалом составляет у),/2 для обыкновенного и уе/2 для необыкновенного пучков, где Оо и ре - углы между первоначальным распространением излучения и соответственно обыкновенным и необыкновеннь,м пучками на выходе приэ 1695145одному зеркалу симметрично плоскости симметрии на расстояниях от призмы, равных фокусным расстояниям зеркал, при этом зеркала установлены так, что углы между осями обыкновенного и необыкновенного пучков,и нормалями к поверхности зеркал в точкахпересечения осей пучков с зеркалами составляют соответственно ро/2 и Ъ/2 .1695145 Составитель В.КовалевТехред М.Моргентал Корректор О.Кравцова Редактор Н,Коляда Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 4155 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5