Способ эллипсометрической спектроскопии

 

СПОСОБ ЭЛЛИПСОМЕТРШЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ, включающий формирование пучка монохроматического излучения , модуляцию его по разности фаз между ортогонально поляризованньми композшптами, облучение пучком исследуемого объекта, линейную поляризацию отраженного излучения, регистрацию зависимости интенсивности отраженного излучения от длины волны по интенсивности одной из гармоник частоты модуляции , отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и быстродействия измерений, перед линейной поляризацией отраженного излучения дополнительно вносят фазовый сдвиг между ортогонально поляризованными компонентами, изменяют его и регистрируют, а при регистрации зависимости интенсивности выделяют интенсивности первой и дополнительно второй гармотшк частоты модуляции, измеряют их отношения и определяют оптические параметры по результатам регистрации.

СОЮЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

1 (19) О)) .4(51) С Ol N 21 21 чруаещ рр „

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTQPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3646101/24-25 (22) 18.07.83 (46) 15,.02.85. Бюл. М 6 (72) Б.А. Котенев и M.Н. Фокин (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физической химии АН СССР (53) 535.24(088.8) (56) 1. Paul Н. Smith. Surface Science. 16, 1969, р. 51-66.

2. Bermuder V. Ritz V. Applied

Optics. 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, регистрацию зависимости интенсивности отраженного излучения от длины волны по интенсивности одной из гармоник частоты модуляции, о т л ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и быстродействия измерений, перед линейной поляризацией отраженного излучения дополнительно вносят фазовый сдвиг между ортогонально поляризованными компонентами, изменяют его и регистрируют, а при регистрации зависимости интенсивности выделяют интенсивности первой и дополнительно второй гармоник частоты модуляции, измеряют их отношения и определяют з оптические параметры по результатам регистрации.

С::

1140009

Изобретение относится к исследованию поверхности и гра»ицы раздела сред спектроэллипсометрическим» методами и может быть использовано для определения параметров топких пленок на различных подложках и оптических постоянных исследуемого материала.

Известны способы измерения оптических параметров исследуемых материалов в спектральном диапазоне эллипсометрическими методами, в которых формируют пучок монохроматического излучения и линейно поляризуют е.го поляризатором, направляют его »а исследуемую границу рс<з>1»)<а сред. У от- 15 раженного излучения о с. y!!te ствляют сдвиг фаз на заданный фикс»рона»нь<й угол, линейно поляризуют его анализатором и фоторегистрируют. Враще»ием поляризатора и анализатора добиваются зану 20

tI ления интенсивности излучения на фоторегистраторе. По значениям азимутов поляризатора и анализа- îðà судя т об оптических параметрах исследуемой системы (1), 25

Однако данный - ïîñîá обладает малой чувствительностью и низким быстродействием измерений, Наиболее близким тех,i»»чески>м решением к предлагаемому янпяется способ эллипсометрической спектроскопии, включающий формирова»ие пуч— ка монохроматического излучения, модуляцию его по разности фаз между ортогонально поляризова: ным i 1> не»тами .1оляризации, об)ty>t»»ие пучком исследуемого объекта, ли»»й1<ую поляризацию отражс»»ого излуче>н;111 > регистрацию зависимости 11:г)<.нсин»ости отраженного излучс»<и)1 от длины 40 волны по»нт»»с)<нн<::..Ttt a»,".ой из rapt) моник <астоты модуляц;1 t j2 t .

Недостатко)1 из1<»стнсго г1:особа так)ке явл нотся малая .унстнит»л);— ность и низкое бь:C Tpo)<»ÉCTE)è» 1 змерени.

Цель изобрет»ii! I!t — повыще<ше ";Ei— ствит»льности и быс г,:.)I(»iic Tttt:ë 11->мере»ий„

I1 0 C т а )) JI P > 11 i >{ Et » л 1» 50 тем, )к;I мс:»окромя гич< ;.«<>го излуче»»», моду яцт»о pгo»о разНосТН фаз мсжд; opToго»а>чьно 1)ол)1ри- 55 зона»ными компо»Р»те<11». и )ля))изаци11„ облуч - ние пу 1ком;<»следуемого объекта„ линейную поляриза)шю отра)к i!tta o излучения, регистрацию зависимости интенсивности отра)кенного излучения от длины волны по интенсивности одной из гармоник частоты моду) яции, перед липс йной попяризацией о" раже»ного излучения допо)шительно вносят фазовый сдвиг между ортогонально поляризованными компонентам», изменяют его и регистр11руют, а при регистрации зависимости интевсин1гости выделяют интенсивности первой и второй гармоник частоты модуляции, измеряют их отноь)ения и определяют оптич»ские параметры по результатам рес.истрации, На чертеже »ривед»»а фу»кциональная схема устройс тва д)1я осуществл=»ия способа.

Способ) осуществляется следующим об)разом.

Т .Iучок монохроматического излучения, сформи"овагп<ый с помощью источ:шка 1 излучения, линзовой системы 2 и монохроматора 3, модулируется по разности фаз между ортогонально по.)я. ризaâàttíûìè компонентами излучpiøÿ помощью возбужца»мого генератором

ходит через фазосднигающе» устройство 7, сдвиг фаз I) котор )м изменяется и регистрируется, проходит через поляризатор 8 и падает »а фотоприем11ик 9. Элс.ктрическ)сй с игнал с фотоприемника 9 ус»лина»т< я 1) широкополостн )м п>)едуси))ителе 10 и далее разделяется на два канала. В первом

»з них ньЬделяется » уси )ивается интенсинность первой гармо<пп<и частоты модуляции с помощью с)»<ярогиtoro усилителя 11, BG»Tîðîì канале выделяется и усиливается IIIIT»!re,r EIOCTE второй гарма>:ики ч"=còoTI модуляции с помощью синх.)с »<ого усилите.1я 12. Далее получившиеся выпрями»»1<ые ин rettct

oт деления рег»с:трирустся с помощью цифрового вол. тмстра 14 и дьухкоординатного само»исца 15> второй вход которого связан с разверткой монохроматора по длинам волн . Ориентация оптических осей поляризующ»х элемен-г0

ХЯ 1+юг

20 (4) ем:

35 (3) 40

3 114ОО тов относительно плоскости падения излучения на исследуемую систему следующая: азимут поляризатора модулятора 45 ; азимут активного элемента модулятора О ; азимут фазосдвигающего устройства О ; азимут анализатора 45 . При данной ориентации оптических элементов интенсивности первой и второй гармоник частоты модуляции имеют вид: IO

L2I (A)) ззп(g + а ) (1) 12 г PIг (A)) соз (6 + g ), (2) 15 где I I — интенсивность первой гя и второй гармоник частоты модуляции;

Г= . — первый эллипсометрический параметр исследуемой системы;

Ь второи эллипсометри ческий параметр исследуемой системы;

А — амплитуд» модуляции фазового модулятора;

I г — первая и вторая функции Бесселя; сдвиг фаз на фазосдви— гающем устройстве.

После деления (1) на (2) получа— = Ptg(6+04), Iÿ гш где Д вЂ” известная постоянная. г

Очевидно, что при Д +„- —, Т0 /I д — оо, что обеспечивает высокую чувствительность измерений к малым изменениям эллипсометрического параметра А при изменении длины волны излучения. Настраивая на каждой длине волны фазосдвигающее уст)! роиство так чтобы Ь + c — и реЭ

Я У гистрируя значение p(,, можно с очень высокой чувствительностью измерить

4 (Ф ) ° Знание б (Ъ ) вследствие высокой чувствительности Ь к оптическим параметрам исследуемой системы, в частности к коэффициенту поглощения, дает возможность проведения спектрального анализа с весьма высокой чувствительностью. Быстродействие при этом определяется, в основном, 09 4 электронным трактом и может быть также весьма высоким.

Пример. В схеме (см.чертеж) источником излучения служит лампа накаливания, монохроматором ЩР-4, модулятором электрооптический модулятор с встроенной поляризационной призмой серии ИЛ„ задающим генератором Г3-33, фаэосдвигающим устройством компенсатор Бабинс-Солеиля, анализатором призма Глана-Томсона, фотоприемником ФЭУ-71; предусилителем У2-б, синхронными усилителями

У2-8, делителем PAP цифровым вольтметром прибор ФЗО, самописцем КСП-4, синхронизированный с разверткой монохроматора по длинам волн. В качестве оптических элементов используются элементы, прозрачные в выбранном спектральном диапазоне, Повышение чувствительности можно оценить воспользовавшись (3), разложив в ряд по степени прироста : Т ЗЬ

СОЯ2 6 P) Отсюда видно, что по сравненИю с прототипом при малом изменении Ь чувствительность в предложенном способе, по крайней мере, на порядок выше, IIpennaraeMbH- способ позволяет исследовать спектры сравнительно малых количеств адсорбированных на поверхности 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 поляризационный состав излучения, не связанный, например, -;:оглашением в окружающей среде, i:р . этом высокую чувствительность и помехозащищенность способа обеспечивают достаточно недорсгие аппаратурные средства. Способ можно осущест вить практически на любом спектрометре при относительно небольших затратах. Повышение быстродейств"..я измерений достигается благодаря тому, что выходной сигнал в приборе является функцией только одного параметра Ь что позволяет однозначно опрецелить его из одного измерения на каждой длине волны с высокой чувствительностью