Дифференциальный оптический сканирующий микроскоп

 

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 меняют оптическую длину опорного канала путем подачи постоянного напряжения смещения на фазовый модулятор. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 02 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4864182/28 (22) 31,08.90 (46) 07.10,92. Бюл, М 37 (71) Институт микроэлектроники АН СССР (72) С, И. Божевольный, А. В. Постников и Е.

А. Божевольная (56) Авторское свидетельство СССР

N 1629751, кл. G 01 В 11/30, 1989.

Appl. Optics, 1985,24, N 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 Ы 1767330 А1 (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 меняют оптическую длину опорного канала путем под- ачи постоякного напряжения смещения йа 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, О расположенный по ходу отклонения делителем излучения, и зеркало, расположенное перпендикулярно оптической оси излучения, фотодиод, оптически связанный с измерительным и опорным каналами посредством делителя излучения, и электронную систему регистрации, еаектрически )р связанную с фотодиодом. и

Недостатком данкого микроскопа является то, что он ке позволяет производить раздельное измерение вариаций фазового рельефа и коэффициента отражения исследуемой поверхности, что приводит к неоднозначности интерпретации

1767330 экспериментальных 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, рав55 оптического излучения 2 и проходит через фазовый модулятор 8, который управляется переменным сигналом генератора 4 на частоте f2 и постоянным напряжением смещения V источника 9, Отраженное зеркало 10 излучение проходит через делитель оптиченой сумме (или разности) частот а модуляторе и дефлекторе, будет пропорциональная изменению фазы сканирующего пучка, Таким образом, предлагаемое устройство

5 позволяет одновременно и независимо измерять изменение фазы и амплитуды пучка при сканировании его дефлектором по исследуемой поверхности. При этом точность измерений фазы и амплитуды ограничивает10 ся только шумовыми факторами, а разрешение в плоскости объекта определяется размерами пучка в фокусе линзы, т. е. в предлагаемом устройстве отсутствуют конструктивные ограничения на его характери15 стики.

На чертеже изображена принципиальная схема дифференциального оптического сканирующего микроскопа, Дифференциальный оптический скани20 рующий микроскоп состоит из лазера 1, делителя излучения 2, расположенного по ходу излучения лазера 1, объектного канала, включающего дефлектор 3, расположенный по ходу прошедшего через

25 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, опорного

30 канала, включающего фазовый модулятор 8, расположенный по ходу отклоненного делителем 2 излучения и управляемый генератором 4 вместе с источником 9 постоянного напряжения, и зеркало 10, расположенное

35 перпендикулярно оптической оси излучения, фотодиода 11, оптически связанного с измерительным 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 на

45 дефлектор 3, который отклоняет это излучение с частотой f> управляющего сигнала генератора 4. Проходящее через дефлектор 3 излучение фокусируется линзой 5 на поверхность исследуемого объекта 7, который мо50 жет перемещаться перпендикулярно оптической оси по двум координатам Х и Y блоком 6, предназначенным для сканирования исследуемого объекта 7, Часть излучения лазера 1 отражается от делителя

1767330 ского излучения 2 и вместе с отраженным исследуемой поверхностью объекта 7 излучением, которое отражается делителем ortтического излучения 2, падает на фотодиод

11. Электронная система регистрации 12 измеряет амплитуду модуляции тока фотодиода 11 на частотах f1 и f> .f2(или на частоте

i 11 — f2i).

Повышение надежности измерений и расширение области применения устройства за счет одновременной регистрации изменения фазы и амплитуды пучка излучения при сканировании его дефлектором по исследуемой поверхности поясняется следующим образом.

Абсолютные величины компонентов сигнала фотодиода на частоте f> и комбинационных частотах, измеряемых микроскопом прототипом, соответственно представляются в виде

i (f)) =а Р1дг(r + J (hp) cos Ap)— — д р г J, (Л р) э1п Лф) (1)

l (f q + 1г) = а P $ 0,5 д p r J q (h, p) +

+0,5д r J1(hp) sinhgp (2) где P —; а — коэффициент пропорциональности; д Г и д p— изменения амплитуды (относительное) и фазы пучка излучения отраженного исследуемой поверхностью, возникающие при сканировании излучения дефлектором по поверхности на частоте 11; Лр- амплитуда изменения фазы излучения на частоте fz rtoсле прохождения фазового модулятора;

A

Jo и J< — функция Бесселя нулевого и первоl o порядка; г — коэффициент отражения исследуемой поверхности, Расположенный в опорном канале заявляемого микроскопа фазовый модулятор позволяет выбором величины постоянного напряжения смещения на нем изменять величину Лф и добиться того, чтобы выполнялось условие Лф = О. В этом случае sin Лф =

0 и, как видно из соотношений (1, 2), величина компоненты сигнала фотодиода на частоте

f< будет пропорциональна дг: ! ® = а Р (r + J, (Ëp)) O r, (3) а величина компонентов сигнала на комбинационных частотах будет определяться д р ! (11 + fz) = 0,5 а Рг J1 (h p) д р, (4)

Таким образом, измерение величин этих 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 — Ne лазера мощностью 0,7 мВт на длине волны 0,633 мкм, проходя через делитель излучения, отклонялось акустооптическим дефлектором на стоячей волне с частотой f> = 1104,6 кГц и фокусиро5

Формула изобретения

Дифференциальный оптический сканирующий микроскоп, содержащий последовательно установленные лазер и делитель излучения, объектный канал, в виде дефлек45 тора, 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, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения надежно50

55 сти измерений и расширения области применения, он снабжен фазовым модулятором, установленным в опорном кавалось линзой с фокусным расстоянием 10 см на исследуемую поверхность, Диаметр пятна излучения в фокусе составлял примерно 50 мкм и амплитуда отклонения излу15 чения дефлектором на поверхности достигала 70 мкм. Отраженное делителем излучение проходило через фазовый электрооптический модулятор, на который подавалось переменнное напряжение

20 амплитудой 60 В на частоте fz = 2 МГц и постоянное напряжение смещения вплоть до 250 В. Излучение, отраженное зеркалом и исследуемой поверхностью, регистрировалось фотодиодом, сигнал которого пода25 вался на анализатор спектра CKA-59.

Исследование фазового и амплитудного рельефа поверхности осуществлять путем сканирования исследуемого образца вдоль оси Х с шагом 10 мкм при различных поло30 жениях его по координате Y. В качестве исследуемых образцов были взяты пластинки кремния, на которые напылялись слои различных металлов толщинами от 20А до

200 А методом высокочастотного ионно35 плазменного распыления. Эксперименты показали возможность измерения фазового рельефа поверхности с точностью до 1 А и амплитудного рельефа (изменения коэффициента отражения) вплоть до 10

1767330

Составитель C.Áoæåâîëüíûé

Техред М.Моргентал Корректор Н.Милюкова

Редактор B,Ñóxàíoâà

Заказ 3540 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 нале между делителем излучения и зеркалом и источником постоянного напряжения смещения, связанным с фазовым модулятором,