Способ определения эллипсометрических параметров объекта (варианты)

 

Использование: эллипсометрия in situ оптически анизотропных тел. Сущность: способ включает в себя использование одновременно объекта, эталона и ряда потоков поляризованных электромагнитных волн (ПЭВ) с идентичным рядом частот, отщепление от потоков до взаимодействия с объектом опорных частей, посылку на эталон отщепленных опорных и на объект оставшихся после отщепления информационных частей под некоторыми для каждого потока отличными от остальных углами падения, разделение после взаимодействия с эталоном опорных и с объектом информационных частей в каждом потоке ПЭВ на четыре опорных и соответственно четыре информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации, спектральное разложение пучков на соответственные частотам в потоках ПЭВ подпучки, одновременное измерение их интенсивности и определение по совместным для соответственных частот в каждом потоке ПЭВ соотношениям эллипсометрических параметров объекта (ЭПО), а также выбор при этом ряда потоков ПЭВ и частот в них соответственно требованиям задачи определения in situ состояния объекта в реальном времени, причем предусматривает дополнительно обеспечение одинаковых условий для ввода и вывода опорных частей на эталоне и информационных частей на объекте и для распространения соответственным опорным и информационным частям потоков ПЭВ и их подпучкам на всем пути от момента и места отщепления опорных частей до момента и места измерения интенсивности подпучков, компенсацию аппаратной разности фаз для соответственных опорных и информационных подпучков в каждом потоке ПЭВ. Способ пригоден для любых быстрых и сверхбыстрых процессов, импульсных процессов и режимов in situ. Техническим результатом является повышение информативности способа. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-физических измерений, а точнее к эллипсометрии, и может найти применение в научных исследованиях и современных технологиях.

Эллипсометрия известна как область оптико-физических измерений параметров тонких слоев на поверхности различных физических объектов по изменению состояния поляризованных электромагнитных волн (далее - ПЭВ) при взаимодействии с объектом.

Эллипсометрические измерения являются бесконтактными неразрушающими. Они могут проводиться в режиме in situ и при использовании импульсного излучения, но требуют при этом соответственного быстродействия и одновременности действий при определении так называемых эллипсометрических параметров объекта (далее - ЭПО), в частности, отношения модулей и разности фаз комплексных амплитудных коэффициентов отражения для линейно поляризованных компонент ПЭВ p- и s-типа относительно объекта. Определение ЭПО, особенно в режиме in situ или при использовании импульсного излучения, проводят при известных и постоянных частотах ПЭВ, углах падения на объект потоков ПЭВ, оптических свойствах окружающей объект среды и т.п. Но обычная эллипсометрия позволяет определить в режиме in situ только два ЭПО, что ограничивает информативность способа. Так, обычный известный случай объекта в виде изотропной прозрачной пленки на подобной подложке требует знания трех параметров: показателей преломления пленки и подложки и толщины пленки.

Известны способы определения ЭПО [1], заключающиеся в том, что посылают на объект поток ПЭВ, направляют его после взаимодействия с объектом в измерительный канал, измеряют интенсивность поступающего в упомянутый канал потока ПЭВ для соответственных последовательных операций и определяют два ЭПО.

Известен еще один способ определения ЭПО [2], заключающийся в том, что модулируют поток ПЭВ по амплитуде и фазе с различными, соответственно, частотами модуляции, расщепляют поток ПЭВ на сходные пучки, посылают их на объект и, соответственно, на эталон и далее по очереди в измерительный канал, измеряют их интенсивности на соответственных упомянутых частотах модуляции потоков ПЭВ и определяют два ЭПО.

Известен другой способ определения ЭПО [3], заключающийся в том, что посылают на объект одновременно два потока ПЭВ некоторой частоты под определенными для каждого потока ПЭВ отличными от остальных углами падения.

Недостатком этих известных способов определения ЭПО [1-3] является определение при их осуществлении двух ЭПО.

По этой причине выбираем в качестве прототипа предлагаемого изобретения другой известный способ определения ЭПО [4], заключающийся в том, что используют поток поляризованных электромагнитных волн (далее - ПЭВ) некоторой частоты, отщепляют от него до взаимодействия с объектом опорную часть, посылают на объект оставшуюся после отщепления информационную часть под некоторым углом падения, разделяют опорную часть непосредственно и информационную часть после взаимодействия с объектом на четыре опорных и соответственно четыре информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации, измеряют одновременно интенсивности пучков и определяют по совместным соотношениям три эллипсометрических параметра объекта (далее - ЭПО).

Однако недостатком этого другого выбранного в качестве прототипа предлагаемого изобретения известного способа определения ЭПО [4] является определение при его осуществлении трех ЭПО в случаях, когда для задачи определения состояния объекта в режиме in situ требуется более трех параметров.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи, состоящей в существенном расширении информативности способа определением трех ЭПО одновременно для ряда углов падения потоков ПЭВ на объект.

Это достигают тем, что используют ряд потоков ПЭВ некоторой частоты, отщепляют от них до взаимодействия с объектом опорные части, посылают на объект оставшиеся после отщепления информационные части под некоторыми для каждого потока отличными от остальных углами падения, разделяют опорные части непосредственно и информационные части после взаимодействия с объектом в каждом потоке ПЭВ на четыре опорных и соответственно четыре информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации, измеряют одновременно интенсивности пучков и определяют по совместным для каждого потока ПЭВ соотношениям три эллипсометрических параметра объекта (далее - ЭПО), при этом выбирают ряд потоков ПЭВ соответственно требованиям задачи определения in situ состояния объекта в реальном времени.

Другое предлагаемое изобретение также направлено на существенное расширение информативности способа определением одновременно трех ЭПО для ряда углов падения на объект многочастотных потоков ПЭВ. В качестве прототипа этого другого предлагаемого изобретения выбираем упомянутый прототип первого предлагаемого изобретения [4].

Решение задачи, на которую направлено другое предлагаемое изобретение, обеспечивают тем, что используют ряд потоков ПЭВ с идентичным рядом частот, отщепляют от них до взаимодействия с объектом опорные части, посылают на объект оставшиеся после отщепления информационные части под некоторыми для каждого потока отличными от остальных углами падения, разделяют опорные части непосредственно и информационные части после взаимодействия с объектом в каждом потоке на четыре опорных и соответственно четыре информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации, разлагают спектрально пучки до измерений интенсивности на соответственные частотам в потоках ПЭВ подпучки, измеряют одновременно интенсивности подпучков и определяют по совместным для соответственных частот в каждом потоке ПЭВ соотношениям три ЭПО, при этом выбирают ряд потоков ПЭВ и частоты в них соответственно требованиям задачи определения in situ состояния объекта в реальном времени.

Решение задачи обеспечивают также и тем, что используют одновременно для частично прозрачного объекта отражаемую и пропускаемую им доли информационной части потоков ПЭВ.

Дополнительная задача, на решение которой направлены также предлагаемые изобретения, состоит в упрощении определения ЭПО в режиме in situ.

Решение дополнительной задачи обеспечивают тем, что используют эталон в опорных частях потоков ПЭВ, при этом действуют с ними на эталоне идентично действиям с соответственными информационными частями на объекте.

Решение дополнительной задачи достигают также тем, что обеспечивают одинаковые условия распространения соответственным опорным и информационным частям в каждом потоке ПЭВ от момента и места отщепления от потоков опорных частей до момента и места измерения интенсивности пучков и соответственно подпучков.

Решение дополнительной задачи достигают и тем, что обеспечивают одинаковые условия ввода и вывода соответственным опорным частям на эталоне и информационным частям на объекте в каждом потоке ПЭВ.

Решение дополнительной задачи обеспечивают также и тем, что компенсируют аппаратную разность фаз для соответственных опорных и информационных пучков или подпучков в каждом потоке ПЭВ.

При осуществлении предлагаемого изобретения используют: - потоки ПЭВ, получаемые любым известным способом, в частности пропусканием потока электромагнитных волн (далее - ЭВ) через поляризатор; - потоки ПЭВ некоторой частоты, получаемые любым известным способом, в частности от ОКГ; - отщепление опорных частей от потоков ПЭВ до их взаимодействия с объектом любым известным способом с обеспечением при этом в реальном времени постоянства характерных для используемого способа соотношений между амплитудами и соответственными фазами поляризованных компонент в опорных и информационных частях потоков ПЭВ; - посылку на объект и эталон информационных и соответственно опорных частей потоков ПЭВ любым известным способом, в частности установкой на пути потоков ПЭВ плоских направляющих зеркал; - разделение опорных и информационных частей на четыре опорных и соответственно четыре информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации известным способом, представленным, например, в описании выбранного нами наиболее близкого аналога [4]; - спектральное разложение пучков ПЭВ на соответственные частотам в потоках подпучки любым известным способом, в частности отражением фазовой дифракционной решеткой типа эшелетта или пропусканием через селективные интерференционные светофильтры и систему оптических волоконных световодов; - одновременное измерение интенсивности пучков или подпучков любым известным способом, в частности фотоприемниками с регистрацией электрического сигнала на их выходе; - определение трех ЭПО для соответственных частот в каждом потоке ПЭВ по известным совместным соотношениям, представленным, в частности, в описании прототипа [4]; - компенсацию аппаратной разности фаз для соответственных опорных и информационных пучков и соответственно подпучков в каждом потоке ПЭВ любым известным способом, в частности введением на пути упомянутых пучков или подпучков до измерения их интенсивности любых известных компенсаторов оптической разности фаз.

На чертеже представлена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа при использовании потоков ПЭВ с идентичным рядом частот в случае объекта в жидкой химически активной среде (например, в случае полупроводниковых пластин в среде жидкого травителя при литографической обработке). На чертеже: 1 - источники электромагнитных волн (далее - ЭВ) с различными соответственно частотами (на чертеже три различных лазера); 2 - блок пуска и питания источников ЭВ; 3 - совместитель; 4 - поляризатор; 5 - светоделители; 6 - направляющие зеркала; 7 - светоотщепитель; 8и - объект; 8э - эталон; 9и и 9о - системы формирования информационных и опорных пучков; 10и и 10о системы спектрального разложения информационных и опорных пучков на соответственные частотам потоков ПЭВ информационные и опорные подпучки; 11и и 11о - компенсаторы аппаратной разности фаз для соответственных информационных и опорных подпучков; 12и и 12о - фотоприемники для измерения интенсивностей соответственно информационных и опорных подпучков; 13и и 13о - система усиления и регистрации электрических сигналов с выходов соответственных фотоприемников; 14 - система обработки банка электрических сигналов; 15 - система отображения банка данных (набора ЭПО для соответственных частот в каждом потоке ПЭВ, отличаемом углом падения на объект 8и, соответственно требованиям задачи определения in situ состояния объекта в реальном времени), 16 - линия синхронизации блока 2 пуска и питания источников ЭВ и системы 14 обработки банка электрических сигналов; 17и и 17э - входные фоконы, т.е. конические световоды на объекте 8и и соответственно эталоне 8э; 18и и 18э - камеры для объекта 8и и соответственно эталона 8э; 19и и 19э - держатели для установки объекта 8и в камере 18и и соответственно эталона 8э в камере 18э; 20и и 20э - окружающие соответственно объект 8и и эталон 8э жидкие химически активные среды; 21и и 21э - выходные фоконы на объекте 8и и эталоне 8э соответственно.

Предлагаемый способ по чертежу осуществляют в случае объекта в жидкой химически активной среде (например, в случае полупроводниковых пластин в среде жидкого травителя при литографической обработке) при использовании ряда потоков ПЭВ с идентичным рядом частот следующим образом. Лазеры как источники электромагнитных волн (далее - ЭВ) с различными соответственно частотами (на чертеже три различных лазера) запускают блоком 2 пуска и питания источников ЭВ; потоки ЭВ с различными соответственно частотами от упомянутых лазерных источников 1 ЭВ совмещают совместителем 3 в один совместный поток ЭВ с рядом частот, направляют этот совместный поток ЭВ через линейный поляризатор 4 на светоделители 5 и разделяют ими на ряд потоков ПЭВ с идентичным рядом частот; посылают этот ряд потоков ПЭВ с идентичным рядом частот направляющими зеркалами 6 на светоотщепитель 7 и расщепляют им упомянутые потоки ПЭВ до взаимодействия с объектом 8и и соответственно эталоном 8э на информационные и опорные части потоков ПЭВ, посылают на эталон 8э опорные части и на объект 8и оставшиеся после отщепления информационные части под некоторыми соответственными для каждого потока отличными от остальных углами падения через установленные на пути упомянутых опорных и информационных частей потоков ПЭВ идентичные соответственно входные фоконы, т.е. конические световоды, 17э и 17и на эталоне 8э и соответственно на объекте 8и; отсылают далее соответственно от эталона 8э и объекта 8и через установленные на пути отражаемых эталоном 8э и объектом 8и долей опорных и информационных частей потоков ПЭВ идентичные входным соответственные выходные фоконы 21э и 21и на вход соответственных систем 9о и 9и формирования опорных и информационных пучков с различными типами поляризации в потоках ПЭВ и разделяют ими опорные части после взаимодействия с эталоном и информационные части после взаимодействия с объектом 8и в каждом потоке ПЭВ на четыре опорных и соответственно четыре информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации; разлагают спектрально эти упомянутые пучки на соответственные частотам потоков ПЭВ опорные и информационные подпучки соответственными системами 10о и 10и спектрального разложения опорных и информационных пучков на соответственные частотам потоков ПЭВ опорные и информационные подпучки; далее компенсируют установленными на пути соответственных опорных и информационных подпучков в каждом потоке ПЭВ компенсаторами 11э и 11и аппаратные разности фаз для соответственных опорных и информационных подпучков; измеряют одновременно интенсивности опорных и соответственных информационных подпучков в каждом потоке ПЭВ соответственными фотоприемниками 12о и 12э; усиливают и далее регистрируют системами 13о и 13и усиления и регистрации электрических сигналов поступающие с выходов фотоприемников 12о и 12и соответственные опорные и информационные электрические сигналы; посылают далее электрические сигналы в систему 14 обработки банка электрических сигналов и определяют в системе 14 по совместным для каждой частоты и каждого угла падения на объект и соответственно на эталон ЭПО при использовании быстродействующих компьютеров с достаточной оперативной памятью и выводят с помощью системы 15 отображения банка данных соответственные данные в виде набора данных ЭПО для всего ряда частот и всех углов падения потоков ПЭВ на объект соответственно требованиям задачи определения in situ состояния объекта в реальном времени, при этом синхронизируют работу блока 2 пуска и питания источников ЭВ и системы 14 обработки банка электрических сигналов, а эталон 8э и соответственно объект 8и помещают в камеры 18э и 18и на держателях 19э и 19и при окружении их жидкими химически активными средами 20э и соответственно 20и, причем устанавливают упомянутые входные и выходные фоконы в камерах эталона 18э и объекта 18и одними своими торцевыми сторонами навстречу нормально падающим на них частям потоков ПЭВ в воздухе и другими торцевыми сторонами в жидких химически активных средах 20э и 20и в непосредственной близости от эталона 8э и соответственно объекта 8и и выбирают показатели преломления материалов фоконов и жидких сред одинаковыми.

Возможность определения одновременно в режиме in situ набора ЭПО соответственно требованиям задачи определения состояния объекта в реальном времени следует из общих известных законов взаимодействия поляризованного монохроматического электромагнитного излучения с объектом. Такая возможность следует из обоснованной в выбранном нами наиболее близком аналоге предлагаемого изобретения [4] возможности определения одновременно трех ЭПО: модулей ρ_p и ρ_s и разности Δ фаз комплексных амплитудных коэффициентов отражения компонент потоков ПЭВ с линейными поляризациями на объекте p- и s-типа в случае потока излучения ПЭВ некоторой частоты при некотором угле падения потока на объект и предлагаемого здесь существенного расширения информативности способа определением одновременно трех ЭПО для ряда углов падения на объект потоков ПЭВ с идентичным рядом частот электромагнитных волн.

Пример 1. На чертеже: 1 - непрерывно накачиваемые лазерные источники электромагнитных волн (далее - ЭВ) с различными длинами волн (полупроводниковые лазеры с рабочей температурой Т = 300К: GaAs, рабочая длина волны λ = 89-0.90 мкм; мощность в непрерывном режиме P=0.70 Вт; Al_xGa_x-1-As, λ = 0.77 мкм, P=0.01 Вт; GaSb, λ = 1.60 мкм, P=0.01 Вт); 2 - блок пуска и питания лазерных источников ЭВ; 3 - совместитель; 4 - поляризатор (дифракционная поляризационная решетка с числом штрихов 6000 на 1 мм и направлением штрихов под углом 45^o к направлению поляризации падающего потока ЭВ при ориентации плоскости решетки под углом 45^o к оси упомянутого потока ЭВ); 5 - светоделители (оптические кубики); 6 - плоские металлизированные направляющие зеркала; 7 - светоотщепитель (светоделительный кубик из хлористого натрия NaCl); 8и - объект (эпитаксиальная пленка антимонида индия n-типа, толщина d = 0.2 мкм, концентрация носителей ≈ 10¹⁵ см^-3, температура Т = 300К, подложка из высокоомного антимонида индия p-типа); 8э - эталон (материальная реализация аналогична объекту 8и); 9o и 9и - системы формирования опорного(о) и информационного (и) пучков с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации (выходной светоделительный кубик из хлористого натрия NaCl, линейные поляризационные призмы Глана-Томсона с коэффициентом гашения ≈ 10^-7); 10о и 10и - системы спектрального разложения опорных и соответственно информационных пучков на соответственные частотам потоков ПЭВ опорные и информационные подпучки (дифракционные фазовые отражательные решетки типа эшелетта с числом штрихов 6000 на 1 мм с направлением угла штрихов под 45^o к направлению плоскости решетки; волоконные световоды; интерференционные светофильтры на соответствующие длины волн λ = 0.89 мкм, λ = 0.77 мкм и λ = 1.60 мкм); 11о и 11и - компенсаторы аппаратной разности фаз для соответственных опорных и информационных подпучков (компенсаторы Солейля); 12о и 12и - фотоприемники (ФЭУ-68, усиление -40 дб), 13о и 13и - система усиления и регистрации электрических сигналов; 14 - система обработки банка электрических сигналов и 15 - система отображения банка данных (системы 14 и 15 образуют объединенную систему с автоматическим управлением от вычислительного комплекса. PC/AT); 16 - линия синхронизации вычислительного комплекса (14, 15) с блоком 2 пуска и питания лазерных источников 1 электромагнитных волн; 17э и 17и - входные фоконы, т.е. конические световоды на эталоне 8э и соответственно на объекте 8и; 18э и 18и - камеры для размещения соответственно эталона 8э и объекта 8и; 19э и 19и - держатели для установки соответственно эталона 8э в камере 18э и объекта 8и в камере 18и; 20э и 20и - жидкие химически активные окружающие соответственно эталон 8э и объект 8и среды (травители при литографической обработке кремниевых пластин); 21э и 21и - выходные фоконы из высокоомного кремния на эталоне 8э и на объекте 8и соответственно.

Расчетные оценки показывают, что предлагаемые способы позволяют обеспечить получение любого требуемого задачей определения in situ состояния объекта в реальном времени набора ЭПО с достижением при этом высоких, выше уровня мировых стандартов, точностных характеристиках: длина электромагнитных волн может быть любой от дальнего ИК диапазона (λ ≈ 1 см) до дальнего (вакуумного) ультрафиолетового диапазона (λ ≈ 0.1 нм), длительность импульсов электромагнитных волн может быть от 0.01-1.0 нс до 1.0-0.01 пс, точность измерения интенсивности фотосигналов ≈ 0.001%, чувствительность измерения модулей ρ_p и ρ_s ≈ (2 -3)·10^-5 и разность фаз Δ ≈ 30 микрорадиан.

Источники информации
1. Аззам P. , Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет /М.: Мир, 1981. - 534 с. (с. 195-199, 296-303, 467-473).

2. Авт. свид. СССР N 1252677(А1), кл. G 01 N 21/21, Бюлл. изобр., N 31, 23.08.1986.

3. Авт. свид., 1725773, кл. G 01 J 4/00, опубл. 07.04.92.

4. Патент РФ, N 2008652, кл. G 01 N 21/21, Бюлл. изобр., N 4, 28.02.1994.

Формула изобретения

1. Способ определения эллипсометрических параметров объекта, заключающийся в том, что используют поток поляризованных электромагнитных волн (ПЭВ) некоторой частоты, отщепляют от него до взаимодействия с объектом опорную часть, посылают на объект оставшуюся после отщепления информационную часть под некоторым углом падения, разделяют опорную часть непосредственно и информационную часть после взаимодействия с объектом на четыре опорных и соответственно четыре информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации, измеряют одновременно интенсивности пучков и определяют по совместным соотношениям три эллипсометрических параметра объекта (ЭПО), отличающийся тем, что используют ряд потоков ПЭВ одинаковой частоты, отщепляют от них до взаимодействия с объектом опорные части, посылают на объект оставшиеся после отщепления информационные части под некоторыми для каждого потока отличными от остальных углами падения, разделяют опорные части непосредственно и информационные части после взаимодействия с объектом в каждом потоке ПЭВ на четыре опорных и соответственно четыре информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации, измеряют одновременно интенсивности пучков и определяют по совместным для каждого потока ПЭВ соотношениям ЭПО, при этом выбирают ряд потоков ПЭВ соответственно требованиям задачи определения in situ состояния объекта в реальном времени.

2. Способ определения эллипсометрических параметров объекта, заключающийся в том, что используют поток поляризованных электромагнитных волн (ПЭВ) некоторой частоты, отщепляют от него до взаимодействия с объектом опорную часть, посылают на объект оставшуюся после отщепления информационную часть под некоторым углом падения, разделяют опорную часть непосредственно и информационную часть после взаимодействия с объектом на четыре опорных и соответственно четыре информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации, измеряют одновременно интенсивности пучков и определяют по совместным соотношениям эллипсометрические параметры объекта (ЭПО), отличающийся тем, что используют ряд потоков ПЭВ с идентичным рядом частот, отщепляют от них до взаимодействия с объектом опорные части, посылают на объект оставшиеся после отщепления информационные части под некоторыми для каждого потока отличными от остальных углами падения, разделяют опорные части непосредственно и информационные части после взаимодействия с объектом в каждом потоке на четыре опорных и соответственно четыре информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации, разлагают спектрально пучки до измерений интенсивности на соответственные частотам в потоках ПЭВ подпучки, измеряют одновременно интенсивности подпучков и определяют по совместным для соответственных частот в каждом потоке ПЭВ соотношениями три ЭПО, при этом выбирают ряд потоков ПЭВ и частоты в них соответственно требованиям задачи определения in situ состояния объекта в реальном времени.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что используют одновременно для частично прозрачного объекта отражаемую и пропускаемую им доли информационной части в каждом потоке ПЭВ.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что используют эталон в опорных частях потоков ПЭВ, при этом действуют с ними на эталоне идентично действиям с соответственными информационными частями на объекте в каждом потоке ПЭВ.

5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что обеспечивают одинаковые условия распространения соответственным опорным и информационным частям в каждом потоке ПЭВ от момента и места отщепления от потоков опорных частей на всем пути до момента и места измерения интенсивности пучков или соответственно подпучков.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что обеспечивают одинаковые условия ввода и вывода соответственным опорным на эталоне и информационным частям на объекте в каждом потоке ПЭВ.

7. Способ по пп.4 - 6, отличающийся тем, что компенсируют аппаратную разность фаз для соответственных опорных и информационных пучков или подпучков в каждом потоке ПЭВ.

РИСУНКИ

Рисунок 1