Спектральный эллипсометр

Изобретение относится к оптикоэлектронному приборостроению и предназначено для измерения и исследования тонкопленочных структур и оптических констант поверхностей различных материалов путем анализа поляризации отраженного образцом светового пучка. В спектральном эллипсометре, содержащем последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, коллимирующую оптику, поляризатор, анализатор, полихроматор с фоторегистратором, электрически связанным с блоком управления и обработки сигналов, как поляризатор, так и анализатор выполнены в виде последовательно расположенных на оптической оси двух идентичных ориентированных навстречу друг другу призм, из которых первая - разделяющая световой пучок на два ортогонально поляризованных, идущих параллельно, а вторая - соединяющая вновь в один, размещенного между ними обтюратора, насаженного на вал электродвигателя, который соединен электрически с блоком управления и обработки сигналов, двух оптопар, имеющих электрическую связь с блоком управления и обработки сигналов, прерывателями которых служат выполненные в обтюраторе две кольцевые дорожки окон, пересекающие соответственно первый и второй пучки, при этом окна в кольцевых дорожках расположены периодически, со сдвигом во внешнем и внутреннем кольцах друг относительно друга на 1/2 периода, и выполнены в синхронно вращающихся с одинаковой частотой обтюраторах поляризатора и анализатора со скважностью 1/4 и 1/2, соответственно, причем при измерениях азимут поляризатора составляет +30°, а азимут анализатора составляет -30°. Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и точности измерения спектрального эллипсометра, работающего в реальном масштабе времени. 4 ил.

 

Изобретение относится к оптикоэлектронному приборостроению и предназначено для измерения и исследования тонкопленочных структур и оптических констант поверхностей различных материалов путем анализа поляризации отраженного образцом светового пучка.

Известен спектральный эллипсометр (а. с. СССР №1369471, МПК 5 G 01 J 4/04), содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси монохроматор, коллимирующую оптику, поляризатор, анализатор, фоторегистратор (фотоприемник), систему регистрации и обработки данных, а также диафрагму с двумя отверстиями и обтюратор, размещенные по ходу пучка излучения после коллимирующей оптики, второй поляризатор, причем каждый из поляризаторов оптически связан с соответствующим отверстием в диафрагме и установлен с возможностью вращения вокруг направления падающего на поляризатор излучения, при этом каждый из поляризаторов выполнен в виде последовательно установленных и оптически связанных двух параллельных зеркал с металлическим покрытием и двух отражающих пластин полупроводникового материала, установленных под углом Брюстера к падающему излучению.

В данном устройстве измерения производятся фотометрированием светового пучка, падающего на фотоприемник. Состояние поляризации отраженного поверхностью образца света зависит от параметров Ψ(λ) и Δ(λ), которые определяются коэффициентами отражения образца Rp(λ) и Rs(λ)

где λ - длина волны света,

Δ(λ) - фазовый сдвиг между ортогонально поляризованными компонентами излучения, возникающий при отражении,

Rp(λ) - амплитудный коэффициент отражения света, поляризованного в плоскости падения,

Rs(λ) - амплитудный коэффициент отражения света, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

В данном устройстве определение параметров Ψ и Δ производится последовательно, для каждой длины волны света. Определение Ψ(λ) и Δ(λ) во всем рабочем спектральном диапазоне занимает значительное время, что ограничивает быстродействие прибора. Такой прибор не может быть использован в системах контроля, работающих в реальном масштабе времени.

Наиболее близким по технической сущности является спектральный эллипсометр (N.V.Nguyen, В.S.Pudliner, Ilsin An., R.W.Collins. "Error correction for calibration and data reduction in rotating-polarizer ellipsometry: applications to a novel multichannel ellipsometer" J.Opt. Soc. Am. A Vol.8, No. 6/June, 1991, p.919), содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, поляризатор, анализатор, полихроматор, фоторегистратор, электрически связанный с блоком управления и обработки сигнала, при этом фоторегистратор выполнен многоэлементным фотоприемником в виде линейки фотодиодов, а причем поляризатор вставлен в механизм вращения с датчиком азимутального угла и соединен с блоком управления и обработки сигнала.

В данном устройстве определение параметров Ψ и Δ производится циклически, при непрерывном вращении поляризатора с заданной постоянной скоростью, последовательным фотометрированием отраженного пучка, прошедшего анализатор и полихроматор, в азимутальных секторах по 45°, на которые разбит один оборот поляризатора, причем одновременно для всех λ. При этом сигналы с каждого элемента фотоприемника интегрируются за время прохождения одного сектора и далее, после оцифровки в блоке управления и обработки сигнала используются для вычисления Ψ и Δ. Данный спектральный эллипсометр позволяет работать в реальном масштабе времени благодаря параллельному измерению при всех длинах волн.

Недостатком данного устройства являются погрешности фотометрирования, возникающие из-за неравномерности вращения поляризатора и наличия темнового тока в многоэлементном фотоприемнике. Неравномерность вращения поляризатора приводит к флуктуациям времени экспозиции фотосигнала и, как следствие, к погрешностям в определении Ψ и Δ. Погрешность, связанная с темновым током, как правило, устраняется дополнительным циклом интегрирования, при перекрытом пучке, с последующим вычитанием из основного сигнала, однако в данном устройстве такая операция в процессе работы не производится, таким образом, данная погрешность также влияет на измеренное значение Ψ и Δ.

Кроме того, из-за значительной массы патрона с поляризатором и соответствующих габаритов подшипников скорость вращения поляризатора и, следовательно, быстродействие прибора ограничены.

Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и точности измерения спектрального эллипсометра, работающего в реальном масштабе времени.

Технический результат достигается тем, что в спектральном эллипсометре, содержащем последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, коллимирующую оптику, поляризатор, анализатор, полихроматор с фоторегистратором, электрически связанным с блоком управления и обработки сигналов, как поляризатор, так и анализатор выполнены в виде последовательно расположенных на оптической оси двух идентичных ориентированных навстречу друг другу призм, из которых первая - разделяющая световой пучок на два ортогонально поляризованных, идущих параллельно, а вторая - соединяющая вновь в один, размещенного между ними обтюратора, насаженного на вал электродвигателя, который соединен электрически с блоком управления и обработки сигналов, двух оптопар, имеющих электрическую связь с блоком управления и обработки сигналов, прерывателями которых служат выполненные в обтюраторе две кольцевые дорожки окон, пересекающие соответственно первый и второй пучки, при этом окна в кольцевых дорожках расположены периодически, со сдвигом во внешнем и внутреннем кольцах друг относительно друга на 1/2 периода, и выполнены в синхронно вращающихся с одинаковой частотой обтюраторах поляризатора и анализатора со скважностью 1/4 и 1/2, соответственно, причем при измерениях азимут поляризатора составляет +30°, а азимут анализатора составляет -30°.

Сущность изобретения поясняется описанием и фигурами.

На Фиг.1 представлена блок-схема спектрального эллипсометра, где 1 - плечо поляризатора, 2 - плечо анализатора, 3 - источник света, 4 - коллимирующая линза, 5 - призма-делитель, 6 - призма-соединитель, 7 - диск обтюратора в поляризаторе, 8 - электродвигатель, 9 и 10 - светодиоды, 11 и 12 - фотоприемники, 13 - столик для крепления образца, 14 - призма-делитель, 15 - призма-соединитель, 16 - диск обтюратора в анализаторе, 17 - электродвигатель, 18 и 19 - светодиоды, 20 и 21 - фотодиоды, 22 - линза-конденсор, 23 - полихроматор, 24 - фоторегистратор, 25 - блок управления и обработки сигналов.

На Фиг.2 показаны диски обтюратора в плече поляризатора и в плече анализатора, а также места пересечения ими разделенных, ортогонально поляризованных пучков и сечения каналов оптопар, где 7 - диск обтюратора в поляризаторе, 16 - диск обтюратора в анализаторе, 26 и 27 - места пересечения диском обтюратора в плече поляризатора разделенных и ортогонально поляризованных пучков, 28 и 29 - сечения оптопар в диске обтюратора в плече поляризатора, 30 и 31 - места пересечения диском обтюратора в плече анализатора разделенных и ортогонально поляризованных пучков, 32 и 33 - сечения каналов оптопар в диске обтюратора в плече анализатора.

На Фиг.3 показаны направления колебаний электрического вектора в плоскости, перпендикулярной пучку, падающему на образец, и направления колебаний электрического вектора в плоскости, перпендикулярной пучку, прошедшему анализатор.

На Фиг.4 показаны а) сигналы напряжения с оптопары, образуемой светодиодом 9 и фотодиодом 11, при вращении обтюратора поляризатора, b) сигналы напряжения с оптопары, образуемой светодиодом 10 и фотодиодом 12, при вращении обтюратора поляризатора, с) сигналы напряжения с оптопары, образуемой светодиодом 18 и фотодиодом 20, при вращении обтюратора анализатора, d) сигналы напряжения с оптопары, образуемой светодиодом 19 и фотодиодом 21, при вращении обтюратора анализатора, е) интенсивность пучка света, падающего на входную щель полихроматора.

Спектральный эллипсометр содержит (Фиг.1) плечо поляризатора 1, плечо анализатора 2, источник света 3, коллимирующую линзу 4, призму-делитель 5, призму-соединитель 6, диск обтюратора 7, электродвигатель 8, светодиоды 9 и 10, фотодиоды 11 и 12, столик для крепления образца 13, призму-делитель 14, призму-соединитель 15, диск обтюратора 16, электродвигатель 17, светодиоды 18 и 19, фотодиоды 20 и 21, линзу-конденсор 22, полихроматор 23, фоторегистратор 24, блок управления и обработки сигналов 25.

Спектральный эллипсометр состоит из двух плеч, смонтированных на гониометре: плеча поляризатора 1, плеча анализатора 2, имеющих возможность разворота относительно общей оси и фиксации на выбранном угле между ними. Плечо поляризатора 1 содержит: последовательно оптически связанные источник света 3, коллимирующую линзу 4, призму-делитель 5, диск обтюратора 7, насаженный на вал электродвигателя 8, электрически соединенного с блоком управления и обработки сигналов 25, призму-соединитель 6, две оптопары, образованные светодиодами 9, 10 и соответствующими им фотодиодами 11, 12, которые также электрически соединены с блоком управления и обработки сигналов 25. Плечо анализатора 2 содержит: последовательно оптически связанные призму-делитель 14, диск обтюратора 16, насаженный на вал электродвигателя 17, электрически соединенного с блоком управления и обработки сигналов 25, призму-соединитель 15, линзу-конденсор 22, полихроматор 23 с фоторегистратором 24, электрически соединенным с блоком управления и обработки сигналов 25, две оптопары, образованные светодиодами 18, 19 и соответствующими им фотодиодами 20, 21, которые также электрически соединены с блоком управления и обработки сигналов 25. Между плечами поляризатора и анализатора находится столик для крепления образца 13, эти элементы оптически связаны между собой. На Фиг.1 плоскость деления пучка в плечах поляризатора и анализатора совпадает с плоскостью чертежа. В рабочем положении плоскость деления пучка в поляризаторе развернута относительно оптической оси на +30°, а плоскость деления пучка в анализаторе на -30° относительно оптической оси.

Источником излучения 3 в плече поляризатора 1 служит источник, излучающий в широкополосном спектре, например, дуговая ксеноновая лампа.

В качестве коллимирующей оптики может быть использована как одиночная линза (коллимирующая линза 4), так и линзо-зеркальный коллектив, обеспечивающие формирование параллельного или слаборасходящегося пучка.

Призма-делитель 5, призма-соединитель 6, призма-делитель 14 и призма-соединитель 15 являются идентичными элементами. Их выполняют из цельного прямоугольного бруска двупреломляющего материала, например, кальцита, оптическая ось которого составляет угол порядка 45° с направлением распространения пучка в призме, однако для такой конструкции требуется заготовка значительных размеров (в зависимости от расстояния, на которое необходимо развести пучок). Для экономии дорогостоящего кальцита призмы выполняют составными, как показано на Фиг.1, склеенными из трех прямых призм: двух треугольных из кальцита, оптическая ось которого перпендикулярна основанию и одной в виде параллелограмма из плавленого кварца или стекла. Призма-соединитель 6, идентичная призме-делителю 5, расположена симметрично ей относительно плоскости диска обтюратора 7. Призма-соединитель 15 также идентична призме-делителю 14 и расположена симметрично ей относительно плоскости диска обтюратора 16.

Призмы-делители выполняют таким образом, чтобы расстояние, на которое требуется развести пучки, обеспечивало пересечение окон диска обтюратора одним пучком на уровне внутреннего кольца окон, а вторым - на уровне внешнего кольца окон.

Обтюраторы выполнены в виде дисков, например, из металлического листа. Каждый из дисков имеет две кольцевые дорожки окон, уровень внутреннего кольца и уровень внешнего кольца (см. Фиг.2). Кольцевые дорожки окон пересекают соответственно первый и вторые пучки и являются прерывателями в оптопарах. Окна в кольцах обтюраторов расположены периодически, причем со сдвигом расположения окон во внешнем и внутреннем кольцах друг относительно друга на 1/2 периода. В кольцевых дорожках обтюратора поляризатора они выполнены в виде вырезов, обеспечивающих скважность светового импульса 1/4. В кольцевых дорожках обтюратора анализатора период расположения окон вдвое больше, и выполнены окна в виде вырезов, обеспечивающих скважность светового импульса, равную 1/2.

Фазовое положение дисков обтюраторов 7 и 16 согласовано таким образом, что окна пропускания, выполненные во внешних кольцах, открываются одновременно.

В предлагаемом спектральном эллипсометре полихроматор с фоторегистратором в виде многоэлементного фотоприемника используют такие, как, например, в известном техническом решении, а в основе выполнения блока управления и обработки сигналов лежит также известное схемотехническое решение (N.V.Nguyen, В.S.Pudliner, Ilsin An., R.W.Collins. "Error correction for calibration and data reduction in rotating-polarizer ellipsometry: applications to a novel multichannel ellipsometer" J.Opt. Soc. Am. A Vol.8, No. 6/June,1991, p.919).

Спектральный эллипсометр работает следующим образом.

Свет от источника излучения 3 собирается в параллельный или слаборасходящийся пучок коллимирующей линзой 4 и направляется на призму-делитель 5. Пучок неполяризованного света, падающий на границу кальцита и плавленого кварца в призме-делителе 5, разделяется на два пучка ортогонально линейно-поляризованных, идущих под углом друг к другу и далее, преломляясь на второй границе, параллельной первой, пучки выходят из призмы-делителя 5 параллельно друг другу, причем независимо от длины волны. Далее, пучки пересекают диск обтюратора 7 (Фиг.2), один на уровне внутреннего кольца окон, другой на уровне внешнего кольца. После прохождения плоскости диска обтюратора 7 (Фиг.1) пучки попадают в призму-соединитель 6, которая идентична призме-делителю 5 и расположена симметрично ей относительно плоскости диска обтюратора 7. Здесь пучки вновь соединяются в один, который падает на исследуемый образец, находящийся на столике 13.

Отраженный пучок направляется в плечо анализатора 2 (Фиг.1), где последовательно проходит призму-делитель 14, где разделяется на два ортогонально поляризованных пучка (так же, как это происходит в 5), которые пересекают диск обтюратора 16, один на уровне внутреннего кольца окон, другой на уровне внешнего кольца. После прохождения плоскости диска обтюратора 16 (Фиг.1) пучки попадают в призму-соединитель 15, которая идентична призме-делителю 14 и расположена симметрично ей относительно плоскости диска обтюратора 16. Здесь пучки вновь соединяются в один, который линзой-конденсором 22 фокусируется на входной щели полихроматора 23, где разлагается в спектр, и интенсивность каждой спектральной компоненты преобразуется в электрический сигнал в фоторегистраторе 24. С фоторегистратора сигналы поступают в блок обработки и управления сигналов 25, куда одновременно поступают сигналы с оптопар.

В процессе измерения диски обтюраторов вращаются синхронно, с одинаковой частотой, причем их фазовое положение согласовано таким образом, что окна пропускания во внешних кольцах открываются одновременно. На Фиг.4 показаны сигналы напряжения, которые идут при вращении обтюратора поляризатора: а) с оптопары, состоящей из светодиода 9 и фотодиода 11, b) - с оптопары, состоящей из светодиода 10 и фотодиода 12; при вращении обтюратора анализатора: с) - с оптопары, состоящей из светодиода 18 и фотодиода 20, d) - с оптопары, состоящей из светодиода 19 и фотодиода 21, е) - интенсивность пучка света, падающего на входную щель полихроматора 23. Один цикл измерения соответствует 1/2 оборота обтюраторов и состоит из восьми равновременных интервалов τ₁-τ₈ (Фиг.4): четыре интервала τ₁, τ₃, τ₅, τ₇, в которые на входную щель полихроматора падает излучение, чередуются с четырьмя интервалами τ₂, τ₄, τ₆, τ₈, в которые излучение перекрыто. Многоканальный фоторегистратор 24 работает непрерывно - циклически, при этом интервал τ может содержать от одного до нескольких циклов запись - считывание. В интервалах τ₁, τ₃, τ₅, τ₇ производится фоторегистрация излучения, в интервалах τ₂, τ₄, τ₆, τ₈ фоторегистрация фона.

Данные с фоторегистратора 24 передаются в блок управления и обработки сигналов 25 (Фиг.1), куда одновременно поступают сигналы с оптопар. Номер интервала, которому соответствует полученный сигнал с фоторегистратора, определяется по сигналам с оптопар. τ₁ соответствует наличию сигнала на оптопарах, состоящих из светодиода 9 и фотодиода 11 и также светодиода 18 и фотодиода 20; τ₂ – только наличию сигнала на оптопаре, состоящей из светодиода 18 и фотодиода 20; τ₃ соответствует наличию сигнала на оптопарах, состоящих из светодиода 10 и фотодиода 12 и также светодиода 18 и фотодиода 20; τ₄ - только наличию сигнала на оптопаре, состоящей из светодиода 18 и фотодиода 20; τ₅ - соответствует наличию сигнала на оптопарах, состоящих из светодиода 9 и фотодиода 11 и также светодиода 19 и фотодиода 21; τ₆ - только наличию сигнала на оптопаре, состоящей из светодиода 19 и фотодиода 21; τ₇ - соответствует наличию сигнала на оптопарах, состоящих из светодиода 10 и фотодиода 12 и также светодиода 19 и фотодиода 21; τ₈ - только наличию сигнала на оптопаре, состоящей из светодиода 19 и фотодиода 21. Таким образом, интервалы τ₁, τ₃, τ₅, τ₇, в которые фотометрируется излучение, однозначно различимы. Измеренная величина фона вычитается из величины излучения в соседнем интервале. Сигналы с оптопар, перекрываемых внешними кольцевыми дорожками окон, используются в блоке управления и обработки сигналов 25 для стабилизации частоты вращения обтюраторов и синхронизации фазового положения дисков.

На Фиг.3 показаны сплошными линиями направления колебаний электрического вектора в плоскости, перпендикулярной пучку в падающем на образец пучке, и пунктирными линиями - в пучке, прошедшем анализатор. YZ - плоскость падения, перпендикулярная XY, A₁ - направление колебаний в пучке, прошедшем через внутреннее кольцо окон обтюратора поляризатора; А₂ - в пучке, прошедшем через внешнее кольцо окон в том же обтюраторе; А₃ - в пучке, проходящем через внутреннее кольцо окон обтюратора анализатора; А₄ - в пучке, проходящем внешнее кольцо обтюратора анализатора. При измерениях азимут поляризатора составляет +30°, а азимут анализатора составляет -30°.

В интервале τ₁ через поляризатор проходит пучок, поляризованный по направлению A₁ (Фиг.3). После отражения от образца он проходит анализатор, где делится на два канала, причем на фоторегистратор попадает только пучок, поляризованный по направлению А₃ (Фиг.3). Интенсивность каждой спектральной компоненты этого пучка дается выражением:

где I₀ - интенсивность спектральной компоненты неполяризованного пучка на входе поляризатора;

R_p - амплитудный коэффициент отражения света, поляризованного в плоскости падения;

Δ - фазовый сдвиг между ортогонально поляризованными компонентами излучения, возникающий при отражении;

Rs - амплитудный коэффициент отражения света, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

В интервале τ₃ через поляризатор проходит пучок, поляризованный по направлению A₂ (Фиг.3). После отражения от образца он проходит анализатор, который выделяет компоненту, поляризованную по направлению А₃. Ее интенсивность равна:

В интервале τ₅ через поляризатор проходит пучок, поляризованный по направлению A₁ (Фиг.3). После отражения от образца он проходит анализатор, который выделяет компоненту, поляризованную по направлению А₄. Ее интенсивность равна:

В интервале τ₇ через поляризатор проходит пучок, поляризованный по направлению А₂ (Фиг.3). После отражения от образца он проходит анализатор, который выделяет компоненту, поляризованную по направлению А₄. Ее интенсивность равна:

В формулах (3)-(5) расшифровка буквенных символов такая же, как и в формуле (2).

По измеренным значениям I₁, I₃, I₅, I₇, а также с учетом (1)-(5), для каждой спектральной компоненты λ определяются эллипсометрические параметры образца:

где I₁-I₇ - интенсивности спектральных компонент пучка, измеренные в интервалах τ₁-τ₇, соответственно.

Соответствующие вычисления производятся в блоке управления и обработки сигналов 25 (Фиг.1), после чего выводятся в удобной для пользователя форме.

Таким образом, измерение эллипсометрических параметров Ψ(λ) и Δ(λ) производится последовательным фотометрированием излучения при нескольких различных азимутах поляризатора и анализатора с последующим вычислением искомых параметров. Повышение быстродействия устройства, по сравнению с аналогами, достигается тем, что переключение азимутов производится последовательным перекрытием оптических каналов с помощью дисковых обтюраторов. Время одного цикла измерения определяется скоростью вращения обтюраторов, которая ограничена только максимальной частотой вращения электродвигателя, так как обтюраторы, практически, не создают нагрузки на вал. Кроме того, время одного цикла измерения может быть уменьшено в несколько раз за счет увеличения числа окон в обтюраторах.

Повышение точности измерений достигается тем, что азимуты плоскостей поляризации в поляризаторе и анализаторе фиксированы и установлены предварительной юстировкой с минимальной погрешностью, то есть исключены погрешности, связанные с неравномерным вращением поляризатора. Погрешности, связанные с темновым током фотоприемников, исключаются благодаря периодической записи сигнала при перекрытом пучке света, с последующим вычитанием его из записанного ранее рабочего сигнала.

Приведенный вариант реализации устройства рассчитан на измерения "in situ", в реальном масштабе времени с высоким быстродействием. Если быстродействие не требуется, то прибор может быть реализован в варианте с последовательным сканированием спектра. В этом случае в качестве источника используется монохроматор с соответствующим осветителем, излучение которого передается в плечо поляризатора с помощью световода, а приемником служит одноэлементный фотодиод или ФЭУ.

Спектральный эллипсометр, содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, коллимирующую оптику, поляризатор, анализатор, полихроматор с фоторегистратором, электрически связанным с блоком управления и обработки сигналов, отличающийся тем, что как поляризатор, так и анализатор выполнены в виде последовательно расположенных на оптической оси двух идентичных ориентированных навстречу друг другу призм, из которых первая - разделяющая световой пучок на два ортогонально поляризованных, идущих параллельно, а вторая - соединяющая вновь в один, размещенного между ними обтюратора, насаженного на вал электродвигателя, который соединен электрически с блоком управления и обработки сигналов, двух оптопар, имеющих электрическую связь с блоком управления и обработки сигналов, прерывателями которых служат выполненные в обтюраторе две кольцевые дорожки окон, пересекающие соответственно первый и второй пучки, при этом окна в кольцевых дорожках расположены периодически, со сдвигом во внешнем и внутреннем кольцах друг относительно друга на 1/2 периода, и выполнены в синхронно вращающихся с одинаковой частотой обтюраторах поляризатора и анализатора со скважностью 1/4 и 1/2, соответственно, причем при измерениях азимут поляризатора составляет +30°, а азимут анализатора составляет -30°.