Способ определения толщины слоя и его показателей преломления и поглощения

 

О 0 И С А Н И Е, 855448

ИЗЬБРЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (6i ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 02.07.79 (21) 2789552/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (5!) М Кл з (i 01 N 21/41

Гасударственные комнтет (53) УДК 535.322..4 (088.8) Опубликовано 15.08.81. Бюллетень № 30 по делам нэобретений и открытий.

Дата опубликования описания 17.08.8! (72) Авторы изобретения

Д. И. Биленко и Б. А. Дворкин

Научно-исследовательский институт механики и фи ордена Трудового Красного Знамени государств им. Н. Г. Чернышевского (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ И ЕГО

ПОКАЗАТЕЛЕЛ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении оптическими методами параметров тонких металлических, полупроводниковь х и диэлектрических слоев, оптическая толщина которых меньше длины волны применяемого для измерения излучения.

Известен способ измерения показателя преломления и толщины тонкого слоя путем помещения слоя, нанесенного на поглошающую подложку, поочередно в две иммерсионные среды и измерения в этих средах разности фаз между ортогональными компонентами электрического поля, направленного на слой оптического сколлимированного монохроматического, поляризованного излучения и расчета искомых величин по формулам (1(.

Способ не позволяет измерять показатель поглощения слоя, так как предназначен для определения параметров прозрачных слоев.

Известен также способ измерения показателей преломления и поглощения тонкого слоя и его толщины путем направления на слой, напел нный на поглошающую подложку, оптиче< ког ) сколлимированного, монохроматического поляризованного излучения,. измерения изменений в поляризационных характеристиках отраженного излучения и энергетического коэффициента отражения и расчета по формулам искомых величин (2(.

Однако способ обладает низкой точностью измерения показателя поглощения слоя вследствие однократного взаимодействия анализируемого излучения со слоем.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобоетению является способ измерения показателей преломления и поглощения тонкого слоя и его толщины, нанесенного на прозрачную для анализируемого излучения подложку, путем направления на слой оптического сколлимированного, >S монохроматического поляризованного излучения, измерения поляризационных характеристик отраженного излучения и энергетического коэффициента пропускания слоя и расчета искомых величин по формулам f3).

Однако данный способ также обладает низкой точностью в измерении показателя поглощения тонкого слоя вследствие однократного прохождения луча через исследуемый слой.

85 4,! 8

Цельк, изобретения является повыгнсн>ге

To пн)с Ги измс()ения показателя поглоьцения слос в, оптическая толщина которых меныие длины волны анализирующего излучения.

11оставленная цель достигается тем, что и способе определения толщины слоя и его показателей преломления и поглощения, закл)очающсмся в направлении монохроматического поляризованного излучения на исследуемый слой, нанесенный на прозрачнук> подложку, измерения поляризационных параметров в отраженном слоем и подложкой излучении, а энергетического параметра — в прошедщем слой и подложку излучении и определении искомых параметров по известным соотношениям, выбирают угол падения луча на слой, его диаметр и толщину. плоскопараллельной подло>кки из соотношения (1)

t)in где Г) и и„— — толщина и показатель преломления подложки соответственнс

Р и 9 — - диаметр и угол падения луча соответственно. ! (роме того, на сторону подложки, противоположну)о стороне с исследуемым слоем, наносят дополнительный отражающий слой, энергетический параметр измеряют в одном из лучей, отраженном дополнительным слоем, а поляризационные параметры в луче, отраженном исследуемым слоем.

На фиг. 1 и 2 представлены примеры конкретной реализации способа нанесением слоя на плоскопараллельную подложку.

На слой 1, нанесенный на прозрачную плоскопараллельную подложку 2, направля)от коллимированное, монохроматическое поляризованное излучение. Если угол падения луча, его диаметр и толщина подложки удовлетворяют соотношению (1), то вследствие многократных отражений в подложке, в отраженном и в прошедшем свете формируется система пространственного разделения лучей. Порядковый номер отраженного структурой слой -- подложка луча (m) соответствует четному числу прохождений лучом подложки, а прошедшего (пУ) — нечетному.

Поляризационные и энергетические параметры в этих лучах более чувствительны к измененьчо оптических постоянных и слоя и его толщины по сравнению с параметрами лучей с порядковыми номерами 1 и !, так как эти лучи неоднократно (например для

m = — 2 и m = 2 — дважды) прохс дят Нсследуемый слой, поэтому измерение поляризационных и энергетических параметров лучей с m >1 и m )! позволяет повысить точность измерения искомых параметров слои.

Чувствительность параметров .оптическрго излучения к из лененню оптических постоянных и толщины слоя возрастает с чвеличением пс)рядков но номера луча. Однако при это падает энергия излучения. Для увеличения энЕргии излучения в лучах с

m > 1, что облегчает процесс измерения и повышает точность, на противоположную исследуемому слою сторону подложки наносят,;ополнительный отражающий слой 3 (фиг. 2) . В этом случае для определения оптических постоянных слоя и его толщины достаточно измерить три какие-либо параметра в одном из отраженных лучей, напри мер поляризационные (азимут линейной поляризацииЯ>, разность фаз между ортогонально поляризационными компонентами электрического поля световой волны Л) и один из энергетических — коэффициент отражения R или S компонент поляризованного излучения (К или Кд соответственно) или их отношение, Однако так как возможные объемные оптические неоднородности подложки могут вызнать неучитываемые погрешности в измерении Л, то предпочтительнее измерять и Ь в луче с m = 1, так как в его формировании не участвует объем подложки, а энергетический параметр — в одном из лучей с m >1, так как для него влияние оптической неоднородности подложки несущественно.

Измеряемое значение (R< ) m 21 в лучах с m,>1 связано с энергетическими коэффициентами отражения и пропускания исследуемого и дополнительного слоев формулой зо (К1>,s) = (Тс. Т. Rc. R )1,, (2) где T — энергетический коэффициент и ропускания слоя на полубесконечной подложке при падении излучения на внешнюю границу слон; !

Т,„и К вЂ”. энергетические коэффициенты пропускания и отражения слоя соответственно, когда излучение падает на внутреннюю границу слоя со стороны подложки;

К вЂ” энергетический коэффициент отражения границы дополнительный слой — подложка, когда излучение падает на нее со стороны исследуемого слоя;

m =2,3,...

4" Искомые параметры слоя —. показатели преломлениями и поглощения к и его толщина

Юрассчитываются на измеренных значениях

3, Rp, К на основании формулы (2) и известного уравнения эллипсометрии по известным соотношениям, связывающим их сп, к и

Так как показатель поглощения слоя определяется по энергетическому параметру, измеренному в луче с порядковым номером

m >1, то точность предлагаемого способа

55 ввыышще е ииззввеессттнныыхх, в которых показатель поглощения определяется из энергетического параметра при однократном прохождении л ча слоя, т, е. луча m =

855448

Приведем конкретный пример, отображающий погрешности определения но известному и предлагаемому способам.

Пусть 3. =- 0,6328 мкм — длина волны анализируемого излучения; Э = 60, n„=

= — 1,515; d = 500А; и = l,7; к = 0,7. Относительная погрешность измерения энергетического параметра (И /Rt ) = 0,01, Тогда при измерении по известному способу

К погрешность hK составит — 0,009, а по предлагаемому, если измерять, например, Rf, ЬК составит 0,45.

Пример показывает, что точность измерения ЬК предлагаемым способом в два раза превышает точность известного. При измерениях в лучах с гп )2 точность измерения К может еще больше возрасти.

Дополнительно измеряя параметры излучения и в других лучах, можно повысить достоверность определения искомых параметров слоя за счет избыточности информации и определить дополнительные параметры например, показатель преломления подложки, оптические постоянные дополнительного отражающего слоя и т. д.

Предложенный способ может быть применен при контроле параметров как готовых слоев, так и в процессе их нанесения.

Повышенная точность определения параметров слоев, .оптическая толщина которых меньше длины волны излучения, позволит повысить качество изготовления структур с такими слоями, являющихся базовыми элементами многих современных приборов.

Благодаря возможности комплексного контроля слоистых систем способ может найти широкое применение втехнике,,связанной с применением и изготовлением многослойных сложных структур, например, в микроэлектронике, интегральной и интер. ференционной оптике и других.

Форм ула изобретения

1. Способ определения толщины слоя и его показателей преломления и поглощения; заключающийся в направлении монохроматического поляризованного излучения на исследуемый слой, нанесенный на прозрачную подложку, измерении поляризационных параметров:: отраженном слоем и подложкой излучении, а энергетического параметра — - в прошедшем слой и подложку излучении и определении искомых параметров по известным соотношениям, отЛичающийся тем, что, с целью повышения точности измерения показателя поглощения слоев, оптическая толщина которых меньше длины волны анализирующего излучения, выбирают угол падения луча на слой, его диаметр и толщину плоскопараллельной подложки из соотношения р Ф й1а 26. где D и nг,— толщина и показатель преломления подложки соответственнсг

1 ср я &†диаметр и угол падения луча соответственно.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на сторону подложки, противоположную стороне с исследуемым слоем, наносят дополнительный отражающий слой, энергетический параметр измеряют в одном иэ лучей, отраженном дополнительным слоем, а поляризационные параметры в луче, отраженном исследуемым слоем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР № 415559, кл. G 01 N 21/46, 1971.

2. Paik, John О. M. Bockries. Exact Ellipsometric Measurement of thickness and optical

properties of à thin light-absorbing film

3S

without ацх111агу measurements. «Surface

Science», l97I, vol. 28, № 1, р. 61 — 68.

3. Т. Yamaguchi, S. Yoshida and А. К1пЬага.

Continuous Ellipsometric Determination of the

Optical Contabts and Thickness of à Silver

Film during Deposition. «Japanese Journal

of Applied Physic», vol. 8, № 5, Мау, 1969.

855448

Щ ° ° °

Составитель Н. Русева

Редактор И. Нест рова Техред Л. Бойкас . Корректор 11 !1!пылкая

Заказ 6893/58 Тираж 907 Подписное

В11ИИПИ Государсч венного комитета СССР

rro дела и изобретений и m крытий

I 13035, Москва, Ж -35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал П1Ц! «11атент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4