Спектроскопический рефрактометр-профилометр для измерения показателя преломления и толщины тонкопленочных структур

Данная полезная модель относится к области оптических приборов, более конкретно, к рефрактометрам и оптическим профилометрам, и может быть использовано для измерения показателя преломления, дисперсии и толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок на любой длине волны в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра, в том числе в телекоммуникационных диапазонах вблизи 0.85, 1.3 и 1.5 мкм. "Техническая задача, решаемая заявляемым техническим решением, состоит в обеспечении возможности измерения показателя преломления, дисперсии и толщины тонкопленочных структур на любой длине волны А, в диапазоне от 400 до 1700 нм. Другая техническая задача, также решаемая заявляемым техническим решением, заключается в упрощении конструкции рефрактометра-профилометра за счет отсутствия в нем движущихся деталей. Это достигается использованием непрерывно перестраиваемого по длинам волн монохроматического сходящегося светового пучка и CCD камеры с широкоугольным объективом, с помощью которой измеряется коэффициент отражения R лучей, падающих под различными углами 6 на область оптического контакта пленки с измерительной призмой. Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что исследуемая тонкопленочная структура (свободная пленка или пленка на подложке) приводится в оптический контакт с измерительной призмой (воздушный зазор между призмой и пленкой составляет менее 100-200 нм) и освещается со стороны призмы сходящимся монохроматическим световым пучком. Такой пучок формируется с помощью волоконно-оптического кабеля (ВОК), пристыкованного к выходной щели монохроматора, и собирающей линзы. Используемый ВОК может быть многожильным, т.е. состоять из нескольких оптических волокон, каждое из которых имеет световедушую жилу и оболочку, причем центры волокон на одном торце кабеля расположены на прямой линии, а на другом торце собраны в жгут, так что их общая апертура имеет минимальный диаметр. Торец ВОК, который пристыковывается к выходной щели монохроматора, ориентирован так, что линия, соединяющая центры волокон, расположена вдоль щели. Другой торец ВОК с помощью оптической розетки соединяется с одножильным волоконно-оптическим кабелем, диаметр световедущей жилы которого равен или несколько больше апертуры многожильного жгута. Этим достигается максимальная интенсивность собираемого из монохроматора света при минимальной спектральной ширине АХ и минимальном световом диаметре луча. Отраженный от области оптического контакта призмы с пленкой монохроматический пучок лучей с помощью широкоугольного объектива фокусируется на матрицу цифровой CCD камеры, сигнал с которой передается на монитор компьютера. По положению темных полос на матрице, соответствующих возбуждению волноводных мод в пленке, определяют эффективные показатели преломления ТЕ и ТМ мод, из которых рассчитывают показатель преломления и толщину пленки. Точность измерения показателя преломления пленки на спектроскопическом рефрактометре-профилометре составляет ±5×10^-4, точность измерения толщины пленки равна ±1.5%. Такая точность достигается, в частности, уменьшением спектральной ширины освещающего монохроматического излучения до 1 нм.

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение относится к области оптических приборов, более конкретно, к рефрактометрам и оптическим профилометрам, и может быть использовано для измерения показателя преломления n_f, дисперсии n_f/ и толщины H_f диэлектрических и полупроводниковых пленок на любой длине волны в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра, в том числе в телекоммуникационных диапазонах длин волн вблизи 0.85, 1.3 и 1.5 мкм.

При исследовании оптических свойств тонкопленочных покрытий, определении числовой апертуры пленочных волноводов, необходимо измерять показатель преломления n _f пленки на рабочей длине волны света , которая может лежать в УФ, видимой или ближней ИК областях спектра. Поэтому надо иметь возможность измерять n_f на любой длине волны в этих спектральных диапазонах. Кроме того, при исследовании тонкопленочных покрытий и пленочных волноводов часто необходимо знать дисперсию показателя преломления n_f/ и геометрическую толщину пленки H_f.

Известны многоволновые рефрактометры-профилометры [1-4], а также многоволновой рефрактометр-профилометр Metricon2010, производимый фирмой Metricon Corporation [5], которые позволяют измерять показатель преломления и толщину тонкопленочных структур на нескольких фиксированных длинах волн в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра. Значения этих длин волн определяются типом используемых лазеров и лежат в диапазоне от 400 до 1600 нм.

Известные рефрактометры-профилометры [1-5] обеспечивают измерение показателя преломления n_f и толщины пленки H_f методом возбуждения волноводных мод в пленке в геометрии нарушенного полного внутреннего отражения. В этом методе пленка приводится в оптический контакт с гранью измерительной призмы, имеющей высокий показатель преломления N_p. Коллимированный лазерный луч направляется на область оптического контакта со стороны призмы, и измеряется зависимость коэффициента отражения R от угла падения светового луча на границу призма-пленка. Если угол падения больше критического, имеет место явление полного внутреннего отражения (ПВО) луча от границы призмы с пленкой и R()=1. Однако, при некоторых углах падения _i, при которых выполняется условие синхронизма

где _i - эффективный показатель преломления волноводной моды с номером i, условие ПВО нарушается, и свет может проникать в пленку, возбуждая в ней соответствующую волноводную моду. Поэтому при выполнении условия (1) в угловой зависимости коэффициента отражения R() лазерного луча от области оптического контакта призмы с пленкой наблюдаются резкие и узкие минимумы.

В известных рефрактометрах-профилометрах [1-5] коллимированный лазерный луч направляется на область оптического контакта призмы с пленкой под различными углами и определяются углы падения _i, соответствующие возбуждению ТЕ или ТМ мод в пленке. С помощью формулы (1) вычисляются эффективные показатели преломления _i волноводных ТЕ и ТМ мод. Из найденных значений _i рассчитываются показатель преломления n _f и толщина пленки H_f.

Недостатком рефрактометров-профилометров [1-5] является невозможность непрерывного сканирования по длинам волн, что не позволяет, в частности, измерять дисперсию показателя преломления. Другой недостаток рефрактометров-профилометров [1-5] состоит в необходимости механического изменения угла падения лазерного луча на границу призма-пленка с использованием поворотного столика гониометра или шагового двигателя.

Известные аналоги [1-5] имеют следующие общие с заявляемым техническим решением признаки: монохроматический источник света, измерительную призму из материала с высоким показателем преломления, устройство для определения углов падения светового луча на область оптического контакта призмы с пленкой, при которых происходит возбуждение волноводных мод в пленке.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что исследуемая тонкопленочная структура (свободная пленка или пленка на подложке) приводится в оптический контакт с гранью измерительной призмы (воздушный зазор между призмой и пленкой составляет менее 100-200 нм). Область оптического контакта освещается со стороны призмы сходящимся монохроматическим пучком световых лучей с длиной волны . Такой пучок может быть сформирован, например, с помощью волоконно-оптического кабеля (ВОК), пристыкованного к выходной щели монохроматора, и собирающей линзы.

Отраженный от области оптического контакта призмы с пленкой пучок лучей регистрируется цифровой CCD камерой. По распределению интенсивности света на матрице CCD камеры определяют коэффициент отражения R() световых лучей от границы призмы с пленкой. Из угловой зависимости R() определяют углы падения _i, соответствующие возбуждению ТЕ и ТМ мод в пленке, и с помощью формулы (1) вычисляют эффективные показатели преломления _i волноводных мод с номерами i (i=0, 1, 2, ). Из найденных значений _i рассчитывают показатель преломления n _f на длине волны и толщину пленки H_f.

Изменяя длину волны монохроматического светового пучка на небольшое значение , определяют показатель преломления n_f(+) на длине волны + и рассчитывают дисперсию показателя преломления n_f/ по формуле

Используемый ВОК может быть многожильным, т.е. состоять из нескольких оптических волокон, каждое из которых имеет световедущую жилу и оболочку, причем центры этих волокон на входном торце кабеля лежат на одной линии, а на выходном торце собраны в жгут, так что их общая оптическая апертура имеет минимальный диаметр. Входной торец ВОК пристыковывается к выходной щели монохроматора так, что жилы располагаются вдоль щели. Выходной торец ВОК с помощью оптической розетки соединяется с одножильным волоконно-оптическим кабелем, диаметр световедущей жилы которого равен или несколько больше оптической апертуры многожильного жгута. Тем самым достигается максимальная интенсивность собираемого из монохроматора света при минимальной спектральной ширине и минимальном световом диаметре луча. Использование многожильного ВОК обеспечивает повышение интенсивности и уменьшение спектральной ширины монохроматического света, освещающего область оптического контакта призмы с пленкой. Это приводит к повышению резкости темных полос на матрице CCD камеры, соответствующих возбуждению волноводных мод в пленке. Использование многожильного ВОК расширяет спектральный диапазон, в котором возможно измерение показателя преломления и толщины пленки, повышает точность измерения за счет уменьшения спектральной ширины монохроматического луча.

Техническая задача, решаемая заявляемым техническим решением, состоит в обеспечении возможности измерения показателя преломления n_f, дисперсии n_f/ и толщины H_f тонкопленочных структур на любой длине волны в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра, а именно от 400 до 1700 нм. Другая техническая задача, также решаемая заявляемым техническим решением, заключается в упрощении конструкции рефрактометра-профилометра за счет отсутствия в нем движущихся деталей. Это достигается за счет использования непрерывно перестраиваемого по длинам волн монохроматического сходящегося светового пучка и CCD камеры с широкоугольным объективом, с помощью которой измеряется коэффициент отражения R() лучей, отраженных под различными углами от области оптического контакта исследуемой пленки с измерительной призмой.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 дана схема спектроскопического рефрактометра-профилометра, где:

1 - измерительная призма с высоким показателем преломления,

2 - тонкопленочная структура (тонкая пленка на подложке),

3 и 12 - фокусирующие линзы,

4 - широкоугольный объектив,

5 - цифровая CCD камера,

6 - многожильный ВОК,

7 - одножильный ВОК,

8 - оптическая розетка,

9 - монохроматор,

10 - широкополосный источник белого света (например, лампа накаливания),

11 - персональный компьютер.

На фиг.2 показана конструкция семижильного волоконно-оптического кабеля с входного торца, который пристыковывается к щели монохроматора. Каждое оптическое волокно имеет световедущую жилу и оболочку, где: 1 - световедущие жилы оптических волокон, 2 - оболочки волокон, А-А' - линия, соединяющая центры волокон.

На фиг.3 показана конструкция семижильного ВОК с выходного торца, который пристыковывается к одножильному волокну через оптическую розетку, где: 1 - световедущие жилы оптических волокон, 2 - оболочки волокон.

На фиг.4 показан вид поля зрения цифровой CCD камеры при освещении пленки монооксида кремния SiO с толщиной H_f1.1 мкм и показателем преломления n_f1.83 на кварцевой подложке, находящейся в оптическом контакте с измерительной призмой, сходящимся неполяризованным монохроматическим световым пучком с длиной волны =632,8 нм. Поскольку показатель преломления пленки выше показателей преломления окружающих пленку сред (подложки и воздуха), пленка образует волновод, в котором могут распространяться ТЕ и ТМ моды с различными номерами i [6]. На фиг.4 введены обозначения:

N_pix - номер пикселя в строке CCD камеры,

0 - темная полоса, соответствующая возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=0,

1 - темные полосы, соответствующие возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=1,

2 - темные полосы, соответствующие возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=2.

Темные полосы 0, 1 и 2 на фиг.4 являются двойными, что соответствует одновременному возбуждению неполяризованным светом ТЕ и ТМ мод в пленке. Однако, поскольку угловое расстояние между ТЕ и ТМ модами сокращается при уменьшении медового номера i, тонкая структура мод с i=0 на фиг.4 не видна. При введении в ход светового пучка поляризатора, можно отобразить на мониторе ПК полосы, соответствующие возбуждению только ТЕ или только ТМ мод. Использование ТЕ и ТМ поляризованного света позволяет измерять толщину и показатели преломления n _o и n_eo анизотропных пленок.

На фиг.5 показана зависимость коэффициента отражения R от угла падения , соответствующая распределению интенсивности светового сигнала в центральной строке матрицы CCD камеры, при освещении пленки SiO сходящимся неполяризованным монохроматическим пучком света с длиной волны =632.8 нм, где:

1 - минимум, соответствующий возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=0;

2 - минимумы, соответствующие возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=1;

3 - минимумы, соответствующие возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=2.

На фиг.6 показано смещение положений минимумов коэффициента отражения R(), соответствующих возбуждению волноводных мод, при освещении области оптического контакта пленки SiO с измерительной призмой сходящимся неполяризованным монохроматическим пучком света с различной длиной волны , где:

1 - зависимость R() при =622.8 нм,

2 - зависимость R() при =632.8 нм,

3 - зависимость R() при =642.8 нм.

Смещение положений минимумов R() на фиг.6 связано с зависимостью показателя преломления n_f пленки от длины волны света .

Осуществление полезной модели

Принцип работы спектроскопического рефрактометра-профилометра поясняется на фиг.е 1. Монохроматор 9 выделяет из широкополосного спектра источника белого света 10 монохроматическое излучение с длиной волны и спектральной шириной . Это излучение через многожильный волоконно-оптический кабель 6, оптическую розетку 8, одножильный ВОК 7 и фокусирующую линзу 3 направляется на исследуемую пленку 2, находящуюся в оптическом контакте с гранью измерительной призмы 1.

Световой луч, отраженный от области оптического контакта измерительной призмы с пленкой под углом , фокусируется линзой 12 и широкоугольным объективом 4 на матрицу CCD камеры 5, сигнал с которой передается на ПК 11. Наблюдаемое на мониторе ПК распределение интенсивности и система темных полос (см. Фигуру 4), соответствующих возбуждению волноводных мод в пленке, преобразуется в распределение коэффициента отражения R света от угла падения (Фигура 5). По положению минимумов в зависимости R(), которые соответствуют темным полосам на Фигуре 4, определяются углы _i, под которыми соответствующие лучи возбуждают моды с номерами i. Далее с учетом известного показателя преломления N_p() измерительной призмы по формуле (1) рассчитываются эффективные показатели преломления волноводных мод _i. Значения _i в пределе слабой связи определяются толщиной H_f и показателем преломления n_f материала пленки (показатель преломления подложки n_s считается известным) согласно формуле [6]

для ТЕ мод и формуле

для ТМ мод. В формулах (3), (4) введены обозначения

Таким образом, если экспериментально обнаружены две ТЕ (или ТМ) волноводных моды, т.е. известны эффективные показатели преломления _i двух мод, то из двух уравнений (3) или (4) можно рассчитать толщину H_f показатель преломления n_f пленки.

Если в пленке существует более двух ТЕ (или ТМ) мод, то система уравнений (3)-(5) становится переопределенной. При этом толщину H_f и показатель преломления n_f пленки можно определить, минимизируя функционал

где - экспериментально измеренные значения эффективных показателей преломления волноводных мод, - показатели преломления мод, рассчитанные с использованием формул (3), (5) или (4), (5).

Созданный спектроскопический рефрактометр-профилометр включает:

- измерительную призму с высоким показателем преломления из фианита (ZrO ₂, N_p(632.8 нм)=2.13825),

- монохроматор МДР206 с решетками 1200 и 600 штр/мм (обратная линейная дисперсия 4.3 нм/мм и 8.6 нм/мм соответственно),

- широкополосный источник белого света (галогеновую лампу накаливания мощностью 100 Вт),

- волоконно-оптические кабели,

- цифровую CCD камеру DCM800 (производство фирмы Scopetek, спектральный диапазон измерений 400-1000 нм) и InGaAs CCD камеру С10633-13 (производство фирмы Hamamatsu, 900-1700 нм) с широкоугольным объективом,

- персональный компьютер.

Пленка SiO с толщиной H_f1.1 мкм, нанесенная на кварцевую подложку, приводилась в оптический контакт с гранью измерительной призмы посредством прижимающего микрометрического винта. Освещение пленки осуществлялось через многожильный волоконно-оптический кабель, состоящий из 7 оптических волокон. Каждое волокно имело диаметр световедущей жилы 0.3 мм и оболочки 0.33 мм, причем центры этих волокон на входном торце кабеля лежали на одной прямой. На выходном торце кабеля волокна были собраны в жгут, так что их общая оптическая апертура имела диаметр 3×0.33=0.99 мм. Входной торец ВОК пристыковывался к щели монохроматора МДР206 так, что жилы располагались вдоль щели. Выходной торец кабеля с помощью оптической розетки соединялся с одножильным ВОК, имеющим диаметр световедущей жилы 1 мм. Спектральная ширина монохроматического излучения, зависящая от величины раскрытия щелей монохроматора, составляла 1 нм.

Калибровка рефрактометра-профилометра и методика расчета показателя преломления, дисперсии и толщины пленки

Калибровка рефрактометра-профилометра проводилась следующим образом. Сначала, на спектроскопическом гониометре ГС-5 измерялся преломляющий угол измерительной призмы и ее дисперсионная зависимость N _p(). Затем на призму устанавливался образец с известным показателем преломления n(). Образец освещался со стороны призмы сходящимся пучком монохроматического света с длиной волны , и определялось положение границы света и тени N_pix на матрице CCD камеры. Это положение N_pix соответствует углу падения предельного луча на грань измерительной призмы, который для данной длины волны определятся из формулы [7]

Верхний и нижний знаки в формуле (7) соответствуют случаям и соответственно. С использование нескольких калиброванных образцов с известными n() была найдена зависимость =f(N_pix) для различных положений границы света и тени.

При измерении толщины и показателя преломления исследуемой пленки на рефрактометре-профилометре определяют положения темных полос N_pix на матрице CCD камеры, соответствующих возбуждению волноводных мод (см. Фигуру 4). После этого находят углы _i=f(N_pix), под которыми лучи, возбуждающие эти моды, падают на область оптического контакта пленки с призмой (см. Фигиру 5). Затем, с помощью формулы (1) рассчитывают эффективные показатели преломления волноводных мод . Найденные значения используют совместно с уравнениями (3)-(5) для расчета толщины H_f и показателя преломления n_f пленки.

При измерении дисперсии n_f/ определяют показатели преломления пленки n_f () и n_f(+) на двух близких длинах волн и +, и рассчитывают дисперсию по формуле (2).

Диапазон измеряемых толщин и показателей преломления на спектроскопическом рефрактометре-профилометре

Для определения оптических параметров тонкопленочных структур методом возбуждения волноводных мод, толщина пленки должна превышать несколько сотен нанометров, чтобы в ней могли возбуждаться по крайней мере две ТЕ (или ТМ) моды. При уменьшении длины волны освещающего монохроматического излучения требования к минимальной толщине пленки снижаются. Максимальная толщина пленок, которую можно измерить с использованием рефрактометра-профилометра, определяется спектральной шириной освещающего монохроматического излучения и составляет 10-15 мкм.

Диапазон измеряемых показателей преломления n_f на спектроскопическом рефрактометре-профилометре определяется показателем преломления N_p измерительной призмы. С использованием призмы из фианита с N_p(=632.8 нм)=2.13825 возможно измерение показателя преломления пленки в диапазоне от 1.2 до 1.9.

Точность измерения показателя преломления и толщины пленки на спектроскопическом рефрактометре-профилометре.

Точность измерения показателя преломления n_f на спектроскопическом рефрактометре-профилометре определяется точностью экспериментального измерения углов _i и типично составляет ±5×10^-4 . Точность определения толщины H_f пленки составляет ±1.5%. Такая точность достигается, в частности, за счет уменьшения спектральной ширины освещающего монохроматического излучения до 1 нм.

Использование спектроскопического рефрактометра-профилометра для измерения толщины и показателя преломления пленки монооксида кремния

Спектроскопический рефрактометр-профилометр был использован для измерения показателя преломления и толщины пленки монооксида кремния на кварцевой подложке. Вид поля зрения цифровой CCD камеры при освещении пленки SiO, находящейся в

Использование спектроскопического рефрактометра-профилометра для измерения толщины и показателя преломления пленки монооксида кремния

Спектроскопический рефрактометр-профилометр был использован для измерения показателя преломления и толщины пленки монооксида кремния на кварцевой подложке. Вид поля зрения цифровой CCD камеры при освещении пленки SiO, находящейся в оптическом контакте с измерительной призмой, сходящимся неполяризованным монохроматическим пучком света с длиной волны =632.8 нм приведен на Фигуре 4. Зависимость коэффициента отражения R от угла падения монохроматического светового луча на границу призмы с пленкой дана на Фигуре 5. Эффективные показатели преломления ТЕ волноводных мод в пленке, рассчитанные по формуле (1), составили ₀=1;823, ₁=1,767, ₂=1,674. Принимая во внимание показатель преломления кварцевой подложки n_s(632.8 нм)=1.457, из экспериментально измеренных значений с i=0, 1, 2 и дисперсионного уравнения (3) находим H_f=1.08 мкм, n_f=1.833.

Таким образом, заявляемый в качестве полезной модели спектроскопический рефрактометр-профилометр является новым, обладает улучшенными техническими характеристиками по сравнению с известными аналогами и может быть использован в промышленных масштабах. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна", "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Литература

1. P.K.Tien, R.Ulrich, R.J.Martin, "Modes of propagating light waves in thin deposited semiconductor films", Appl. Phys. Letters, H, No.9, p.291, 1969.

2. Л.Н.Дерюгин, А.Н.Марчук, В.Е.Сотин, «Резонансное возбуждение плоского диэлектрического волновода через закритический слой плоской волной», Известия ВУЗов СССР - Радиоэлектроника, Том 13, 8, стр.973-980, 1970.

3. P.K.Tien, "Light waves in thin films and integrated optics", Appl. Optics, 10, No. 11, p.2395, 1971.

4. R.Ulrich, R.Torge, "Measurement of thin film parameters with a prism coupler", Appl.

Спектроскопический рефрактометр-профилометр, предназначенный для измерения показателя преломления и толщины твердотельных тонкопленочных структур на различных длинах волн, отличающийся тем, что он содержит монохроматический источник света, измерительную призму, устройство для определения углов падения света, при которых в пленке возбуждаются волноводные ТЕ и ТМ моды; причем вышеупомянутые конструктивные элементы предлагаемой полезной модели связаны друг с другом так, что область оптического контакта призмы с исследуемой пленкой освещается перестраиваемым по длине волны сходящимся пучком света, а отраженный от пленки свет фокусируется на матрицу цифровой CCD камеры, при этом по положению темных полос на матрице определяют эффективные показатели преломления волноводных мод, что позволяет в конечном итоге рассчитать показатель преломления и толщину пленки; причем область оптического контакта призмы с пленкой освещается с помощью монохроматора с использованием многожильного волоконно-оптического кабеля (ВОК) и фокусирующей линзы, а сам многожильный ВОК состоит из нескольких оптических волокон, каждое из которых имеет световедущую жилу и оболочку; причем центры этих оптических волокон на одном торце кабеля расположены на прямой линии и они ориентированы так, что эта линия расположена вдоль выходной щели монохроматора, а другой торец многожильного ВОК собран в такой жгут, что его общая апертура имеет минимальный диаметр, и этот жгут с помощью оптической розетки соединяется с одножильным ВОК, диаметр световедущей жилы которого равен или несколько больше апертуры многожильного жгута.