Эллипсометр

Эллипсометр относиться к средствам для оптического экспериментального исследования свойств твердых тел, твердотельных структур и межфазных границ и может быть использован для измерений с высокой точностью толщины и оптических постоянных тонких пленок, оптических постоянных массивных образцов твердых тел, а также исследований свойств поверхности. Эллипсометр включает плечо поляризатора ПП, плечо анализатора ПА и систему развертки его светового луча, выполненную в виде четырех зеркал. Оптическая ось ПП вместе с зеркалами Н1 и V2 лежат в одной плоскости, параллельной плоскости поверхности образца. Зеркала V1 и Н2 и оптическая ось ПА находятся выше и лежат в другой плоскости, так же параллельной плоскости поверхности образца. Оптические оси ПП и ПА параллельны. Все 4 зеркала Н1, V1, V2 и Н2 лежат в одной вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости поверхности образца. Плечо поляризатора ПП и плечо анализатора ПА укреплены неподвижно либо с возможностью перемещения. Основными достоинствами заявленного устройства сравнению с существующими являются возможность быстрой смены угла падения светового луча на образец , а также возможность быстрого перемещения исследуемой области по поверхности крупногабаритных образцов с линейными размерами порядка метра. 1 н.п. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Полезная модель относится к средствам для оптического экспериментального исследования свойств твердых тел, твердотельных структур и межфазных границ и может быть использована для измерений с высокой точностью толщины и оптических постоянных тонких пленок, оптических постоянных массивных образцов твердых тел, а также исследований свойств поверхности.

Эллипсометрией называют оптический экспериментальный метод исследования свойств твердых тел, твердотельных структур и межфазных границ. Она позволяет с высокой точностью измерять толщины и оптические постоянные тонких пленок, оптические постоянные массивных образцов твердых тел, исследовать свойства поверхности. Сущность эллипсометрического метода состоит в исследовании изменения состояния поляризации света в результате его отражения от изучаемого объекта или при прохождении через него. Широкое распространение метод получил в 70-х годах прошлого века в связи с появлением сравнительно недорогой вычислительной техники, необходимой для обработки результатов измерений, см. Р. Аззам, Н. Башара. «Эллипсометрия и поляризованный свет». М., Мир, 1981, 584 стр.

Эллипсометрия имеет две особенности, которые делают ее крайне привлекательной для решения ряда исследовательских и технологических задач. Во-первых, в процессе измерений практически не происходит влияния на исследуемую систему (при правильном выборе интенсивности пучка и спектрального диапазона). Это делает возможным применение эллипсометрии для решения задач неразрушающего контроля. Во-вторых, эллипсометрия крайне чувствительна к состоянию поверхности, структуре и свойствам образцов с тонкими пленками, а так же к процессам, протекающим на границе двух фаз. Эллипсометрические измерения могут проводиться в широком интервале температур и давлений, причем агрессивность окружающей среды так же не является помехой. Благодаря указанным особенностям, эллипсометрия находит применение в самых различных областях науки - физике, химии, материаловедении, а так же в полупроводниковых технологиях, при изготовлении оптических и электронных систем, при обработке металлов, в медицинской промышленности.

В любом эллипсометре можно выделить два основных блока. Первый из них - плечо поляризатора (ПП) - формирует пучок света с заданными состоянием поляризации, спектральным составом, геометрическими параметрами (диаметр, расходимость) и направлением. После отражения от исследуемого образца под заданным углом , свет попадает во второй блок, который называют плечом анализатора (ПА). В ПА измеряется состояние поляризации отраженного от образца света. Знание того, как изменилась поляризация света при отражении под заданным углом падения позволяет получить такую информацию об исследуемом образце как: оптические постоянные, толщины пленок, состав материалов, пористость и т.д.

В настоящее время промышленностью выпускаются эллипсометры с оптическими схемами двух видов:

- по схеме с горизонтальным расположением поверхности исследуемого образца. В таком приборе угол падения света на образец меняется путем вращения ПП и ПА относительно оси эллипсометра при неизменном положении образца;

- по схеме с вертикальным расположением поверхности исследуемого образца. В таких приборах угол падения света на образец меняется путем вращения ПА и образца относительно оси эллипсометра при неизменном положении ПП.

Для обеих схем в случае, когда необходимо изменить положение освещаемой лучом эллипсометра области образец смещается в горизонтальной или в вертикальной плоскостях.

Известен эллипсометр, содержащий оптически связанные плечо поляризатора, выполненное в составе осветителя и поляризатора, и плечо анализатора, между которыми размещен исследуемый образец, причем плечо анализатора выполнено в виде оптически связанных композиционного расщепителя светового пучка, расщепляющего отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре ортогонально поляризованные световые компоненты, фоторегистратора для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца, отличающийся тем, что указанный композиционный расщепитель светового пучка выполнен единым измерительным каналом, совмещающим функции фазового и амплитудного измерительных каналов, обеспечивающим равные коэффициенты пропускания поляризованных световых компонент, см патент РФ 2351917.

В данном техническом решении достижение технического результата базируется на сокращении оптических элементов в конструкции, вносящих погрешность в измерения.

В последнее десятилетие характер развития полупроводниковых технологий указывает на необходимость совершенствования измерительных возможностей известных эллипсометров по двум направлениям.

Во-первых, исследуются и находят применение в новых приборах полупроводниковые гетероструктуры с большим (10 и более) количеством слоев. Из-за значительного числа неизвестных параметров эллипсометрический анализ таких образцов будет эффективным только в случае проведения измерений при большом наборе различных углов падения света на образец. Для всех вышеуказанных эллипсометров изменение угла падения связано с прецизионным вращением достаточно массивных оптических блоков ПП и/или ПА относительно оси эллипсометра. Отсюда следует, что характерное время смены угла падения должно быть порядка 10 секунд и не может быть уменьшено существенным образом в рамках разумной стоимости прибора из-за кинематики вращения плеч эллипсометра.

Во-вторых, наблюдаемое в последнее время стремительное развитие солнечной фотовольтаики и технологий плоских телевизионных панелей ставит задачи быстрого картирования (измерения свойств в различных точках) образцов с размерами порядка метра. Измерение в различных точках таких сравнительно больших образцов требует прецизионного перемещения массивных ПП и ПА эллипсометра на расстояния порядка метра.

Задача полезной модели изобретения заключается в обеспечении увеличения скорости картирования исследуемых образов больших размеров и быстрого изменения угла падения света на поверхность исследуемого образца.

Сущность полезной модели изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата.

Эллипсометр, включающий плечо поляризатора, формирующее световой луч заданного состояния поляризации и направления, и плечо анализатора, в котором осуществляется измерение состояния поляризации входящего в него светового луча, отраженного от исследуемого образца, характеризуется тем, что исследуемый образец укреплен неподвижно, при этом эллипсометр снабжен системой развертки его светового луча, выполненной в виде совокупности зеркал, установленных с возможностью перемещения и/или вращения для обеспечения падения светового луча в необходимое место на поверхности образца под необходимым углом и попадание отраженного от исследуемого образца светового луча в плечо анализатора.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда факультативных признаков, описывающих частные случаи его реализации, а именно:

- плечо поляризатора и плечо анализатора могут быть укреплены неподвижно;

- плечо поляризатора и плечо анализатора могут быть укреплены с возможностью перемещения.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, совокупности признаков которых совпадают с совокупностью отличительных признаков заявленной полезной модели.

Технический результат, достигаемый при использовании существенных признаков полезной модели изобретения заключается в том, что в процессе работы эллипсометра изменение места падения светового луча на исследуемый образец и изменение угла падения достигается путем перемещения и/или вращения легких зеркал системы развертки светового луча, а не массивных ПП и ПА или крупногабаритного исследуемого образца.

Сущность полезной модели изобретения поясняется чертежом, где изображена оптическая схема заявленного эллипсометра.

Эллипсометр включает плечо поляризатора ПП, плечо анализатора ПА и систему развертки его светового луча, выполненную в виде четырех зеркал. Оптическая ось ПП вместе с зеркалами Н1 и V2 лежат в одной плоскости, параллельной плоскости поверхности образца. Зеркала V1 и Н2 и оптическая ось ПА находятся выше и лежат в другой плоскости, так же параллельной плоскости поверхности образца. Оптические оси ПП и ПА параллельны. Все 4 зеркала Н1, V1, V2 и Н2 лежат в одной вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости поверхности образца. Плечо поляризатора ПП и плечо анализатора ПА укреплены неподвижно либо с возможностью перемещения.

Заявленное устройство работает следующим образом.

В процессе работы прибора, ПП, ПА и исследуемый образец в общем случае зафиксированы и не меняют своего положения. Угол падения света на образец и место падения светового луча на исследуемый образец задается системой развертки луча эллипсометра, содержащей четыре зеркала Н1, V1, V2 и Н2. ПП формирует луч света с заданными состоянием поляризации и направляет его на зеркало Н1. При отражении от зеркала Н1 световой луч поворачивается в плоскости, параллельной поверхности образца, и попадает на зеркало V2, которое направляет его вниз на образец под заданным углом падения . После отражения от исследуемого образца световой луч попадает на зеркало V1, которое направляет его на зеркало Н2. После отражения от Н2 луч попадает в ПА, где измеряется его состояние поляризации. Влияние образа на поляризацию отраженного светового луча определяется исходя из состояния поляризации света, вышедшего из ПП, состояния поляризации света, попавшего в ПА и известного влияния на поляризацию зеркал Н1, V1, V2 и Н2. Влияние зеркал системы развертки на состояние поляризации отражаемого луча предварительно измеряется в отдельном эксперименте.

Смещение области падения луча на образец вдоль оси X при неизменном угле падения достигается параллельным смещением зеркал V1 и V2 вдоль оси X без их вращения. Смещение области падения луча на образец вдоль оси Y при неизменном угле падения осуществляется одновременным параллельным смещением всех четырех зеркал Н1, V1, V2 и Н2 вдоль оси Y без их вращения. Таким образом, проводя эллипсометрические измерения в различных точках поверхности образца можно осуществлять картирование его свойств.

Для любой точки поверхности образца угол падения света может быть изменен следующим образом. Для увеличения угла падения зеркала V1 и V2 смещаются вдоль оси X друг от друга вместе с одновременным вращением зеркала V1 в направлении против часовой стрелки (угол ₁) и зеркала V2 в направлении по часовой стрелке (угол ₂). Для уменьшения угла падения зеркала V1 и V2 смещаются вдоль оси X друг к другу вместе с одновременным вращением зеркала V1 в направлении по часовой стрелки и зеркала V2 в направлении против часовой стрелки.

При исследовании крупногабаритных образцов возникают погрешности, обусловленные большим ходом светового луча от ПП до ПА. Заявленное устройство позволяет компенсировать эти погрешности. Для этого ПП и ПА перемещают вдоль своих оптических осей и минимизируют расстояние от ПП до первого по ходу светового луча зеркала Н1 системы развертки, а также от зеркала Н2 до ПА.

Основными достоинствами заявленного устройства по сравнению с существующими являются возможность быстрой смены угла падения светового луча на образец , а также возможность быстрого перемещения исследуемой области по поверхности крупногабаритных образцов с линейными размерами порядка метра.

1. Эллипсометр, включающий плечо поляризатора, формирующее световой луч заданного состояния поляризации и направления, и плечо анализатора, в котором осуществляется измерение состояния поляризации входящего в него светового луча, отраженного от исследуемого образца, отличающийся тем, что исследуемый образец укреплен неподвижно, при этом эллипсометр снабжен системой развертки его светового луча, выполненной в виде совокупности зеркал, установленных с возможностью перемещения и/или вращения для обеспечения падения светового луча в необходимое место на поверхности образца под необходимым углом и попадание отраженного от исследуемого образца светового луча в плечо анализатора.

2. Эллипсометр по п.1, отличающийся тем, что плечо поляризатора и плечо анализатора укреплены неподвижно.

3. Эллипсометр по п.1, отличающийся тем, что плечо поляризатора и плечо анализатора могут быть укреплены с возможностью перемещения.