ЭЛЛИПСОМЕТР
ELLIPSOMETRE

Изобретение относится к технике оптико-физических измерений, а именно к эллипсометрии, и может быть использовано при неразрушающем контроле оптических параметров поверхности и тонких слоев пленок.
Известен эллипсометр (свидетельство на полезную модель РФ №16314, МПК: G01N 21/21, опубл. 20.12.2000), содержащий осветитель, поляризатор, два измерительных канала, призму полного внутреннего отражения. Между поляризатором и призмой полного отражения размещен исследуемый образец. Первый измерительный канал, являющийся фазовым измерительным каналом, снабжен компенсатором, анализатором и фоторегистратором. Анализаторы выполнены в виде двулучепреломляющих призм, выделяющих два ортогональных поляризованных пучка, а фоторегистраторы выполнены в виде двухплощадных фотоприемников, фоточувствительные площадки которых предназначены для приема ортогонально поляризованных пучков излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров образца. Компенсатор выполнен в виде четвертьволновой фазовой пластинки. При этом конструктивные элементы между собой оптически связаны возможностью подачи светового пучка от осветителя к поляризатору, от поляризатора - на исследуемый образец, от образца - на призму полного внутреннего отражения, разделяющую и подающую излучение, отраженное образцом, на первый фазовый измерительный канал и на второй амплитудный измерительный канал; в фазовом измерительном канале компенсатор, анализатор, и фоторегистратор последовательно оптически связаны между собой, в амплитудном канале также выполнена оптическая связь. Причем поляризатор, компенсатор и анализаторы выполнены как элементы, имеющие фиксированные положения.
Недостатком известного эллипсометра является сложность изготовления его оптико-электронных систем. Кроме того, эллипсометр сложен в эксплуатации и является весьма громоздким, тяжелым и дорогостоящим.
Известен эллипсометр (Патент РФ №2302623, МПК: G01N 21/21, опубл. 10.07.2007 г.), содержащий осветитель, поляризатор, подставку под исследуемый образец, два измерительных (фазовый и амплитудный) оптически несвязанных между собой параллельных канала. Причем указанные элементы оптически связаны с возможностью подачи светового пучка от осветителя к поляризатору, от поляризатора - на исследуемый образец и далее - на измерительные каналы. Эллипсометр также снабжен размещенным в первом фазовом измерительном канале светоотделяющим элементом, отрезающим в фазовый канал часть отраженного поверхностью образца светового пучка и выполняющим при этом одновременно функцию ахроматического фазосдвигающего элемента.
Фазовый измерительный канал выполнен в составе светоотделяющего элемента, двулучепреломляющей поляризационной призмы, расщепляющей световой пучок на две ортогонально поляризованные компоненты, и фоторегистратора. Причем указанные элементы последовательно оптически связаны между собой, а амплитудный измерительный канал выполнен в виде двулучепреломляющей поляризационной призмы, расщепляющей световой пучок на две ортогонально поляризованные компоненты, и фоторегистратора, оптически связанного с ней.
Фоторегистратор выполнен в виде двухэлементного фотоприемника с первой и второй фоточувствительными областями, детектирующими ортогонально поляризованные компоненты светового пучка и формирующими электрические сигналы для вычисления эллипсометрических параметров образца.
Осветитель выполнен в виде источника монохроматического излучения, перестраиваемого по длине волны, а в качестве поляризатора использована поляризационная призма.
Светоотделяющий элемент выполнен в виде пятигранной призмы, грани призмы выполнены с возможностью падения света перпендикулярно относительно входной грани, последовательного отражения его от трех других граней с выполнением на каждой условия полного внутреннего отражения и выхода перпендикулярно выходной грани с обеспечением суммарного фазового сдвига, равного 90°, для середины спектрального интервала (600 нм).
Кроме того, эллипсометр снабжен системой контроля рабочего положения образца, выполненной в составе двух диафрагм, размещенных в оптическом тракте так, что исследуемый образец расположен между ними, зеркала, расположенного за диафрагмой в плече анализатора и поворотного механизма, вводящего зеркало в оптический тракт при юстировке образца в положение, когда плоскость зеркала перпендикулярна лучу, и выводящего из оптического тракта при измерении.
Недостатками известного эллипсометра являются сложность и дороговизна изготовления его оптико-электронных систем, труднодоступность материалов для оптических элементов. Кроме того, эллипсометр является весьма громоздким, тяжелым и дорогостоящим.
3
Техническим результатом изобретения является разработка сверхминиатюрного (размером порядка 10×30×50 мм) и дешевого эллипсометра, несложного в изготовлении и эксплуатации. Данный результат достигается существенным упрощением конструкции эллипсометра за счет разработки более функциональных узлов: полупроводниковый лазер выполняет одновременно функцию источника света и поляризующего элемента, а поляризационно-чувствительный фотоприемник - функцию фоторегистратора и функцию элемента, чувствительного к поляризации (то, что в ранних конструкциях эллипсометров делала призма Волластона).
Спектральный диапазон эллипсометра физических ограничений не имеет, так как в его конструкции отсутствуют оптические элементы традиционных эллипсометров, изготавливаемые из стекла, кварца, кальцита и т.п. С практической точки зрения спектральный диапазон ограничен наличием соответствующих лазеров со стабилизированной плоскостью поляризации выходного пучка, которые выпускаются в настоящее время в промышленном масштабе на длины волн 665-850 нм.
В силу максимального упрощения конструкции и отсутствия всех деполяризующих элементов (кроме образца), точность измерения на данном приборе не уступает точности стандартных эллипсометров.
Технический результат достигается тем, что эллипсометр содержит поляризатор, подставку для исследуемого образца и фоторегистратор, причем поляризатор выполнен в виде полупроводникового одномодового лазера с вертикальным резонатором со стабилизированной поляризацией исходящего пучка, фоторегистратор выполнен в виде четырехплощадного поляризационно-чувствительного фотоприемника, причем площадки ориентированы следующим образом: одна площадка параллельно оси поляризации лазера, вторая - перпендикулярно оси поляризации, и две площадки под углами +45° и -45°, ориентацию площадки определяют по направлению выполненных на ней фоточувствительных полупроводниковых нанопроволок.
Кроме того, четырехплощадный поляризационно-чувствительный фотоприемник выполнен из фоточувствительных полупроводниковых нанопроволок, расположенных на площадке (подложке) параллельными отрезками, причем диаметр фотопроводящих полупроводниковых нанопроволок (d) и длины волны лазерного излучения (λ) имеют следующее соотношение: 0.1·λ<d<0.5·λ.
Указанное требование на соотношение между диаметром полупроводниковой нанопроволоки (d) и длиной волны лазерного излучения (λ) (0.1·λ<d<0.5·λ) определяется тем, что при меньших размерах проволоки начнут сказываться эффекты квантования спектра носителей заряда в ней, и это затруднит интерпретацию сигнала фотопроводимости, а при больших размерах происходит уменьшение эффекта анизотропии и тем самым снижается поляризационная чувствительность проволочного фотодетектора.
Сущность изобретения поясняется следующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фигуре 1 приведена блок-схема эллипсометра, где:
1 - полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором, который выполнен одномодовым со стабилизированной вертикальной поляризацией исходящего пучка;
2 - исследуемый образец, который располагается на подставке;
3 - фоторегистратор, который выполнен в виде четырехплощадного поляризационно-чувствительного фотоприемника;
4 - линейно-поляризованное излучение полупроводникового лазера;
5 - отраженное от образца излучение (в общем случае, эллиптически поляризованное);
6 - набор аналоговых сигналов от фоторегистратора.
На Фигуре 2 показан четырехплощадный поляризационно-чувствительный фотоприемник, где:
7 - первая площадка четырехплощадного поляризационно-чувствительного фотоприемника, ориентированная в плоскости падения излучения;
8 - вторая площадка четырехплощадного поляризационно-чувствительного фотоприемника, ориентированная в перпендикулярной плоскости падения излучения;
9 - третья площадка четырехплощадного поляризационно-чувствительного фотоприемника, ориентированная под углом +45° к плоскости падения излучения;
10 - четвертая площадка четырехплощадного поляризационно-чувствительного фотоприемника, ориентированная под углом -45° к плоскости падения излучения.
Как показано на Фигуре 1, полупроводниковый лазер 1 является источником поляризованного излучения 4. Излучение 4 падает на исследуемый образец 2 и отражается от него. Отраженное излучение 5 с измененным состоянием поляризации попадает на фоторегистратор 3, который выполнен в виде четырехплощадного поляризационно-чувствительного фотоприемника. Каждая из четырех светочувствительных площадок фоторегистратора 3 регистрирует отраженное излучение 5 и генерирует соответствующий аналоговый сигнал 6. Набор аналоговых сигналов 6 впоследствии анализируется с целью получения информации об исследуемом образце 2.
Преимуществами полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором для портативной переносной аппаратуры являются: малые пороговые токи (до 1 мА), достаточно высокие пиковые мощности: 1 мВт на длине волны 665 нм, но могут выдавать и до 50 мВт на длине волны 850 нм, приемлемая расходимость пучка (полная ширина на половине максимума интенсивности составляет 12°÷14°), слабая зависимость параметров от температуры (порядка 0,04 нм на 1°С), очень высокое быстродействие (частота модуляции порядка 1÷3 ГГц) и не менее высокая надежность (время наработки на отказ 1% приборов из тестируемой партии 250000 час).
Следует отметить, что для тех длин волн, на которых работают существующие лазеры с вертикальным резонатором (665÷850 нм), имеет смысл изготавливать фотоприемники из кремния, например, на структурах КНИ, сделанных по технологии «Dele-Cut» (Yu.V.Nastaushev, T.A.Gavrilova, M.M.Kachanova, O.V.Naumova, I.V.Antonova, V.P.Popov, I.V.Litvin, D.V.Sheglov, A.V.Latyshev, A.L.Aseev. Field-effect nanotransistor on ultra-thin silicon-on-insulator. International Journal of Nanoscience, 2004, v.3, Nos.1-2, p.155-160).
Для целей изобретения важно то, что полупроводниковые лазеры выдают пучок линейно-поляризованного света, причем положение плоскости поляризации жестко задано конструкцией полупроводникового лазера и тем самым четко привязано к геометрии прямоугольного лазерного чипа. Так что выставить поляризацию пучка под любым наперед заданным углом к плоскости падения (в том числе и на 45°) не составляет большого труда. Конечно, в реальности, лазерный пучок слегка эллиптичен, но отношение осей этого эллипса в стандартных изделиях не хуже, чем 1:25-1:30, а при минимальном отборе может быть доведено до 1:100 и более. А этого более чем достаточно для большинства эллипсометрических измерений.
Из экспериментов известно, что токовая чувствительность однопроволочного детектора составляет 3000 А/Вт, однако при легировании InP германием может достигать 10000 А/Вт при некотором снижении быстродействия. Самое замечательное, однако, состоит в том, что и анизотропия фотолюменисценции, и анизотропия фотопроводимости ни с какими квантовыми свойствами нанопроволок не связаны (слабые эффекты квантования наблюдались только в проволоках диаметром 10 нм), а целиком и полностью определяются диэлектрическим контрастом, т.е. большой разностью диэлектрических постоянных проволоки и воздуха.
τ1
τ2
n1
1
n2
2
1
0
Уравнения Максвелла гласят, что касательная составляющая вектора напряженности электрического поля на границе двух сред не меняется (Е=Е), а нормальная составляющая того же вектора меняется скачком (Eε=Eε). Поэтому если смоделировать проволоку бесконечным диэлектрическим цилиндром с диэлектрической постоянной е, расположенной в среде с диэлектрической постоянной ε, то поле падающей волны, поляризованной вдоль оси цилиндра, будет в нем таким же, как снаружи, а поле падающей волны, поляризованной перпедикулярно к оси, уменьшится в  раз.
1
У InP ε=12,4, и расчетное значение анизотропии составляет 0,96 в строгом соответствии с экспериментом. Чтобы можно было пользоваться такими оценками, длина волны должна быть много больше диаметра цилиндра, иначе поле нельзя будет считать однородным.
P
U
Для полной характеризации отраженного пучка достаточно четырех нанопроволочных фотодетекторов, у которых оси нанопроволок сориентированы так, как показано на Фигуре 2. Фоторегистратор расположен так, что нанопроволоки на первой площадке 7 расположены в плоскости падения излучения (под углом 0°, далее ось «х»), нанопроволоки на второй площадке 8 - перпендикулярно к ней (под углом 90°, далее ось «у»), а нанопроволоки третьей и четвертой площадок 9, 10 под углами +45° и -45° соответственно. В общем случае, световой поток, приходящий на фотоприемник, содержит поляризованный (I), деполяризованный (I) свет, т.е.:
A
A
Если обозначить через R(0°) и R(90°) фотоотклик приемника, а для излучений, поляризованных вдоль осей «х» и «у» соответственно, то ток, протекающий по этому фотосопротивлению запишется как
U
P
P
Аналогичные соотношения легко выписываются и для трех оставшихся фотосопротивлений. После этого не составляет большого труда получить систему трех неизвестных (I, I (0°), I(90°)), из которой они определяются по измеренным токам с четырех площадок. Остается только прокалибровать фотоприемники, т.е. измерить соответствующие R, и можно приступать к измерениям.
Эллипсометр используют следующим образом. Подается питание на полупроводниковый лазер 1 и систему регистрации набора аналоговых сигналов 6. Включение лазера приводит к генерации падающего светового пучка 4. Исследуемый образец 2 размещается так, чтобы на него попадал падающий пучок 4, а отраженный пучок 5 равномерно засвечивал все площадки фоторегистратора 3. Ориентированные под заданными углами, каждая площадка фоторегистратора 3 генерирует отдельный аналоговый сигнал согласно ее ориентации и интенсивности соответствующей компоненты поляризации отраженного пучка 5. В совокупности, площадки фоторегистратора 3 формируют набор аналоговых сигналов 6. По компонентам этого набора сигналов согласно формулам (1) и (2) вычисляется изменение поляризации светового пучка при отражении от образца 2. Эти данные используются для расчета оптических параметров исследуемого образца 2.
Применение в данной конструкции эллипсометра одномодового полупроводникового лазера с вертикальным резонатором приводит одновременно к нескольким существенным улучшениям.
Это стабильный по длине волны источник излучения с достаточно высокой интенсивностью.
Высокая степень линейной поляризации выходного излучения лежит в самой основе функционирования данного лазера. По этой причине из схемы эллипсометра исключается такой дорогостоящий элемент, как поляризатор (типа призм Глана-Томсона).
Лазеры с вертикальным резонатором недавно научились делать с нанометровой С-образной апертурой, поэтому с их помощью можно реализовать эллипсометрию ближнего поля, чего вообще никто никогда не делал.
Примечательно, что никаких анализаторов и компенсаторов не требуется и во втором плече предлагаемого эллипсометра. Дело в том, что поляризационно-чувствительный нанопроволочный полупроводниковый фотоприемник с успехом может заменить всю эту дорогостоящую и громоздкую оптику.
Поляризационно-чувствительный фотоприемник изготавливается на основе полупроводниковых нанопроволок. Причем никаких квантовых свойств от этих нанопроволок и не требуется, а важно только, чтоб их диаметр был как можно меньше длины волны излучателя и они были фотопроводящими. Оба этих ключевых компонента эллипсометра могут быть изготовлены даже при существующем уровне российской полупроводниковой технологии.