ЭЛЛИПСОМЕТР
ELLIPSOMETER

Изобретение относится к технике, предназначенной для оптико-физических измерений, а именно к эллипсометрии, и может быть использовано при неразрушающем контроле оптических параметров поверхности и слоев тонких пленок.
Известен эллипсометр (патент США на изобретение №5311285, МПК: 5 G01B 11/06), содержащий оптически связанные плечо поляризатора, выполненное в виде источника поляризованного излучения, и плечо анализатора, между которыми размещен исследуемый образец. Причем плечо анализатора выполнено в виде композиционного расщепителя светового пучка, расщепляющего отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре различные поляризованные световые компоненты, четыре фотоприемных элемента, предназначенных для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца, арифметических средств для вычисления эллипсометрических параметров. Указанный композиционный световой расщепитель выполнен в составе: бесполяризационного светоделительного элемента, делящего отраженный от образца световой пучок на два пучка, соответственно, распространяющихся в двух различных направлениях; двух оптических измерительных каналов, каждый из которых предназначен для разделения входящего в него от светоделительного элемента одного из двух расщепленных пучков на два ортогонально поляризованных пучка; компенсатора, встроенного в оптический тракт одного измерительного канала, для обеспечения фазового сдвига. При этом один из измерительных каналов с поляризационным расщепителем ориентирован своим входом относительно бесполяризационного светоделительного элемента с возможностью подачи на него отраженной части бесполяризационным светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполнен с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты, другой измерительный канал со вторым поляризационным расщепителем ориентирован относительно выхода бесполяризационного светоделительного элемента с возможностью подачи на него пропущенной части бесполяризационным светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполнен с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты.
Компенсатор размещен в одном из измерительных каналов перед поляризационным расщепителем. Бесполяризационный светоделительный элемент выполнен в виде стеклянной пластинки. В качестве компенсатора использована четвертьволновая фазосдвигающая пластинка.
Светоделительный элемент в виде стеклянной пластинки делит по амплитуде отраженный от образца световой пучок. В качестве поляризационных расщепителей использованы двулучепреломляющие поляризационные призмы.
Оптическая связь выполнена с возможностью подачи светового пучка от источника поляризованного излучения к исследуемому образцу, от образца - к светоделительному элементу, делящему отраженный образцом в общем случае эллиптически поляризованный световой пучок на две части, с пропусканием одной из них через светоделительный элемент и четвертьволновую фазовую пластинку и отражением другой части от первой грани светоделительного элемента, от светоделительного элемента - к двулучепреломляющим поляризационным призмам, расщепляющим прошедшую и отраженную части светового пучка на две ортогонально поляризованные компоненты, и далее - к фотоприемным элементам. По измеренным интенсивностям четырех световых компонент вычисляют эллипсометрические параметры ψ и Δ.
К недостаткам данного технического решения относится недостаточно высокая точность измерений. Указанный недостаток обусловлен нестабильностью оптических параметров светоделительного элемента, приводящей к погрешности в измерениях эллипсометрических параметров и вызывающей необходимость предварительной калибровки эллипсометра, состоящей в определении собственных коэффициентов отражения и пропускания светоделительного элемента.
Известен также эллипсометр (патент США на изобретение №5311285, МПК: 5 G01B 11/06), содержащий оптически связанные плечо поляризатора, выполненное в виде источника поляризованного излучения, и плечо анализатора, между которыми размещен исследуемый образец. Причем плечо анализатора выполнено в виде композиционного расщепителя светового пучка, расщепляющего отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре различные поляризованные световые компоненты, четырех фотоприемных элементов, предназначенных для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца, арифметических средств для вычисления эллипсометрических параметров. Указанный композиционный световой расщепитель выполнен в составе: бесполяризационного оптического светоделительного элемента, делящего отраженный от образца световой пучок на два пучка, отраженный и пропущенный; первого поляризационного расщепителя пучка, ориентированного своим входом относительно бесполяризационного оптического светоделительного элемента с возможностью подачи на него отраженной части бесполяризационным оптическим светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполненного с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты; второго поляризационного расщепителя пучка, ориентированного относительно выхода бесполяризационного оптического светоделительного элемента с возможностью подачи на него пропущенной части бесполяризационным оптическим светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполненного с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты; компенсатора, размещенного перед одним из поляризационных расщепителей пучка, для обеспечения фазового сдвига.
Бесполяризационный оптический светоделительный элемент выполнен в виде стеклянной пластинки. В качестве компенсатора использована четвертьволновая фазосдвигающая пластинка.
Оптический светоделительный элемент в виде стеклянной пластинки делит по амплитуде отраженный от образца световой пучок. В качестве поляризационных расщепителей использованы двулучепреломляющие поляризационные призмы.
Оптическая связь выполнена с возможностью подачи светового пучка от источника поляризованного излучения к исследуемому образцу, от образца - к оптическому светоделительному элементу, делящему отраженный образцом в общем случае эллиптически поляризованный световой пучок на две части, с пропусканием одной из них через светоделительный элемент и четвертьволновую фазовую пластинку и отражением другой части от граней светоделительного элемента, от светоделительного элемента - к двулучепреломляющим поляризационным призмам, расщепляющим прошедшую и отраженную части светового пучка на две ортогонально поляризованные компоненты, и далее - к фотоприемным элементам. По измеренным интенсивностям четырех световых компонент вычисляют эллипсометрические параметры ψ и Δ.
К недостаткам данного технического решения относится недостаточно высокая точность измерений. Указанный недостаток обусловлен нестабильностью оптических параметров светоделительного элемента, приводящей к погрешности в измерениях эллипсометрических параметров и вызывающей необходимость предварительной калибровки эллипсометра, состоящей в определении собственных коэффициентов отражения и пропускания светоделительного элемента.
Ближайшим по назначению к заявляемому техническому решению является эллипсометр (свидетельство на полезную модель РФ №16314, МПК: 6 G01N 21/21), 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 композиционного расщепителя светового пучка, расщепляющего отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре различные поляризованные световые компоненты, фоторегистратора для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца. Указанный композиционный световой расщепитель выполнен в составе: оптического светоделительного элемента, делящего отраженный от образца световой пучок на два пучка, двух оптических измерительных каналов (амплитудного и фазового), каждый из которых предназначен для разделения входящего в него от светоделительного элемента одного из двух расщепленных пучков на два поляризованных в различных направлениях пучка; компенсатора, встроенного в оптический тракт одного измерительного канала, для обеспечения фазового сдвига. При этом один из измерительных каналов с поляризационным расщепителем (анализатором) ориентирован своим входом относительно оптического светоделительного элемента с возможностью подачи на него одной отделяемой части оптическим светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполнен с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты, другой измерительный канал со вторым поляризационным расщепителем (анализатором) ориентирован относительно оптического светоделительного элемента с возможностью подачи на него другой отделяемой части оптическим светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполнен с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты.
Компенсатор размещен в оптическом тракте одного из измерительных каналов (фазовом) перед поляризационным расщепителем (анализатором). Оптический светоделительный элемент выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения. В качестве компенсатора использована четвертьволновая фазосдвигающая пластинка.
В качестве поляризационных расщепителей использованы двулучепреломляющие призмы, выделяющие два ортогонально поляризованных пучка, а в качестве фоторегистратора - два двухплощадных фотоприемника с фоточувствительными площадками, предназначенными для приема ортогонально поляризованных пучков излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца.
Оптическая связь выполнена с возможностью подачи светового пучка от осветителя к поляризатору, от поляризатора - к исследуемому образцу, от образца - к призме полного внутреннего отражения, разделяющей и подающей световое излучение, отраженное образцом, на фазовый, в составе компенсатора, поляризационного расщепителя и фоторегистратора, и амплитудный, в составе поляризационного расщепителя и фоторегистратора, измерительные каналы, конструктивные элементы которых оптически связаны между собой в указанной последовательности. Положения поляризатора, компенсатора и поляризационных расщепителей фиксированы.
К недостаткам ближайшего технического решения относится недостаточно высокая точность измерений. Приведенный недостаток обусловлен тем, что призма полного внутреннего отражения в результате наличия внутренних напряжений имеет собственное двулучепреломление и благодаря последнему вносит ошибки в измерение отношения амплитудных коэффициентов отражения Френеля Ψ для р- и s- компонент отраженного света.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений.
В качестве дополнительного положительного эффекта в заявляемом изобретении имеет место улучшение экономических и эргономических характеристик эллипсометра.
Технический результат достигают тем, что в эллипсометре, содержащем 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 различные поляризованные световые компоненты, фоторегистратора для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца, указанный композиционный расщепитель светового пучка выполнен единым измерительным каналом, совмещающим функции фазового и амплитудного измерительных каналов, обеспечивающим равные коэффициенты пропускания поляризованных световых компонент.
Единый измерительный канал выполнен в составе последовательно оптически связанных формирователя квазипараллельных световых пучков из отраженного образцом эллиптически поляризованного светового пучка, компенсатора, реализованного с возможностью прохождения его одним из квазипараллельных пучков без фазового сдвига, а другим - с фазовым сдвигом, и поляризационного расщепителя квазипараллельных пучков на различные поляризованные световые компоненты.
Формирователь квазипараллельных световых пучков выполнен с возможностью их вырезания из светового пучка.
Формирователь квазипараллельных световых пучков выполнен в виде двойной диафрагмы.
Компенсатор выполнен в составе двух фазосдвигающих пластин, каждая из которых закреплена в индивидуальной кольцеобразной оправе с возможностью вращения относительно оптической оси независимо друг от друга для достижения требуемого положения, с последующей фиксацией, а также после фиксации каждой с возможностью вращения в общей оправе относительно оптической оси.
Компенсатор выполнен термостабилизированным из двух фазосдвигающих пластин с суммарной разностью фаз в фазовом сдвиге, равном π/2, пластины ориентированы с возможностью совпадения «быстрой» оси одной с «медленной» осью другой.
Компенсатор, реализованный с возможностью прохождения его одним из квазипараллельных пучков без фазового сдвига, а другим - с фазовым сдвигом, выполнен на основе использования двух фазосдвигающих пластин с геометрией, обеспечивающей отверстие в плоскости круга, вырезаемого кольцеобразной оправой.
Фазосдвигающая пластина выполнена в виде плоского кольца с центральным осевым отверстием.
Поляризационный расщепитель квазипараллельных световых пучков выполнен с возможностью получения ортогонально поляризованных световых компонент.
Поляризационный расщепитель выполнен в виде двулучепреломляющей поляризационной призмы с равными коэффициентами пропускания при расщеплении квазипараллельных световых пучков на ортогонально поляризованные компоненты.
Фоторегистратор для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца выполнен в виде четырехэлементного фотоприемника с четырьмя фоточувствительными площадками, размещенными в одном корпусе, детектирующими ортогонально поляризованные компоненты двух квазипараллельных пучков.
Осветитель выполнен в виде источника монохроматического излучения или в виде источника монохроматического излучения, перестраиваемого по длине волны.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 приведена блок-схема эллипсометра в частном случае его выполнения, где 1 - осветитель, 2 - поляризатор, 3 - исследуемый образец, 4 - диафрагма, 5 - компенсатор, 6 - поляризационный расщепитель, 7 - фоторегистратор. На Фиг.2 приведена диафрагма. На Фиг.3 приведена фазосдвигающая пластина.
В предлагаемом изобретении достижение технического результата базируется на сокращении оптических элементов в конструкции, вносящих погрешность в измерения.
Создание единого измерительного канала (см. Фиг.1), выполняющего одновременно функции амплитудного и фазового измерительных каналов и обеспечивающего равные коэффициенты пропускания поляризованных световых компонент, позволяет вместо двух двулучепреломляющих призм использовать только одну. Указанное совмещение функций достигается конструкцией компенсатора, обеспечивающей реализацию прохождения через компенсатор 5 двух световых пучков, одного с фазовым сдвигом, а другого - без фазового сдвига, и дальнейшим расщеплением обоих прошедших компенсатор световых пучков на четыре поляризованные компоненты поляризационным расщепителем 6.
Наличие единого измерительного канала позволило отказаться от светоделительного элемента, обеспечивающего подачу излучения, отраженного исследуемым образцом, на поляризационные расщепители измерительных каналов, ввиду отсутствия необходимости деления светового пучка на части, расходящиеся в разных направлениях для осуществления их подачи на поляризационные расщепители. Отсутствие в предлагаемом техническом решении традиционных для существующего уровня техники светоделительных элементов обеспечивает повышение точности измерений.
Для реализации возможности использования только одной двулучепреломляющей призмы за счет прохождения через компенсатор 5 с соблюдением вышеприведенного условия двух световых лучей перед компенсатором 5 выполнена диафрагма 4 (см. Фиг.1 и 2), формирующая узкие квазипараллельные световые пучки. При этом формирование данных пучков обеспечивается делением не по амплитуде, как это имеет место в известных технических решениях, например в приведенном первом аналоге, а по фронту. Данное обстоятельство разрешает использование в отличие от известных технических решений относительно широких световых пучков. В свою очередь, это позволяет формировать световые лучи посредством их вырезания из светового пучка, в частности, путем использования диафрагм.
Конструкция компенсатора, а именно геометрия его фазосдвигающих пластин обеспечивает прохождение через него одного вырезанного светового луча без фазового сдвига, а другого - с фазовым сдвигом. Конструктивное выполнение компенсатора также предусматривает возможность его термостабилизации, что дополнительно способствует повышению точности измерения.
Эллипсометр содержит (Фиг.1) в частном случае его выполнения: осветитель 1, поляризатор 2, диафрагму 4, компенсатор 5, поляризационный расщепитель 6, фоторегистратор 7. Исследуемый образец 3 размещен между поляризатором 2 и диафрагмой 4.
Оптически связанные осветитель 1 и поляризатор 2 образуют плечо поляризатора.
Оптически последовательно связанные диафрагма 4, компенсатор 5, поляризационный расщепитель 6 и фоторегистратор 7 образуют плечо анализатора.
Исследуемый образец 3 расположен между плечом поляризатора, обеспечивающим подачу на образец линейно поляризованного светового пучка, и плечом анализатора, обеспечивающим получение эллипсометрических параметров исследуемого образца, на которое подается отраженный от образца эллиптически поляризованный световой пучок.
Осветитель 1 представляет собой источник монохроматического излучения, возможно перестраиваемый по длине волны. В качестве поляризатора 2 используют поляризационную призму.
В плече анализатора выполнен композиционный расщепитель светового пучка, расщепляющий отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре поляризованные световые компоненты и обеспечивающий выход данных, в частности ортогонально поляризованных световых компонент, к фоторегистратору с равными коэффициентами их пропускания. Он оптически связан с фоторегистратором 7, предназначенным для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца. Композиционный расщепитель светового пучка выполнен единым измерительным каналом, совмещающим функции фазового и амплитудного измерительных каналов, обеспечивающим равные коэффициенты пропускания поляризованных световых компонент. В состав единого измерительного канала входят формирователь квазипараллельных световых пучков из отраженного образцом эллиптически поляризованного светового пучка, компенсатор, реализованный с возможностью прохождения его одним из квазипараллельных световых пучков без фазового сдвига, а другим - с фазовым сдвигом, и поляризационный расщепитель квазипараллельных световых пучков на поляризованные, в частности, ортогонально световые компоненты с равными для них коэффициентами пропускания.
Данные элементы оптически связаны между собой в последовательности их перечисления.
Перед компенсатором расположен формирователь квазипараллельных световых пучков.
Формирователь квазипараллельных световых пучков выполнен с возможностью их вырезания из светового пучка. Частный случай реализации данного элемента - двойная диафрагма (см. Фиг.2). Диафрагма расположена в горизонтальной плоскости и вырезает из расходящегося широкого отраженного исследуемым образцом пучка два узких квазипараллельных световых пучка, которые подаются на компенсатор.
В составе компенсатора выполнены две фазосдвигающие пластины. Каждая фазосдвигающая пластина закреплена в индивидуальной кольцеобразной оправе с возможностью вращения относительно оптической оси. Вращение каждой фазосдвигающей пластины осуществляется независимо друг от друга. Возможность такого вращения необходима для достижения требуемого положения друг относительно друга. После достижения надлежащего взаимного ориентирования положение фазосдвигающих пластин в индивидуальных оправах фиксируют. После фиксации каждой имеется возможность вращения их в общей оправе относительно оптической оси в ходе дальнейшей работы.
При этом компенсатор выполнен термостабилизированным. Две фазосдвигающие пластины с суммарной разностью фаз в фазовом сдвиге, равном π/2, ориентированы с учетом совпадения «быстрой» оси одной с «медленной» осью другой.
Наличие кольцеобразных оправ фазосдвигающих пластин дает возможность вращения пластин относительно оптической оси, что необходимо для их взаимного ориентирования и надлежащей работы эллипсометра.
Компенсатор реализован с возможностью прохождения его одним из квазипараллельных световых пучков, формирующихся двойной диафрагмой, без фазового сдвига, а другим - с фазовым сдвигом. Для реализации данного условия используют фазосдвигающие пластины с геометрией, при которой обеспечивается отверстие в плоскости круга, вырезаемого кольцеобразной оправой. В частном случае реализации каждая из фазосдвигающих пластин выполняется в виде плоского кольца с центральным отверстием (Фиг.3), каждое кольцо закрепляется в индивидуальной кольцеобразной оправе. Через отверстие в фазосдвигающих пластинах проходит один из квазипараллельных световых пучков, не претерпевая при этом фазового сдвига. Другой квазипараллельный световой пучок проходит непосредственно через фазосдвигающие пластины компенсатора и претерпевает фазовый сдвиг.
Поляризационный расщепитель предназначен для расщепления квазипараллельных световых пучков на ортогонально поляризованные световые компоненты. В качестве поляризационного расщепителя используют двулучепреломляющую поляризационную призму (призма Волластона), обеспечивающую равные коэффициенты пропускания при расщеплении квазипараллельных световых пучков на ортогонально поляризованные световые компоненты.
Фоторегистратор предназначен для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца. В качестве фоторегистратора используют четырехэлементный фотоприемник с четырьмя фоточувствительными площадками, размещенными в одном корпусе, детектирующими ортогонально поляризованные компоненты двух квазипараллельных световых пучков.
Эллипсометр работает следующим образом.
1
2
3
4
Световой поток, испускаемый осветителем 1, линейно поляризуется поляризатором 2, и, выходя из плеча поляризатора, падает на поверхность исследуемого образца 3. Падающий линейно поляризованный световой пучок отражается от поверхности образца 3 с изменением состояния поляризации и становится в общем случае эллиптически поляризованным и в таком состоянии поступает в плечо анализатора, а именно на композиционный расщепитель светового пучка, расщепляющий отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре ортогонально поляризованные световые компоненты, представляющий собой единый измерительный канал. В композиционном расщепителе сначала эллиптически поляризованный световой пучок подается на формирователь квазипараллельных световых пучков, представляющий собой диафрагму 4, которая вырезает два узких квазипараллельных световых пучка, исходящих под одним и тем же углом относительно поверхности образца. Затем квазипараллельные световые пучки подаются на компенсатор 5, один из них проходит компенсатор без фазового сдвига, а другой претерпевает относительный фазовый сдвиг, равный 90°. После чего оба световых пучка подаются на поляризационный расщепитель 6, и каждый расщепляется двулучепреломляющей призмой (поляризационный расщепитель 6) на два ортогонально поляризованных пучка. После чего пучки поступают к фоторегистратору 7, засвечивают фоточувствительные площадки четырехэлементного фотоприемника, формируя электрические сигналы I, I, I и I.
1
2
3
4
По измеренным сигналам I, I, I и I вычисляют параметры поляризации. Указанные измеряемые величины получают при фиксированных угловых положениях относительно плоскости падения света поляризационных элементов: поляризатор 2 - ±45°; компенсатор 5 - 0° или 45°; поляризационный расщепитель 6 - 0° или 45°. Фазовый сдвиг, вносимый компенсатором 5, составляет δ=90°.
Для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца 3 используют следующие формулы.
В случае когда азимут компенсатора 5 равен 45°, а азимут поляризационного расщепителя 6 - 0°, то
в случае если азимут поляризационного расщепителя 6 равен 45°, то
в случае когда азимут компенсатора 5 равен 0°, азимут поляризационного расщепителя 6 равен 45°, то
1
где I - величина напряжения, снимаемого на фоторегистраторе 7 с первой фоточувствительной области четырехэлементного фотоприемника, пропорциональная интенсивности светового пучка, падающего на данную область, В;
2
I - величина напряжения, снимаемого на фоторегистраторе 7 со второй фоточувствительной области четырехэлементного фотоприемника, пропорциональная интенсивности светового пучка, падающего на данную область, В;
3
I - величина напряжения, снимаемого на фоторегистраторе 7 с третьей фоточувствительной области четырехэлементного фотоприемника, пропорциональная интенсивности светового пучка, падающего на данную область. В;
4
I - величина напряжения, снимаемого на фоторегистраторе 7 с четвертой фоточувствительной области четырехэлементного фотоприемника, пропорциональная интенсивности светового пучка, падающего на данную область, В (см. Фиг.1).
Изменяя азимутальные положения поляризационного расщепителя 6 (двулучепреломляющей поляризационной призмы), отношение коэффициентов отражения Френеля ψ и фазовый сдвиг Δ однозначно измеряются во всем диапазоне значений: ψ от 0 до 90°; Δ от 0 до 360°.