УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНОГО СЛОЯ ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

Изобретение относится к области оптической контрольно-измерительной техники и может быть использовано для исследования тонких пленок и переходных слоев на плоских подложках, способных направлять поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), а также для контроля состояния таких подложек и изучения быстропротекающих процессов на поверхности проводников и полупроводников.
Известно устройство для исследования проводящей поверхности методом амплитудной ПЭВ-микроскопии, содержащее источник монохроматического излучения, коллиматор, поляризатор, прозрачную трехгранную призму, выполненную из материала оптически более плотного, чем окружающая среда, и одна грань которой расположена параллельно плоской поверхности образца, фокусирующий объектив, фотоприемное устройство (ФПУ), электрически соединенное с устройством обработки и накопления информации [1]. Основным недостатком этого устройства является сравнительно низкая чувствительность и невысокая вертикальная разрешающая способность.
Известно устройство для исследования проводящей поверхности методом фазовой ПЭВ-микроскопии, содержащее источник монохроматического излучения, коллиматор, поляризатор, светоделительную пластинку, прозрачную трехгранную призму, выполненную из материала оптически более плотного, чем окружающая среда, и одна грань которой расположена параллельно плоской поверхности образца, экран, и оптический микроскоп [2]. Основным недостатком этого устройства является невозможность контролировать вариации двух параметров переходного слоя на исследуемой поверхности.
Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство для исследования проводящей поверхности методом эллипсометрической микроскопии, выполняемой в условиях поверхностного плазменного резонанса, содержащее источник p-поляризованного монохроматического излучения, коллиматор, три светоделительные пластинки, образец с участком поверхности свободным от переходного слоя, прозрачную трехгранную призму, выполненную из материала оптически более плотного, чем окружающая среда, и одна грань которой расположена параллельно плоской поверхности образца, два матричных ФПУ и устройство обработки и накопления информации [3]. Основными недостатками известного устройства является низкая точность определения параметров переходного слоя и высокая стоимость измерений, что обусловлено пространственным разнесением фотодетекторов, регистрирующих вариации амплитуды и фазы зондирующего излучения, отраженного определенной точкой поверхности образца, и необходимостью строго сохранять размеры и положение элементов устройства в процессе измерений.
В основу изобретения поставлена задача повышения точности определения параметров переходного слоя и снижения стоимости измерений.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для исследования проводящей поверхности методом эллипсометрической микроскопии, выполняемой в условиях поверхностного плазменного резонанса, содержащем источник p-поляризованного монохроматического излучения, коллиматор, светоделительную пластинку, прозрачную трехгранную призму, выполненную из материала оптически более плотного, чем окружающая среда, и одна грань которой расположена параллельно плоской поверхности образца, матричное ФПУ и устройство обработки и накопления информации, дополнительно введена голографическая пластинка, установленная по ходу опорного пучка в области его пересечения с предметным пучком за светоделительной пластинкой и служащая для записи интерферограмм, образованных в результате интерференции поименованных
пучков, до и после формирования переходного слоя, а также - для восстановления обоих предметных пучков, записанных до и после формирования слоя, при освещении пластинки опорным пучком.
В результате введения в устройство голографической пластинки появляется возможность регистрировать вариации амплитуды и фазы зондирующего излучения, отраженного определенной точкой поверхности образца, в одной точке пространства, а для количественной оценки этих вариаций использовать известный метод голографической интерферометрии (ГИ) [4, 5]. Основным достоинством метода ГИ (по сравнению с классической интерферометрией) является свойство полной дифференциальности записи искажений волнового фронта. В методе ГИ интерферируют между собой волны, прошедшие по одному и тому же пути, но в разные моменты времени, поэтому интерференционная картина (получаемая одним из двух методов, используемых в ГИ: либо методом двойной экспозиции, либо методом реального времени) определяется только изменениями, произошедшими с объектом. Это свойство ГИ позволяет снизить требования, предъявляемые к качеству используемых оптических элементов, неизменности их размеров и положения в ходе эксперимента и, таким образом, повысить точность измерений и снизить их трудоемкость и стоимость.
На фиг.1 приведена функциональная схема заявляемого устройства. На пути p-поляризованного монохроматического излучения, выходящего из источника 1, последовательно расположены коллиматор 2, светоделительная пластинка 3, непрозрачная шторка 4, прозрачная трехгранная призма 5, выполненная из материала оптически более плотного, чем окружающая среда, причем нижняя грань призмы ориентирована параллельно плоской поверхности образца 6, содержащей исследуемый переходный слой 7, и отделена от этой поверхности зазором 8, заполненным веществом окружающей среды и величина которого меньше глубины проникновения поля ПЭВ в окружающую среду, сменная голографическая пластинка 9,
матричное ФПУ 10, электрически подключенное к устройству обработки и хранения информации 11.
Устройство работает следующим образом. Монохроматическое p-поляризованное излучение источника 1 проходит через коллиматор 2 и превращается в плоскую электромагнитную волну, которая расщепляется пластинкой 3 на два световых пучка: предметный и опорный. Предметный пучок проходит мимо шторки 4, падает на боковую грань призмы 5, преломляется ей и направляется на нижнюю грань призмы под углом большим критического угла для границы раздела «материал призмы - окружающая среда». Экспоненциально затухающее в зазоре 8 между призмой 5 и образцом 6 поле падающего излучения возбуждает на контролируемом участке поверхности образца 6 ПЭВ, что сопровождается уменьшением интенсивности и скачком фазы отраженного излучения [6]. Отраженный предметный пучок преломляется другой боковой гранью призмы 5 и падает на голографическую пластинку 9, в плоскости которой он интерферирует с опорным пучком. Формируемая интерференционная картина фиксируется светочувствительным слоем пластинки 9. Затем выключают источник 1 и подвергают образец 6 внешнему воздействию, в результате которого на его поверхности формируется переходный слой 7. После этого вновь включают источник 1 и фиксируют на пластинке 9 вторую интерферограмму. Для определения вариаций интенсивности и фазы излучения в поперечном сечении предметного пучка необходимо сначала выполнить операции проявления и фиксации дважды засвеченной пластинки 9, а затем, перекрыв предметный пучок шторкой 4, - осветить пластинку 9 опорным пучком и восстановить оба отраженных предметных пучка, записанных до и после воздействия на поверхность образца 6. Восстановленные предметные пучки интерферируют между собой и формируют в плоскости ФПУ 10 новую интерференционную картину, по форме и расположению полос которой определяют вариации интенсивности и фазы зондирующего излучения, обусловленные формированием (или изменением)
f
переходного слоя 7. При этом информация о распределении интенсивности содержится в виде контраста финальной интерференционной картины, а информация о распределении фазы - в виде формы и частоты интерференционных полос. Электрические сигналы с ФПУ 10 поступают на устройство 11, которое по величине этих сигналов поточечно определяет значения фазовых сдвигов и изменений интенсивности (обусловленных формированием или модернизацией слоя 7) в поперечном сечении предметного пучка, а затем рассчитывает по методике, описанной в [3], распределение значений двух неизвестных параметров (например, толщины d и показателя преломления n) слоя 7 на исследуемом участке поверхности образца 6.
f
s
s
p
p
p
f
f
f
f
p
f
p
f
-5
Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере исследования переходного слоя толщиной d с показателем преломления n на плоской поверхности медной подложки, характеризуемой показателем преломления n=0,145 и показателем поглощения k=3,50, посредством зондирующего излучения с длиной волны 632,8 нм. Призму, обеспечивающую преобразование объемного излучения в ПЭВ и обратно выберем с показателем преломления n=1,51; окружающая среда - воздух. Нижнюю грань призмы расположим параллельно поверхности подложки (образца) на расстоянии равном 636 нм, что соответствует оптимальным условиям возбуждения ПЭВ на чистой поверхности образца при угле падения φ излучения на нижнюю грань призмы равном 43°36′23″ (при этом коэффициент отражения излучения по мощности R равен 10). На фиг.2 приведены расчетные зависимости R(d) и δ(d), где δ - разность фаз отраженного излучения до и после формирования переходного слоя, при φ=43°36′23″ и различных значениях n (кривые 1-n=1,5; 2-n=l,4; 3-n=1,2). Из графиков видно, что пара экспериментальных значений R и δ, определенных по финальной интерферограмме, позволяет однозначно определять величины d и n в любой точке исследуемого участка образца. Так, например, паре значений R=0,46 и δ=145°15′ соответствуют величины d=4,5 нм и n=1,30.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет значительно повысить надежность измерений и снизить их трудоемкость (а, следовательно, и стоимость) за счет существенного снижения требований к прецизионности измерений вследствие применения в них вместо классической интерферометрии метода голографической интерферометрии.
f
-2
Отметим, что в случае выполнения измерений устройством-прототипом для достижения точности определения значений d и n равной 0,1 нм и 10, соответственно, потребовалось бы обеспечить стабильность размеров и положения лучеразделительных пластинок и ФПУ с точностью до 1-2 нм. Столь прецизионные измерения требуют больших затрат и в условиях заводской лаборатории практически невозможны.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Rothenhausler В., Knoll W. Surface-plasmon microscopy // Nature. - 1988. - v.332. - No.6165. - p.615-617.
2. Никитин А.К., Тищенко А.А. Фазовая ПЭВ-микроскопия // Письма в ЖТФ. - 1991. - Т. 17. - Вып.11. - р.76-79.
3. Никитин А.К. Эллипсометрическая микроскопия в условиях поверхностного плазменного резонанса // Оптический журнал. - 1998. - Т. 65. -№11. - с. 99-100. (прототип)
4. Островский Ю.И., Бутусов М.М., Островская Г.В. Голографическая интерферометрия // М., 1977. - 336 с.
5. Бахрах Л.Д., Гаврилов Г.А. Голография // М.: Знание, 1979. - 64 с.
6. Названов В.Ф., Коваленко Д.И. О поведении амплитуды и фазы отраженного излучения в многослойных структурах с поверхностными плазмонами // Письма в ЖТФ. - 1995. - Т. 21. - Вып.14. - с. 60-62.