СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ОДНОРОДНОГО НАНОСЛОЯ В ИНФРАКРАСНОМ ИЗЛУЧЕНИИ
METHOD OF DETERMINING THICKNESS OF UNIFORM NANOLAYER IN INFRARED RADIATION

Изобретение относится к оптическим методам контроля слоев наноразмерной толщины в инфракрасном (ИК) излучении и может быть использовано как в физико-химических исследованиях динамики роста переходного слоя на проводящей поверхности, так и в технологических процессах для контроля толщины и однородности тонкослойных покрытий металлизированных изделий и полупроводниковых подложек.
Для исследования однородных слоев субволновой толщины в ИК-излучении используют известный способ эллипсометрии, включающий нанесение слоя на твердотельную подложку, воздействие на слой излучением с ненулевыми р- и s-компонентами поля, измерение изменений интенсивностей и фаз компонент в результате взаимодействия излучения со слоем и поддерживающей его подложкой, расчет толщины слоя по результатам измерений [Hofmann Т., Herzinger C.M., Boosalis A., Tiwald Т.Е., Woollam J.A., and Schubert М. Variable-wavelength frequency-domain terahertz ellipsometry // Rev. Sci. Instrum., 2010, v.81, 023101]. Основным недостатком эллипсометрии при исследовании нанослоев ИК-излучением является низкая точность измерений, что обусловлено малой длиной взаимодействия излучения с исследуемым слоем и, как следствие этого, малыми изменениями степени поляризации зондирующего излучения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения толщины однородного нанослоя в ИК-излучении, включающий нанесение слоя на подложку, способную направлять поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), преобразование излучения в направляемую подложкой ПЭВ, регистрацию изменения интенсивности ПЭВ в результате пробега волной макроскопического расстояния и расчет толщины слоя по результатам измерений и значениям оптических постоянных вещества слоя и материала подложки [Жижин Г.Н., Никитин А.К., Богомолов Г.Д., Завьялов В.В., Джонг Юнг Ук, Ли Банг Чол, Сеонг Хи Пак, Хек Джин Ча. Поглощение поверхностных плазмонов терагерцового диапазона в структуре "металл - покровный слой - воздух" // Оптика и спектроскопия, 2006, т.100, №5, с.798-802]. Основным недостатком способа является недостаточно высокая точность измерений, обусловленная слабой чувствительностью интенсивности поля ПЭВ к изменениям толщины слоя, ввиду слабого затухания ИК ПЭВ.
Технический результат заключается в повышении точности определения толщины однородного нанослоя в ИК-излучении.
Технический результат достигается тем, что в способе определения толщины однородного нанослоя в инфракрасном излучении, включающем нанесение слоя на подложку, способную направлять поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), воздействие зондирующим излучением на подложку, преобразование излучения в ПЭВ, регистрацию изменений ПЭВ в результате пробега ею макроскопического расстояния Δх, расчет толщины слоя по результатам измерений и значениям оптических постоянных вещества слоя и материала подложки, ПЭВ преобразуют в объемную волну, совмещают пучок зондирующего излучения и объемную волну, регистрируют результирующую интенсивность интерферирующих волн до и после пробега ПЭВ расстояния Δх и рассчитывают толщину нанослоя с учетом приращения фазы ПЭВ на расстоянии Δх.
Повышение точности определения толщины слоя d достигается в результате неприращения интенсивности ΔJ, обусловленного затуханием ПЭВ.
o
o
o
При измерении Δφ методом интерферометрии, так и при измерении ΔJ после изменения пробега ПЭВ на расстояние Δх, измеряют интенсивность (либо совмещенных пучков зондирующего и порожденного ПЭВ-излучения, либо поля ПЭВ в данной точке ее трека). В первом случае изменение интенсивности (интерферограммы) может принимать значение в пределах от нуля до 4J, где J - интенсивность опорного и измерительного пучков в плоскости интерферограммы при Δх=0; во втором случае (при регистрации экспоненциально затухающей интенсивности поля ПЭВ) максимальное значение ΔJ не превышает J. Поэтому одинаковое значение ΔJ (равное, в частности, точности измерения интенсивности) и пропорциональное толщине слоя d достигается при прочих равных условиях на значительно меньшем расстоянии, пробегаемом ПЭВ при интерферометрических измерениях, чем при амплитудных. Этим и обусловлено достижение поставленной в изобретении цели - повышение точности определения толщины d однородного слоя на поверхности, направляющей ИК ПЭВ.
Изобретение поясняется чертежами: на рис.1 - схема устройства, реализующего способ; на рис.2 - расчетные зависимости величины набега фазы Δφ ПЭВ от толщины слоя d при расстоянии Δх=50 мм, пройденного ПЭВ с λ=50 мкм в структуре "Au подложка - слой ZnS толщиной d - воздух".
Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, описанного в работе [Жижин Г.Н., Никитин А.К., Балашов А.А., Рыжова Т.А. Плазменный спектрометр терагерцового диапазона для исследования проводящей поверхности // Патент РФ на изобретение №2318192. Бюл. №6 от 27.02.2008 г.], и схема которого приведена на рис.1, где цифрами обозначены: 1 - источник р-поляризованного монохроматического излучения, 2 - лучеразделитель, расщепляющий пучок падающего излучения на измерительный и реперный пучки, 3 - элемент преобразования объемного излучения измерительного пучка в ПП, 4 - твердотельный проводящий образец, имеющий две плоские смежные грани, на одной из которых размещен элемент 3, а на другой - элемент преобразования 5 ПП в объемную волну, 6 - заслонка, перекрывающая реперный пучок при регистрации интенсивности излучения измерительного пучка или измерительный пучок при регулировании интенсивности реперного пучка, 7 - регулируемый поглотитель излучения реперного пучка, 8 - зеркало, 9 - лучеразделитель, совмещающий измерительный и реперный пучки и жестко сопряженный с элементом 5, 10 - фокусирующий объектив, 11 - фотоприемное устройство.
На рис.2 приведены расчетные зависимости величины набега фазы Δφ от толщины слоя d при расстоянии Δх=50 мм, пройденного ПЭВ с λ=50 мкм в структуре "Au подложка - слой ZnS толщиной d - воздух".
Способ реализуется следующим образом. Излучение источника 1 с длиной волны λ направляют на лучеразделитель 2, расщепляющий падающее излучение на измерительный и опорный пучки. Излучение измерительного пучка падает на элемент 3 и преобразуется в поверхностную волну. ПЭВ пробегает до скругленного ребра (радиус закругления R>10λ), образованного двумя смежными плоскими гранями проводящей подложки 4, преодолевает это ребро (с некоторыми радиационными потерями) и продолжает распространяться по второй грани до элемента 5 (наклонного плоского зеркала, примыкающего одним краем к поверхности подложки и сопряженного с лучеразделителем 9). Зеркало 5 сообщает ПЭВ отрицательный импульс, что приводит к уменьшению модуля волнового вектора ПЭВ до значения меньшего величины модуля волнового вектора объемной волны в окружающей среде и, как следствие этого, - к преобразованию ПЭВ в объемную волну, направляемую на разделитель 9. На другую сторону разделителя 9 поступает вторая объемная волна, отраженная прежде от разделителя 2, и прошедшая мимо заслонки 6 через регулируемый поглотитель 7, и отраженная зеркалом 8. Разделитель 9 сбивает вместе обе объемные волны и направляет их через объектив 10 на фотоприемное устройство 11. Вследствие интерференции объемных волн освещенность апертуры приемника 11 при беспрепятственном прохождении обоих пучков по описанным траекториям определяется как амплитудами полей обоих пучков, так и соотношением их фаз.
До начала измерений исследуемый слой из материала с известным показателем преломления наносят на подложку 4 с известной диэлектрической проницаемостью и рассчитывают зависимости Δφ(d) для некоторого расстояния пробега Δх ПЭВ в данной волноведущей структуре, содержащей исследуемый слой с искомой толщиной d.
o
o
o
На первом этапе измерений зеркало 5 размещают за (по ходу ПЭВ) скругленным ребром подложки 4 и с помощью заслонки 6 и поглотителя 7 добиваются равенства интенсивностей пучков, когда каждый из пучков порождает фототек величиной I. Затем, при открытой для обоих пучков заслонке 6 зеркало 5 помещают в такую точку трека, когда фототок на выходе приемника 11 максимален и равен 4I, что соответствует синфазному изменению полей обоих пучков (Δφ=0) и равенству результирующей интенсивности величине 4J (в силу пропорциональности силы фототока интенсивности светового потока, поступающего на вход фотоприемника 11).
-4
-5
На втором этапе измерений зеркало 5 перемещают вдоль трека в направлении края подложки 4 на расстояние Δх и регистрируют изменение силы фототока I. Принимая во внимание малость затухания ПЭВ ИК-диапазона (κ”≈10÷10, здесь κ” - мнимая часть показателя преломления ПЭВ), изменением интенсивности ПЭВ на расстоянии Δx<<L (где L - длина распространения ПЭВ) можно пренебречь. Поэтому в результате интерференции волн пучков интенсивность J-излучения на апертуре фотоприемника изменяется в зависимости от Δх по закону:
cp
cp
o
где Δφ=(2π/λ)·(κ'-n)·Δх - разность фаз, обусловленная отличием фазовой скорости ПЭВ от фазовой скорости плоской волны в окружающей среде с показателем преломления n; κ' - действительная часть показателя преломления ПЭВ. По закону (1) изменяется и сила фототока I. Поэтому по измеренным I и I можно однозначно определить величину Δφ. А затем, используя предварительно рассчитанную зависимость Δφ(d) для выбранного Δх, можно определить и значение толщины d исследуемого слоя.
-1
-1
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения толщины d слоя ZnS, характеризуемого показателем преломления 3,48 и показателем поглощения 0,03, в излучении с λ=50 мкм. Для этого нанесем слой на золотую подложку, снабженную элементом преобразования объемного излучения в ПЭВ. Используя дисперсионное уравнение ПЭВ для трехслойной структуры [Bell R.J., Alexander R.W., Ward C.A. and Tyler I.L. Introductory theory for surface electromagnetic wave spectroscopy // Surface Science, 1975, v.48, p.253-287], предварительно рассчитаем зависимость комплексного показателя преломления ПЭВ κ=κ'+i·κ” от толщины слоя d. Необходимую для расчетов диэлектрическую проницаемость золота вычислим по модели Друде, полагая столкновительную частоту свободных электронов, равной 215 см, а плазменную - 72800 см [Ordal M.A., Bell R.J., Alexander R.W. et al. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Applied Optics, 1985, v.24(24), p.4493-4499]. Выбрав расстояние Δх, пробегаемое ПЭВ, равным 50 мм, и используя полученную зависимость κ'(d), построим зависимость Δφ(d) (рис.1).
-6
Выполнив интерферометрические и амплитудные измерения при Δх=50 мм и длине распространения ПЭВ L≈1 м, получим: в первом случае увеличение толщины слоя d на 10 нм приводит к Δφ≈0,1 радиана, что обуславливает относительное изменение интенсивности ΔJ≈0,06; во втором - показатель поглощения ПЭВ κ” возрастает на 1,2·10, что обуславливает ΔJ≈0,01. Таким образом, на одной и той же длине взаимодействия Δх-излучения в форме ПЭВ с образцом (золотой подложкой со слоем ZnS на ней), изменения регистрируемой интенсивности ΔJ в рассматриваемом примере при интерферометрических измерениях в 6 раз превосходят величину ΔJ при амплитудных измерениях. Поэтому при данной точности измерения интенсивности точность определения толщины d слоя ZnS по изменению фазы ПЭВ Δφ превосходит точность определения d по затуханию интенсивности поля ПЭВ также примерно в 5-6 раз.
Таким образом, точность определения толщины нанослоя заявляемым способом превышает точность способа-прототипа не менее чем в 5 раз.