УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE FOR INSPECTING SURFACE ROUGHNESS

Устройство относится к использованию мягкого рентгеновского излучения для исследования сверхгладких оптических поверхностей и многослойных элементов, в частности для аттестации оптических элементов дифракционного качества.
Предложено устройство, позволяющее производить процедуру аттестации в лабораторных условиях за счет динамического диапазона интенсивности зондирующего излучения, приближающегося к синхротронным источникам.
-6
3
-1
-6
-3
-1
-3
-1
3
-1
Изготовление оптических элементов для приборов и систем изображающей оптики дифракционного качества (EUV и DUV литография, рентгеновская микроскопия) требует сохранения точности формы и шероховатости поверхности на субнанометровом уровне: 3-5 ангстрема в диапазоне пространственных частот 10-10 µм. В зависимости от характерного латерального размера, дефекты оптических элементов приводят к искажению изображения как целого (низкие частоты, 10-10 µм), его размытию (среднечастотная область, 10-5 µм) или ослаблению его освещенности (высокие частоты, 5-10 µм). Требования высокой гладкости налагаются как на сами оптические элементы, представляющие собой многослойные рентгеновские зеркала, так и на их подложки.
Для доведения формы подложек оптических элементов до требуемой точности в настоящий момент наиболее широко применяются методы ионного травления и нанесения многослойных покрытий. Это итерационные процедуры, на каждом этапе требующие контроля формы подложки, а также выбора режима травления, не приводящего к развитию шероховатостей высоко- и среднечастотного пространственного диапазона. Отсюда возникает необходимость развития методов лабораторного контроля поверхностей подложек атомарной гладкости во всем указанном диапазоне пространственных частот.
-2
-1
Задаче аттестации подложек, в том числе сверхгладких, в прошлом уделялось достаточно много внимания. В области низких пространственных частот проблема решена с помощью интерферометра с дифракционной волной сравнения, в высокочастотном диапазоне методы зеркального отражения жесткого рентгеновского излучения (для плоских поверхностей) и атомно-силовая микроскопия (АСМ) позволяют достоверно описывать поверхность и предсказывать характеристики наносимых многослойных зеркал. Наибольшее число вопросов в настоящий момент вызывает область средних пространственных частот. Стандартно применяемая здесь оптическая интерференционная микроскопия (ОИМ) в случае подложек атомарной гладкости приводит к ряду противоречивых результатов для разных интерферометров, что объясняется применением эталонной поверхности и влиянием пропускающей оптики. Сопоставление данных аттестации ансамбля сверхгладких Si образцов и SiC эталона (ОИМ «Talysurf CCI 2000») показало, что, в области пространственных частот более 10 µм измеренные функции спектральной плотности мощности шероховатостей образцов совпадают и повторяют соответствующую характеристику эталона (что существенно противоречит данным АСМ и, таким образом, в этом диапазоне полученные с помощью ОИМ результаты не могут характеризовать исследуемые образцы).
2
Принципиальной особенностью изображающих оптических схем является кривизна оптических элементов: радиус кривизны может варьироваться от нескольких миллиметров до метра, стрелка прогиба достигать десяти миллиметров, что фактически запрещает использование жесткого рентгеновского излучения для исследования поверхностей подложек и коэффициентов отражения многослойных рентгеновских зеркал. Отметим, что применение жесткого рентгеновского излучения возможно в рамках метода, основанного на эффекте шепчущей галереи, однако к настоящему моменту его использование для аттестации поверхностей находится в стадии разработки. Применение методов АСМ в среднечастотной области также осложнено из-за особенностей учета нелинейности пьезокерамики. Комплекс исследований плоских Si и SiO подложек на микроскопе "Solver PRO" (NT-MDT) показал, что в случае больших кадров сканирования, 10-100 µм, нелинейность пьезокерамики полностью не компенсируется даже при работе с емкостными датчиками: после вычитания наклона изображение поверхности имеет ярко выраженную параболическую форму. Для восстановления реальной структуры образца необходимо вычитать поверхность второго и даже третьего порядка (кадры более 50 µм), что не может быть применено для поверхностей большой кривизны без опасности потери информации о структуре образца.
Существующие в настоящий момент микроскопы также не оснащаются гониометрами, что не позволяет достаточно точно скорректировать локальный наклон поверхности. Проблема здесь состоит в том, что для сохранения субатомарного разрешения высот шероховатостей диапазон вертикального перемещения зонда в процессе сканирования не должен превышать 1 µм. В случае наклона поверхности по отношению к оси зонда, диапазон возможного латерального сканирования уменьшается, что приводит к ограничению диапазона регистрируемых пространственных частот шероховатостей. Так, для наклона ~3° размер кадра не может превышать ~20 µм. Реальная оптика имеет локальные наклоны поверхности к оси на порядок больше. Создание специализированного АСМ, оснащенного четырехосным гониометром для изучения шероховатостей в среднечастотном диапазоне, в настоящее время активно обсуждается. Поэтому по-прежнему существует необходимость развития альтернативных первопринципных методов контроля качества неплоских подложек и поверхностей многослойных элементов, а также межслоевых границ многослойных структур. В качестве такого метода нами рассматривается рассеяние мягкого рентгеновского или ЭУФ-излучения.
5
6
-1
4
В лабораторных условиях в настоящий момент в основном применяется жесткое рентгеновское излучение, что в первую очередь связано с необходимостью получения оперативной информации при разработке технологий, а также с достаточно большой интенсивностью лабораторных источников рентгеновского излучения (рентгеновских трубок) в этом диапазоне. Например, стандартный рентгеновский 4-кристальный дифрактометр PANalitical X'Pert PRO (λ=0.154 nm) обладает интенсивностью зондирующего пучка до 10 фотонов/с (при шуме детектора <1 фотонов/с за счет использования накопления это дает динамический диапазон 10), что позволяет исследовать подложки с ангстремной шероховатостью для пространственных частот 0.07-2 µм. В то же время в мягком диапазоне существующие лабораторные рефлектометры с решеточными монохроматорами (например, на базе РСМ-500) демонстрируют интенсивность на уровне нескольких тысяч фотонов в секунду и динамический диапазон регистрации ~10. Таким образом, применение методики в мягком диапазоне требует разработки качественно иных лабораторных рефлектометров с увеличенным динамическим диапазоном.
В качестве наиболее близкого аналога заявленного устройства можно предложить устройство рентгеновского контроля шероховатости поверхности, описанное в RU 2199110 C2. К недостаткам известного устройства можно отнести недостаточную точность измерений и невозможность проведения процедуры аттестации оптических элементов дифракционного качества.
Задачей изобретения является создание устройства для осуществления контроля шероховатости оптических элементов с использованием диффузного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
Поставленная задача решается тем, что при рентгеновском контроле шероховатости оптических элементов используется диффузное рассеяние мягкого рентгеновского излучения, в частности, с длиной волны 13,5 нанометров.
Задача решается также тем, что устройство для осуществления контроля шероховатости оптических элементов с использованием диффузного рассеяния мягкого рентгеновского излучения содержит установленные на плите трехкоординатный прецизионный стол с размещенными на нем рентгеновской трубкой, излучающей в мягком рентгеновском диапазоне, и ионным источником для чистки мишени, камеру монохроматора с установленными в ней монохроматором и монитором интенсивности зондирующего пучка, и камеру для исследуемых образцов с размещенным в ней пятиосным гониометром, при этом камера монохроматора и камера для исследуемых образцов соединены между собой через первый шибер, в качестве монохроматора использован сферический объектив Шварцшильда, камера монохроматора соединена с магниторазрядным насосом, а камера для исследуемых образцов через второй шибер последовательно соединена с турбомолекулярным и форвакуумным безмасляным насосами, соответственно.
В одном из вариантов выполнения устройства длина волны излучения рентгеновской трубки составляет 13,5 нанометров.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема устройства, выполненного в виде рефлектометра с объективом Шварцильда.
Устройство содержит точную оптическую плиту 1, трехкоординатный прецизионный стол 2 для рентгеновской трубки, ионный источник 4 для чистки мишени, камеру монохроматора 5, сферический объектив Шварцшильда 6, точное основание 7 для монохроматора и монитора, магниторазрядный насос 8, монитор интенсивности зондирующего пучка 9, первый шибер 10, камеру для исследуемых образцов 11, пятиосный гониометр 12, второй шибер 13, турбомолекулярный насос 14, форвакуумный безмасляный насос 15.
-2
-5
-6
Работа устройства происходит следующим образом. После ручной установки исследуемого образца на стол гониометра 12 камера для образцов 11 закрывается, открывается вакуумный затвор (второй шибер) 13. Производится предварительная откачка камеры с помощью форвакуумного насоса 15. Вакуумный затвор (первый шибер) 10 открывается в том случае, когда давление в камере для образцов и в камере монохроматора 5 сравняется. Если давление в камере монохроматора ниже чем 5·10 Торр, то после достижения этого давления в камере для образцов включается турбомолекулярный насос 14. После того, как вакуум в обеих камерах сравняется или достигнет величины ниже 10 Торр, открывается вакуумный затвор 10 и включается магниторазрядный насос 8. После достижения вакуума ниже 2·10 Торр прибор готов к работе. Такой трехступенчатый способ откачки и высокий вакуум необходимы для того, чтобы минимизировать загрязнение мишени и «отравление» (потеря термоэлектронной эмиссии) термокатода рентгеновской трубки, так как излучение в рабочем диапазоне длин волн сильно поглощается, длина пробега не превышает долей микрометра.
-4
После достижения рабочего вакуума включается рентгеновская трубка 3. В рентгеновской трубке электроны, эмитируемые из катода, нагретого до температуры около 2000° Ц, ускоряются до энергии 7 кэВ и с помощью соленоида фокусируются на мишени. Мишень представляет собой полированную кремниевую пластинку, припаянную к водоохлаждаемому медному держателю. В результате взаимодействия энергичных электронов с атомами кремния, происходит их ионизация, в том числе и глубоких К и L оболочек. Возбужденные ионы переходят в основное состояние, в том числе и за счет заполнения этих оболочек электронами более высоких энергетических уровней. С вероятностью порядка 10 такой переход сопровождается излучением линейчатого излучения с характерной длиной волны 13,5 нм, так называемая L-линия излучения кремния. Так как диффузионная длина пробега электронов в мишени составляет несколько микрометров, то размер источника излучения примерно совпадает с размером электронного пучка на мишени.
Излучение этой длины волны падает на объектив Шварцшильда, образованный двумя зеркалами. Объектив Шварцшильда строит увеличенное изображение (в нашем случае 10×) источника излучения на исследуемом образце. Схема с увеличением обеспечивает квазипараллельный пучок излучения, падающий на образец (под квазипараллельностью понимается то, что угловая расходимость падающего пучка много меньше индикатрисы рассеяния и даже шага сканирования детектора при съемке угловой зависимости интенсивности рассеянного мягкого рентгеновского излучения).
При измерении шероховатости поверхности устанавливается фиксированный угол падения на образец (обычно 10°, отсчитываемые от поверхности). Для этого выполняется следующая процедура юстировки. С помощью шагового двигателя (горизонтальное движение гониометра) образец выводится из пучка. Производится сканирование детектором (снимается зависимость интенсивности регистрируемой детектором, от угла положения детектора). Угловому положению детектора, соответствующему максимуму интенсивности, присваивается нулевое значение. После этого исследуемый образец с учетом его физической толщины и кривизны поверхности снова вводится в рентгеновский пучок. После этого детектор перемещается в положение, соответствующее двойному углу падения излучения на образец (отраженный зеркально пучок попадает в детектор). Так как образец может иметь произвольную форму, то локальная (в точке падения излучения на поверхность) нормаль к поверхности может не совпадать с плоскостью падения, образованной источником, центром гониометра и центром детектора, то с помощью двух других шаговых двигателей снимается зависимость отраженной интенсивности от углов наклона и поворота образца (можно сказать повороты относительно двух перпендикулярных осей). Максимумам интенсивности соответствует правильная настройка образца, в том числе таким образом задается и угол падения излучения на образец.
После установки образца в рабочее положение производится сканирование детектором по углу. Результатом измерений является угловая зависимость интенсивности рассеянного излучения. Полученная экспериментальная кривая обрабатывалась в соответствии с теорией, описанной в работах Asadchikov, V.Е., Kozhevnikov, I.V., Krivonosov, Yu.S., Mercier, R., Metzger, Т.H., Morawe, C, Ziegler E., "Application of X-ray scattering technique to the study of supersmooth surfaces," Nucl. Instrum.a nd Meth. in Phys. Res. A. 530, 575-595 (2004) и Kozhevnikov I.V., Pyatakhin, M.V. ′Use of DWBA and perturbation theory in X-ray control of the surface roughness,′ Journal of X-ray science and technology 8, 253-275 (2000). Результатом обработки является построение так называемой PSD-функции шероховатостей (Power Spectral Density - функция плотности спектральной мощности шероховатостей) непосредственно из результатов эксперимента (без априорных предположений о ее форме) благодаря пропорциональной зависимости между индикатрисой рассеяния и PSD-функцией. Связь PSD-функции с угловой интенсивностью рассеяния выражается в виде
0
где ε - диэлектрическая проницаемость вещества исследуемого образца, ν - пространственная частота шероховатости, λ - длина волны излучения, t(θ) - френелевский коэффициент прохождения, θ и θ - углы рассеяния и падения.
eff
Среднеквадратическая величина шероховатости σ определяется интегрированием PSD функции в интервале пространственных частот - ν, в котором производится измерение
4
8
Так как диапазон регистрируемых пространственных частот зависит от динамического диапазона регистрируемой интенсивности излучения, а любой детектор имеет ограниченный диапазон линейности регистрируемой интенсивности (в нашем случае в качестве детектора излучения используется вторичный электронный умножитель ВЭУ-6, отличающийся близкой к 1 квантовой эффективностью регистрации на рабочей длине волны при использовании фотокатода из CsJ на входе, его динамический диапазон не превышает 10), то в процессе съемки в начале кривой, где интенсивность рассеяния велика после Шварцшильдовского объектива устанавливается поглотитель, уменьшающий интенсивность зондового пучка. После того, как сигнал входит в зону линейной регистрации детектора, поглотитель убирается. Кроме того, для расширения диапазона также изменяется (повышается при увеличении углов рассеяния) ток электронного пучка рентгеновской трубки. В совокупности это позволило расширить динамический диапазон до 10.
В процессе проведения измерений мишень рентгеновской трубки загрязняется, что приводит к падению интенсивности зондового пучка. Для решения этой проблемы рентгеновская трубка оснащена ионным источником 4, с помощью которого периодически производится очистка мишени за счет травления ионным пучком.
Техническим результатом изобретения является получение высокой интенсивности квазипараллельного пучка мягкого рентгеновского излучения на исследуемом образце и возможность изучения шероховатости образцов с криволинейной формой поверхности.