Эллипсометр
ELLIPSOMETER

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов, тонкопленочных структур и поверхностей с помощью оптических средств и может быть использовано для определения: оптических постоянных, толщин пленок, параметров зонной структуры полупроводников, состава твердых растворов, меры шероховатости границ раздела и поверхности, пористости, параметров оптической анизотропии, магнитных и деполяризующих свойств.
Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного технического решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.
Известен спектральный эллипсометр с параллельным детектированием световых потоков по патенту US 6,384,916, который не имеет движущихся частей и работает в режиме реального времени для in-situ контроля свойств поверхности тонкой пленки образца, находящегося внутри камеры, в которой он обрабатывается. Эллипсометр включает в себя широкополосный источник света для создания коллимированного пучка световых лучей, который пропускается через поляризатор и направляется на поверхность исследуемого образца. В процессе отражения состояние поляризации света меняется в соответствие с внутренней структурой образца. Отраженный от образца свет разделяется на 4 отдельных поляризованных пучка лучей, каждый из которых обладает собственной спектральной зависимостью интенсивности. Каждый из 4-х световых потоков передается в один или более спектрометров, где регистрируются их спектральные зависимости. Полученные для всех световых потоков данные обрабатываются с помощью алгоритмов преобразования в режиме реального времени.
Недостатком данного аналога является то, что плечо поляризатора эллипсометра не позволяет освещать исследуемый образец светом с различными состояниями поляризации, что, в свою очередь, не позволит определить все 16 компонент матрицы Мюллера образца.
Известен эллипсометр для исследования образцов в широком спектральном диапазоне по патенту US 7,298,480, который содержит широкополосный источник света, генератор состояния поляризации (ГСП), включающий в себя неподвижный линейный поляризатор и в значительной степени ахроматический компенсатор, установленный с возможностью вращения, держатель образца, детектор состояния поляризации (ДСП), включающий в себя неподвижный линейный поляризатор и в значительной степени ахроматический компенсатор, установленный с возможностью вращения, основную систему детектирования, измеряющую спектральную зависимость интенсивности прошедшего ДСП света, оптику для коллимирования пучков лучей, проходящих ГСП и ДСП, а также фокусировки света на образец и детектор. Линейный поляризатор и ахроматический компенсатор в ДСП идентичны тем, что входят в состав ГСП, но установлены в обратном порядке по ходу распространения света.
Недостатком данного аналога является то, что в плече поляризатора и плече анализатора эллипсометра используется не разделение/переключение световых потоков, а вращение поляризационных элементов (линейный поляризатор, компенсатор), что позволит проводить измерения компонент матрицы Мюллера исследуемого образца только с ограниченной скоростью, недостаточной для решения метрологических задач контроля в режиме реального времени.
Известен спектральный эллипсометр по патенту РФ 2247969, содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, коллимирующую оптику, поляризатор, анализатор, полихроматор с фоторегистратором, электрически связанным с блоком управления и обработки сигналов, отличающийся тем, что как поляризатор, так и анализатор выполнены в виде последовательно расположенных на оптической оси двух идентичных ориентированных навстречу друг другу призм, из которых первая - разделяющая световой пучок на два ортогонально поляризованных, идущих параллельно, а вторая - соединяющая вновь в один, размещенного между ними обтюратора, насаженного на вал электродвигателя, который соединен электрически с блоком управления и обработки сигналов, двух оптопар, имеющих электрическую связь с блоком управления и обработки сигналов, прерывателями которых служат выполненные в обтюраторе две кольцевые дорожки окон, пересекающие соответственно первый и второй пучки, при этом окна в кольцевых дорожках расположены периодически, со сдвигом во внешнем и внутреннем кольцах друг относительно друга на 1/2 периода, и выполнены в синхронно вращающихся с одинаковой частотой обтюраторах поляризатора и анализатора со скважностью 1/4 и 1/2, соответственно, причем при измерениях азимут поляризатора составляет +30°, а азимут анализатора составляет -30°.
В данном аналоге есть признаки, схожие с признаками заявленного технического решения. В частности, в нем реализован принцип разделения световых потоков в обоих плечах эллипсометра и перекрытие потоков в плече поляризатора для изменения состояния поляризации падающего на образец света.
Недостатком данного способа, принятого нами в качестве прототипа, равно как и всех других известных способов, является ограниченные метрологические возможности, обуславливающие невозможность определения всех 16 компонентов матрицы Мюллера, дающей наиболее исчерпывающее описание линейной оптической системы, измерение компонентов которой позволяет эффективно исследовать, в том числе, оптическую анизотропию, магнитные свойства, деполяризацию света образцом.
Задача изобретения заключается в расширении метрологических возможностей эллипсометра, в обеспечении возможности найти все 16 компонентов матрицы Мюллера, а также в увеличении скорости измерений при условии их проведения в широком спектральном диапазоне.
Сущность заявленного изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков.
Эллипсометр, включающий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, плечо поляризатора и плечо анализатора, характеризуется тем, что плечо анализатора выполнено в виде неполяризующего светоделителя (НС), разделяющего пришедший от исследуемого образца пучок световых лучей на две части, при этом отраженный от светоделителя пучок световых лучей падает на первый поляризующий светоделитель (ПС), который разделяет его на два линейно поляризованных световых потока с ортогональными направлениями плоскости поляризации, а прошедший НС пучок световых лучей попадает на компенсатор, вносящий известный сдвиг фаз между ортогональными линейно поляризованными составляющими световой волны, после чего падает на второй ПС, так же разделяющий его на два линейно поляризованных световых потока, затем все четыре световых потока поступают на вход четырехканального спектрометра.
Кроме того, первый самостоятельный объект заявленного технического решения характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- четырехканальный спектрометр содержит объективы на каждом из четырех вышедших из ПС световых потоков, посредством которых световые потоки фокусируются на входных щелях, после чего одни зеркала на каждом световом потоке формируют четыре коллимированных пучка лучей и направляют их на дифракционную решетку, а разложенное в спектр излучение посредством других зеркал на каждом световом потоке фокусируется на соответствующих многоканальных детекторах;
- многоканальные детекторы могут быть выполнены в виде одномерных массивов фотоприемных элементов;
- многоканальные детекторы могут быть выполнены в виде одного двумерного массива фотоприемных элементов;
- многоканальные детекторы могут быть выполнены в виде нескольких двумерных массивов фотоприемных элементов;
- ПС могут быть выполнены в виде призм Волластона;
- эллипсометр может быть снабжен дополнительными НС, ПС и компенсатором, размещенными друг относительно друга с образованием дополнительных световых потоков, поступающих на входы двух дополнительных четырехканальных спектрометров, при этом пришедший от исследуемого образца пучок световых лучей в первую очередь попадает на первый дополнительный НС, а отраженный от него пучок световых лучей посредством второго дополнительного НС разделяется на два пучка, причем один из них посредством соответствующего ПС и дополнительных НС преобразуется в четыре световых потока, два из которых поступают на входы первого дополнительного четырехканального спектрометра, а два других - на входы второго дополнительного четырехканального спектрометра, при этом второй пучок световых лучей от второго дополнительного НС посредством компенсатора, соответствующего ПС и дополнительных НС преобразуется в четыре световых потока, два из которых поступают на входы первого дополнительного четырехканального спектрометра, а два других - на входы второго дополнительного четырехканального спектрометра;
- во всех вышеописанных вариантах эллипсометра плечо поляризатора может быть выполнено в виде совокупности линейных поляризаторов и НС, размещенных друг относительно друга с организацией четырех различных оптических каналов, последовательно направляемых на исследуемый образец, при этом в первом оптическом канале плеча поляризатора коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит первый линейный поляризатор и первый и второй НС, после чего направляется на исследуемый образец, во втором оптическом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит второй линейный поляризатор, отражается от первого НС проходит второй НС, после чего направляется на исследуемый образец, в третьем оптическом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит третий линейный поляризатор, проходит третий НС, отражается от второго НС, после чего направляется на исследуемый образец, в четвертом оптическом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит четвертый линейный поляризатор, компенсатор, последовательно отражается от третьего и второго НС, после чего направляется на исследуемый образец, кроме того каждый из четырех оптических каналов снабжен перекрывающим его оптическим затвором, размещенным между источником световых лучей и первым НС этого оптического канала.
Совокупность существенных признаков заявленного технического решения обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в обеспечении следующих возможностей, недостижимых при использовании всех известных аналогов:
- возможность отправлять на образец световой поток с четырьмя различными состояниями поляризации, что обеспечивает возможность измерения всех 16 компонентов матрицы Мюллера исследуемого образца;
- измерение всех четырех параметров Стокса отраженного от образца света для многих длин волн из широкого спектрального диапазона, что важно для точности измерений и возможности получить физически-значимые величины вообще (оптические постоянные, толщины пленок, параметры зонной структуры полупроводников, состав твердых растворов, меру шероховатости границ раздела и поверхности, пористость);
- изменение поляризации падающего на исследуемый образец света достигается коммутацией световых потоков за счет операций открытия/закрытия оптических затворов, время которых может быть сведено к единицам миллисекунд, что в результате позволяет ускорить измерения на 2 порядка по сравнению с существующими аналогами;
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена оптическая схема плеча анализатора заявленного эллипсометра, на фиг. 2 - вариант эллипсометра с использованием в плече анализатора дополнительных 4-канальных спектрометров, на фиг. 3 - оптическая схема плеча поляризатора заявленного эллипсометра.
Эллипсометр включает последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, плечо поляризатора и плечо анализатора. Плечо анализатора содержит НС 1, первый ПС 2, компенсатор 3 и второй ПС 4, четырехканальный спектрометр 5, объективы 6, входные щели 7, коллимирующие зеркала 8, дифракционную решетку 9, фокусирующие зеркала 10 и многоканальные детекторы 11.
Эллипсометр может быть снабжен дополнительными НС 12-13 и 17-20, ПС 14 и 15, компенсатором 16, и двумя дополнительными четырехканальными спектрометрами 21 и 22. Во всех вариантах выполнения заявленного эллипсометра плечо поляризатора может быть выполнено в виде совокупности линейных поляризаторов 23-26, НС 27-29, компенсатора 30, оптических затворов 31-34.
Заявленный эллипсометр работает следующим образом.
Плечо поляризатора - формирует пучок световых лучей с заданными состоянием поляризации, спектральным составом, геометрическими параметрами (диаметр, расходимость) и направлением. После отражения от исследуемого образца под заданным углом θ, свет попадает в плечо анализатора, в котором измеряется состояние поляризации отраженного от исследуемой твердотельной структуры света. Знание того, как изменилась поляризация света при отражении под заданным углом падения, позволяет получить информацию об исследуемом образце: оптические постоянные, толщины пленок, параметры зонной структуры полупроводников, состав твердых растворов, меру шероховатости границ раздела и поверхности, пористость. Измерение состояния поляризации отраженного света для различных состояний поляризации падающего света позволяет вычислить компоненты матрицы Мюллера, дающей наиболее исчерпывающее описание линейной оптической системы. Измерение компонент матрицы Мюллера позволяет эффективно исследовать оптическую анизотропию, магнитные свойства, деполяризацию.
Пришедший от исследуемого образца пучок световых лучей попадает на НС 1, разделяющий его на две части. Отраженное от НС излучение падает на ПС 2, который разделяет его на два линейно поляризованных световых потока с ортогональными направлениями электрического вектора. Прошедший НС 1 пучок лучей пропускается через компенсатор 3, вносящий известный сдвиг фаз между ортогональными линейно поляризованными составляющими световой волны, после чего падает на ПС 4. Для каждого из четырех вышедших из ПС 2 и 4 световых потоков спектральная зависимость интенсивности измеряется в спектрометре 5. Посредством объективов 6 вышедшее из призм излучение фокусируется на входных щелях 7. Зеркала 8 формируют четыре коллимированных пучка лучей и направляют их на дифракционную решетку 9. Зеркала 10 фокусируют разложенное в спектр излучение на многоканальных детекторах 11, выполненных в виде одномерных, одного двумерного или нескольких двумерных массивов фотоприемных элементов. Используется единая дифракционная решетка 9 для одновременного разложения в спектр излучения в 4-х каналах спектрометра 5. Для каждого канала задействуется отдельный участок решетки. Измерение спектральных зависимостей вышедших из ПС 2 и 4 четырех потоков излучения позволяет определить спектральные зависимости 4-х параметров Стокса пришедшего от исследуемого образца света. Рабочий спектральный диапазон таких измерений будет определяться, в первую очередь, параметрами НС 1, компенсатора 3, дифракционной решетки 9 и многоканальных детекторов 11. Скорость измерения состояния поляризации света для всех длин волн из рабочего спектрального диапазона будет определяться только временем накопления и считывания в многоканальных детекторах 11.
Рабочий спектральный диапазон плеча анализатора может быть существенно расширен с использованием дополнительных 4-канальных спектрометров 21 и 22. В таком варианте пришедший от исследуемого образца свет попадает на дополнительный НС 12, разделяющий его на две части, каждая из которых, в свою очередь, разделяется еще на две части НС 1 и 13. Отраженное от НС 1 излучение падает на ПС 2, который разделяет его на два линейно поляризованных световых потока с ортогональными направлениями плоскости поляризации. Прошедшее НС 1 излучение пропускается через компенсатор 3, вносящий известный сдвиг фаз между ортогональными линейно поляризованными составляющими световой волны, после чего падает на ПС 4. Четыре вышедших из ПС 2 и 4 световых потока разлагаются в спектр и детектируются в спектрометре 5. В свою очередь прошедший НС 13 пучок лучей попадает на ПС 14. Вышедшие из него ортогонально поляризованные световые потоки попадают в НС 17 и 18. Отраженный от НС 13 пучок лучей пропускается через компенсатор 16 и попадает на ПС 15. Вышедшие из него ортогонально поляризованные световые потоки попадают в НС 19 и 20. Вышедшие из светоделителей 17-20 световые потоки группируются и заводятся в дополнительные четырехканальные спектрометры 21 и 22, выполненные аналогично спектрометру 5, где разлагаются в спектр и детектируются.
Одновременное использование более чем одного 4-канального спектрометра позволяет получить следующие преимущества в работе плеча анализатора и эллипсометра:
- одновременно измеряется полное состояние поляризации отраженного от образца света (все 4 параметра Стокса) в широком спектральном диапазоне;
- увеличивается чувствительность прибора за счет того, что более узкий спектральный диапазон каждого отдельного спектрометра позволяет использовать дифракционную решетку вблизи максимума спектральной зависимости интенсивности диафрагмируемого излучения;
- принципиально отсутствуют погрешности измерений, связанные с попаданием на детекторы излучения от высших порядков дифракции.
В заявленном варианте выполнения плеча поляризатора с помощью светоделителей 27-29 свет с различными состояниями поляризации из четырех различных оптических каналов последовательно направляется на исследуемый образец. В первом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит линейный поляризатор 23, НС 27-28, после чего направляется на исследуемый образец. Во 2-м канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит линейный поляризатор 24, отражается от НС 27, проходит НС 28, после чего направляется на исследуемый образец. В 3-м канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит линейный поляризатор 25, НС 29, отражается от НС 28, после чего направляется на исследуемый образец. В 4-м канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит линейный поляризатор 26, компенсатор 30, последовательно отражается от НС 29 и 28, после чего направляется на исследуемый образец. Для каждого из 4-х каналов поступление света может быть перекрыто соответствующим оптическим затвором 31-34. Внутри канала затвор может быть расположен в любом месте по ходу распространения излучения между его источником и первым НС в этом канале. Изменение состояния поляризации падающего на образец света осуществляется путем открытия одного из каналов и одновременного закрытия остальных 3-х каналов с помощью оптических затворов. Таким образом, скорость изменения состояния поляризации падающего на образец света определяется только скоростью работы оптических затворов 31-34.