ЭЛЛИПСОМЕТР

Полезная модель относится к средствам для оптического экспериментального исследования свойств твердых тел, твердотельных структур и межфазных границ и может быть использована для измерений с высокой точностью толщины и оптических постоянных тонких пленок, оптических постоянных массивных образцов твердых тел, а также исследований свойств поверхности.
Эллипсометрией называют оптический экспериментальный метод исследования свойств твердых тел, твердотельных структур и межфазных границ. Она позволяет с высокой точностью измерять толщины и оптические постоянные тонких пленок, оптические постоянные массивных образцов твердых тел, исследовать свойства поверхности. Сущность эллипсометрического метода состоит в исследовании изменения состояния поляризации света в результате его отражения от изучаемого объекта или при прохождении через него. Широкое распространение метод получил в 70-х годах прошлого века в связи с появлением сравнительно недорогой вычислительной техники, необходимой для обработки результатов измерений, см. Р. Аззам, Н. Башара. «Эллипсометрия и поляризованный свет». М., Мир, 1981, 584 стр.
Эллипсометрия имеет две особенности, которые делают ее крайне привлекательной для решения ряда исследовательских и технологических задач. Во-первых, в процессе измерений практически не происходит влияния на исследуемую систему (при правильном выборе интенсивности пучка и спектрального диапазона). Это делает возможным применение эллипсометрии для решения задач неразрушающего контроля. Во-вторых, эллипсометрия крайне чувствительна к состоянию поверхности, структуре и свойствам образцов с тонкими пленками, а так же к процессам, протекающим на границе двух фаз. Эллипсометрические измерения могут проводиться в широком интервале температур и давлений, причем агрессивность окружающей среды так же не является помехой. Благодаря указанным особенностям, эллипсометрия находит применение в самых различных областях науки - физике, химии, материаловедении, а так же в полупроводниковых технологиях, при изготовлении оптических и электронных систем, при обработке металлов, в медицинской промышленности.
В любом эллипсометре можно выделить два основных блока. Первый из них - плечо поляризатора (ПП) - формирует пучок света с заданными состоянием поляризации, спектральным составом, геометрическими параметрами (диаметр, расходимость) и направлением. После отражения от исследуемого образца под заданным углом θ, свет попадает во второй блок, который называют плечом анализатора (ПА). В ПА измеряется состояние поляризации отраженного от образца света. Знание того, как изменилась поляризация света при отражении под заданным углом падения позволяет получить такую информацию об исследуемом образце как: оптические постоянные, толщины пленок, состав материалов, пористость и т.д.
В настоящее время промышленностью выпускаются эллипсометры с оптическими схемами двух видов:
- по схеме с горизонтальным расположением поверхности исследуемого образца. В таком приборе угол падения света на образец меняется путем вращения ПП и ПА относительно оси эллипсометра при неизменном положении образца;
- по схеме с вертикальным расположением поверхности исследуемого образца. В таких приборах угол падения света на образец меняется путем вращения ПА и образца относительно оси эллипсометра при неизменном положении ПП.
Для обеих схем в случае, когда необходимо изменить положение освещаемой лучом эллипсометра области образец смещается в горизонтальной или в вертикальной плоскостях.
Известен эллипсометр, 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 оптически связанных композиционного расщепителя светового пучка, расщепляющего отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре ортогонально поляризованные световые компоненты, фоторегистратора для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца, отличающийся тем, что указанный композиционный расщепитель светового пучка выполнен единым измерительным каналом, совмещающим функции фазового и амплитудного измерительных каналов, обеспечивающим равные коэффициенты пропускания поляризованных световых компонент, см патент РФ №2351917.
В данном техническом решении достижение технического результата базируется на сокращении оптических элементов в конструкции, вносящих погрешность в измерения.
В последнее десятилетие характер развития полупроводниковых технологий указывает на необходимость совершенствования измерительных возможностей известных эллипсометров по двум направлениям.
Во-первых, исследуются и находят применение в новых приборах полупроводниковые гетероструктуры с большим (10 и более) количеством слоев. Из-за значительного числа неизвестных параметров эллипсометрический анализ таких образцов будет эффективным только в случае проведения измерений при большом наборе различных углов падения света на образец. Для всех вышеуказанных эллипсометров изменение угла падения θ связано с прецизионным вращением достаточно массивных оптических блоков ПП и/или ПА относительно оси эллипсометра. Отсюда следует, что характерное время смены угла падения должно быть порядка 10 секунд и не может быть уменьшено существенным образом в рамках разумной стоимости прибора из-за кинематики вращения плеч эллипсометра.
Во-вторых, наблюдаемое в последнее время стремительное развитие солнечной фотовольтаики и технологий плоских телевизионных панелей ставит задачи быстрого картирования (измерения свойств в различных точках) образцов с размерами порядка метра. Измерение в различных точках таких сравнительно больших образцов требует прецизионного перемещения массивных ПП и ПА эллипсометра на расстояния порядка метра.
Задача полезной модели изобретения заключается в обеспечении увеличения скорости картирования исследуемых образов больших размеров и быстрого изменения угла падения света на поверхность исследуемого образца.
Сущность полезной модели изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата.
Эллипсометр, включающий плечо поляризатора, формирующее световой луч заданного состояния поляризации и направления, и плечо анализатора, в котором осуществляется измерение состояния поляризации входящего в него светового луча, отраженного от исследуемого образца, характеризуется тем, что исследуемый образец укреплен неподвижно, при этом эллипсометр снабжен системой развертки его светового луча, выполненной в виде совокупности зеркал, установленных с возможностью перемещения и/или вращения для обеспечения падения светового луча в необходимое место на поверхности образца под необходимым углом и попадание отраженного от исследуемого образца светового луча в плечо анализатора.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда факультативных признаков, описывающих частные случаи его реализации, а именно:
- плечо поляризатора и плечо анализатора могут быть укреплены неподвижно;
- плечо поляризатора и плечо анализатора могут быть укреплены с возможностью перемещения.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, совокупности признаков которых совпадают с совокупностью отличительных признаков заявленной полезной модели.
Технический результат, достигаемый при использовании существенных признаков полезной модели изобретения заключается в том, что в процессе работы эллипсометра изменение места падения светового луча на исследуемый образец и изменение угла падения достигается путем перемещения и/или вращения легких зеркал системы развертки светового луча, а не массивных ПП и ПА или крупногабаритного исследуемого образца.
Сущность полезной модели изобретения поясняется чертежом, где изображена оптическая схема заявленного эллипсометра.
Эллипсометр включает плечо поляризатора ПП, плечо анализатора ПА и систему развертки его светового луча, выполненную в виде четырех зеркал. Оптическая ось ПП вместе с зеркалами Н1 и V2 лежат в одной плоскости, параллельной плоскости поверхности образца. Зеркала V1 и Н2 и оптическая ось ПА находятся выше и лежат в другой плоскости, так же параллельной плоскости поверхности образца. Оптические оси ПП и ПА параллельны. Все 4 зеркала Н1, V1, V2 и Н2 лежат в одной вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости поверхности образца. Плечо поляризатора ПП и плечо анализатора ПА укреплены неподвижно либо с возможностью перемещения.
Заявленное устройство работает следующим образом.
В процессе работы прибора, ПП, ПА и исследуемый образец в общем случае зафиксированы и не меняют своего положения. Угол падения света на образец и место падения светового луча на исследуемый образец задается системой развертки луча эллипсометра, содержащей четыре зеркала Н1, V1, V2 и Н2. ПП формирует луч света с заданными состоянием поляризации и направляет его на зеркало Н1. При отражении от зеркала Н1 световой луч поворачивается в плоскости, параллельной поверхности образца, и попадает на зеркало V2, которое направляет его вниз на образец под заданным углом падения θ. После отражения от исследуемого образца световой луч попадает на зеркало V1, которое направляет его на зеркало Н2. После отражения от Н2 луч попадает в ПА, где измеряется его состояние поляризации. Влияние образа на поляризацию отраженного светового луча определяется исходя из состояния поляризации света, вышедшего из ПП, состояния поляризации света, попавшего в ПА и известного влияния на поляризацию зеркал Н1, V1, V2 и Н2. Влияние зеркал системы развертки на состояние поляризации отражаемого луча предварительно измеряется в отдельном эксперименте.
Смещение области падения луча на образец вдоль оси X при неизменном угле падения θ достигается параллельным смещением зеркал V1 и V2 вдоль оси X без их вращения. Смещение области падения луча на образец вдоль оси Y при неизменном угле падения θ осуществляется одновременным параллельным смещением всех четырех зеркал Н1, V1, V2 и Н2 вдоль оси Y без их вращения. Таким образом, проводя эллипсометрические измерения в различных точках поверхности образца можно осуществлять картирование его свойств.
1
2
Для любой точки поверхности образца угол падения света θ может быть изменен следующим образом. Для увеличения угла падения зеркала V1 и V2 смещаются вдоль оси X друг от друга вместе с одновременным вращением зеркала V1 в направлении против часовой стрелки (угол φ) и зеркала V2 в направлении по часовой стрелке (угол φ). Для уменьшения угла падения зеркала V1 и V2 смещаются вдоль оси X друг к другу вместе с одновременным вращением зеркала V1 в направлении по часовой стрелки и зеркала V2 в направлении против часовой стрелки.
При исследовании крупногабаритных образцов возникают погрешности, обусловленные большим ходом светового луча от ПП до ПА. Заявленное устройство позволяет компенсировать эти погрешности. Для этого ПП и ПА перемещают вдоль своих оптических осей и минимизируют расстояние от ПП до первого по ходу светового луча зеркала Н1 системы развертки, а также от зеркала Н2 до ПА.
Основными достоинствами заявленного устройства по сравнению с существующими являются возможность быстрой смены угла падения светового луча на образец θ, а также возможность быстрого перемещения исследуемой области по поверхности крупногабаритных образцов с линейными размерами порядка метра.