Способ определения толщины пленки
METHOD FOR DETERMINING FILM THICKNESS

Изобретение относится к области оптико-физических измерений, основанных на эллипсометрии, в частности, к неразрушающей оптической контрольно-измерительной технологии, а именно: к способам измерения и контроля толщины пленок, и может быть использовано для измерения толщины пленок загрязнений на поверхности подложек оптических элементов, например, при подготовке оптических элементов к процессу вакуумного нанесения покрытия на оптическую поверхность или перед высокоэнергетическим воздействием на оптическую поверхность в процессе эксплуатации, и может найти применение в микроэлектронике и оптическом приборостроении.
Метод эллипсометрического контроля химической чистоты поверхности оптических элементов основан на измерении состояния поляризации света после его взаимодействия с поверхностью исследуемого элемента. На основании данных эллиптической поляризации отраженного света определяют оптические константы поверхности: показатель преломления n и индекс экстинкции К для случая чистой (не содержащей пленку) поверхности или n, К и толщину d в случае наличия пленки загрязнений на поверхности оптического элемента. Метод эллипсометрии может быть использован для оценки состояния оптических элементов из металлов и их сплавов [1] и диэлектриков [2], а также для исследования переходных слоев [3].
Наличие загрязнений на оптической поверхности может привести к ухудшению оптических параметров оптического элемента при воздействии на оптическую поверхность лазерного излучения, если их предварительно не удалить, в частности, могут значительно снизить порог плазмообразования или вывести оптический элемент из строя. Поэтому задача определения контроля химической чистоты поверхности оптических элементов с использованием неразрушающей оптической контрольно-измерительной технологии является в настоящее время актуальной.
Известен способ определения толщины тонких прозрачных пленок в процессе формирования структуры слоя путем измерения эллипсометрических параметров Δ и ψ с последующим вычислением производной, при этом в качестве функции выбирают один из эллипсометрических параметров, а в качестве аргумента - другой эллипсометрический параметр, результаты вычисления фиксируют в плоскости производная эллипсометрического параметра - эллипсометрический параметр в виде кривой, по которой определяют оптические постоянные, изменение состава материала слоя, а также его толщину [4].
Однако известный способ не обеспечивает возможности измерения толщины пленки загрязнения, образующейся на поверхности оптических элементов в процессе его изготовления или хранения.
Наиболее близким к заявляемому способу по своей технической сути (прототипом) является способ определения толщины тонкой прозрачной пленки путем определения у предварительно спрессованного металлического порошка с заранее заданными оптическими параметрами эллипсометрических параметров Δ и ψ, задаваемыми изменением величины объемной доли активного металла с определенным шагом, результаты измерений которых наносят на плоскость, в которой расположены кривые, содержащие фиксированные результаты измерения эллипсометрических параметров Δ и ψ соответствующего металла [5].
Недостатком данного технического решения является технологическая сложность процесса определения толщины пленки, заключающаяся в необходимости изменения величины объемной доли металла с определенным шагом, что требует спекания металлического порошка для обеспечения возможности изменения величины объемной доли металла. Данный способ не обеспечивает возможности измерения толщины пленки загрязнения, образующейся на поверхности оптических элементов в процессе его изготовления или хранения.
Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является упрощение процесса определения толщины пленки при расширении возможности ее измерения на оптическом элементе из разных материалов.
Новый технический результат достигается тем, что в способе определения толщины пленки путем измерения эллипсометрических параметров Δ и ψ с последующим фиксированием результатов измерения на плоскости в виде кривой, содержащей фиксированные результаты измерения эллипсометрических параметров Δ и ψ соответствующего материала подложки, в отличие от прототипа, предварительно по уравнению:
iΔ
ρ = tgψe,
iΔ
где ψ и Δ - эллипсометрические параметры отражающей системы, измеряемые в угловых градусах; tgψ - относительное изменение амплитуд; Δ - относительное изменение фаз р- и s-компонентов электрического вектора световой волны Е при отражении,  - характеристика отражающей системы, r и j - индексы падающей и отраженной волн, соответственно, для материала подложки, не содержащего исследуемую пленку, измеряют значения ψ и Δ или рассчитывают значения ψ и Δ на основании известных данных по оптическим свойствам соответствующих материалов, рассчитывают по уравнению ρ=tgψe номограмму с использованием данных n и K для определяемого материала подложки и возможных численных наборов n, d, K для пленки загрязнения, а после фиксирования результатов измерения эллипсометрических параметров Δ и ψ соответствующего материала подложки в плоскости в виде кривой сравнивают результаты эллипсометрических измерений, полученные по уравнениям:
р
s
где σ и σ - относительное изменение фаз р- и s-компонентов электрического вектора Е световой волны при отражении, i - характеризует ориентацию эллипса, описывающего конец вектора волны в плоскости, нормальной к направлению ее распространения, с данными результатов расчетов значений ψ и Δ для соответствующего материала, не содержащего исследуемую пленку, и определяют в случае отличия полученных Δ и ψ от данных результатов расчетов значений ψ и Δ для соответствующего материала, не содержащего исследуемую пленку, толщину и показатель преломления пленки загрязнения посредством номограммы для соответствующего материала.
Способ определения толщины пленки загрязнения на оптической поверхности подложки реализуют следующим образом.
Количественный анализ технологических загрязнений на оптической поверхности при входном (выходном) контроле оптических элементов осуществляют на основании данных эллиптической поляризации отраженного света эллипсометрическим методом. Его сущность состоит в том, что при отражении поляризованной электромагнитной волны на границе раздела двух сред, имеющих разные оптические характеристики, амплитуды р- и s-компонентов электрического вектора Е меняются по-разному, а частота колебаний сохраняется. Поэтому свет, например, линейно-поляризованный, падающий под углом к поверхности, которая способна поглощать свет или покрыта тонкой инородной пленкой, после отражения становится эллиптически поляризованным.
Связь между амплитудами и фазами электрических векторов падающей и отраженной волн описывается формулами Френеля для амплитудных коэффициентов отражения [1,6]
где r и j - индексы падающей и отраженной волн, соответственно.
Принимаем Ε = Aexp(iσ), тогда
есть характеристика отражающей системы (ρ), поддающаяся экспериментальному определению из выражения
где  - относительное изменение амплитуд; ψ и Δ - эллипсометрические параметры отражающей системы, измеряемые в угловых градусах;  - относительное изменение фаз р- и s-компонентов электрического вектора Ε световой волны при отражении.
Уравнение (3) - основное уравнение эллипсометрии, устанавливающее связь эллипсометрических параметров ψ и Δ отражающей системы с ее физическими свойствами. Для интерпретации полученных значений ψ и Δ решают прямую задачу для конкретной модели отражающей системы по уравнению (3). За одно измерение на эллипсометре, например, использованном для этой цели ЛЭФ-3 м или ЛЭФ-777, определяют оба угла ψ и Δ и, соответственно, рассчитывают физические параметры отражающей системы: 1) n и K, 2) n и d, 3) К и d на длине волны 0,63 мкм.
Оценку химической чистоты оптической поверхности элемента осуществляют следующим образом. По уравнению (3) на основании данных по оптическим свойствам материалов, например, по данным работы [1], рассчитывают значения ψ и Δ для определяемых чистых (не содержащих исследуемую пленку) материалов измеряемого оптического элемента. Данные расчетов приведены в таблице 1.
В случае отсутствия известных данных по оптическим свойствам соответствующих материалов значения ψ у и Δ для материалов подложки, не содержащих исследуемую пленку, измеряют эллипсометрические параметры Δ и ψ соответствующих материалах подложки, не содержащих исследуемую пленку.
Для тех же соответствующих материалов в таблице 2 приведены диапазоны углов поворота поляризатора Р и анализатора А измеряемого оптического элемента.
По уравнению (3) рассчитывают номограммы (фиг. 1-4) с использованием данных n и K для исследуемых оптических элементов из соответствующих материалов и возможных численных наборов n, d, K для пленки загрязнения.
i
пленки
Фиг. 1 - номограмма для меди марки Моб (n=0,19-4i; K=0,05).
1
2
1
Фиг. 2 - номограмма для алюминия (n=1,3-7,11i; n=0,58-2,35i; K=0,1).
i
Фиг. 3 - номограмма для NaCl (n=1,55-0,01i).
Фиг. 4 - номограмма для оксида алюминия.
Сравнивая результаты эллипсометрических измерений с результатами расчетов прямой задачи оценивают состояние поверхности исследуемого оптического элемента.
При оценке химической чистоты оптической поверхности исследуемых оптических элементов данные, полученные по уравнениям (1 и 2), сравнивают с данными таблицы 1 для соответствующего материала. Совпадение данных таблицы 1 и измеренных значений эллипсометрических параметров для чистых (не содержащих исследуемую пленку) материалов с точностью для Δ - 30' и ψ - 10' показывает на отсутствие посторонних пленок (загрязнений) толщиной свыше 50  на поверхности исследуемого оптического элемента. В случае отличия полученных Δ и ψ от данных в таблице 1 определяют толщину и показатель преломления пленки загрязнения, используя номограммы для соответствующих материалов, приведенные на фиг. 1-4.
Пример 1. Для подложки из меди марки Моб при Δ = 98°29' и ψ = 42,78° толщина пленки загрязнения на оптической поверхности подложки d = 300  (фиг. 1).
Пример 2. Для подложки из алюминия при Δ = 83,44° и ψ = 34,68° толщина пленки загрязнения на оптической поверхности подложки d = 300  (фиг. 2).
Пример 3. Для подложки из NaCl при Δ = 1,82° и ψ = 19,50° толщина пленки загрязнения на оптической поверхности подложки d = 200  (фиг. 3).
Пример 4. Для подложки из оксида алюминия при Δ = 12,00° и ψ = 15,64° толщина пленки загрязнения на оптической поверхности подложки d = 200  (фиг. 4).
На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предполагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.
1. Достигается упрощение процесса определения толщины пленки за счет исключения прессования металлического порошка с измененяемой величиной объемной доли активного металла.
2. Расширение возможности определения толщины пленки на оптических элементах их диэлектриков (стекала и кристаллов).
В настоящее время в институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемого способа определения толщины пленки, и на их основе выпущена технологическая документация на предлагаемый способ определения толщины пленки.
Используемые источники
1. Бурыгин И.К. Алгоритмы и программы для решения некоторых задач эллипсометрии. Новосибирск. 1978. 193 с.
2. Золотарев В.М., Свиташев К.К., Семененко А.И. Оптика и спектроскопия. 1973. Т. 37. №2. С. 319.
3. Васильева Л.Л., Свиташев К.К., Семененко А.И. Оптика и спектроскопия. 1974. Т. 37. №3. с. 574.
4. Патент RU 2396545. 2010. МКИ G01N 21/17.
5. Патент RU 2463554. 2012. МКИ G01B 11/06, G01N 21/21.
6. Резвый P.P. Эллипсометрии в микроэлектронике. М: Радио и связь. 1983. 236 с.