способ эллипсометрического исследования тонких пленок на плоских подложках

Формула изобретения

Способ эллипсометрического исследования тонких пленок на плоских подложках с известными оптическими свойствами, включающий воздействие на участок подложки с пленкой зондирующим сколлимированным пучком монохроматического излучения с известными параметрами эллипса поляризации, возбуждение зондирующим излучением поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на поверхности подложки, поточечное определение в поперечном сечении пучка отраженного излучения изменений параметров эллипса поляризации в результате взаимодействия излучения с пленкой и подложкой, расчет распределения оптических характеристик пленки с учетом величин этих изменений, отличающийся тем, что зондирующее излучение выбирают линейно поляризованным в плоскости падения, излучением дополнительно воздействуют на стандартную отражающую структуру, состоящую из призмы, преобразующей зондирующее излучение в ПЭВ, подложки и окружающей среды, изменение параметров эллипса поляризации излучения определяют по изменениям амплитуды и фазы только p-составляющей поля излучения, причем измерения во всех контролируемых точках выполняют одновременно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптической контрольно-измерительной техники и может быть использовано для исследования тонких пленок и переходных слоев на плоских подложках, способных направлять поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) [1], а также для контроля состояния поверхности таких подложек и изучения быстропротекающих процессов на поверхности проводников и полупроводников.

Широко известен способ эллипсометрического исследования тонких пленок на оптических подложках с известными оптическими характеристиками, включающий воздействие на исследуемую пленку сколлимированным пучком монохроматического излучения с ненулевыми p- и s-составляющими поля и известными параметрами эллипса поляризации, определение изменений значений этих параметров в результате взаимодействия излучения с образцом и расчет величин оптических характеристик пленки с учетом величин этих изменений [2, 3]. Основными недостатками известного способа являются большая продолжительность измерений, усреднение параметров излучения по поперечному сечению пучка, а следовательно, и характеристик пленки по освещенному участку, сравнительно невысокая чувствительность, сложность определения распределения неоднородностей пленки, достигаемого путем выполнения поточечных измерений в поперечном сечении пучка отраженного излучения [4].

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является способ эллипсометрического исследования тонких пленок на плоской поверхности образца с известными оптическими характеристиками, включающий воздействие на участок образца с пленкой полем сколлимированного пучка монохроматического излучения с ненулевыми p- и s-составляющими поля и известными параметрами эллипса поляризации, возбуждение зондирующим излучением ПЭВ на поверхности образца, содержащей исследуемую пленку, определение изменений параметров эллипса поляризации излучения в результате взаимодействия излучения с пленкой и образцом, расчет оптических характеристик пленки с учетом величин этих изменений [5]. Достоинством этого способа является высокая чувствительность, а основными недостатками - большая продолжительность измерений, усреднение параметров излучения по поперечному сечению пучка, а следовательно, и характеристик пленки по освещенному участку, сложность определения распределения неоднородностей пленки, достигаемого путем выполнения поточечных измерений в поперечном сечении пучка отраженного излучения.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе эллипсометрического исследования тонких пленок на плоских подложках с известными оптическими свойствами, включающем воздействие на участок подложки с пленкой полем сколлимированного пучка монохроматического излучения с известными параметрами эллипса поляризации, возбуждение зондирующим излучением ПЭВ на поверхности подложки, поточечное определение в поперечном сечении пучка отраженного излучения изменений параметров эллипса поляризации в результате взаимодействия излучения с пленкой и подложкой, расчет распределения оптических характеристик пленки с учетом величин этих изменений, зондирующее излучение выбирают линейно поляризационным в плоскости падения, излучением дополнительно воздействуют на стандартную отражающую структуру, не содержащую исследуемую пленку, изменение параметров эллипса поляризации определяют по изменениям амплитуды и фазы только p-составляющей поля излучения, причем измерения во всех контролируемых точках выполняют одновременно.

Поясним подробнее сущность изобретения. Как известно, метод эллипсометрии в отраженном излучении основан на факте изменения эллипса поляризации монохроматического излучения при его взаимодействии с поверхностью образца [2, 3]. Основное уравнение эллипсометрии имеет вид:



где r_p, r_s - комплексные амплитудные коэффициенты отражения для p- и s-составляющих поля излучения, соответственно;

= arctg(|r_p|/|r_s|), = (_p-_s) - поляризационные углы;

_p и _s - фазовые сдвиги p- и s-составляющих поля излучения при его отражении от образца;

j - мнимая единица.

По результатам измерений амплитудно-фазовых характеристик обеих составляющих поля отраженного излучения определяют значения поляризационных углов и , описывающих изменения параметров эллипса поляризации излучения. Затем, используя значения , , угла падения излучения , длины волны излучения и известных оптических характеристик образца, с помощью уравнения (1) рассчитывают неизвестные характеристики (не более двух) образца или пленки на его поверхности.

Выбор зондирующего излучения линейно поляризационным в плоскости падения, совпадающей с плоскостью поляризации ПЭВ, возбуждаемых этим излучением на поверхности подложки, позволяет значительно упростить процедуру измерений амплитудно-фазовых характеристик отраженного излучения. Дело в том, что при возбуждении зондирующим излучением ПЭВ (например, по методу нарушенного полного внутреннего отражения), амплитуда и фаза p-составляющей поля отраженного излучения имеют резонансную зависимость от характеристик образца (пленки и подложки), в то время как изменения амплитуды и фазы s-составляющей поля практически не зависят от вариаций оптических характеристик образца (в частности коэффициент отражения постоянен и близок к единице) [5, 6]. То есть, информацию о неоднородностях пленки, в этом случае, несет только p-составляющая поля. Это дает возможным, при исследовании тонких пленок (т.е. пленок с толщиной меньше глубины проникновения поля ПЭВ в материал пленки), не только отказаться от измерений амплитудно-фазовых характеристик s-составляющей, но и применить более простую (например, интерференционную) методику измерения изменений фазы отраженного излучения, позволяющую получать мгновенную картину распределения (в плоскости параллельной поверхности подложки) неоднородностей пленки. Кроме того, использование, в этом случае, излучения, линейно поляризованного в плоскости падения, повышает контраст микрограммы.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, позволяющего реализовать заявляемый способ. Устройство содержит: 1 - источник монохроматического излучения; 2 - коллиматор; 3 - поляризатор; 4 - три частично прозрачных зеркала; 5 - прозрачную трехгранную призму, выполненную из материала оптически более плотного, чем окружающая среда, причем одна грань призмы расположена параллельно плоской поверхности однородной подложки 6, содержащей исследуемую пленку 7; 8 - два матричных фотоприемных устройства (ФПУ), электрически соединенных с устройством обработки и накопления информации 9.

Устройство работает и способ осуществляется следующим образом. Излучение источника 1 направляют на коллиматор 2 и формируют, с помощью его, пучок сколлимированного монохроматического излучения определенного поперечного сечения. Затем, используя поляризатор 3, преобразуют излучение в линейно поляризованное, имеющее плоскость поляризации, т.е. плоскость колебаний вектора напряженности электрической компоненты поля, совпадающую с плоскостью падения излучения. Используя первое (по ходу излучения) зеркало 4, разделяют исходный пучок линейно поляризованного излучения на два: опорный и зондирующий. Опорный пучок направляют мимо призмы 5 на первое ФПУ 8 через второе зеркало 4. Зондирующий пучок направляют через призму 5 на ее грань, размещенную параллельно плоскости подложки 6 на расстоянии d, меньшем глубины проникновения эванесцентного поля из призмы в окружающую среду, под углом , обеспечивающим возбуждение ПЭВ на поверхности подложки 6; причем освещенная область должны включать как исследуемую отражающую структуру, содержащую пленку 7, так и стандартную отражающую структуру, состоящую из ранее упомянутой грани призмы 5, окружающей среды, заполняющей зазор между призмой 5 и подложкой 6, и участка поверхности подложки, не содержащей пленку 7. В результате взаимодействия зондирующего пучка со стандартной и исследуемой отражающими структурами, параметры эллипса поляризации излучения изменятся, причем величины этих изменений зависит от характеристик пленки (ее толщины и оптических постоянных). Выходящее из призмы 5 отраженное излучение зондирующего пучка направляют на третье зеркало 4, посредством которого отраженный пучок разделяют на два пучка.

Первый пучок поступает на второе ФПУ 8, которое измеряет интенсивность излучения, отраженного от стандартной структуры и распределение интенсивности в поперечном сечении пучка, отраженного от исследуемой структуры. Отметим, что, так как возбуждение ПЭВ с помощью призмы происходит при угле падения больше критического угла, то, в отсутствии образца (подложки с пленкой) у основания призмы, коэффициент отражения по мощности R_p = |r_p|² равен единице; поэтому величину коэффициента отражения при возбуждении ПЭВ R^*_p = |r^*_p|² можно определить соотнося значения интенсивности отраженного излучения до и после внесения образца в поле эванесцентной волны. Второй пучок направляют на второе зеркало 4, которое отражает его в сторону первого ФПУ 8 и сбивает с опорным пучком, что приводит к интерференции. Интерференционная картина регистрируется первым ФПУ 8. Электрические сигналы с обоих ФПУ 8 поступают на вход устройства обработки и накопления информации 9. Соотнося сигналы от фотодетекторов второго ФПУ 8 с величиной сигналов от этих же фотодетекторов до внесения образца в поле эванесцентной волны, устройство 9 поточечно рассчитывает значение |r^*_p|. Сравнивая сигналы от фотодетекторов первого ФПУ 8, освещенных лучами, отраженными стандартной структурой, с сигналами от фотодетекторов (этого же ФПУ), освещенными лучами, отраженными исследуемой структурой, устройство 9 поточечно определяет значения дополнительного фазового сдвига, обусловленного наличием на подложке 6 пленки 7, = |^o_p-^*_p|, где ^o_p и ^*_p - фазовые сдвиги излучения, отраженного стандартной и исследуемой структурами, соответственно. Затем, устройство 9, решая уравнение



при известных значениях |r^o_p| (амплитудный коэффициент отражения от стандартной структуры при возбуждении в ней ПЭВ), |r^*_p|, , , , оптических постоянных призмы 5, окружающей среды и подложки 6, для каждой точки исследуемой структуры рассчитывает значения толщины d_f и показателя преломления n_f пленки 7. Совокупность всех пар d_f и n_f описывает распределение оптических неоднородностей освещенного участка пленки 7.

В качестве примера рассмотрим применение заявленного способа для исследования непоглощающей пленки на плоской поверхности медной подложки, характеризуемой показателем преломления n_s = 0,145 и показателем поглощения k_s = 3,50 [7] . В качестве элента, преобразующего объемное излучение в ПЭВ, выберем призму с показателем преломления n_p = 1,51. Окружающая среда - воздух (n_m = 1,00), длина волны зондирующего излучения = 0,6328 мкм. Расположим основание призмы параллельно поверхности подложки на расстоянии 636 нм, соответствующему оптимальным условиям возбуждения ПЭВ на чистой поверхности выбранной подложки при угле падения сколлимированного p-поляризованного излучения = 43^o36"23"" (при этом R_p = R^o_p |r^o_p|² = 10^-5). На фиг. 2 приведены расчетные зависимости R_p^*(d_f) и (d_f) при различных значениях n_f (кривые 1 - n_f = 1,5; 2 - n_f = 1,3; 3 - n_f = 1,2). Из графиков видно, что пара экспериментальных значений R_p^* и позволяет однозначно определить величины d_f и n_f в любой точке освещенного участка подложки. Так, например, паре значений R_p^* = 0,46 и = 145^o15" соответствуют величины d_f = 4,5 нм и n_f = 1,30.

Таким образом, заявляемый способ, не приводя к утрате ни основного достоинства традиционной эллипсометрической микроскопии - способности определения распределения двух (в не одной) оптических характеристик пленки, ни основного достоинства эллипсометрии с возбуждением ПЭВ - высокой чувствительности, позволяет получать мгновенные снимки распределения двух характеристик пленки (в общем случае, переходного слоя), что очень важно для изучения быстропротекающих процессов на поверхности подложки.

Источники информации

1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред. Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса //М., 1985. - 525 с.

2. Ржанов А.В., Свиташев К.К., Семененко А.И. и др. Основы эллипсометрии //Новосибирск, 1979. - 422 с.

3. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет //М., 1981. - 583 с.

4. Концевой Ю. А., Жарковский Е.М., Шутов Д.Г., Резвый Р.Р. Контраст и разрешающая способность метода эллипсометрической микроскопии //Заводская лаборатория, 1993, N 9, с. 26 - 29.

5. Никитин А.К., Тищенко А.А. Исследование адсорбционных и окисных слоев методом эллипсометрии с возбуждением ПЭВ //Поверхность (фиг., хим., мех.), 1987, N 12, с. 45 - 49 (прототип).

6. Названов В.Ф., Коваленко Д.И. О поведении амплитуды и фазы отраженного излучения в многослойных структурах с поверхностными плазмонами // Письма в ЖТФ, 1995, т. 21, вып. 14, с. 60 - 62.

7. Золотарев В. М. , Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред // Л.: Химия. - 1984. - 215 с.