способ определения эллипсометрических параметров объекта

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА, заключающийся в том, что пучок поляризованного электромагнитного излучения направляют на объект и после взаимодействия его с объектом разделяют на четыре информационных пучка с различными типами поляризации, измеряют интенсивности информационных пучков и по их соотношениям определяют эллипсометрические параметры объекта, отличающийся тем, что отщепляют одну опорную часть от пучка излучения до взаимодействия его с объектом и разделяют на четыре опорных пучка с различными типами поляризации, идентичными типам поляризации соответствующих информационных пучков, измеряют интенсивности опорных пучков одновременно с измерениями интенсивностей информационных пучков и определяют по их совместным соотношениям три эллипсометрических параметра объекта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивности информационных пучков от отраженной и пропущенной объектом доли информационной части пучка измеряют одновременно.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отщепление опорной части пучка осуществляют с обеспечением ее интенсивности, одинаковой с интенсивностью информационной части пучка.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что опорную часть отщепляют поляризованной по кругу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптико-физическим измерениям, а точнее - к эллипсометрии, и может найти применение в научных исследованиях, технологии и технике.

Эллипсометрия известна как область оптико-физических измерений параметров тонких и сверхтонких слоев и пленок на поверхности жидких и твердых тел на основе изменений в состоянии поляризации электромагнитного излучения в результате его взаимодействия с изучаемым объектом. Эти измерения по сути своей являются бесконтактными и неразрушающими, а при некоторых условиях и невозмущающими изучаемый объект. Другая особенно ценная черта эллипсометрии состоит в возможности вести измерения и контроль параметров поверхностных слоев и процессов в режиме in situ, т. е. в процессе роста пленок, в ходе технологического процесса, при изучении быстротекущих процессов, а также и при использовании, в частности, импульсного излучения. Главные условия для осуществления таких измерений в режиме in situ состоят в соблюдении быстродействия, соответствующего характерным временам изучаемого или контролируемого процесса, и одновременности определения эллипсометрических параметров, характеризующих изучаемый объект. В качестве таких параметров выбирают поддающиеся экспериментальному определению эллипсометрические параметры и объекта, где - отношение модулей _р и _s и - разность фаз комплексных амплитудных коэффициентов отражения объектом компонент излучения с главными ортогональными линейными р- и s - поляризациями соответственно. Упомянутые параметры и определяются не только параметрами объекта, но и внешними условиями проведения эксперимента, такими как оптические характеристики окружающей среды, длина волны излучения и угол падения его на объект. Конкретный эксперимент по определению эллипсометрических параметров объекта, особенно в режиме in situ, проводят при известных и поддерживаемых неизменными в ходе эксперимента упомянутых выше внешних условиях. Однако возможность экспериментального определения только двух эллипсометрических параметров и объекта ограничивает информативность эллипсометрии в целом и снижает ее практическую ценность в частности, особенно в экспериментах in situ и при использовании импульсного излучения. Так, даже наиболее простой случай объекта, например непоглощающая пленка на непоглощающей подложке, требует для своего описания как минимум три параметра: показатели преломления n₁ пленки и n₂ подложки и толщину d пленки. Другой практически важный случай объекта, например поглощающая пленка на поглощающей подложке, требует для своего описания уже пять параметров: действительные n₁, n₂ и мнимые ₁, ₂ части комплексного показателя преломления соответственно пленки и подложки и толщину d пленки. При этом параметры n₂ и ₂ для подложки обычно находят на основе предварительных измерений, но и в такой ситуации число независимых параметров, необходимых для описания объекта, остается равным как минимум трем, что больше числа экспериментально определяемых параметров и объекта. По этой причине связь измеряемых непосредственно и необходимых для описания объекта параметров зависит от выбираемой модели изучаемого объекта, что делает эллипсометрические измерения параметров объекта не прямыми, а косвенными, зависящими от модели объекта. Поэтому расширение информативности способа определения in situ эллипсометрических параметров объекта за счет увеличения числа непосредственно определяемых в эксперименте параметров является актуальной задачей эллипсометрии в целом и имеет большую ценность для многообразной практики контрольно-измерительной техники и современных технологий.

Известны способы определения эллипсометрических параметров объекта [1] , заключающиеся в том, что пучок поляризационного электромагнитного излучения направляют на объект и после взаимодействия с ним посылают в измерительный канал, измеряют интенсивности пучка для ряда последовательных операций и в результате определяют два эллипсометрических параметра объекта.

Известен другой способ определения эллипсометрических параметров объекта, заключающийся в том, что пучок поляризованного излучения модулируют по амплитуде и по фазе с различными частотами, расщепляют светоделителем на два одинаковых пучка и направляют на объект и соответственно эталон, после взаимодействия с ними посылают упомянутые пучки попеременно в измерительный канал, измеряют интенсивности пучков на разных частотах модуляции и в результате определяют два эллипсометрических параметра объекта. Принципиальным недостатком известных способов, приведенных в [1] , и другого известного способа определения эллипсометрических параметров объекта является разновременность выполнения операций в измерительном канале с целью определения параметров и , что, во-первых, ограничивает быстродействие характерными временами на самих изучаемых процессов, а временами выполнения смены операций и, во-вторых, делает такие известные способы малопригодными для измерений в режиме in situ параметров слоев и процессов на поверхности различных тел.

По этой причине в качестве ближайшего прототипа выбираем известный способ определения in situ эллипсометрических параметров объекта [2] , заключающийся в том, что пучок поляризованного электромагнитного излучения направляют на объект и после взаимодействия его с объектом разделяют на четыре информационных пучка с различными типами поляризации, измеряют интенсивности информационных пучков и определяют по их соотношениям эллипсометрические параметры объекта. Однако серьезным недостатком этого способа определения in situ эллипсометрических параметpов объекта остается упомянутая выше возможность определения одновременно только двух параметров и объекта, что ограничивает информативность способа. Другой серьезный недостаток этого способа заключается в том, что полученные параметры и несут в себе информацию не только об изучаемом объекте, но и об изменении поляризации излучения по всему его пути прохождения, которые вносят заметную аппаратную погрешность.

Цель изобретения - расширение информативности способа определения in situ эллипсометрических параметров объекта путем определения одновременно трех эллипсометрических параметров объекта.

Дополнительная цель изобретения - повышение точности измерений путем исключения аппаратурной погрешности.

Цель достигается тем, что отщепляют одну - опорную часть от пучка излучения до взаимодействия его с объектом, направляют на объект другую - информационную часть пучка излучения, а отщепленную опорную часть пучка разделяют на четыре опорных пучка с различными типами поляризации, идентичными типам поляризации соответствующих информационных пучков, измеряют интенсивности опорных пучков одновременно с измерениями интенсивностей информационных пучков и определяют по их совместным соотношениям три эллипсометрических параметра объекта. При этом информационные пучки формируют из отраженной, а для частично пропускающего объекта - из пропущенной объектом доли информационной части пучка излучения.

С целью дальнейшего расширения информативности способа для частично пропускающего объекта и путем определения одновременно шести параметров объекта интенсивности информационных пучков от отраженной и пропущенной объектом доли информационной части пучка измеряют одновременно.

Отщепляют опорную часть от пучка излучения до взаимодействия его с объектом любым известным способом с обеспечением в течение всего изучаемого или контролируемого процесса in situ постоянства характерных (для используемого известного способа отщепления опорной части от пучка излучения соотношений) между амплитудами и соответственно фазами компонент поляризованного излучения с главными ортогональными поляризациями в отщепленной опорной и оставшейся информационной частях пучка излучения.

П р и м е р 1. Отщепляют опорную часть от пучка излучения до взаимодействия его с объектом одинаковой по интенсивности и типу поляризации с оставшейся информационной частью пучка излучения, при этом обеспечивают повышение точности и упрощение процедуры определения эллипсометрических параметров объекта.

П р и м е р 2. Отщепляют опорную часть от пучка до взаимодействия его с объектом поляризованной по кругу, при этом повышают чувствительность способа к малым значениям фазового эллипсометрического параметра объекта.

Разделяют отщепленную опорную часть непосредственно и оставшуюся информационную часть пучка излучения после взаимодействия ее с объектом на четыре опорных и соответственно информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации по-разному и способы упомянутой операции разделения известны.

П р и м е р 3. В принятом нами в качестве прототипа известном способе определения in situ эллипсометрических параметров объекта [2] пучок поляризованного электромагнитного излучения после взаимодействия его с объектом расщепляют светоделителем, расщепленные светоделителем пучки излучения разделяют линейными поляризационными призмами на четыре информационных пучка с различными типами поляризации, при этом одну из упомянутых призм устанавливают на отбор компонент пучка излучения с главными ортогональными линейными р- и s-поляризациями, а другую призму поворотом вокруг оси падающего на нее пучка излучения устанавливают так, что направление s-поляризации для упомянутой призмы составляет 45^о с таковым направлением для падающего на нее излучения в системе координат главных линейных поляризаций излучения на объекте.

П р и м е р 4. Отщепленную опорную часть непосредственно и оставшуюся информационную часть пучка излучения после взаимодействия ее с объектом разделяют на четыре опорных и соответственно информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации с обеспечением замены упомянутой выше установленной под углом 45^о другой линейной поляризационной призмы круговой поляризационной призмой.

Одновременность измерений интенсивности опорных пучков с измерениями интенсивности информационных пучков обеспечивают тем, что при осуществлении предлагаемого способа не предусматривают и не используют какие-либо разновременные операции измерений интенсивностей опорных и информационных пучков излучения или операции переключения режимов работы, а также устанавливают равными в пределах точности измерений оптические пути для любого из опорных и информационных пучков излучения и не обнаруживают в пределах точности измерений временного сдвига в моментах отсчета результатов измерений интенсивности для любого из упомянутых опорных и информационных пучков излучения.

П р и м е р 5. Минимальную величину t_мин временного сдвига в моментах отсчета результатов измерений интенсивности опорных и информационных пучков в видимой области спектра оценивают точностью установления равенства оптических путей для различных упомянутых пучков, при этом минимальную предельную точность (погрешность) измерения разницы l оптических путей оценивают примерно одной восьмой длины волны излучения и потому минимальную величину t_мин оценивают около 0,2 фс.

П р и м е р 6. Минимальный временной сдвиг t_мин в отсчетах результатов измерений интенсивностей опорных и информационных пучков излучения, отличного от видимого света, оценивают также точностью установления равенства оптических путей для каждого пучка.

Необходимое для осуществления способа определения in situ эллипсометрических параметров объекта быстродействие измерений интенсивностей опорных и информационных пучков обеспечивают подбором характерных времен детектирования электромагнитного излучения, регистрации интенсивности упомянутых пучков и обработки результатов измерений существенно меньшими характерных времен изучаемых процессов.

П р и м е р 7. Достигнутым быстродействием известных способов детектирования электромагнитного излучения, регистрации интенсивности пучков излучения, обработки результатов измерений обеспечивают изучение быстротекущих процессов in situ с характерными временами до единиц наносек - пикосек.

Измерения интенсивностей опорных и информационных пучков осуществляют фотоприемниками электромагнитного излучения, при этом отбирают обычно фотоприемники для опорных и информационных пучков идентичными и оптически изотропными по динамической вольт-ваттной чувствительности, а также и пороговой чувствительности.

П р и м е р 8. Возможную погрешность при определении эллипсометрических параметров объекта из-за поляризационной зависимости динамической чувствительности фотоприемников линейно поляризованного излучения исключают преобразованием до измерения интенсивности такого пучка линейно поляризованного излучения линейной поляризации его в круговую поляризацию.

На чертеже представлена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа, где показаны источник 1 излучения, блок 2 питания и пуска источника 1 излучения; линейный поляризатор 3, оптический столик 4 для установки линейного поляризатора 3 в пучок излучения, отщепитель 5, оптический столик 6, для установки отщепителя 5 в пучок излучения, объект 7, оптический столик 8 для установки объекта 7 в пучок излучения; 9_о и 9_и (9_т) - каналы опорный и соответственно информационный для отражаемой (пропускаемой) объектом 7 доли информационной части пучка излучения, светоделители 10_о и 10_и в опорном и соответственно информационном каналах, оптические столики 11_о и 11_и для установки упомянутых светоделителей в пучок излучения. Линейные поляризационные призмы 12_о и 12_и в опорном и соответственно информационном каналах, оптические столики 13_о и 13_и для установки упомянутых поляризационных призм 12_о и 12_и в пучок излучения, круговые поляризационные призмы 14_о и 14_и в опорном и соответственно информационном каналах, оптические столики 15_о и 15_и для установки упомянутых круговых поляризационных призм в пучок излучения, фотоприемники 16_о (1, 2, 3, 4) и 16_и (1, 2, 3, 4) электромагнитного излучения в опорном и соответственно информационном каналах, система 17 регистрации, система 18 обработки, система 19 отображения, дополнительный источники 20 излучения; дополнительный линейный поляризатор 21. оптический столик 22 для установки дополнительного линейного поляризатора 21 в пучок излучения, плоскопараллельная стеклянная пластина 23, оптический столик 24 для установки пластины 23 в пучок излучения, анализирующие поляризаторы 25_ои 25_и для опорного и соответственно информационного каналов, оптические столики 26_о и 26_и для установки упомянутых анализаторов в пучок излучения, плоские отражатели 27_о (1, 2) и 27_и (1, 2) с отверстиями в опорном и соответственно информационном каналах, вспомогательные фотоприемники 28_о (1, 2) и 28_и (1, 2) в опорном и соответственно информационном каналах, при этом система 17 регистрации соединена с выходами фотоприемников 16_о (1, 2, 3, 4) и 16_и (1, 2, 3, 4), система 18 обработки соединена с системой 17 регистрации и блоком 2 питания и пуска источника излучения, система 19 отображения соединена с системой 18 обработки.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом (фиг. 1).

Электромагнитное излучение от источника 1 излучения после пуска упомянутого источника блоком 2 питания и пуска направляют через линейный поляризатор 3, установленный на оптическом столике 4, на отщепитель 5 пучка излучения, установленный на оптическом столике 6, отделяют отщепителем 5 опорную часть 0 пучка излучения и направляют ее непосредственно в опорный канал 9_о, в то же время оставшуюся информационную часть И пучка излучения направляют на объект 7 на оптическом столике 8 и после взаимодействия ее с объектом 7 направляют в информационный канал 9_и, при этом отщепленная опорная 0 и оставшаяся информационная И части пучка излучения непосредственно на выходе из отщепителя 5 имеют одинаковую интенсивность и круговую поляризацию, далее отщепленную опорную часть 0 непосредственно и оставшуюся информационную часть И после ее взаимодействия с объектом разделяют на четыре опорных и соответственно информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации, при этом опорную и информационную части пучка излучения расщепляют соответственно одинаковыми светоделителями 10_о и 10_и, установленными на оптических столиках 11_о и соответственно 11_и, на два пучка излучения и I₀ и соответственно и I_и, упомянутые пучки и I_0,и разделяют помещенными на их пути соответственно одинаковыми поляризационными линейными 12_о и 12_и призмами, установленными на оптических столиках 13_о и соответственно 13_и, и одинаковыми круговыми 14_о и 14_и призмами, установленными на оптических столиках 15_о и соответственно 15_и, на четыре опорных и соответственно информационных пучка с различными идентичными для соответственных опорных и информационных пучков типами поляризации, причем с ортогональными линейными р- и s-поляризациями для первой пары пучков и на выходе из линейных поляризационных призм 12_о и соответственно 12_и и ортогональными круговыми поляризациями с левым и правым вращениями для другой пары пучков I₀ и I_и на выходе из круговых поляризационных призм 14_о и 14_и, далее разделенные четыре опорных и соответственно информационных пучка направляют на отдельные фотоприемники 16_о-1, 16_о-2, 16_о-3, 16_о-4 и соответственно 16_и-1, 16_и-2, 16_и-3, 16_и-4, удовлетворяющие условиям в примере 7 измеряют интенсивности опорных пучков I_о1, I_о2, I_о3, I_о4 одновременно с измерениями интенсивностей информационных пучков I_и1, I_и2, I_и3, I_и4, измеренные одновременно упомянутые интенсивности опорных и информационных пучков регистрируют системой 17 регистрации, обрабатывают вычислительной системой 18 обработки и определяют по совместным соотношениям для интенсивностей опорных и информационных пучков три эллипсометрических параметра _p, _s и объекта, далее выдают системой 19 отображения определенные одновременно три упомянутых эллипсометрических параметра объекта, при этом управляют пуском источника 1 излучения системой 18 обработки. В случае слабопоглощающего или частично пропускающего излучение объекта используют одновременно отражение и пропускание излучения объекта 7, установленным на оптическом столике 8, взаимодействующей с ним оставшейся информационной части И пучка излучения (фиг. 1), при этом направляют отражаемую объектом долю информационной части пучка излучения в информационный канал 9_и для отражаемой объектом доли информационной части пучка излучения и пропускаемую объектом долю информационной части пучка излучения в информационный канал 9_т для пропускаемой объектом доли информационной части пучка излучения, а дальнейшие операции разделения долей информационных частей - на информационные пучки с различными идентичными соответственному опорному пучку типами поляризации, операции измерений интенсивностей информационных пучков одновременно с измерениями интенсивностей опорных пучков и определения эллипсометрических параметров объекта для отражаемой и пропускаемой объектом информационных частей пучка излучения осуществляют идентично описанному выше случаю взаимодействующей с объектом информационной части излучения, причем система 19 отображения в этом случае частично пропускающего излучения объекта выдает шесть независимых эллипсометрических параметров объекта: два модуля _p и _s и разность фаз для отражения и два модуля _р и _s и разность фаз для пропускания объектом компонент излучения с главными линейными р- и s-поляризациями.

Возможность определения одновременно трех эллипсометрических параметров _р, _s и объекта, а в случае частично пропускающего излучения объекта и шести эллипсометрических параметров _р, _s, и _р, _s, объекта следует из общих известных законов взаимодействия поляризованного электромагнитного излучения с объ ектом. Так, в общем случае изаимодействия поляризованного пучка излучения с объектом измерения интенсивностей информационных и опорных пучков дают восемь поддающихся экспе риментальному определению независимых величин. Но эти же упомянутые пучки несут также информацию, описываемую семью другими независимыми параметрами: начальной амплитудой А_о пучка излучения, модулями _р, _s и фазой объекта, модулями А_р, А_s и фазой _А для комплексных амплитудных коэффициентов отражения объектом и соответственно аппаратных функций оптического тракта осуществляющего предлагаемый способ устройства по всему пути прохождения излучения с исключением лишь самого объекта. Тогда на основе решения системы известных нелинейных соотношений для упомянутых выше семи независимых параметров, описывающих состояния поляризованного излучения, при наличии одновременно измеряемых интенсивностей информационных I_и1, I_и2, I_и3, I_и4и опорных I_о1, I_о2, I_о3, I_о4 пучков возникает возможность определения одновременно в режиме in situ трех упомянутых выше эллипсометрических параметрпов _р, _s и объекта. Для этого берут отношения интенсивностей информационных пучков I_и1, I_и2, I_и3, I_и4 или их определенных линейных независимых комбинаций к соответственным интенсивностям опорных пучков I_о1, I_о2, I_o3, I_о4 или к их соответственным линейным независимым комбинациям и таким образом исключают неопределенность из-за отсутствия информации о начальной амплитуде A_о пучк излучения. Затем формируют при известном отношении интенсивностей отщепляемой опорной и оставшейся информационной частей пучка излучения пять относительных величин видa:

, , , , , (I) исключают последовательно в алгоритме расчета аппаратные параметры А_р, А_s и _А для главных линейных р- и s-поляризаций излучения и определяют в режиме in situ три эллипсометрических параметра _р, _s и объекта. нклбыханыхя главл

В случае частично пропускающего излучения объекта на основе измерений интенсивности информационных пучков I_т1, I_т2, I_т3, I_т4 для пропускаемой объектом доли информационной части пучка излучения с выходов фотоприемников в информационном канале 9_т для пропускаемой объектом доли информационной части пучка излучения формируют дополнительно четыре независимых относительных величины вида:

, , , (2)

Одновременно достигают и дополнительную цель, поскольку исключают аппаратную погрешность, вносимую аппаратными диаметрами А_р, А_sи _А из-за изменений состояния поляризации пучка излучения на всем его пути прохождения.

П р и м е р 9. На чертеже: 1 - непрерывно накачиваемый твердотельный лазер на АИГ: Nd³⁺ в режиме "обрывания импульса" с внутритрезонаторной генерерацией гармоник (основая мода = 1064 нм, длительность импульса _и 35 нс, пиковая мощность Р_пик 500 Вт; вторая гармоника = 532 нм, < 25 нс, Р_пик 10 Вт; частота повторения импульсов f 295 кГц, в режиме "обрывания импульса". f до 1 МГц); 2 - блок питания и пуска лазера 1; 3 - призма Глана-Фуко (коэффициент гашения ~ 10^-7); 4 - оптический столик для установки призмы 3 в пучок излучения; 5 - составная круговая поляризационная призма Френеля (угол расхождения пучков круговой поляризации с левым и правым вращениями = 12", отношение интенсивностей упомянутых пучков с левым и правым вращениями = 1,000+0,001); 6 - оптический столик для установки упомянутой призмы 5 в пучок излучения; 7 - объект (эпитаксиальные слои структуры nSi - n⁺Si толщиты до 0,6 мкм, удельное сопротивление ~ 20 мкОмм); 8 - оптический столик для установки объекта 7 в пучок излучения; 9_о и 9_и - опорный и соответственно информационный каналы; 10_о и 10_и - светоделительные кубики в опорном и соответственно информационном каналах; 11_о и 11_и - оптические столики для установки упомянутых светоделителей 10_о и 10_и соответственно в пучок излучения; 12_о и 12_и - призмы Глана-Фуко; 13_о и 13_и - оптические столики для установки призм 12_о и 12_и соответственно в пучок излучения; 14_о и 14_и - составные круговые поляризационные призмы Френеля; 15_о и 15_и - оптические столики для установки упомянутых круговых призм 14_о и 14_исоответственно в пучок излучения; 16_о (1, 2, 3, 4) и 16_и (1, 2, 3, 4) - фотодиоды из германия, легированного золотом (азотное охлаждение, пороговая чувствительность Р_пор 100 фВт/Гц^1/2, полоса пропускания частот f 10 ГГц, минимальная мощность Р_мин 0,2 нВт, вольт-амперная динамическая чувствительность D 1 В/Вт); 17 - система регистрации (электрооптическая камера "Агат-"СФВ") [4] ; 18 - система обработки и 19 - система отображения с автоматическим управлением от вычислительного комплекса на основе IBM РС/АТ; 20 - дополнительный гелий-неоновый лазер непрерывного излучения типа ЛГ-36А, мощность Р_о = 20 мВт; 21 - дополнительная призма Глана-Фуко; 22 - оптический столик для установки призмы 21 в пучок излучения от вспомогательного источника излучения; 23 - плоскопараллельная стеклянная пластина; 24 - оптический столик для установки пластины 23 в пучок излучения; 25_о и 25_и - призмы Глана-Фуко; 26_о и 26_и - оптические столики для установки призм 25_о и 25_исоответственно в пучок излучения; 27_о и 27_и - плоские отражатели с диафрагмами в опорном и соответственно информационном каналах; 28_о и 28_и- дополнительные фотоприемники в опорном и соответственно информационном каналах (ФЭУ-68, ширина частот f600 кГц, частота модуляции f_м = 12 МГц, усиление К 40 дБ).

П р и м е р 10. На чертеже: 1 - инфракрасный СО₂-лазер типа ЛГ-74 (длина волны = 10,6 мкм, мощноть Ро = 100 кВт); 2 - блок питания и пуска лазера 1; 3 - брюстеровский отражательный линейный поляризатор; 5 - дифракционная поляризационная решетка (число штрихов 1200 на 1 мм, направления штрихов под 45^о к направлению поляризации падающего пучка излучения, плоскость решетки ориентирована под 45^о к оси упомянутого пучка излучения, угол расхождения пучков с ортогональными линейными поляризациями = 90^о, отношение интенсивностей упомянутых пучков с ортогональными линейными поляризациями = 1,0000,001); 6 - оптический столик для установки поляризационной призмы 5 в пучок излучения; 7 - объект (эпитаксиальная пленка антимонида индия n-типа, толщина d до 0,6 мкм, концентрация носителей N 10¹⁵ см^-3, температура Т = 77 К, на подложке из высокоомного антимонида индия р-типа); 8 - оптический столик для установки объекта в пучок излучения; 9_о и 9_и - опорный и информационный каналы; 10_о и 10_и - светоделительные кубики их хлористого натрия в опорном и соответственно информационном каналах; 11_о и 11_и - столики оптические для установки светоделителей 10_ои соответственно 11_и и пучок излучения; 12_о и 12_и - дифракционные решеточные поляризаторы (типа поляризатора 5) в опорном и соответственно информационном каналах; 13_о и 13_и - оптические столики для установки поляризаторов 12_о и соответственнео 12_и в пучок излучения; 14_о и 14_и - дифракционные решеточные поляризаторы (число штрихов 1200 на 1 мм, направление штрихов под 45^о к направлению поляризации излучения, падающего на дифракционный решеточный поляризатор 5, плоскость решетки ориентирована под углом 45^о к оси падающего на нее пучка излучения, угол расхождения пучков с ортогональными линейными поляризаторами = 90^о) в опорном и соответственно информационном каналах; 15_о и 15_и - оптические столики для установки дифракционных поляризаторов 14о и соответственно 14и в пучок излучения; 16_о (1, 2, 3, 4) и 16_и (1, 2, 3, 4) - германиевые легированные золотом фотодиоды в опорном и соответственно информационном каналах; 17 - многоканальная система регистрации (широкополосные усилители типа УЗ-7А, цифровые вольтметры, аналого-цифровые преобразователи АЦП); 18 - система обработки и 19 - система отображения на основе вычислительного комплекса I ВМ РС/АТ; 25_ои 25_и - дифракционные поляризаторы; в опорном и соответственно информационном каналах; 26_о и 26_и - оптические столики для установки поляризаторов 25_о и соответственно 25_и в пучок излучения.

П р и м е р 11. Подготовка работы в режиме in situ. Осуществляют подготовку работы в режиме in situ в описанном выше примере 9 следующим образом: включают вспомогательный источнике излучения 20 (Не-Ne лазер ЛГ-36А, длина волны = 630 нм); пучок электромагнитного излучения от источника 20 излучения направляют на линейную поляризационную призму 21 (призму Глана-Фуко), установленную в оправе на оптическом столике 22; устанавливают ось поляризационной призмы 21 вдоль направления оси пучка излучения от источника 20 излучения; поворотом поляризационной призмы 21 вокруг оси пучка излучения устанавливают направление колебаний электрического вектора на выходе из поляризационной призмы 21 по вертикали вдоль направления главной S-поляризации излучения на объекте 7; устанавливают плоскопараллельную стеклянную пластину 23 на оптическом столике 24; снимают объект 7 с оптического столика 8; поворотом плоскопараллельной пластины 23 вокруг вертикальной оси направляют отражаемый ею пучок линейно поляризованного излучения в опорный канал 9_о и пропускаемый ею пучок упомянутого излучения в информационный канал 9_и; устанавливают на пути отражаемого и пропускаемого плоскопараллельной пластиной 23 пучков линейно поляризованного излучения анализирующие поляризационные призмы Глана-Фуко 25_о и соответственно 25_и в позиции А_о и соответственно А_иперед входами в опорный и соответственно информационный каналы; далее вводят в один из опорных и соответственно информационных пучков на выходе из круговой поляризационной призмы Френеля 14_о и соответственно 14_и плоский отражатель 27_о-1 и соответственно 27_и-1 и отклоняют ими упомянутые пучки на фотоприемники 28_о-1 и соответственно 28_и-1 типа мФЭУ-68; устанавливают анализаторы 25_о и соответственно 25_и поворотом вокруг оси падающего на них линейно поляризованного излучения в положение почти полного скрещивания с линейным поляризатором 21, о чем судят по сильному уменьшению сигнала на выходе упомянутых фотоприемников 28_о-1 и 28_и-1, далее в упомянутом выше положении анализаторов 25_о и 25_иполучают еще большее уменьшение сигнала на фотоприемниках 28_о и 28_иповоротом светоделителя 10_о и соответственно 10_и вокруг соответственной горизонтальной оси в делительной плоскости соответственно упомянутых светоделителей; устанавливают анализаторы 25_о и 25_и в положение полного скрещивания с поляризатором 21; переносят анализаторы 25_о и соответственно 25_и из позиций А_о и А_и в позиции В_о и соответственно В_исразу за светоделителями 10_о и соответственно 10_и перед круговыми поляризационными призмами Френеля 14_о и соответственно 14_и; обеспечивают еще большее уменьшение до нулевого уровня сигнала на фотоприемниках 28_ои 28_и-плавной подстройкой направления делительной плоскости светоделителей 10_о и соответственно 10_и поворотом их вокруг упомянутых горизонтальных осей в делительных плоскостях соответственных светоделителей; по достижению нулевого уровня сигнала на выходе фотоприемников 28_о- и 28_и- судят об установке направления колебаний электрического вектора линейно поляризованного излучения от вспомогательного источника в делительной плоскости светоделителей перпендикулярно плоскости падения пучка излучения на упомянутую делительную плоскость светоделителей; вводят в один из опорных и соответственно информационных пучков на выходе поляризационных призм 12_ои соответственно 12_и плоский отражатель 27_о-2 и соответственно 27_и-2 и отклоняют ими упомянутые пучки на дополнительные фотоприемники 28_о-2 и соответственно 28_и-2 типа ФЭУ-68; устанавливают линейные поляризационные призмы 12_о и соответственно 12_и в положение отбора главных ортогональных линейных р- и s-поляризаций пучка излучения поворотом упомянутых призм 12о и 12и вокруг оси падающего на них пучка излучения; при этом о требуемой выше установке поляризационных призм 12_о и 12_и судят по достижению нулевого сигнала на выходе фотоприемников 28о-2 и соответственно 28_и-2, далее плоские отражатели 27_о-1, 27_о-2 и соответственно 27_и-1, 27_и-2 устанавливают на пропускание (через диафрагмы в них) излучения от упомянутых поляризационных призм 12_о и 14_ои соответственно призм 12_и и 14_и на соответственные отдельные фотоприемники, например, в нашем случае 16_о-1, 16_о-3 и соответственно 16_и-1 16_и-4; убирают с пути излучения анализирующие поляризаторы 25_о и соответственно 25и, плоскопараллельную пластину 23; выключают вспомогательный источник 20 излучения; включают источник 1 излучения с помощью пуска блока 2 питания и пуска; устанавливают линейный поляризатор 3 на пропускание им линейно поляризованного пучка электромагнитного излучения с направлением колебаний электрического вектора по вертикали; упомянутую установку линейного поляризатора 3 осуществляют поворотами вокруг установленных осей оптического столика 4 и линейного поляризатора 3 вокруг оси падающего на него излучения; устанавливают объект 7 на оптический столик 8; устанавливают отражающую плоскость объекта 7 к направлению падающего на него пучка излучения так, что отражаемый объеком 7 пучок излучения направляют в информационный канал 9и; саму отражающую плоскость объекта 7 располагают в верикальной плоскости; производят отсчеты интенсивностей опорных и соответственно информационных пучков на выходе из линейных поляризационных призм 12_о и соответственно 12_и в опорном 9_о и соответственно информационном 9_иканалах; затем поворачивают круговую поляризационную призму 5 вокруг оси падающего на нее поляризованного излучения на 90^о; повторяют отсчеты интенсивностей опорных и соответственно информационных пучков на выходе из тех же линейных поляризационных призм 12_о и 12_и в опорном 9_о и соответственно информационном 9_и каналах; в результате получают возможность судить о параметрах для отношения интенсивностей пучков излучения круговой поляризации с левым и правым вращениями непосредственно на выходе из упомянутой входной круговой поляризационной призмы 5.

П р и м е р 12. Подготовка работы в режиме in situ.

Осуществляют также подготовку работы в режиме in situ в описанном выше примере 10 следующим образом. Включают блок 2 питания и запуска ИК-лазера на СО₂; запускают ИК СО₂-лазер типа ЛГ-74 (длина волны = 10,6 мкм); устанавливают дифракционный решеточный поляризатор 5 на оптический столик 6; устанавливают плоскость поляризатора 5 под углом 45^о к оси падающего на него линейно поляризованного излучения от источника 1 излучения так, что штрихи решеточного поляризатора 5 перпендикулярны направлению поляризации падающего на него пучка излучения (направлению колебаний электрического вектора в пучке излучения, а в нашем случае - по вертикали); направляют проходящий сквозь решеточный поляризатор 5 пучок линейно поляризованного ИК-излучения с направлением колебаний электрического вектора по вертикали в опорный канал 9_о; помещают на его пути анализирующий решеточный поляризатор 25_о на оптический столик 26_о в позицию А_о перед входом в опорный канал 9_о; устанавливают анализатор 25_о его плоскостью перпендикулярно оси падающего на него пучка излучения; поворачивают анализатор 25_о в его плоскости вокруг оси пучка излучения в положение почти полного скрещивания с линейным поляризатором 3 и, следовательно, с линейной поляризацией падающего на анализатор 25_о пучка излучения, при этом пользуются сильным уменьшением интенсивности сигналов на выходах фотоприемников 16_о (1, 2, 3, 4) в опорном канале; далее в положении почти полного скрещивания анализатора 25_о с пучком поляризованного линейного ИК-излучения с направлением колебаний э лектрического вектора пучка по вертикали получают еще большее уменьшение интенсивности сигнала на выходе одного и некоторое увеличение интенсивности сигнала на выходе другого для пары фотоприемников 16_о-1 и 16_о-2, 16_о-3 и 16_о-4 поворотом делительной плоскости светоделителя 10_о вокруг горизонтальной оси в его делительной плоскости; устанавливают анализатор 25_о в положениеи полного скрещивания с падающим на него пучком поляризованного линейно ИК-излучения, о чем судят по нулевому уровню интенсивности сигнала с выходов каждого из фотоприемников 16_о (1, 2, 3, 4) в опорном канале 9_о; проверяют точность установки направления колебаний электрического вектора пучка линейно поляризованного ИК-излучения в делительной плоскости светоделителя 10_о перпендикулярно плоскости падения на упомянутую делительную плоскость светоделителя поворотом анализатора 25_о в его плоскости вокруг нормали к ней (и, следовательно, вокруг оси падающего на него пучка ИК-излучения) на 90^о, при этом отмечают ожидаемые большую интенсивность сигнала одного и малую интенсивность сигнала другого из упомянутых пар фотоприемников 16_о-1 и 16_о-2, 16_о-3 и 16_о-4; по необходимости добиваются еще большего по возможности уменьшения меньшей интенсивности сигналов для упомянутых фотоприемников в опорном канале; устанавливают нормали к дифракционным поляризаторам 12_о и 14_о в опорном канале поворотами оптических столиков 13_о и соответственно 15_о вокруг установленных осей под углом 45^о к оси падающих на них пучков ИК-излучения от светоделителей 10_о; устанавливают дифракционные поляризаторы 12_о и 14_о на отбор ортогональных линейных р- и s-поляризаций, о чем судят по нулевому сигналу одного из фотоприемников отмеченной пары фотоприемников; точность установки такого отбора проверяют поворотом дифракционных поляризаторов вокруг нормали к их плоскости на 90^о, тогда получают ожидаемую смену показаний интенсивности сигналов для фотоприемников в каждой из упомянутых пар фотоприемников в опорном канале; поворачивают дифракционный поляризатор 14_о в его плоскости вокруг нормали к ней на 45^о; устанавливают объект 7 на оптический столик 8; устанавливают плоскость объекта 7 в вертикальной плоскости; поворачивают дифракционный решеточный поляризатор 5 в его плоскости вокруг нормали к ней на 90^о так, что при этом штрихи поляризатора 5 располагаются по вертикали; направляют от поляризатора 5 пучок линейно поляризованного ИК-излучения с направлением колебаний электрического вектора по вертикали на объект 7; поворотом плоскости объекта 7 вокруг вертикальной оси отражают от него пучок ИК-излучения в информационный канал 9_и; помещают на пути отражаемого объектом 7 пучка ИК-излучения анализирующий поляризатор 25_и, идентичный поляризатору 25_ов опорном канале, на оптический столик 26_и в позицию А_и перед входом в информационный канал 9_и; повторяют подготовку работы в режиме in situ информационного канала идентично опианной выше подготовке работы в режиме in situ в опорном канале; убирают с пути пучков ИК-излучения анализаторы 25_о и 25_и; при необходимости обеспечения повышенной чувствительности предлагаемого способа к малым значениям фазового эллипсометрического параметра объекта на оптические столики 26_о и 26_ипомещают обеспечивающшие круговую поляризацию ромбы Френеля из хлористого натрия на месте линейных анализаторов 25_о и 25_исоответственно; поворачивают дифракционный поляризатор 5 в его плоскости вокруг нормали к ней на угол 45^о; отсчитывают интенсивности опорных и соответственно информационных пучков на выходах из дифракционных поляризаторов 12_о и 12_и в опорном 9_о и соответственно информационном 9_иканалах; поворачивают упомянутый поляризатор 5 на 90^о; отсчитывают повторно интенсивности опорных и информационных пучков на упомянутых выходах из поляризаторов 12_о и 12_и; в результате судят о равенстве интенсивностей отражаемого и пропускаемого дифракционным решеточным поляризатором 5 пучков ИК-излучения с ортогональными линейными поляризациями в отщепляемой опорной и оставшейся информационной частях пучка ИК-излучения; при необходимости устанавливают желаемую величину для отношения интенсивностей отщепляемой опорной и оставшейся информационной частей пучка излучения непосредственно на выходе их из дифракционного решеточного поляризатора 5.

П р и м е р 13 Достижение положительного эффекта.

Пусть при осуществлении предлагаемого способа описанным выше в примере 9 устройством имеют:

_р - модуль комплексного амплитудного коэффициента отражения объектом компоненты излучения с р-поляризацией;

_s - модуль комплексного амплитудного коэффициента отражения объектом компоненты излучения с S-поляризацией;

- разность фаз комплексных амплитудных коэффициентов отражения объектом компонент излучения с ортогональными р- и s-поляризациями соответственно;

А_р - модуль комплексной амплитудной аппаратной функции оптического тракта осуществляющего предлагаемый способ устройства для компоненты излучения с р-поляризацией;

А_s - модуль комплексной амплитудной аппаратной функции оптического тракта осуществляющего предлагаемый способ устройства для компоненты излучения с S-поляризацией;

_А - разность фаз комплексных амплитудных аппаратных функций оптического тракта осуществляющего предлагаемый способ устройства для компонент излучения с ортогональными р- и s-поляризациями;

А_о - начальная амплитуда пучка поляризованного излучения до его взаимодействия с отщепителем 5 круговой поляризационной призмой Френеля);

- отношение интенсивностей отщепляемой опорной и оставшейся информационной частей непосредственно на выходе из отщепителя (в нашем случае отношение интенсивностей пучков круговой поляризации с левым и соответственно правым вращениями = 1,0000,001);

_рD - модуль комплексного амплитудного коэффициента отражения светоделителем в опорном и соответственно информационном каналах компоненты излучения р-поляризации;

_sD - модуль комплексного амплитудного коэффициента отражения светоделителем в опорном и соответственно информационном каналах компоненты излучения s-поляризации;

_рD - модуль комплексного амплитудного коэффициента пропускания светоделителем в опорном и соответственно информационном каналах компоненты излучения р-поляризации;

_sD - модуль комплексного амплитудного коэффициента пропускания светоделителем в опорном и соответственно информационном каналах компоненты излучения s-поляризации;

- разность фаз комплексных амплитудных коэффициентов пропускания светоделителем в опорном и соответственно информационном каналах компонент излучения с ортогональными р- и соответственно s-поляризациями;

D - динамический вольт-ваттная чувствительность фотоприемников излучения в опорном и информационном каналах.

Тогда получают интенсивность I_и1 сигнала для информационного пучка излучения р-поляризации:

I_и1 = D _p²A_p² _pD²A_o² (3) интенсивность I_о1 сигнала для опорного пучка излучения р-поляризации:

I_о1 = DA_p² _pD²A_o² (4) интенсивность I_и2 сигнала для информационного пучка излучения s-поляризации:

I_и2 = D _s²A_s² _sD²A_o² (5) интенсивность Iо2 сигнала для опорного пучка излучения s-поляризации:

I_о2 = DA_s² _sD²A_o² (6)

Берут отношение (3) к (4) и (5) к (6), получают при известном отношении интенсивностей отщепляемой опорной и оставшейся информационной частей пучка излучения квадраты модулей _р и _sкоэффициентов отражения объектом компонент с ортогональными линейными р- и s-поляризациями соответственно:

_p² = (I_и1/I_о1) (7) и

_s² = (I_и2/I_о2) (8) извлекают корни из соотношений (7) и (8) и определяют пару эллипсометрических параметров _р и _s объекта:

_p = ( I_и1/I_о1)^1/2 (9) и

_s = ( I_и2/I_о2)^1/2 (10)

Одновременно с измерениями интенсивностей I_и1, I_и2информационных и I_о1, I_о2 опорных пучков получают интенсивности I_и3 и I_и4 сигналов для информационных пучков излучения с левой и соответственно правой круговой поляризацией:

I_из = DA_o²[_s²A_s² _sD² +_p²A_p² _pD² +

+ 2_{s p}A_sA_{p sD pD} sin (+_A+ )] (11) и

I_и4 = DA_o²[_s²A_s² _sD² + _p²A_p² _pD² -

- 2_{s p}A_sA_{p sD pD} sin ( +_A + )] (12) интенсивности I_о3 и I_о4 сигналов для опорных пучков излучения с левой и соответственно правой круговой поляризацией:

I_о3 = ²DA_o² [A_s² _sD² + A_p² _pD² +

+2 A_sA_{p sD pD} sin (_A + )] (13) и

I_о4 = DA_o² [A_s² _sD² + A_p² _pD² -

-2 A_sA_{p sD pD} sin (_A + )] (14) формируют при известном три независимые относительные величины:

q= = sin(+_s), (15)

P = = sin_s, (16)

v = = , (17) при этом вводят относительный эллипсометрический параметр :

= _p/ _s (18) относительный параметр для модулей аппаратных функций для компонент излучения с ортогональными линейными р- и s-поляризациями:

= (19) и фазовый параметр _s аппаратных функций для компонент излучения с ортогональными р- и s-поляризациями:

_s = _A + (20)

Для определения фазового эллипсометрического параметра объекта осуществляют следующие расчетные операции:

- при известном и найденных эллипсометрических параметрах _р и _s объекта с использованием формул (3) - (10) находят по формуле (18) относительный параметр ;

- при известном и найденных параметрах и _s из формулы (17) по величине v находят аппаратный параметр в виде (19);

- при найденном параметре по величине р из формулы (16) находят значение sin _s и далее фазовый параметр _s аппаратных функций;

- при найденных параметрах и по величине q из формулы (15) находят значение sin ( + _s) и далее фазовый параметр +_s;

- по найденным фазовым параметрам _s и + _s находят фазовый эллипсометрический параметр объекта.

П р и м е р 14. Достижение положительного эффекта.

При осуществлении предлагаемого способа описанным выше в примере 10 устройством в отличие от примера 9 имеют:

_A¹ = + _A- разность фаз комплексных амплитудных аппаратных функций оптического тракта используемого здесь для осуществления предлагаемого способа устройства, когда отщепитель опорной части пучка излучения не вносит сдвига фаз для отщепляемой опорной и оставшейся информационной части пучка излучения по сравнению с отщепителем (круговой поляризационной призмой) в рассмотренном выше примере 9;

= 1,0000,001 - интенсивности отщепляемой опорной и оставшейся информационной частей пучка одинаковы на выходе из используемого здесь отщепителя.

Тогда для определения фазового эллипсометрического параметра объекта используют формулы (9) и 10), (15), (16) и (17), (18), (19) и (20) с заменой единицей и _А величиной _А¹ и осуществляют следующие расчетные операции:

- из формулы (9) и (10) по найденным значениям интенсивностей пучков I_и1, I_и2 и I_о1, I_о2 находят эллипсометрические параметры _р и _s объекта;

- при найденных параметрах _s и _р по формуле (18) находят относительный параметр ;

- при найденных параметрах _s и из формулы (17) по величине v находят аппаратный параметр ;

- при найденном по величине р из формулы (16) находят значение cos _s и далее фазовый параметр _s;

- при найденных параметрах и по величине q из формулы (15) находят значение cos ( + _s) и далее фазовый параметр + _s;

- по найденным параметрам _s и +_s находят фазовый эллипсометрический параметр объекта.

Расчеты показывают, что предлагаемый способ позволяет обеспечить при использовании соответственно осуществляющих способ устройств - эллипсометров получение высоких, на уровне мировых стандартов, точностных характеристик: длина волны электромагнитного излучения может быть любой, длительность импульсов излучения до 0,01 - 1,0 наносек, а в специальных случаях и короче, точность измерения инт енсивности фотосигналов не хуже 0,1 - 0,01% ; чувствительность при измерении модулей _р и _s коэффициентов отражения ~ 10^-7, при измерении фазового эллипсометрического параметра не хуже 10^-6 рад. (56) 1. Аззам Р. , Башара Н. Эллипсометрия и поляризационный свет. М. : Мир, 1981. с. 584 (с. 195-199, 295-303, 467-473).

2. Авторское свидетельство СССР N 1252677, кл. G 01 N 21/21, 1986.

3. Авторское свидетельство СССР N 1130777, кл. G 01 N 21/21, 1984.

4. Богданов С. С. , Краев Е. П. , Птицын В. В. , Фомичев А. А. //Сб. Оптика анизотропных сред. М. : Изд. МФТИ, з 1988, с. 159.