Сканирующий эллипсометр

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Меркулов Владимир Сергеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Сканирующий эллипсометр, содержащий последовательно установленные источник монохроматического света, поляризатор и компенсатор, оптически связанный через светоделительную пластинку с объективом, в одном направлении связанным через указанную пластинку и анализатор с матричным фотоприемником, а в другом - связываемым под прямым углом через установленную в его фокусе диафрагму с поверхностью образца,подвижного в заданной плоскости сканирования. 14833 1 2011.10.30 Изобретение относится к устройствам для оптического неразрушающего прецизионного контроля тонкопленочных структур. Область применения - микроэлектроника и оптика для контроля многослойных тонкопленочных структур (оптические параметры, толщины слоев, микрорельеф, дефектность и др.), качества поверхности и адсорбции как на микронном, так и на наноуровне при использовании микроскопии ближнего поля. Устройство может использоваться в реальном масштабе времени в процессе роста многослойных структур, причем точность определения толщины пленок достигает 0,1 нм, что важно для развития нанотехнологий. Известен эллипсометр 1 основанный на измерении поляризации света, отраженного от поверхности образца с последующим определением на основе этих измерений оптических параметров поверхности и пленочных структур. Он состоит из источника монохроматического света, поляризатора, компенсатора, анализатора и фотоприемника. Основная трудность использования этих устройств при сканировании поверхности образца связана с тем, что необходимо изменять либо угол падения, либо длину волны света для получения максимальной информации о характеристиках образца. Недостатком устройства является то, что разрешающая способность ограничена на практике 10 мкм, что связано с невозможностью использования высокоапертурных объективов из-за геометрии устройства. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является сканирующий эллипсометр МИКРОСКАН, описанный в 2,включающий последовательно расположенные источник монохроматического света 1, поляризатор 2, компенсатор 3, объектив 4, фокусирующий свет на заданный участок поверхности исследуемого образца 5, установленного с возможностью перемещения в заданной плоскости с помощью устройства 6, выходной объектив 7, анализатор 8 и фотоприемник 9. Измерения проводятся в автоматическом режиме в процессе сканирования исследуемой поверхности, результаты отображаются в реальном времени в виде топограммы измеряемых характеристик на компьютере 10. Недостатком прототипа является малая величина пространственного разрешения ограниченная 10 мкм и невозможность изменения угла падения в процессе быстрого сканирования поверхности образца, что необходимо для многоугловой схемы измерений. Это связано с фиксированным перед сканированием наклонным расположением оси падающего пучка света и с невозможностью конструктивно использовать в прототипе высокоапертурных объективов микроскопов, так как ось объектива должна находиться под значительным углом к поверхности образца. Задачей настоящего изобретения является увеличение разрешающей способности сканирующего эллипсометра и обеспечение многоугловых измерений в процессе сканирования. Поставленная задача достигается тем, что сканирующий эллипсометр, содержащий последовательно установленные источник монохроматического света, поляризатор и компенсатор, оптический связанный через светоделительную пластинку с объективом, в одном направлении связанным через указанную пластинку и анализатор с матричным фотоприемником, а в другом - связываемым под прямым углом через установленную в его фокусе диафрагму с поверхностью образца, подвижного в заданной плоскости сканирования. На фиг. 2 а приведена схема устройства. Обозначения элементов следующие источник монохроматического света 1, поляризатор 2, компенсатор 3, объектив 4, образец 5, установленный с возможностью перемещения в заданной плоскости с помощью устройства 6,светоделительная пластинка 7, анализатор 8, фотоприемник 9 и диафрагма 11. Компьютер 10 служит для обработки результатов измерений в реальном времени. Диафрагма 11 используется для ограничения размера пятна света на поверхности образца в режиме микроскопии ближнего поля. Предпочтительно, но не принципиально, чтобы элементы матричного фотоприемника располагались на концентрических окружностях, как это показано на фиг. 2 б. 2 14833 1 2011.10.30 Рассмотрим работу устройства. Параллельный пучок света от источника 1 проходит последовательно поляризатор 2, компенсатор 3 и попадает на светоделительную пластинку 7, установленную под углом 45 к оси пучка. Отраженный от светоделительной пластинки пучок попадает на объектив 4, а свет, прошедший на данном этапе через светоделительную пластинку, не используется. Оптическая ось объектива установлена перпендикулярно поверхности образца, этим достигается возможность использования высокоапертурных объективов (с большим углом , показанным на фиг. 2 а), получения малого пятна сфокусированного луча и в последующем высокого оптического разрешения при сканировании поверхности образца. Объектив фокусирует свет на образец 5, установленный с возможностью перемещения в фокальной плоскости объектива с помощью устройства 6. Отраженный от образца расходящийся пучок света снова попадает на объектив, но уже в обратном направлении, и выходит из объектива в виде параллельного пучка света. Затем пучок попадает на ту же светоделительную пластинку 7. Прошедший через светоделительную пластинку свет попадает на анализатор 8 и затем на матричный фотоприемник 9. Свет, отраженный на данном этапе от светоделительной пластинки, не используется. Функция светоделительной пластинки заключается в разделении по направлению каналов входящего в объектив и выходящего из него света. Элемент фотоприемника, находящийся на окружности радиусапод угломбудет принимать часть пучка света отраженного под углом(/), где- фокусное расстояние объектива. Матрица отражения света от образца будет следующей 22,22 где/2,и- френелевские коэффициенты отражения для волн с - и поляризацией соответственно в лабораторной системе координат при 0. Поляризатор и компенсатор устанавливаются таким образом, чтобы на образец падал свет с циркулярной поляризацией, а ось пропускания анализатора устанавливаем вдоль 0. Тогда интенсивность света с точностью до несущественного амплитудного множителя будет равна 122 2 2/8,-где/ ,( / )/2. Обработка сигналов элементов на компьютерепозволяет найти коэффициент , фазовый сдвиги тем самым эллипсометрические параметры образца при заданном угле падения/ и(/). Для иллюстрации на фиг. 3 показаны расчетные зависимости сигналов элементов фотоприемника от угла расположения элементаи угла падения света для пленки золота толщиной 10 нм на кремниевой подложке. При расчетах были взяты следующие показатели преломления 0,35-2,45,4-0,028 на длине волны 546 нм. Каждая кривая обозначена числом равным углу падения светав градусах. На фиг. 4 и 5 приведены расчетные значения эллипсометрических параметрови . Точки в виде кружков отвечают значениям параметров соответствующей кривой фиг. 3. Как следует из метода многоугловой эллипсометрии 1, решение обратной задачи позволяет из измеренных параметровинайти толщину пленки и показатели преломления пленки и подложки. В итоге при сканировании поверхности образца получаем зависимости показателя преломления и толщины пленки от координат в плоскости сканирования. Геометрия эллипсометра позволяет использовать высокоапертурные объективы микроскопов и дает возможность достигнуть разрешающую способность близкую к теоретическому пределу /2, что составляет 0,3 мкм при 60 и 546 нм. В режиме микроскопии ближнего поля устройство включает дополнительную диафрагму, ограничивающую размеры пятна света на поверхности образца, что позволяет еще на порядок улучшить разрешающую способность. Исполнение фотоприемника в виде матрицы фотоэлементов позволяет производить одновременные измерения интенсивности лучей пучка,соответствующих разным углам падения на образец, тем самым реализовать многоугловую схему эллипсометрии. 3 14833 1 2011.10.30 Использование настоящего изобретения позволяет увеличить разрешающую способность сканирующего эллипсометра и обеспечить многоугловые измерения в процессе сканирования за счет возможности использования высокоапертурных объективов. Источники информации 1. Азам Р.М.А., Башара Н.М. Эллипсометрия и поляризованный свет. - М. Мир,1981. - 583 с. 2. Швец В.А., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Михайлов Н.Н. // Российские нанотехнологии. - 2009. - Т. 4. -3-4. - С. 72-84 (//). Фиг. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4