Pierwszenstwo: 27.01.1972 (P. 153129) Zgloszenie ogloszono: 30.05.1973 Opis patentowy opublikowano: 20.02.1975 74799 KI. 42b,12/06 MKP GOlb 11/00 ^CZYTELNIA1 Urzedu Pa+entewago | hlsklil tadlM**™ t\ Ludftwei I Twórca wynalazku: Kazimierz Brudzewski Uprawniony z patentu tymczasowego: Politechnika Warszawska, Warszawa (Polska) Fotoelektryczny elipsometr róznicowy Przedmiotem wynalazku jest fotoelektryczny eli¬ psometr róznicowy.Znane uklady fotoelekltrycznych elipsometrów róz¬ nicowych zbudowane sa w oparciu o wykorzystanie metody jednoczesnego pomiaru amplitud sygnalów z dwóch fotodetektorów. Fotodetektory sa sterowa¬ ne przez wiazki swiatla o polaryzacjach wzajemnie ortogonalnych, które powstaja w wyniku rozszcze-, pienia analizowanej wiazki swiatla przez pryzmat polaryzacyjno-dzielacy typu Wollastona czy Rocho- na. Metoda ta wymaga jednoczesnej rejestracji dwóch sygnalów odpowiadajacych dwom wzajem^ nie ortogonalnym stanom polaryzacji, oraz rejestra¬ cji azymutu pryzmatu polaryzacyjno-dzielacego przy którym sygnaly z fotodetektorów sa jednako¬ we. Wiaze sie z tym koniecznosc znacznej rozbu¬ dowy aikladu elektronicznego, który winien byc li¬ niowym w calym zakresie zmian amplitud sygna¬ lów wejsciowych, to jest w zakresie szesciu rze¬ dów wielkosci. Osiagana dokladnosc pomiarów w tego typu elipsometrach jest scisle uwarunkowana liniowoscia ukladu detekcji. Na osiagana dokladnosc rzutuje równiez fakt, ze stosowana tutaj metoda pomiaru nie jest w pelni metoda róznicowa, bo¬ wiem wymaga mierzenia bezwzglednych wartosci amplitud sygnalów. Dlatego tez, dokladnosc pomia¬ rów przeprowadzanych przy pomocy tego typu eli- psometru jest znacznie ograniczona i na ogól nie przewyzsza pojedynczych minut jesli chodzi o wy¬ znaczenie podstawowych parametrów elipsometrycz- 10 15 30 nych. Silna rozbudowa ukladu elektronicznego i sto¬ sowanie w ukladzie Ojptycznym pryzmatów polary- zacyjno-dzielacych sprawia, ze koszty budowy ta¬ kiego elipsometru sa wysokie.Celem wynalazku jest opracowanie prostego ukla¬ du fotoelektrycznego elipsometru róznicowego ba¬ zujacego na standardowej konstrukcji produkowa¬ nych seryjnie wizualnych elipsometrów, który by usuwal powyzsze niedogodnosci czyli zwiekszal do¬ kladnosc pomiarów i nie wymagal stosowania roz¬ budowanego ukladu elektronicznego.Cel ten zostal osiagniety, przez zbudowanie elipso¬ metru w którym na drodze wiazki swiatla dopro¬ wadzonej z niezaleznego zródla np. z lasera, umie¬ szczono: polaryzator a za nim na drodze wychodza¬ cej z niego wiazki swiatla umieszczono kolejno kompensator oraz próbke, zas na drodze wiazki swiatla odbitej od próbki umieszczono uklad swia- tlodzielacy, korzystnie w postaci pryzmatu a na drodze kazdej z dwóch rozdzielonych tym pryzma¬ tem wiazek swiatla umieszczono kolejno jeden za drugim, przystawny zespól fazowy, analizator i fo¬ todetektor, wspólpracujacy ze wzmacniaczem róz¬ nicowym i wskaznikiem zera.Fotoelekitryczny elipsometr róznicowy bedacy przedmiotem wynalazku pozwala w prosty sposób mierzyc z bardzo wysoka dokladnoscia dowolne stany polaryzacji swiatla calkowicie spolaryzowa¬ nego. Dzieki zastosowaniu optycznego ukladu rózni¬ cowego osiagnieto dokladnosc pomiarów eliptycz- 7479974799 3 nosci swiatla rzedu 10-8—10-5. Ponadto uklad róz¬ nicowy jest tak pomyslany, ze moze byc latwo sto¬ sowany jako róznicowa przystawka do seryjnie pro¬ dukowanych np. przez firme Gaertner wizualnych elipsometrów. Zastosowanie róznicowego ukladu op¬ tycznego umozliwia zredukowanie wspólpracujacej z nim czesci elektronicznej jedynie do wzmacnia¬ cza róznicowego i wskaznika zera, dzieki czemu koszty wykonania tego ukladu sa stosunkowo nie¬ wysokie.Przedmiot wynalazku jest wyjasniony blizej za pomoca rysunku, na którym przedstawiony jest je¬ go schemat ideowy. Na fig. 1 jest uwidoczniony schemat ukladu elipsometru, a na fig. 2 schemat ukladu róznicowego, zastosowanego w elipsome- trze.Uklad elipsometru jak uwidoczniono na fig. 1 sklada sie z trzech bloków, z których znany blok pierwszy I zawiera umieszczony na drodze wiazki swiatla wychodzacej z niezaleznego zródla np. z la¬ sera, polaryzator P, a za nim na tej drodze kom¬ pensator C, dalej próbke S zamocowana na obro¬ towym stoliku. Blok pierwszy I stanowi sztandar- dowy uklad wizualnego elipsometru w którym wy¬ montowano analizator. Blok drugi II zawiera umie¬ szczony na drodze wiazki swiatla odbitej od prób¬ ki pryzmat swiatlodzielacy R, a na drodze kazdej z dwóch rozdzielonych tym pryzmatem wiazek swiatla 1 lub 2 umieszczony jest kolejno jeden za drugim przestawny zespól fazowy FI lub F2 i ana¬ lizator Al lub A2. Zespoly fazowe FI i F2 maja wspólny uklad nastawczy dostosowany do równo¬ czesnego przestawiania obrotowego lub przesuwne-1 go tych zespolów wzgledem przebiegajacych przez nie wiazek swiatla 1, 2. W sklad izespolu fazowego FI lub F2 wchodzi liniowa plytka opózniajaca LI lub L2 oraz kolowa plytka opózniajaca KI lub K2.Liniowe plytki opózniajace LI i L2 w zespolach fazowych FI i F2 maja wspólny uklad nastawczy, dostosowany do równoczesnego ich obracania w tych zespolach. Blok drugi II stanowi wlasciwy op¬ tyczny uklad róznicowy i jest istota wynalazku.Blok trzeci III zawiera odpowiednio umieszczone na drodze wiazek swiatla wychodzacych z anali¬ zatorów Al i A2 fotodetektory Dl i D2 wspólpra¬ cujace ze wzmacniaczem róznicowym W i wskazni¬ kiem zera G.Metoda analizowania stanu polaryzacji wiazki swiatla polega tutaj podobnie jak w elipsometrach wizualnych na wyznaczaniu dwóch niezaleznych pa¬ rametrów, które w sposób jednoznaczny okreslaja stan polaryzacji eliptycznej. Tymi parametrami sa dwa azymuty mierzone wzgledem plaszczyzny paj dania, jeden to azymut polaryzatora P, drugi to azymut sprzezonych analizatorów Al i A2 przy któ¬ rych otrzymujemy minimum natezenia swiatla pa-, dajacego na fotodetektory Dl i D2. Minimum na¬ tezenia swiatla padajacego na fotodetektory odpo¬ wiada przypadkowi gdy stan polaryzacji wiazki swiatla po przejsciu przez polaryzator P, kompen¬ sator C i odbiciu od powierzchni próbki S jest sta¬ nem liniowej polaryzacji.W zwiazku z powyzszym blok drugi II zostal skonstruowany w ten sposób, aby z ekstremalnie wysoka czuloscia mozna bylo okreslac stan liniowej polaryzacji, to znaczy, aby uklad byl zdolny do wykrywania eliptycznosci swiatla juz rzedu 10_a— —10-8 oraz aby z dokladnoscia lepsza od jednej minuty mozna bylo wyznaczac azymut liniowej po- 5 laryzacji.Analizowana wiazka swiatla jak uwidoczniono na fig. 2 pada na pryzmat dzielacy R ulegajac podzie¬ leniu na dwie wiazki 1 i 2. Natezenia swiatla obu tych rozdzielonych wiazek sa w przyblizeniu jedna- 10 kowe. Rozdzielone wiazki padaja odpowiednio: pierwsza na liniowa plytke opózniajaca LI zespolu fazowego FI, druga na liniowa plytke opózniajaca L2 zespolu fazowego F2. Plytka LI wnosi przesu¬ niecie fazowe — 90°, natomiast plytka L2 wnosi 15 przesuniecie fazowe +90°. Rozdzielone wiazki 1 i 2 po przejsciu odpowiednio przez liniowa plytke opóz¬ niajaca LI, L2 i przez analizator Al, A2 padaja kaz¬ da z nich na fotodetektor Dl, D2. Równosc natezen swiatla padajacego na fotodetektory Dl i D2 zacho- 20 dzi jedynie dla dwóch przypadków. Przypadek pierwszy ma miejsce wtedy, gdy wiazki 1 i 2 sa liniowe spolaryzowane, drugi gdy azymuty linio¬ wych plytek opózniajacych LI i L2 pokrywaja sie z kierunkiem plaszczyzny polaryzacji przepuszcza¬ nej przez sprzezone mechanicznie analizatory Al i A2.Przypadek drugi jest latwy do wykluczenia jesli zauwazyc, ze przez synchroniczny obrót plytek LI i L2 mozna zawsze wykluczyc sytuacje, ze azymuty 30 plytek pokrywaja sie z azymutem sprzezonych ana¬ lizatorów. Jednoczesnie przez synchroniczny obrót plytek LI i L2 mozna znalezc takie ich ustawienie przy którym róznicowe dzialanie plytek jest ekstre¬ malne. Zatem stan liniowej polaryzacji wiazek 1 35 i 2 powoduje, ze sygnaly z fotodetektorów Dl i D2 sa jednakowe, a wiec zasilany poprzez wzmacniacz róznicowy W wsikaznik wychylowy G wskaze polo¬ zenie zera. Azymut polaryzatora P odpowiadajacy wskazaniu zerowemu wskaznika W okresla jedno- 40 znacznie takie polozenie polaryzatora P przy któ¬ rym stan polaryzacji wiazki swiatla przechodza¬ cej przez polaryzator P, kompensator C i odbitej od próbki S jest stanem liniowej polaryzacji.Azymut polaryzatora P odpowiadajacy wskaza- 45 niu zerowemu wskaznika 'G stanowi pierwszy pa¬ rametr wyznaczany pomiarem elipsometrycznym.Nastepnie wykorzystujac wspólny uklad nastawczy zespolów fazowych FI i F2 wprowadza sie w tory rozdzielonych wiazek swiatla 1, 2 kolowe plytki 50 opózniajace KI, K2 z jednoczesnym usunieciem z nich liniowych plytek opózniajacych LI, L2.Zrównanie natezen swiatla padajacego na fotoj detektory Dl i D2 odpowiada dwom mozliwym po¬ lozeniom mechanicznie sprzezonych analizatorów 55 Al i A2. W polozeniu pierwszym natezenia swiatla wiazek 1, 2 po przejsciu odpowiednio przez kolowa plytke opózniajaca KI, K2 i przez analizator Al, A2 sa jednakowe i maja wartosc minimalna, w dru¬ gim polozeniu sa jednakowe i osiagaja maksymal- 60 na wartosc. W zaleznosci od typu uzytych fotode¬ tektorów wykorzystuje sie polozenie pierwsze lub drugie. Zrównanie natezen swiatla padajacego na fotodetektory Dl i D2 przez kolowe plytki opóz¬ niajace KI i K2 i przez odpowiednio zorientowane 65 i sprzezone analizatory Al i A2 sprawia, ze sygna-5 74799 6 ly wyjsciowe z fotodetektorów sa jednakowe i wskaznik G wskazuje wychylenie zerowe. Azymut okreslajacy orientacje sprzezonych mechanicznie analizatorów Al i A2 odpowiadajacy zerowemu wskazaniu wskaznika G stanowi drugi parametr wy¬ znaczany pomiarem elipsometrycznym. Zespól dwóch niezaleznych parametrów to jest azymut po- laryzatora P oraz azymut sprzezonych analizatorów Al i A2 okresla w sposób jednoznaczny stan elip¬ tycznej polaryzacji analizowanej wiazki swiatla, co stanowi przedmiot pomiarów elipsometrycznych.Uklad wedlug wynalazku znajduje zastosowanie przede wszystkim jako bardzo dokladny elipsometr sluzacy do pomiarów grubosci cienkich warstw die¬ lektrycznych, pólprzewodzacych, czy metalicznych.! Uklad znajduje równiez zas.tosowanie przy kontroli czystosci i jakosci powierzchni, co ma zasadnicze znaczenie w technologii wytwarzania cienkowarst¬ wowych ukladów scalonych, elementów pólprzewod¬ nikowych, czy wreszcie przy produkcji zwierciadel laserowych. PL PL