RU134640U1

RU134640U1 - ELLIPSOMETER

Info

Publication number: RU134640U1
Application number: RU2013121273/28U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Гуревич
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Поларлайт"
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-11-20

Abstract

1. Эллипсометр, включающий плечо поляризатора, формирующее световой луч заданного состояния поляризации и направления, и плечо анализатора, в котором осуществляется измерение состояния поляризации входящего в него светового луча, отраженного от исследуемого образца, отличающийся тем, что исследуемый образец укреплен неподвижно, при этом эллипсометр снабжен системой развертки его светового луча, выполненной в виде совокупности зеркал, установленных с возможностью перемещения и/или вращения для обеспечения падения светового луча в необходимое место на поверхности образца под необходимым углом и попадание отраженного от исследуемого образца светового луча в плечо анализатора.2. Эллипсометр по п.1, отличающийся тем, что плечо поляризатора и плечо анализатора укреплены неподвижно.3. Эллипсометр по п.1, отличающийся тем, что плечо поляризатора и плечо анализатора могут быть укреплены с возможностью перемещения.1. The ellipsometer, comprising the arm of the polarizer, forming a light beam of a given state of polarization and direction, and the arm of the analyzer, in which the state of polarization of the incoming light beam reflected from the test sample is measured, characterized in that the test sample is fixed motionless, while the ellipsometer equipped with a scanning system of its light beam, made in the form of a set of mirrors mounted with the possibility of movement and / or rotation to ensure the incidence of the light beam in the neo We go to a place on the sample surface at the required angle and hit the reflected light beam from the test sample in the shoulder analizatora.2. The ellipsometer according to claim 1, characterized in that the arm of the polarizer and the arm of the analyzer are fixed motionless. The ellipsometer according to claim 1, characterized in that the arm of the polarizer and the arm of the analyzer can be strengthened with the possibility of movement.

Description

Полезная модель относится к средствам для оптического экспериментального исследования свойств твердых тел, твердотельных структур и межфазных границ и может быть использована для измерений с высокой точностью толщины и оптических постоянных тонких пленок, оптических постоянных массивных образцов твердых тел, а также исследований свойств поверхности.The utility model relates to means for optical experimental investigation of the properties of solids, solid-state structures, and interphase boundaries and can be used to measure with high accuracy the thickness and optical constants of thin films, optical constants of massive samples of solids, as well as studies of surface properties.

Эллипсометрией называют оптический экспериментальный метод исследования свойств твердых тел, твердотельных структур и межфазных границ. Она позволяет с высокой точностью измерять толщины и оптические постоянные тонких пленок, оптические постоянные массивных образцов твердых тел, исследовать свойства поверхности. Сущность эллипсометрического метода состоит в исследовании изменения состояния поляризации света в результате его отражения от изучаемого объекта или при прохождении через него. Широкое распространение метод получил в 70-х годах прошлого века в связи с появлением сравнительно недорогой вычислительной техники, необходимой для обработки результатов измерений, см. Р. Аззам, Н. Башара. «Эллипсометрия и поляризованный свет». М., Мир, 1981, 584 стр.Ellipsometry is an optical experimental method for studying the properties of solids, solid structures, and interfacial boundaries. It makes it possible to measure with high accuracy the thicknesses and optical constants of thin films, the optical constants of massive samples of solids, and investigate surface properties. The essence of the ellipsometric method is to study the change in the state of polarization of light as a result of its reflection from the object under study or when passing through it. The method became widespread in the 70s of the last century in connection with the advent of relatively inexpensive computing equipment necessary for processing measurement results, see R. Azzam, N. Bashar. "Ellipsometry and polarized light." M., Mir, 1981, 584 pp.

Эллипсометрия имеет две особенности, которые делают ее крайне привлекательной для решения ряда исследовательских и технологических задач. Во-первых, в процессе измерений практически не происходит влияния на исследуемую систему (при правильном выборе интенсивности пучка и спектрального диапазона). Это делает возможным применение эллипсометрии для решения задач неразрушающего контроля. Во-вторых, эллипсометрия крайне чувствительна к состоянию поверхности, структуре и свойствам образцов с тонкими пленками, а так же к процессам, протекающим на границе двух фаз. Эллипсометрические измерения могут проводиться в широком интервале температур и давлений, причем агрессивность окружающей среды так же не является помехой. Благодаря указанным особенностям, эллипсометрия находит применение в самых различных областях науки - физике, химии, материаловедении, а так же в полупроводниковых технологиях, при изготовлении оптических и электронных систем, при обработке металлов, в медицинской промышленности.Ellipsometry has two features that make it extremely attractive for solving a number of research and technological problems. Firstly, in the process of measurement there is practically no effect on the system under study (with the right choice of beam intensity and spectral range). This makes it possible to use ellipsometry for solving non-destructive testing problems. Secondly, ellipsometry is extremely sensitive to the state of the surface, structure and properties of samples with thin films, as well as to processes occurring at the interface of two phases. Ellipsometric measurements can be carried out in a wide range of temperatures and pressures, and the aggressiveness of the environment is also not an obstacle. Thanks to these features, ellipsometry is used in various fields of science - physics, chemistry, materials science, as well as in semiconductor technologies, in the manufacture of optical and electronic systems, in the processing of metals, in the medical industry.

В любом эллипсометре можно выделить два основных блока. Первый из них - плечо поляризатора (ПП) - формирует пучок света с заданными состоянием поляризации, спектральным составом, геометрическими параметрами (диаметр, расходимость) и направлением. После отражения от исследуемого образца под заданным углом θ, свет попадает во второй блок, который называют плечом анализатора (ПА). В ПА измеряется состояние поляризации отраженного от образца света. Знание того, как изменилась поляризация света при отражении под заданным углом падения позволяет получить такую информацию об исследуемом образце как: оптические постоянные, толщины пленок, состав материалов, пористость и т.д.In any ellipsometer, two main blocks can be distinguished. The first of them - the arm of the polarizer (PP) - forms a beam of light with a given state of polarization, spectral composition, geometric parameters (diameter, divergence) and direction. After reflection from the test sample at a given angle θ, the light enters the second block, which is called the analyzer arm (PA). In PA, the polarization state of light reflected from a sample is measured. Knowing how the polarization of light changed during reflection at a given angle of incidence allows one to obtain such information about the sample under study as optical constants, film thicknesses, material composition, porosity, etc.

В настоящее время промышленностью выпускаются эллипсометры с оптическими схемами двух видов:Currently, the industry produces ellipsometers with optical schemes of two types:

- по схеме с горизонтальным расположением поверхности исследуемого образца. В таком приборе угол падения света на образец меняется путем вращения ПП и ПА относительно оси эллипсометра при неизменном положении образца;- according to the scheme with a horizontal arrangement of the surface of the test sample. In such a device, the angle of incidence of light on the sample changes by rotating PP and PA relative to the axis of the ellipsometer with the sample position unchanged;

- по схеме с вертикальным расположением поверхности исследуемого образца. В таких приборах угол падения света на образец меняется путем вращения ПА и образца относительно оси эллипсометра при неизменном положении ПП.- according to the scheme with a vertical arrangement of the surface of the test sample. In such devices, the angle of incidence of light on the sample is changed by rotating the PA and the sample relative to the axis of the ellipsometer with the PP fixed.

Для обеих схем в случае, когда необходимо изменить положение освещаемой лучом эллипсометра области образец смещается в горизонтальной или в вертикальной плоскостях.For both schemes, in the case when it is necessary to change the position of the region illuminated by the beam of the ellipsometer, the sample is displaced in horizontal or vertical planes.

Известен эллипсометр, содержащий оптически связанные плечо поляризатора, выполненное в составе осветителя и поляризатора, и плечо анализатора, между которыми размещен исследуемый образец, причем плечо анализатора выполнено в виде оптически связанных композиционного расщепителя светового пучка, расщепляющего отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре ортогонально поляризованные световые компоненты, фоторегистратора для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца, отличающийся тем, что указанный композиционный расщепитель светового пучка выполнен единым измерительным каналом, совмещающим функции фазового и амплитудного измерительных каналов, обеспечивающим равные коэффициенты пропускания поляризованных световых компонент, см патент РФ №2351917.A known ellipsometer containing optically coupled polarizer arm made up of a illuminator and a polarizer, and an analyzer arm between which the test sample is located, the analyzer arm is made in the form of an optically coupled composite light beam splitter that splits the light beam reflected by the studied sample into four orthogonally polarized light components, photorecorder for receiving polarized light radiation components and generating signals for calculating an ellipse geometric parameters of the test sample, characterized in that the specified composite splitter of the light beam is made by a single measuring channel, combining the functions of the phase and amplitude measuring channels, providing equal transmittances of polarized light components, see RF patent No. 2351917.

В данном техническом решении достижение технического результата базируется на сокращении оптических элементов в конструкции, вносящих погрешность в измерения.In this technical solution, the achievement of the technical result is based on the reduction of optical elements in the design, introducing an error in the measurements.

В последнее десятилетие характер развития полупроводниковых технологий указывает на необходимость совершенствования измерительных возможностей известных эллипсометров по двум направлениям.In the last decade, the nature of the development of semiconductor technologies indicates the need to improve the measuring capabilities of known ellipsometers in two directions.

Во-первых, исследуются и находят применение в новых приборах полупроводниковые гетероструктуры с большим (10 и более) количеством слоев. Из-за значительного числа неизвестных параметров эллипсометрический анализ таких образцов будет эффективным только в случае проведения измерений при большом наборе различных углов падения света на образец. Для всех вышеуказанных эллипсометров изменение угла падения θ связано с прецизионным вращением достаточно массивных оптических блоков ПП и/или ПА относительно оси эллипсометра. Отсюда следует, что характерное время смены угла падения должно быть порядка 10 секунд и не может быть уменьшено существенным образом в рамках разумной стоимости прибора из-за кинематики вращения плеч эллипсометра.First, semiconductor heterostructures with a large (10 or more) number of layers are investigated and used in new devices. Due to the significant number of unknown parameters, an ellipsometric analysis of such samples will be effective only in the case of measurements with a large set of different angles of incidence of light on the sample. For all the above ellipsometers, the change in the angle of incidence θ is associated with the precision rotation of sufficiently massive optical blocks of PP and / or PA relative to the axis of the ellipsometer. It follows that the characteristic time for changing the angle of incidence should be of the order of 10 seconds and cannot be significantly reduced within the reasonable cost of the device due to the kinematics of rotation of the shoulders of the ellipsometer.

Во-вторых, наблюдаемое в последнее время стремительное развитие солнечной фотовольтаики и технологий плоских телевизионных панелей ставит задачи быстрого картирования (измерения свойств в различных точках) образцов с размерами порядка метра. Измерение в различных точках таких сравнительно больших образцов требует прецизионного перемещения массивных ПП и ПА эллипсометра на расстояния порядка метра.Secondly, the recent rapid development of solar photovoltaics and technologies for flat television panels poses the problem of quick mapping (measuring properties at various points) of samples with dimensions of the order of a meter. Measurement at various points of such relatively large samples requires the precision movement of massive PP and PA ellipsometer over distances of the order of a meter.

Задача полезной модели изобретения заключается в обеспечении увеличения скорости картирования исследуемых образов больших размеров и быстрого изменения угла падения света на поверхность исследуемого образца.The objective of the useful model of the invention is to provide an increase in the speed of mapping of the studied images of large sizes and rapid changes in the angle of incidence of light on the surface of the test sample.

Сущность полезной модели изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата.The essence of the useful model of the invention as a technical solution is expressed in the following set of essential features, sufficient to achieve the above result.

Эллипсометр, включающий плечо поляризатора, формирующее световой луч заданного состояния поляризации и направления, и плечо анализатора, в котором осуществляется измерение состояния поляризации входящего в него светового луча, отраженного от исследуемого образца, характеризуется тем, что исследуемый образец укреплен неподвижно, при этом эллипсометр снабжен системой развертки его светового луча, выполненной в виде совокупности зеркал, установленных с возможностью перемещения и/или вращения для обеспечения падения светового луча в необходимое место на поверхности образца под необходимым углом и попадание отраженного от исследуемого образца светового луча в плечо анализатора.An ellipsometer including a polarizer arm forming a light beam of a given state of polarization and direction, and an analyzer arm in which the state of polarization of an incoming light beam reflected from a test specimen is measured, is characterized in that the test specimen is fixed motionless, while the ellipsometer is equipped with a system scanning its light beam, made in the form of a set of mirrors mounted with the possibility of movement and / or rotation to ensure the incidence of the light beam in the necessary space on the surface of the sample at the required angle and the light beam reflected from the sample to be incident on the analyzer arm.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда факультативных признаков, описывающих частные случаи его реализации, а именно:In addition, the claimed technical solution is characterized by the presence of a number of optional features that describe particular cases of its implementation, namely:

- плечо поляризатора и плечо анализатора могут быть укреплены неподвижно;- the arm of the polarizer and the arm of the analyzer can be fixed motionless;

- плечо поляризатора и плечо анализатора могут быть укреплены с возможностью перемещения.- the arm of the polarizer and the arm of the analyzer can be strengthened with the possibility of movement.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, совокупности признаков которых совпадают с совокупностью отличительных признаков заявленной полезной модели.The applicant has not identified sources containing information about technical solutions, the combination of features of which coincide with the combination of distinctive features of the claimed utility model.

Технический результат, достигаемый при использовании существенных признаков полезной модели изобретения заключается в том, что в процессе работы эллипсометра изменение места падения светового луча на исследуемый образец и изменение угла падения достигается путем перемещения и/или вращения легких зеркал системы развертки светового луча, а не массивных ПП и ПА или крупногабаритного исследуемого образца.The technical result achieved by using the essential features of a useful model of the invention lies in the fact that during the operation of the ellipsometer, a change in the place of incidence of the light beam on the test sample and a change in the angle of incidence is achieved by moving and / or rotating light mirrors of the scanning system of the light beam, and not massive PP and PA or a large test sample.

Сущность полезной модели изобретения поясняется чертежом, где изображена оптическая схема заявленного эллипсометра.The essence of the utility model of the invention is illustrated by the drawing, which shows the optical diagram of the claimed ellipsometer.

Эллипсометр включает плечо поляризатора ПП, плечо анализатора ПА и систему развертки его светового луча, выполненную в виде четырех зеркал. Оптическая ось ПП вместе с зеркалами Н1 и V2 лежат в одной плоскости, параллельной плоскости поверхности образца. Зеркала V1 и Н2 и оптическая ось ПА находятся выше и лежат в другой плоскости, так же параллельной плоскости поверхности образца. Оптические оси ПП и ПА параллельны. Все 4 зеркала Н1, V1, V2 и Н2 лежат в одной вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости поверхности образца. Плечо поляризатора ПП и плечо анализатора ПА укреплены неподвижно либо с возможностью перемещения.The ellipsometer includes the arm of the polarizer PP, the arm of the analyzer PA and the scanning system of its light beam, made in the form of four mirrors. The optical axis of the PP along with the mirrors H1 and V2 lie in the same plane parallel to the plane of the surface of the sample. The mirrors V1 and H2 and the optical axis of the PA are higher and lie in another plane, also parallel to the plane of the surface of the sample. The optical axes of PP and PA are parallel. All 4 mirrors H1, V1, V2 and H2 lie in one vertical plane perpendicular to the plane of the surface of the sample. The arm of the PP polarizer and the arm of the PA analyzer are fixed motionless or with the possibility of movement.

Заявленное устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.

В процессе работы прибора, ПП, ПА и исследуемый образец в общем случае зафиксированы и не меняют своего положения. Угол падения света на образец и место падения светового луча на исследуемый образец задается системой развертки луча эллипсометра, содержащей четыре зеркала Н1, V1, V2 и Н2. ПП формирует луч света с заданными состоянием поляризации и направляет его на зеркало Н1. При отражении от зеркала Н1 световой луч поворачивается в плоскости, параллельной поверхности образца, и попадает на зеркало V2, которое направляет его вниз на образец под заданным углом падения θ. После отражения от исследуемого образца световой луч попадает на зеркало V1, которое направляет его на зеркало Н2. После отражения от Н2 луч попадает в ПА, где измеряется его состояние поляризации. Влияние образа на поляризацию отраженного светового луча определяется исходя из состояния поляризации света, вышедшего из ПП, состояния поляризации света, попавшего в ПА и известного влияния на поляризацию зеркал Н1, V1, V2 и Н2. Влияние зеркал системы развертки на состояние поляризации отражаемого луча предварительно измеряется в отдельном эксперименте.In the process of operation of the device, PP, PA and the test sample in the general case are fixed and do not change their position. The angle of incidence of light on the sample and the place of incidence of the light beam on the sample under study is set by the beam scanning system of the ellipsometer containing four mirrors H1, V1, V2 and H2. PP forms a light beam with a given state of polarization and directs it to the mirror H1. When reflected from the mirror H1, the light beam rotates in a plane parallel to the surface of the sample and hits the mirror V2, which directs it down onto the sample at a given angle of incidence θ. After reflection from the test sample, the light beam hits the mirror V1, which directs it to the mirror H2. After reflection from H2, the beam enters the PA, where its polarization state is measured. The effect of the image on the polarization of the reflected light beam is determined based on the state of polarization of the light emerging from the PP, the state of polarization of the light trapped in the PA and the known effect on the polarization of the mirrors H1, V1, V2 and H2. The influence of the mirrors of the scanning system on the polarization state of the reflected beam is previously measured in a separate experiment.

Смещение области падения луча на образец вдоль оси X при неизменном угле падения θ достигается параллельным смещением зеркал V1 и V2 вдоль оси X без их вращения. Смещение области падения луча на образец вдоль оси Y при неизменном угле падения θ осуществляется одновременным параллельным смещением всех четырех зеркал Н1, V1, V2 и Н2 вдоль оси Y без их вращения. Таким образом, проводя эллипсометрические измерения в различных точках поверхности образца можно осуществлять картирование его свойств.The shift of the region of incidence of the beam onto the sample along the X axis at a constant angle of incidence θ is achieved by parallel displacement of the mirrors V1 and V2 along the X axis without rotation. The shift of the region of incidence of the beam onto the sample along the Y axis at a constant angle of incidence θ is carried out by simultaneous parallel displacement of all four mirrors H1, V1, V2 and H2 along the Y axis without rotation. Thus, by conducting ellipsometric measurements at various points on the surface of the sample, it is possible to map its properties.

Для любой точки поверхности образца угол падения света θ может быть изменен следующим образом. Для увеличения угла падения зеркала V1 и V2 смещаются вдоль оси X друг от друга вместе с одновременным вращением зеркала V1 в направлении против часовой стрелки (угол φ₁) и зеркала V2 в направлении по часовой стрелке (угол φ₂). Для уменьшения угла падения зеркала V1 и V2 смещаются вдоль оси X друг к другу вместе с одновременным вращением зеркала V1 в направлении по часовой стрелки и зеркала V2 в направлении против часовой стрелки.For any point on the surface of the sample, the angle of incidence of light θ can be changed as follows. To increase the angle of incidence, the mirrors V1 and V2 are displaced along the X axis from each other with the simultaneous rotation of the mirror V1 in the counterclockwise direction (angle φ ₁ ) and the mirror V2 in the clockwise direction (angle φ ₂ ). To reduce the angle of incidence, the mirrors V1 and V2 are displaced along the X axis to each other with the simultaneous rotation of the mirror V1 in a clockwise direction and the mirror V2 in a counterclockwise direction.

При исследовании крупногабаритных образцов возникают погрешности, обусловленные большим ходом светового луча от ПП до ПА. Заявленное устройство позволяет компенсировать эти погрешности. Для этого ПП и ПА перемещают вдоль своих оптических осей и минимизируют расстояние от ПП до первого по ходу светового луча зеркала Н1 системы развертки, а также от зеркала Н2 до ПА.In the study of large-sized samples, errors arise due to the large path of the light beam from PP to PA. The claimed device allows you to compensate for these errors. For this, PP and PA move along their optical axes and minimize the distance from the PP to the first along the light beam of the H1 mirror of the scanning system, as well as from the mirror H2 to the PA.

Основными достоинствами заявленного устройства по сравнению с существующими являются возможность быстрой смены угла падения светового луча на образец θ, а также возможность быстрого перемещения исследуемой области по поверхности крупногабаритных образцов с линейными размерами порядка метра.The main advantages of the claimed device compared to existing ones are the ability to quickly change the angle of incidence of the light beam on the sample θ, as well as the ability to quickly move the investigated area on the surface of large-sized samples with linear dimensions of the order of a meter.

Claims

1. The ellipsometer, comprising the arm of the polarizer, forming a light beam of a given state of polarization and direction, and the arm of the analyzer, in which the state of polarization of the incoming light beam reflected from the test sample is measured, characterized in that the test sample is fixed motionless, while the ellipsometer equipped with a scanning system of its light beam, made in the form of a set of mirrors mounted with the possibility of movement and / or rotation to ensure the incidence of the light beam in the neo We go to a place on the surface of the sample at a desired angle and hit the light beam reflected from the test sample in the analyzer's shoulder.

2. The ellipsometer according to claim 1, characterized in that the arm of the polarizer and the arm of the analyzer are fixed motionless.

3. The ellipsometer according to claim 1, characterized in that the arm of the polarizer and the arm of the analyzer can be strengthened with the possibility of movement.