RU2423684C2 - Optical measurement method for material - Google Patents
Optical measurement method for material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2423684C2 RU2423684C2 RU2009118234/28A RU2009118234A RU2423684C2 RU 2423684 C2 RU2423684 C2 RU 2423684C2 RU 2009118234/28 A RU2009118234/28 A RU 2009118234/28A RU 2009118234 A RU2009118234 A RU 2009118234A RU 2423684 C2 RU2423684 C2 RU 2423684C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- angle
- radiation
- reflection coefficient
- incidence
- modulation
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам оптико-физических измерений, в частности, к модуляционным способам спектральных измерений с использованием поляризованного излучения, и может найти применение в качестве неразрушающего метода исследования оптических свойств материалов: параметров поверхности и слоев тонких пленок.The invention relates to measuring equipment, and in particular to methods of optical-physical measurements, in particular, to modulation methods of spectral measurements using polarized radiation, and can find application as a non-destructive method for studying the optical properties of materials: surface parameters and layers of thin films.
Оптические устройства, выполненные на основе полупроводниковых гетероструктур, функционирующих на базе квантово-размерных эффектов, находят широкое применение в лазерной технике, оптоэлектронике. Указанные гетероструктуры продолжают оставаться объектами научных исследований. Оптические свойства их обусловлены взаимодействием электромагнитного поля с электронами, находящимися в тонких, 1÷10 нм, слоях, называемых квантовыми ямами (КЯ), расположенных между более толстыми барьерными слоями, или в слоях, содержащих массивы квантовых точек или проволок.Optical devices made on the basis of semiconductor heterostructures operating on the basis of quantum-size effects are widely used in laser technology and optoelectronics. These heterostructures continue to be objects of scientific research. Their optical properties are due to the interaction of the electromagnetic field with electrons located in thin, 1 ÷ 10 nm, layers called quantum wells (QWs) located between thicker barrier layers, or in layers containing arrays of quantum dots or wires.
Проектирование оптических устройств на основе гетероструктур, содержащих, например, квантовые ямы требует знания спектральных зависимостей оптических параметров: nw(λ) - показателя преломления и kw(λ) - коэффициента экстинкции. Традиционные методы определения nw(λ) и kw(λ) базируются на измерении пропускания структур, состоящих из множества квантовых ям (от 10 до 50), расположенных на подложках. Этот способ применим только в случае прозрачных в требуемой спектральной области подложек. В случае, когда рабочий диапазон спектра превышает край поглощения в подложке (толщина 0,3÷0,4 мм), получение спектральных зависимостей указанных параметров становится невозможным. В отдельных случаях практикуется утонение или даже удаление подложки после формирования на ней гетероструктуры, однако проведение такой операции может привести к изменению указанных спектров, например, из-за изменения внутренних механических напряжений в структуре.The design of optical devices based on heterostructures containing, for example, quantum wells requires knowledge of the spectral dependences of the optical parameters: n w (λ) is the refractive index and k w (λ) is the extinction coefficient. Traditional methods for determining n w (λ) and k w (λ) are based on measuring the transmittance of structures consisting of many quantum wells (from 10 to 50) located on substrates. This method is applicable only in the case of substrates transparent in the required spectral region. In the case when the working range of the spectrum exceeds the absorption edge in the substrate (thickness 0.3–0.4 mm), it becomes impossible to obtain the spectral dependences of these parameters. In some cases, thinning or even removal of the substrate after the formation of a heterostructure on it is practiced, however, such an operation can lead to a change in these spectra, for example, due to a change in internal mechanical stresses in the structure.
Другими методами исследования приведенных гетероструктур являются, например, возбуждение лазерным излучением с длиной волны λ<λКЯ фотолюминесценции, регистрируемой фотодетектором, и методы модуляционной спектроскопии. Однако результаты наблюдения спектров фотолюминесценции дают лишь качественную информацию о наличии КЯ, а методы модуляционной спектроскопии предназначены для уточнения положения в спектрах характерных особенностей. Определение оптических параметров гетероструктур возможно посредством эллипсометрии, хотя данному методу также присущи свои недостатки.Other methods for studying these heterostructures are, for example, laser excitation with a wavelength λ <λ of the QW of photoluminescence detected by a photodetector and modulation spectroscopy methods. However, the results of observation of the photoluminescence spectra provide only qualitative information on the presence of QWs, and modulation spectroscopy methods are intended to clarify the position of characteristic features in the spectra. The determination of the optical parameters of heterostructures is possible by ellipsometry, although this method also has its drawbacks.
Известен способ оптических измерений для материала (А.В.Ржанов, К.К.Свиташев. Эллипсометрические методы исследования поверхности и тонких пленок. В сб.: Эллипсометрия - метод исследования поверхности/Отв. ред. А.В.Ржанов, издательство «Наука», г.Новосибирск, 1983 г., 180 с.), заключающийся в том, что на исследуемый образец направляют монохроматическое излучение с соблюдением его наклонного падения под фиксированным углом, регистрируют отраженное, со сменой поляризации, от исследуемого образца под фиксированным углом излучение, определяют Δ и Ψ, так называемые поляризационные углы. Причем Δ≡δр-δs, tgΨ≡rр/rs; где δр и δs - фазовые сдвиги, имеющие место при отражении; rр и rs - характеризуют изменения модулей комплексных амплитуд s- и р-компонент светового пучка, причем под s-компонентой светового пучка подразумевают ту его компоненту, электрический вектор которой ориентирован перпендикулярно плоскости падения, в р-компоненте этот вектор ориентирован параллельно плоскости падения.The known method of optical measurements for a material (A.V. Rzhanov, K.K. Svitashev. Ellipsometric methods for the study of surfaces and thin films. In Sat: Ellipsometry - a method for surface studies / Ed. By A.V. Rzhanov, publishing house "Science ", Novosibirsk, 1983, 180 pp.), Which consists in the fact that monochromatic radiation is sent to the sample under observation in accordance with its oblique incidence at a fixed angle, the radiation reflected from the sample under study at a fixed angle is recorded with a change in polarization, determine Δ and Ψ, ak-called polarization angles. Moreover, Δ≡δ p -δ s , tgΨ≡r p / r s ; where δ p and δ s are the phase shifts that occur during reflection; r p and r s - characterize changes in the moduli of complex amplitudes of the s- and p-components of the light beam, and by the s-component of the light beam we mean its component whose electric vector is oriented perpendicular to the plane of incidence, in the p-component this vector is oriented parallel to the plane of incidence .
Сравнивают расчетные и экспериментальные значения поляризационных углов, в результате определяют оптические постоянные и, следовательно, свойства материала.The calculated and experimental values of the polarization angles are compared, as a result, the optical constants and, therefore, the properties of the material are determined.
К причинам, препятствующим достижению технического результата относится следующее. Требуется осуществлять сканирование по длине волны падающего на образец светового излучения с последующим проведением всей указанной процедуры. Однако, если и осуществлять указанное сканирование, достижению точного определения измеряемых характеристик препятствует слабое, порядка 10-4, изменение rр/rs.The reasons that impede the achievement of the technical result include the following. It is required to scan along the wavelength of the light radiation incident on the sample, followed by the entire specified procedure. However, if you carry out the specified scan, the achievement of an accurate determination of the measured characteristics is prevented by a weak, of the order of 10 -4 , change r p / r s .
Ближайшим техническим решением является способ оптических измерений для материала (R.R.L.Zucca, Y.R.Shen, Wavelength modulation Spectra of Some Semiconductors, Phys. Rev. B, v.1, N.6, (1970), p.p.2668-2676), заключающийся в том, что посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектры коэффициента отражения, регистрируя изменения оптических спектров, вызванные модуляцией параметра эксперимента, в частности, длины волны падающего излучения.The closest technical solution is the optical measurement method for the material (RRLZucca, YRShen, Wavelength modulation Spectra of Some Semiconductors, Phys. Rev. B, v.1, N.6, (1970), pp2668-2676), which consists in that, by modulation spectroscopy, the reflectance spectra are measured by recording changes in the optical spectra caused by modulation of the experimental parameter, in particular, the wavelength of the incident radiation.
Из результатов измерений определяют положения центров спектральных особенностей, зонную структуру и, следовательно, свойства материала.From the measurement results, the positions of the centers of spectral features, the band structure and, therefore, the properties of the material are determined.
Указанным способом получены сведения о зонной структуре материалов: GaAs, GaSb, InAs, InSb, Ge, Si.In this way, information was obtained on the band structure of materials: GaAs, GaSb, InAs, InSb, Ge, Si.
К причинам, препятствующим достижению технического результата, относится то, что регистрируемый сигнал существенно зависит от вида и амплитуды модуляции.The reasons that impede the achievement of the technical result include the fact that the recorded signal substantially depends on the type and amplitude of the modulation.
Методы модуляционной спектроскопии, в общем случае, базирующиеся на регистрации изменений в оптических спектрах, вызванных модуляцией параметров эксперимента таких, как температура, электрическое поле, давление, длина волны падающего света, позволяют с высокой точностью определять только положения центров спектральных особенностей.Methods of modulation spectroscopy, in the general case, based on recording changes in the optical spectra caused by modulation of experimental parameters such as temperature, electric field, pressure, and wavelength of incident light, make it possible to determine with high accuracy only the positions of the centers of spectral features.
В известном способе модуляционная спектроскопия эффективна только в небольших окрестностях, так называемых особых точках. Способ позволяет с высокой точностью определить положение центров спектральных особенностей. Высокая точность определения положения центров спектральных особенностей достигается за счет применения фазочувствительного детектирования сигнала отражения при небольших амплитудах модуляции длины световой волны. Однако, в связи с тем, что регистрируемый сигнал существенно зависит от вида и амплитуды модуляции, определение из данных измерений точных значений каких-либо оптических постоянных весьма затруднительно.In the known method, modulation spectroscopy is effective only in small neighborhoods, the so-called singular points. The method allows to accurately determine the position of the centers of spectral features. High accuracy in determining the position of the centers of spectral features is achieved through the use of phase-sensitive detection of the reflection signal at small amplitudes of modulation of the light wavelength. However, due to the fact that the recorded signal substantially depends on the type and amplitude of the modulation, it is very difficult to determine the exact values of any optical constants from the measurement data.
Более того, при реализации известного способа существует целый ряд технических трудностей. При измерении отражения обычно в эксперименте измеряемой величиной является интенсивность отраженного света I=I0R, где I0 - интенсивность падающего светового излучения; R - коэффициент отражения. Для получения структуры спектра отражения необходимо вычислить производную. При этом в качестве функции выступает интенсивность сраженного света I=I0R, а в качестве аргумента длина волны λ. Производная имеет вид:Moreover, when implementing the known method, there are a number of technical difficulties. When measuring reflection, usually in an experiment the measured value is the intensity of the reflected light I = I 0 R, where I 0 is the intensity of the incident light radiation; R is the reflection coefficient. To obtain the structure of the reflection spectrum, it is necessary to calculate the derivative. In this case, the intensity of the incident light I = I 0 R acts as a function, and the wavelength λ as an argument. The derivative has the form:
dI/dλ=I0 dR/dλ+R dI0/dλ.dI / dλ = I 0 dR / dλ + R dI 0 / dλ.
Из приведенной формулы видно, что при измерении получают не только структуру спектра отражения (первый член), но и структуру спектрального распределения падающего излучения (второй член). Как правило, чувствительности экспериментального оборудования достаточно, чтобы малые изменения в I0 могли проявиться в виде ложных максимумов - dI0/dλ, подлежащих исключению. Для последнего требуются специальные меры, осуществление которых приводит к значительному усложнению установки для реализации известного способа.It can be seen from the above formula that, when measuring, not only the structure of the reflection spectrum (first term) is obtained, but also the structure of the spectral distribution of the incident radiation (second term). As a rule, the sensitivity of the experimental equipment is sufficient so that small changes in I 0 can manifest themselves in the form of false maxima - dI 0 / dλ, to be excluded. For the latter, special measures are required, the implementation of which leads to a significant complication of the installation for implementing the known method.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измеряемых характеристик.The technical result of the invention is to improve the accuracy of the measured characteristics.
Технический результат достигается в способе оптических изменений для материала, заключающемся в том, что посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектры, причем измеряют спектр угла θ1, соответствующего минимуму зависимости коэффициента отражения светового излучения от угла падения, и спектр угла θ2, соответствующего точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения, при этом осуществляют модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения.The technical result is achieved in the method of optical changes for the material, namely, that spectra are measured by modulation spectroscopy, and the spectrum of the angle θ 1 corresponding to the minimum of the dependence of the reflection coefficient of light radiation on the angle of incidence is measured, and the spectrum of the angle θ 2 corresponding to the inflection point of the angular dependence reflectance, the modulation is performed on the radiation incidence angle of the sample with an amplitude ensuring no distortion θ 1 and θ 2 associated Nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient or negligible effect of the nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient.
В способе оптических измерений выбором частоты модуляции f обеспечивают достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2.In the optical measurement method, by choosing the modulation frequency f, a sufficiently high signal-to-noise ratio is provided for extracting from the noise a useful signal necessary for measuring characteristic angles in the absence of distortions θ 1 and θ 2 .
В способе оптических измерений при измерении спектров углов используют линейно поляризованное излучение, его р-компоненту.In the method of optical measurements when measuring the spectra of angles, linearly polarized radiation, its p-component, is used.
В способе оптических измерений для модуляции угла падения излучения на исследуемый образец с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, амплитуду выбирают от 0,2 до 2 градусов.In the optical measurement method for modulating the angle of incidence of radiation on the test sample with an amplitude that ensures the absence of distortions θ 1 and θ 2 associated with the nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient, the amplitude is selected from 0.2 to 2 degrees.
В способе оптических измерений при выборе частоты модуляции f, обеспечивающей достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2, используют значения от 5 до 200 Гц.In the method of optical measurements, when choosing a modulation frequency f that provides a sufficiently high signal-to-noise ratio to extract from the noise a useful signal necessary for measuring characteristic angles in the absence of distortions θ 1 and θ 2 , values from 5 to 200 Hz are used.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 представлена установка оптических измерений для материалов, результаты которых используют для определения, в частности, спектральных зависимостей оптических постоянных - показателя преломления и экстинции; где 1 - источник света, 2 - монохроматор, 3 - коллимирующая линза, 4 - диафрагма, 5 - поляризатор (призма Глана-Томсона), 6 - исследуемый образец, 7 - модулятор угла падения излучения, 8 - поворотный столик, 9 - зеркало, 10 - фокусирующая линза, 11 - фотоприемник, 12 - синхронный детектор. На Фиг.2 представлена зависимость коэффициента отражения R для р-компоненты от угла падения θ светового излучения и показаны характеристические углы θ1 и θ2, для которых измеряют спектральные зависимости, осуществляя их модуляцию. На Фиг.3 представлены измеренные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 от длины волны падающего излучения на исследуемый образец In0,25Ga0,75As/GaAs, содержащий чередующиеся слои In0,25Ga0,75As толщиной 8,7 нм (10 квантовых ям) и GaAs толщиной 15 нм (барьеры); ориентировочная область поглощения вблизи λ=1 мкм. На Фиг.4 представлены измеренные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 от длины волны падающего излучения на исследуемый образец Al0,38Ga0,62As/GaAs, содержащий чередующиеся слои GaAs толщиной 3 нм (20 квантовых ям) и Al0,38Ga0,62As толщиной 15 нм (барьеры); ориентировочная область поглощения вблизи λ=0,78 мкм. На Фиг.5 приведены полученные спектры оптических постоянных nw - показателя преломления и kw - коэффициента экстинкции для исследуемого образца In0,25Ga0,75As/GaAs, содержащего чередующиеся слои In0,25Ga0,75As толщиной 8,7 нм (10 квантовых ям) и GaAs толщиной 15 нм (барьеры).The invention is illustrated by the following description and the accompanying drawings. Figure 1 presents the installation of optical measurements for materials, the results of which are used to determine, in particular, the spectral dependences of the optical constants - refractive index and extinction; where 1 is a light source, 2 is a monochromator, 3 is a collimating lens, 4 is a diaphragm, 5 is a polarizer (Glan-Thomson prism), 6 is a test sample, 7 is a modulator of the angle of incidence of radiation, 8 is a rotary table, 9 is a mirror, 10 - focusing lens, 11 - photodetector, 12 - synchronous detector. Figure 2 shows the dependence of the reflection coefficient R for the p-component on the angle of incidence θ of the light radiation and shows the characteristic angles θ 1 and θ 2 , for which the spectral dependences are measured by modulating them. Figure 3 shows the measured dependences of the characteristic angles θ 1 and θ 2 on the wavelength of the incident radiation on the studied In 0.25 Ga 0.75 As / GaAs sample containing alternating layers of In 0.25 Ga 0.75 As 8.7 thick nm (10 quantum wells) and
Реализацию способа оптических измерений посредством модуляционной спектроскопии осуществляют на установке (см. Фиг.1), собранной в составе источника света (1), монохроматора (2), коллимирующей линзы (3), диафрагмы (4), поляризатора (призмы Глана-Томсона) (5), исследуемого образца (6), модулятора угла падения излучения (7), поворотного столика (8), зеркала (9), фокусирующей линзы (10), фотоприемника (11), синхронного детектора (12). Излучение от источника света (1), в качестве которого используют галогеновую лампу, при помощи сферического зеркала поступает в монохроматор (2). Выходящее из монохроматора (2) расходящееся световое излучение коллимирующая линза (3) преобразует в параллельное. Далее диафрагма (4) из поступающего на нее параллельного излучения вырезает небольшую часть, формируя узкий квазипараллельный световой луч, который подают на призму Глана-Томсона (5), выделяющую из неполяризованного светового излучения линейно поляризованную, р-компоненту излучения. После поляризатора (5) (призмы Глава-Томсона) линейно поляризованное излучение направляют на исследуемый образец (6). Модуляцию угла падающего на исследуемый образец (6) излучения осуществляют посредством модулятора угла падения излучения (7), в качестве которого используют соленоид с сердечником - постоянным магнитом. Колебания магнита в соленоиде с переменным током модулируют угол падения излучения. Исследуемый образец (6) установлен на поворотном столике (8), при вращении которого производят определение угла падения линейно поляризованного излучения на исследуемый образец (6) при измерении спектров (настройка на углы θ1 и θ2). Поворотный столик (8) снабжен зеркалом (9). При этом ось вращения поворотного столика (8) совпадает с пересечением плоскостей исследуемого образца (6) и зеркала (9). Исследуемый образец (6) и зеркало (9) расположены под углом друг к другу так, что отражение падающего на поверхность образца (6) излучения происходит на поверхность зеркала (9), и жестко связаны друг с другом, при этом ось вращения поворотного столика (8) является осью, вокруг которой они совершают вращательное движение. В свою очередь, зеркало (9) связано с модулятором угла падения излучения (7). За счет указанной связи осуществляют модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец (6), колебания магнита в соленоиде вызывают вращательное движение колебательного характера жестко связанных исследуемого образца (6) и зеркала (9). Отраженное исследуемым образцом (6) и зеркалом (9) световое излучение направляют к фокусирующей линзе (10), осуществляют фокусирование и, далее, сфокусированное отраженное световое излучение подают на фотоприемник (11). При этом, как видно из описываемой установки, положение луча, направляемого на фотоприемник (11), в пространстве остается неизменным. Сигнал, вырабатываемый фотоприемником (11), направляют на вход синхронного детектора (12) для регистрации.The implementation of the method of optical measurements by modulation spectroscopy is carried out on the installation (see Figure 1), assembled as part of a light source (1), a monochromator (2), a collimating lens (3), an aperture (4), a polarizer (Glan-Thomson prism) (5), the studied sample (6), the modulator of the angle of incidence of radiation (7), the turntable (8), the mirror (9), the focusing lens (10), the photodetector (11), and the synchronous detector (12). Radiation from a light source (1), which is used as a halogen lamp, enters a monochromator (2) using a spherical mirror. The divergent light coming out of the monochromator (2) converts the collimating lens (3) into parallel. Next, the diaphragm (4) cuts out a small part from the parallel radiation arriving at it, forming a narrow quasi-parallel light beam, which is fed to the Glan-Thomson prism (5), which distinguishes from the non-polarized light radiation a linearly polarized, p-component of the radiation. After the polarizer (5) (Glav-Thomson prism), linearly polarized radiation is directed to the test sample (6). Modulation of the angle of radiation incident on the test sample (6) is carried out by means of a modulator of the angle of incidence of radiation (7), which is used as a solenoid with a core - a permanent magnet. Oscillations of a magnet in an alternating current solenoid modulate the angle of incidence of radiation. The test sample (6) is mounted on a turntable (8), during rotation of which the angle of incidence of linearly polarized radiation on the test sample (6) is determined when measuring the spectra (tuning to angles θ 1 and θ 2 ). The turntable (8) is equipped with a mirror (9). In this case, the axis of rotation of the turntable (8) coincides with the intersection of the planes of the test sample (6) and the mirror (9). The studied sample (6) and mirror (9) are located at an angle to each other so that the radiation incident on the surface of the sample (6) occurs on the surface of the mirror (9) and is rigidly connected to each other, while the axis of rotation of the turntable ( 8) is the axis around which they rotate. In turn, the mirror (9) is connected with the modulator of the angle of incidence of radiation (7). Due to this connection, the angle of incidence of radiation on the test sample (6) is modulated, the magnet oscillations in the solenoid cause a rotational vibrational motion of the rigidly connected test sample (6) and the mirror (9). The light radiation reflected by the studied sample (6) and the mirror (9) is directed to the focusing lens (10), focusing is performed, and then the focused reflected light radiation is supplied to the photodetector (11). Moreover, as can be seen from the described setup, the position of the beam directed to the photodetector (11) in space remains unchanged. The signal generated by the photodetector (11) is sent to the input of the synchronous detector (12) for registration.
Достижение технического результата базируется на переходе от измерений оптических характеристик, например, коэффициента отражения, как в приведенном ближайшем техническом решении, в отношении которых регистрируемый сигнал существенно зависит от вида и амплитуды модуляции, к измерениям характеристик, для которых отсутствует зависимость регистрируемого сигнала от параметров модуляции. В качестве измеряемых модуляционной спектроскопией характеристик выбирают углы: θ1 - угол, соответствующий минимуму зависимости коэффициента отражения р-компоненты от угла падения (аналог угла Брюстера), и θ2 - угол, соответствующий точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения R(θ) (см. Фиг.2), θ2<θ1. Принципиальная особенность предлагаемого способа заключается в том, что измерение углов может быть осуществлено с очень высокой точностью - до 0,001°. Высокая точность измерения характеристических углов θ1 и θ2 обеспечивается за счет введения модуляции угла падения излучения на исследуемый образец (6) при неизменности направления отраженного светового излучения, подаваемого на фотоприемник (11).The achievement of the technical result is based on the transition from measurements of optical characteristics, for example, reflection coefficient, as in the nearest technical solution, for which the recorded signal substantially depends on the type and amplitude of modulation, to measurements of characteristics for which there is no dependence of the recorded signal on the modulation parameters. The angles are chosen as the characteristics measured by modulation spectroscopy: θ 1 is the angle corresponding to the minimum dependence of the reflection coefficient of the p-component on the angle of incidence (analogue of the Brewster angle), and θ 2 is the angle corresponding to the inflection point of the angular dependence of the reflection coefficient R (θ) (cm Figure 2), θ 2 <θ 1 . The principal feature of the proposed method is that the measurement of angles can be carried out with very high accuracy - up to 0.001 °. High accuracy of measuring the characteristic angles θ 1 and θ 2 is ensured by introducing modulation of the angle of incidence of the radiation on the test sample (6) with the constancy of the direction of the reflected light radiation supplied to the photodetector (11).
При измерениях угол θ1 определяют посредством настройки лимба поворотного столика (8) с исследуемым образцом (6) на нуль сигнала первой гармоники фазочувствительного усилителя синхронного детектора (12). При измерениях угол θ2 соответствует настройке на нуль сигнала второй гармоники. Измерение θ1 проводят для каждого значения длины волны λ при настройке синхронным детектором (12) сигнала с фотоприемника (11) на нуль на частоте модуляции - f. Угол θ2 измеряют либо при настройке синхронным детектором (12) на нуль сигнала с фотоприемника (11) на частоте, равной удвоенной частоте модуляции - 2f, либо при настройке синхронным детектором (12) на максимум сигнала с фотоприемника (11) на частоте, равной частоте модуляции - f. При фиксированной амплитуде модуляции угла падения, равной 1°, сигналы первой и второй гармоник существенно отличаются: Sf≈2,3·10-3SR=1 и S2f≈5,9·10-5SR=1, соответственно.In measurements, the angle θ 1 is determined by adjusting the dial of the turntable (8) with the test sample (6) to zero the signal of the first harmonic of the phase-sensitive amplifier of the synchronous detector (12). In measurements, the angle θ 2 corresponds to setting the second harmonic signal to zero. The measurement θ 1 is carried out for each value of the wavelength λ when the synchronous detector (12) sets the signal from the photodetector (11) to zero at the modulation frequency f. The angle θ 2 is measured either when the synchronous detector (12) tunes to zero the signal from the photodetector (11) at a frequency equal to twice the modulation frequency - 2f, or when the synchronous detector (12) tunes to the maximum signal from the photodetector (11) at a frequency equal to modulation frequency - f. For a fixed amplitude of the modulation of the angle of incidence equal to 1 °, the signals of the first and second harmonics differ significantly: S f ≈2.3 · 10 -3 S R = 1 and S 2f ≈5.9 · 10 -5 S R = 1 , respectively .
Поскольку сигналы с фотоприемника (11) не измеряются, то для реализации предлагаемого способа нет необходимости поддерживать стабильность мощности излучения источника света (1) или компенсировать ее «уходы», а также контролировать наличие линейности характеристики фотоприемника (11).Since the signals from the photodetector (11) are not measured, for the implementation of the proposed method there is no need to maintain the stability of the radiation power of the light source (1) or to compensate for its “departure”, as well as to control the linearity of the characteristics of the photodetector (11).
Таким образом, для достижения технического результата модуляцию параметров эксперимента осуществляют в отношении угла падения световой волны на исследуемый образец, а не в отношении положения длины волны в спектре; измеряют не значения сигналов отражения от исследуемой поверхности, регистрируемых фотоприемным устройством, а углы падения, соответствующие характерным точкам угловой зависимости коэффициента отражения R(θ) (см. Фиг.2).Thus, to achieve a technical result, the modulation of the experimental parameters is carried out in relation to the angle of incidence of the light wave on the test sample, and not in relation to the position of the wavelength in the spectrum; they measure not the values of the reflection signals from the test surface recorded by the photodetector, but the incidence angles corresponding to the characteristic points of the angular dependence of the reflection coefficient R (θ) (see Figure 2).
Подчеркнем, что в отношении приведенного первого аналога, в эллипсометрии проводят измерения при различных фиксированных углах падения излучения на исследуемый образец, однако собственно измерение характеристических углов θ1 и θ2 не осуществляют.We emphasize that in relation to the first analogue given, in ellipsometry, measurements are made at various fixed angles of incidence of radiation on the test sample, however, the characteristic angles θ 1 and θ 2 are not actually measured.
Для достижения технического результата особое значение имеет выбор параметра модуляции угла падения излучения на исследуемый образец (6), а именно выбор амплитуды модуляции. Для реализации назначения способа, то есть наличия возможности измерить характеристические углы θ1 и θ2, важен выбор частоты модуляции f. Выбор амплитуды связан с удовлетворением условия отсутствия искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения от угла падения излучения R(θ) (см. Фиг.2). Модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец (6) осуществляют с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Частоту модуляции выбирают обеспечивающей достаточно высокое отношение сигнал/шум при отсутствии искажений θ1 и θ2 или пренебрежимо малом влиянии нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Другими словами, выбор частоты модуляции f должен обеспечить выделение из шума полезного сигнала, в противном случае измерение характеристических углов будет не состоявшимся в связи с искажениями шумом измеряемых углов.To achieve a technical result, of particular importance is the choice of the modulation parameter of the angle of incidence of radiation on the test sample (6), namely, the choice of modulation amplitude. To implement the purpose of the method, that is, the ability to measure the characteristic angles θ 1 and θ 2 , it is important to choose the modulation frequency f. The choice of amplitude is associated with satisfying the condition for the absence of distortions θ 1 and θ 2 associated with the nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient on the angle of incidence of radiation R (θ) (see Figure 2). The angle of incidence of radiation on the test sample (6) is modulated with an amplitude ensuring the absence of distortions θ 1 and θ 2 associated with nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient, or a negligible effect of the nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient. The modulation frequency is chosen to provide a sufficiently high signal to noise ratio in the absence of distortions θ 1 and θ 2 or a negligible effect of the nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient. In other words, the choice of the modulation frequency f should ensure that a useful signal is extracted from the noise, otherwise the measurement of the characteristic angles will not take place due to noise distortion of the measured angles.
В количественном выражении частота модуляции f может составлять от 5 до 200 Гц. Частота модуляции f, выбранная в указанном интервале, обеспечивает отсутствие искажений шумом измеряемых углов из-за нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения при достаточно высоком значении отношения сигнал/шум, равном 5 и более. Нижний предел указанного интервала соответствует значению первых частот механических резонансов, порядка 5÷6,5 Гц и порядка 10 Гц. Верхний предел 200 Гц определяется коэффициентом жесткости связи с модулятором (7), в нашем случае (см. Фиг.1) соленоидом с размещенным внутри постоянным магнитом, моментом инерции колеблющегося объекта, то есть жестко связанных друг с другом исследуемого образца (6) и зеркала (9) на подвеске, а также усилием, развиваемым модулятором (7). При этом амплитуда колебаний угла падения излучения на исследуемый образец (6) должна оставаться достаточно высокой. В установке (см. Фиг.1), которую, в частности, используют для реализации предлагаемого способа оптических измерений для материалов, модулятор угла падения излучения (7) выполнен принципиально механическим, в связи с этим не предоставляется возможности реализовать повышение частот модуляции существенно выше 200 Гц.In quantitative terms, the modulation frequency f can be from 5 to 200 Hz. The modulation frequency f, selected in the indicated interval, ensures the absence of noise distortion of the measured angles due to the nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient at a sufficiently high signal-to-noise ratio of 5 or more. The lower limit of this interval corresponds to the value of the first frequencies of mechanical resonances, of the order of 5 ÷ 6.5 Hz and of the order of 10 Hz. The upper limit of 200 Hz is determined by the stiffness coefficient of communication with the modulator (7), in our case (see Fig. 1) a solenoid with a permanent magnet placed inside it, the moment of inertia of the oscillating object, that is, the test sample (6) and the mirror rigidly connected to each other (9) on the suspension, as well as the effort developed by the modulator (7). In this case, the amplitude of oscillations of the angle of incidence of radiation on the test sample (6) should remain sufficiently high. In the installation (see Figure 1), which, in particular, is used to implement the proposed method of optical measurements for materials, the modulator of the angle of incidence of radiation (7) is made fundamentally mechanical, in this regard, it is not possible to realize an increase in modulation frequencies significantly above 200 Hz
Значения амплитуды модуляции угла падения, составляющие от 0,2 до 0,3 градуса, при частоте модуляции 20 Гц достаточной, чтобы обеспечить необходимое для проведения измерений отношение сигнал/шум, составляющее 5 и более, дают возможность пренебрежения искажениями, связанными с нелинейностью R(θ). Принципиально величина амплитуды модуляции угла падения излучения на исследуемый образец (6) без внесения негативного вклада влияния нелинейностей на зависимость коэффициента отражения от угла падения излучения R(θ) (см. Фиг.2) может быть увеличена до величин порядка 2°.The values of the amplitude of modulation of the angle of incidence, ranging from 0.2 to 0.3 degrees, at a modulation frequency of 20 Hz sufficient to provide the signal-to-noise ratio of 5 or more necessary for measurements, make it possible to neglect distortions associated with the nonlinearity of R ( θ). In principle, the magnitude of the amplitude of the modulation of the angle of incidence of radiation on the test sample (6) without making a negative contribution from the influence of nonlinearities on the dependence of the reflection coefficient on the angle of incidence of radiation R (θ) (see Figure 2) can be increased to values of the order of 2 °.
Последовательность действий при измерении углов для получения спектров θ1 и θ2 заключается в следующем (см. Фиг.1).The sequence of steps when measuring angles to obtain spectra θ 1 and θ 2 is as follows (see Figure 1).
Фиксируют длину волны светового излучения, выходящего из монохроматора (2), проходящего коллимирующую линзу (3), диафрагму (4), призму Глана-Томсона (5), выделяющую из неполяризованного светового излучения линейно поляризованную р-компоненту излучения для подачи его на исследуемый образец (6). Далее, для определения углов θ1 и θ2 при данной длине волны излучения выставляют исследуемый образец (6) таким образом, чтобы его поверхность располагалась перпендикулярно относительно направления излучения (установка нормали). После выставления нормали настраивают синхронный детектор (12) на прием сигнала первой гармоники, вращая поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла, осуществляют выход на «0» сигнала и получают значение θ1, отсчитывая по шкале калибровки. Для получения значения θ2 вращают поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла, осуществляют выход на «0» сигнала второй гармоники или осуществляют выход на максимум сигнала первой гармоники, отсчитывают по шкале калибровки значение угла. Процедуру повторяют для следующей длины волны светового излучения. Экспериментальные спектральные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 для полупроводниковых гетероструктур с КЯ представлены на Фиг.3 и 4.The wavelength of the light radiation emerging from the monochromator (2) passing through the collimating lens (3), the diaphragm (4), the Glan-Thomson prism (5), which isolates the linearly polarized p-component of the radiation from unpolarized light radiation to supply it to the test sample, is fixed (6). Further, to determine the angles θ 1 and θ 2 at a given radiation wavelength, the test sample (6) is set so that its surface is perpendicular to the radiation direction (normal setting). After setting the normals, the synchronous detector (12) is tuned to receive the first harmonic signal, rotating the rotary table (8) by means of a microscrew with a calibration scale for determining the angle, the signal is output to “0” and the value θ 1 is obtained, calculated on the calibration scale. To obtain the value of θ 2 rotate the turntable (8) by means of a microscrew with a calibration scale for determining the angle, exit to the “0” signal of the second harmonic or reach the maximum signal of the first harmonic, count the angle value on the calibration scale. The procedure is repeated for the next wavelength of light radiation. The experimental spectral dependences of the characteristic angles θ 1 and θ 2 for semiconductor heterostructures with quantum wells are presented in Figs. 3 and 4.
Повышение точности измеряемых характеристик обеспечивает, в свою очередь, достижение точного определения, в частности, спектральных зависимостей оптических постоянных, характеризующих свойства материала.Improving the accuracy of the measured characteristics ensures, in turn, achieving accurate determination, in particular, of the spectral dependences of the optical constants characterizing the properties of the material.
Далее, полученные спектральные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 предлагаемым способом (см. Фиг.3 и 4) используют для вычисления спектральных зависимостей оптических постоянных, характеризующих свойства материала, в частности, гетероструктур с КЯ. Расчет значений θ1 и θ2 существенным образом зависит от предполагаемого распределения nw(λ) и kw(λ) в гетероструктуре. Предполагая для простейшей модели, что неизвестными величинами являются nw(λ) и kw(λ), соответственно, показатели преломления и экстинции материалов квантовых ям, причем распределение их равномерно по толщине квантовых ям, а для барьеров, используя их справочные значения, численно рассчитывают значения θ1(nw(λ), kw(λ)) и θ2(nw(λ), kw(λ)). Для каждой длины волны имеем систему уравнений:Further, the obtained spectral dependences of the characteristic angles θ 1 and θ 2 by the proposed method (see Figs. 3 and 4) are used to calculate the spectral dependences of the optical constants characterizing the properties of the material, in particular, QW heterostructures. The calculation of the values of θ 1 and θ 2 substantially depends on the expected distribution of n w (λ) and k w (λ) in the heterostructure. Assuming for the simplest model that the unknown quantities are n w (λ) and k w (λ), respectively, the refractive indices and extinctions of the materials of quantum wells, and their distribution is uniform across the thickness of the quantum wells, and for barriers, using their reference values, numerically θ 1 (n w (λ), k w (λ)) and θ 2 (n w (λ), k w (λ)) are calculated. For each wavelength, we have a system of equations:
θ1(nw, kw)=θ0 1 θ 1 (n w , k w ) = θ 0 1
θ2(nw, kw)=θ0 2,θ 2 (n w , k w ) = θ 0 2 ,
где θ0 1 и θ0 2 - экспериментально полученные значения. Численное решение вышеприведенной системы уравнений позволяет найти nw и kw. Результаты расчета для структуры In0,25Ga0,75As/GaAs, содержащей чередующиеся слои In0,25Ga0,75As толщиной 8,7 нм (10 квантовых ям) и GaAs толщиной 15 нм (барьеры), с ориентировочной областью поглощения вблизи λ=1 мкм приведены на Фиг.5. Предлагаемый способ оптических измерений для определения свойств материала позволяет использовать для расчетов и более сложную модель.where θ 0 1 and θ 0 2 are the experimentally obtained values. The numerical solution of the above system of equations allows us to find n w and k w . Calculation results for the In 0.25 Ga 0.75 As / GaAs structure containing alternating In 0.25 Ga 0.75 As layers 8.7 nm thick (10 quantum wells) and 15 nm GaAs layers (barriers), with an approximate region absorption near λ = 1 μm are shown in Fig.5. The proposed method of optical measurements to determine the properties of the material allows using a more complex model for calculations.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением указанного технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.As information confirming the possibility of implementing the method with the achievement of the specified technical result, we give the following implementation examples.
Пример 1.Example 1
Структуру In0,25Ga0,75As/GaAs, содержащую чередующиеся слои In0,25Ga0,75As толщиной 8,7 нм (10 квантовых ям) и GaAs толщиной 15 нм (барьеры), с ориентировочной областью поглощения вблизи λ=1 мкм - исследуемый образец (6) устанавливают на поворотный столик (8) (см. Фиг.1). Посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектр угла θ1, соответствующего минимуму зависимости коэффициента отражения светового излучения от угла падения, и спектр угла θ2, соответствующего точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения, в спектральной области λ от 0,75 до 1,10 мкм. При измерении спектров углов используют линейно поляризованное излучение, его р-компоненту. Излучение от источника света (1) подают в монохроматор (2). Фиксируют длину волны указанной спектральной области. Выходящее из монохроматора (2) расходящееся световое излучение фиксированной длины волны посредством коллимирующей линзы (3) преобразуют в параллельное и, далее, диафрагмой (4) вырезает небольшую часть, формируя узкий квазипараллельный световой луч, который подают на призму Глана-Томсона (5), выделяющую из неполяризованного светового излучения линейно поляризованную р-компоненту излучения фиксированной длины волны.The structure of In 0.25 Ga 0.75 As / GaAs containing alternating layers of In 0.25 Ga 0.75 As 8.7 nm thick (10 quantum wells) and
Излучение направляют на исследуемый образец (6). Для определения углов θ1 и θ2 при фиксированной длине волны излучения выставляют исследуемый образец (6) таким образом, чтобы его поверхность располагалась перпендикулярно относительно направления излучения. Модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец (6) осуществляют посредством модулятора угла падения излучения (7) с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Выбором частоты модуляции f при этом обеспечивают достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2. Амплитуду выбирают 0,2 градуса, а частоту - 5 Гц. В качестве модулятора угла падения излучения (7) используют соленоид с постоянным магнитом. Колебания магнита в соленоиде с переменным током модулируют угол падения излучения, вызывая совершение вращательных движений при модуляции угла жестко связанных друг с другом исследуемого образца (6) и зеркала (9). Луч, направляемый на фотоприемник (11), при модуляции угла и поворотах столика (8) сохраняет свое положение в пpocтранстве.The radiation is directed to the test sample (6). To determine the angles θ 1 and θ 2 at a fixed radiation wavelength, the test sample (6) is set so that its surface is perpendicular to the radiation direction. Modulation of the angle of incidence of radiation on the test sample (6) is carried out by means of a modulator of the angle of incidence of radiation (7) with an amplitude ensuring the absence of distortions θ 1 and θ 2 associated with nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient, or a negligible effect of the nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient. By choosing a modulation frequency f, a sufficiently high signal-to-noise ratio is provided for extracting from the noise a useful signal necessary for measuring characteristic angles in the absence of distortions θ 1 and θ 2 . The amplitude is chosen 0.2 degrees, and the frequency is 5 Hz. As a modulator of the angle of incidence of radiation (7), a solenoid with a permanent magnet is used. Oscillations of a magnet in an alternating current solenoid modulate the angle of incidence of the radiation, causing rotational motions when modulating the angle of the specimen (6) and mirror (9) that are rigidly connected to each other and modulate. The beam directed to the photodetector (11), while modulating the angle and turning the table (8), maintains its position in the space.
Отраженное исследуемым образцом (6) световое излучение, сфокусированное фокусирующей линзой (10), подают на фотоприемник (11). Сигнал, вырабатываемый фотоприемником (11), направляют на вход синхронного детектора (12) для регистрации.The light radiation reflected by the studied sample (6), focused by a focusing lens (10), is fed to a photodetector (11). The signal generated by the photodetector (11) is sent to the input of the synchronous detector (12) for registration.
После выставления нормали исследуемого образца (6) настраивают синхронный детектор (12) на прием сигнала первой гармоники, вращая поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла. Осуществляют выход на «0» сигнала и получают значение θ1, отсчитывая его по шкале калибровки.After setting the norm of the test sample (6), set up a synchronous detector (12) to receive the first harmonic signal by rotating the turntable (8) using a microscrew with a calibration scale to determine the angle. The signal is output to “0” and the value θ 1 is obtained, counting it on the calibration scale.
Для получения значения θ2 вращают поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла, осуществляют выход на «0» сигнала второй гармоники, отсчитывают по шкале калибровки значение угла. Процедуру повторяют для следующей длины волны светового излучения.To obtain the value of θ 2 rotate the turntable (8) by means of a microscrew with a calibration scale for determining the angle, the second harmonic signal is output to “0”, the angle value is counted on the calibration scale. The procedure is repeated for the next wavelength of light radiation.
Экспериментальные спектральные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 для указанного исследуемого образца (6) представлены на Фиг.3.The experimental spectral dependences of the characteristic angles θ 1 and θ 2 for the specified test sample (6) are presented in Figure 3.
Пример 2.Example 2
Структуру Al0,38Ga0,62As/GaAs, содержащую чередующиеся слои GaAs толщиной 3 нм (20 квантовых ям) и Al0,38Ga0,62As толщиной 15 нм (барьеры) с ориентировочной областью поглощения вблизи λ=0,78 мкм - исследуемый образец (6) устанавливают на поворотный столик (8) (см. Фиг.1). Посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектр угла θ1, соответствующего минимуму зависимости коэффициента отражения светового излучения от угла падения, и спектр угла θ2, соответствующего точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения, в спектральной области λ от 0,6 до 0,95 мкм. При измерении спектров углов используют линейно поляризованное излучение, его р-компоненту. Излучение от источника света (1) подают в монохроматор (2). Фиксируют длину волны указанной спектральной области. Выходящее из монохроматора (2) расходящееся световое излучение фиксированной длины волны посредством коллимирующей линзы (3) преобразуют в параллельное и, далее, диафрагмой (4) вырезает небольшую часть, формируя узкий квазипараллельный световой луч, который подают на призму Глана-Томсона (5), выделяющую из неполяризованного светового излучения линейно поляризованную р-компоненту излучения фиксированной длины волны.The Al 0.38 Ga 0.62 As / GaAs structure containing alternating
Излучение направляют на исследуемый образец (6). Для определения углов θ1 и θ2 при фиксированной длине волны излучения выставляют исследуемый образец (6) таким образом, чтобы его поверхность располагалась перпендикулярно относительно направления излучения. Модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец (6) осуществляют посредством модулятора угла падения излучения (7) с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Выбором частоты модуляции f при этом обеспечивают достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2. Амплитуду выбирают 0,3 градуса, а частоту - 20 Гц. В качестве модулятора угла падения излучения (7) используют соленоид с постоянным магнитом. Колебания магнита в соленоиде с переменным током модулируют угол падения излучения, вызывая совершение вращательных движений при модуляции угла жестко связанных друг с другом исследуемого образца (6) и зеркала (9). Луч, направляемый на фотоприемник (11), при модуляции угла и поворотах столика (8) сохраняет свое положение в пространстве.The radiation is directed to the test sample (6). To determine the angles θ 1 and θ 2 at a fixed radiation wavelength, the test sample (6) is set so that its surface is perpendicular to the radiation direction. Modulation of the angle of incidence of radiation on the test sample (6) is carried out by means of a modulator of the angle of incidence of radiation (7) with an amplitude ensuring the absence of distortions θ 1 and θ 2 associated with nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient, or a negligible effect of the nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient. By choosing a modulation frequency f, a sufficiently high signal-to-noise ratio is provided for extracting from the noise a useful signal necessary for measuring characteristic angles in the absence of distortions θ 1 and θ 2 . The amplitude is chosen 0.3 degrees, and the frequency is 20 Hz. As a modulator of the angle of incidence of radiation (7), a solenoid with a permanent magnet is used. Oscillations of a magnet in an alternating current solenoid modulate the angle of incidence of the radiation, causing rotational motions when modulating the angle of the specimen (6) and mirror (9) that are rigidly connected to each other and modulate. The beam directed to the photodetector (11), while modulating the angle and turning the table (8), maintains its position in space.
Отраженное исследуемым образцом (6) световое излучение, сфокусированное фокусирующей линзой (10), подают на фотоприемник (11). Сигнал, вырабатываемый фотоприемником (11), направляют на вход синхронного детектора (12).The light radiation reflected by the studied sample (6), focused by a focusing lens (10), is fed to a photodetector (11). The signal generated by the photodetector (11) is sent to the input of the synchronous detector (12).
После выставления нормали исследуемого образца (6) настраивают синхронный детектор (12) на прием сигнала первой гармоники, вращая поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла. Осуществляют выход на «0» сигнала и получают значение θ1, отсчитывая его по шкале калибровки.After setting the norm of the test sample (6), set up a synchronous detector (12) to receive the first harmonic signal by rotating the turntable (8) using a microscrew with a calibration scale to determine the angle. The signal is output to “0” and the value θ 1 is obtained, counting it on the calibration scale.
Для получения значения θ2 вращают поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла, осуществляют выход на «0» сигнала второй гармоники, отсчитывают по шкале калибровки значение угла. Процедуру повторяют для следующей длины волны светового излучения.To obtain the value of θ 2 rotate the turntable (8) by means of a microscrew with a calibration scale for determining the angle, the second harmonic signal is output to “0”, the angle value is counted on the calibration scale. The procedure is repeated for the next wavelength of light radiation.
Экспериментальные спектральные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 для указанного исследуемого образца (6) представлены на Фиг.4.The experimental spectral dependences of the characteristic angles θ 1 and θ 2 for the specified test sample (6) are presented in Figure 4.
Пример 3Example 3
Структуру In0,25Ga0,75As/GaAs, содержащую чередующиеся слои In0,25Ga0,75As толщиной 8,7 ни (10 квантовых ям) и GaAs толщиной 15 нм (барьеры), с ориентировочной областью поглощения вблизи λ=1 мкм - исследуемый образец (6) устанавливают на поворотный столик (8) (см. Фиг.1). Посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектр угла θ1, соответствующего минимуму зависимости коэффициента отражения светового излучения от угла падения, и спектр угла θ2, соответствующего точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения, в спектральной области λ от 0,75 до 1,10 мкм. При измерении спектров углов используют линейно поляризованное излучение, его р-компоненту. Излучение от источника света (1) подают в монохроматор (2). Фиксируют длину волны указанной спектральной области. Выходящее из монохроматора (2) расходящееся световое излучение фиксированной длины волны посредством коллимирующей линзы (3) преобразуют в параллельное и, далее, диафрагмой (4) вырезает небольшую часть, формируя узкий квазипараллельный световой луч, который подают на призму Глана-Томсона (5), выделяющую из неполяризованного светового излучения линейно поляризованную р-компоненту излучения фиксированной длины волны.The structure of In 0.25 Ga 0.75 As / GaAs containing alternating layers of In 0.25 Ga 0.75 As 8.7 ni thick (10 quantum wells) and
Излучение направляют на исследуемый образец (6). Для определения углов θ1 и θ2 при фиксированной длине волны излучения выставляют исследуемый образец (6) таким образом, чтобы его поверхность располагалась перпендикулярно относительно направления излучения. Модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец (6) осуществляют посредством модулятора угла падения излучения (7) с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Выбором частоты модуляции f при этом обеспечивают достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2. Амплитуду выбирают 2 градуса, а частоту - 200 Гц. В качестве модулятора угла падения излучения (7) используют соленоид с постоянным магнитом. Колебания магнита в соленоиде с переменным током модулируют угол падения излучения, вызывая совершение вращательных движений при модуляции угла жестко связанных друг с другом исследуемого образца (6) и зеркала (9). Луч, направляемый на фотоприемник (11), при модуляции угла и поворотах столика (8) сохраняет свое положение в пpocтранстве.The radiation is directed to the test sample (6). To determine the angles θ 1 and θ 2 at a fixed radiation wavelength, the test sample (6) is set so that its surface is perpendicular to the radiation direction. Modulation of the angle of incidence of radiation on the test sample (6) is carried out by means of a modulator of the angle of incidence of radiation (7) with an amplitude ensuring the absence of distortions θ 1 and θ 2 associated with nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient, or a negligible effect of the nonlinearity of the angular dependence of the reflection coefficient. By choosing a modulation frequency f, a sufficiently high signal-to-noise ratio is provided for extracting from the noise a useful signal necessary for measuring characteristic angles in the absence of distortions θ 1 and θ 2 . The amplitude is chosen 2 degrees, and the frequency is 200 Hz. As a modulator of the angle of incidence of radiation (7), a solenoid with a permanent magnet is used. Oscillations of a magnet in an alternating current solenoid modulate the angle of incidence of the radiation, causing rotational motions when modulating the angle of the specimen (6) and mirror (9) that are rigidly connected to each other and modulate. The beam directed to the photodetector (11), while modulating the angle and turning the table (8), maintains its position in the space.
Отраженное исследуемым образцом (6) световое излучение, сфокусированное фокусирующей линзой (10), подают на фотоприемник (11). Сигнал, вырабатываемый фотоприемником (11), направляют на вход синхронного детектора (12) для регистрации.The light radiation reflected by the studied sample (6), focused by a focusing lens (10), is fed to a photodetector (11). The signal generated by the photodetector (11) is sent to the input of the synchronous detector (12) for registration.
После выставления нормали исследуемого образца (6) настраивают синхронный детектор (12) на прием сигнала первой гармоники, вращая поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла. Осуществляют выход на «0» сигнала и получают значение θ1, отсчитывая его по шкале калибровки.After setting the norm of the test sample (6), set up a synchronous detector (12) to receive the first harmonic signal by rotating the turntable (8) using a microscrew with a calibration scale to determine the angle. The signal is output to “0” and the value θ 1 is obtained, counting it on the calibration scale.
Для получении значения θ2 вращают поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла, осуществляют выход на «0» сигнала второй гармоники, отсчитывают по шкале калибровки значение угла. Процедуру повторяют для следующей длины волны светового излучения.To obtain the value of θ 2 rotate the turntable (8) by means of a microscrew with a calibration scale for determining the angle, exit to the “0” signal of the second harmonic, and calculate the angle value on the calibration scale. The procedure is repeated for the next wavelength of light radiation.
Экспериментальные спектральные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 для указанного исследуемого образца (6) аналогичны представленным на Фиг.3.The experimental spectral dependences of the characteristic angles θ 1 and θ 2 for the specified test sample (6) are similar to those presented in Figure 3.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009118234/28A RU2423684C2 (en) | 2009-05-13 | 2009-05-13 | Optical measurement method for material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009118234/28A RU2423684C2 (en) | 2009-05-13 | 2009-05-13 | Optical measurement method for material |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009118234A RU2009118234A (en) | 2010-11-20 |
| RU2423684C2 true RU2423684C2 (en) | 2011-07-10 |
Family
ID=44058165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009118234/28A RU2423684C2 (en) | 2009-05-13 | 2009-05-13 | Optical measurement method for material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2423684C2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA038184B1 (en) * | 2019-01-14 | 2021-07-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Эссентоптикс" | Spectrophotometer |
-
2009
- 2009-05-13 RU RU2009118234/28A patent/RU2423684C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZUCCA R.R. et al. Wavelength Modulation Spectra of Some Semiconductor, Phys. Rev. B, v.1, №6 (1970), p.2668-2676. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009118234A (en) | 2010-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5477275B2 (en) | Coating film inspection apparatus and inspection method | |
| US6784993B2 (en) | Apparatus for optical measurements of nitrogen concentration in thin films | |
| US20040218180A1 (en) | Thin film optical measurement system and method with calibrating ellipsometer | |
| US20010046049A1 (en) | Thin film optical measurement system and method with calibrating ellipsometer | |
| US6535285B1 (en) | Combination thermal wave and optical spectroscopy measurement system | |
| JP2000515247A (en) | Broadband spectral rotation compensator ellipsometer | |
| US7847937B1 (en) | Optical measurment systems and methods | |
| US3594085A (en) | Ellipsometric method and device | |
| WO2006051766A1 (en) | Optical measurement evaluating method and optical measurement evaluating device | |
| KR100214232B1 (en) | Method and apparatus for determining crystal face orientation | |
| JP3311497B2 (en) | Fourier transform spectral phase modulation ellipsometry | |
| RU2423684C2 (en) | Optical measurement method for material | |
| US6982791B2 (en) | Scatterometry to simultaneously measure critical dimensions and film properties | |
| US7038768B2 (en) | Optical measuring method for semiconductor multiple layer structures and apparatus therefor | |
| US20230266233A1 (en) | System for measuring thickness and physical properties of thin film using spatial light modulator | |
| JPS60122333A (en) | Polarization analyzer | |
| CN208847653U (en) | Real-time polarization sensitive terahertz time-domain ellipsometer | |
| Sassella et al. | Generalized anisotropic ellipsometry applied to an organic single crystal: Potassium acid phthalate | |
| RU2805776C1 (en) | Method for measuring anisotropic reflection spectrum of semiconductor materials and device for its implementation | |
| CN109115690B (en) | Terahertz time domain ellipsometer sensitive to real-time polarization and optical constant measurement method | |
| KR102125624B1 (en) | Handheld spectroscopic ellipsometer and method for measuring spectral elepsometric parameter using the same | |
| Azzam | Ellipsometric configurations and techniques | |
| Agulto et al. | Development of Terahertz Time-Domain Rotating-Analyzer Ellipsometry | |
| SU1737261A1 (en) | Method of contact-free determining of thickness of epitaxial semiconductor layers | |
| RU2170913C1 (en) | Process of spectroscopy of transition layer of conducting surface |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140514 |