RU2638092C1 - Ellipsometer - Google Patents

Ellipsometer Download PDF

Info

Publication number
RU2638092C1
RU2638092C1 RU2016134304A RU2016134304A RU2638092C1 RU 2638092 C1 RU2638092 C1 RU 2638092C1 RU 2016134304 A RU2016134304 A RU 2016134304A RU 2016134304 A RU2016134304 A RU 2016134304A RU 2638092 C1 RU2638092 C1 RU 2638092C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
polarizing beam
beam splitter
light
additional
channel
Prior art date
Application number
RU2016134304A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Сергеевич Гуревич
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Поларлайт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Поларлайт" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Поларлайт"
Priority to RU2016134304A priority Critical patent/RU2638092C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2638092C1 publication Critical patent/RU2638092C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211Ellipsometry

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: ellipsometer includes the radiation source, the polarizer arm and the analyzer arm, which are arranged along the optical axis. Moreover, the analyzer arm is made in the form of a non-polarizing beam splitter, dividing the beam of light rays that came from the test sample into two parts. Wherein, the beam of light rays reflected from the non-polarizing beam splitter is incident on the first polarizing beam splitter, dividing it into two linearly polarized light streams with orthogonal directions of the polarization plane, and the transmitted beam of light rays hits the compensator, which introduces a known phase shift between the orthogonal linearly polarized components of the light wave, then it is incident on the second polarizing beam splitter. Then, all four luminous fluxes are fed to the input of a four-channel spectrometer.
EFFECT: finding 16 components of the Mueller matrix and increasing the measurement speed in a wide spectral range.
8 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов, тонкопленочных структур и поверхностей с помощью оптических средств и может быть использовано для определения: оптических постоянных, толщин пленок, параметров зонной структуры полупроводников, состава твердых растворов, меры шероховатости границ раздела и поверхности, пористости, параметров оптической анизотропии, магнитных и деполяризующих свойств.The invention relates to the field of research and analysis of materials, thin-film structures and surfaces using optical means and can be used to determine: optical constants, film thicknesses, parameters of the semiconductor band structure, composition of solid solutions, measures of roughness of interfaces and surfaces, porosity, optical parameters anisotropy, magnetic and depolarizing properties.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного технического решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.To assess the novelty and inventive step of the claimed technical solution, we consider a number of well-known technical means of a similar purpose.

Известен спектральный эллипсометр с параллельным детектированием световых потоков по патенту US 6,384,916, который не имеет движущихся частей и работает в режиме реального времени для in-situ контроля свойств поверхности тонкой пленки образца, находящегося внутри камеры, в которой он обрабатывается. Эллипсометр включает в себя широкополосный источник света для создания коллимированного пучка световых лучей, который пропускается через поляризатор и направляется на поверхность исследуемого образца. В процессе отражения состояние поляризации света меняется в соответствие с внутренней структурой образца. Отраженный от образца свет разделяется на 4 отдельных поляризованных пучка лучей, каждый из которых обладает собственной спектральной зависимостью интенсивности. Каждый из 4-х световых потоков передается в один или более спектрометров, где регистрируются их спектральные зависимости. Полученные для всех световых потоков данные обрабатываются с помощью алгоритмов преобразования в режиме реального времени.Known spectral ellipsometer with parallel detection of light flux according to the patent US 6,384,916, which has no moving parts and operates in real time for in-situ monitoring of the surface properties of the thin film of the sample inside the chamber in which it is processed. The ellipsometer includes a broadband light source to create a collimated beam of light rays, which is transmitted through the polarizer and sent to the surface of the sample. In the process of reflection, the state of polarization of light changes in accordance with the internal structure of the sample. The light reflected from the sample is divided into 4 separate polarized beams of rays, each of which has its own spectral intensity dependence. Each of the 4 light fluxes is transmitted to one or more spectrometers, where their spectral dependences are recorded. The data obtained for all light fluxes are processed using real-time conversion algorithms.

Недостатком данного аналога является то, что плечо поляризатора эллипсометра не позволяет освещать исследуемый образец светом с различными состояниями поляризации, что, в свою очередь, не позволит определить все 16 компонент матрицы Мюллера образца.The disadvantage of this analogue is that the arm of the ellipsometer polarizer does not allow illuminating the sample under study with light with different polarization states, which, in turn, will not allow to determine all 16 components of the sample Mueller matrix.

Известен эллипсометр для исследования образцов в широком спектральном диапазоне по патенту US 7,298,480, который содержит широкополосный источник света, генератор состояния поляризации (ГСП), включающий в себя неподвижный линейный поляризатор и в значительной степени ахроматический компенсатор, установленный с возможностью вращения, держатель образца, детектор состояния поляризации (ДСП), включающий в себя неподвижный линейный поляризатор и в значительной степени ахроматический компенсатор, установленный с возможностью вращения, основную систему детектирования, измеряющую спектральную зависимость интенсивности прошедшего ДСП света, оптику для коллимирования пучков лучей, проходящих ГСП и ДСП, а также фокусировки света на образец и детектор. Линейный поляризатор и ахроматический компенсатор в ДСП идентичны тем, что входят в состав ГСП, но установлены в обратном порядке по ходу распространения света.A known ellipsometer for the study of samples in a wide spectral range according to US 7,298,480, which contains a broadband light source, a polarization state generator (GSP), which includes a stationary linear polarizer and largely achromatic compensator mounted for rotation, a sample holder, a state detector polarization (DSP), which includes a stationary linear polarizer and largely achromatic compensator, mounted with the possibility of rotation, the main A detection system that measures the spectral dependence of the intensity of transmitted DSP light, optics for collimating the beams of rays transmitted by the GSP and DSP, as well as focusing the light on the sample and detector. The linear polarizer and achromatic compensator in the particleboard are identical to those that are part of the SHG, but are installed in the reverse order along the propagation of light.

Недостатком данного аналога является то, что в плече поляризатора и плече анализатора эллипсометра используется не разделение/переключение световых потоков, а вращение поляризационных элементов (линейный поляризатор, компенсатор), что позволит проводить измерения компонент матрицы Мюллера исследуемого образца только с ограниченной скоростью, недостаточной для решения метрологических задач контроля в режиме реального времени.The disadvantage of this analogue is that in the arm of the polarizer and the arm of the analyzer of the ellipsometer, not separation / switching of light fluxes is used, but the rotation of polarizing elements (linear polarizer, compensator), which will allow measurements of the components of the Mueller matrix of the test sample only with a limited speed, insufficient to solve real-time metrological control tasks.

Известен спектральный эллипсометр по патенту РФ 2247969, содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, коллимирующую оптику, поляризатор, анализатор, полихроматор с фоторегистратором, электрически связанным с блоком управления и обработки сигналов, отличающийся тем, что как поляризатор, так и анализатор выполнены в виде последовательно расположенных на оптической оси двух идентичных ориентированных навстречу друг другу призм, из которых первая - разделяющая световой пучок на два ортогонально поляризованных, идущих параллельно, а вторая - соединяющая вновь в один, размещенного между ними обтюратора, насаженного на вал электродвигателя, который соединен электрически с блоком управления и обработки сигналов, двух оптопар, имеющих электрическую связь с блоком управления и обработки сигналов, прерывателями которых служат выполненные в обтюраторе две кольцевые дорожки окон, пересекающие соответственно первый и второй пучки, при этом окна в кольцевых дорожках расположены периодически, со сдвигом во внешнем и внутреннем кольцах друг относительно друга на 1/2 периода, и выполнены в синхронно вращающихся с одинаковой частотой обтюраторах поляризатора и анализатора со скважностью 1/4 и 1/2, соответственно, причем при измерениях азимут поляризатора составляет +30°, а азимут анализатора составляет -30°.A known spectral ellipsometer according to the patent of the Russian Federation 2247969, containing a radiation source sequentially located along the optical axis, collimating optics, a polarizer, an analyzer, a polychromator with a photographic recorder electrically connected to a control and signal processing unit, characterized in that both the polarizer and the analyzer are made in the form sequentially located on the optical axis of two identical prisms oriented towards each other, of which the first is dividing the light beam into two orthogonally polarized bathrooms, running in parallel, and the second connecting again into one, placed between them a shutter, mounted on an electric motor shaft, which is electrically connected to the control and signal processing unit, two optocouplers that are in electrical communication with the control and signal processing unit, the breakers of which are made in the shutter there are two circular paths of windows intersecting the first and second beams, respectively, while the windows in the circular paths are arranged periodically, with a shift in the outer and inner rings itelno other by 1/2 period and executed synchronously rotating in the same frequency obturator polarizer and analyzer with a duty ratio 1/4 and 1/2, respectively, and when measuring the azimuth of a polarizer is + 30 °, and the azimuth of the analyzer is -30 °.

В данном аналоге есть признаки, схожие с признаками заявленного технического решения. В частности, в нем реализован принцип разделения световых потоков в обоих плечах эллипсометра и перекрытие потоков в плече поляризатора для изменения состояния поляризации падающего на образец света.In this analogue there are signs similar to those of the claimed technical solution. In particular, it implements the principle of separation of light fluxes in both shoulders of an ellipsometer and overlapping fluxes in the polarizer arm to change the polarization state of the light incident on the sample.

Недостатком данного способа, принятого нами в качестве прототипа, равно как и всех других известных способов, является ограниченные метрологические возможности, обуславливающие невозможность определения всех 16 компонентов матрицы Мюллера, дающей наиболее исчерпывающее описание линейной оптической системы, измерение компонентов которой позволяет эффективно исследовать, в том числе, оптическую анизотропию, магнитные свойства, деполяризацию света образцом.The disadvantage of this method, which we adopted as a prototype, as well as all other known methods, is the limited metrological capabilities, which make it impossible to determine all 16 components of the Mueller matrix, which gives the most comprehensive description of a linear optical system, the measurement of which allows you to effectively study, including , optical anisotropy, magnetic properties, depolarization of light by a sample.

Задача изобретения заключается в расширении метрологических возможностей эллипсометра, в обеспечении возможности найти все 16 компонентов матрицы Мюллера, а также в увеличении скорости измерений при условии их проведения в широком спектральном диапазоне.The objective of the invention is to expand the metrological capabilities of the ellipsometer, to provide the ability to find all 16 components of the Mueller matrix, as well as to increase the measurement speed provided that they are carried out in a wide spectral range.

Сущность заявленного изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков.The essence of the claimed invention as a technical solution is expressed in the following set of essential features.

Эллипсометр, включающий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, плечо поляризатора и плечо анализатора, характеризуется тем, что плечо анализатора выполнено в виде неполяризующего светоделителя (НС), разделяющего пришедший от исследуемого образца пучок световых лучей на две части, при этом отраженный от светоделителя пучок световых лучей падает на первый поляризующий светоделитель (ПС), который разделяет его на два линейно поляризованных световых потока с ортогональными направлениями плоскости поляризации, а прошедший НС пучок световых лучей попадает на компенсатор, вносящий известный сдвиг фаз между ортогональными линейно поляризованными составляющими световой волны, после чего падает на второй ПС, так же разделяющий его на два линейно поляризованных световых потока, затем все четыре световых потока поступают на вход четырехканального спектрометра.An ellipsometer including a radiation source sequentially located along the optical axis, a polarizer arm and an analyzer arm is characterized in that the analyzer arm is made in the form of a non-polarizing beam splitter (NS), dividing the beam of light rays coming from the sample into two parts, while the beam reflected from the beam splitter of light rays falls on the first polarizing beam splitter (PS), which divides it into two linearly polarized light flux with orthogonal directions of the plane of polarization radiation, and the transmitted NS beam of light rays enters the compensator, introducing a known phase shift between the orthogonal linearly polarized components of the light wave, after which it falls on the second PS, also dividing it into two linearly polarized light fluxes, then all four light fluxes are input four-channel spectrometer.

Кроме того, первый самостоятельный объект заявленного технического решения характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:In addition, the first independent object of the claimed technical solution is characterized by the presence of a number of additional optional features, namely:

- четырехканальный спектрометр содержит объективы на каждом из четырех вышедших из ПС световых потоков, посредством которых световые потоки фокусируются на входных щелях, после чего одни зеркала на каждом световом потоке формируют четыре коллимированных пучка лучей и направляют их на дифракционную решетку, а разложенное в спектр излучение посредством других зеркал на каждом световом потоке фокусируется на соответствующих многоканальных детекторах;- a four-channel spectrometer contains lenses on each of the four light fluxes emerging from the PS, by which the light fluxes are focused on the entrance slits, after which one mirror on each light flux forms four collimated beams of rays and direct them to the diffraction grating, and the radiation expanded into the spectrum by other mirrors on each light flux focuses on the corresponding multichannel detectors;

- многоканальные детекторы могут быть выполнены в виде одномерных массивов фотоприемных элементов;- multichannel detectors can be made in the form of one-dimensional arrays of photodetector elements;

- многоканальные детекторы могут быть выполнены в виде одного двумерного массива фотоприемных элементов;- multichannel detectors can be made in the form of one two-dimensional array of photodetector elements;

- многоканальные детекторы могут быть выполнены в виде нескольких двумерных массивов фотоприемных элементов;- multichannel detectors can be made in the form of several two-dimensional arrays of photodetector elements;

- ПС могут быть выполнены в виде призм Волластона;- PS can be made in the form of Wollaston prisms;

- эллипсометр может быть снабжен дополнительными НС, ПС и компенсатором, размещенными друг относительно друга с образованием дополнительных световых потоков, поступающих на входы двух дополнительных четырехканальных спектрометров, при этом пришедший от исследуемого образца пучок световых лучей в первую очередь попадает на первый дополнительный НС, а отраженный от него пучок световых лучей посредством второго дополнительного НС разделяется на два пучка, причем один из них посредством соответствующего ПС и дополнительных НС преобразуется в четыре световых потока, два из которых поступают на входы первого дополнительного четырехканального спектрометра, а два других - на входы второго дополнительного четырехканального спектрометра, при этом второй пучок световых лучей от второго дополнительного НС посредством компенсатора, соответствующего ПС и дополнительных НС преобразуется в четыре световых потока, два из которых поступают на входы первого дополнительного четырехканального спектрометра, а два других - на входы второго дополнительного четырехканального спектрометра;- the ellipsometer can be equipped with additional NS, PS, and a compensator placed relative to each other with the formation of additional light fluxes arriving at the inputs of two additional four-channel spectrometers, while the beam of light rays coming from the sample under investigation first of all enters the first additional NS, and the reflected from it, the beam of light rays by means of a second additional NS is divided into two beams, and one of them is converted by means of the corresponding PS and additional NS four light streams, two of which go to the inputs of the first additional four-channel spectrometer, and two others go to the inputs of the second additional four-channel spectrometer, while the second beam of light from the second additional NS is converted into four light by means of a compensator corresponding to the PS and additional NS flow, two of which go to the inputs of the first additional four-channel spectrometer, and two others go to the inputs of the second additional four-channel spectro Etra;

- во всех вышеописанных вариантах эллипсометра плечо поляризатора может быть выполнено в виде совокупности линейных поляризаторов и НС, размещенных друг относительно друга с организацией четырех различных оптических каналов, последовательно направляемых на исследуемый образец, при этом в первом оптическом канале плеча поляризатора коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит первый линейный поляризатор и первый и второй НС, после чего направляется на исследуемый образец, во втором оптическом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит второй линейный поляризатор, отражается от первого НС проходит второй НС, после чего направляется на исследуемый образец, в третьем оптическом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит третий линейный поляризатор, проходит третий НС, отражается от второго НС, после чего направляется на исследуемый образец, в четвертом оптическом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит четвертый линейный поляризатор, компенсатор, последовательно отражается от третьего и второго НС, после чего направляется на исследуемый образец, кроме того каждый из четырех оптических каналов снабжен перекрывающим его оптическим затвором, размещенным между источником световых лучей и первым НС этого оптического канала.- in all the above-described variants of the ellipsometer, the polarizer arm can be made in the form of a combination of linear polarizers and NS placed relative to each other with the organization of four different optical channels sequentially directed to the test sample, while in the first optical channel of the polarizer arm the collimated beam of light rays passes sequentially the first linear polarizer and the first and second NS, after which it is sent to the sample under study, in the second optical channel they are collimated the light beam passes sequentially through the second linear polarizer, is reflected from the first NS passes through the second NS, and then sent to the sample under study, in the third optical channel the collimated beam of light rays passes through the third linear polarizer sequentially, passes through the third NS, is reflected from the second NS, and then sent on the test sample, in the fourth optical channel, the collimated beam of light rays passes sequentially through the fourth linear polarizer, compensator, sequentially property of reflecting the third and second NA, then sent to the sample, in addition, each of the four optical channels are provided with overlapping of its optical shutter arranged between a source of light rays and the NA of the first optical channel.

Совокупность существенных признаков заявленного технического решения обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в обеспечении следующих возможностей, недостижимых при использовании всех известных аналогов:The set of essential features of the claimed technical solution ensures the achievement of a technical result, which consists in providing the following capabilities, unattainable when using all known analogues:

- возможность отправлять на образец световой поток с четырьмя различными состояниями поляризации, что обеспечивает возможность измерения всех 16 компонентов матрицы Мюллера исследуемого образца;- the ability to send a light flux to the sample with four different polarization states, which makes it possible to measure all 16 components of the Mueller matrix of the sample under study;

- измерение всех четырех параметров Стокса отраженного от образца света для многих длин волн из широкого спектрального диапазона, что важно для точности измерений и возможности получить физически-значимые величины вообще (оптические постоянные, толщины пленок, параметры зонной структуры полупроводников, состав твердых растворов, меру шероховатости границ раздела и поверхности, пористость);- measurement of all four Stokes parameters of light reflected from a sample for many wavelengths from a wide spectral range, which is important for measurement accuracy and the ability to obtain physically significant quantities in general (optical constants, film thicknesses, semiconductor band structure parameters, composition of solid solutions, roughness measure interfaces and surfaces, porosity);

- изменение поляризации падающего на исследуемый образец света достигается коммутацией световых потоков за счет операций открытия/закрытия оптических затворов, время которых может быть сведено к единицам миллисекунд, что в результате позволяет ускорить измерения на 2 порядка по сравнению с существующими аналогами;- a change in the polarization of the light incident on the sample under study is achieved by switching the light flux due to the operation of opening / closing optical shutters, the time of which can be reduced to units of milliseconds, which as a result allows to accelerate measurements by 2 orders of magnitude compared to existing analogues;

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена оптическая схема плеча анализатора заявленного эллипсометра, на фиг. 2 - вариант эллипсометра с использованием в плече анализатора дополнительных 4-канальных спектрометров, на фиг. 3 - оптическая схема плеча поляризатора заявленного эллипсометра.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is an optical diagram of the arm of the analyzer of the claimed ellipsometer; FIG. 2 is a variant of an ellipsometer using additional 4-channel spectrometers in the analyzer arm; FIG. 3 is an optical diagram of the polarizer arm of the claimed ellipsometer.

Эллипсометр включает последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, плечо поляризатора и плечо анализатора. Плечо анализатора содержит НС 1, первый ПС 2, компенсатор 3 и второй ПС 4, четырехканальный спектрометр 5, объективы 6, входные щели 7, коллимирующие зеркала 8, дифракционную решетку 9, фокусирующие зеркала 10 и многоканальные детекторы 11.The ellipsometer includes a radiation source, a polarizer arm and an analyzer arm sequentially located along the optical axis. The analyzer arm contains NS 1, the first PS 2, the compensator 3 and the second PS 4, a four-channel spectrometer 5, lenses 6, entrance slits 7, collimating mirrors 8, a diffraction grating 9, focusing mirrors 10 and multi-channel detectors 11.

Эллипсометр может быть снабжен дополнительными НС 12-13 и 17-20, ПС 14 и 15, компенсатором 16, и двумя дополнительными четырехканальными спектрометрами 21 и 22. Во всех вариантах выполнения заявленного эллипсометра плечо поляризатора может быть выполнено в виде совокупности линейных поляризаторов 23-26, НС 27-29, компенсатора 30, оптических затворов 31-34.The ellipsometer can be equipped with additional NS 12-13 and 17-20, PS 14 and 15, a compensator 16, and two additional four-channel spectrometers 21 and 22. In all embodiments of the claimed ellipsometer, the polarizer arm can be made in the form of a combination of linear polarizers 23-26 , NS 27-29, compensator 30, optical shutters 31-34.

Заявленный эллипсометр работает следующим образом.The claimed ellipsometer works as follows.

Плечо поляризатора - формирует пучок световых лучей с заданными состоянием поляризации, спектральным составом, геометрическими параметрами (диаметр, расходимость) и направлением. После отражения от исследуемого образца под заданным углом θ, свет попадает в плечо анализатора, в котором измеряется состояние поляризации отраженного от исследуемой твердотельной структуры света. Знание того, как изменилась поляризация света при отражении под заданным углом падения, позволяет получить информацию об исследуемом образце: оптические постоянные, толщины пленок, параметры зонной структуры полупроводников, состав твердых растворов, меру шероховатости границ раздела и поверхности, пористость. Измерение состояния поляризации отраженного света для различных состояний поляризации падающего света позволяет вычислить компоненты матрицы Мюллера, дающей наиболее исчерпывающее описание линейной оптической системы. Измерение компонент матрицы Мюллера позволяет эффективно исследовать оптическую анизотропию, магнитные свойства, деполяризацию.Shoulder of the polarizer - forms a beam of light rays 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 arm of the analyzer, in which the polarization state of the light reflected from the test solid structure is measured. Knowing how the polarization of light changed under reflection at a given angle of incidence allows us to obtain information about the sample under study: optical constants, film thicknesses, parameters of the semiconductor band structure, composition of solid solutions, measure of the roughness of interfaces and surface, porosity. Measurement of the polarized state of reflected light for various states of polarization of the incident light allows us to calculate the components of the Muller matrix, which gives the most comprehensive description of a linear optical system. The measurement of the components of the Mueller matrix allows one to efficiently study optical anisotropy, magnetic properties, and depolarization.

Пришедший от исследуемого образца пучок световых лучей попадает на НС 1, разделяющий его на две части. Отраженное от НС излучение падает на ПС 2, который разделяет его на два линейно поляризованных световых потока с ортогональными направлениями электрического вектора. Прошедший НС 1 пучок лучей пропускается через компенсатор 3, вносящий известный сдвиг фаз между ортогональными линейно поляризованными составляющими световой волны, после чего падает на ПС 4. Для каждого из четырех вышедших из ПС 2 и 4 световых потоков спектральная зависимость интенсивности измеряется в спектрометре 5. Посредством объективов 6 вышедшее из призм излучение фокусируется на входных щелях 7. Зеркала 8 формируют четыре коллимированных пучка лучей и направляют их на дифракционную решетку 9. Зеркала 10 фокусируют разложенное в спектр излучение на многоканальных детекторах 11, выполненных в виде одномерных, одного двумерного или нескольких двумерных массивов фотоприемных элементов. Используется единая дифракционная решетка 9 для одновременного разложения в спектр излучения в 4-х каналах спектрометра 5. Для каждого канала задействуется отдельный участок решетки. Измерение спектральных зависимостей вышедших из ПС 2 и 4 четырех потоков излучения позволяет определить спектральные зависимости 4-х параметров Стокса пришедшего от исследуемого образца света. Рабочий спектральный диапазон таких измерений будет определяться, в первую очередь, параметрами НС 1, компенсатора 3, дифракционной решетки 9 и многоканальных детекторов 11. Скорость измерения состояния поляризации света для всех длин волн из рабочего спектрального диапазона будет определяться только временем накопления и считывания в многоканальных детекторах 11.A beam of light rays arriving from the sample under investigation falls on NS 1, dividing it into two parts. The radiation reflected from the NS falls on PS 2, which divides it into two linearly polarized light fluxes with orthogonal directions of the electric vector. The transmitted NS 1 beam of rays is passed through a compensator 3, introducing a known phase shift between the orthogonal linearly polarized components of the light wave, and then falls on PS 4. For each of the four light fluxes emerging from the PS 2 and 4, the spectral dependence of the intensity is measured in spectrometer 5. By lenses 6, the radiation emerging from the prisms is focused on the entrance slits 7. The mirrors 8 form four collimated beams of rays and direct them to the diffraction grating 9. The mirrors 10 focus the spectrum expanded p radiation on multi-channel detectors 11, made in the form of one-dimensional, one two-dimensional or several two-dimensional arrays of photodetector elements. A single diffraction grating 9 is used for simultaneous decomposition into a radiation spectrum in the 4 channels of spectrometer 5. A separate section of the grating is used for each channel. Measurement of the spectral dependences of four radiation fluxes emitted from the PS 2 and 4 makes it possible to determine the spectral dependences of the 4 Stokes parameters of the light arriving from the sample under study. The working spectral range of such measurements will be determined, first of all, by the parameters of HC 1, compensator 3, diffraction grating 9, and multichannel detectors 11. The speed of measuring the state of polarization of light for all wavelengths from the working spectral range will be determined only by the accumulation and read time in multichannel detectors eleven.

Рабочий спектральный диапазон плеча анализатора может быть существенно расширен с использованием дополнительных 4-канальных спектрометров 21 и 22. В таком варианте пришедший от исследуемого образца свет попадает на дополнительный НС 12, разделяющий его на две части, каждая из которых, в свою очередь, разделяется еще на две части НС 1 и 13. Отраженное от НС 1 излучение падает на ПС 2, который разделяет его на два линейно поляризованных световых потока с ортогональными направлениями плоскости поляризации. Прошедшее НС 1 излучение пропускается через компенсатор 3, вносящий известный сдвиг фаз между ортогональными линейно поляризованными составляющими световой волны, после чего падает на ПС 4. Четыре вышедших из ПС 2 и 4 световых потока разлагаются в спектр и детектируются в спектрометре 5. В свою очередь прошедший НС 13 пучок лучей попадает на ПС 14. Вышедшие из него ортогонально поляризованные световые потоки попадают в НС 17 и 18. Отраженный от НС 13 пучок лучей пропускается через компенсатор 16 и попадает на ПС 15. Вышедшие из него ортогонально поляризованные световые потоки попадают в НС 19 и 20. Вышедшие из светоделителей 17-20 световые потоки группируются и заводятся в дополнительные четырехканальные спектрометры 21 и 22, выполненные аналогично спектрометру 5, где разлагаются в спектр и детектируются.The working spectral range of the analyzer arm can be significantly expanded using additional 4-channel spectrometers 21 and 22. In this embodiment, the light coming from the sample under investigation falls on an additional NS 12, dividing it into two parts, each of which, in turn, is still divided into two parts of NS 1 and 13. The radiation reflected from NS 1 falls on PS 2, which divides it into two linearly polarized light fluxes with orthogonal directions of the plane of polarization. The transmitted NS 1 radiation is passed through a compensator 3, introducing a known phase shift between the orthogonal linearly polarized components of the light wave, and then falls on PS 4. The four light fluxes emitted from the PS 2 and 4 are decomposed into the spectrum and detected in spectrometer 5. In turn, the transmitted NS 13 a beam of rays enters PS 14. The orthogonally polarized light fluxes emerging from it enter NS 17 and 18. A beam of rays reflected from NS 13 is passed through a compensator 16 and enters PS 15. Oscillations coming out of it are orthogonal izovannye light fluxes enter the NA 19, and 20. Left of the beam splitters 17-20 luminous fluxes are grouped and are inserted into the additional four-channel spectrometers 21 and 22 formed similarly to the spectrometer 5, which can be expanded in range and detected.

Одновременное использование более чем одного 4-канального спектрометра позволяет получить следующие преимущества в работе плеча анализатора и эллипсометра:The simultaneous use of more than one 4-channel spectrometer provides the following advantages in the operation of the analyzer arm and ellipsometer:

- одновременно измеряется полное состояние поляризации отраженного от образца света (все 4 параметра Стокса) в широком спектральном диапазоне;- at the same time, the total polarization state of the light reflected from the sample is measured (all 4 Stokes parameters) in a wide spectral range;

- увеличивается чувствительность прибора за счет того, что более узкий спектральный диапазон каждого отдельного спектрометра позволяет использовать дифракционную решетку вблизи максимума спектральной зависимости интенсивности диафрагмируемого излучения;- increases the sensitivity of the device due to the fact that a narrower spectral range of each individual spectrometer allows the use of a diffraction grating near the maximum spectral dependence of the intensity of the iris radiation;

- принципиально отсутствуют погрешности измерений, связанные с попаданием на детекторы излучения от высших порядков дифракции.- fundamentally there are no measurement errors associated with radiation from higher diffraction orders reaching the radiation detectors.

В заявленном варианте выполнения плеча поляризатора с помощью светоделителей 27-29 свет с различными состояниями поляризации из четырех различных оптических каналов последовательно направляется на исследуемый образец. В первом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит линейный поляризатор 23, НС 27-28, после чего направляется на исследуемый образец. Во 2-м канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит линейный поляризатор 24, отражается от НС 27, проходит НС 28, после чего направляется на исследуемый образец. В 3-м канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит линейный поляризатор 25, НС 29, отражается от НС 28, после чего направляется на исследуемый образец. В 4-м канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит линейный поляризатор 26, компенсатор 30, последовательно отражается от НС 29 и 28, после чего направляется на исследуемый образец. Для каждого из 4-х каналов поступление света может быть перекрыто соответствующим оптическим затвором 31-34. Внутри канала затвор может быть расположен в любом месте по ходу распространения излучения между его источником и первым НС в этом канале. Изменение состояния поляризации падающего на образец света осуществляется путем открытия одного из каналов и одновременного закрытия остальных 3-х каналов с помощью оптических затворов. Таким образом, скорость изменения состояния поляризации падающего на образец света определяется только скоростью работы оптических затворов 31-34.In the claimed embodiment, the arm of the polarizer using beam splitters 27-29 light with different states of polarization from four different optical channels is sequentially directed to the sample under study. In the first channel, the collimated beam of light rays sequentially passes through a linear polarizer 23, HC 27-28, after which it is sent to the test sample. In the 2nd channel, the collimated beam of light rays sequentially passes through a linear polarizer 24, is reflected from NS 27, passes NS 28, and then is sent to the sample under study. In the 3rd channel, the collimated beam of light rays sequentially passes through a linear polarizer 25, NS 29, is reflected from NS 28, and then sent to the test sample. In the 4th channel, the collimated beam of light rays sequentially passes through the linear polarizer 26, the compensator 30, is subsequently reflected from the NS 29 and 28, and then sent to the sample under study. For each of the 4 channels, the light input can be blocked by the corresponding optical shutter 31-34. Inside the channel, the gate can be located anywhere along the propagation of radiation between its source and the first NS in this channel. The change in the polarization state of the light incident on the sample is carried out by opening one of the channels and simultaneously closing the remaining 3 channels using optical shutters. Thus, the rate of change of the polarization state of the light incident on the sample is determined only by the speed of operation of the optical shutters 31-34.

Claims (9)

1. Эллипсометр, включающий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, плечо поляризатора и плечо анализатора, отличающийся тем, что плечо анализатора выполнено в виде неполяризующего светоделителя, разделяющего пришедший от исследуемого образца пучок световых лучей на две части, при этом отраженный от неполяризующего светоделителя пучок световых лучей падает на первый поляризующий светоделитель, который разделяет его на два линейно поляризованных световых потока с ортогональными направлениями плоскости поляризации, а прошедший неполяризующий светоделитель пучок световых лучей попадает на компенсатор, вносящий известный сдвиг фаз между ортогональными линейно поляризованными составляющими световой волны, после чего падает на второй поляризующий светоделитель, затем все четыре световых потока поступают на вход четырехканального спектрометра.1. An ellipsometer comprising a radiation source sequentially located along the optical axis, a polarizer arm and an analyzer arm, characterized in that the analyzer arm is made in the form of a non-polarizing beam splitter, dividing the beam of light rays coming from the test sample into two parts, while the beam reflected from the non-polarizing beam splitter of light rays falls on the first polarizing beam splitter, which divides it into two linearly polarized light fluxes with orthogonal plane directions polarization, and the beam of light rays passing through a non-polarizing beam splitter hits the compensator, introducing a known phase shift between the orthogonal linearly polarized components of the light wave, after which it falls on the second polarizing beam splitter, then all four light fluxes are input to the four-channel spectrometer. 2. Эллипсометр по п. 1, отличающийся тем, что вышедшие из поляризующих светоделителей световые потоки посредством объективов фокусируются на входных щелях четырехканального спектрометра, после чего одни зеркала на каждом световом потоке формируют четыре коллимированных пучка лучей и направляют их на дифракционную решетку, а разложенное в спектр излучение посредством других зеркал на каждом световом потоке фокусируется на соответствующих многоканальных детекторах.2. The ellipsometer according to claim 1, characterized in that the light flux emerging from the polarizing beam splitter through the lenses is focused on the entrance slits of the four-channel spectrometer, after which one mirror on each light flux forms four collimated beams of rays and direct them to the diffraction grating, and decomposed into spectrum radiation through other mirrors on each luminous flux is focused on the corresponding multichannel detectors. 3. Эллипсометр по п. 2, отличающийся тем, что многоканальные детекторы выполнены в виде одномерных массивов фотоприемных элементов.3. The ellipsometer according to claim 2, characterized in that the multichannel detectors are made in the form of one-dimensional arrays of photodetector elements. 4. Эллипсометр по п. 2, отличающийся тем, что многоканальные детекторы выполнены в виде одного двумерного массива фотоприемных элементов.4. The ellipsometer according to claim 2, characterized in that the multichannel detectors are made in the form of one two-dimensional array of photodetector elements. 5. Эллипсометр по п. 2, отличающийся тем, что многоканальные детекторы выполнены в виде нескольких двумерных массивов фотоприемных элементов.5. The ellipsometer according to claim 2, characterized in that the multichannel detectors are made in the form of several two-dimensional arrays of photodetector elements. 6. Эллипсометр по п. 1, отличающийся тем, что поляризующие светоделители могут быть выполнены в виде призм Волластона.6. The ellipsometer according to claim 1, characterized in that the polarizing beam splitters can be made in the form of Wollaston prisms. 7. Эллипсометр по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными неполяризующими светоделителями, поляризующими светоделителями и компенсатором, размещенными друг относительно друга с образованием дополнительных световых потоков, поступающих на входы двух дополнительных четырехканальных спектрометров, при этом пришедший от исследуемого образца пучок световых лучей в первую очередь попадает на первый дополнительный неполяризующий светоделитель, а отраженный от него пучок световых лучей посредством второго дополнительного неполяризующего светоделителя разделяется на два пучка, причем один из них посредством соответствующего поляризующего светоделителя и дополнительных неполяризующих светоделителей преобразуется в четыре световых потока, два из которых поступают на входы первого дополнительного четырехканального спектрометра, а два других - на входы второго дополнительного четырехканального спектрометра, при этом второй пучок световых лучей от второго дополнительного неполяризующего светоделителя посредством компенсатора, соответствующего поляризующего светоделителя и дополнительных неполяризующих светоделителей преобразуется в четыре световых потока, два из которых поступают на входы первого дополнительного четырехканального спектрометра, а два других - на входы второго дополнительного четырехканального спектрометра7. The ellipsometer according to claim 1, characterized in that it is equipped with additional non-polarizing beam splitters, polarizing beam splitters and a compensator located relative to each other with the formation of additional light fluxes arriving at the inputs of two additional four-channel spectrometers, while the light beam coming from the sample under study First of all, it falls on the first additional non-polarizing beam splitter, and the beam of light rays reflected from it by means of the second additional non-polarizing beam splitter the polarizing beam splitter is divided into two beams, and one of them is converted into four light fluxes using the corresponding polarizing beam splitter and additional non-polarizing beam splitters, two of which go to the inputs of the first additional four-channel spectrometer, and the other two to the inputs of the second additional four-channel spectrometer, while the second a beam of light rays from a second additional non-polarizing beam splitter through a compensator corresponding to the polarization guide non-polarizing beamsplitter and additional beamsplitters converted into four light fluxes, two of which are applied to the inputs of the first additional four-channel spectrometer, and the other two - the inputs of the second additional four-spectrometer 8. Эллипсометр по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что плечо поляризатора выполнено в виде совокупности линейных поляризаторов и неполяризующих светоделителей, размещенных друг относительно друга с организацией четырех различных оптических каналов, последовательно направляемых на исследуемый 8. The ellipsometer according to any one of paragraphs. 1-7, characterized in that the polarizer arm is made in the form of a combination of linear polarizers and non-polarizing beam splitters, arranged relative to each other with the organization of four different optical channels, sequentially directed to the studied образец, при этом в первом оптическом канале плеча поляризатора коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит первый линейный поляризатор и первый и второй неполяризующие светоделители, после чего направляется на исследуемый образец, во втором оптическом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит второй линейный поляризатор, отражается от первого неполяризующего светоделителя, проходит второй неполяризующий светоделитель, после чего направляется на исследуемый образец, в третьем оптическом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит третий линейный поляризатор, проходит третий неполяризующий светоделитель, отражается от второго неполяризующего светоделителя, после чего направляется на исследуемый образец, в четвертом оптическом канале коллимированный пучок световых лучей последовательно проходит четвертый линейный поляризатор, компенсатор, последовательно отражается от третьего и второго неполяризующих светоделителей, после чего направляется на исследуемый образец, кроме того каждый из четырех оптических каналов снабжен перекрывающим его оптическим затвором, размещенным между источником световых лучей и неполяризующим светоделителем этого оптического канала.the sample, in this case, in the first optical channel of the polarizer arm, the collimated beam of light rays sequentially passes the first linear polarizer and the first and second non-polarizing beam splitters, after which it is sent to the sample under study, in the second optical channel the collimated beam of light rays sequentially passes the second linear polarizer, is reflected from the first a non-polarizing beam splitter, a second non-polarizing beam splitter passes, after which it is sent to the sample under study, in the third optical Ohm channel, the collimated beam of light rays passes through the third linear polarizer sequentially, the third non-polarizing beam splitter passes through, is reflected from the second non-polarizing beam splitter, and then it is directed to the sample under study, in the fourth optical channel the collimated beam of light rays passes through the fourth linear polarizer, the compensator, is successively reflected from the third and a second non-polarizing beam splitter, after which it is sent to the test sample, in addition, each and Of the four optical channels, it is equipped with an optical shutter overlapping it, located between the light source and the non-polarizing beam splitter of this optical channel.
RU2016134304A 2016-08-23 2016-08-23 Ellipsometer RU2638092C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016134304A RU2638092C1 (en) 2016-08-23 2016-08-23 Ellipsometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016134304A RU2638092C1 (en) 2016-08-23 2016-08-23 Ellipsometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2638092C1 true RU2638092C1 (en) 2017-12-11

Family

ID=60718536

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016134304A RU2638092C1 (en) 2016-08-23 2016-08-23 Ellipsometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2638092C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2149382C1 (en) * 1997-10-23 2000-05-20 Физико-технологический институт Российской академии наук Process determining ellipsometric parameters of object (versions)
US6734968B1 (en) * 1999-02-09 2004-05-11 Haiming Wang System for analyzing surface characteristics with self-calibrating capability
US7075650B1 (en) * 1995-09-20 2006-07-11 J.A. Woollam Co. Inc. Discrete polarization state spectroscopic ellipsometer system and method of use
RU2351917C1 (en) * 2007-05-31 2009-04-10 Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук Ellipsometer
EP1747434B1 (en) * 2004-05-14 2011-07-27 KLA-Tencor Technologies Corporation Systems for measurement or analysis of a specimen using vuv light

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7075650B1 (en) * 1995-09-20 2006-07-11 J.A. Woollam Co. Inc. Discrete polarization state spectroscopic ellipsometer system and method of use
RU2149382C1 (en) * 1997-10-23 2000-05-20 Физико-технологический институт Российской академии наук Process determining ellipsometric parameters of object (versions)
US6734968B1 (en) * 1999-02-09 2004-05-11 Haiming Wang System for analyzing surface characteristics with self-calibrating capability
EP1747434B1 (en) * 2004-05-14 2011-07-27 KLA-Tencor Technologies Corporation Systems for measurement or analysis of a specimen using vuv light
RU2351917C1 (en) * 2007-05-31 2009-04-10 Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук Ellipsometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Azzam Division-of-amplitude photopolarimeter (DOAP) for the simultaneous measurement of all four Stokes parameters of light
JP4140737B2 (en) Broadband spectral rotation compensator ellipsometer
EP1095259B1 (en) Spectroscopic ellipsometer
US7889339B1 (en) Complementary waveplate rotating compensator ellipsometer
KR101844627B1 (en) Measurement of critical dimension
US6856384B1 (en) Optical metrology system with combined interferometer and ellipsometer
WO2010110926A2 (en) Method and apparatus for phase-compensated sensitivity-enhanced spectroscopy (pcses)
US20090033936A1 (en) Optical characteristic measuring apparatus and optical characteristic measuring method
CN111542734B (en) Snapshot ellipsometer
KR101761251B1 (en) Spectroscopic ellipsometer
US11906281B2 (en) Device and method for measuring thickness and refractive index of multilayer thin film by using angle-resolved spectral reflectometry
CN108332945A (en) A kind of diffraction efficiency of grating test system and method
CN104677299A (en) Film detection device and method
US2829555A (en) Polarimetric method and apparatus
CN106092905B (en) Polarized infrared spectrometer
CN110411952A (en) The spectroscopic ellipsometry of more channel of polarization faces array detection obtains system and method
CN102620907B (en) Method for measuring phase delay angles of optical device
US20170045397A1 (en) Device for analysing a specimen and corresponding method
RU2638092C1 (en) Ellipsometer
US3972618A (en) Interferometer for testing materials of different sizes
US7342661B2 (en) Method for noise improvement in ellipsometers
US3481671A (en) Apparatus and method for obtaining optical rotatory dispersion measurements
CN113654996A (en) Device and method for measuring phase retardation of composite achromatic wave plate
KR100395442B1 (en) Ultra high speed spectroscopic ellipsometer
RU2749149C1 (en) Two-way velocity ellipsometer