RU2805281C1 - Device for controlling the direction of optical radiation in ellipsometry for in situ diagnostics of the formation of layered structures - Google Patents
Device for controlling the direction of optical radiation in ellipsometry for in situ diagnostics of the formation of layered structures Download PDFInfo
- Publication number
- RU2805281C1 RU2805281C1 RU2022128900A RU2022128900A RU2805281C1 RU 2805281 C1 RU2805281 C1 RU 2805281C1 RU 2022128900 A RU2022128900 A RU 2022128900A RU 2022128900 A RU2022128900 A RU 2022128900A RU 2805281 C1 RU2805281 C1 RU 2805281C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical radiation
- optical
- matrix
- diaphragm
- quasi
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Техническое решение относится к оптике, к оптическим элементам с отражающими поверхностями и может быть использовано для повышения точности эллипсометрических измерений, проводимых в процессе in situ диагностики при формировании слоистых, в том числе гетероэпитаксиальных структур, методом нанесения в вакууме, в том числе молекулярно-лучевой эпитаксией.The technical solution relates to optics, to optical elements with reflective surfaces and can be used to improve the accuracy of ellipsometric measurements carried out during in situ diagnostics during the formation of layered, including heteroepitaxial structures, by deposition in a vacuum, including molecular beam epitaxy .
Известно устройство для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур (Швец В.А., Азаров И.А., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Якушев М.В., Марин Д.В., Михайлов Н.Н., Кузьмин В.Д., Ремесник В.Г., Дворецкий С.А. «Высокоточная эллипсометрия для in situ диагностики процессов роста слоев КРТ в технологии МЛЭ», XXIV Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 2016, с.с. 67-70), содержащее в плече анализатора эллипсометра после ограничивающей диафрагмы в направлении распространения лазерного пучка систему зеркал и регистрирующую фоточувствительную матрицу, при этом система зеркал выполнена с возможностью направления лазерного пучка на регистрирующую фоточувствительную матрицу (ПЗС/КМОП-матрица). Формируемое изображение ПЗС/КМОП-матрицей светового пятна при падении на нее пучка выводят на экран монитора и принимают его положение относительно центра матрицы в качестве критерия для настройки.A device is known for monitoring the direction of optical radiation in ellipsometry for in situ diagnostics of the formation of layered structures (Shvets V.A., Azarov I.A., Spesivtsev E.V., Rykhlitsky S.V., Yakushev M.V., Marin D. V., Mikhailov N.N., Kuzmin V.D., Remesnik V.G., Dvoretsky S.A. “High-precision ellipsometry for in situ diagnostics of growth processes of MCT layers in MBE technology,” XXIV International Scientific and Technical Conference on Photoelectronics and night vision devices, 2016, pp. 67-70), containing in the arm of the ellipsometer analyzer after the limiting diaphragm in the direction of propagation of the laser beam a system of mirrors and a recording photosensitive matrix, wherein the mirror system is configured to direct the laser beam to the recording photosensitive matrix (CCD/CMOS). The image of the light spot formed by the CCD/CMOS matrix when the beam falls on it is displayed on the monitor screen and its position relative to the center of the matrix is taken as a criterion for adjustment.
В качестве ближайшего аналога принято устройство для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур (Швец В.А., Азаров И.А., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Якушев М.В., Марин Д.В., Михайлов Н.Н., Кузьмин В.Д., Ремесник В.Г., Дворецкий С.А. «Методические и приборные проблемы высокоточной эллипсометрической in situ диагностики состава слоев кадмий-ртуть-теллур в технологии молекулярно-лучевой эпитаксии», Приборы и техника эксперимента, 2016, №6, с.с. 87-94), содержащее в плече анализатора эллипсометра оптически связанные элементы: ограничивающую диафрагму, зеркальный переключатель и регистрирующую фоточувствительную матрицу. После ограничивающей диафрагмы в направлении распространения оптического излучения расположен зеркальный переключатель и регистрирующая фоточувствительная матрица, при этом зеркальный переключатель установлен на оптической оси по ходу пучка после ограничивающей диафрагмы с возможностью направления пучка на регистрирующую фоточувствительную матрицу (ПЗС/КМОП-матрицу) и регистрации ею полного изображения светового пятна. Регистрируемое ПЗС/КМОП-матрицей изображение светового пятна при падении на нее пучка выводят на экран монитора и принимают его положение относительно центра матрицы в качестве критерия для настройки. На основании его положения относительно виртуального перекрестья судят о корректности настройки и необходимости проведения юстировки подложки с формируемой на ней слоистой структурой.As the closest analogue, a device for monitoring the direction of optical radiation in ellipsometry for in situ diagnostics of the formation of layered structures was adopted (Shvets V.A., Azarov I.A., Spesivtsev E.V., Rykhlitsky S.V., Yakushev M.V. , Marin D.V., Mikhailov N.N., Kuzmin V.D., Remesnik V.G., Dvoretsky S.A. “Methodological and instrumental problems of high-precision ellipsometric in situ diagnostics of the composition of cadmium-mercury-tellurium layers in molecular technology -beam epitaxy”, Instruments and experimental technology, 2016, No. 6, pp. 87-94), containing optically connected elements in the ellipsometer analyzer arm: a limiting diaphragm, a mirror switch and a recording photosensitive matrix. After the limiting diaphragm in the direction of propagation of optical radiation there is a mirror switch and a recording photosensitive matrix, while the mirror switch is installed on the optical axis along the beam after the limiting diaphragm with the ability to direct the beam to the recording photosensitive matrix (CCD/CMOS matrix) and register the full image with it light spot. The image of the light spot recorded by the CCD/CMOS matrix when the beam falls on it is displayed on the monitor screen and its position relative to the center of the matrix is taken as a criterion for adjustment. Based on its position relative to the virtual crosshair, the correctness of the adjustment and the need to adjust the substrate with the layered structure formed on it are judged.
Приведенные технические решения обладают недостатком, заключающимся в достижении ограниченной степени контроля угла отражения оптического излучения, что препятствует достижению более высокой точности эллипсометрических измерений. Причиной является использование в этих целях средств, которые не обеспечивают надлежащую оптическую базу для реализации требуемой чувствительности к отклонениям направленности излучения, чтобы улучшить контроль. Изображение пятна на регистрирующей фоточувствительной матрице размыто вследствие дифракции Френеля на апертурах и неоднородностях оптического тракта. Тестовые испытания, проведенные на имитаторе вакуумной камеры, показали, что разброс эллипсометрических параметров с использованием описанных средств достигает δΨ=±0,008° и δΔ=±0,06° от эксперимента к эксперименту.The above technical solutions have the disadvantage of achieving a limited degree of control over the angle of reflection of optical radiation, which prevents the achievement of higher accuracy of ellipsometric measurements. The reason is the use of means for these purposes that do not provide the appropriate optical base to realize the required sensitivity to radiation deviations in order to improve control. The spot image on the recording photosensitive matrix is blurred due to Fresnel diffraction on apertures and inhomogeneities of the optical path. Test tests carried out on a vacuum chamber simulator showed that the spread of ellipsometric parameters using the described means reaches δΨ=±0.008° and δΔ=±0.06° from experiment to experiment.
Таким образом, известными средствами контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии, используемой для in situ диагностики роста слоистых структур, не может быть реализовано максимально точное определение состава, температуры и толщины при формировании слоев указанных структур.Thus, the known means of controlling the direction of optical radiation in ellipsometry, used for in situ diagnostics of the growth of layered structures, cannot provide the most accurate determination of the composition, temperature and thickness during the formation of layers of these structures.
Разработка устройства направлена на решение технической проблемы создания компактно размещаемого в плече анализатора эллипсометра средства для улучшения диагностики роста слоистых структур, обеспечения настройки необходимого положения подложки в процессе формирования слоистой структуры в целях достижения точности контроля за процессом формирования структур, в частности, получаемого состава, определения температуры и толщины выращиваемых слоев за счет достигаемого технического результата.The development of the device is aimed at solving the technical problem of creating a tool compactly placed in the arm of an ellipsometer analyzer to improve diagnostics of the growth of layered structures, to ensure adjustment of the required position of the substrate during the formation of a layered structure in order to achieve accurate control over the process of formation of structures, in particular, the resulting composition, determination of temperature and the thickness of the grown layers due to the achieved technical result.
Техническим результатом при использовании предлагаемого технического решения является:The technical result when using the proposed technical solution is:
- повышение точности контроля угла отражения оптического излучения до пределов поляризационной оптики - 0,001 угловых градуса в параметре Ψ;- increasing the accuracy of control of the reflection angle of optical radiation to the limits of polarization optics - 0.001 angular degrees in the Ψ parameter;
- устранение неоднородностей светового пятна на регистрирующей фоточувствительной матрице.- elimination of inhomogeneities of the light spot on the recording photosensitive matrix.
Технический результат достигается устройством для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур, содержащим в плече анализатора эллипсометра в направлении распространения оптического пучка ограничивающую диафрагму, оптически связанную с указанной диафрагмой регистрирующую фоточувствительную матрицу, выполненную с возможностью регистрации полного изображения светового пятна, при этом ограничивающая диафрагма выполнена обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка, между ограничивающей диафрагмой и регистрирующей фоточувствительной матрицей установлено оптически связанное с ними приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения.The technical result is achieved by a device for monitoring the direction of optical radiation in ellipsometry for in situ diagnostics of the formation of layered structures, containing in the arm of the ellipsometer analyzer in the direction of propagation of the optical beam a limiting diaphragm, optically connected to the specified diaphragm, a recording photosensitive matrix, configured to register the complete image of the light spot, in this case, the limiting diaphragm is designed to ensure Fraunhofer diffraction conditions, with the possibility of cutting out a quasi-parallel beam; an optically connected device is installed between the limiting diaphragm and the recording photosensitive matrix, increasing the propagation of the quasi-parallel optical beam between the specified diaphragm and matrix to a length that provides increased sensitivity to deviations in the direction of the optical radiation, thereby helping to increase the accuracy of determining the angle of reflection of optical radiation.
В устройстве для контроля направленности оптического излучения приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, выполнено увеличивающим распространение оптического пучка до длины, равной одному метру.In a device for controlling the directionality of optical radiation, a device that increases the propagation of a quasi-parallel optical beam between the specified diaphragm and the matrix to a length that provides increased sensitivity to the deviation of the direction of optical radiation, thereby helping to increase the accuracy of determining the angle of reflection of optical radiation, is designed to increase the propagation of the optical beam to a length equal to one meter.
В устройстве для контроля направленности оптического излучения указанное приспособление, выполнено в виде призматического зеркального клина или в виде установленных напротив друг друга зеркальных пластин с зазором, повторяющим геометрию призматического зеркального клина, при этом зеркальные поверхности призматического зеркального клина или зеркальных пластин расположены по отношению друг к другу под углом 0,7° и выполнены с длиной поверхностей, между которыми реализованы множественные отражения оптического пучка, равной 33 мм.In the device for controlling the direction of optical radiation, the specified device is made in the form of a prismatic mirror wedge or in the form of mirror plates installed opposite each other with a gap repeating the geometry of the prismatic mirror wedge, while the mirror surfaces of the prismatic mirror wedge or mirror plates are located in relation to each other at an angle of 0.7° and are made with a length of surfaces between which multiple reflections of the optical beam are realized equal to 33 mm.
В устройстве для контроля направленности оптического излучения ограничивающая диафрагма, выполненная обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка, реализована с размером входной апертуры, обеспечивающим достаточность дифракции в зоне за апертурой для размытия спекл-картины оптического пучка при прохождении пучком оптического тракта от излучателя до анализатора и возможность регистрации полного изображения светового пятна регистрирующей фоточувствительной матрицей однородным, с локализацией его в пределах регистрирующей фоточувствительной матрицы при отклонениях направленности оптического излучения.In a device for controlling the direction of optical radiation, the limiting diaphragm, designed to ensure Fraunhofer diffraction conditions, with the possibility of cutting out a quasi-parallel beam, is implemented with an input aperture size that ensures sufficient diffraction in the area behind the aperture to blur the speckle pattern of the optical beam as the beam passes through the optical path from the emitter to analyzer and the possibility of registering the complete image of the light spot with a recording photosensitive matrix homogeneous, with its localization within the recording photosensitive matrix in case of deviations in the direction of optical radiation.
В устройстве для контроля направленности оптического излучения в ограничивающей диафрагме, выполненной обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка, реализованной с размером входной апертуры, обеспечивающим достаточность дифракции в зоне за апертурой для размытия спекл-картины оптического пучка при прохождении пучком оптического тракта от излучателя до анализатора и регистрации полного изображения светового пятна регистрирующей фоточувствительной матрицей однородным, с локализацией его в пределах регистрирующей фоточувствительной матрицы при отклонениях направленности оптического излучения, размер апертуры равен 1 мм.In a device for controlling the direction of optical radiation in a limiting diaphragm, designed to ensure Fraunhofer diffraction conditions, with the ability to cut out a quasi-parallel beam, implemented with an input aperture size that ensures sufficient diffraction in the area behind the aperture to blur the speckle pattern of the optical beam as the beam passes through the optical path from the emitter before the analyzer and registration of the complete image of the light spot by the recording photosensitive matrix is uniform, with its localization within the recording photosensitive matrix with deviations in the direction of the optical radiation, the aperture size is 1 mm.
В устройстве для контроля направленности оптического излучения в качестве регистрирующей фоточувствительной матрицы, выполненной с возможностью регистрации полного изображения светового пятна, использована малоформатная матрица размером 6,4×4,8 мм2.In the device for monitoring the direction of optical radiation, a small-format matrix measuring 6.4×4.8 mm 2 is used as a recording photosensitive matrix, capable of recording the full image of a light spot.
Устройство для контроля направленности оптического дополнительно снабжено отклоняющим зеркалом, установленным между ограничивающей диафрагмой и приспособлением, увеличивающим распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, указанное зеркало предназначено для удобства оптической связи между указанными элементами устройства, направляя квазипараллельный пучок от диафрагмы в указанное приспособление.The device for monitoring the optical directionality is additionally equipped with a deflecting mirror installed between the limiting diaphragm and a device that increases the propagation of the quasi-parallel optical beam between the specified diaphragm and the matrix to a length that provides increased sensitivity to the deviation of the directionality of optical radiation, thereby helping to increase the accuracy of determining the angle of reflection of optical radiation, the specified mirror is intended for convenient optical communication between the specified elements of the device, directing a quasi-parallel beam from the diaphragm into the specified device.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.The essence of the technical solution is illustrated by the following description and the accompanying figures.
На Фиг. 1 представлена схема осуществления контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур с многократным проходом вырезанного квазипараллельного пучка между зеркально отражающими поверхностями, тем самым формирующим необходимую оптическую базу, обеспечивающую требуемую чувствительность к отклонениям направленности, для повышения точности контроля угла отражения, с финальной подачей пучка на регистрирующую фоточувствительную матрицу (ПЗС/КМОП-матрицу) и выводом регистрируемого матрицей светового пятна на экран монитора, где 1 - квазипараллельный пучок; 2 - фоточувствительная матрица.In FIG. Figure 1 shows a diagram of monitoring the direction of optical radiation in ellipsometry for in situ diagnostics of the formation of layered structures with multiple passages of a cut quasi-parallel beam between specularly reflecting surfaces, thereby forming the necessary optical base, providing the required sensitivity to directional deviations, to improve the accuracy of control of the reflection angle, with final supply of the beam to the recording photosensitive matrix (CCD/CMOS matrix) and output of the light spot recorded by the matrix to the monitor screen, where 1 is a quasi-parallel beam; 2 - photosensitive matrix.
На Фиг. 2 схематически проиллюстрирована возможность увеличения оптической базы за счет многократных проходов оптического пучка между зеркальными поверхностями, где 3 - зеркально отражающие поверхности.In FIG. Figure 2 schematically illustrates the possibility of increasing the optical base due to multiple passes of the optical beam between mirror surfaces, where 3 are specular reflecting surfaces.
На Фиг. 3 представлены результаты измерения эллипсометрических углов Ψ и Δ на испытательном стенде при многократных качаниях тестового образца монокристаллического кремния относительно двух взаимно перпендикулярных осей - взаимная зависимость эллипсометрических углов при многократных качаниях образца, где: δγ - поворот плоскости падения; δϕ - изменение угла падения.In FIG. Figure 3 shows the results of measuring the ellipsometric angles Ψ and Δ on the test bench during repeated swings of a test sample of single-crystalline silicon relative to two mutually perpendicular axes - the mutual dependence of the ellipsometric angles during repeated swings of the sample, where: δγ - rotation of the plane of incidence; δϕ - change in angle of incidence.
На Фиг. 4 отражены результаты испытания предлагаемого устройства относительно синхронного слежения за изменением положения регистрируемого матрицей светового пятна и показаниями эллипсометра при наклонах образца, его качании, - на представленном графике продемонстрировано соответствие синхронных измерений эллипсометрического угла и смещения светового пятна на регистрирующей фоточувствительной матрице при покачивании образца на предметном столике в диапазоне качания ±3' угловых минуты.In FIG. Figure 4 shows the results of testing the proposed device regarding synchronous tracking of changes in the position of the light spot recorded by the matrix and the readings of the ellipsometer when the sample is tilted and rocked - the presented graph demonstrates the correspondence of synchronous measurements of the ellipsometric angle and the displacement of the light spot on the recording photosensitive matrix when the sample is rocked on the stage within a swing range of ±3' arcminutes.
Предлагаемое устройство осуществляет выявления и измерения малых отклонений направленности зондирующего оптического (лазерного) пучка эллипсометра. Направленность пучка влияет на результаты измерений. В составе устройства в плече анализатора эллипсометра выполнена ограничивающая диафрагма. После ограничивающей диафрагмы в направлении распространения оптического пучка устройство содержит оптически связанную с указанной диафрагмой регистрирующую фоточувствительную матрицу 2. К отличительным особенностям предлагаемого устройства по сравнению с прототипом относится, во-первых, выполнение в устройстве ограничивающей диафрагмы, обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, вырезающей квазипараллельный пучок 1 из пучка, поступающего на ее апертуру, и, во-вторых, наличие приспособления, увеличивающего распространение квазипараллельного оптического пучка (см. Фиг. 2) между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения (см. Фиг. 1 и 2). В устройстве отсутствуют подвижные части и наблюдение за смещением пучка производится одновременно с эллипсометрическими измерениями. Приспособление создает необходимую оптическую базу для повышения чувствительности к отклонению направленности оптического излучения при прохождении им оптического тракта.The proposed device detects and measures small deviations in the direction of the probing optical (laser) beam of an ellipsometer. The direction of the beam affects the measurement results. As part of the device, a limiting diaphragm is made in the arm of the ellipsometer analyzer. After the limiting diaphragm in the direction of propagation of the optical beam, the device contains a recording photosensitive matrix 2, optically connected to the specified diaphragm. The distinctive features of the proposed device in comparison with the prototype include, firstly, the implementation in the device of a limiting diaphragm that ensures the conditions of Fraunhofer diffraction, cutting out a quasi-parallel beam 1 from the beam arriving at its aperture, and, secondly, the presence of a device that increases the propagation of a quasi-parallel optical beam (see Fig. 2) between the specified diaphragm and matrix to a length that provides increased sensitivity to deviations in the direction of optical radiation, thereby helping to increase accuracy of determining the angle of reflection of optical radiation (see Fig. 1 and 2). The device has no moving parts and beam displacement is observed simultaneously with ellipsometric measurements. The device creates the necessary optical base to increase sensitivity to deviations in the direction of optical radiation as it passes through the optical path.
Устройство позволяет повысить точность настройки эллипсометрического оборудования, в частности, в камере молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и контролировать направленность оптического пучка при осуществлении технологического процесса роста структур на основе твердых растворов, в частности твердого раствора теллуридов кадмия и ртути (КРТ). Таким образом обеспечивается возможность для корректировки положения образца - подложки с формируемой на ней слоистой структурой, повышения точности определения состава, температуры и толщины выращиваемых слоев. В ниже приведенной таблице по нескольким выбранным параметрам приведены данные, демонстрирующие действенность предлагаемого устройства.The device makes it possible to increase the accuracy of tuning ellipsometric equipment, in particular, in a molecular beam epitaxy (MBE) chamber and to control the direction of the optical beam during the technological process of growth of structures based on solid solutions, in particular a solid solution of cadmium and mercury tellurides (CMT). This provides the opportunity to adjust the position of the sample - the substrate with the layered structure formed on it, and to increase the accuracy of determining the composition, temperature and thickness of the grown layers. The table below provides data for several selected parameters that demonstrate the effectiveness of the proposed device.
Повышение точности контроля угла отражения оптического излучения до пределов поляризационной оптики - 0,001 угловых градуса в параметре Ψ обеспечивается в устройстве главным образом за счет увеличения оптической базы в малом компактном пространстве, для чего предназначено указанное приспособление. Чем больший путь проходит оптический пучок при распространении в пространстве, тем сильнее проявляется отклонение направленности оптического излучения и, как следствие, повышается чувствительность при выявлении отклонений. Таким образом, предлагаемым устройством за счет повышения степени контроля угла отражения оптического излучения достигается снижение погрешности при определении параметров формируемой структуры, в частности в камере молекулярно-лучевой эпитаксии.Increasing the accuracy of control of the reflection angle of optical radiation to the limits of polarization optics - 0.001 angular degrees in the Ψ parameter is ensured in the device mainly by increasing the optical base in a small compact space, for which the specified device is intended. The longer the path an optical beam travels when propagating in space, the stronger the deviation in the direction of optical radiation is manifested and, as a result, the sensitivity in detecting deviations increases. Thus, by increasing the degree of control over the angle of reflection of optical radiation, the proposed device achieves a reduction in the error in determining the parameters of the structure being formed, in particular in the molecular beam epitaxy chamber.
Устранение размытия, неоднородностей, светового пятна на регистрирующей фоточувствительной матрице вследствие дифракции Френеля на апертурах оптического тракта достигается тем, что предлагаемое устройство функционирует в условиях проявления дифракции Фраунгофера. Световое пятно на матрице имеет четкий контур. Это достигается ограничивающей диафрагмой, вырезающей малую часть исходного квазипараллельного пучка 1 и обеспечивающей тем самым условия дифракции Фраунгофера (см. Фиг. 1).Elimination of blur, inhomogeneities, and light spots on the recording photosensitive matrix due to Fresnel diffraction at the apertures of the optical path is achieved by the fact that the proposed device operates under conditions of Fraunhofer diffraction. The light spot on the matrix has a clear outline. This is achieved by a limiting diaphragm that cuts out a small part of the original quasi-parallel beam 1 and thereby ensures Fraunhofer diffraction conditions (see Fig. 1).
С учетом всех основных функциональных элементов конструкции - ограничивающей диафрагмы, приспособления, регистрирующей фоточувствительной матрицы - устройством обеспечивается реализация слежения за положением пятна от оптического пучка на матрице с требуемой точностью. При обнаружении отклонения от требуемого положения пятна на матрице, принятого за начальную точку отсчета, осуществляют коррекцию положения образца. Выполненная коррекция положения приводит к повышению точности измерений эллипсометрических параметров с достижением максимума точности, так как световое пятно имеет четкий контур, а угол отражения, принципиально влияющий на результаты эллипсометрических измерений, находится под контролем.Taking into account all the main functional elements of the design - the limiting diaphragm, the device, the recording photosensitive matrix - the device ensures the implementation of tracking the position of the spot from the optical beam on the matrix with the required accuracy. If a deviation from the required position of the spot on the matrix, taken as the initial reference point, is detected, the position of the sample is corrected. The performed position correction leads to an increase in the accuracy of measurements of ellipsometric parameters, achieving maximum accuracy, since the light spot has a clear contour, and the reflection angle, which fundamentally affects the results of ellipsometric measurements, is under control.
Известно, что результаты эллипсометрических измерений весьма чувствительны к настройке образца. Положение образца характеризуется тремя степенями свободы: два угла качания - один в плоскости падения света (угол падения ϕ), второй - угол поворота плоскости падения (γ), и поступательное перемещение вдоль нормали к поверхности - ось Н. При этом, как правило, принимается, что образец является однородным и планарным, и, таким образом, смещение светового пятна зондирующего луча по поверхности образца не приводит к изменениям эллипсометрических показаний. В отношении геометрии зондирующего луча, падающего на образец, характерны два предельных случая.It is known that the results of ellipsometric measurements are very sensitive to sample settings. The position of the sample is characterized by three degrees of freedom: two swing angles - one in the plane of incidence of light (angle of incidence ϕ), the second - the angle of rotation of the plane of incidence (γ), and translational movement along the normal to the surface - the H axis. In this case, as a rule, that the sample is homogeneous and planar, and, thus, the displacement of the light spot of the probing beam along the surface of the sample does not lead to changes in the ellipsometric readings. With regard to the geometry of the probing beam incident on the sample, two limiting cases are characteristic.
Первый - пучок сфокусирован в плоскости поверхности исследуемого образца, в регистрирующую часть эллипсометра поступает расходящийся пучок.The first is that the beam is focused in the plane of the surface of the sample under study; a diverging beam enters the recording part of the ellipsometer.
Второй - геометрически параллельный пучок, характеризующийся минимальной расходимостью вдоль всего оптического пути (квазипараллельный пучок).The second is a geometrically parallel beam, characterized by minimal divergence along the entire optical path (quasi-parallel beam).
В первом случае измерения оказываются нечувствительными к угловому положению образца, поскольку из расходящегося пучка диафрагмой вырезается конус, соответствующий заданному углу отражения. Однако указанные измерения имеют высокую чувствительность к смещению образца вдоль оси Н. Во втором случае, наоборот, измерения оказываются нечувствительными к смещению образца вдоль оси Н, и характеризуются высокой чувствительностью к угловому положению образца.In the first case, the measurements turn out to be insensitive to the angular position of the sample, since a cone corresponding to a given reflection angle is cut out of the diverging beam by a diaphragm. However, these measurements are highly sensitive to the displacement of the sample along the H axis. In the second case, on the contrary, the measurements turn out to be insensitive to the displacement of the sample along the H axis, and are characterized by high sensitivity to the angular position of the sample.
Выше сказанное подтверждают результаты экспериментов. При фокусировке излучения на поверхности образца, даже в случае присутствия неоднородностей в оптическом тракте анализатора, стабильность измерений повышается. Однако малые перемещения образца вдоль нормали к поверхности, по оси Н, вызывают резкие изменения регистрируемых эллипсометрических параметров. В случае с квазипараллельным пучком - наоборот, при малых смещениях образца вдоль оси Н существенных изменений в эллипсометрических параметрах (углах Ψ и Δ) не происходит, при угловых же смещениях положения образца, его наклонах, - фиксируются существенные изменения.The above is confirmed by the results of experiments. By focusing radiation on the surface of the sample, even in the presence of inhomogeneities in the optical path of the analyzer, the stability of measurements increases. However, small movements of the sample along the normal to the surface, along the H axis, cause sharp changes in the recorded ellipsometric parameters. In the case of a quasi-parallel beam, on the contrary, with small displacements of the sample along the H axis, significant changes in the ellipsometric parameters (angles Ψ and Δ) do not occur, but with angular displacements of the position of the sample, its inclinations, significant changes are recorded.
Оценки показывают совпадение наблюдаемых изменений с ожидаемыми величинами, обуславливаемыми угловыми зависимостями поляризационных характеристик образца. На примере тестового образца монокристаллического кремния, на Фиг. 3 показаны изменения эллипсометрических углов Ψ и Δ при качаниях образца с поворотом плоскости падения и с изменением угла падения на δγ≈δϕ≈7', соответственно. При этом угловая чувствительность на поверхности кремния вблизи угла падения 65° составляет δΨ/δϕ=-1,05. Изменение угла Ψ в эксперименте составляет δΨехр≈0,12°=7'12'', что согласуется с оценочным значением δΨcalc=(δΨ/δϕ)⋅δϕ=7'33''. Чувствительность угла Δ в данном случае оказывается на порядок выше расчетной, что связано с высокой неоднородностью оптического тракта del-канала в данном эксперименте.Estimates show the coincidence of the observed changes with the expected values determined by the angular dependences of the polarization characteristics of the sample. Using a test sample of monocrystalline silicon as an example, Fig. Figure 3 shows changes in the ellipsometric angles Ψ and Δ when the sample rocks with a rotation of the plane of incidence and with a change in the angle of incidence by δγ≈δϕ≈7', respectively. In this case, the angular sensitivity on the silicon surface near the angle of incidence of 65° is δΨ/δϕ=-1.05. The change in angle Ψ in the experiment is δΨ exp ≈0.12°=7'12'', which is consistent with the estimated value δΨ calc =(δΨ/δϕ)⋅δϕ=7'33''. The sensitivity of the angle Δ in this case turns out to be an order of magnitude higher than the calculated one, which is associated with the high inhomogeneity of the optical path of the del channel in this experiment.
Тем не менее, несмотря на неоднородности в оптических трактах, воспроизводимость зависимости измеряемых эллипсометрических углов от углового положения образца, остается неизменной. Это подтверждается повторяемостью сложной кривой в координатах Ψ-Δ при периодическом качании образца (см. Фиг. 3). Повторяемость показывает разброс в каждой области кривой в пределах стабильности измерений. Данный факт приводит к выводу о том, что неоднородности оптического тракта относительно волнового фронта остаются неизменными во времени.However, despite the inhomogeneities in the optical paths, the reproducibility of the dependence of the measured ellipsometric angles on the angular position of the sample remains unchanged. This is confirmed by the repeatability of a complex curve in Ψ-Δ coordinates when the sample is periodically rocked (see Fig. 3). Repeatability shows the spread in each area of the curve within the limits of measurement stability. This fact leads to the conclusion that the inhomogeneities of the optical path relative to the wavefront remain unchanged over time.
Последнее свидетельствует в пользу возможности повышения воспроизводимости эллипсометрических измерений до уровня долговременной стабильности, которая составляет δΨ=0,004° и δΔ=0,05°. Однако при этом необходимо организовать возможность выявления, как реально расположен образец и как следует скорректировать его положение. При этом воспроизводимость позиционирования образца должна быть на уровне не хуже δϕ=δγ≤10''=0,003° и δh≤0,1 мм.The latter indicates the possibility of increasing the reproducibility of ellipsometric measurements to the level of long-term stability, which is δΨ=0.004° and δΔ=0.05°. However, it is necessary to organize the possibility of identifying how the sample is actually located and how its position should be corrected. In this case, the reproducibility of sample positioning should be at a level no worse than δϕ=δγ≤10''=0.003° and δh≤0.1 mm.
В целях реализации указанного выполнено оснащение плеча анализатора специальными средствами, входящими в состав предлагаемого устройства.In order to implement this, the analyzer arm was equipped with special means included in the proposed device.
Повысить точность и решить указанные проблемы возможно при использовании дополнительной диафрагмы на входе плеча анализатора. Эта диафрагма вырезает малую часть оптического пучка, поступающего на вход плеча анализатора. В этом случае, благодаря дифракции на отверстии происходит усреднение интенсивности в пределах апертуры пучка, что делает изображение пятна от оптического излучения более однородным. Для достижения требуемой чувствительности необходимо создать достаточно большую оптическую базу между диафрагмой и приемной матрицей - регистрирующей фоточувствительной матрицей (см. Фиг. 1). Это достигается за счет использования приспособления, увеличивающего распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения. В приспособлении сформирован зеркальный клин, обеспечивающий множество отражений пучка между зеркальными поверхностями 3 (см. Фиг. 2).It is possible to increase accuracy and solve these problems by using an additional diaphragm at the input of the analyzer arm. This diaphragm cuts out a small part of the optical beam entering the analyzer arm input. In this case, due to diffraction at the aperture, the intensity is averaged within the beam aperture, which makes the image of the optical radiation spot more uniform. To achieve the required sensitivity, it is necessary to create a sufficiently large optical base between the diaphragm and the receiving matrix - the recording photosensitive matrix (see Fig. 1). This is achieved through the use of a device that increases the propagation of a quasi-parallel optical beam between the specified diaphragm and matrix to a length that provides increased sensitivity to the deviation of the direction of optical radiation, thereby increasing the accuracy of determining the angle of reflection of optical radiation. A mirror wedge is formed in the device, providing multiple reflections of the beam between the mirror surfaces 3 (see Fig. 2).
В обеспечении высоких параметров чувствительности большое значение имеет наличие параллельного пучка оптического излучения, отвечающего условию минимальной расходимости. Так, расходимость пучка в 1 мрад не обеспечивает точность выше 3,5 угловых минут, поскольку направленность пучка на краях и в центре не является одинаковой.In ensuring high sensitivity parameters, the presence of a parallel beam of optical radiation that meets the condition of minimum divergence is of great importance. Thus, a beam divergence of 1 mrad does not provide an accuracy higher than 3.5 arcminutes, since the direction of the beam at the edges and in the center is not the same.
Размер пучка и диафрагмы ограничен дифракционными пределами. С увеличением апертуры пучка и апертуры диафрагмы расходимость пучка уменьшается. Однако при этом для реализации устройства потребуется увеличение размеров оптических элементов и элементов регистрирующей фоточувствительной матрицы.The size of the beam and aperture is limited by diffraction limits. As the beam aperture and diaphragm aperture increase, the beam divergence decreases. However, in order to implement the device, it will be necessary to increase the size of the optical elements and elements of the recording photosensitive matrix.
Необходимо отметить также следующее.The following should also be noted.
Оптическая база (см. Фиг. 2) между диафрагмой и матрицей, обеспечиваемая выполнением в устройстве соответствующего приспособления, в частности, составляет в количественных значениях 1 м. При этом при наличии дифракционной расходимости пучка чувствительность к положению пучка на матрице снижается и составляет 0,03 мм. Таким образом, чувствительность системы в целом остается на уровне 6''. Но для достижения этого требуется, чтобы пучок, подаваемый в плечо анализатора, имел меньшую расходимость (хотя бы в пределах возможных смещений образца по высоте). Это налагает достаточно жесткое требование для системы оптической коллимации излучения от источника. Например, расходимость применяемых гелий-неоновых лазеров ГН-2П-1 составляет 2 мрад и обеспечивает точность 7' при апертуре 0,5 мм. Для корректной работы данной системы требуются значения расходимости в несколько раз меньше при апертуре в 15-20 раз большей. Эти требования обеспечиваются применением телескопической системы расширения пучка. Таким образом, предлагаемое устройство работает с претерпевшим предварительное расширение, перед поступлением его на ограничивающую диафрагму, оптическим пучком.The optical base (see Fig. 2) between the diaphragm and the matrix, ensured by the implementation of a corresponding device in the device, in particular, is 1 m in quantitative values. Moreover, in the presence of diffraction divergence of the beam, the sensitivity to the position of the beam on the matrix is reduced and amounts to 0.03 mm. Thus, the sensitivity of the system as a whole remains at 6''. But to achieve this, it is required that the beam supplied to the analyzer arm have a lower divergence (at least within the limits of possible displacements of the sample in height). This imposes a fairly stringent requirement for the system of optical collimation of radiation from the source. For example, the divergence of the GN-2P-1 helium-neon lasers used is 2 mrad and provides an accuracy of 7' with an aperture of 0.5 mm. For correct operation of this system, divergence values are required several times smaller with an aperture 15-20 times larger. These requirements are met by using a telescopic beam expansion system. Thus, the proposed device works with an optical beam that has undergone preliminary expansion before entering the limiting diaphragm.
В обобщенном случае выполнения, предлагаемое устройство для контроля направленности оптического излучения в эллипсометрии для in situ диагностики формирования слоистых структур содержит в плече анализатора эллипсометра ограничивающую диафрагму, регистрирующую фоточувствительную матрицу и приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения (см. Фиг. 1). При этом ограничивающая диафрагма выполнена обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка 1. Регистрирующая фоточувствительная матрица 2 выполнена с возможностью регистрации полного изображения светового пятна.In a generalized case, the proposed device for monitoring the direction of optical radiation in ellipsometry for in situ diagnostics of the formation of layered structures contains in the arm of the ellipsometer analyzer a limiting diaphragm, a recording photosensitive matrix and a device that increases the propagation of a quasi-parallel optical beam between the specified diaphragm and the matrix to a length that provides an increase sensitivity to deviations in the direction of optical radiation, thereby helping to increase the accuracy of determining the angle of reflection of optical radiation (see Fig. 1). In this case, the limiting diaphragm is designed to ensure Fraunhofer diffraction conditions, with the ability to cut out a quasi-parallel beam 1. The recording photosensitive matrix 2 is designed to record the complete image of the light spot.
Указанная диафрагма расположена в направлении распространения оптического пучка, с возможностью подачи на нее оптического излучения. Ограничивающая диафрагма оптически связана с приспособлением, увеличивающим распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения. Указанное приспособление оптически связано с регистрирующей фоточувствительной матрицей.The specified diaphragm is located in the direction of propagation of the optical beam, with the possibility of supplying optical radiation to it. The limiting diaphragm is optically connected to a device that increases the propagation of a quasi-parallel optical beam between the specified diaphragm and the matrix to a length that provides increased sensitivity to the deviation of the direction of optical radiation, thereby increasing the accuracy of determining the angle of reflection of optical radiation. This device is optically connected to a recording photosensitive matrix.
В предпочтительных вариантах реализации предлагаемого устройства для него характерны следующие особенности.In preferred embodiments of the proposed device, it is characterized by the following features.
Так, ограничивающая диафрагма, выполненная обеспечивающей условия дифракции Фраунгофера, с возможностью вырезания квазипараллельного пучка 1, реализована с размером входной апертуры, обеспечивающим достаточность дифракции в зоне за апертурой для размытия спекл-картины оптического пучка при прохождении пучком оптического тракта от излучателя до анализатора. Кроме того, указанная диафрагма обеспечивает возможность регистрации полного изображения светового пятна регистрирующей фоточувствительной матрицей однородным, с локализацией его в пределах регистрирующей фоточувствительной матрицы 2 при отклонениях направленности оптического излучения. В частном случае реализации в указанной ограничивающей диафрагме размер входной апертуры равен 1 мм.Thus, the limiting diaphragm, designed to ensure Fraunhofer diffraction conditions, with the possibility of cutting out a quasi-parallel beam 1, is implemented with an input aperture size that ensures sufficient diffraction in the area behind the aperture to blur the speckle pattern of the optical beam as the beam passes through the optical path from the emitter to the analyzer. In addition, this diaphragm makes it possible to register the complete image of the light spot with the recording photosensitive matrix uniformly, with its localization within the recording photosensitive matrix 2 in case of deviations in the direction of the optical radiation. In the particular case of implementation in the specified limiting diaphragm, the size of the input aperture is 1 mm.
В частном случае реализации приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, выполнено увеличивающим распространение оптического пучка до длины, равной одному метру. При этом указанное приспособление, выполнено в виде призматического зеркального клина или в виде установленных напротив друг друга зеркальных пластин с зазором, повторяющим геометрию призматического зеркального клина (см. Фиг. 2). В приспособлении зеркальные поверхности призматического зеркального клина или зеркальных пластин расположены по отношению друг к другу под углом 0,7° и выполнены с длиной поверхностей, между которыми реализованы множественные отражения оптического пучка, равной 33 мм.In a particular case of implementation, a device that increases the propagation of a quasi-parallel optical beam between the specified diaphragm and the matrix to a length that provides increased sensitivity to the deviation of the direction of optical radiation, thereby helping to increase the accuracy of determining the angle of reflection of optical radiation, is designed to increase the propagation of the optical beam to a length equal to one meter . In this case, the specified device is made in the form of a prismatic mirror wedge or in the form of mirror plates installed opposite each other with a gap repeating the geometry of the prismatic mirror wedge (see Fig. 2). In the device, the mirror surfaces of the prismatic mirror wedge or mirror plates are located relative to each other at an angle of 0.7° and are made with a length of surfaces between which multiple reflections of the optical beam are realized equal to 33 mm.
В устройстве в качестве регистрирующей фоточувствительной матрицы, выполненной с возможностью регистрации полного изображения светового пятна, использована малоформатная матрица размером 6,4×4,8 мм2.The device uses a small-format matrix measuring 6.4×4.8 mm 2 as a recording photosensitive matrix, capable of recording the full image of a light spot.
Кроме того, в частном случае реализации предлагаемого устройства, оно может быть дополнительно снабжено отклоняющим зеркалом (см. Фиг. 1). Отклоняющее зеркало установлено между ограничивающей диафрагмой и приспособлением, увеличивающим распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения. Указанное зеркало предназначено для удобства оптической связи между указанными элементами устройства, направляя квазипараллельный пучок от диафрагмы в указанное приспособление.In addition, in a particular case of implementation of the proposed device, it can be additionally equipped with a deflecting mirror (see Fig. 1). The deflecting mirror is installed between the limiting diaphragm and a device that increases the propagation of a quasi-parallel optical beam between the specified diaphragm and the matrix to a length that provides increased sensitivity to the deviation of the direction of optical radiation, thereby increasing the accuracy of determining the angle of reflection of optical radiation. The specified mirror is designed to facilitate optical communication between the specified elements of the device, directing a quasi-parallel beam from the diaphragm into the specified device.
Приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения, изготовлено из материала, выбираемого исходя из прозрачности в рабочем диапазоне длин волн устройства. Для оптического диапазона, коротковолнового, видимого, инфракрасного, подойдут материалы, соответственно, марки КУ, К8, ИКС-25.A device that increases the propagation of a quasi-parallel optical beam between the specified diaphragm and the matrix to a length that provides increased sensitivity to deviations in the direction of optical radiation, thereby increasing the accuracy of determining the angle of reflection of optical radiation, is made of a material selected based on transparency in the operating wavelength range of the device. For the optical range, short-wave, visible, infrared, materials of the KU, K8, IKS-25 brands are suitable, respectively.
Относительно выбираемых размеров при реализации предлагаемого устройства, в частности, входной апертуры диафрагмы, размера регистрирующей фоточувствительной матрицы, величины увеличения длины распространения лазерного луча приспособлением, необходимо учесть следующее.Regarding the selected dimensions when implementing the proposed device, in particular, the input aperture of the diaphragm, the size of the recording photosensitive matrix, the amount of increase in the propagation length of the laser beam by the device, it is necessary to take into account the following.
Во-первых, исходную расходимость 2θL оптического пучка, заданной резонатором лазера или коллимационной системой осветителя.Firstly, the initial divergence 2θ L of the optical beam, specified by the laser cavity or the collimation system of the illuminator.
Во-вторых, дифракционную расходимость пучка, прошедшего диафрагму, tg(θd)≈λ/2A, где: λ - рабочая длина волны; А - размер диаметра диафрагмы.Secondly, the diffraction divergence of the beam passing through the diaphragm is tan(θ d )≈λ/2A, where: λ is the operating wavelength; A is the size of the diaphragm diameter.
В зависимости от отношения углов дифракционной расходимости и исходной расходимости, а также расстояний источник - входная апертура (апертура ограничивающей диафрагмы) и апертура - приемник (регистрирующая фоточувствительная матрица) рассчитывается размер падающего на матрицу пучка.Depending on the ratio of the angles of diffraction divergence and initial divergence, as well as the distances source - input aperture (limiting diaphragm aperture) and aperture - receiver (recording photosensitive matrix), the size of the beam incident on the matrix is calculated.
Оптимизация расходимости осуществляется с применением телескопических систем. При этом с увеличением апертуры пучка расходимость уменьшается.Divergence optimization is carried out using telescopic systems. In this case, as the beam aperture increases, the divergence decreases.
Размер входной апертуры (ограничивающей диафрагмы) выбирают исходя из условия получения дифракции Фраунгофера (диафрагма вырезает менее одной волновой зоны Френеля) - достаточной дифракции в зоне за апертурой для размытия спекл-картины оптического пучка при прохождении им оптического тракта от излучателя до анализатора и получения оптимального размера светового пятна, с однородным изображением его, на регистрирующей фоточувствительной матрице в дальней зоне (зоне Фраунгофера).The size of the input aperture (limiting diaphragm) is selected based on the condition for obtaining Fraunhofer diffraction (the diaphragm cuts out less than one Fresnel wave zone) - sufficient diffraction in the area behind the aperture to blur the speckle pattern of the optical beam as it passes through the optical path from the emitter to the analyzer and obtain the optimal size light spot, with a uniform image of it, on a recording photosensitive matrix in the far zone (Fraunhofer zone).
В приближении квазипараллельного пучка, в котором характерное расстояние z от источника до входной апертуры много больше размера апертуры А, и радиус кривизны Rz=z+(Rэ)2/4z много больше расстояния от апертуры до приемника, размер пятна D на регистрирующей фоточувствительной матрице задан выражением D=A+tg(θd)L, где L - оптический путь от входной апертуры до регистрирующей фоточувствительной матрицы.In the quasi-parallel beam approximation, in which the characteristic distance z from the source to the input aperture is much greater than the size of the aperture A, and the radius of curvature R z =z+(R e ) 2 /4z is much greater than the distance from the aperture to the receiver, the spot size D on the recording photosensitive matrix is given by the expression D=A+tg(θ d )L, where L is the optical path from the input aperture to the recording photosensitive matrix.
Чувствительность угломерного устройства в этом случае определяется как tg(δβ)=δX/L, где: δХ - минимальное значение регистрируемых смещений, δβ - угловая чувствительность. При оптимально подобранном размере пятна на матрице и достаточной однородности пятна, δX≈D/100.The sensitivity of the angular measuring device in this case is determined as tan(δβ)=δX/L, where: δХ is the minimum value of the recorded displacements, δβ is the angular sensitivity. With an optimally selected spot size on the matrix and sufficient uniformity of the spot, δX≈D/100.
В рассматриваемом случае, если z≈1 м, а приведенный конфокальный параметр полупроводникового лазера с коллиматором Rэ=0,01 м, то радиус кривизны у входной диафрагмы анализатора составит Rz≈1 м, что много больше апертуры пучка (0,009 м) и апертуры входной диафрагмы (0,001 м). Отсюда следует, что волновой фронт можно считать плоским, а размер пятна на матрице, отнесенной на метр от входной апертуры, составит 0,0015 м. Таким образом, становится возможным использование малоформатной регистрирующей фоточувствительной матрицы размером от 1/3,2'' (6,4×4,8 мм2).In the case under consideration, if z≈1 m, and the reduced confocal parameter of a semiconductor laser with a collimator R e =0.01 m, then the radius of curvature at the input diaphragm of the analyzer will be R z ≈1 m, which is much larger than the beam aperture (0.009 m) and input diaphragm aperture (0.001 m). It follows that the wave front can be considered flat, and the size of the spot on the matrix per meter from the input aperture will be 0.0015 m. Thus, it becomes possible to use a small-format recording photosensitive matrix with a size of 1/3.2'' (6 .4×4.8 mm 2 ).
Настроив время выдержки регистрирующей фоточувствительной матрицы для фиксации контура пятна с интенсивностью более полувысоты, получим пятно диаметром около миллиметра, за которым удобно следить и визуально по изображению с матрицы на экране ПК, и программно, накладывая образ в виде круга. Таким образом, удается достичь чувствительности на уровне 1/100 диаметра, что соответствует изменению угла δβ=2'' (угловые секунды).By adjusting the exposure time of the recording photosensitive matrix to capture the contour of the spot with an intensity of more than half-maximum, we obtain a spot with a diameter of about a millimeter, which is convenient to monitor both visually from the image from the matrix on the PC screen, and programmatically, overlaying the image in the form of a circle. Thus, it is possible to achieve sensitivity at the level of 1/100 of the diameter, which corresponds to a change in angle δβ=2'' (arc seconds).
Работа предлагаемого устройства заключается в осуществлении им следующих действий.The operation of the proposed device consists in carrying out the following actions.
Претерпевшее предварительное расширение оптическое излучение поступает на огранивающую диафрагму. Ограничивающая диафрагма вырезает квазипараллельный пучок 1. Затем вырезанный квазипараллельный оптический пучок поступает в приспособление, увеличивающее распространение квазипараллельного оптического пучка между указанными диафрагмой и матрицей (см. Фиг. 1) до длины, обеспечивающей повышение чувствительности к отклонению направленности оптического излучения, тем самым способствуя повышению точности определения угла отражения оптического излучения. Увеличение длины составляет 1 м. Претерпевший многократные отражения оптический пучок от зеркальных поверхностей приспособления, в результате которых увеличена длина его распространения, поступает на регистрирующую фоточувствительную матрицу 2. Матрицей осуществляется фиксация изображения пятна.The optical radiation that has undergone preliminary expansion enters the limiting diaphragm. The limiting diaphragm cuts out the quasi-parallel beam 1. The cut quasi-parallel optical beam then enters a device that increases the propagation of the quasi-parallel optical beam between the specified diaphragm and the matrix (see Fig. 1) to a length that provides increased sensitivity to deviations in the direction of optical radiation, thereby improving accuracy determining the reflection angle of optical radiation. The increase in length is 1 m. The optical beam, which has undergone multiple reflections from the mirror surfaces of the device, as a result of which the length of its propagation is increased, enters the recording photosensitive matrix 2. The matrix fixes the image of the spot.
Соответствие синхронных измерений эллипсометрического угла Ψ и смещения пятна на матрице устройства при покачивании образца на предметном столике показаны на Фиг. 4. Диапазон качания составляет ±3' (угловых минуты). При многократных качаниях зависимость измеряемых параметров воспроизводится с высокой точностью. Взаимная зависимость угла наклона и эллипсометрического параметра Ψ близка к линейной.The correspondence of synchronous measurements of the ellipsometric angle Ψ and the displacement of the spot on the device matrix when rocking the sample on the stage is shown in Fig. 4. The swing range is ±3' (arcminutes). With repeated swings, the dependence of the measured parameters is reproduced with high accuracy. The mutual dependence of the tilt angle and the ellipsometric parameter Ψ is close to linear.
Таким образом, с помощью описанного угломерного устройства контроля положения образца удается достичь точности и воспроизводимости эллипсометрических измерений на уровне δΨ=±0,002°.Thus, using the described goniometric device for monitoring the position of the sample, it is possible to achieve accuracy and reproducibility of ellipsometric measurements at the level of δΨ=±0.002°.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2805281C1 true RU2805281C1 (en) | 2023-10-13 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5206706A (en) * | 1991-07-01 | 1993-04-27 | Bell Communications Research, Inc. | Alignment of an ellipsometer or other optical instrument using a diffraction grating |
| RU2008652C1 (en) * | 1991-05-08 | 1994-02-28 | Кирьянов Анатолий Павлович | Method of determining ellipsometric parameters of an object |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2008652C1 (en) * | 1991-05-08 | 1994-02-28 | Кирьянов Анатолий Павлович | Method of determining ellipsometric parameters of an object |
| US5206706A (en) * | 1991-07-01 | 1993-04-27 | Bell Communications Research, Inc. | Alignment of an ellipsometer or other optical instrument using a diffraction grating |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4880232B2 (en) | System and method for obtaining location information | |
| JP2752003B2 (en) | Inspection interferometer with scanning function | |
| CN103162832B (en) | Vertical incidence broadband polarization spectrometer containing reference beam and optical measurement system | |
| US6376329B1 (en) | Semiconductor wafer alignment using backside illumination | |
| EP0902874B1 (en) | Interferometer for measuring thickness variations of semiconductor wafers | |
| CN103162831B (en) | broadband polarization spectrometer and optical measurement system | |
| CN107941477B (en) | Spectroscope measurement method and device capable of accurately controlling incident angle | |
| CN110553580B (en) | Oblique incidence phase shift interferometer and rectangular prism large surface measurement method | |
| CN102385170A (en) | Optical system for measuring and regulating center deviation of optics lens at high precision | |
| US20220187204A1 (en) | Slope, p-component and s-component measurement | |
| US8027037B2 (en) | Method for evaluating microstructures on a workpiece based on the orientation of a grating on the workpiece | |
| US6870606B2 (en) | Process for measuring the surface of a polished precious stone | |
| JPH0554902B2 (en) | ||
| RU2805281C1 (en) | Device for controlling the direction of optical radiation in ellipsometry for in situ diagnostics of the formation of layered structures | |
| JP2003050185A (en) | Method for absolute calibration of interferometer | |
| TWI658289B (en) | Focusing and leveling device | |
| US20220187218A1 (en) | Angle independent optical surface inspector | |
| CN113655033B (en) | Optical system transmittance detection device and transmittance and reflectance detection method thereof | |
| GB2135448A (en) | Inspection apparatus and method | |
| CN115031629A (en) | Device and method for detecting positioning of cube beam splitter prism before gluing | |
| CN214896205U (en) | Focus detection device, detection device and photoetching machine | |
| CN113670860B (en) | Optical system transmittance detection device and optical system transmittance detection method | |
| JPH05259031A (en) | Tilt detector | |
| JP2666495B2 (en) | Refractive index distribution measuring method and refractive index distribution measuring device | |
| SU1058875A1 (en) | Laser profilograph |