SE416681B - Sett att jemfora tva ytors reflexionsegenskaper - Google Patents

Description

r 7903311~l+ 2 att parallellt monokrcmatiskt ljus får infalla"mot en poläri-7 sator, som polariserar ljuset linjärt. Ljuset får sedan genom-_ gå en kompensator, vilken åstadkommer en fasskillnad mellan ljusets polarisationskomponenter, så att ljuset erhåller en elliptisk polarisation. Efter reflexion mot provytan analyse- ras ljuset och göres beräkningar, vilka lämnar besked om ytans beskaffenhet.

När en provyta tjänar som substrat för en dielektrisk film, påverkar denna ytans reflexionsegenskaper, varvid man kan beräkna tjocklek och brytningsindex hos filmen, om substratets optiska konstanter är kända. Noggrannheten i bestämningen av tjocklek och brytningsindex varierar med typ av substrat, ljusets infallsvinkel och tjockleken hos filmen.

Om kisel användes som substrat och infallsvinkeln är 700, kan tjockleken bestämmas med en noggrannhet av É 0,05 nm.

Vid tjockleksmätning av tunna filmer måste tjockle- ken emellertid vara känd på ungefär en halv våglängd när, på grund av att polarisatorns och analysatorns inställninga- vinklar återkommer periodiskt. Om man således icke redan före mätningarna av en viss tjocklek har en ungefärlig kännedom om måttet på denna, uppstår svårigheten att av flera erhållna, från varandra avvikande värden välja det korrekta. Man måste i detta fall utöver ellipsometerdata känna till kompletterande uppgifter, med hjälp av vilka man kan avgöra, inom vilken multipel ett visst framtaget värde ligger.

' En förhållandevis enkelt uppbyggd ellipsometer har således begränsningar i sina mätfunktioner. Trots detta är mätproceduren relativt komplicerad beroende på att mät- _ värden på'polarisatorns och analysatorns inställningar skall 1 avläsas och sedan omfattande beräkningar av mätvärdena utföras, É innan önskade data erhålles. 1 I syfte att förenkla mätproceduren har man utvecklat avancerade automatiska ellipsometrar med servo- och dataut- rustning, som övertar det manuella beräkningsarbetet. Sådana ellipsometrar blir emellertid mycket dyrbara och komplicerade apparater. j I å Genom uppfinningen har tillkommit ett sätt, som gör det möjligt att på en provyta väsentligt enklare än tidigare utföra mätningar,som traditionellt göres med ellipsometri. Utmärkande för sättet är att polariserad elektromagnetisk strålnhg bringas att '7903311-4 5 reflekteras undarsmm infallsvinkel först i den ena och sedan i den andra ytan på ett sådant sätt, att den planpolari- serade komponent hos strålningen, som efter reflexionen i den ena ytan har polarisationsriktningen parallell med denna ytas infallsplan, vid infallet mot den andra ytan har sin polarisationsriktning vinkelrät mot denna andra ytas infalls- plan, samt att strålningens polarisationstillstånd efter reflex- ionen i den andra ytan analyseras därigenom, att den del av strålningen, som har samma polarisationstillstånd som före den första reflexionen, utsläckes.

I det följande skall sättet enligt uppfinningen närmare klargöras i relation till ett tidigare känt utförande av en ellipsometer, vars uppbyggnad visas schematiskt i fig. 1, medan fig. 2 likaledes schematiskt åskådliggör en tillämpning av sättet enligt uppfinningen.

I den tidigare kända ellipsometern enligt fig. 1 anta- ges parallellt monokromatiskt ljus infalla mot en polarisator 1, som kan ställas in i godtycklig vinkel. Det sålunda linjärt polariserade ljuset får härefter passera en kompensator 2, som utgöres av en kvartsvåglängdsplatta, vilken är inställd så, att polariserat ljus i +45° blir fördröjt en tid motsva- rande en lwarts våglängd jämfört med poiarinerat ljus i -45°.

Vinklarna är då angivna från infallsplanet och positiva mot- sols vid betraktande av ljuskällan. Det ljus, som lämnar kompensatorn 2 och träffar en provyta 3 är elliptiskt polari- serat. På grund av att provytan 5 reflekterar de mot infalls- planet vinkelräta resp. de med detta parallella komponenterna med olika tidsfördröjning och intensitet, kan reflexionen kompensera fiämkillnaden på så sätt, att ljuset efter reflexio- nen åter är linjärt polariserat. Detta kan fastställas med hjälp av en analysator 4, som därvid kan ställas in så, att ljuset släckes ut. Analysatorns vinkelinställning ger infor- mation om intensitesförändringen under reflexionen. Polari- satorns vinkelinställning ger information om fasförändringen hos ljuset vid reflexionen. Ur samhörande värden på polari- satorn 1 och analysatorn 4 kan vissa optiska egenskaper hos provytan 5 beräknas, såsom brytningsindex och dämpning hos metallytor.

Tjockleken hos en tunn dielektrisk film på provytan '7903311-læ kan även beräknas med de begränsningar av mätområdet, som klargjorts ovan, under förutsättning att provytans optiska konstanter är kända. - I - I fíg. 2 visas såsom ett utföringsexempel ett utförande enligt uppfinningen, som skiljer sig från ovan beskrivna och tidigare kändaiteknik väsentligen därigenom, att den som kompensator tjänande kvartsvåglängdsplattan 2 ersatts med ytter- ligare en reflekterande yta. Parallellt opolaniserat, vitt ljus polariseras i -450 med hjälp av en polarisator 5. Ljuset får därefter infalla mot och reflekteras från en referensyta 6. Efter denna reflexion är ljuset elliptiskt polariserat på ett sätt, som bestämmas av referensytan. En provyta 7 av samma material som referensytan 6 är sedan arrangerad på' ett sådant sätt, att ljuset infaller under samma infalls- vinkel i mot provytan som mot referensytan men med infalls- planet vinkelrätt mot infallsplanet vid referensytan. Om referensytan 6 och provytan 7 är identiska, kommer de båda komponenterna av det polariserade ljuset att ha genomgått samma reflexioner, vilket innebär, att ljuset åter blir lin- järt polariserat. Att så är fallet detekteras med hjälp av ytterligare en polarisator, analysator 8, som är placerad med sin polarisationsriktning vinkelrätt mot den första pola- risatorns 5~ Efter genomgång av analysatorn 8 är ljuset ut- släckt i de områden, där de optiska reflexionsegenskaperna hos referensytan 6 och provytan 7 är lika. När vitt ljus användes, måste således likhet gälla för alla våglängder, för att total utsläckning skall ske.

Sättet enligt uppfinningen gör det väsentligt enklare att utföra ellipsometriska mätningar på en provyta. Genom att t.ex. utföra referensytan 6 på så vis, att en egenskap vari- erar på ett känt sätt, erhålles en sådan avbildning av prov- ytan 7, att man direkt kan se hur nämnda egenskap varierar utefter provytan. » Den beskrivna anordningen arbetar utan kvartsvåglängds- platta, vilket innebär den fördelen, att ljuset ej behöver vara monokromatiskt. Detta ger väsentliga fördelar vid tjock- leksmätning av tunna filmer. Med en referensyta 6 med en film av känd jämn tjocklek eller en tjocklek, som varierar på ett känt sätt, erhålles vid detektering av en provyta nämligen utsiäcxning (svart bana) endast på det ställe i av- bildningsmönstret av provytan, där tjockleken överenstämmer 7903311-4 med en känd eller den kända tjockleken hos referensytan.

På ömse sidor om det svarta bandet¿uppträder färgade band beroende på utsläckning av enskilda våglängdsvkomponenter i det vita ljuset. Dessa färgade band är lätta att skilja från det svarta bandet. Vid användning av monokromatiskt ljus, till vilket man är bunden vid ellipsometerinstrument av känt utförande, kan fieí-a svarta band uppträda, av vilka endast ett motsvarar lika filmtjocklek.

Genom möjlighet till direkt studium av provytan 7 I underlättas alla mätningar väsentligt. Om t.ex. tjockleken på referensytan 6 varierar linjärt i en riktning och prov- ytan 7 har en tjocklek, som varierar vinkelrätt mot denna riktning, kan tjockleksvariationerna studeras utefter prov- ytan och avläsas i ett okular. Efter fotografering erhålles direkt en kurva, vilken visar tjocklek som funktion av avstånd utefter provytan.

Mätprocedurer förenklas med sättet enligt uppfinningen även därigenom, att polarisatorerna 5 och 8 icke behöver vara rörliga.

Det direkta studium av provytan 7, som sättet enligt uppfinningen ger möjlighet till, skapar även förutsättning för analys av ytor, såsom jämförelse mellan olika ytlege- ringar o.a.

Uppfinningen är icke begränsad till det visade och be- skrivna utförandet, som utgör den enklaste varianten. Man kan t.ex. tänka sig att mellan referensytan 6 och provytan 7 insätta en optisk komponent, exempelvis ett prisma, som vrider ljusets polarisationsriktning 900. Härigenom kan strål- gången anordnas i ett och samma plan. Med hjälp av ett total- reflekterande prisma kan strålgången vidare fås att svänga om på så sätt, att referensytan 6 och provytan 7 kan placeras i ett och samma plan, t.ex. på ett bord. Detta arrangemang är även fördelaktigt, om de båda ytorna utgör vätskeytor.

Samtidigt blir det möjligt att åstadkomma en kompakt konstruk- tion.

Genom att sättet enligt uppfinningen är oberoende av ljusets våglängd, kan det utnyttjas för ellipsometrisk spek- troskopi. Om man därvid gör ett sådant arrangemang, att våg- längden varierar utefter en sida av provytan 7, kan man direkt se, hur en viss egenskap är våglängdsberoende, såsom vid stu- dium av absorption i ett tunt skikt innehållande färgämne. 7903311-4 Uppfinningen är ej heller begränsad till våglängsom- rådet synligt ljus utan kan mycket gväl ifillämpas även för elektromagnetisk strålning av andra våglängder. Vid sådana. tillämpningar måste man dock komplettera anordningen med organ för detekteríng av den typ av strålning, som för till- fället utnyttjas, exempelvis en bildomvandlare som omvandlar IR-strålning till synligt ljus.

Claims (1)

1. '7903311-4 P a t e n t k r a v Sätt att jämföra två ytors reflexionsegenskaper för elektromagnetisk strålning, exempelvis för mätning av en provytas (7) fysikaliska egenskaper, såsom brytningsindex, eller tjockleken hos en på ytan belägen film genom jämförelse med en referensyta (6) med kända egenskaper, k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v, att polariserad elektromagnetisk strålning bringas att reflekteras under samma infallsvinkel först i den ena (6) och sedan i den andra ytan (7) på ett sådant sätt, att den planpolariserade komponent hos strålningen, som efter reflexionen i den ena ytan (6) har polarisationsriktningen parallell med denna ytas infallsplan, vid infallet mot den andra ytan (7) har sin polarisationsriktning vinkelrät mot denna andra ytas infallsplan, samt att strålningens polari- sationstillstånd efter reflexionen i den andra ytan (7) analyseras därigenom, att den del av strålningen, som har samma polarisationstillstånd som före den första reflexionen, utsläckes.