SU1369471A1

SU1369471A1 - Spectral ellipsometer

Info

Publication number: SU1369471A1
Application number: SU864030830A
Authority: SU
Inventors: В.И. Ковалев
Original assignee: Институт Радиотехники И Электроники Ан Ссср
Priority date: 1986-02-28
Filing date: 1986-02-28
Publication date: 1991-12-07

Abstract

Изобретение относитс к пол ризационной оптике и может использоватьс в эллипсометрии. Цель изобретени - повышение точности и чувствительности эллипсометрических измерений и упрощение обработки данных. Спектральный эллипсометр содержит мо- нохроматор 1, на выходе которого помещена система формировани слабосход щегос пучка излучени 2. Диафрагма 3 делиз этот пучок на два пучка, которые поочередно перекрываютс с помощью обтюратора 4 . На пути одного из пучков расположен отражательный пол ризатор , образованный зеркалами 5 и 6 и полупроводниковыми пластинами 7 nS. Аналогично выполнены пол ризатор, установленный на пути второго пучка, и анализатор 15. Пол ризаторы установлены с возможностью вращени вокруг направлени падающего на них излучени . После анализатора 15 установлены фоку- с сирующа система 16, фотоприемники 17 и система обработки данных 18. 3 ил. (ЛThis invention relates to polarization optics and can be used in ellipsometry. The purpose of the invention is to improve the accuracy and sensitivity of ellipsometric measurements and simplify data processing. The spectral ellipsometer contains a monochromator 1, at the output of which a system for forming a low-rise radiation beam 2 is placed. Aperture 3 divides this beam into two beams, which are alternately overlapped with a shutter 4. A reflective polarizer formed by mirrors 5 and 6 and 7 nS semiconductor wafers is located on the path of one of the beams. A polarizer installed in the path of the second beam and analyzer 15 are similarly configured. The polarizers are mounted for rotation around the direction of the radiation incident on them. After the analyzer 15, the focusing system 16 is installed, the photodetectors 17 and the data processing system 18. 3 Il. (L

Description

со о: соwith about: with

4four

Изобретение относитс к пол ризационной оптике и может использоватьс при исследовани х в физике, электронике , электрохимии, медицине, биологиии и в различных отрасл х про- мьгаитениости.The invention relates to polarization optics and can be used in research in physics, electronics, electrochemistry, medicine, biology, and in various aspects of progression.

Целью изобретени вл ютс повьппе- ние точности и чувствительности эл липсометрических измерений и упрощение обработки данных.The aim of the invention is to improve the accuracy and sensitivity of ellipsometric measurements and simplify data processing.

На фиг, 1 изображен эллипсометр; на фиг. 2 - вид по стрелке А; на фиг 3 - вид по стрелке Б.Fig, 1 shows an ellipsometer; in fig. 2 - view along arrow A; Fig 3 is a view along arrow B.

Спектральный эллипсометр содержит двойной призменный монохроматор 1, зеркальную систему 2 формировани слабосход щегос пучка излучени (уго сходимости пучка 0,5), диафрагму 3 с двум отверсти ми, дел щую пучок излучени на верхний и нижний пучки с заданной формой сечени , обтюратор 4. Зеркала 5, 6, расположенные под углом Д5 к падающему на них излучению , и две отражающие пластины 7, 8- из кремни , установленные под углом 75 к падающему на них излучению (близким к углу Брюстера), составл ют пол ризатор отражательного типа эффективно работающих в спектральной области 0,5-10,6 мкм. Зеркала 9, 10 и пластины 11, 12 из кремни расположены аналогично соответствующим зеркалам и пластинам в пол ризаторе 13 служат дл пол ризации нижнего пучка излучени . За образцом 14 расположены анализатор 15, аналогичный пол - pHsatopy 13, фокусирующа система 16 фотоприемники 17, св занные с системой 18 регисТ|рации излучени и обработки данных,The spectral ellipsometer contains a double prism monochromator 1, a mirror system 2 for forming a low-height beam of radiation (convergence of the beam 0.5), a diaphragm 3 with two holes, dividing the beam of radiation into the upper and lower beams with a given section shape, obturator 4. Mirrors 5, 6, located at an angle D5 to the radiation incident on them, and two reflecting plates 7, 8 made of silicon, mounted at an angle 75 to the radiation incident on them (close to the Brewster angle), constitute a reflective-type polarizer that effectively works inSpectral Region 0,5-10,6 microns. The mirrors 9, 10 and the silicon wafers 11, 12 are positioned similarly to the corresponding mirrors and the wafers in the polarizer 13, which serve to polarize the lower radiation beam. Behind sample 14, there is an analyzer 15, a similar floor, pHsatopy 13, focusing system 16 photodetectors 17, associated with system 18 of registration of radiation and data processing,

Эллипсометр работает следующим образом .Ellipsometer works as follows.

II

Слабосход щийс монохроматический пучок излучени делитс диафрагмой 3 с двум отверсти ми 19 и 20 на верхний В и нижний Г пучки.A weakly rising monochromatic beam of radiation is divided by a diaphragm 3 with two openings 19 and 20 into the upper B and lower G beams.

Пучки В и Г проход т одинаковые оптические пути при отражени х от зеркал 5, 6 и пластин 7, 8 и зеркал 9, 10 и пластин 11, 12 соответственно. . Конструкци обеспечивает возможность изменени азимутов линейной пол риза ции пучков В и Г, После отражени от исследуемого участка образца пучки В и Г проход т анализатор 15, фокусирующую систему 16 и регистрируютс фотоприемниками 17, св занными с темой регистрации и обработки данныхThe beams C and D pass through the same optical paths with reflections from mirrors 5, 6 and plates 7, 8 and mirrors 9, 10 and plates 11, 12, respectively. . The design provides the possibility of changing the azimuths of the linear polarization of the beams C and D. After reflection from the sample area under study, the beams C and D pass through the analyzer 15, the focusing system 16 and are recorded by the photoreceivers 17 associated with the topic of data registration and processing.

22

18. Обтюратор 4 прерывает пучки В и Г с частотой 340 Гц.18. The obturator 4 interrupts the beams C and D with a frequency of 340 Hz.

Зависимость интенсивности сигнала на фотоприемнике от азимута анализатора А описываетс формулойThe dependence of the signal intensity at the photodetector on the azimuth of the analyzer A is described by the formula

I«Ip(sin Psin2A R| IP + 0,5sin2P-sin2AWpRsCosA) ,(1)I "Ip (sin Psin2A R | IP + 0,5sin2P-sin2AWpRsCosA), (1)

гдеWhere

I P . A RI p. A r

P P

sинтенсивность излучени , падающего на образец; азимуты пол ризатора и анализатора соответственно; коэффициенты отражени по интенсивности излучени , /Пол ризованного в плоскости падени и перпендикул рно ей, соответственно.the intensity of the radiation incident on the sample; azimuths of the polarizer and analyzer, respectively; intensity reflection coefficients of radiation, / Polarized in the plane of incidence and perpendicular to it, respectively.

tg vtg v

Ж IRS W IRS

у,/ц - эллипсометрические параметрыIu, / c - ellipsometric parameters I

Один Из вариантов эллипсометриче с- ких измерений следующий.One of the options for ellipsometric measurements is as follows.

При калибровке эллипсометра с помощью анализатора в положении на пррсвет (без образца) устанавливаютWhen calibrating an ellipsometer using the analyzer in the position on the light (without sample) set

азимуты пучков В и Г. Нужное из соображений повышени чувствительности измерений соотношение интенсивностей а пучков В и Г устанавливаетс либо ослаблением одного из пучков, либо изменением азимута дополнительного пол ризатора перед диафрагмой. При этом а точно определ етс по азимуту анализатрра, при котором интенсивности прерываемых обтюратором пучков В и Г на фото1фиемнике равны. Устанавлива обрйзец под углом Lf к падающему излучению и поворачива плечо анализатора с фотоприемниками на угол 2t, регистрируют величины сигналов на фотоприемнике I., соответствующие моментам, когда открыты пучки В и Г, Измен азимут анализатора, определ azimuths of beams B and G. The necessary ratio of the intensities a of beams C and D, due to increased sensitivity of measurements, is determined either by attenuating one of the beams or by changing the azimuth of the additional polarizer in front of the diaphragm. At the same time, a is precisely determined by the azimuth of the analyzer, at which the intensities of the beams C and D interrupted by the obturator on the photo camera are equal. Setting the sample at an angle Lf to the incident radiation and turning the analyzer arm with photo detectors at an angle of 2t, register the magnitudes of the signals on the photodetector I., corresponding to the moments when the beams C and D are open, Change the azimuth of the analyzer, defined

ют азимуты А и А, соответствующие равенству I, и 1. Использу условиеare the azimuths A and A, corresponding to equality I, and 1. Using the condition

;-;() 1, 1 и формулу (1), легко получить простые вьфажени , св зывающие А и AI с эллипсометрическими параметрами V и д .; -; () 1, 1 and formula (1), it is easy to obtain simple hyphenations connecting A and AI with ellipsometric parameters V and d.

В другом варианте измерений наIn another embodiment, measurements on

gg спектральном эллипсокетре система 2, формировани пучка излучени перестраиваетс так, что пучки В и Г строг коллимированы. Тогда они падают на различные участки образца и вариантThe gg of the spectral ellipsocket system 2, the formation of the radiation beam is rearranged so that the beams C and G are strictly collimated. Then they fall on different parts of the sample and option

лl

измерений можно назвать двухлучевмм. При этом обтюратор может последоиа- тельно прерывать пучки либо при при- .менении двух фотоприемников, включен- ных по балансовой схеме, когда пучки В и Г падают на отдельные фотоприемники , может быть выведен из пучка. В первом случае оба пучка свод тс measurements can be called two-beam. In this case, the obturator can sequentially interrupt the beams or by attaching two photodetectors switched on according to the balance diagram, when beams C and D fall on separate photodetectors, can be removed from the beam. In the first case, both beams are reduced

7171

ллг ломом г пектр.итыи м -. 1липсом(тре , позпол ют гктпыгить тпошснир rtirn;ui/ /шум, и, следОватрльрто, точиост - и чу0- ствите-пьногть эл-мипсомртричгских измерений по сравнению с нотодльо) : ппип- сометрии с пращающимсч по.чпризатором или анализатором, в ко1 орых отношение времени измерений (выборок) при диеlg scrap r pktr.tii m -. 1lipsom (Thr, pozpol dissolved gktpygit tposhsnir rtirn; ui / / noise ratio, and sledOvatrlrto, tochiost - and chu0- stvite pnogt-e-mipsomrtrichgskih measurements compared with notodlo) ppip- sometrii with praschayuschimsch po.chprizatorom or analyzer in KO1 the ratio of the time of measurements (samples)

на один фотоприемник, и измерени ана-|о кретных положени х азимут ч анализа- логичны описанным. При измерени х без обтюратора азимуты анализатора, соответствующие равенству интенсивностей пучков, падающих на различные фотопритора к интервалам между выборками ма ло ,on one photodetector, and measurements of analogous positions, the azimuth h is analyzed as described. When measuring without a obturator, the analyzer azimuths, corresponding to the equality of the intensities of the beams falling on different photopritors to the intervals between the samples, are small,

В используемых способах определ ю J5 с непосредственно А, и А по просты формулам, следующим из (1),у и л. Сл довательно, алгоритм измерений замет но проще, чем лгоритм обработки методом Фурье анализа. Целью эллипсоме рических измерений вл етс определе ние параметров исследуемых образцов, поэтому можно без промежуточных операций определени и л определ ть эт параметры по А, и А 5. Измерени с бы 25 стрым переключением пучков позвол ет исключить и нестабильность источников излучени .In the methods used, the definition of J5 with directly A, and A according to simple formulas, following from (1), y and l. Consequently, the measurement algorithm is noticeably simpler than the Fourier analysis algorithm. The purpose of ellipsometric measurements is to determine the parameters of the samples under study, therefore, it is possible to determine these parameters by A and A5 without intermediate determination operations. Measurements with 25 beam switching allow eliminating the instability of radiation sources.

емники, определ ютс точно из-за существенного подавлени шумов.Loops are determined precisely due to significant noise suppression.

В конструкции спектрального эллип- сометра не используютс дисперсионные светоделительные элементы, и рсе элементы отражательные. Деление пучка на верхний и нижний пучки диафрагмой , их последовательное переключение с 1астотой 340 Гц и формирование двух линейно пол ризованньгх пучков с азимутами Р и Р позвол ет повысить точность и чувствительность эллипсо- метрических измерений и существенно упростить приемно-регистрирующую систему и алгоритм обработки данных,The design of the spectral ellipsometer does not use dispersive beam-splitting elements, and all the elements are reflective. Dividing the beam into the upper and lower beams by the diaphragm, their successive switching with a frequency of 340 Hz and the formation of two linearly polarized beams with azimuths P and P can improve the accuracy and sensitivity of ellipsometric measurements and significantly simplify the receiving-recording system and the data processing algorithm

Так как дл определени А и Л требуетс только наблюдение равенства двух интенсивных сигналов, а не их фотометрирование, снимаютс жесткие требовани к линейности и стбилизации дрейфа приемно-регистрирую- щей системы и, следовательно, попытаетс точность и стабильность эллипсо- метрических измерений и упрощаетс приемно-регистрирующа система. Разность сигналов I и Ij измен етс с азимутом анализатора вблизи положений баланса At и А быстрее, чем сигналы I , и It, следовательно, чув- ствительность измерений вьппе, чем в эллипсометрии с вращающимс анализатором .Since to determine A and L, it is only necessary to observe the equality of two intense signals, and not their photometry, strict requirements are imposed on the linearity and stabilization of the drift of the receiving-recording system and, consequently, the accuracy and stability of ellipometric measurements are attempted and the receiving-signal is simplified. recording system. The difference between the signals I and Ij varies with the azimuth of the analyzer near the balance positions At and A faster than the signals I and It, therefore, the sensitivity of measurements is higher than in ellipsometry with a rotating analyzer.

Отсутствие быстро вращающихс ип- тических элементов и возможность строгого учета ошибок, св занных с не-иде- альностью пол ризатора и анализатора, при двух фиксированных азимутах пол ризации Р. и Р„ , исключение оишПок из-за девиации пучка при вращении пол ризатора и пол ризационной чувствительности фотоприемннка также позвол ет увеличить точность и чу1:тии- тельность зллипсометрических ний. Измерени с переключемж м ачи- мутов Р, и Р, реализов лш.кз на riprj;кретных положени х азимут ч анализа- тора к интервалам между выборками мало ,The absence of rapidly rotating hypothetical elements and the possibility of strict accounting for errors associated with the non-ideal polarizer and analyzer, with two fixed polarization azimuths R. and P ", the exception is OishPok due to the beam deviation when the polarizer rotates and The polarization sensitivity of the photodetector also makes it possible to increase the accuracy and chu1: the accuracy of the scans. Measurements with switchgear P, and P, realizable from kp to riprj; there is a small position between the azimuth of the analyzer and the intervals between samples are small,

В используемых способах определ ют- с непосредственно А, и А по простым формулам, следующим из (1),у и л. Следовательно , алгоритм измерений заметно проще, чем лгоритм обработки методом Фурье анализа. Целью эллипсомет рических измерений вл етс определение параметров исследуемых образцов, поэтому можно без промежуточных операций определени и л определ ть эти параметры по А, и А 5. Измерени с бы- стрым переключением пучков позвол ет исключить и нестабильность источников излучени .In the methods used, A and A are determined directly by simple formulas, following from (1), y and l. Consequently, the measurement algorithm is noticeably simpler than the processing algorithm using the Fourier analysis method. The purpose of ellipsometric measurements is to determine the parameters of the samples under study, so it is possible, without intermediate definition operations, to determine these parameters by A and A 5. Measurements with fast beam switching eliminates the instability of radiation sources.

00

5five

00

5five

00

5five

Claims

Invention Formula

A spectral ellipsometer containing a monochromator sequentially arranged along the optical axis, a weakly convergent radiation beam forming system and a polarizer, as well as an analyzer, a photodetector and a data recording and processing system, characterized in that, in order to improve the accuracy and sensitivity of ellipsometric measurements and simplify processing data, it additionally contains successively installed along the beam of radiation after the system of forming a weakly convergent radiation beam a diaphragm with two Each of the polarizers is optically coupled to a corresponding aperture in the diaphragm and mounted rotatably around the direction of radiation incident on the polarizer, each of the polarizers being exhausted in the form of ycTaFion.noiriiux and optically coupled two pairs of mirrors with metal popp. (; - m and dnouf of reflecting plates ntuiyiii ir i A - nikogog material, ustanopl. mih at the Brewster angle to the falling incidence.

F1 / g.2