SU1767330A1 - Дифференциальный оптический сканирующий микроскоп - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Целью изобретени   вл етс  повышение надежности и расширение области применени . Цель достигаетс  тем, что производ т независимую регистрацию фазовых и амплитудных изменений пучка излучени  за счет того, что дополнительно к сдвигу частоты излучени  еще и мен ют оптическую длину опорного канала путем подачи посто нного напр жени  смещени  на фазовый модул тор. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к устройствам, позвол ющим измер ть рельеф отражающей поверхности или неоднородности показател  преломлени  прозрачных сред вместе с вариаци ми коэффициента отражени  или соответственно пропускани , и может быть использовано дл  контрол  качества обработки поверхности, однородности тонких пленок, параметров поверхностных микроструктур преимущественно в области микроэлектроники , интегральной оптики, полупроводниковой технологии.

Известен дифференциальный оптический сканирующий микроскоп, состо щий из лазера, двух делителей оптического излучени , акустооптического модул тора, дефлектора , фокусирующей линзы, трех фотодиодов, электронной системы регистрации и устройства сканировани  исследуемого объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству  вл етс  сканирующий дифференциальный фазовый

оптический микроскоп, содержащий последовательно установленные лазер и делитель излучени , объектный канал, включающий дефлектор, расположенный по ходу прошедшего через делитель излучени , фокусирущую линзу и блок, предназначенный дл  сканировани  исследуемого объекта в плоскости, перпендикул рной оптической оси излучени , опорный канал, включающий акустооптический модул тор, расположенный по ходу отклонени  делителем излучени , и зеркало, расположенное перпендикул рно оптической оси излучени , фотодиод, оптически св занный с изме- рительным и опорным каналами посредством делител  излучени , и электронную систему регистрации, электрически св занную с фотодиодом.

Недостатком данного микроскопа  вл етс  то, что он не позвол ет прбизводить раздельное измерение вариаций фазового рельефа и коэффициента отражени  исследуемой поверхности, что приводит к неоднозначностиинтерпретации

сл

VJ о

XI СА) СО О

экспериментальных результатов. Практическое приложение данного устройства достаточно узко, так как с его помощью можно надежно измер ть только фазовый рельеф однородной по структуре поверхности или изменени  коэффициента отражени  поверхности , тогда как разнородные профили- рованные поверхности широко используемые, напр.имер, в микроэлектронике , требуюгпроведени  независимых амплитудных и фазовых измерений.

Целью изобретени    вл етс  повышение надежности измерений и расширение области применени  устройства.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что дифференциаьный фазовый оптический сканирующий микроскоп, содержащий последовательно установленные лазер и делитель излучени , обьектный канал в виде дефлектора, расположенный по ходу прошедшего через делитель излучени , фокусирующей линзы и блока сканировани  плоскости, перпендикул рной оптической оси излучени , опорный канал в виде зеркала , расположенного по ходу отклоненного делителем излучени , фотодиод, оптически св занный с измерительным и опорным каналами посредством делител  излучени , и электронную систему регистрации, электрически св занную с фотодиодом, снабжен фазовым модул тором, установленным в опорном канале между делителем излучени  и зеркалом, и источником посто нного напр жени  смещени , св занным с фазовым модул тором.

Новым в дифференциальном оптическом сканирующем микроскопе  вл етс  то, что он снабжен установленным в опорном канале между делителем излучени  и зеркалом фазовым модул тором, электрически св занным с источником посто нного на- .пр жени  смещени .

Сущность изобретени  заключаетс  в том, что наличие фазового модул тора позвол ет не только сдвигать частоту проход щего через него лазерного излучени , но и измен ть оптическую длину опорного канала путем подачи посто нного напр жени  смещени  на модул тор, и, вследствие этого , производить независимую регистрацию фазовых и амплитудных изменений пучка излучени  в объектном канале. Это св зано с тем, что выбором величины посто нного напр жени  смещени  на фазовом модул торе можно добитьс  того, что компонента сигнала фотодиода на частоте управл ющего дефлектором напр жени  будет пропорциональна изменению амплитуды пучка при его сканировании дефлектором, а компонента сигнала фотодиода на частоте, равной сумме (или разности) частот на модул торе и дефлекторе, будет пропорциональна  изменению фазы сканирующего пучка. Таким образом, предлагаемое устройство

5 позвол ет одновременно и независимо измер ть изменение фазы и амплитуды пучка при сканировании его дефлектором по исследуемой поверхности. При этом точность измерений фазы и амплитуды ограничивает10 с  только шумовыми факторами, а разрешение в плоскости объекта определ етс  размерами пучка в фокусе линзы, т. е. в предлагаемом устройстве отсутствуют конструктивные ограничени  на его характери15 стики.

На чертеже изображена принципиальна  схема дифференциального оптического сканирующего микроскопа.

Дифференциальный оптический скани0 рующий микроскоп состоит из лазера 1, делител  излучени  2, расположенного по ходу излучени  лазера 1, объектного канала , включающего дефлектор 3, расположенный по ходу прошедшего через

5 делитель 2 излучени  и управл емый генератором 4, фокусирующую линзу 5 и блок 6, предназначенный дл  сканировани  исследуемого объекта 7 в плоскости, перпендикул рной оптической оси излучени , опорного

0 канала, включающего фазовый модул тор 8, расположенный по ходу отклоненного делителем 2 излучени  и управл емый генератором 4 вместе с источником 9 посто нного напр жени , и зеркало 10, расположенное

5 перпендикул рно оптической оси излучени , фотодиода 11, оптически св занного с измерительным и опорным каналами посредством делител  излучени  2, и электронную систему регистрации 12,

0 электрически св занную с фотодиодом 11.

Устройство работает следующим образом .

Излучение лазера 1 проходит через делитель оптического излучени  2 и падает на

5 дефлектор 3, который отклон ет это излучение с частотой fi управл ющего сигнала генератора 4. Проход щее через дефлектор 3 излучение фокусируетс  линзой 5 на поверхность исследуемого объекта 7, который мо0 жет перемещатьс  перпендикул рно оптической оси по двум координатам X и Y блоком б, предназначенным дл  сканировани  исследуемого объекта 7. Часть излучени  лазера 1 отражаетс  от делител 

5 оптического излучени  2 и проходит через фазовый модул тор 8, который управл етс  переменным сигналом генератора 4 на частоте f2 и посто нным напр жением смещени  V источника 9. Отраженное зеркало 10 излучение проходит через делитель оптического излучени  2 и вместе с отраженным исследуемой поверхностью объекта 7 излучением , которое отражаетс  делителем оптического излучени  2, падает на фотодиод 11. Электронна  система регистрации 12 измер ет амплитуду модул ции тока фотодиода 11 на частотах f i и f 1 ;f2 (или на частоте

Ifi-fci).

Повышение надежности измерений и расширение области применени  устройства за счет одновременной регистрации изменени  фазы и амплитуды пучка излучени  при сканировании его дефлектором по исследуемой поверхности по сн етс  следующим образом.

Абсолютные величины компонентов сигнала фотодиода на частоте fi и комбинационных частотах, измер емых микроскопом прототипом, соответственно представл ютс  в виде

(T1)aP{dr r 4-J0 (Ар) cos АДО- J0 (A)sin (1)

I (fi + f2) a P{0,5 r Ji (Ap) + + 0, (Ауз) sin (2)

где Р - мощность излучени  лазера; а- коэффициент пропорциональности; д Г И( изменени  амплитуды (относительное) и фазы пучка излучени  отраженного исследуемой поверхностью, возникающие при сканировании излучени  дефлектором по поверхности на частоте fi; амплитуда изменени  фазы излучени  на частоте iz после прохождени  фазового модул тора; Aty9 - посто нна  величина разности фаз пучков излучени  измерительного и опорного каналов при падении на фотодектектор; Jo и Ji - функци  Бессел  нулевого и первого пор дка; г - коэффициент отражени  исследуемой поверхности,

Расположенный в опорном канале за вл емого микроскопа фазовый модул тор позвол ет выбором величины посто нного напр жени  смещени  на нем измен ть величину и добитьс  того, чтобы выполн лось условие AT/J 0. В этом случае sin At/ О и, как видно из соотношений (1,2), величина компоненты сигнала фотодиода на частоте fi будет пропорциональна дг.

l(fi)(Ap)5r,(3)

а величина компонентов сигнала на комбинационных частотах будет определ тьс  6 р

I (fi ±fa) 0,5 a Pr Ji (Др)бр. (4) Таким образом, измерение величин этих комопнент позвол ет определ ть одновременно и независимо изменени  коэффициента отражени  (3) и фазового рельефа (4) исследуемой поверхности, что обеспечивает повышение надежности измерений и

расшир ет область применени  предлагаемого микроскопа.

Авторами была собрана схема предлагаемого дифференциального оптического

сканирующего микроскопа, Излучение од- ночастотного He-Ne лазера мощностью 0,7 мВт на длине волны 0,633 мкм, проход  через делитель излучени , отклон лось аку- стооптическим дефлектором на сто чей

волне с частотой fi 1104,6 кГц и фокусировалось линзой с фокусным рассто нием 1Q см на исследуемую поверхность, Диаметр п тна излучени  в фокусе составл л примерно 50 мкм и амплитуда отклонени  излучени  дефлектором на поверхности достигала 70 мкм. Отраженное делителем излучение проходило через фазовый электрооптический модул тор, на который подавалось переменнное напр жение

амплитудой 60 В на частоте f2 2 МГц и посто нное напр жение смещени  вплоть до 250 В. Излучение, отраженное зеркалом и исследуемой поверхностью, регистрировалось фотодиодом, сигнал которого подавалс  на анализатор спектра СКА-59. Исследование фазового и амплитудного рельефа поверхности осуществл ть путем сканировани  исследуемого образца вдоль оси X с шагом 10 мкм при различных положени х его по координате Y. В качестве исследуемых образцов были вз ты пластинки кремни , на которые напыл лись слои различных металлов толщинами от 20А до 200 А методом высокочастотного ионноплазменного распылени . Эксперименты показали возможность измерени  фазового рельефа поверхности с точностью до 1 А и амплитудного рельефа (изменени  коэффи-4

циента отражени ) вплоть до 10 ,

Claims (1)

1. Формула изобретени  Дифференциальный оптический сканирующий микроскбп, содержащий последовательно установленные лазер и делитель

   излучени , объектный канал, в виде дефлектора , расположенный по ходу прошедшего через делитель излучени , фокусирующей линзы и блока сканировани  плоскости, перпендикул рной оптической оси излучени , опорный канал в виде зеркала, распо- ложенного по ходу отклоненного делителем излучени , фотодиод, оптически св занный с измерительным и опорным каналами посредством делител  излучени , и электронную систему регистрации, электрически св занную с фотодиодом, отличающий- с   тем, что, с целью повышени  надежности измерений и расширени  области применени , он снабжен фазовым

   модул тором, установленным в опорном канале между делителем излучени  и зерка- смещени , св занным с фазовым модул толом и источником посто нного напр жени  ром.