Приборы и техника эксперимента, 2019, № 6, стр. 71-75

ВВЕДЕНИЕ

Области практического использования метода спектральной эллипсометрии стремительно расширяются, что стимулирует интерес к дальнейшему повышению технических параметров эллипсометров и приводит к упрощению их конструкции. В настоящее время наиболее востребованы технически совершенные спектральные эллипсометры (с.э.) двух типов: эллипсометры с двумя вращающимися компенсаторами [1] и эллипсометры с фазовой модуляцией [2].

Альтернативный метод переключения ортогональных состояний поляризации (п.о.с.п.) имеет более высокие воспроизводимость и стабильность при измерении эллипсометрических параметров и не содержит движущихся поляризационных элементов [3, 4]. Расчетные формулы эллипсометрии с п.о.с.п. приведены в [5].

Следует отметить тенденцию к расширению спектрального диапазона с.э. в инфракрасную область, повышению спектрального разрешения с.э., их точности и стабильности [6–8]. Важно обеспечить возможность регулирования спектрального разрешения и предельно малый уровень рассеянного излучения. Использование решеточных монохроматоров и спектрометров высокого класса в качестве источника излучения для с.э. позволяет решать эти задачи [9].

В данной работе представлен с.э. на базе монохроматора МДР-41, реализующий метод п.о.с.п., позволяющий точно измерить изменение состояния поляризации пучка излучения при отражении от образца, связанное с его оптическими параметрами. Одновременное измерение спектров амплитудных и фазовых эллипсометрических параметров Ψ и Δ обеспечивает измерение оптических констант и толщин достаточно сложных пленочных структур и структурированных поверхностей. Спектральные эллипсометры широко используются в научных исследованиях, а также находят применение в промышленности как средство неразрушающего контроля.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Внешний вид установки и оптическая схема широкодиапазонного спектрального эллипсометра на базе монохроматора МДР-41 представлены на рис. 1. Линза блока осветителя I проектирует изображение нити накаливания галогенной лампы вдоль входной щели монохроматора III. На выходной щели монохроматора установлены две диафрагмы высотой 1 мм и регулируемой шириной, разделенные по высоте щели на 6 мм. Система четырех плоских и двух сферических зеркал IV (F = 65 мм) формирует коллимированные пучки излучения, направляемые на два входа призмы Глана–Томпсона из кальцита 4 со сведением падающих пучков.

Последовательное прерывание пучков излучения диафрагм диском обтюратора 3 позволяет получить на выходе призмы Глана–Томпсона коллимированные пучки излучения с ортогональными азимутами линейной поляризации P₁ и P₁ + 90° (P₁ = 30°), последовательно падающие на исследуемый образец S под углом 70°. Отраженные от образца пучки излучения разделяются призмой Глана–Томпсона 5 на пучки с ортогональными азимутами поляризации A₁ и A₁ + 90° (А₁ = 10°), которые зеркалами 7 фокусируются на фотоприемники 8–11.

По измеряемым отношениям сигналов на фотоприемниках определяются эллипсометрические параметры Ψ и Δ [5]. При сканировании монохроматора получаем спектральные зависимости Ψ и Δ.

КАЛИБРОВКА ЭЛЛИПСОМЕТРА

Для описанного метода спектральной эллипсометрии калибровка очень проста и проводится в два этапа. На первом этапе в положении на просвет измеряются спектр отношения чувствительностей каналов h_a(λ), соответствующих двум поляризациям после анализатора, и разность углов поляризатора и анализатора P – A. Приведенные в [5] формулы для четырех комбинаций поляризаций для положения на просвет упрощаются:

где R₁, R₂ – отношения интенсивностей на двух фотоприемниках. Отсюда

На втором этапе при угле падения 70° с образцом кремния с тонким слоем окисла измеряются отношения интенсивностей лучей R₁, R₂. Путем решения обратной задачи определяются угол поляризатора P, угол падения излучения на образец и толщина слоя окисла кремния.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В качестве объектов для экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность и высокие точностные качества изготовленного с.э., были использованы структура GaAs/ZnS-четвертьволнового устройства для СО₂-лазера и калибровочные пластины Ocean Optics Step-Wafer. На рис. 2 представлены измеренные спектры Ψ и Δ для образца GaAs/ZnS в диапазоне длин волн 400–2200 нм.

Для расчета параметров слоя ZnS использовалась спектральная зависимость показателя преломления n по упрощенной формуле Зельмейера:

где n₀ – значение показателя преломления на бесконечной длине волны; λ₀ – длина волны, на которой n равно бесконечности. Для определения n₀ использовался рассчитываемый параметр n_m, соответствующий значению показателя преломления на длине волны λ_m = 550 нм:

Спектральная зависимость показателя поглощения k аппроксимировалась экспоненциальной функцией

где k_m – значение показателя поглощения k на длине волны λ _m = 550 нм, λ₁ – интервал длины волны, на котором k меняется в e раз.

Поскольку упрощенной формулой сложно точно описать дисперсию в широком диапазоне длин волн, он был разделен на 2 области: 400–600 нм и 600–2200 нм. Во втором диапазоне методом наименьших квадратов отклонений были определены толщина d = 1247 нм слоя ZnS и параметры n_m = 2.36, λ₀ = 336 нм, k_m = 0.001 и λ₁ = 200 нм. Для той же толщины в первом диапазоне определены параметры n_m = 2.36, λ₀ = 297 нм, k_m = 0.001 и λ₁ = = 200 нм. На рис. 3 представлены спектральные зависимости показателей преломления и поглощения n, k, полученные по приведенным формулам (3)–(5) с указанными параметрами.

На рис. 4 представлены измеренные и расчетные эллипсометрические параметры Ψ и Δ для калибровочных пластин Si-SiO₂ Ocean Optics Step-Wafer с толщиной окисла 4 нм и 450 нм. Отметим, что выраженное сглаживание пиков в инфракрасной области спектра вызвано несовершенством задней поверхности пластин.

На рис. 5 представлены зависимости Ψ и Δ от времени (шумы) для образца Si/SiO₂ с толщиной окисла 450 нм на длине волны 800 нм и с толщиной окисла 513 нм на длине волны 1800 нм. Время измерения каждой точки составляло 2 с. Среднеквадратичный шум на длине волны 800 нм и толщине окисла 450 нм составил 0.0025° (для Ψ) и 0.016°(для Δ); на длине волны 1800 нм и толщине окисла 513 нм – 0.005° (для Ψ) и 0.03° (для Δ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе продемонстрирована эффективность использования сдвоенных источников излучения и призм Глана–Томпсона с разделением и сведением ортогонально поляризованных пучков, позволивших исключить достаточно сложный переключатель ортогональных состояний поляризации в устройстве спектрального эллипсометра. Особенность используемых призм заключается в отсутствии изменений геометрии пучков с длиной волны излучения, что позволяет повысить спектральное разрешение за счет постоянного положения фокусировки на фотоприемнике с малой активной частью.

Экспериментально показано, что использование предложенной простой конструкции с.э. на основе монохроматора МДР-41 позволяет достичь высоких технических характеристик. Описанный подход предоставляет широкие возможности создания прецизионных с.э. с расширенным спектральным диапазоном. Так, реализация с.э. с рабочим диапазоном длин волн 400–5000 нм возможна с устройством совмещения ортогонально поляризованных пучков, изготовленным из YVO₄.