ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 99-102
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 681.785.35
СВЕТОДИОДНЫЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ ЭЛЛИПСОМЕТР С БИНАРНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ
© 2014 г. В. И. Ковалев, А. И. Руковишников, С. В. Ковалев, В. В. Ковалев
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Россия, 141190, Фрязино Московской обл., пл. Введенского, 1 E-mail: ellipsometry@yandex.ru Поступила в редакцию 04.10.2013 г.
Использование набора из 8 светодиодов в многоканальном спектральном эллипсометре с бинарной модуляцией состояния поляризации позволило создать простой эллипсометр с полностью перекрывающимся диапазоном длин волн 350—810 нм и высокими техническими характеристиками. Воспроизводимость и стабильность измерений эллипсометрических параметров ¥ и а — 0.01° и 0.03° соответственно. Минимальное время измерения ¥ и а в диапазоне длин волн 435—690 нм — 0.5 с, в полном диапазоне длин волн 350—810 нм — 5 с.
DOI: 10.7868/S0032816214050097
Многоканальные спектральные эллипсомет-ры (м.с.э.) с линейками и матрицами фотоприемников находят широкое применение в различных областях науки и техники [1]. Рынок м.с.э. определяется двумя типами эллипсометров: эллипсо-метры с вращающимися поляризационными элементами (поляризатором, анализатором либо компенсатором) и эллипсометры с фотоупругими фазовыми модуляторами.
Технические характеристики с.э. в большой мере определяются используемыми источниками излучения. Как правило, это дейтериевые, ксено-новые и галогенные лампы. В [2] отмечается высокая эффективность использования светодио-дов с фиксированной пиковой длиной волны в магнитооптической эллипсометрии.
В [3] описан скоростной светодиодный эллип-сометр с бинарной модуляцией состояния поляризации (б.м.с.п.), в котором не используются движущиеся поляризационные элементы и прерыватели пучков излучения. С двумя поочередно включаемыми идентичными светодиодами с длиной волны в пике излучения 620 нм достигнуты значения воспроизводимости при измерении эллипсометрических параметров Т и А — 2 • 10-5 и 3 • 10-4 градусов соответственно. В [4] описан ди-хрометр-микроскоп с переключением поляризации двух светодиодов с длиной волны 280 нм, обеспечивающих латеральное разрешение 120 нм. Известны примеры использования в с.э. комбинированных источников излучения, например галогенной лампы с одним коротковолновым свето-диодом (эллипсометр ММ-16, НойЪа).
Современная промышленность предлагает широкий выбор разнообразных светодиодов для области длин волн 240—4600 нм. Данная работа посвящена исследованию возможности создания и использования светодиодных многоканальных спектральных эллипсометров (с.м.с.э.) на основе метода эллипсометрии с б.м.с.п., полностью перекрывающих сравнительно широкий спектральный диапазон 350—810 нм. Метод эллипсометрии с б.м.с.п. развит автором [3]. Преимущества этого метода отмечаются и в работах [5, 6].
На рис. 1 показан внешний вид разработанного с.м.с.э. с б.м.с.п. Блок генерации двух ортогональных состояний поляризации расположен в правом корпусе. Анализатор состояния поляризации, миниспектрометр и электронный блок ре-
Рис. 1. Внешний вид светодиодного многоканального спектрального эллипсометра с бинарной модуляцией состояния поляризации.
100
КОВАЛЕВ и др.
Рис. 2. Оптическая схема с.м.с.э. БП - блок поляризатора, БА - блок анализатора, ПК - персональный компьютер; 1 — шаговый двигатель; 2 — набор светодиодов; 3,14,15 — линзы; 4, 6 — диафрагмы; 5, 7, 9, 10, 19, 20, 23 — сферические зеркала; 8, 18 - клинья из кальцита; 11, 12, 21 — электромагнитные переключатели; 16 - устройство установки угла падения; 17 — исследуемый образец; 22 — дифракционная решетка; 24 — линейка фотодиодов; 25 — блок управления, регистрации и сопряжения; 26 - автоколлиматор.
гистрации расположены в едином блоке с левой стороны от столика с исследуемым образцом.
Оптическая схема эллипсометра приведена на рис. 2.
В эллипсометре излучение светодиодов 2, расположенных на диске шагового двигателя 1 (РЬ208ТИ30-0604А), линзой 3 фокусируется на щели 4. Сферическое зеркало 5 фокусирует излучение на круговой диафрагме 6 диаметром 0.4 мм. Сферическое зеркало 7 с фокусным расстоянием В = 50 мм формирует пучок, расходимость и положение которого контролируются автоколлиматором 26 при установке плеч поляризатора и анализатора на одной оси и использовании прямоугольной отражающей призмы. Клин из кальцита 8 с углом при вершине 18° делит падающий на него пучок на обыкновенный и необыкновенный пучки, которые фокусируются в плоскости симметрии сферическим зеркалом 9 с В = 60 мм. Идентичное зеркало 10 снова направляет пучки на клин, совмещающий пучки с первоначальным
Набор используемых светодиодов
№ Тип Длина волны максимума, нм Диапазон длин волн, нм
1 Х8Ь-355-5Е 355 348-362
2 Х8Ь-370-5Е 370 362-377
3 385D15 385 377-393
4 УЬ400-5-15 400 393-408
5 LED420-01 420 408-435
6 Ы57Ь5111Р Белый 435-690
7 LED740-01AU 740 690-758
8 LED800-01AU 800 758-810
направлением. Электромагнитный переключатель 11 последовательно перекрывает сфокусированные пучки с ортогональными азимутами поляризации. Элементы 8—10 составляют эффективный переключатель состояния поляризации (п.с.п. 1) [3]. Электромагнитный переключатель 12 вводит в пучок модифицированный ромб Френеля 13 [3] из плавленого кварца. Линзы 14 и 15 с В = 50 мм вводятся в пучок при локальных измерениях. Наклон поверхности образца 17 контролируется автоколлиматором 26 с точностью до 0.01°. Отраженный от образца пучок проходит через п.с.п. 2, аналогичный п.с.п. 1. Дифракционная решетка 22, сферическое зеркало 23 и линейка фотодиодов 24 (512-элементная линейка фотодиодов 83901-5120 фирмы Иашаша18и) составляют миниспектрометр. Устройство управления, регистрации и сопряжения 25 расположено в корпусе блока анализатора (БА).
В таблице приведены типы светодиодов, пиковые длины волн и схема "сшивания" светодиодов по длинам волн.
Принцип действия с.м.с.э. основан на переключении состояний поляризации, при этом на исследуемый образец попеременно направляются ортогонально поляризованные пучки с азимутами линейной поляризации Р и Р + 90° (Р « 30°). Отраженное от образца излучение с каждым состоянием поляризации попеременно разделяется в последовательность ортогонально поляризованных пучков с азимутами линейной поляризации А и А + 90° (А « 10°) и направляется на миниспектрометр с 512-элементной линейкой фотодиодов. В [7] приведены расчетные формулы для эллипсометрии с б.м.с.п.
СВЕТОДИОДНЫМ многоканальный спектральный эллипсометр
101
tg Y 6
5 4 3 2 1 0
cos А 0.2
0
-0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0
- ЛПППППППППпгп -,
1 / р
- 1 1 1
400 500 600 700 Длина волны, нм
800
Рис. 3. Измеренные и расчетные спектральные зависимости tg ¥ и собА для эталонных образцов термического окисла толщиной 99.8 нм (1) и 200.3 нм (2) на 81.
tg Y 15
10
0
-0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0
400 500 600 700 Длина волны, нм
800
Рис. 4. Измеренные и расчетные спектральные зависимости tg¥ и собА для эталонного образца термического окисла толщиной 503 нм на 81.
5
0
Калибровка с.м.с.э. включает в себя измерения спектров разности азимутов поляризатора P и анализатора A и спектра коэффициента ha, учитывающего поляризационную зависимость блока фотоприемников в положении плеч поляризатора и анализатора на одной оси. В этой же геометрии определяются спектры а и ¥ компенсатора. Измерения спектров а и ¥ на образцах Si c собственным термическим окислом SiO2 при угле падения 70° позволяют определить действительные значения переключаемых в блоках поляризатора и анализатора азимутов.
Тестовые измерения выполнены на эталонной кремниевой пластине (Wafer Step 0—500 nm фирмы Ocean Optics) c 5 пленками термического окисла различной толщины.
На рис. 3 показаны экспериментальные и расчетные спектральные зависимости tg ¥ и cos а для пленок толщиной 99.8 и 200.3 нм (паспортные величины). Отклонение измеренных толщин от этих значений <0.4 нм.
В представленных на рис. 4 спектральных зависимостях tg ¥ и cosa для образца с толщиной окисла 503 нм наблюдаются отклонения от расче-
та в области пика cosa у 480 нм, связанные с резким спадом интенсивности в спектре белого све-тодиода.
Технические характеристики с.м.с.э.:
- спектральный диапазон длин волн 350-810 нм;
- спектральное разрешение - 4 нм;
-воспроизводимость и стабильность при измерении:
• эллипсометрических параметров ¥ и a -0.01° и 0.03° соответственно,
• толщины - 0.1 нм,
• показателя преломления - 0.001;
- диапазон устанавливаемых углов падения -45°-90° с интервалом 5°;
- диапазон измеряемых толщин - 0.1 нм-5 мкм;
- диаметр светового луча - 3 мм (200 мкм с линзовой микроприставкой);
- минимальное время измерения спектров ¥ и a в диапазоне длин волн 350-810 нм - 5 с и в диапазоне длин волн 435-690 нм - 0.5 с;
- характерные особенности светодиодных многоканальных эллипсометров с б.м.с.п.:
• высокое отношение сигнал/шум,
102
КОВАЛЕВ и др.
• высокая надежность и экономичность,
• не требуется использование отсекающих дифракционные порядки фильтров,
• отсутствие резкого спада интенсивности с коротковолновой стороны, характерного для галогенных ламп [8],
• возможны варианты измерений с импульсным режимом питания светодиодов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение светодиодных источников излучения в развиваемой авторами эллипсометрии с бинарной модуляцией состояния поляризации позволяет простыми средствами создавать прецизионные многоканальные спектральные эллип-сометры.
Можно ожидать улучшения технических характеристик светодиодного м.с.э. при планируемом использовании светодиодов серий SMC и SMD.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Fujiwara H. Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications. N.Y.: Wiley, 2007.
2. Callegaro L, Puppin E. // Rev. Sci. Instrum. 1995. V. 66. P. 5375.
3. Ковалев В.И. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Фря-зино: ИРЭ РАН, 2011.
4. Zeskind B.J., Jordan C.D., Timp W., Trapani L., Waller G, Horodincu V., Ehrlich D.J., Matusudaira P. // Nature Methods. 2007. V. 4. P. 567.
5. Azzam R.M.A. // Opt. Commun. 1993. V.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.