ЛЕКЦИЯ 11. НУЛЬ-ЭЛЛИПСОМЕТРЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ 1 страница

Эллипсометр, реализующий нулевой метод измерения эллипсометриче-ских углов слоистой системы, – это нуль-эллипсометр (рис.11–1, 2).

Рис.11–1.Вид лазерного нуль-эллипсометра сверху.

На рис. 11–1 показан лазерный фотоэлектрический нуль-эллипсометр, со-

бранный по схеме PCSA, разработанный и освоенный в промышленном

масштабе известной в научном приборостроении фирмой Hewlett Paсquard.

На рис. 11–2 показан другой лазерный фотоэлектрический нуль-эллип-сометр, собраный по схеме PCSA, освоенный нашей промышленно-стью по разработкам Института полупроводников СО РАН (г. Новосибирск) – эллипсометр ЛЭФ-ЭМ. Он имеет массивное основание 1 с трёмя регулиро-вочными опорами, корпус 2, столик 3 с образцом 4, три плеча 5 поляризато-ра и 24 анализатора, плечи 6-13 поляризатора и 17-23 анализатора, микро-скоп 15. Угол падения f светового пучка меняют устройством поворота плеч поляризатора и анализатора в пределах от 45° до 90°. Образец 4 в зоне измерений двигают с помощью столика 3, способного смещаться во взаимно перпендикулярных направлениях, поворачиваться на360° и при этом качаться в горизонтальной плоскости. Плечо поляризатора содержит гелий-неоновый лазер 6 типа ЛГ-56, обтюратор 7, четверть-волновые пластинки 8 и 9, поляризатор10 (призма Глана-Фуко) с механизмом поворота (не показан)

Рисунок 11–2. Схема лазерного нуль-эллипсометра типа ЛЭФ-3М

и системой отсчёта угла поворота Q_Р поляризатора (на экране 11), компенсатор 12 с механизмом поворота (не показан) и системой отсчёта (на экране 13) угла поворота компенсатора Q_С. Плечо анализатора содержит анализатор 18 (призма Глана-Фуко) с механизмом поворота (не показан) и системой отсчёта угла поворота Q_А призмы анализатора (на экране 17), зеркальную диафрагму 21, затвор 22, фотоприёмник 23 (фотоумножитель ФЭУ–54), микрообъектив 20 и экран 19. Пучок света, пройдя плечо поляризатора, попадает на образец 4 через диафрагму 14 и, после отражения от его поверхности, поступает в плечо анализатора через диафрагму 16. Для точной настройки пучка света, отражаемого образцом 4, служит оптический коллиматор, содержащий входную 16 и выходную 21 диафрагму. Последняя с помощью микрообъектива 20 выводит изображение кружка светового пучка и изображение отверстия самой диафрагмы в виде чёрной точки на экран 19 (при закрытом затворе 22). При точной настройке и отсчётах показаний затвор 22 открыт; поток света, несущий информацию, попадает на фотоприёмник. Свет подают в плечо поляризатора и из плеча анализатора на фотоприёмник с помощью поворотных зеркал.

В электрической схеме, поясняющей работу эллипсометра ЛЭФ-ЗМ (рису-нок 11-3): 1 - He–Ne-лазер; 2 - обтюратор; 3 - лампа накаливания; 4 – фото-резистор (источник опорного напряжения); 5 - оптический блок; 6 – ФЭУ;

Рисунок 11–3.

Функциональная электрическая схема эллипсометра типа ЛЭФ-ЭМ.

7 - предусилитель сигнала с выхода ФЭУ, 8 - аттенюатор, 9 - основной уси-литель сигнала, 10 - синхродетектор, 11 - усилитель опорного напряжения, 12 - фильтр низких частот для сигнала от фотоприёмника, 13 - индикатор, 14-16 - источники питания. Здесь пучок света от лазера 1 после модуляции обтюратором 2 проходит через оптическую систему 5 эллипсометра и попа-дает на фотокатод ФЭУ (6). Сигнал, снимаемый с его анодной нагрузки, уси-ливается предусилителем 7 и далее поступает на аттенюатор, а с него на вход

усилителя 9. Свет от лампы накаливания 3 прерывается синхронно с преры-ваниями света от лазера и падает на фоторезистор 4, создающий опорное напряжение, поступающее на синхродетектор 10 одновременно с сигналом от основного фотоприёмника 6. Синхродетектор 10 нагружен на фильтр низких частот 12 и стрелочный индикатор 13. Источники питания 14-16 запиты-вают функциональные узлы и все лампы освещения в эллипсометре.

Широкое признание нуль-эллипсометрии и реализующих её нуль-эллип-сометров обязано, прежде всего, эффекту как непосредственного получения, так и относительной простоте интерпретации получаемых с их помощью дан-ных измерений в виде эллипсометрических углов. Нуль-эллипсометрия как метод измерений обладает пороговой чувствительностью, достаточной для решения довольно широкого круга задач в практике научных исследований и технологического контроля. Пороговая чувствительность или обнаружи-тельная способность dS_мин эллипсометрических измерений понимается как то минимальное реализуемое значение эллипсометрических углов dD_мин и 2dy_мин, которое может принципиально достигаться при измерениях. . . Пороговая чувствительность dS_мин, равная dD_мин и 2dy_мин, обязана шумам, вызванным (1) рассеянными электромагнитными волнами в среде окружения и (2) флуктуациями электрического заряда и электрического тока в фотопри-ёмниках и первичных каскадах приёмно-усилительной системы регистрации электрических сигналов, поступающих с выхода фотоприёмника. Наилучшие результаты здесь отвечают пороговой чувствительности dS_мин на уровне ~ 4 угл. сек (4"), а рутинные – на уровне ~ 25 угл. сек. (25").

Получившие широкое признание на практике нуль-эллипсометры представляют собой приборы с ручным управлением, которое осуществляется оператором. Это связано с работой подвижных механизмов в плечах поляризатора и анализатора в процессе отыскания нулевых азимутальных углов Q_Р02 и Q_А02 для поляризатора и анализатора соответственно и с необходимостью проводить визуальные отсчёты значений этих эллипсометрических углов. И время проведения каждого отдельного измерения составляет примерно 2–3 минуты. А контроль хода микроэлектронного процесса на технологических линиях требует времён необходимых измерений на уровне единиц мили-секунд. И одним из приоритетных направлений в развитии современной традиционной эллипсометрии стало приборно-методическое направление, включающее в себя как важную доминанту автоматизацию измерений. Естественной была при решении этой проблемы попытка опираться на достигнутые методические и аппаратурные наработки нуль-эллипсометрии. Основой решения проблемы при таком подходе виделись (1) обеспечение каждого шага при работе нуль-эллипсометров вычислительной техникой, (2) точная синхронизация работы всех подвижных элементов и механизмов в плечах поляризатора и анализатора эллипсометра и (3) цифровое считывание угловых положений для оптических угломерных элементов в приборе. Решение проблемы автоматизации измерений в эллипсометрии виделось в замещении всех действий оператора соответственными электромеханическими устройствами и приводами. Возникающая при этом принципиальная необходимость измерения электрических сигналов для обеспечения синхронизации поворотов подвижных угломерных устройств эллипсометра неизбежно подводила к проблеме разрешения альтернативной ситуации, а именно к проблеме разработки или (1) фотоэлектрического ненулевого эллипсометра с вращающимся анализатором (ЭВА), или (2) фотоэлектрического нуль-эллипсометра, обеспеченного управлением поляризационными призмами в плечах поляризатора и анализатора, при этом в обоих этих альтернативных вариантах предполагается само собой разумеющимся обязательное использование компьютеров подходящего типа. Разрешение такой альтернативной ситуации потребовало определённых и часто существенных методических и конструктивных изменений по сравнению с методико-конструктивной орга-низацией классических нуль-эллипсометров. При реализации ЭВА следовало фиксировать положение Q_Р поляризатора, подходящее для исследуемого образца S, а анализатор – вращать с некоторой угловой скоростью w, которая на практике не могла быть больше 100 Гц, при этом необходимо отыскивать положение анализатора, при котором достигалось бы гашение регистрируемого сигнала. Второй вариант следовало строить на фиксации положения компенсатора в измерительных зонах нуль-эллипсометра и на контроле положения гашения сигнала. Выявление перспективных возможностей каждого из этих альтернативных вариантов организации автоматизированного (или автоматического) эллипсометра наталкивалось на целый комплекс проблем обеспечения: а) требований по реализации необходимой пороговой чувствительности на уровне, заданном дробовым шумом в фотоприёмниках; б) высокой абсолютной точности, заданной точностью изготовления элементов оптического тракта и операций с ними (юстировки и калибровки оптических элементов); в) высокой относи-тельной точности измерения эллипсометрических углов (при малых их при-ращениях она задана порогом измерения эллипсометрических углов); г) ус-тановки соответствия диапазона их измерений полному обороту поляризаци-онных призм, так как тригонометрические функции, определяющее основное уравнение нуль-эллипсометрии, нечувствительны к числу периодов при по-вороте призм; д) необходимого быстродействия прибора в целом, так как за пределами некоторого интервала времени проведения операций сами резуль-таты измерений потеряют смысл как основания для подстройки процесса (например, быстродействия, оптимального по требованиям контроля на микроэлектронных технологических линиях на уровне миллисекунд). Функциональная схема одной из реализаций первого обсуждаемого альт-тернативного варианта автоматического эллипсометра – эллипсометра с вра-щающимся анализатором (ЭВА) – дана на рисунке 11–4. Источник света (1) – стабилизированный СО₂–лазер типа ЛГ–74 (l = 10,6 мкм). Линейная поляризация лазерного света преобразуется в круговую поляризацию с помощью ромба Френеля (2), изготовленного из кристалла хлористого натрия NaCl. Выходящий из него поток ИК-волн с круговой поляризацией модулируется обтюратом (3) (частота вращения его диска f). Поляризатор (4) и анализатор (7) – поляроиды, выполненные в виде дифракционной решётки на прозрачном для ИК-волн стекле с числом штрихов 1200 на 1 мм.

Оптическая система (5) из двух германиевых линз, прозрачных для ИК-излучения СО₂–лазера, позволяла при необходимости проводить измерения в пределах небольшой площадки горизонтально устанавливаемого рабочего образца (6) диаметром до 100 мкм (обычно диаметр рабочего пятна на образце составлял 1–2 мм). Излучение от анализатора (7) детектировалось пироэлектрическим фотоприёмником (11), работающим без охлаждения жидким азотом (в других вариантах ЭВА использованы фоторезисторы,

Рисунок 11–4.

Автоматический ИК-эллипсометр с вращающимся анализатором.

охлаждаемые жидким азотом), и специально отобранные ФЭУ). Анализ состояния поляризации света, отражаемого от рабочего образца (6), требовал необходимо точного контроля за положением вращающегося анализатора (7), установленного на стеклянном диске (8), который приводился во вращение с частотой f электродвигателем (на схеме здесь, однако, отсутствующий). Вся площадь стеклянного диска (8) (за исключением места установки анали-затора) закрыта непрозрачным покрытием; по радиусам диска вдоль его кромки нарезано 720 прозрачных штрихов. При вращении анализатора (точ-нее, стеклянного диска, на котором анализатор устанавливается) одна опт-ронная пара – комбинация световода–фотодиода (9) – формирует синхро-низирующие импульсы, запускающие аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий напряжение электрического сигнала с аналогового блока (12) в 10-разрядный двоичный код. Другая из оптронных пар (10) формировала опорный электрический импульс с помощью дополнительного штриха на стеклянном диске (8). Эффективность работы обеспечивала ЭВМ. Этот автоматический лазерный ИК-эллипсометр с вращающимся анализа-тором имел такие технические характеристики: длина волны – 10,6 мкм; частота модуляции потока света – 900 Гц, а вращения анализатора – 10 Гц; погрешность измерения азимутальных углов – 6"; диапазон их установки – 0–360º; диапазон угла падения потока волн на образец – от 45º до 70º; локальность измерений – от 1 мм до 2 мм (без использования германиевой оптики) и до 100 мкм (с использованием германиевой оптики); время ввода данных в ЭВМ – 100 мс; вес оптической головки прибора – 30 кг.

Схема другой реализации лазерного фотоэлектрического эллипсометра с вращающимся анализатором (ЛФЭ–ЭВА) дана на рисунке 11–5. Источник ИК-излучения – СО₂–лазер типа ЛГ–23 (l = 10,6 мкм); поляризатор (П) и анализатор (А) – дифракционные решётки на полиэтилене, содержащие 1200 штрихов на 1 мм и обеспечивающие степень линейной поляризованности ≈ 99,9%; фотоприёмник (ФП) ИК-излучения – фоторезистор из германия с примесями золота, охлаждаемый жидким азотом; образец устанавливался под углом в 45º к направлению падающего на него потока ИК-волн, причём устройство ручной безъюстировочной установки угла падения волн на него обеспечивало погрешность не хуже 6'; оптронная пара – светодиод (СД) и фотодиод (ФД) – выдавала синхроимпульсы, запускающие аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 108 раз за оборот анализатора (А); он же по команде с ЭВМ поворачивался шаговым электродвигателем (ЭД). . . Этот вариант лазерного автоматического ИК-эллипсометра (ИК-ЭВА) нашёл применение при измерении толщин слоистых структур nSi – n⁺Si с удельным электросопротивлением подложки на уровне ~ 0,002 ом·см, причём достигалось отношение полезного сигнала S к шуму N (S/N) на уровне ~ 1000, а время измерения одного значения толщины слоя составляло ~ 10 мс.

Рисунок 11–5. Схема автоматического ИК-эллипсометра . . с вращающимся анализатором (ИК-ЭВА) по работе.

Но предпочтение отдано модуляционной нуль-эллипсометрии, когда в реализуемом её модуляционном нуль-эллипсометре (МНЭ) осуществляется модуляция угла поворота плоскости поляризации рабочего светового пучка магнитооптическими (МО) ячейками Фарадея в обоих плечах эллипсометра – в плечах поляризатора и анализатора. Этот метод магнитооптической модуляции (МОМ) получил широкое признание в поляриметрических экспе-риментах как в геометрии пропускания потока света через исследуемый образец (в геометрии собственно поляриметрии), так и в геометрии собст-венно эллипсометрии отражения светового потока исследуемым образцом.

Создание магнитооптических модуляционных (МОМ) нуль-эллипсомет-ров началось в 60-х годах прошлого столетия. Это были автоматические МОМ нуль-эллипсометры быстродействующей модификации, в которых компенсация изменений в поляризации света осуществлялась магнитоопти-чески без перемещений поляризационных призм в плечах эллипсометра, и небыстродействующей модификации, когда компенсация изменений в поля-ризации света осуществлялась изменением угловых положений поляризаци-онных призм в плечах эллипсометра с помощью шаговых электродвигателей. Сигналами управления в обеих модификациях автоматических МОМ нуль-эллипсометров служили усиленные и преобразованные сигналы разбаланса системы МОМ нуль-эллипсометров. Разработка таких систем потребовала решения важной метрологической задачи – оценки приборной пороговой чувствительности. Принципиальное решение её для модуляционной нуль-эллипсометрии дано в работе. Анализ работ позволил, с точки зрения пер-спектив модификаций автоматических нуль-эллипсометров, сделать ряд вы-водов: а) лазеры средней мощности допускают теоретический порог для чувствительности нуль-эллипсометров, обязанный дробовому шуму в фото-приёмниках; б) средние величины параметров оптических элементов и глу-бина модуляции угла поворота поляризационных призм на уровне 5º обеспе-чивают порог чувствительности, обязанный дробовым шумам в фотоприём-никах, при потоках света на уровне ~ 0,1 нВт; в) порог чувствительности нуль-эллипсометров в два раза хуже теоретического предела из-за коре-ляций в операциях измерений и обработки данных. . . Магнитооптический модуляционный (МОМ) лазерный фотоэлектрический нуль-эллипсометр для видимого света показан на рисунке 11–6. Здесь 1 – лазер ЛГ–52/3 (l = 633 нм); 2 – фокусирующая система; 3 – круговой поляри-затор; 4 – призма поляризатора; 5 – МО модулятор; 6 – компенсатор; 7 – поворотный механизм; 8 – образец из вещества, используемого в сердечнике МО ячейки Фарадея; 9 – анализатор; 10 – фотоприёмник (ФЭУ); 11 – узел вращения оснований плеч эллипсометра для установки угла падения света на образец; 12 и 13 – плечи поляризатора и анализатора; 14 – монтажная станина. Узел вращения (11)
оснований плеч эллипсометра (плеча по-ляризатора 12 и анализатора 13), имеющих длину 1,6 м каждое, установлен на массивной станине (14), ослабляющнй влияние вибраций.

Рисунок 11–6. МОМ лазерный нуль-эллипсометр для видимого света.

На основаниях плеч размещены оптические узлы эллипсометра, собран-ного по схеме PCSA и работающего на пропускание света. Высокая точность установки и отсчётов углов ориентации призм поляризатора (4), анализатора (9) и компенсатора (6) задана крепёжкой их в оптических делительных головках типа СДГ–53, обеспечивающих точность отсчёта углов в 5". Линейная поляризация пучка света на выходе из лазера преобразуется круговым поляризатором (3), помещённым перед призмой монохроматора. Для измерений предельных величин МО активности материалов взяты высококачественные поляризационные призмы Глана-Фуко (коэффициент гашения одной из линейных поляризаций ≈ 10^-6-10^-7), четвертьволновая пластинка из кристалла кварца в качестве компенсатора, модуляция азимута поляризации посредством МОМ ячейки Фарадея. Магнитный сердечник ячейки – цилиндрический стержень диаметром 14 мм и длиной 50 мм; термо-стат U1 поддерживал температуру Т = 293,0 ± 0,2 К; катушка модулятора питалась переменным током с частотой f = 1 кГц, а глубина МОМ модуляции составляла ~ 1º. . . Функциональная схема МОМ лазерного фотоэлектрического нуль-эллипсометра дана на рисунке 11-7: 1 – лазерный источник света, 2 – фоку- сирующая система, 3 – круговой поляризатор, 4 – призма поляризатора, 5 – модулятор, 6 – компенсатор (пластинка l/4 из кристаллического кварца), 7 – поворотный механизм, 8 – образец, 9 – призма анализатора, 10 – фото-приёмник (ФЭУ), 11 – источник стабилизированного высоковольтного пита-ния, 12 – предусилитель, 13 – селективный усилитель (У2–8), 14 – синхро-детектор (В9–2), 15 – осциллограф (СГ–68), 16 – звуковой генератор ГЗ–34, 18 – конденсатор колебательного контура, 19 – термостат типа U1.

Рисунок 11–7. Функциональная схема МОМ лазерного нуль-эллипсометра.

ЛЕКЦИЯ 12. НЕНУЛЕВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЛИПСОМЕТРЫ:РЕФРАКЦИОННЫЕ И С ДИСКРЕТНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПОЛЯРИЗАЦИИ;ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ.

Ненулевые методы эллипсометрии используют прямое измерение интен-сивности светового потока на выходе ненулевых эллипсометров. Таковыми по своей сущности являются методы измерения оптических постоянных ве-щества, использующие эффект нарушения полного внутреннего отражения (НПВО) световых волн на границе оптических сред.

Рисунок 12–1. Структурная схема поляризационного рефрактометра.

Структурная схема поляризационного рефрактометра, реализующего сей метод, дана на рисунке 12–1. Монохроматический световой поток от источ-ника 1 формируется коллиматором 2 и фильтром 3 в плоский пучок, прохо-дит через поляризатор 4, модулятор 5, четвертьволновую пластинку 6, моду-лятор 7, компенсатор 8, рассеивающую линзу 9 и под углом a падает на плоскость контакта полусферы 10 из стекла с жидкостью 11. Отражённый поток света проходит анализатор 12 и детектируется фотоприёмником 13. В отличие от обычных схем эллипсометров поляризатор 4 и анализатор 12 укреплены неподвижно, а азимуты их осей пропускания взаимно перпен-дикулярны и составляют угол +45º и -45º с плоскостью падения потока света на объект. Четвертьволновая пластинка 6 укреплена неподвижно и её «быст-рая» ось совпадает с направлением пропускания анализатора 12. Сходные модуляторы 5 и 7 питают переменным током частоты f, находясь в противо-фазе. Фотоприёмник 13 включён в цепь следящей системы с селективным усилителем 14, настроенным на частоту тока в модуляторе, и реверсивным двигателем 15, механически связанным с полусферой 10, рассеивающей лин-зой 9 и анализатором 12. Фотоприёмник 13 воспринимает интенсивность I:

I = (I_ot_a/4){1 – cos(2y)cosD + A[sin(2y) - sin(D)cos(2y)]sin(wt)} (12.1)

где I_o - интенсивность падающего на поляризатор (4) потока света; t_a - коэф-фициент пропускания оптического тракта установки; y и D - определяемые эллипсометрические углы; w - циклическая частота переменного тока. Здесь автоматически изменяется угол падения a света на границу контакта жид-кости с плоской поверхностью полусферы и, фиксируя гашение сигнала при условии:

n₂ = n₁sina (12.2)

напрямую определяют показатель преломления жидких тел.

Один из эффективных ненулевых автоматических эллипсометров исполь-зует дискретное изменение поляризации света. Принципиальная блок-схема его дана на рисунке 12–2: 1 – источник света; 2 – переключатель поляриза-ции; 3 – компенсатор; 4 – объект; 5 – блок, содержащий анализатор поля-ризации света и фотоприёмник с системами усиления; РС – персональный компьютер с системой отображения данных; здесь источник света 1 – монохроматор или лазер, фотоприёмник 5 – фотоэлектронный умножитель или фоторезистор, переключатель 2 поляризации – клин, выполненный из двупреломляющего материала и разделяющий падающий на него плоский монохроматический поток света на два расходящихся на выходе пучка с ортогональными линейными поляризациями света. Поток света от источника 1 формируется в системе 2 с помощью волоконного световода и зеркал в плоский пучка света, падает на двупреломляющий клин, разделяется им на обыкновенный (о) и необыкновевенный (е) пучки, направляемые параболи-ческими зеркалами параллельно исходному направлению пучка через моду-лятор на клин. Далее совмещённые им световые пучки с линейными p- и s-поляризациями падают через компенсатор 3 на образец 4, отражаются им на анализатор состояния поляризации на входе системы 5 и затем на фото-приёмник. Сигналы от фотоприёмника поступают через радиоэлектронную

рис.12–2. Блок-схема эллипсометра с дискретным

изменением состояния поляризации.

систему усиления и оцифровки на систему РС обработки данных измерений, содержащую цифровой компьютер и блок отображения экспериментальных данных. Параболические зеркала в переключателе 2 состояния поляризации инвертируют пучки света, проходящие через клин первый и второй раз для идентичности оптических путей для пучков света с p- и s-поляризациями при проходе клина. Для сигнала I_D на фотоприёмнике в схеме PCSA организации эллипсометра имеем:

I_D = GI_o[sin²A·sin²P +cos²A·cos²P·tg²y +(1/2)sin2A·sin2P·cosD·tgy] (12.3)

где G – аппаратный множитель, I_o – интенсивность света на входе прибора,

А и Р – азимутальные углы для поляризатора и анализатора, y и D - эллипсометрические углы образца (интенсивность света, отражаемого клином, контролируется референтным диодом). Меняя азимут поляризатора от значения Р₁ до Р₁ + 90º, находят эллипсометрические углы y и D из отношений сигналов фотоприёмника, найденных для азимута анализатора А₁ и А₁ + 90º. Коаксиальный компенсатор 3 с быстрой осью в плоскости падения света на образец доводит фазу D_С компенсатора до значения D в (12.3), повышая точность определения углов y и D вблизи 0º или 180º.

Метод переключения поляризации имеет в сравнении с вращательными методами существенные преимущества как по скорости, так и точности измерений. Эллипсометр с дискретным изменением состояния поляризации не имеет подвижных оптических элементов, что обеспечивает как стабиль-ность, так и точность измерений. При работе с гелий-неоновым лазером при временах на уровне ~ миллисекунд точность измерения эллипсометрических углов y и D составляет 0,002º и 0,003º, стабильность – 0,005º, точность технологического контроля нанесения тонких плёнок – не хуже 1Å при скорости напыления плёнок до 100 Å/сек.

Другие методы реализации ненулевой эллипсометрии используют явления интерференции, многолучевой и двулучевой.

Интерференционный эллипсометр на основе многолучевого резонатора Фабри-Перо с перестраиваемой оптической длиной представлен оптической схемой на рис. 12-3. Здесь лазер (1), поляризатор (2), пластинка l/4 (3), зер-кало (4), образец (5), пьезокерамический вибратор (6); 7 – поляризационная призма (7); 8 – фотоприёмники (8). Пропуская через анизотропный резонатор излучение одночастотного лазера с круговой поляризацией и перестраивая его длину с помощью вибратора, регистрируют интерференционную картину для собственных мод оптического резонатора в плоскостях его собственных поляризаций (рисунок 12-4). Интенсивности I_p и I_s в картине интерференции для собственных p– и s–поляризаций (рисунок 12–4) даны формулами Эйри:

I_p = I_op(T₂T₁R_p)² /{[1– R_p²R₁R₂]² + 4R_p²R₁R₂ sin[(2pL/l) + D_S/2]} (12.4)

I_s = I_os(T₂T₁R_s)² {[1– R_s²R₁R₂]² + 4R_s²R₁R₂ sin[(2pL/l) – D_S/2]} (12.5)

Здесь I_op и I_os – амплитуды интенсивности p– и s–компонент потока излу-чения; Т₁ и Т₂, R₁ и R₂ – коэффициенты пропускания и отражения по мощности (или интенсивности) для торцевых зеркал оптического резонатора; R_p и R_s – коэффициенты отражения исследуемого объекта для p– и s–ком-понент потока излучения; L – длина оптического резонатора; l – рабочая длина волны лазерного света; D – сдвиг фаз между линейно поляризован-ными p– и s–компонентами потока лазерного излучения. Если коэффициенты отражения R_p и R_s равны единице (R_p = R_s =1), то тогда имеют дело с изотропным оптическим резонатором Фабри-Перо.

Рисунок 12–3. Оптическая Рисунок 12–4. Картина

схема интерферометра. интерференции.

Длина резонатора L меняется во времени t линейно с постоянной скоро-стью, а эллипсометрические параметры зеркала: tgy = r = (R_p/R_s) и D = d_p – d_s – преобразуются соответственно в интервалы времени:

tgy = {[sin(pt_p/2T)+1]^1/2 – sin(pt_p/2T)}/

/{[sin(pt_s/2T)+1]^1/2– sin(pt_s/2T)} (12.6)

D = d_p – d_s = (pt/T) (12.7)

Здесь Т – интервал во времени между максимумами интерференционных импульсов светового излучения одной и той же поляризации; t - интервал времени между максимумами интерференционных импульсов светового излучения разных поляризаций; t_p и t_s - длительности интерференционных импульсов для компонент светового потока с линейной поляризацией p– и s–типа на уровне половинной интенсивности от соответственного максимума интерференционной картины. . . Точность измерения времени с помощью цифровых частотомеров составляет примерно 5 наносек. Основной вклад в погрешности измерений вносит электронная схема усиления и обработки регистрируемых сигналов, основное назначение которой преобразовывать интерференционные сигналы в прямоугольные импульсы с соответствующими длительностями и интервалами времён между ними. Из-за шумов в тракте электронной схемы пороговые устройства срабатывают не строго в нужный момент и точность измерения фазового параметра D (12.7) составляет не лучше 2p·10^–5 радиан. устройства срабатывают не строго в нужный момент и точность измерения фазового параметра D (12.7) составляет не лучше 2p·10^–5 радиан или оказывается не лучше 14 угловых секунд. В другом варианте интерференционной эллипсометрии используется двулучевая интерференция; на практике её реализации в эллипсометрии наи-более удачными оказались двулучевые интерферометры Майкельсона. Дос-тоинство использования двулучевой интерференции в эллипсометрии со-стоит в том, что поиск информации об амплитудно-фазовых соотношениях для линейно поляризованных р- и s-компонент потока светового излучения переносится из сверхвысокочастотного оптического диапазона в низкочас-тотный диапазон колебаний электрических сигналов, которые получаются в результате фоторегистрации нестационарной картины интерференции иссле-дуемого потока света с когерентным опорным потоком света. Пусть вектор Джонса Е^*_и(Е^*_ир,Е^*_иs) основного информационного (и) потока светового излучения представляется соотношением вида:

Е^*_и = Е_ирexp(id_иp) exp(i2pn₁t) (12.8). ,

Е_иsexp(id_иs) .

Поиск по сайту: