Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ЛЕКЦИЯ 11. НУЛЬ-ЭЛЛИПСОМЕТРЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ 5 страница



 

ЛЕКЦИЯ 20. УРАВНЕНИЯ ХОЛОЭЛЛИПСОМЕТРИИ ДЛЯ ОДНОГО И ДВУХ ОПТИЧЕСКИ ИЗОТРОПНЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СЛОЁВ НА ПОГЛОЩАЮЩЕЙ ПОДЛОЖКЕ.

Возможность параллельного определения в режиме in situ трёх эллипсометрических параметров объекта (rp, rs и D) следует из законов взаимодействия поляризованного света с оптическими элементами прибора. В общем случае измерений интенсивности основных и опорных пучков имеем 8 неза-висимых отсчётов для текущих измерений in situ и 8 отсчётов для предвари-тельных измерений при неизменяемых расстановке и размещении элементов в обоих измерительных каналах прибора, то есть имеем 16 величин, опреде-ляемых экспериментально. Регистрируемые пучки в свою очередь несут па-раллельно информацию, описываемую 18 параметрами, причём фазы (dp и ds) комплексных амплитудных коэффициентов отражения rp* и rs* для основного и опорного объектов и фазы (gp и gs) комплексных амплитудных поляризационных аппаратных функций прибора Ap* и As* для линейно поляризованных p- и s-компонент потока света в основном и опорном измерительных каналах проявляются в плане теории не в отдельности, сами по себе, а через соответ-ственные разности D, Dо и DА этих фаз. Понятные требования конструктив-ного сходства элементов измерительных каналов снижают число внутренних параметров потоков света в приборе уже до семи. Параллельно измеряют выходные электрические сигналы Vи1, Vи2, Vи3, Vи4 от информационных и Vо1, Vо2, Vо3, Vо4 от опорных пучков света и на их основе вычисляют относительные параметры выходных сигналов в виде:

p = [Vи1(и2) /Vо1(о2)]1/2 (20.1-1)

s = [Vи1(o1) /Vи2(о2)]1/2 (20.1-2)

q = │(Vи3 – Vи4)│/(Vи3 + Vи4) (20.1-3)

u = │(Vo3 – Vo4)│/(Vo3 + Vo4) (20.1-4)

Для рассматриваемого здесь случая основные уравнения холоэллипсо-

метрии, имеющие в целом принципиальное методологическое значение,

получаем на основе общего электродинамического подхода к взаимодействию поляризованных волн с оптическими элементами прибора, а также по-нятных соображений о конструктивной и функциональной идентичности со-ответственных оптических и электроизмерительных элементов прибора в его измерительных каналах и о взаимном расположении светоделительных плос-костей в светоделителях. Эти уравнения холоэллипсометрии для изотропной поглощающей плёнки на изотропной подложке представляют собой, во-первых, соотношения для модулей rp и rs комплексных амплитудных коэффициентов rp* и rs* линейно поляризованных p- и s-компонент потока света на объекте:

rp = rop [(Vи1/Vо1)1/2]/[(Vи1/Vо1)1/2 ]Э (20.2) . rs = ros [(Vи2/Vо2)1/2]/[(Vи2/Vо2)1/2 ]Э (20.3)

(здесь индекс «э» внизу отвечает замене основного объекта на пути основ-ного потока света эталонным объектом, идентичным опорному, для учёта ап-паратных функций прибора, а параметры rop и ros есть модули комплексных амплитудных коэффициентов отражения rop* и ros* для линейно поляризован-ных p- и s-компонент опорного потока света на опорном объекте); во-вторых, автоматически включаемые соотношения для известных в эллипсометрии модулей rи и rо относительных комплексных амплитудных коэффициентов отражения rи* и rо* для основного (и) и соответственно опорного (о) объектов:

rи(о) = Vи(о)1/Vи(0)2 (20.4).

в-третьих, соотношения для фазовых эллипсометрических параметров D и Dо основного и соответственно опорного (о) объектов в виде:

sin D = (1/2)(rи + rи–1)[(Vи3 – Vи4)/(Vи3 + Vи4 )] (20.5-1). . sin Dо = (1/2)(rо + rо–1)[(Vо3 – Vо4)/(Vо3 + Vо4 )] (20.5-2) .

Последние соотношения (20.5-1) и (20.5-2) имеют место при надлежащей настройке поляризационных компенсаторов, размещаемых по схеме ПОКА (PSCA) на входе анализитора эллипсометра выполнением вспомогательных опытов до проведения основных измерений. Разности фаз DАИ и DАО для линейно поляризованных p- и s-компонент основного информационного (и) и вспомогательного опорного (о) потоков излучения при их взаимодействии с оптическими элементами прибора на всём пути от источника света до фотоприёмников подбирают специально. Для этого основной контролируемый объект заменяют эталонным объектом, который идентичен опорному, и устанавливают компенсаторы так, чтобы они давали сдвиги по фазе для ортогонально поляризованных пучков света, равными (p/2). Отклонения сдвигов фаз от значения (p/2) для опорного объ-екта при измерениях in situ служат согласно соотношению (20.5-2) мерой фазовой стабильности работы прибора в режиме in situ. Отметим, что при отсутствии опорного объекта для эллипсометрических параметров в опорном пучке выполняются соотношения: rop = ros = 1 и Dо = 0. . .

Основные уравнения холоэллипсометрии (20.2)–(20.5) для рассмотренного варианта следуют из общего электродинамического подхода и дают основу для осуществления метода параллельного и быстрого определения массива эллипсометрических параметров объекта в режиме in situ независимо от априорных допущений о конкретных значениях его параметров. Они задают и логику схемотехнической организации микропроцессоров для получения при контроле или измерениях in situ относительных выходных сигналов (20.1) вместо использования в алгоритме расчётов параметров непосредственно измеряемых выходных сигналов Vи1, Vи2, Vи3, Vи4 от информационных и Vо1, Vо2, Vо3, Vо4 от опорных пучков света. Такая схемотехническая орга-низация обработки измерений диктуется требованием иметь достаточную устойчивость алгоритма счёта к экспериментальным погрешностям и флуктуациям сигналов при контроле процессов на объекте в масштабе реального времени. Относительные параметры (20.1) позволяют исключить неопреде-лённости, обязанные отсутствию при измерениях in situ информации о пада-ющей на вход прибора интенсивности потока света и аппаратных функциях самого прибора, включая динамическую (вольт-ваттную) чувствительность приёмно-усилительных частей прибора, исключить влияние на результаты нестабильностей в интенсивности потока света на входе прибора, обязанные флуктуациям (а) плотности полей в источнике света и (б) свойств окружаю-щих объект сред, например, из-за дрейфа температуры, давления, влажности атмосферы, рассеянного высокочастотного или ультрафиолетового излуче-ния и «плавания» режимов фотоприёмников и усилителей электрических сигналов. Разностные сигналы (Vи3 – Vи4) и (Vо3 – Vо4) позволяют подавить «когерентные» шумы, обязанные полям излучения в основном и опорном потоках света. Микропроцессор обеспечивает включение в него блока посто-янной памяти для записи, хранения и последующего использования парамет-ров аппаратных функций холоэллипсометра и других параметров, получае-мых на основе предварительных вспомогательных опытов. . . Пусть модули комплексного амплитудного коэффициента отражения rpд и rsд и коэффициента пропускания tдр и tдs светоделителя для потоков света с линейными р- и s-поляризациями в опорном и информационном каналах соответственно одинаковы. Тогда сигнал Vи1 для информационного пучка света с линейной р-поляризацией:

Vи1 = Dr2pдr2pA2pIо (20.6).

(D – вольт-ваттная чувствительность фотоприёмников, Ap – амплитуда ком-плексной аппаратной функции прибора A*p для компоненты потока света с линейной р-поляризацией, Iо – интенсивность на входе прибора); сигнал V01 для опорного потока света р-поляризации:

Vо1 = Dr2pдr2оpA2pIо (20.7).

сигнал Vи2 для основного пучка s-поляризации:Vи2 = Dr2sдr2sA2sIо (20.8).

(As – амплитуда комплексной аппаратной функции прибора A*s для потока. света с линейной s-поляризацией); сигнал Vо2 для опорного пучка s-поляри-зации: Vо2 = Dr2sдr2оsA2sIо (20.9). .

Затем находим отношение (Vи1/Vо1), используя (20.6) и (20.7) и отношение (Vи2/Vо2), используя (20.8) и (20.9); искомые модули rp и rs коэффициентов отражения слоистой структурой компонент падающего на неё потока света с линейными р- и s-поляризациями согласно (20.2) и (20.3) при известных на основе предварительных опытов коэффициентов отражения roр и ros для пуч-ков в опорном канале измерений, внесённых в банк данных. Далее сигналы Vи3 и Vи4 от основных и сигналы Vо3 и Vо4 от опорных пучков с линейными поляризациями, повёрнутыми на 45º влево (+) и вправо (–) относительно поляризации предшествующей системы (взят случай линейных поляризационных призм, используемых как анализаторы состояния поляризации света и повёрнутых своими азимутами относительно друг друга на угол 45º): .

. Vи3 = DIo[t2sдr2sA2s +t2pдr2pA2p+2tpдtsдrsrpApAscos(D+DA+Dt)] (20.10) D,

DA и Dt – фазовые эллипсометрические параметры для слоистой структуры, аппаратной функции прибора и пропускаемого светоделителем 4 света);

и Vи4 = DIo[t2sдr2sA2s +t2pдr2pA2p – 2tpдtsдrsrpApAscos(D+DA+Dt )] (20.11)

Vо3 = DIo[t2sдr2оsA2s+t2pдr2орA2p + 2tpдtsдrоsrоpApAscos(D+DA+Dt)] (20.12)

Vо4 = DIo[t2sдr2оsA2s+t2pдr2орA2p – 2tpдtsдrоsrоpApAscos(D+DA+Dt)] (20.13)

Тогда: q = (Vи3 – Vи4)/(Vи3 + Vи4) = [2arи/(1 + a2rи2)]cos(D + Do) (20.14)

u = (Vo3 – Vo4)/(Vo3 + Vo4) = [2arо/(1 + a2rо2)]cos Do (20.15)

v = (Vи3 + Vи4)/(Vo3 + Vo4) = [(1 + a2rи2)/(1 + a2rо2)](rs/a) (20.16)

где относительные коэффициенты отражения основного rи = (rp/rs) = (Vи1/Vи2) и опорного rо = (Vо1/Vо2) объектов даны формулами (20.4); параметр а поляризационной аппаратной функции прибора задан как:

а = (Aptpд/Astsд) (20.17)

и фазовый параметр Do: Do = DA + Dt (20.18)

Определяя эллипсометрический параметр D объекта, выполняем расчёт-ные операции:

1) rp и rs с помощью (20.4) дают параметр rи = (rp/rs);

2) зная параметр rо, хранящийся в банке данных, и найденные rs и rи, находим с по-мощью (20.17) параметр а;

3) имея параметры а и rо находим значение cosDo по параметру u в (20.16) и далее параметр Do;

4) при найденных rи и а по па-раметру q в (20.15) – значение cos(D + Do) и далее параметр (D + Do);

5) по па-раметрам Do и (D + Do) находим эллипсометрический параметр D слоистой структуры. Если параметр К = (Ioo/Ioи) ¹ 1, в формулах(20.1), (20.14)–(20.16) параметр Vи,о4 заменяем на КVи,о4, в формулах (20.2) и (20.3) параметр Vо1,2

на (Vо1,2/К), в формуле (20.10) Vи3 – на (Vи3/K), в формуле (20.12) Vи3 – на

(Vи3/K2) и в формуле (20.13) параметр Vи4 – на (Vи4/K).

Эффективность метода холоэллипсометрии в эксперименте или техноло-гическом контроле в режимах in situ определена (а) числом эллипсометриче-ских параметров, которое измеряется независимо и параллельно с должным быстродействием, и (б) выработкой при этом управляющих команд. Само же осваиваемое методом холоэллипсометрии число параметров, получаемых in situ, задано числом тех оптических параметров, что нужны для теоретиче-ского описания слоистой структуры на основе электродинамики. Реализация метода холоэллипсометрии в реальном времени изучаемой слоистой структу-ры коррелирует в итоге с отлаженностью её теоретического описания.

Расчёт амплитудных комплексных коэффициентов отражения r*p и r*s сло-истой структурой линейно поляризованных p- и s-компонент падающего на неё света решается матричным методом, в котором четырёхкомпонентная матрица S связывает компоненты электрического поля световой волны на входе и выходе тонкого слоя, заключённого между двумя плоскостями, по-перечными бегу волны света. Применение метода связана с общими свойст-вами электромагнитного поля: граничные условия для электрических и маг-нитных векторов электромагнитного поля на границе раздела различных сред, в частности, непрерывность тангенциальных составляющих этих полей.

Пусть E+(z) и E-(z) – комплексные амплитуды плоских волн, бегущих в прямом (+) и обратном (–) направлении оси z, нормальной плоскости слоис-той структуры (рисунок 20–1) из N слоёв между внешней средой (0) и под-ложкой (N +1). Комплексный показатель преломления n*j = nj + ikj с дейст-вительной nj и мнимой kj частями и толщиной dj для j-слоя; внешняя среда – n*о = nо + ikj; подложка – n*N+1 = nN+1 + ikN+1. Плоская монохроматическая волна во внешней среде 0, падающая под углом j0 на границу раздела среды с планарной системой, порождает отражённую во внешнюю среду 0 волну и входящую в подложку (N +1) волну. В каждом j-слое возбуждается электро-магнитное поле волны как результат сложения полей двух плоских волн: одной волны, бегущей вперёд (+) к подложке, и другой, бегущей обратно назад (–) к внешней среде. Полное электрическое поле Е(z) задано двух-компонентной матрицей в виде вектор-столбца. Его компоненты – плоские волны E+(z) и E-(z), бегущие в прямом (+) и обратном (–) направлениях оси z поперёк плоскости слоистой структуры (рисунок 20–1):

E+(z)

Е(z) = E-(z) (20.19)

 


jo0

jj j

N

Z jN +1 N +1

Рисунок 20–1. Плоская световая волна на многослойной структуре.

Вектора Е(z¢) и Е(z¢¢) в точках, удалённых от начала (z = 0) размещения слоёв на расстояния z¢ и z¢¢, связаны матричным соотношением с помощью передаточной матрицы S: Е(z¢) =(z¢¢) (20.20). или системой уравнений: E+(z¢) = S11E+(z¢¢) + S12E-(z¢¢) (20.21-1). . E-(z¢) = S21E-(z¢) + S22E+(z¢¢) (20.21-2)

что равноценно: E+(z¢) S11 S12 E+(z¢¢)

Е(z¢) = E-(z¢) = S21 S22 · E-(z¢¢) (20.22)

Четырёхкомпонентная передаточная матрица Sописывает частьслоистой структуры между плоскостями, параллельными слоям и отстоящими от их начала на расстояния z¢ и z¢¢. Если z¢ и z¢¢ лежат по разные стороны границы слоёв j и (j–1), то для (20.20) имеем:

Е(zj–0) =I(j–1)j Е(zj +0) (20.23)

где четырёхкомпонентная – (2х2) – матрицаI(j–1)j описывает границу разде-ла слоёв j и (j – 1). Если же z¢ и z¢¢ лежат внутри j-слоя на его границах при расстоянии в толщину слоя dj, то для соотношения (20.20) имеем:

 

Е(zj +0) =Lj Е(zj + dj – 0) (20.24)

где четырёхкомпонентная матрицаLj характеризует j-слой толщины dj. . . Все эти локальные поля – присутствующие внутри слоёв планарной сис-темы и на их границах контакта с другими слоями или средами – определяют результирующую волну. Если координаты z¢ и z¢¢ лежат во внешней среде (0) и в подложке (N +1) и непосредственно примыкают соответственно к грани-цам раздела внешней среды и первого слоя (01) и последнего N слоя и подложки (N, N +1), то поле Е(z1 – 0) на границе сред (01) и поле Е(z(N+1)+0) на границе контакта с подложкой (N, N+1) описывается матричным соотно-шением: Е(z1 – 0) = (z(N+1) + 0) (20.25)

Матрица S в соотношении (20.25) описывает общие свойства отражения и пропускания света слоистой структурой. Она задана произведением всех последовательно включаемых матриц – матриц I(j–1)j границ раздела слоёв j и (j–1) и матриц Lj j-слоя толщины dj, описывающих этапы взаимодействия плоских световых волн с элементами слоистой структуры на пути от входа в неё до выхода из неё:

S = I01L1I12L2···I(j–1)jLj···LNIN(N+1) (20.26)

Соотношение (20.26) показывает, что для определения матрицы Sслоис-той структуры рассчитывают матрицы I(j–1)j всех границ раздела слоёв и матрицыLj всех слоёв. Матрица I(j–1)j границы раздела слоёв j и (j–1) определена

френелевскими коэффициентами отражения r*(j–1)j и пропускания t*(j–1)j,

заданными углами падения jj:

1 r*(j–1)j

I(j–1)j = ∙(1/t*(j–1)j) (20.27)

r*(j–1)j 1

Матрица Lj для j-го слоя с комплексным показателем преломления n*j = nj + ikj и толщиной dj описывает фазовый сдвиг для волн E+(z) и E-(z), бегущих в разных направлениях в слое:

exp(+iфj) 1

Lj = 1 exp(–iфj) (20.28)

 

где фазовый сдвиг фj: фj = kdjn*jcosjj (20.29)

k – волновое число: k = 2p/l (20.30)

jj – угол между направлениями бега волн и нормали к границе раздела сред. . . В эллипсометрии матрица S слоистой структуры берётся отдельно для линейно поляризованных p- и s-компонент потока света на слоистой струк-туре. Применяя метод S-матрицы к структуре из двух слоёв (1 и 2), находя-щихся на подложке (3) во внешней среде (0): S = I01L1I12L2I23 (20.31) приняв во внимание соотношения (20.27) и (20.28) и проведя матричные перемножения, получаем матричные компоненты S11 и S21: .

. S11 = А*[(1 + r*01r*12exp(–i2ф1) + (r*12 + r*01exp(–i2ф1)r*23exp(–i2ф2)] (20.32). . S21 = А*[(r*01+ r*12exp(–i2ф1) + (r*01r*12 + exp(–i2ф1)r*23exp(–i2ф2)] (20.33). . А* = [exp(i(ф1+ ф2))]/(t*01t*12t*23) (20.34).

и амплитудные комплексные коэффициенты отражения r*p,s линейно поляризованных p- и s- компонент потока света:

r*p,s = (S21/S11) p,s (20.35) .

Итак, их комплексные величины для двуслойной структуры зависят в итоге при известных комплексных показателях преломления n*0 и n*3 внешней среды и подложки от шести оптических параметров: действительных n1 и n,2, мнимых k1 и k2 частей комплексных показателей преломления n*1 и n*2 слоёв 1 и 2 и их толщин d1 и d2. Результат важен для холоэллипсометрии как задающий требования к обеспечению функциональной, схемотехнической и конструктивной организации холоэллипсометра. В данном случае требуется измерять в режиме in situ параллельно и с достаточным быстродействием, по крайней мере, не менее шести экспериментально определяемых эллипсомет-рических параметров, описывающих состояние двуслойной структуры.

0 jo

1j1 z = 0

2Zj2z = d

Рисунок 20–2. Оптически анизотропный плёночный слой на подложке.

Холоэллипсометрия оптически анизотропного поглощающего слоя 1 на подложке 2 при контакте с внешней средой 0 (рисунок 20–2) строится в рамках электродинамики сплошных сред, опирающейся на систему уравнений Максвелла-Лоренца для гармонически меняющихся векторов электромагнитного поля:

rot E + (iw/c)B = 0; divB = 0; (20.36-1) .

rotH – (iw/c)D = (4p/c)J; divD = 4pQ (20.36-2).

где E и H, D и B – векторы напряжённости и индукции поля светового излучения; Q – объёмная плотность свободных электрических зарядов;

J – плотность тока проводимости: J = <spq> E (20.37)

(<spq> – тензор проводимости 2-го ранга с комплексными компонентами). . . Материальные уравнения как связи векторов D и E, B и H, J и E заданы тензорами второго ранга для диэлектрической <epq> и магнитной <mpq> проницаемостей, проводимости <spq>:

D = <e* pq> E (20.38). .

B = <mpq> H (20.39).

и электрической проницаемости: <e*pq> = <epq> - i(4p/w)<spq> (20.40).

. Каждый тензор <epq>, <mpq>, <e*pq> и <spq> определён в общем случае 9 комплексными, а всего 18 действительными параметрами. Но компоненты электрических D(Dx, Dy, Dz); E(Ex, Ey, Ez) и магнитных B(Bx, By, Bz); H(Hx, Hy, Hz) векторов связаны уравнениями для энергии WE и WM электрического и магнитного полей электромагнитной волны и условиями инвариантности относительно преобразований симметрии кристаллов. С учётом этого выби-рают систему координат (x, y, z) для кристалла немагнитной среды, в кото-рой при нулевом магнитном поле недиагональные компоненты тензора элек-трической проницаемости <e*pq> (p ¹ q) в (20.40) обращаются в ноль. В ней для компонент Dq индукции D и Eq напряжённости E вдоль главных направ-лений в кристалле q (x, y, z) имеем связь:

Dq = e*qqEq (20.41). . Плоская линейно поляризованная световая волна с вектором Е, колеблю-щимся вдоль главного направления q в кристалле (q = x, y, z), распространя-ется с фазовой скоростью vq, связанной с главным значением действительной части nq показателя преломления n*q:

vq = (с/nq) (20.42)

а главное значение комплексного показателя преломления n*q (q = x, y, z) для главного направления q в кристалле задано главным значением электриче-ской проницаемости e*qq (q = x, y, z):

n*q = e*qq1/2 (20.43). .

Для оптически анизотропных одноосных кристаллических многослойных структур, получивших в практике высоких технологий объективно наиболее широкое распространение, число независимых параметров, описывающих оптические свойства и, следовательно, оптические параметры слоя в струк-туре, снижается до шести. Это (1) геометрическая толщина слоя d; (2) дейст-вительная nо и (3) мнимая ko части комплексного обыкновенного показателя преломления n*о:

n*о = nо + iko (20.44)

(4) действительная nе и (5) мнимая ke части комплексного необыкновенного показателя преломления n*е:

n*е = nе +ikе (20.45)

наконец, (6) угол a для направления колебаний вектора электрической индукции D электромагнитной волны относительно оптической оси кристалла, причём для необыкновенной волны (е), когда угол a отличен от прямого (a ¹ p¤2), фазовая скорость v(a) определяется соотношением: .

. v(a) = с{[(sina)2 ¤ (n2е–2nеkе)] +[(cosa)2 ¤ (n2o–2nok0)]}1/2 (20.46).

. Этот результат, повторяемся, также важен для холоэллипсометрии как задающий требования к обеспечению функциональной, схемотехнической и конструктивной организации соответствующего типа холоэллипсометра, при этом, видим, лишь один анизотропный слой многослойной структуры требу-ет уже не менее шести независимо определяемых в опыте параметров. Расчёт амплитудных комплексных коэффициентов отражения r*p и r*s поляризованного потока волн слоистыми анизотропными структурами являет собой самостоятельную научную проблематику. Решение возникающих в этой области научных исследований задач существенно опирается на разработанный метод (4х4)-матриц, хотя, может быть, разработанный ещё в недостаточной мере для произвольного случая кристаллических слоистых структур с более низкими типами симметрии. Но при нашемподходе к раз-витию холоэллипсометрии in situ как мониторинга высокотехнологичных процессов вполне приемлемыми оказываются разработанные методы расчёта коэффициентов отражения оптически анизотропными слоями, обладающими достаточно высокой кристаллографической симметрией и находящимися в окружении химически агрессивных сред. В актуальном для роста анизотропных структур случае, когда оптическая ось одноосной плёнки 1 перпендикулярна её границам со средой 0 и подлож-кой 2 (рисунок 20–2), можно применить формулу (20.35), уточняя в формулах (20.32)–(20.33) фазовую толщину:

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.