Методика эллипсометрических измерений и экспериментальная установка
Измерения поляризационных углов 
и 
осуществляются с помощью специальных устройств – эллипсометров, состоящих из оптических элементов – поляризаторов и фазовых пластин, установленных на лимбах, позволяющих фиксировать углы их поворотов (азимуты) относительно плоскости падения пучка света на образец с высокой точностью.
Все методы экспериментального определения поляризационных углов можно разбить на две группы: нулевые и основанные на непосредственном измерении интенсивности рабочего светового пучка на выходе эллипсометра (ненулевые методы).
Классическая принципиальная схема эллипсометра, принятая для реализации нулевых методов (рис. 9), включает в себя поляризатор (10), после которого параллельный пучок монохроматического света становится линейно-поляризованным; компенсатор (7), вносящий дополнительную разность фаз; анализатор (4), работающий по тому же принципу, что и поляризатор, и служащий для выявления определенным образом созданной линейной поляризации света, отраженного от образца.
В данной работе поляризационные углы Ψ и 
измеряют с помощью эллипсометра ЛЭМ-2 (лазерный эллипсометрический микроскоп), работающий по нулевой схеме.
а. Устройство и работа эллипсометра ЛЭМ-2
Оптическая схема элипсометра представлена на рис. 9.
 |
Рис. 9. Оптическая схема лазерного эллипсометрического микроскопа типа ЛЭМ-2: 1 – фотоаппарат; 2 – фотодиод; 3 – нуль-индикатор; 4 – анализатор;
5, 6 – диафрагма; 7 – образец; 8 – компенсатор; 9 – механический прерыватель;
|
|
|
10 – поляризатор; 11 – 
пластина; 12 – гелий-неоновый лазер
Микроскоп лазерный эллипсометрический ЛЭМ-2 предназначен для измерения толщины и оптических постоянных покрытий на отражающих полированных поверхностях различных материалов.
ЛЭМ-2 осуществлен по оптической схеме с компенсатором, установленным в плече поляризатора с «быстрой» осью под углом ±450 к плоскости падения света. Положительный отсчет углов ведется от плоскости падения против часовой стрелки, если смотреть навстречу лучу. Источником монохроматического излучения служит гелий – неоновый оптический квантовый генератор (12) типа ЛГ-208. Четвертьволновая пластина (11) преобразует линейно-поляризованный свет лазера в циркулярно поляризованный. Поляризатор (10) служит для преобразования циркулярно поляризованного света в линейно поляризованный. Таким образом, наличие четвертьволновой пластины позволяет исключить при измерениях вращение лазера вместе с поляризатором.
Модуляция излучения осуществляется механическим прерывателем (9). После диафрагмы (8) луч проходит через вторую четвертьволновую пластину (7), являющуюся компенсатором, сменный объектив 5 и отразившись от контролируемой поверхности (6), пройдя второй объектив (5), и анализатор (4), попадает на фотодиод (2) или фотоаппарат (1) типа «Зенит 8». Линза (13) фиксирует луч на чувствительный элемент фотодиода. Сигнал с фотодиода усиливается и регистрируется блоком питания (3).
|
|
|
Рис. 10. Внешний вид микроскопа лазерного эллипсометрического ЛЭМ-2:
1 – Основание; 2 – Cтойка; 3 – Столик приборный; 4 – Выключатель модулятора; 5 – Кронштейн подвижный; 6,26 – Лимб; 7,27,29 Барабан;
8 – Электродвигатель; 9 – Устройства шкальное; 10 – Тубус поляризатора; 11,31 – Объективы Гайка; 13,18 – Маховичок; 12 – Сектор зубчатый;
14 – Шкала сектора зубчатого; 15 – Винт стопорный; 16 – Винт микрометрический; 17 – Столик фокусировки; 19 – Тубус анализатора;
20 – Выключатель сети; 21 – Рукоятка; 22 – Винт; 23,24,30 – Ручка;
32,33 – Сигнальные лампочки; 37 – Регулятор чувствительности;
38 – Фотодиод типа ФД-3; 39 – Выключатель лазера; 40 – Пластинка четверть волновая; 41 – Компенсатор; 42,43 – Планка; 44 – Анализатор
В приборе с неподвижным компенсаторе в падающем пучке света создается такая эллиптическая поляризация света, которая компенсирует эллиптичность, создаваемую исследуемым образцом, и отраженный луч становится линейно поляризованным. Установив анализатор в скрещенное положение с плоскостью поляризации отраженного луча, осуществляют погасание луча, добиваясь этого попеременным вращением поляризатора и анализатора. В положении погасания углы поворота вращаемых элементов связаны с параметрами Ψ и с помощью формул, описываемых ниже.
|
|
|
Внешний вид лазерного эллипсометра ЛЭМ-2 представлен на (рис. 10.)
Прибор имеет массивное основание (1). На основании закреплены стойка (2), столик приборный (3) и выключатели (4). На стойке (2) укреплен сектор зубчатый (14) с шкальным устройством, служащий для изменения углов наклона тубуса поляризатора (10) и тубуса анализатора (20).
Тубусы представляют собой прямую ступенчатую трубу. В широкой части корпуса тубусов сделаны окна для визуального наблюдения отсчетной системы поляризатора и анализатора. Предусмотрена возможность удаления узлов поляризатора и анализатора во время настройки прибора. Вращение поляризатора, анализатора и четвертьволновой пластины осуществляется соответственно барабанами 7, 27, 29, а отсчет углов поворота этих элементов относительно плоскости падения производится при помощи лимбов соответствующих шкал. Для фиксации лимбов служат винты (23), (24), (30).
|
|
|
В верхней части тубуса поляризатора расположен источник монохроматического излучения – оптический квантовый генератор типа ЛГ-208, в верхней части тубуса анализатора установлен высокочувствительный фотодиод, являющийся датчиком индикатора минимума освещенности при фотоэлектрическом способе регистрации момента погасания. Может быть также установлен фотоаппарат (21) типа «Зенит 8» для фотографирования исследуемого объекта. При этом, перемещая зеркало ручкой (28) можно направить световой луч на фотоаппарат.
б) Принцип действия
Принцип действия прибора основан на измерении состояния поляризации монохроматического поляризованного света при отражении его от исследуемой поверхности при косом падении луча. Линейно поляризованный свет после отражения от поглощающей поверхности без пленки или от поглощающей поверхности, покрытой инородной прозрачной пленкой, превращается в эллиптически поляризованный, причем изменения состояния поляризации света при отражении определяются оптическими свойствами отражающей поверхности, а также толщиной и показателем преломления пленки, находящейся на ней. Если падающий свет эллиптически поляризован, то при отражении луч будет линейно поляризован. Это происходит в том случае, если изменение эллиптичности, созданное исследуемым образцом, соответствует эллиптичности падающего луча.
Пропуская линейно поляризованный свет через фазовую пластину оптической толщиной в четверть длины волны, компенсатор вносит разность фаз, равную 900 , между компонентами электрического вектора. При этом необходимо, чтобы взаимно перпендикулярные характеристические оси компенсатора («быстрая» и «медленная») совпадали с главными осями эллипса. На выходе компенсатора, таким образом, получается эллиптически поляризованный свет. При определенном наклоне большой оси эллипса относительно плоскости падения отраженный свет становится линейно поляризованным. Этот свет гасится анализатором, установленным в скрещенное положение с направлением плоскости поляризации луча. По углам поворота поляризатора, анализатора и компенсатора при погасании с помощью формул, приведенных ниже, рассчитываются параметры D и Ψ, которые содержат всю информацию об отражающей поверхности. По параметрам D и Ψ из расчетных кривых или непосредственным решением уравнения эллипсометрии с помощью программ определяются неизвестные параметры отражающей системы.
в) Методика измерений поляризационных углов отражающей системы
Сущность нулевых методов состоит в установлении взаимосвязи между поляризационными углами и и теми положениями оптических элементов эллипсометра, которым отвечает минимум интенсивности (гашение) светового пучка на выходе эллипсометра.
Теоретическую основу нулевых методов составляют соотношения, связывающие поляризационные углы и с положениями оптических элементов, обеспечивающих гашение света на выходе эллипсометра.
Для любой конкретной исследуемой поверхности существует набор положений поляризатора, анализатора и компенсатора, при которых анализатор гасит отраженный от поверхности свет. Для эллипсометрической схемы измерения, осуществляемой в данном приборе, существует 32 возможных комбинаций отсчетов, при которых можно добиться погасания. Эти отсчеты разбиваются на четыре зоны: две с “быстрой” осью компенсатора, установленной под углом +450, а две – с осью, установленной под углом 450 к плоскости падения.
В каждой зоне имеется один независимый набор отсчетов углов поворота поляризатора и анализатора, дающих по зонам четыре независимых набора отсчетов P и A. Поскольку поляризатор и анализатор можно повернуть каждый на 1800 без воздействия на результаты, то число независимых отсчетов возрастает до 16. Кроме того, компенсатор тоже можно повернуть на 1800 без воздействия на результаты, что приводит к 32 возможным комбинациям отсчетов на лимбах эллипсометра при погасании. В таблице указаны пределы и зоны изменения углов поворота A и P в них.
При исследовании совершенно незнакомой поверхности измерения надо проводить во всех 4-х зонах, беря 32 независимых отсчета P и A и рассчитывая значения параметров Δ и ψ по точным формулам, приведенным ниже:
(76)
где
(77)
Для большинства практических случаев достаточно проводить измерение в зонах 1 и 2 или 3 и 4. Диапазоны измерения A и P приведены в табл. 1.
Методика расчета сводится к следующему:
а) Определить в зонах 1 и 2 или 3 и 4 значения A и P (по лимбам);
б) Определить значение P с учетом знака в соответствии с таблицей (при отсчете Р по лимбу в диапазоне 315 0-360 0 необходимо из полученного значения вычесть 360 0).
Таблица 1
|
Зона | Угловое положение компенсатора, град. | Диапазон измерения A, град. |
Диапазон измерения P, град. | |||
| при 0 | при 180 | |||||
| по лимбу | с учетом знака | по лимбу | с учетом знака | |||
| 1 | 45 | 0-90 | 315-45 | -45-45 | 45-135 | 45-135 |
| 2 | 45 | 90-180 | 45-135 | 45-135 | 135-225 | 135-225 |
| 3 | 315 | 0-90 | 45-135 | 45-135 | 135-225 | 135-225 |
| 4 | 315 | 90-180 | 315-45 | -45-45 | 45-135 | 45-135 |
в) Рассчитать Δ и ψ по формулам:
, (78)
. (79)
При измерениях в зонах III и IV надо в эти формулы вместо 
и 
подставить их значения
, 
, (80)
, 
при 
(81)
и
, 
при 
(82)
Измерения проводятся следующим образом:
а) Установить требуемый угол падения луча;
б) Установить исследуемый образец на столик;
в) Вращая анализатор и поляризатор, получить приблизительный минимум сигнала на приборе для одной зоны и отсчитать значения А1 и Р1.
Точное определение минимума сигнала производится следующим образом: по обе стороны приблизительного минимума взять два отсчёта по лимбу анализатора γ1 и γ2, соответствующих одинаковым показаниям индикатора минимума. Положение точного минимума определить по формуле: 
. Установить анализатор на значение А1.
г) При установленном значении А1 определить точное положение поляризатора Р1 аналогично пункту в).
д) Аналогично пунктам «в» и «г» определит точное значение положения минимума сигнала во 2 зоне и отсчитать А2 и Р2 .
е) Из измеренных углов А и Р по точным или приближённым формулам рассчитывают параметры D и Ψ, а затем по графикам (таблицам), приведённым в приложениях, или численным расчетам на ЭВМ с помощью программы, соответствующей данной задаче, определяют неизвестные характеристики отражающей системы.
Задание
Модельный эксперимент.Пользуясь методическим руководством [12] решить на ЭВМ методом численного эксперимента следующие задачи:
I.Решить прямую задачу эллипсометрии для заданной модели отражающей системы.
Вычисление поляризационных углов D и Ψ на основе той или иной модели отражающей системы, характеризующейся определенным набором параметров, принято называть прямой задачей эллипсометрии.
Такая задача возникает при выборе модели, соответствующей изучаемой, и изготовлении номограмм для определения параметров стандартных пленок.
Модель 1.Прозрачная однородная пленка (k1 = 0) на однородной изотропной подложке (кремний, германий, стекло).
1. Рассчитать зависимости D и Ψ от d для трех значений n1.
2. Распечатать одну из полученных таблиц результатов.
3. Построить графики зависимостей D и Ψ от d на плоскостях (D, Ψ), (D,d), (Ψ, d) с помощью графьёра и распечатать.
4. Из полученных результатов сделать выводы относительно характера зависимостей углов D и Ψ от толщины пленки d и записать.
Модель 2. Поглощающая однородная пленка (k1 
0) на однородной изотропной подложке (кремний, германий, стекло).
1. Рассчитать зависимости D и Ψ от d для трех значений n1 и k1.
2. Распечатать одну из таблиц результатов расчета.
3. Построить графики зависимостей D и Ψ от d на плоскостях (D, Ψ), (D, d), (Ψ, d) с помощью графьёра и распечатать.
4. Из полученных результатов сделать выводы относительно характера зависимостей углов D и Ψ от толщины пленки d и записать.
II.Решить обратную задачу эллипсометрии для заданной модели отражающей системы.
Вычисление неизвестных параметров отражающей системы на основе той или иной модели по известным значениям поляризационных углов D и Ψ принято называть прямой задачей эллипсометрии.
1.Определить оптические постоянные n и k однородной изотропной полубесконечной среды если измерениями на воздухе(или в какой-либо другой среде) получены следующие значения поляризационных углов: D =… и Ψ = … .
2. Определить толщину пленки d двуокиси кремния, полученной методом термического окисления в сухом кислороде.
3. Определить толщину d и показатель преломления n1 пленки двуокиси кремния, используя данные в задаче 2.
4. Определить толщину d, показатель преломления n1 и поглощения k1 пленки титана на кварцевой подложке.
5. Определить толщину d пленки, показатель преломления n2 и поглощения k2 подложки.
Реальный эксперимент.Измеряя эллипсометром поляризационные углы D и Ψ образцов, решить все примеры, приводимые в задаче 2, а примеры 2 и 3 еще графичеким способом.
Контрольные вопросы
1. Что такое плоская монохроматическая электромагнитная волна?
2. В каком случае говорят, что электромагнитная волна имеет линейную, круговую, эллиптическую поляризацию?
3. Какими величинами характеризуют состояние поляризации волны?
4. Что происходит с состоянием поляризации волны при отражении света?
5. Понятие эллипсометрии.
6. Теоретические основы метода эллипсометрии.
7. Принципы эллипсометрических измерений. Оптическая схема нуль-эллипсометра.
8. Методика эллипсометрических измерений.
9. Применениеметода эллипсометрии в науке и производстве.
Лабораторная работа № 5
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 1103; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!