2.2. Лазерная эллипсометрическая микроскопия

Появление лазеров привело к возможности исследования эллипсометрическими методами областей с малой площадью см², имеющих существенные неоднородности по толщине или по показателю преломления. Для этого эллипсометрическое изображение малых участков поверхности рассматривается при большом увеличении. Различия толщин пленок и оптических констант преобразуются при этом в различия яркости исследуемых элементов. Абсолютные величины толщин или оптических констант пленок могут быть определены путем гашения на эллиптической картине луча, отраженного от исследуемых участков поверхности. Изображения участков поверхности получают на телевизионном экране, а гашение отраженных лучей достигают за счет соответствующей ориентировки поляризаторов. Затем по углам поворота поляризаторов определяют и

3. Описание лазерного эллипсометрического микроскопа лэм-2м

3.1. Назначение

Лазерный эллипсометрический микроскоп ЛЭМ-2М предназначен для определения толщины и показателя преломления прозрачных окисных диэлектрических покрытий на отражающих полированных поверхностях различных материалов и, в частности, на поверхности полупроводниковых пластин диаметром до 100 мм. Микроскоп позволяет контролировать равномерность и однородность диэлектрических пленок по площади и определять толщину окисла в «окнах», вытравленных в процессе изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем методами планарной технологии.

3.2. Принцип действия

Принцип действия микроскопов основан на измерении изменения 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 поверхности, покрытой инородной прозрачной пленкой, превращается в эллиптически поляризованный, причем изменение состояния поляризации света при отражении определяется оптическими свойствами отражающей поверхности, а также толщиной и показателем преломления пленки, находящейся на ней. Если падающий свет эллиптически поляризован, то характер его эллиптичности при отражении меняется, и при определенных условиях отраженный луч будет линейно поляризован. Это происходит в том случае, если изменение эллиптичности, созданное исследуемым образом, соответствует эллиптичности луча, характеризуемой компонентами электрического вектора света с амплитудой колебаний параллельной плоскости падения луча света, обозначаемой и перпендикулярной плоскости, обозначаемой

Разность фаз между этими компонентами, возникающая при отражении, обозначается а знаком обозначается выражение

Под плоскостью падения подразумевается плоскость, содержащая падающий луч и перпендикуляр к поверхности, на которую он падает. Параметры и исчисляются в угловых единицах и называются эллипсометрическими параметрами.

С помощью уравнения эллипсометрии эти параметры связаны с оптическими константами исследуемой отражающей поверхности, толщиной и показателем преломления пленки, находящейся на ней, углом падения луча и длиной волны используемого монохроматического света. Пропуская эллиптически поляризованный свет через компенсатор (фазовую пластину оптической толщины в четверть длины волны «четвертьволновая пластина») компенсируют разность фаз, равную которая имеется между компонентами электрического вектора, направленными вдоль главных осей эллипса. При этом необходимо, чтобы взаимно перпендикулярные характеристические оси компенсатора (ось наибольшей скорости и ось наименьшей скорости распространения одной из двух взаимоперпендикулярных составляющих света, иначе «быстрая» и «медленная» оси совпадали с главными осями эллипса. На выходе компенсатора получается поляризованный свет с плоскостью поляризации, наклоненной под определенным углом к плоскости падения. Этот свет гасится анализатором, устанавливаемым в положение, перекрещивающееся с направлением плоскости поляризации луча. По углам поворота поляризатора, анализатора и компенсатора при погасании, с помощью формул, приведенных ниже, рассчитываются параметры и которые содержат всю информацию об отражающей поверхности. По параметрам и из расчетных кривых уравнения эллипсометрии или таблиц определяется толщина и показатель преломления пленки. Следует отметить, что для каждой конкретной подложки, имеющей на своей поверхности прозрачную и изотропную диэлектрическую пленку определенной толщины и показатели преломления, существует лишь одна единственная пара параметров и соответствующая именно этому образцу, толщине и показателю преломления пленки, расположенной на нем.

Оптическая схема микроскопа ЛЭМ-2М представлена на рис. 4.3. Работа микроскопа осуществлена по оптической схеме с компенсатором, установленным в тубусе поляризатора с «быстрой» осью под углом к плоскости падения света. Положительный отсчет углов ведется от плоскости падения луча против часовой стрелки, если смотреть навстречу лучу. Источником монохроматического излучения служит гелий-неоновый оптический квантовый генератор 11 типа ЛГ-56 (лазер).

Рис. 4.3. Оптическая схема микроскопа ЛЭМ-2М: 1 — блок питания; 2 — фотоэлектронный умножитель; 3 — оптическая головка; 4 — зеркала; 5 — анализатор; 6, 9 — объективы; 7 — лампа; 8, 12 — четвертьволновые пластины; 10 — контролируемая поверхность; 11 — гелий-неоновый оптический квантовый генератор; 13 — прерыватель; 14 — поляризатор

Четвертьволновая пластина 12 преобразует линейно поляризованный свет лазера в циркулярно поляризованный. Поляризатор 14 служит для преобразования поляризованного света в линейно поляризованный. Таким образом, наличие четвертьволновой пластины позволяет исключить при измерениях вращение лазера вместе с поляризатором. Модуляция излучения осуществляется прерывателем 13. Луч проходит через вторую четвертьволновую пластину 8, являющуюся компенсатором, сменный объектив 9, и, отразившись от контролируемой поверхности 10, пройдя второй объектив 6 и анализатор 5, попадает на фотокатод фотоэлектронного умножителя 2 типа ФЭУ-84, отразившись от зеркал 4. В цепь ФЭУ включено сопротивление, сигнал с которого усиливается и регистрируется блоком питания 1.

В микроскопе с указанной оптической схемой вращением поляризатора при неподвижном компенсаторе в падающем пучке света создается такая эллиптическая поляризация света, которая компенсирует эллиптичность, создаваемую исследуемым образцом, и отраженный луч становится линейно поляризованным.

Устанавливая анализатор в положение, перекрещивающееся с плоскостью поляризации отраженного луча, осуществляют гашение переменным вращением поляризатора и анализатора. В положении гашения углы поворота вращаемых элементов связаны с параметрами и с помощью формул, описываемых ниже. Для визуального наблюдения точки контроля на плоскости исследуемого образца служит оптическая головка 3 типа ОГМЭ-П. Освещение исследуемого образца в точке контроля осуществляется лампой 7.