Лабы / 9206_Талгатулы_Зокиров_Рощин_Чистякова_ЛР№4

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Методы исследования Материалов Электронной Техники»

Тема: «Измерение толщины однородных изотропных пленок на однородных изотропных подложках методом поляризационно-интерференционной микроскопии видимого диапазона»

Студенты гр. 9206		Чистякова А. Рощин И. Зокиров И. Д. Талгатулы Р.
Преподаватель		Горляк А. Н.

Санкт-Петербург

2023

Цель Работы: исследование метода поляризационно-интерференционной микроскопии видимого диапазона для измерения толщин однородных изотропных пленок на однородных изотропных подложках.

Основные теоретические положения:

Предлагаемый для изучения поляризационно-интерференционный метод существенно отличается от других фазоконтрастных методов значительным расширением возможностей в отношении количественного микроанализа. Он пригоден для исследования практически любых прозрачных микрообъектов, а также для прецизионных измерений оптических путей, показателей преломления, двойного лучепреломления, поглощения, концентраций и других физических величин, связанных с оптическими свойствами микрообъектов:

Рис. 1. – Схема оптической системы поляризационноинтерференционного микроскопа с одной двупреломляющей призмой.

Измерение разности оптического пути (в нашем случае – геометрической толщины однородной и изотропной пленки на прозрачной однородной изотропной подложке) в самом простом случае, заключается в определении ширины межполосного растояния h' в поле зрения микроскопа и величины смещения d интерференционных полос в изображении исследуемого объекта. Зная эти величины и длину волны λ примененного света, разность оптического пути Ф определяется по формуле:

В случае тонких слоев или пленок, измерения разности оптического пути при применении этого метода можно производить на соответственных узких полосках, уступах или бороздах, устанавливаемых наискосок по отношению к направлению интерференционных полос.

Рис. 2. – Изображение порога в интерференционном поле полос (а), а также ступени (вертикального уступа) (б).

Если сопоставить оптические схемы простейшего (рис. 3а) и поляризационно-интерференционного (рис. 3б) микроскопов, то можно видеть, что основное отличие этих схем заключается в наличии у последнего системы, создающей в проходящем через прозрачный объект свете два пучка, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, и обеспечении наблюдения интерференционной картины, образующейся при наложении этих пучков после проектирования их векторов напряженности поля на выделенное анализатором направление.

Рис.3. – Оптические схемы простейшего микроскопа (а) и поляризационно-интерференционного (б).

Интерференция здесь является основным способом преобразования фазового контраста в «интенсивностный», а применение поляризационного разделителя пучков обеспечивает высокий контраст интерференционной картины вследствие подавления фоновой засветки.

Поляризационно-интерференционная система состоит из двулучепреломляющей призмы Волластона W, поляризатора Р и анализатора А. Поляризатор Р выделяет из падающего на него пучка свет с заданной плоскостью поляризации. Затем свет проходит через щелевую диафрагму D, ширину которой можно менять в пределах от полного перекрытия пучка до полного открытия поля зрения.

После прохождения поляризованного пучка через «фазоконтрастный» объект В и объектив Ob свет попадает на двулучепреломляющую призму, которая может перемещаться как вдоль, так и поперек оптической оси. Двулучепреломляющая призма разделяет падающий на нее луч на два (обыкновенный и необыкновенный), поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, обеспечивает заданный фазовый сдвиг между этими лучами и фиксированный угол ε между направлениями их распространения. В результате выделения анализатором А направления вектора напряженности электрического поля, параллельного его плоскости пропускания, наблюдаем интерференцию волн, составляющая колебаний электрического поля которых вдоль направления А не равна нулю.

В случае скрещенных направлений пропускания поляризатора Р и анализатора А амплитуды этих составляющих одинаковы и, следовательно, контраст интерференционной картины максимален. Интерференционные полосы имеют постоянную ширину вдоль всей длины призмы, определяемую формулой:

Смещение картины на одну полосу соответствует изменению разности хода на длину волны света. При визуальном наблюдении можно измерять оптическую толщину порядка λ/10, а при фотометрическом с цифровой обработкой — до λ/1000. Следовательно, применение подобных современных методов в микроскопии раздвигает границы возможностей оптических микроскопов далеко за пределы, определяемые критерием Рэлея. Это особенно актуально именно для наблюдения и аттестации элементов и структур современной полупроводниковой техники.

Экспериментальная установка:

Рис. 4. – Оптические схемы микроскопов - а – простейшего, б – поляризационно-интерференционного.

Освещение объекта при рассматривании в микроскоп возможно, как при фокусировке пучка от источника света на объект (критическое освещение), так и при освещении объекта параллельным пучком (схема Кёлера). Критическое освещение более выгодно с точки зрения использования светового потока от источника. Однако оно неприемлемо для поляризационноинтерференционного микроскопа, поскольку только в плоской волне фазовые 5 соотношения остаются постоянными в процессе распространения. Следовательно, при выделении фазовых искажений, вносимых прозрачным объектом, необходимо создавать плоский волновой фронт, (применять схему освещения по Кёлеру).

Коллектор Kol проецирует источник света Z (спираль лампы имеет малые размеры, моделируя точечный источник) в плоскость апертурной диафрагмы D, расположенной в фокусе конденсора К. Конденсор К проецирует в плоскость объекта исследования В диафрагму поля зрения Dp, расположенную вплотную к коллектору Kol.

Рис. 2. – Внешний вид поляризационно-интерференционного микроскопа типа BIOLAR PI.

1 - интерференционная головка, 2 - конденсор со щелью, 4 - вспомогательный микроскоп, 8 - зажимной винт, 13 - рычаг переключения призм, 14 - накатанное кольцо для. передвижения призм в направлении параллельном к оптической оси, 15 - вороток микрометрического винта для передвижения: призм в направлении вертикальном к оптической оси, 16 - анализатор в оправе, 27 - патрон лампы, 30 - окуляр вспомогательного микроскопа, 31 - бинокулярная насадка, 32 зажимной винт окулярной насадки, 35 - осветлитель, 36 вороток диафрагмы поля, 39 - гнездо светофильтра, 40 - диоптрическое кольцо тубуса насадки.

Тем самым достигаются как квазипараллельность пучка, просвечивающего объект, так и равномерность освещения объекта за счет ограничения диаметра пучка диафрагмой поля зрения Dp. Если исключить из оптической схемы поляризационноинтерференционную систему (поляризатор Р, двупреломляющий узел (двулучепреломляющую призму) и анализатор А), то поляризационноинтерференционный микроскоп типа PZO BIOLAR PI может работать как обычный микроскоп. Поляризационно-интерференционная система состоит из двулучепреломляющей призмы Волластона W, поляризатора Р и анализатора А. Поляризатор Р выделяет из падающего на него пучка свет с заданной плоскостью поляризации. Затем свет проходит через щелевую диафрагму D, ширину которой можно менять в пределах от полного перекрытия пучка до полного открытия поля зрения. После прохождения поляризованного пучка через «фазоконтрастный» объект В и объектив Ob (рис. 1) свет попадает на двулучепреломляющую призму, которая может перемещаться как вдоль, так и поперек оптической оси. Двулучепреломляющая призма разделяет падающий на нее луч на два (обыкновенный и необыкновенный), поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, обеспечивает заданный фазовый сдвиг между этими лучами и фиксированный угол ε между направлениями их распространения.

Протокол Наблюдений

Рис. 3. – Протокол наблюдений.

Обработка результатов эксперимента

1. Определения разности оптического пути для увеличения 10х:

Измерение разности оптического пути заключается в определении ширины межполосного растояния h' в поле зрения микроскопа и величины смещения d интерференционных полос в изображении исследуемого объекта.

Зная эти величины и длину волны λ примененного света, разность оптического пути Ф определяется по формуле:

Измерение межполосного расстояния h' и смещения полос d проводится посредством окулярного микрометра, предварительно откалиброванного посредством эталонного «объект-микрометра» с ценой деления шкалы последнего - 0,01 мм.

Рис. 4. – Интерференционная картина, наблюдаемая в окулярном микрометре (объектив 10х).

2. Определения разности оптического пути для увеличения 20х.

Рис. 5. – Интерференционная картина, наблюдаемая в окулярном микрометре (объектив 20х).

Вывод: в данной лабораторной работе был исследован метод поляризационно-интерференционной микроскопии видимого диапазона для измерения толщин однородных изотропных пленок на однородных изотропных подложках.

В данной работе была измерена толщина тонкого слоя фоторезиста, нанесенного на стеклянную однородную пластину. Толщина пленки была определена путем измерения разности оптического пути благодаря анализу интерференционных картин.

Рассчитанные значения толщины пленки фоторезиста при наблюдении через разные объективы не совпали: при увеличении 10х, при увеличении 20х.

Данное отличие может быть вызвано следующими факторами:

1. Различие ширины интерференционных полос.

2. Инструментальная погрешность микроскопа, связанная как с видом и качеством интерференционной картины, так и в объект-микрометре.

3. Неточность измерений наблюдателя (человеческий фактор), влекущая за собой неточность визуального определения и .

4. Фокусное расстояние линзы