RU121590U1 - SPECTROSCOPIC REFRACTOMETER-PROFILOMETER FOR MEASURING REFRACTION INDICATOR AND THICKNESS OF THIN-FILMED STRUCTURES - Google Patents

Abstract

Спектроскопический рефрактометр-профилометр, предназначенный для измерения показателя преломления и толщины твердотельных тонкопленочных структур на различных длинах волн, отличающийся тем, что он содержит монохроматический источник света, измерительную призму, устройство для определения углов падения света, при которых в пленке возбуждаются волноводные ТЕ и ТМ моды; причем вышеупомянутые конструктивные элементы предлагаемой полезной модели связаны друг с другом так, что область оптического контакта призмы с исследуемой пленкой освещается перестраиваемым по длине волны сходящимся пучком света, а отраженный от пленки свет фокусируется на матрицу цифровой CCD камеры, при этом по положению темных полос на матрице определяют эффективные показатели преломления волноводных мод, что позволяет в конечном итоге рассчитать показатель преломления и толщину пленки; причем область оптического контакта призмы с пленкой освещается с помощью монохроматора с использованием многожильного волоконно-оптического кабеля (ВОК) и фокусирующей линзы, а сам многожильный ВОК состоит из нескольких оптических волокон, каждое из которых имеет световедущую жилу и оболочку; причем центры этих оптических волокон на одном торце кабеля расположены на прямой линии и они ориентированы так, что эта линия расположена вдоль выходной щели монохроматора, а другой торец многожильного ВОК собран в такой жгут, что его общая апертура имеет минимальный диаметр, и этот жгут с помощью оптической розетки соединяется с одножильным ВОК, диаметр световедущей жилы которого равен или несколько больше апертуры многожильного жгута. A spectroscopic refractometer-profilometer designed to measure the refractive index and thickness of solid-state thin-film structures at various wavelengths, characterized in that it contains a monochromatic light source, a measuring prism, a device for determining light incidence angles at which waveguide TE and TM modes are excited in the film ; moreover, the above-mentioned structural elements of the proposed utility model are connected with each other so that the region of optical contact of the prism with the test film is illuminated by a converging beam of light that is tunable along the wavelength, and the light reflected from the film is focused on the matrix of the digital CCD camera, while the position of the dark bars on the matrix determine the effective refractive indices of the waveguide modes, which ultimately allows you to calculate the refractive index and film thickness; moreover, the area of optical contact of the prism with the film is illuminated using a monochromator using a multi-core fiber optic cable (FOC) and a focusing lens, and the multi-core FOC is composed of several optical fibers, each of which has a light guide core and sheath; moreover, the centers of these optical fibers on one end of the cable are located on a straight line and they are oriented so that this line is located along the output slit of the monochromator, and the other end of the multicore wok is assembled in such a bundle that its total aperture has a minimum diameter, and this bundle with optical outlet is connected to a single-core wok, the diameter of the light guide core of which is equal to or slightly larger than the aperture of the multi-strand bundle.

Description

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение относится к области оптических приборов, более конкретно, к рефрактометрам и оптическим профилометрам, и может быть использовано для измерения показателя преломления n_f, дисперсии ∂n_f/∂λ и толщины H_f диэлектрических и полупроводниковых пленок на любой длине волны λ в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра, в том числе в телекоммуникационных диапазонах длин волн вблизи 0.85, 1.3 и 1.5 мкм.The technical solution claimed as a useful model relates to the field of optical instruments, more specifically to refractometers and optical profilometers, and can be used to measure the refractive index n _f , the dispersion ∂n _f / ∂λ and the thickness H _{f of} dielectric and semiconductor films on any wavelength λ in the UV, visible and near IR spectral regions, including in the telecommunication wavelength ranges near 0.85, 1.3 and 1.5 μm.

При исследовании оптических свойств тонкопленочных покрытий, определении числовой апертуры пленочных волноводов, необходимо измерять показатель преломления n_f пленки на рабочей длине волны света λ, которая может лежать в УФ, видимой или ближней ИК областях спектра. Поэтому надо иметь возможность измерять n_f на любой длине волны в этих спектральных диапазонах. Кроме того, при исследовании тонкопленочных покрытий и пленочных волноводов часто необходимо знать дисперсию показателя преломления ∂n_f/∂λ и геометрическую толщину пленки H_f.When studying the optical properties of thin-film coatings, determining the numerical aperture of film waveguides, it is necessary to measure the refractive index n _{f of the} film at the working light wavelength λ, which can lie in the UV, visible, or near-IR spectral regions. Therefore, one must be able to measure n _f at any wavelength in these spectral ranges. In addition, when studying thin-film coatings and film waveguides, it is often necessary to know the dispersion of the refractive index ∂n _f / ∂λ and the geometric thickness of the film H _f .

Известны многоволновые рефрактометры-профилометры [1-4], а также многоволновой рефрактометр-профилометр Metricon2010, производимый фирмой Metricon Corporation [5], которые позволяют измерять показатель преломления и толщину тонкопленочных структур на нескольких фиксированных длинах волн в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра. Значения этих длин волн определяются типом используемых лазеров и лежат в диапазоне от 400 до 1600 нм.Known multi-wavelength refractometers-profilometers [1-4], as well as multi-wavelength refractometer-profilometers Metricon2010, manufactured by Metricon Corporation [5], which allow you to measure the refractive index and thickness of thin-film structures at several fixed wavelengths in the UV, visible and near infrared spectral regions . The values of these wavelengths are determined by the type of lasers used and lie in the range from 400 to 1600 nm.

Известные рефрактометры-профилометры [1-5] обеспечивают измерение показателя преломления n_f и толщины пленки H_f методом возбуждения волноводных мод в пленке в геометрии нарушенного полного внутреннего отражения. В этом методе пленка приводится в оптический контакт с гранью измерительной призмы, имеющей высокий показатель преломления N_p. Коллимированный лазерный луч направляется на область оптического контакта со стороны призмы, и измеряется зависимость коэффициента отражения R от угла падения θ светового луча на границу призма-пленка. Если угол падения θ больше критического, имеет место явление полного внутреннего отражения (ПВО) луча от границы призмы с пленкой и R(θ)=1. Однако, при некоторых углах падения θ_i, при которых выполняется условие синхронизмаKnown refractometers-profilometers [1-5] provide a measurement of the refractive index n _f and the film thickness H _f by the method of excitation of waveguide modes in the film in the geometry of the impaired total internal reflection. In this method, the film is brought into optical contact with the face of the measuring prism having a high refractive index N _p . The collimated laser beam is directed to the optical contact region from the side of the prism, and the dependence of the reflection coefficient R on the angle of incidence θ of the light beam at the prism-film interface is measured. If the angle of incidence θ is greater than the critical, there is a phenomenon of total internal reflection (TIR) of the ray from the boundary of the prism with the film and R (θ) = 1. However, at some angles of incidence θ _i at which the condition of synchronism

где β_i - эффективный показатель преломления волноводной моды с номером i, условие ПВО нарушается, и свет может проникать в пленку, возбуждая в ней соответствующую волноводную моду. Поэтому при выполнении условия (1) в угловой зависимости коэффициента отражения R(θ) лазерного луча от области оптического контакта призмы с пленкой наблюдаются резкие и узкие минимумы.where β _i is the effective refractive index of the waveguide mode with number i, the air defense condition is violated, and light can penetrate the film, exciting the corresponding waveguide mode in it. Therefore, when condition (1) is fulfilled, sharp and narrow minima are observed in the angular dependence of the reflection coefficient R (θ) of the laser beam on the region of optical contact between the prism and the film.

В известных рефрактометрах-профилометрах [1-5] коллимированный лазерный луч направляется на область оптического контакта призмы с пленкой под различными углами θ и определяются углы падения θ_i, соответствующие возбуждению ТЕ или ТМ мод в пленке. С помощью формулы (1) вычисляются эффективные показатели преломления β_i волноводных ТЕ и ТМ мод. Из найденных значений β_i рассчитываются показатель преломления n_f и толщина пленки H_f.In known refractometer-profilometers [1-5], a collimated laser beam is directed to the region of optical contact of the prism with the film at various angles θ and the angles of incidence θ _{i are} determined, which correspond to the excitation of the TE or TM modes in the film. Using formula (1), the effective refractive indices β _{i of the} waveguide TE and TM modes are calculated. From the found values of β _i, the refractive index n _f and the film thickness H _{f are} calculated.

Недостатком рефрактометров-профилометров [1-5] является невозможность непрерывного сканирования по длинам волн, что не позволяет, в частности, измерять дисперсию показателя преломления. Другой недостаток рефрактометров-профилометров [1-5] состоит в необходимости механического изменения угла падения лазерного луча на границу призма-пленка с использованием поворотного столика гониометра или шагового двигателя.The disadvantage of refractometers-profilometers [1-5] is the impossibility of continuous scanning at wavelengths, which does not allow, in particular, to measure the dispersion of the refractive index. Another disadvantage of refractometers-profilometers [1-5] is the need to mechanically change the angle of incidence of the laser beam at the boundary of the prism-film using a rotary table of the goniometer or a stepper motor.

Известные аналоги [1-5] имеют следующие общие с заявляемым техническим решением признаки: монохроматический источник света, измерительную призму из материала с высоким показателем преломления, устройство для определения углов падения светового луча на область оптического контакта призмы с пленкой, при которых происходит возбуждение волноводных мод в пленке.The known analogues [1-5] have the following common features with the claimed technical solution: a monochromatic light source, a measuring prism made of a material with a high refractive index, a device for determining the angles of incidence of a light beam on the optical contact region of a prism with a film at which waveguide modes are excited in the film.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что исследуемая тонкопленочная структура (свободная пленка или пленка на подложке) приводится в оптический контакт с гранью измерительной призмы (воздушный зазор между призмой и пленкой составляет менее 100-200 нм). Область оптического контакта освещается со стороны призмы сходящимся монохроматическим пучком световых лучей с длиной волны λ. Такой пучок может быть сформирован, например, с помощью волоконно-оптического кабеля (ВОК), пристыкованного к выходной щели монохроматора, и собирающей линзы.The essence of the claimed technical solution lies in the fact that the studied thin-film structure (free film or film on the substrate) is brought into optical contact with the face of the measuring prism (the air gap between the prism and the film is less than 100-200 nm). The region of optical contact is illuminated from the prism by a converging monochromatic beam of light rays with a wavelength of λ. Such a beam can be formed, for example, using a fiber optic cable (FOC), docked to the output slit of the monochromator, and collecting lenses.

Отраженный от области оптического контакта призмы с пленкой пучок лучей регистрируется цифровой CCD камерой. По распределению интенсивности света на матрице CCD камеры определяют коэффициент отражения R(θ) световых лучей от границы призмы с пленкой. Из угловой зависимости R(θ) определяют углы падения θ_i, соответствующие возбуждению ТЕ и ТМ мод в пленке, и с помощью формулы (1) вычисляют эффективные показатели преломления β_i волноводных мод с номерами i (i=0, 1, 2, …). Из найденных значений β_i рассчитывают показатель преломления n_f на длине волны λ и толщину пленки H_f.A beam of rays reflected from the region of optical contact of the prism with the film is recorded by a digital CCD camera. The light intensity distribution on the CCD camera matrix determines the reflection coefficient R (θ) of light rays from the boundary of the prism with the film. From the angular dependence R (θ), the angles of incidence θ _i corresponding to the excitation of the TE and TM modes in the film are determined, and using the formula (1) the effective refractive indices β _{i of the} waveguide modes with numbers i (i = 0, 1, 2, ... ) From the found values of β _i, the refractive index n _{f is} calculated at the wavelength λ and the film thickness H _f .

Изменяя длину волны λ монохроматического светового пучка на небольшое значение Δλ, определяют показатель преломления n_f(λ+Δλ) на длине волны λ+Δλ и рассчитывают дисперсию показателя преломления ∂n_f/∂λ по формулеChanging the wavelength λ of the monochromatic light beam by a small value Δλ, determine the refractive index n _f (λ + Δλ) at the wavelength λ + Δλ and calculate the dispersion of the refractive index ∂n _f / ∂λ according to the formula

Используемый ВОК может быть многожильным, т.е. состоять из нескольких оптических волокон, каждое из которых имеет световедущую жилу и оболочку, причем центры этих волокон на входном торце кабеля лежат на одной линии, а на выходном торце собраны в жгут, так что их общая оптическая апертура имеет минимальный диаметр. Входной торец ВОК пристыковывается к выходной щели монохроматора так, что жилы располагаются вдоль щели. Выходной торец ВОК с помощью оптической розетки соединяется с одножильным волоконно-оптическим кабелем, диаметр световедущей жилы которого равен или несколько больше оптической апертуры многожильного жгута. Тем самым достигается максимальная интенсивность собираемого из монохроматора света при минимальной спектральной ширине Δλ и минимальном световом диаметре луча. Использование многожильного ВОК обеспечивает повышение интенсивности и уменьшение спектральной ширины монохроматического света, освещающего область оптического контакта призмы с пленкой. Это приводит к повышению резкости темных полос на матрице CCD камеры, соответствующих возбуждению волноводных мод в пленке. Использование многожильного ВОК расширяет спектральный диапазон, в котором возможно измерение показателя преломления и толщины пленки, повышает точность измерения за счет уменьшения спектральной ширины Δλ монохроматического луча.The wok used can be stranded, i.e. consist of several optical fibers, each of which has a light guide core and sheath, the centers of these fibers at the input end of the cable lying on the same line, and at the output end assembled into a bundle, so that their total optical aperture has a minimum diameter. The input end of the wok is docked to the output slit of the monochromator so that the wires are located along the slit. The output end of the wok using an optical outlet is connected to a single-core fiber-optic cable, the diameter of the light guide core of which is equal to or slightly larger than the optical aperture of the multicore bundle. Thereby, the maximum intensity of light collected from the monochromator is achieved with a minimum spectral width Δλ and a minimum light diameter of the beam. The use of a multi-strand wok provides an increase in intensity and a decrease in the spectral width of monochromatic light illuminating the region of optical contact between the prism and the film. This leads to an increase in the sharpness of dark bands on the CCD camera matrix, corresponding to the excitation of waveguide modes in the film. The use of a multi-strand wok extends the spectral range in which it is possible to measure the refractive index and film thickness, increases the measurement accuracy by reducing the spectral width Δλ of the monochromatic beam.

Техническая задача, решаемая заявляемым техническим решением, состоит в обеспечении возможности измерения показателя преломления n_f, дисперсии ∂n_f/∂λ и толщины H_f тонкопленочных структур на любой длине волны λ в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра, а именно от 400 до 1700 нм. Другая техническая задача, также решаемая заявляемым техническим решением, заключается в упрощении конструкции рефрактометра-профилометра за счет отсутствия в нем движущихся деталей. Это достигается за счет использования непрерывно перестраиваемого по длинам волн монохроматического сходящегося светового пучка и CCD камеры с широкоугольным объективом, с помощью которой измеряется коэффициент отражения R(θ) лучей, отраженных под различными углами θ от области оптического контакта исследуемой пленки с измерительной призмой.The technical problem solved by the claimed technical solution is to provide the ability to measure the refractive index n _f , the dispersion ∂n _f / ∂λ and the thickness H _{f of} thin-film structures at any wavelength λ in the UV, visible and near infrared regions of the spectrum, namely from 400 up to 1700 nm. Another technical problem, also solved by the claimed technical solution, is to simplify the design of the refractometer-profilometer due to the absence of moving parts. This is achieved through the use of a monochromatic converging light beam that is continuously tuned according to wavelengths and a CCD camera with a wide-angle lens, which is used to measure the reflection coefficient R (θ) of rays reflected at different angles θ from the optical contact region of the studied film with the measuring prism.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 дана схема спектроскопического рефрактометра-профилометра, где:Figure 1 is a diagram of a spectroscopic refractometer-profilometer, where:

1 - измерительная призма с высоким показателем преломления,1 - measuring prism with a high refractive index,

2 - тонкопленочная структура (тонкая пленка на подложке),2 - thin film structure (thin film on a substrate),

3 и 12 - фокусирующие линзы,3 and 12 - focusing lenses,

4 - широкоугольный объектив,4 - wide angle lens

5 - цифровая CCD камера,5 - digital CCD camera,

6 - многожильный ВОК,6 - stranded wok,

7 - одножильный ВОК,7 - single core wok,

8 - оптическая розетка,8 - optical socket,

9 - монохроматор,9 - monochromator,

10 - широкополосный источник белого света (например, лампа накаливания),10 - broadband white light source (for example, an incandescent lamp),

11 - персональный компьютер.11 - a personal computer.

На фиг.2 показана конструкция семижильного волоконно-оптического кабеля с входного торца, который пристыковывается к щели монохроматора. Каждое оптическое волокно имеет световедущую жилу и оболочку, где: 1 - световедущие жилы оптических волокон, 2 - оболочки волокон, А-А' - линия, соединяющая центры волокон.Figure 2 shows the design of a seven-core fiber optic cable from the input end, which is docked to the slots of the monochromator. Each optical fiber has a light guide core and sheath, where: 1 - light guide wires of optical fibers, 2 - fiber sheaths, A-A '- a line connecting the fiber centers.

На фиг.3 показана конструкция семижильного ВОК с выходного торца, который пристыковывается к одножильному волокну через оптическую розетку, где: 1 - световедущие жилы оптических волокон, 2 - оболочки волокон.Figure 3 shows the design of a seven-core wok from the output end, which is attached to the single-core fiber through an optical outlet, where: 1 - light guide strands of optical fibers, 2 - fiber sheaths.

На фиг.4 показан вид поля зрения цифровой CCD камеры при освещении пленки монооксида кремния SiO с толщиной H_f≈1.1 мкм и показателем преломления n_f≈1.83 на кварцевой подложке, находящейся в оптическом контакте с измерительной призмой, сходящимся неполяризованным монохроматическим световым пучком с длиной волны λ=632,8 нм. Поскольку показатель преломления пленки выше показателей преломления окружающих пленку сред (подложки и воздуха), пленка образует волновод, в котором могут распространяться ТЕ и ТМ моды с различными номерами i [6]. На фиг.4 введены обозначения:Figure 4 shows a view of the field of view of a digital CCD camera when illuminating a silicon monoxide SiO film with a thickness of H _f ≈1.1 μm and a refractive index of n _f ≈1.83 on a quartz substrate in optical contact with a measuring prism converging with an unpolarized monochromatic light beam with a length waves λ = 632.8 nm. Since the refractive index of the film is higher than the refractive indices of the media surrounding the film (substrate and air), the film forms a waveguide in which TE and TM modes with different numbers i can propagate [6]. Figure 4 introduced the notation:

N_pix - номер пикселя в строке CCD камеры,N _pix - pixel number in the line of the CCD camera,

0 - темная полоса, соответствующая возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=0,0 - dark band corresponding to the excitation in the film of silicon monoxide TE and TM modes with the number i = 0,

1 - темные полосы, соответствующие возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=1,1 - dark bands corresponding to the excitation in the film of silicon monoxide TE and TM modes with the number i = 1,

2 - темные полосы, соответствующие возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=2.2 - dark bands corresponding to the excitation in the film of silicon monoxide TE and TM modes with the number i = 2.

Темные полосы 0, 1 и 2 на фиг.4 являются двойными, что соответствует одновременному возбуждению неполяризованным светом ТЕ и ТМ мод в пленке. Однако, поскольку угловое расстояние между ТЕ и ТМ модами сокращается при уменьшении медового номера i, тонкая структура мод с i=0 на фиг.4 не видна. При введении в ход светового пучка поляризатора, можно отобразить на мониторе ПК полосы, соответствующие возбуждению только ТЕ или только ТМ мод. Использование ТЕ и ТМ поляризованного света позволяет измерять толщину и показатели преломления n_o и n_eo анизотропных пленок.The dark bands 0, 1, and 2 in FIG. 4 are double, which corresponds to the simultaneous excitation of TE and TM modes in the film by unpolarized light. However, since the angular distance between TE and TM modes decreases with decreasing honey number i, the fine structure of the modes with i = 0 is not visible in FIG. 4. When a polarizer is introduced into the light beam, it is possible to display on the PC monitor the bands corresponding to the excitation of only TE or only TM modes. The use of TE and TM polarized light makes it possible to measure the thickness and refractive indices n _o and n _{eo of} anisotropic films.

На фиг.5 показана зависимость коэффициента отражения R от угла падения θ, соответствующая распределению интенсивности светового сигнала в центральной строке матрицы CCD камеры, при освещении пленки SiO сходящимся неполяризованным монохроматическим пучком света с длиной волны λ=632.8 нм, где:Figure 5 shows the dependence of the reflection coefficient R on the angle of incidence θ, corresponding to the distribution of the light signal intensity in the central row of the CCD matrix of the camera, when a SiO film is illuminated by a converging unpolarized monochromatic light beam with a wavelength of λ = 632.8 nm, where:

1 - минимум, соответствующий возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=0;1 - the minimum corresponding to the excitation in the film of silicon monoxide TE and TM modes with the number i = 0;

2 - минимумы, соответствующие возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=1;2 - minima corresponding to the excitation in the film of silicon monoxide TE and TM modes with the number i = 1;

3 - минимумы, соответствующие возбуждению в пленке монооксида кремния ТЕ и ТМ мод с номером i=2.3 — minima corresponding to the excitation of TE and TM modes with the number i = 2 in the film of silicon monoxide.

На фиг.6 показано смещение положений минимумов коэффициента отражения R(θ), соответствующих возбуждению волноводных мод, при освещении области оптического контакта пленки SiO с измерительной призмой сходящимся неполяризованным монохроматическим пучком света с различной длиной волны λ, где:Figure 6 shows the shift of the positions of the minima of the reflection coefficient R (θ) corresponding to the excitation of the waveguide modes when illuminating the area of the optical contact of the SiO film with the measuring prism by a converging unpolarized monochromatic light beam with different wavelength λ, where:

1 - зависимость R(θ) при λ=622.8 нм,1 - dependence of R (θ) at λ = 622.8 nm,

2 - зависимость R(θ) при λ=632.8 нм,2 - dependence of R (θ) at λ = 632.8 nm,

3 - зависимость R(θ) при λ=642.8 нм.3 - dependence of R (θ) at λ = 642.8 nm.

Смещение положений минимумов R(θ) на фиг.6 связано с зависимостью показателя преломления n_f пленки от длины волны света λ.The shift of the positions of the minima R (θ) in Fig.6 is associated with the dependence of the refractive index n _{f of the} film on the wavelength of light λ.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Принцип работы спектроскопического рефрактометра-профилометра поясняется на фиг.е 1. Монохроматор 9 выделяет из широкополосного спектра источника белого света 10 монохроматическое излучение с длиной волны λ и спектральной шириной Δλ. Это излучение через многожильный волоконно-оптический кабель 6, оптическую розетку 8, одножильный ВОК 7 и фокусирующую линзу 3 направляется на исследуемую пленку 2, находящуюся в оптическом контакте с гранью измерительной призмы 1.The principle of operation of a spectroscopic refractometer-profilometer is illustrated in FIG. 1. Monochromator 9 extracts monochromatic radiation with a wavelength λ and spectral width Δλ from the broadband spectrum of a white light source 10. This radiation through a multicore fiber optic cable 6, an optical socket 8, a single-core wok 7 and a focusing lens 3 is directed to the test film 2, which is in optical contact with the face of the measuring prism 1.

Световой луч, отраженный от области оптического контакта измерительной призмы с пленкой под углом θ, фокусируется линзой 12 и широкоугольным объективом 4 на матрицу CCD камеры 5, сигнал с которой передается на ПК 11. Наблюдаемое на мониторе ПК распределение интенсивности и система темных полос (см. Фигуру 4), соответствующих возбуждению волноводных мод в пленке, преобразуется в распределение коэффициента отражения R света от угла падения θ (Фигура 5). По положению минимумов в зависимости R(θ), которые соответствуют темным полосам на Фигуре 4, определяются углы θ_i, под которыми соответствующие лучи возбуждают моды с номерами i. Далее с учетом известного показателя преломления N_p(λ) измерительной призмы по формуле (1) рассчитываются эффективные показатели преломления волноводных мод β_i. Значения β_i в пределе слабой связи определяются толщиной H_f и показателем преломления n_f материала пленки (показатель преломления подложки n_s считается известным) согласно формуле [6]The light beam reflected from the optical contact region of the measuring prism with the film at an angle θ is focused by a lens 12 and a wide-angle lens 4 onto the CCD matrix of camera 5, the signal from which is transmitted to PC 11. The intensity distribution and the dark band system observed on the PC monitor (see Figure 4), corresponding to the excitation of the waveguide modes in the film, is converted into a distribution of the reflection coefficient R of light from the angle of incidence θ (Figure 5). From the position of the minima in the dependence R (θ), which correspond to the dark bands in Figure 4, the angles θ _{i are} determined at which the corresponding rays excite modes with numbers i. Then, taking into account the known refractive index N _p (λ) of the measuring prism, the effective refractive indices of the waveguide modes β _{i are} calculated by formula (1). The values of β _i in the weak coupling limit are determined by the thickness H _f and the refractive index n _{f of the} film material (the refractive index of the substrate n _s is known) according to the formula [6]

для ТЕ мод и формулеfor TE mod and formula

для ТМ мод. В формулах (3), (4) введены обозначенияfor TM mod. In formulas (3), (4), the notation

Таким образом, если экспериментально обнаружены две ТЕ (или ТМ) волноводных моды, т.е. известны эффективные показатели преломления β_i двух мод, то из двух уравнений (3) или (4) можно рассчитать толщину H_f показатель преломления n_f пленки.Thus, if two TE (or TM) waveguide modes are experimentally detected, i.e. Since the effective refractive indices β _{i of} two modes are known, then from two equations (3) or (4) it is possible to calculate the thickness H _f the refractive index n _{f of the} film.

Если в пленке существует более двух ТЕ (или ТМ) мод, то система уравнений (3)-(5) становится переопределенной. При этом толщину H_f и показатель преломления n_f пленки можно определить, минимизируя функционалIf there are more than two TE (or TM) modes in the film, then the system of equations (3) - (5) becomes overdetermined. In this case, the thickness H _f and the refractive index n _{f of the} film can be determined by minimizing the functional

где - экспериментально измеренные значения эффективных показателей преломления волноводных мод, - показатели преломления мод, рассчитанные с использованием формул (3), (5) или (4), (5).Where - experimentally measured values of the effective refractive indices of the waveguide modes, - mode refractive indices calculated using formulas (3), (5) or (4), (5).

Созданный спектроскопический рефрактометр-профилометр включает:The created spectroscopic refractometer-profilometer includes:

- измерительную призму с высоким показателем преломления из фианита (ZrO₂, N_p(632.8 нм)=2.13825),- a measuring prism with a high refractive index of cubic zirconia (ZrO ₂ , N _p (632.8 nm) = 2.13825),

- монохроматор МДР206 с решетками 1200 и 600 штр/мм (обратная линейная дисперсия 4.3 нм/мм и 8.6 нм/мм соответственно),- MDR206 monochromator with gratings of 1200 and 600 lines / mm (inverse linear dispersion of 4.3 nm / mm and 8.6 nm / mm, respectively),

- широкополосный источник белого света (галогеновую лампу накаливания мощностью 100 Вт),- a broadband white light source (100 W halogen incandescent lamp),

- волоконно-оптические кабели,- fiber optic cables,

- цифровую CCD камеру DCM800 (производство фирмы Scopetek, спектральный диапазон измерений 400-1000 нм) и InGaAs CCD камеру С10633-13 (производство фирмы Hamamatsu, 900-1700 нм) с широкоугольным объективом,- a digital CCD camera DCM800 (manufactured by Scopetek, the spectral range of measurements is 400-1000 nm) and InGaAs CCD camera C10633-13 (manufactured by Hamamatsu, 900-1700 nm) with a wide-angle lens,

- персональный компьютер.- Personal Computer.

Пленка SiO с толщиной H_f≈1.1 мкм, нанесенная на кварцевую подложку, приводилась в оптический контакт с гранью измерительной призмы посредством прижимающего микрометрического винта. Освещение пленки осуществлялось через многожильный волоконно-оптический кабель, состоящий из 7 оптических волокон. Каждое волокно имело диаметр световедущей жилы 0.3 мм и оболочки 0.33 мм, причем центры этих волокон на входном торце кабеля лежали на одной прямой. На выходном торце кабеля волокна были собраны в жгут, так что их общая оптическая апертура имела диаметр 3×0.33=0.99 мм. Входной торец ВОК пристыковывался к щели монохроматора МДР206 так, что жилы располагались вдоль щели. Выходной торец кабеля с помощью оптической розетки соединялся с одножильным ВОК, имеющим диаметр световедущей жилы 1 мм. Спектральная ширина монохроматического излучения, зависящая от величины раскрытия щелей монохроматора, составляла Δλ≤1 нм.A SiO film with a thickness H _f ≈1.1 μm, deposited on a quartz substrate, was brought into optical contact with the face of the measuring prism by means of a clamping micrometer screw. The film was illuminated through a multicore optical fiber cable, consisting of 7 optical fibers. Each fiber had a light guide core diameter of 0.3 mm and a sheath 0.33 mm, and the centers of these fibers at the input end of the cable lay on one straight line. At the output end of the cable, the fibers were bundled, so that their total optical aperture had a diameter of 3 × 0.33 = 0.99 mm. The input end face of the wok was docked to the slit of the MDR206 monochromator so that the veins were located along the slit. The output end of the cable was connected using an optical outlet to a single-core wok having a light guide core diameter of 1 mm. The spectral width of monochromatic radiation, depending on the magnitude of the opening of the slots of the monochromator, was Δλ≤1 nm.

Калибровка рефрактометра-профилометра и методика расчета показателя преломления, дисперсии и толщины пленкиCalibration of a refractometer-profilometer and methods for calculating the refractive index, dispersion and film thickness

Калибровка рефрактометра-профилометра проводилась следующим образом. Сначала, на спектроскопическом гониометре ГС-5 измерялся преломляющий угол α измерительной призмы и ее дисперсионная зависимость N_p(λ). Затем на призму устанавливался образец с известным показателем преломления n(λ). Образец освещался со стороны призмы сходящимся пучком монохроматического света с длиной волны λ, и определялось положение границы света и тени N_pix на матрице CCD камеры. Это положение N_pix соответствует углу падения θ предельного луча на грань измерительной призмы, который для данной длины волны λ определятся из формулы [7]The calibration of the refractometer-profilometer was carried out as follows. First, the refractive angle α of the measuring prism and its dispersion dependence N _p (λ) were measured on a GS-5 spectroscopic goniometer. Then, a sample with a known refractive index n (λ) was mounted on the prism. The sample was illuminated from the side of the prism by a converging beam of monochromatic light with a wavelength λ, and the position of the light boundary and the shadow N _pix on the CCD camera matrix was determined. This position N _pix corresponds to the angle of incidence θ of the limit beam on the face of the measuring prism, which for a given wavelength λ are determined from the formula [7]

Верхний и нижний знаки в формуле (7) соответствуют случаям θ≤α и θ≥α соответственно. С использование нескольких калиброванных образцов с известными n(λ) была найдена зависимость θ=f(N_pix) для различных положений границы света и тени.The upper and lower signs in formula (7) correspond to the cases θ≤α and θ≥α, respectively. Using several calibrated samples with known n (λ), the dependence θ = f (N _pix ) was found for different positions of the border of light and shadow.

При измерении толщины и показателя преломления исследуемой пленки на рефрактометре-профилометре определяют положения темных полос N_pix на матрице CCD камеры, соответствующих возбуждению волноводных мод (см. Фигуру 4). После этого находят углы θ_i=f(N_pix), под которыми лучи, возбуждающие эти моды, падают на область оптического контакта пленки с призмой (см. Фигиру 5). Затем, с помощью формулы (1) рассчитывают эффективные показатели преломления волноводных мод . Найденные значения используют совместно с уравнениями (3)-(5) для расчета толщины H_f и показателя преломления n_f пленки.When measuring the thickness and refractive index of the studied film on a refractometer-profilometer, the positions of the dark bands N _pix on the CCD matrix of the camera corresponding to the excitation of the waveguide modes are determined (see Figure 4). After that, the angles θ _i = f (N _pix ) are found at which the rays exciting these modes incident on the optical contact region of the film with the prism (see Fig. 5). Then, using the formula (1), the effective refractive indices of the waveguide modes are calculated . Found values used in conjunction with equations (3) - (5) to calculate the thickness H _f and the refractive index n _{f of the} film.

При измерении дисперсии ∂n_f/∂λ определяют показатели преломления пленки n_f(λ) и n_f(λ+Δλ) на двух близких длинах волн λ и λ+Δλ, и рассчитывают дисперсию по формуле (2).When measuring the dispersion ∂n _f / ∂λ, the refractive indices of the film n _f (λ) and n _f (λ + Δλ) at two close wavelengths λ and λ + Δλ are determined, and the dispersion is calculated by the formula (2).

Диапазон измеряемых толщин и показателей преломления на спектроскопическом рефрактометре-профилометреThe range of measured thicknesses and refractive indices on a spectroscopic refractometer-profilometer

Для определения оптических параметров тонкопленочных структур методом возбуждения волноводных мод, толщина пленки должна превышать несколько сотен нанометров, чтобы в ней могли возбуждаться по крайней мере две ТЕ (или ТМ) моды. При уменьшении длины волны освещающего монохроматического излучения требования к минимальной толщине пленки снижаются. Максимальная толщина пленок, которую можно измерить с использованием рефрактометра-профилометра, определяется спектральной шириной Δλ освещающего монохроматического излучения и составляет 10-15 мкм.To determine the optical parameters of thin-film structures by the method of excitation of waveguide modes, the film thickness must exceed several hundred nanometers so that at least two TE (or TM) modes can be excited in it. With a decrease in the wavelength of the illuminating monochromatic radiation, the requirements for the minimum film thickness decrease. The maximum film thickness that can be measured using a refractometer-profilometer is determined by the spectral width Δλ of the illuminating monochromatic radiation and is 10-15 μm.

Диапазон измеряемых показателей преломления n_f на спектроскопическом рефрактометре-профилометре определяется показателем преломления N_p измерительной призмы. С использованием призмы из фианита с N_p(λ=632.8 нм)=2.13825 возможно измерение показателя преломления пленки в диапазоне от 1.2 до 1.9.The range of measured refractive indices n _f on a spectroscopic refractometer-profilometer is determined by the refractive index N _{p of the} measuring prism. Using a prism of cubic zirconia with N _p (λ = 632.8 nm) = 2.13825 it is possible to measure the refractive index of the film in the range from 1.2 to 1.9.

Точность измерения показателя преломления и толщины пленки на спектроскопическом рефрактометре-профилометре.The accuracy of measuring the refractive index and film thickness on a spectroscopic refractometer-profilometer.

Точность измерения показателя преломления n_f на спектроскопическом рефрактометре-профилометре определяется точностью экспериментального измерения углов θ_i и типично составляет ±5×10^-4. Точность определения толщины H_f пленки составляет ±1.5%. Такая точность достигается, в частности, за счет уменьшения спектральной ширины освещающего монохроматического излучения до Δλ≤1 нм.The accuracy of measuring the refractive index n _f on a spectroscopic refractometer-profilometer is determined by the accuracy of the experimental measurement of the angles θ _i and is typically ± 5 × 10 ^-4 . The accuracy of determining the film thickness H _f is ± 1.5%. Such accuracy is achieved, in particular, by reducing the spectral width of the illuminating monochromatic radiation to Δλ≤1 nm.

Использование спектроскопического рефрактометра-профилометра для измерения толщины и показателя преломления пленки монооксида кремнияThe use of a spectroscopic refractometer-profilometer to measure the thickness and refractive index of a film of silicon monoxide

Спектроскопический рефрактометр-профилометр был использован для измерения показателя преломления и толщины пленки монооксида кремния на кварцевой подложке. Вид поля зрения цифровой CCD камеры при освещении пленки SiO, находящейся вA spectroscopic refractometer-profilometer was used to measure the refractive index and film thickness of silicon monoxide on a quartz substrate. View of the field of view of a digital CCD camera under illumination of a SiO film located in

Использование спектроскопического рефрактометра-профилометра для измерения толщины и показателя преломления пленки монооксида кремнияThe use of a spectroscopic refractometer-profilometer to measure the thickness and refractive index of a film of silicon monoxide

Спектроскопический рефрактометр-профилометр был использован для измерения показателя преломления и толщины пленки монооксида кремния на кварцевой подложке. Вид поля зрения цифровой CCD камеры при освещении пленки SiO, находящейся в оптическом контакте с измерительной призмой, сходящимся неполяризованным монохроматическим пучком света с длиной волны λ=632.8 нм приведен на Фигуре 4. Зависимость коэффициента отражения R от угла падения θ монохроматического светового луча на границу призмы с пленкой дана на Фигуре 5. Эффективные показатели преломления ТЕ волноводных мод в пленке, рассчитанные по формуле (1), составили β₀=1;823, β₁=1,767, β₂=1,674. Принимая во внимание показатель преломления кварцевой подложки n_s(632.8 нм)=1.457, из экспериментально измеренных значений с i=0, 1, 2 и дисперсионного уравнения (3) находим H_f=1.08 мкм, n_f=1.833.A spectroscopic refractometer-profilometer was used to measure the refractive index and film thickness of silicon monoxide on a quartz substrate. The view of the field of view of a digital CCD camera when illuminating an SiO film in optical contact with a measuring prism converging with an unpolarized monochromatic light beam with a wavelength of λ = 632.8 nm is shown in Figure 4. The dependence of the reflection coefficient R on the angle of incidence θ of the monochromatic light beam on the prism boundary with a film is given in Figure 5. The effective refractive indices of TE waveguide modes in the film, calculated by the formula (1), were β ₀ = 1; 823, β ₁ = 1.767, β ₂ = 1.674. Taking into account the refractive index of the quartz substrate, n _s (632.8 nm) = 1.457, from the experimentally measured values with i = 0, 1, 2 and dispersion equation (3) we find H _f = 1.08 μm, n _f = 1.833.

Таким образом, заявляемый в качестве полезной модели спектроскопический рефрактометр-профилометр является новым, обладает улучшенными техническими характеристиками по сравнению с известными аналогами и может быть использован в промышленных масштабах. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна", "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".Thus, the spectroscopic refractometer-profilometer claimed as a utility model is new, has improved technical characteristics in comparison with known analogues and can be used on an industrial scale. Based on the foregoing, we can conclude that the claimed technical solution meets the criteria of "novelty", "inventive step" and "industrial applicability".

ЛитератураLiterature

1. P.K.Tien, R.Ulrich, R.J.Martin, "Modes of propagating light waves in thin deposited semiconductor films", Appl. Phys. Letters, H, No.9, p.291, 1969.1. P.K. Tien, R. Ulrich, R.J. Martin, "Modes of propagating light waves in thin deposited semiconductor films", Appl. Phys. Letters, H, No.9, p. 291, 1969.

2. Л.Н.Дерюгин, А.Н.Марчук, В.Е.Сотин, «Резонансное возбуждение плоского диэлектрического волновода через закритический слой плоской волной», Известия ВУЗов СССР - Радиоэлектроника, Том 13, №8, стр.973-980, 1970.2. L.N. Deryugin, A.N. Marchuk, V.E. Sotin, “Resonant excitation of a planar dielectric waveguide through a supercritical layer by a plane wave”, Bulletin of the USSR Universities - Radioelectronics, Volume 13, No. 8, pp. 973-980 , 1970.

3. P.K.Tien, "Light waves in thin films and integrated optics", Appl. Optics, 10, No. 11, p.2395, 1971.3. P.K. Tien, "Light waves in thin films and integrated optics", Appl. Optics, 10, No. 11, p. 2339, 1971.

4. R.Ulrich, R.Torge, "Measurement of thin film parameters with a prism coupler", Appl.4. R. Ulrich, R. Torge, "Measurement of thin film parameters with a prism coupler", Appl.

Claims (1)

Спектроскопический рефрактометр-профилометр, предназначенный для измерения показателя преломления и толщины твердотельных тонкопленочных структур на различных длинах волн, отличающийся тем, что он содержит монохроматический источник света, измерительную призму, устройство для определения углов падения света, при которых в пленке возбуждаются волноводные ТЕ и ТМ моды; причем вышеупомянутые конструктивные элементы предлагаемой полезной модели связаны друг с другом так, что область оптического контакта призмы с исследуемой пленкой освещается перестраиваемым по длине волны сходящимся пучком света, а отраженный от пленки свет фокусируется на матрицу цифровой CCD камеры, при этом по положению темных полос на матрице определяют эффективные показатели преломления волноводных мод, что позволяет в конечном итоге рассчитать показатель преломления и толщину пленки; причем область оптического контакта призмы с пленкой освещается с помощью монохроматора с использованием многожильного волоконно-оптического кабеля (ВОК) и фокусирующей линзы, а сам многожильный ВОК состоит из нескольких оптических волокон, каждое из которых имеет световедущую жилу и оболочку; причем центры этих оптических волокон на одном торце кабеля расположены на прямой линии и они ориентированы так, что эта линия расположена вдоль выходной щели монохроматора, а другой торец многожильного ВОК собран в такой жгут, что его общая апертура имеет минимальный диаметр, и этот жгут с помощью оптической розетки соединяется с одножильным ВОК, диаметр световедущей жилы которого равен или несколько больше апертуры многожильного жгута.

A spectroscopic refractometer-profilometer designed to measure the refractive index and thickness of solid-state thin-film structures at different wavelengths, characterized in that it contains a monochromatic light source, a measuring prism, a device for determining light incidence angles at which waveguide TE and TM modes are excited in the film ; moreover, the above-mentioned structural elements of the proposed utility model are interconnected so that the region of optical contact of the prism with the test film is illuminated by a converging beam of light that is tunable along the wavelength, and the light reflected from the film is focused on the matrix of the digital CCD camera, while the position of the dark bars on the determine the effective refractive indices of the waveguide modes, which ultimately allows you to calculate the refractive index and film thickness; moreover, the area of optical contact of the prism with the film is illuminated using a monochromator using a multi-core fiber optic cable (FOC) and a focusing lens, and the multi-core FOC is composed of several optical fibers, each of which has a light guide core and sheath; moreover, the centers of these optical fibers on one end of the cable are located on a straight line and they are oriented so that this line is located along the output slit of the monochromator, and the other end of the multicore wok is assembled in such a bundle that its total aperture has a minimum diameter, and this bundle with optical outlet is connected to a single-core wok, the diameter of the light guide core of which is equal to or slightly larger than the aperture of the multi-strand bundle.