RU2694167C1 - Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок - Google Patents
Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694167C1 RU2694167C1 RU2018122500A RU2018122500A RU2694167C1 RU 2694167 C1 RU2694167 C1 RU 2694167C1 RU 2018122500 A RU2018122500 A RU 2018122500A RU 2018122500 A RU2018122500 A RU 2018122500A RU 2694167 C1 RU2694167 C1 RU 2694167C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- semi
- flat surface
- cylindrical lens
- platform
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 12
- 230000035699 permeability Effects 0.000 title abstract 2
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 abstract 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 17
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
- G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
- G01B11/0625—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection
- G01B11/0633—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection using one or more discrete wavelengths
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается устройства для исследования толщины и диэлектрических свойств тонких пленок. Устройство включает в себя два лазера с различной длиной волны, делительный кубик, расширитель светового потока, линзу, два поляризатора, устройство нарушения полного внутреннего отражения, зеркало, фокусирующий объектив и светочувствительную матрицу. Устройство нарушения полного внутреннего отражения выполнено в виде полуцилиндрической линзы с отражающим элементом на ее плоскости в виде тонкой металлической пленки. Оптические оси поляризаторов составляют угол 45° с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, причем второй по ходу луча поляризатор может осуществлять как р-поляризацию, так и s-поляризацию. Элементы устройства размещены на платформе, перпендикулярной плоской поверхности полуцилиндрической линзы, причем платформа имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси полуцилиндрической линзы, а зеркало имеет возможность поворота вокруг оси, перпендикулярной платформе. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок в процессе их изготовления. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для создания устройств по контролю толщины и диэлектрических свойств тонких пленок в процессе их нанесения на тонкие подложки.
Известны устройства-эллипсометры для измерения толщины тонких пленок основанные на изучении изменения состояния поляризации света после взаимодействия его с поверхностью пленок: отраженного и преломленного на ней. [Аззам Р., Башара Н., Эллипсометрия и поляризованный свет, пер. с англ., М., 1981].
Недостатком эллипсометров является сложность их применения для измерения толщины пленки в процессе ее нанесения на подложку, т.к. измерения осуществляются со стороны нанесения пленки, а также невозможность измерения диэлектрической проницаемости пленок.
Известны устройства - спектрометры на основе поверхностного плазмонного резонанса, позволяющие исследовать состав тонких пленок на поверхности сенсора спектрометра. [Патент Германии № DE 102007021563 А1, кл. G01J 3/42, 2008, Патент Великобритании № GB 2197065 А, кл. G01N 33/543, 1988.] Такие исследования могут проводиться и в процессе получения этих пленок.
Недостатком таких спектрометров является низкая чувствительность при измерении толщины пленки и ее диэлектрической проницаемости.
Наиболее близким устройством является устройство спектрометра на основе поверхностного плазмонного резонанса, содержащий источник света, поляризатор, линзу, устройство нарушения полного внутреннего отражения с отражающим элементом в виде металлической пленки, фокусирующий объектив и светочувствительную фотоматрицу. [Патент РФ №2500993, кл. G01J 3/42, 2012.]
Недостатком данного устройства также низкая чувствительность при измерении толщины пленки и ее диэлектрической проницаемости.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании устройства для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок.
Техническим результатом является создание устройства позволяющее проводить измерение толщины тонких металлических пленок в процессе их нанесения на тонкие подложки, и в случае нанесения диэлектрических пленок на эти металлические пленки одновременно измерять их диэлектрическую проницаемость. В частности проводить такие измерения при создании системы тонких пленок оптимальной толщины для биохимических сенсоров, работающих на основе плазмонного резонанса по схеме Кречмана.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения толщины и диэлектрических свойств тонких пленок в качестве источника света содержит два лазера с различной длинной волны, при этом лазеры расположены так, чтобы их лучи были направлены на делительный кубик таким образом, чтобы при выходе из него траектории их совпадали и направлялись через расширитель светового потока на линзу, затем через два поляризатора на устройство нарушения полного внутреннего отражения, выполненного в виде полуцилиндрической линзы с отражающим элементом на ее плоскости в виде тонкой металлической пленки, причем фокус линзы совпадает с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, а от нею лучи шли на зеркало, отразившись от которого, проходили через фокусирующий объектив, фокус которого, также совпадает с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, и попадали на светочувствительную фотоматрицу, при этом оптические оси поляризаторов составляют угол 45° с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, причем второй по ходу луча поляризатор может осуществлять как р-поляризацию, так и s-поляризацию, при этом перечисленные элементы устройства размещены на платформе, перпендикулярной плоской поверхности полуцилиндрической линзы, причем платформа имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси полуцилиндрической линзы, а зеркало имеет возможность поворота вокруг оси перпендикулярной платформе.
На фиг. 1 представлена схема предложенного устройства.
Устройство содержит платформу 1, на которой закреплены: лазеры 2, 3, делительный кубик 4, расширитель светового потока 5, линза 6, поляризаторы 7,8, зеркало 9, фокусирующий объектив 10, светочувствительная фотоматрица 11, полуцилиндрическая линза 12.
Устройство работает следующим образом. На плоскую поверхность полуцилиндрической линзы 12 наносится, например напылением, металлическая пленка, толщину которой необходимо измерить для отработки технологии нанесения покрытия. На нее же может быть с той же целью нанесена пленка диэлектрика.
Из лазеров 2 и 3, имеющие разные длины волн X, например, один с А~630 нм (красный) и с А~530 нм (зеленый) второй, попеременно подается излучение на делительный кубик 4. По выходу из делительного кубика излучение проходит через расширитель света 5, состоящего, например из двух линз. Размер пучка излучения при этом увеличивается, например, в 10 раз.
Затем излучение проходит через линзу 6, расположенную так, что излучение, прошедшее через нее фокусируется на плоскую поверхность полуцилиндрической линзы 12. После линзы 6 излучение попадает на поляризатор 7, ось которого составляет угол 45° с плоскостью падения излучения на полуцилиндрическую линзу 12. Угол в 45° является оптимальным углом падения. Он обеспечивает одинаковые амплитуды, как в плоскости падения луча, так и в плоскости перпендикулярной к плоскости падения. После поляризатора 7 излучение попадает на поляризатор 8, ось которого поворачивается так, чтобы составлять угол либо 0° (р-поляризация), либо 90° (s-поляризация) с плоскостью падения.
Отражаясь от плоской поверхности полуцилиндрической линзы 12, отражаясь от зеркала 9, допускающее вращение для точной ориентировки отраженного луча, попадает на фокусирующий объектив 10, фокус которого совпадает с точкой отражения излучения от поверхности полуцилиндрической линзы 12.
После фокусирующего объектива 10 излучение попадает на светочувствительную фотоматрицу 11, информация, с которой передается на компьютер (на фиг. 1 не показан).
Для изменения угла падения на плоскую поверхность полуцилиндрической линзы 12 вся платформа 1 может поворачиваться вокруг вертикальной оси полуцилиндрической линзы 12, проходящей через точку падения луча на эту поверхность.
Для расчета толщины и диэлектрических свойств тонких пленок необходимо знать коэффициент отражения R излучения от тонких пленок, угол θ падения излучения на пленку и W(θ) - полуширина функции R(θ). Для того чтобы получить полное решение необходимо составить уравнение при двух разных длинах волн излучения.
Для получения необходимого значения вида функции R(θ) нужно использовать излучения р- и s-поляризации. Плазмонные волны создает только р-поляризованное излучение, a s-поляризованное излучение нет. Поэтому для расчетов берется отношение интенсивности этих двух поляризаций. При этом требуется нормировка амплитуд линий поглощения, что обеспечивает поляризатор 7.
Ip нормируется к Is, при этом отношение Ip/Is показывает долю энергии луча идущую на возбуждение плазмонов.
Методика одновременного определения ε1 (ω) и d1 проводящего слоя с помощью ПЭВ описана в работе: W. P. Chen and J.M. Chea Use of surface plasma waves for determination of the thickness and optical constants of thin metallic films. J. Opt. Soc. Am. 1981., V. 71, №2. P.p.189-191.
В области углов падающей волны, близких к резонансному углу θATR (это такой угол при котором тангенцальная составляющая волнового вектора излучения совпадает с волновым вектором поверхностных электромагнитных волн (SPW)) возбуждения SPW, коэффициент отражения R(θ) можно вычислить по приближенной формуле
где проекция волнового вектора К вдоль границы раздела призмы и металлической пленки
K=K0+KR,
где 
Здесь:
K - комплексный волновой вектор SPW;
K0 - комплексный волновой вектор SPW на границе раздела металл-вакуум в отсутствие призмы; KR - возмущение K0 при наличии призмы. Мнимые части K0 и KR являются собственными и радиационными затуханиями соответственно. Первая представляет Джоулевые потери в металле, а вторая представляет потерю утечки SPW обратно в призму.
ε1, ε2, и ε3 - диэлектрические проницаемости металлической пленки, воздуха и призмы соответственно;
ε'1 и ε''1 - действительная и мнимая часть ε1;
Kz - проекция волновых векторов в направлении перпендикулярном границы раздела призмы и металла.
Отражательная способность R(θ) имеет форму лорентцовской кривой при θATR с полушириной Wθ=(Rmax+Rmin)/2 [когда |Im(K)|<|Re(K)|] и минимальный коэффициент отражения Rmin, определяемый как
где
С помощью формул (1)-(6) можно, используя экспериментальные значения θATR, Wθ и зависимость Rmin от θ определить ε1 (ω) и d проводящего слоя. Для этого:
1) подставим измеренное θATR в уравнение 
рассчитаем Re(K);
2) установите Re(K0)=Re(K), потому что Re(KR)<<Re(K0);
3) определить ε'1, используя действительную часть уравнения (2);
4) определить [Im(K0)+Im(KR)]=Im(K), подставив измеренные θATR и W0 в уравнение. (4);
5) определим η=Im(K0)/Im(KR), подставив измеренное Rmin в уравнение (5);
6) из результатов, полученных на этапах 4) и 5), решая систему двух уравнений, вычислим значения Im(K0) и Im(KR);
7) определяем ε'1, подставив ε'1 и Im(K0) в мнимую часть уравнения (2);
8) определим d, подставив θATR, ε'1, ε''1 и Im(KR) в мнимую часть уравнения (3).
Таким образом, получают два набора решений для ε1 и d. Проведя аналогичные измерения и вычисления для другой частоты и сравнивая полученные результаты с предыдущими, находят истинное значение d не зависящее от длины волны излучения. Используя найденное значение d, определяют ε1 на обеих частотах.
Толщину диэлектрической пленки d2 можно определить из следующих соотношений.
ε3≈1, ε1 - диэлектрическая проницаемость металлической пленки, ε2 - диэлектрическая проницаемость диэлектрической пленки
Устройство может быть использовано, например, для определения оптимальной толщины пленок для биохимических сенсоров, работающих на основе плазменного резонанса по схеме Кречмана. Для нанесения металлической пленки критерий оптимальности есть достижение функции R(θ) близкое к нулю. Близким к нулю должно быть значение самой функции R(θ). График функции R(θ) является резонансной кривой. При резонансе R(θ) близка к нулю.
Claims (1)
- Устройство для исследования толщины и диэлектрических свойств тонких пленок, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси источник света, поляризатор, линзу, устройство нарушения полного внутреннего отражения, фокусирующий объектив, светочувствительную матрицу, отличающееся тем, что в качестве источника света содержит два лазера с различной длиной волны, при этом лазеры расположены так, чтобы их лучи были направлены на делительный кубик таким образом, чтобы при выходе из него траектории их совпадали и направлялись через расширитель светового потока на линзу, затем через два поляризатора на устройство нарушения полного внутреннего отражения, выполненного в виде полуцилиндрической линзы с отражающим элементом на ее плоскости в виде тонкой металлической пленки, причем фокус линзы совпадает с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, а от нее лучи шли на зеркало, отразившись от которого, проходили через фокусирующий объектив, фокус которого также совпадает с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, и попадали на светочувствительную фотоматрицу, при этом оптические оси поляризаторов составляют угол 45° с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, причем второй по ходу луча поляризатор может осуществлять как р-поляризацию, так и s-поляризацию, при этом перечисленные элементы устройства размещены на платформе, перпендикулярной плоской поверхности полуцилиндрической линзы, причем платформа имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси полуцилиндрической линзы, а зеркало имеет возможность поворота вокруг оси, перпендикулярной платформе.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122500A RU2694167C1 (ru) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122500A RU2694167C1 (ru) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2694167C1 true RU2694167C1 (ru) | 2019-07-09 |
Family
ID=67252337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018122500A RU2694167C1 (ru) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694167C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5257093A (en) * | 1991-11-12 | 1993-10-26 | Guziktechnical Enterprises, Inc. | Apparatus for measuring nanometric distances employing frustrated total internal reflection |
| JPH07208937A (ja) * | 1994-01-25 | 1995-08-11 | Fujitsu Ltd | 膜厚及び誘電率の測定装置及びその測定方法 |
| RU2148814C1 (ru) * | 1998-08-11 | 2000-05-10 | Российский Университет Дружбы Народов | Способ и устройство для определения оптических параметров проводящих образцов |
| RU121590U1 (ru) * | 2012-03-02 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН | Спектроскопический рефрактометр-профилометр для измерения показателя преломления и толщины тонкопленочных структур |
-
2018
- 2018-06-20 RU RU2018122500A patent/RU2694167C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5257093A (en) * | 1991-11-12 | 1993-10-26 | Guziktechnical Enterprises, Inc. | Apparatus for measuring nanometric distances employing frustrated total internal reflection |
| JPH07208937A (ja) * | 1994-01-25 | 1995-08-11 | Fujitsu Ltd | 膜厚及び誘電率の測定装置及びその測定方法 |
| RU2148814C1 (ru) * | 1998-08-11 | 2000-05-10 | Российский Университет Дружбы Народов | Способ и устройство для определения оптических параметров проводящих образцов |
| RU121590U1 (ru) * | 2012-03-02 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН | Спектроскопический рефрактометр-профилометр для измерения показателя преломления и толщины тонкопленочных структур |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4332476A (en) | Method and apparatus for studying surface properties | |
| US7889339B1 (en) | Complementary waveplate rotating compensator ellipsometer | |
| US9857292B2 (en) | Broadband and wide field angle compensator | |
| US5170049A (en) | Coating thickness gauge using linearly polarized light | |
| CN107917672B (zh) | 一种用于提高超薄金属薄膜测试灵敏度的测试方法 | |
| CN109115690A (zh) | 实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪及光学常数测量方法 | |
| El-Agez et al. | Development and construction of rotating polarizer analyzer ellipsometer | |
| US6795184B1 (en) | Odd bounce image rotation system in ellipsometer systems | |
| US8379228B1 (en) | Apparatus for measuring thin film refractive index and thickness with a spectrophotometer | |
| US7184145B2 (en) | Achromatic spectroscopic ellipsometer with high spatial resolution | |
| JP2001272308A (ja) | 異方性多層薄膜構造体の評価法及び評価装置 | |
| CN111351576B (zh) | 共聚焦光路***、共聚焦偏振测量方法及其应用 | |
| RU2694167C1 (ru) | Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок | |
| CN208847653U (zh) | 一种实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪 | |
| CN109115695B (zh) | 一种各向异性体材料光学常数和欧拉角的提取方法 | |
| CN115290571A (zh) | 测量设备和测量方法 | |
| JPH08152307A (ja) | 光学定数測定方法およびその装置 | |
| JPS60122333A (ja) | 偏光解析装置 | |
| Meyer et al. | Optical Effects in Metals: Application of a Least‐Squares Method to Measurements on Gold and Silver | |
| JPH07208937A (ja) | 膜厚及び誘電率の測定装置及びその測定方法 | |
| Krishnan et al. | Fast ellipsometry and Mueller matrix ellipsometry using the division-of-amplitude photopolarimeter | |
| RU2787807C1 (ru) | Способ определения толщины пленки | |
| Azzam | Ellipsometry of single-layer antireflection coatings on transparent substrates | |
| RU2148814C1 (ru) | Способ и устройство для определения оптических параметров проводящих образцов | |
| Roy et al. | Developing a Gaertner Ellipsometer for Thin Film Thickness Measurement |