Ціна:
Автори роботи:
Науковий журнал:
Рік виходу:
Текст наукової статті на тему «ПРО ЕЛІПСОМЕТРІЮ ПРЕЦИЗІЙНИХ ОПТИЧНИХ ПОВЕРХНЬ І ДЗЕРКАЛЬНИХ ПОКРИТТІВ»
ОПТИКА ТА СПЕКТРОСКОПІЯ, 2009, том 107, № 2, с. 196-200
= ПОЛЯРИЗАЦІЙНА ОПТИКА 2008
ПРО ЕЛІПСОМЕТРІЮ ПРЕЦИЗІЙНИХ ОПТИЧНИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ І ДЗЕРКАЛЬНИХ ПОКРИТТІВ
Науково-дослідний інститут "Полюс" ім. М.Ф. Стельмаха, МІЕМ(ТУ), 117342Москва, Україна
Обговорено можливість контролю приповерхневого порушеного шару та якості очищення прецизійних оптичних поверхонь методом еліпсометрії монохроматичного світла. Проаналізовано результати еліпсометричних вимірів однорідності нанометрових товщин плівок, нанесених методом іонно-променевого напилення. Наведено результати розрахунків товщин плівок та параметрів поверхневих шарів, отримані шляхом вирішення зворотного завдання еліпсометрії. Проведено порівняння результатів вимірювань товщин тонких плівок профілометричним та еліпсометричним методами.
PACS: 42.79.-e, 42.25.Ja
В даний час розвиток науки, техніки та технології поставило вимогу чіткого контролю за станом поверхонь та приповерхневих шарів різних оптичних деталей, що використовуються при розробці сучасних приладів. Так, наприклад, при створенні оптичного контакту стану поверхневого шару деталей, що вступають в контакт, залежать його міцність і газопроникність, і відповідно стабільність і довговічність всього приладу. Робота оптоелектронних приладів залежить від якості оптичних систем, які у них, тобто. від якості підкладок для дзеркал, від багатошарових інтерференційних покриттів, що просвітлюють і відбивають і т.д. Все це тіснопов'язані з поверхнею деталей, її властивостями, саме шорсткістю, формою, глибиною порушеного шару. Форма поверхні необхідна для правильного формування світлового пучка, що несе зображення. Шорсткість впливає інтенсивність розсіювання, на зв'язок зустрічних хвиль в кільцевих лазерних резонаторах, на адсорбційні властивості поверхні. Також дуже важливим параметром є ступінь очищення поверхні. Все це необхідно враховувати під час розробки нових приладів.
Якщо для контролю форми поверхні, її шорсткості сьогодні існує ціла низка альтернативних методів, таких як механічна профілометрія, включаючи атомно-силову мікроскопію, оптичну інтерференційну профілометрію, методи розсіювання світлового та рентгенівського діапазонів довжин хвиль тощо, то для аналізу параметрів порушеного шару і сте-
пені очищення поверхонь метрологічні методи перебувають у стадії розробки.
Одним із найбільш розроблених методів є метод еліпсометрії. Цей метод заснований на вимірі зміни параметрів поляризованого світла в результаті відбиття від досліджуваної поверхні. До переваг цього методу відносяться висока чутливість до змін поляризаційного стану світла при відображенні від досліджуваної поверхні і неруйнівний характер методу.
Основний недолік еліпсометрії у тому, що вона вимірює інтегральні величини, тобто. еліпсометрія має місце лише в тому випадку, коли визначені інтегральні величини: коефіцієнт заломлення п і коефіцієнт поглинання до. При визначенні характеристик порушеного шару еліпсометром фіксуємо не товщину шару, а ефективний оптичний шлях. Для визначення безпосередньо оптичних констант та товщини шару необхідне додаткове дослідженнянезалежними методами. Для розшифрування результатів еліпсометричних вимірювань необхідно створити адекватну фізичну модель, що описує поверхню, що досліджується.
Таким чином, процес еліпсометричних вимірів складається з двох основних етапів: перший - безпосередній вимір за допомогою еліпсометра, другий - створення адекватної моделі, розв'язання зворотного завдання, тобто. розшифрування отриманих результатів.
ПРО ЕЛЛІПСОМЕТРІЮ ПРЕЦИЗІЙНИХ ОПТИЧНИХ ПОВЕРХНЬ 197
Лінійно поляризоване світло
Мал. 1. Зміна поляризаційного стану світла при відображенні досліджуваного зразка.
Мал. 2. Принципова оптична схема еліпсометра ЛЕФ-3М. L - лазер зондувального випромінювання, D - фотоприймальний пристрій, 8 - система, що досліджується. Азімутальні кути повороту щодо площини падіння Р – поляризатора, С – компенсатора, А – аналізатора.
ОПИС МЕТОДУ ВИМІРЮВАННЯ
Метод еліпсометрії ґрунтується на вимірі зміни параметрів поляризованого світла в результаті його відображення від досліджуваної поверхні (рис. 1).
Діяльність для аналізу оптичних поверхонь використовується нуль-эллипсометр ЛЕФ-3М, зібраний за схемою Р—С—8—А, тобто. поляризатор-компенсатор-зразок-аналізатор (рис. 2). У нуль-еліпсометрії вимірюється поляризаційний стан відбитого від досліджуваної поверхні світла при заданій поляризації падаючого випромінювання. Вимір проводиться шляхом повного гасіння відбитого світла і контролю при цьому взаємного напрямку оптичних осей поляризатора, аналізатора і компенсатора. У роботі використовувалася 4-зонна методика вимірів. Залежно від зони вимірювання швидка вісь компенсатора знаходиться під кутом.
±45° по відношенню до поверхні падіння. Поворотами поляризатора та аналізатора добиваютьсятакого поляризаційного стану падаючого світла, щоб при відображенні від досліджуваної поверхні він ставав лінійно поляризованим. Далі по отриманих азимутальних кутах поляризатора та аналізатора визначаються ел-ліпсометричні параметри.
Основне рівняння еліпсометрії записується у такому вигляді:
де Яр і - коефіцієнти відображення досліджуваної системи для р-і "-поляризації відповідно, у і А - еліпсометричні параметри (у - відношення модулів коефіцієнтів відображення р-поляризації до"-поляризації, А - різниця фаз між компонентами р і ").
Підкладка підкладки Матеріал плівки плівки до, нм
Сітал (край зони напилення) 1.536 БЮ2 1.484 96
Сітал (центр зони напилення) 1.536 М02 1.485 93
Сітал (край зони напилення) 1.536 Та205 2.128 67
Сітал (центр зони напилення) 1.536 Та205 2.128 65
К8 (край зони напилення) 1.51 Т1О2 2.37 32
К8 (центр зони напилення) 1.51 Т1О2 2.37 32
Зразок 1 Зразок 2
до обробки після обробки до обробки після обробки
V, град А, град до, товщина шару, нм шару п підкладки 1°44' 184°41' 82 1.543 1.5 1°42' 185°8' 76 1.543 36 1°38' 184°20' 73 1. 37' 184°41' 67 1.541 36
Зразок 3 Зразок 4
до обробки після обробки до обробки після обробки
V,град А, град до, товщина шару, нм шару п підкладки 1°38' 181°32' 103 1.54 1.5 1°38' 182°18' 93 1.54 36 1°41' 182°2' 101 1.5. 40' 182°42' 94 1.541 36
Помилка визначення товщини шару не перевищує ± 1 нм.
Еліпсометричні параметри звідси виро-
ються відповідно як
Вимірювання проводилися за кількох кутах падіння. Для перерахунку отриманих експериментальних даних у товщини та показники заломлення використовуваласяодношарова модель середовище-плівка-підкладка, схематично показана на рис 3.
Для системи середовище-плівка-підкладка рівняння (1) запишеться у вигляді [1]
Г01 р + Г12ре 1 + Г
, -¡2 в 1 + Г01рГ12ре Г0
де г01р, г12р, г0Ъ, г1ъ - коефіцієнти відображення Френеля для відповідних меж розділу, - фазова товщина.
При знаходженні товщин і показників заломлення багаторазово вирішуються пряме і зворотне завдання еліпсометрії.
Пряма задача еліпсомерії полягає у визначенні за відомими параметрами системи (показниками заломлення середовища, плівки, підкладки та товщини плівки) еліпсометричних параметрів у і А. Зворотне завдання еліпсометрії — у визначенні за виміряними еліпсометричними параметрами у і А параметрів системи: показників середовища, плівки, підкладки та товщини плівки. Завдання вирішується шляхом мінімізації функції помилки або як її називають цільової функції, яка має наступний вигляд:
X р'™ - Р'С(М0, N1, N2, ф0,
де (у, , А, ) - виміряні еліпсометричні параметри при /-му вимірі, (, Ас) - розрахун-
ПРО ЕЛЛІПСОМЕТРІЮ ПРЕЦИЗІЙНИХ ОПТИЧНИХ ПОВЕРХНЕЙ
Мал. 3. Одношарова модель.
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Просторова координата, мм
Підкладка п "підкладки Матеріал плівки п "плівки до, нм
Сітал 1.536 8Ю2 1.486 116
Мал. 4. Результати вимірювань товщини плівки до профілактометричним методом (а) та еліпсометричним методом (б). В ділянці 2-3 ктах = 113.26 нм, ктщ = 107.42 нм, ширина області 2-3 становить 0.397 мм.
ні за рівнянням (3). N0, N - комплексні показники заломлення відповідно середовища, плівки, підкладки для заданої довжини хвилі.
Вимірювання товщин плівок
У табл. 1 наведено результати вимірювань товщин різних тонкихплівок, які проводилися для налагодження процесів напилення дзеркал, а саме контролю рівномірності напилення. Для перших двох процесів напилення є невеликі відмінності у значеннях товщин на краю та у центрі зони напилення, що може свідчити про наявність невеликого "клина".
Порівняння результатів вимірювань товщин плівок
еліпсометричним та профілактометричним методами
Порівняння результатів вимірювання товщини плівки еліпсометричним (116 нм) та профі-
лометричним (107-113 нм) методами (рис. 4) показує, що відмінність у товщинах не перевищує 8%. Розбіжність може бути викликана тим, що в моделі середовище-плівка-підкладка не враховуються шорсткість поверхні, а також перехідний шар між плівкою і підкладкою. Таким чином, для більш точних вимірювань необхідно враховувати величину шорсткості та порушеного (перехідного) шару на поверхні підкладки.
Аналіз поверхонь полірованих деталей у процесі хімічної обробки
При контролі стану поверхні "чистих" оптичних деталей на різних технологічних етапах насамперед цікавлять зміни, що відбуваються з поверхнею, тобто, іншими словами, відносні, а не
Для подальшого читання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються у форматіPDFна вказану при оплаті пошту. Термін доставки становитьменше 10 хвилин. Вартість однієї статті -150 рублів.
Подібні наукові роботи на тему «Фізика»
БОРИСОВ А. Г., РИХЛИЦЬКИЙ С. В., СПЕСИВЦІВ Є. В., ШВЕЦЬ В. А. — 2012 р.
ГРИГОР'ЄВА Т.І., ХАСАНОВ Т.Х. - 2010 р.
ПРОКОП'ЄВ В. Ю., РИХЛИЦЬКИЙ С. В., СПЕСИВЦІВ Є. В., ШВЕЦЬ В. А. — 2012 р.
МІТТОВА І.Я., САМСОНОВ А.А., СОЛОДКОПІВЦІВ Б.В., ТОМІНА Є.В., ТРЕТЬЯКІВ Н.М., ШВЕЦЬ В.А. - 2013м.