Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой

Скомпонован сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой. Эллипсометр апробирован при измерениях оптических параметров стандартного образца из кварца КУ-1. Получено удовлетворительное соответствие результатов эксперимента по брюстеровскому отражению с результатами эллипсоме...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
Hauptverfasser:	Свиридов, В.В., Радкевич, Н.А., Жихарев, И.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2006
Schriftenreihe:	Физика и техника высоких давлений
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70229
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой / В.В. Свиридов, Н.А. Радкевич, И.В. Жихарев // Физика и техника высоких давлений. — 2006. — Т. 16, № 2. — С. 71-77. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-70229
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-702292014-11-01T03:01:23Z Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой Свиридов, В.В. Радкевич, Н.А. Жихарев, И.В. Скомпонован сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой. Эллипсометр апробирован при измерениях оптических параметров стандартного образца из кварца КУ-1. Получено удовлетворительное соответствие результатов эксперимента по брюстеровскому отражению с результатами эллипсометрических измерений и с установленными стандартами по показателям преломления и поглощения для объемного образца. Установлено, что при прочих равных условиях примененное аппаратное решение дает возможность осуществлять измерения оптических параметров поверхности образца с точностью до двух-трех единиц четвертого знака. Показана возможность проведения исследований приповерхностных слоев образцов со сложными поверхностями. The scanning ellipsometer is composed on the basis of a direction gauge with an autocollimation tube. The ellipsometer has been tested by measuring optical parameters of a standard sample from quartz КУ-1. A satisfactory correspondence of the outcomes of the experiment on Bruster reflection to the results of ellipsometric measurements and to established standards on reflection index and index of absorption for a volumetric sample has been obtained. It has been proved that in other equal conditions the applied hardware solution enables to conduct measurements of optical parameters of a sample surface with the precision of 2−3 units of the fourth character. The possibility of research of nearsurface layers of complex samples is demonstrated. 2006 Article Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой / В.В. Свиридов, Н.А. Радкевич, И.В. Жихарев // Физика и техника высоких давлений. — 2006. — Т. 16, № 2. — С. 71-77. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 78.68.+m http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70229 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Скомпонован сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой. Эллипсометр апробирован при измерениях оптических параметров стандартного образца из кварца КУ-1. Получено удовлетворительное соответствие результатов эксперимента по брюстеровскому отражению с результатами эллипсометрических измерений и с установленными стандартами по показателям преломления и поглощения для объемного образца. Установлено, что при прочих равных условиях примененное аппаратное решение дает возможность осуществлять измерения оптических параметров поверхности образца с точностью до двух-трех единиц четвертого знака. Показана возможность проведения исследований приповерхностных слоев образцов со сложными поверхностями.
format	Article
author	Свиридов, В.В. Радкевич, Н.А. Жихарев, И.В.
spellingShingle	Свиридов, В.В. Радкевич, Н.А. Жихарев, И.В. Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой Физика и техника высоких давлений
author_facet	Свиридов, В.В. Радкевич, Н.А. Жихарев, И.В.
author_sort	Свиридов, В.В.
title	Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой
title_short	Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой
title_full	Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой
title_fullStr	Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой
title_full_unstemmed	Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой
title_sort	сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2006
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70229
citation_txt	Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой / В.В. Свиридов, Н.А. Радкевич, И.В. Жихарев // Физика и техника высоких давлений. — 2006. — Т. 16, № 2. — С. 71-77. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT sviridovvv skaniruûŝijéllipsometrnabazegoniometrasavtokollimacionnojtruboj AT radkevična skaniruûŝijéllipsometrnabazegoniometrasavtokollimacionnojtruboj AT žihareviv skaniruûŝijéllipsometrnabazegoniometrasavtokollimacionnojtruboj
first_indexed	2025-07-05T19:29:39Z
last_indexed	2025-07-05T19:29:39Z
_version_	1836836485347672064
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 2 71 PACS: 78.68.+m В.В. Свиридов1,2, Н.А. Радкевич1,2, И.В. Жихарев1,2 СКАНИРУЮЩИЙ ЭЛЛИПСОМЕТР НА БАЗЕ ГОНИОМЕТРА С АВТОКОЛЛИМАЦИОННОЙ ТРУБОЙ 1Луганский национальный педагогический университет им. Тараса Шевченко ул. Оборонная, 2, г. Луганск, 91011, Украина 2Филиал Донецкого физико-технического института им. А.А. Галкина НАН Украины при Луганском национальном педагогическом университете имени Тараса Шевченко ул. Оборонная, 2, г. Луганск, 91011, Украина Статья поступила в редакцию 5 декабря 2005 года Скомпонован сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимацион- ной трубой. Эллипсометр апробирован при измерениях оптических параметров стандартного образца из кварца КУ-1. Получено удовлетворительное соответст- вие результатов эксперимента по брюстеровскому отражению с результатами эллипсометрических измерений и с установленными стандартами по показателям преломления и поглощения для объемного образца. Установлено, что при прочих равных условиях примененное аппаратное решение дает возможность осуществ- лять измерения оптических параметров поверхности образца с точностью до двух-трех единиц четвертого знака. Показана возможность проведения исследо- ваний приповерхностных слоев образцов со сложными поверхностями. Существует большое количество экспериментальных методик для исследо- вания характеристик приповерхностных слоев различных объектов, которые формируются искусственно или вследствие воздействия окружающей среды [1−8]. Прежде всего это методы сканирующей эллипсометрии и сканирующей оптической ближнепольной микроскопии [9]. Источники погрешностей эллип- сометрических измерений хорошо изучены [1,10]. В данной статье предлагает- ся способ минимизации ошибок, вызванных неточным заданием угла падения. Введение в конструкцию эллипсометра третьего плеча, которым является штатная автоколлимационная труба гониометра, решает эту задачу. Конструкция эллипсометра и ее особенности Оптическая схема сканирующего эллипсометра, собранного нами [11] по схеме PSCA, представлена на рис. 1. Блок образца (рис. 2) снабжен прецизионными подвижками, которые имеют необходимые направления. Эти подвижки используются для коррекции Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 2 72 Рис. 1. Оптическая схема сканирующего эллипсометра: 1 – автоколлимационная труба с окуляр-кубом; 2 – вспомогательная труба с измерительным окуляром Гюй- генса; 3 – призма полного внутреннего отражения; 4 – выходное зеркало лазера; A – анализатор; C – компенсатор; S – поверхность образца; P – поляризатор Рис. 2. Функциональный блок отражающей плоскости образца относительно зондирующего луча после очередного акта сканирования. Узел сканирования представляет собой стан- дартный двухкоординатный препаратоводитель с ценой деления нониуса 1·10−4 m. Он обеспечивает сканирование по исследуемому участку образца вдоль соответствующей координаты. Плечо поляризатора состоит из двух независимых блоков. Первый блок – это поляризатор, который представляет собой одинарную поляризационную призму Франка−Риттера квадратной апертуры (сторона 7·10−3 m). Данная призма имеет симметричное поле поляризации около 4.8869·10−1 rad. Поля- ризатор вмонтирован в угломерное устройство с ценой деления нониуса 1.4544·10−4 rad. Второй блок – это источник зондирующего излучения. В ка- честве такого источника применен гелий-неоновый лазер с полуконфокаль- ным резонатором (ТЕМ00, длина волны излучения 6.328·10−7 m, номиналь- ная мощность 1·10−3 W, расходимость луча 1.85·10−3 rad). Длина плеча поля- ризатора такова, что диаметр пучка на образце не более 8·10−4 m. Все эле- менты плеча поляризатора имеют прецизионные подвижки. Плечо анализатора состоит из четырех блоков, жестко закрепленных в своих оправах на единой плите. Первый блок – компенсатор, представляю- щий собой стандартную конструкцию, которая имеет поворотную кальцито- вую пластину. Последняя, как известно, применяется тогда, когда разность хода необходимо согласовывать с длиной волны зондирующего света. Цена деления нониуса компенсатора составляет 1.7453 rad. Компенсатор вмонти- Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 2 73 рован в угломерное устройство с ценой деления нониуса 1.4544·10−4 rad. Второй блок – анализатор, который представляет собой одинарную призму Франка−Риттера с теми же характеристиками, что и поляризатор. Третий блок – вспомогательная труба, снабженная измерительным окуляром Гюй- генса. Ее призма полного внутреннего отражения после очередного наведе- ния выводится из оптического канала собственной подвижкой. Вспомога- тельная труба обеспечивает визуальную коррекцию оптической оси плеча анализатора относительно отраженного луча. Четвертый блок – блок детек- тора (на рис. 1 не показан), в качестве которого применен кремниевый фото- диод с диаметром чувствительной области 1.94·10−2 m и интегральной чув- ствительностью 4.7·10−4 A/lm. Особенности юстировки эллипсометра На этапе измерений после каждого акта сканирования всегда требуется промежуточная юстировка. Это необходимо ввиду неизбежного нарушения положения образца относительно зондирующего луча. Нарушение возникает из-за погрешностей изготовления и сборки деталей направляющих узла ска- нирования. В [10] подробно описаны методы юстировки лабораторных эллипсомет- ров. Этап механической юстировки, который заключается в правильной ус- тановке источника света, соосности плеч поляризатора и анализатора, а так- же отражающей поверхности образца, выполняется с помощью двух разне- сенных коаксиально установленных ирисовых диафрагм с переменной апер- турой. Параллельность пучка света оптических осей плеч поляризатора и анализатора определяют по гашению пучка, который прошел через умень- шаемые отверстия диафрагм. В отдельных случаях используют окуляр Гаус- са. Так же поступают, если необходима юстировка промышленного эллип- сометра. По нашему мнению, методика юстировки с помощью диафрагм является трудоемкой и неоднозначной. Особенно это проявляется, когда для каждой точки исследуемой поверхности образца применяется многоугловая методи- ка решения обратной задачи эллипсометрии. Известно, что автоколлимационная труба с окуляр-кубом предназначена для точных угловых измерений, для выверки параллельности оптических деталей, контроля параллельности перемещений и т.д. Ее применение явля- ется удобным, эффективным и динамичным. При этом достигается предель- ная точность. Авторы настоящей статьи опробовали автоколлимационный метод юстировки сканирующего эллипсометра на всех этапах его работы. Тем самым решена задача контроля угла и плоскости падения настолько, насколько это позволяют технические данные примененного гониометра с автоколлимационной трубой. Например, гониометр Г5М имеет предел допус- каемой погрешности при измерении угла одним приемом ±2.4241·10−5 rad при цене деления нониуса 4.8481·10−6 rad. Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 2 74 Особенностью юстировки предложенной конструкции эллипсометра яв- ляется эффективное использование автоколлимационной трубы гониометра и вспомогательной трубы. Юстировка сводится к поочередному совмещению изображения окуляр- ной сетки с проекционной сеткой окуляр-куба после ее отражения от опти- ческих граней поляризатора и выходного зеркала лазера. В результате одно- значно достигается параллельность оптических осей развернутых плеч по- ляризатора и автоколлимационной трубы. Показания, которые при этом фиксирует отсчетное устройство гониометра, принимаются за начальный отсчет для угла падения. После этого проводится юстировка плеча анализатора. Она выполняется в два этапа. На первом используется плоскопараллельная пластина, которой комплектуется гониометр. Пластина устанавливается на предметный столик гониометра так, что угол падения составляет 7.854·10−1 rad. Второй этап за- ключается в совмещении оптической оси плеча анализатора с отраженным лучом. Производится это соответствующими механическими подвижками. Факт совмещения фиксируется измерительным окуляром Гюйгенса вспомо- гательной трубы. Совмещение удается настолько точно, насколько это по- зволяют технические данные примененного измерительного окуляра. На- пример, окуляр ИО-8 имеет цену деления 1·10−4 m. Выбор схемы эллипсометра В литературе приведено сравнение классических схем эллипсометров – PCSA и PSCA. Авторы [1] отмечают, что схема PSCA обладает преимущест- вом перед схемой PCSA, «… т.к. обеспечивает компенсацию влияния диаго- нального элемента (2.2) в матрице Джонса для несовершенств поляризато- ра». При прочих равных условиях «… обе схемы одинаково чувствительны к различным несовершенствам элементов оптических схем эллипсометра и ошибкам измерения азимутальных углов поляризатора, компенсатора и ана- лизатора». К тому же нами выбрана эта схема, поскольку при замене плеча анализатора блоком детектора можно проводить исследования поверхности образца методом сканирующей ближнепольной микроскопии. Численный анализ Были проведены два эксперимента − изучение зависимостей: 1) интен- сивности отраженного света от угла падения (закон Брюстера) (рис. 3) и 2) эллипсометрических углов от угла падения (обратная задача эллипсомет- рии) (рис. 4). В качестве объекта исследования выбрана пластина из плавленого кварца марки КУ-1, обработанная не хуже 14-го класса и с отклонением 2 интерфе- ренционных кольца от плоскости. Отражающая поверхность очищена сме- сью эфира и спирта. Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 2 75 Рис. 3. Экспериментальная зависимость интенсивности отраженного света I от угла падения ϕ. Зондирующий пучок поляризован по кругу; + − эксперимент, — − ре- зультат нелинейной регрессии общего вида Рис. 4. Экспериментальная зависимость эллипсометрических углов ψ (−○−) и ∆ (−×−) от угла падения ϕ; — − результат нелинейной регрессии общего вида В эксперименте по брюстеровскому отражению определен угол полной поляризации (угол Брюстера) и вычислен показатель преломления материа- ла образца как тангенс этого угла, т.е. tgϕB = n. Брюстеровская кривая по- строена в диапазоне по углу падения от 9.4248·10−1 до 1.0036·10−0 rad с ша- гом 2.9089·10−3 rad для одной произвольно выбранной точки поверхности образца (рис. 3). Значения угла Брюстера и показателя преломления сведены в таблицу. Эллипсометрические измерения проведены по многоугловой методике в диапазоне по углу падения от 9.4248·10−1 до 9.9484·10−1 rad с шагом 8.7267·10−3 rad для той же точки поверхности образца, что и в первом экспе- рименте (рис. 4). Значения главного угла, показателя преломления и показа- теля поглощения сведены в таблицу. Таблица Методы измерения (λ = 6.328·10−7 m) Угол полной поля- ризации (угол Брюстера), deg Главный угол, deg Показатель преломления Показатель поглощения Эксперимент по брюсте- ровскому отражению 55.5398 – 1.45717 – Эллипсометрические измерения – 55.5433 1.45737 0.0067 Установленные стандарты для объемного образца – – 1.45702 0.001 На рис. 5 показан фрагмент зависимости эллипсометрического угла ψ от угла падения вблизи главного угла. Результаты эксперимента по брюстеровскому отражению были сопостав- лены с результатами эллипсометрических измерений. Получено удовлетво- Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 2 76 рительное согласие. Угол Брюстера и главный угол различаются на три еди- ницы в третьем знаке, а значения показателя преломления − на две единицы в четвертом знаке. Результаты хорошо согласуются с установленными стан- дартами по показателям преломления и поглощения для объемного образца [12,13]. Заключение Таким образом, введение гониометра с автоколлимационной трубой в схему сканирующего эллипсометра значительно упрощает юстировку при- бора и делает операцию наведения однозначной. При использовании много- угловой методики динамичный контроль оптической схемы позволяет уст- ранить основной недостаток сканирующих эллипсометров, который связан с неточным заданием угла и плоскости падения. Примененное аппаратное решение при прочих равных условиях позволя- ет осуществлять измерения оптических параметров поверхности образца с точностью до двух-трех единиц четвертого знака. Описанный действующий сканирующий эллипсометр дает возможность проводить исследования приповерхностных слоев образцов со сложными поверхностями. 1. R.M.A. Azzam, N.M. Bashara, Ellipsometry and Polarized Light, North-Holland Pub- lishing Co, Amsterdam, New York, Oxford (1977). 2. V. Mitin, V. Kochelap, M. Strasio, Quantum Heterostructures. Microelectronics and Optoelectronics, University Press, Cambridge (1998). 3. J. Devies, The Physics of Low-dimensional Semiconductors, University Press, Cam- bridge (1998). 4. H.G. Craighead, A.M. Glass, Opt. Lett. 6, 248 (1981). 5. М.М. Горшков, Эллипсометрия, Сов. радио, Москва (1974). 6. А.Л. Звездин, В.А. Котов, Магнитооптика тонких пленок, Наука, Москва (1988). 7. S. Garoff, D.A. Weits, T.J. Gramila, C.D. Hanson, Opt. Lett. 6, 245 (1981). 8. A.M. Glass, P.F. Liao, J.G. Bergman, D.H. Olson, Opt. Lett. 5, 368 (1980). 9. О.Н. Гадомский, А.С. Кадочкин, Оптика и спектроскопия 96, 646 (2004). 10. А.В. Ржанов, К.К. Свиташев, А.И. Семененко и др., Основы эллипсометрии, Наука, Новосибирск (1979). Рис. 5. Экспериментальная зависимость эллипсометрического угла ψ вблизи главного угла от угла падения ϕ Физика и техника высоких давлений 2006, том 16, № 2 77 11. В.В. Свиридов, Н.А. Радкевич, И.В. Жихарев, в сб.: Матеріали I Міжнародної науково-практичної конференції «Науковий потенціал світу 2004», Дніпропетровськ (2004), с. 42−43. 12. Справочник конструктора оптико-механических приборов, В.А. Панов (ред.), Машиностроение, Ленинград (1980). 13. Физические величины. Справочник, И.С. Григорьев, Е.З. Мейлихов (ред.), Энергоатомиздат, Москва (1991). V.V. Sviridov, N.A. Radkevich, I.V. Zhikharev SCANNING ELLIPSOMETER ON BASIS OF A DIRECTION GAUGE WITH AN AUTOCOLLIMATION TUBE The scanning ellipsometer is composed on the basis of a direction gauge with an autocol- limation tube. The ellipsometer has been tested by measuring optical parameters of a standard sample from quartz КУ-1. A satisfactory correspondence of the outcomes of the experiment on Bruster reflection to the results of ellipsometric measurements and to es- tablished standards on reflection index and index of absorption for a volumetric sample has been obtained. It has been proved that in other equal conditions the applied hardware solution enables to conduct measurements of optical parameters of a sample surface with the precision of 2−3 units of the fourth character. The possibility of research of near- surface layers of complex samples is demonstrated. Fig. 1. Optical scheme of scanning ellipsometer: 1 – autocollimation tube with eyepiece- cube; 2 − supplementary tube with the gaging Huygens eyepiece; 3 – reflecting prism; 4 – exit mirror; A – analyzer; C − compensator; S – optical surface; P – polarizer Fig. 2. Function unit Fig. 3. Experimental dependence of reflected intensity I on angle of incidence ϕ. The probing beam polarized on circle; + − experiment, — − result of general non-linear regression Fig. 4. Experimental dependence of ellipsometrical angles ψ (−○−) and ∆ (−×−) on angle of incidence ϕ; — − result of general non-linear regression Fig. 5. Experimental dependence of ellipsometrical angle ψ close to principal angle on angle of incidence ϕ

Сканирующий эллипсометр на базе гониометра с автоколлимационной трубой

Institution

Ähnliche Einträge