Лекция 21. О симметризации аппаратной функции холоэллипсометра. Гетеродинный холоэллипсометр. Обнаружительная способность холоэллипсометра

А) На практике применений методов контроля in situ и импульсных измерений удобной бывает их автономность – возможность получать параметры объекта вне зависимости от данных предварительных измерений. В общем случае эта необходимость в методе холоэллипсометрии связана с тем, что аппаратные функции прибора A^*_p и A^*_s неидентичны (A^*_p  A^*_s) из-за различий для комплексных амплитудных коэффициентов отражения R^*_p и R^*_s и пропускания T^*_p и T^*_s линейно поляризованных p- и s-компонент потоков излучения на светоделителях и отражательных зеркалах. Симметризация ап-паратной функции холоэллипсометра есть схемотехническое обеспечение ра-венства аппаратных функций прибора для линейно поляризованных p- и s-компонент потоков света в информационном (и) и опорном (о) измеритель-ных каналах прибора:

A^*_pи = A^*_sи = A^*_ро = A^*_sо = A^* (21.1).

. Это означает, что светоделительная часть прибора, предназначенная для получения основного информационного и вспомогательного опорного пото-ков света, организуется так, что идентичные друг другу по состоянию эллип-тической (в общем случае) поляризации эти пучки до их поступления на объ-екты идентичны по состоянию эллиптической поляризации потоку излучения на входе светоделительной части прибора, при этом допустимо отличие лишь для интенсивностей входного и соответственно выходных потоков, причём для последних и интенсивности должны быть одинаковыми. . . В рамках требований относительной доступности оптических элементов, невысоких затрат труда на их изготовление можно ориентироваться при осу-ществлении симметризации аппаратной функции холоэллипсометра на свето-делители, используемые в интерференционных схемах или интерферометрах. Симметризация аппаратной функции прибора осуществляется, например, пропусканием потока излучения через интерферометр Майкельсона, который настраивается на нулевую разность оптических путей, и светоделитель, идентичный светоделителю интеферометра и ориентированный своей плос-костью светоделения поперёк плоскости светоделения у последнего. В отра-жённый и пропускаемый таким светоделителем потоки помещают дополни-тельные светоделители, идентичные ему по устройству, принципу действия и взаимному положению плоскостей светоделения; здесь используются для формирования информационного и опорного потоков волн пропускаемый и отражаемый этими дополнительными светоделителями потоки света. . . В результате симметризации аппаратной функции холоэллипсометра, а точнее, в результате симметризации аппаратных функций светоделителей согласно (21.1), основные уравнения холоэллипсометрии в ситуации отсутст-вия опорного объекта на пути опорного потока существенно упрощаются: .

. R_p,s = (V_и1,2/V_o1,2)^1/2 (21.2).

. Но платой за симметризацию (21.1) аппаратной функции холоэллипсо-метра, дающую удобную в целом автономность (21.2) измерений в режиме in situ или импульсных измерений, оказывается и усложнение оптической части прибора, и ослабление полезного сигнала. В ряде случаев, например, при мощных источниках зондирующего излучения с этим можно мириться ради получаемой оперативности и автономности измерений в режиме in situ и пре-жде всего при импульсных измерениях. Современные компьютеры как не-отъемлемая часть любого эллипсометра позволяют и при измерениях in situ не принимать во внимание осложнения, связанные с асимметрией поляри-зационных аппаратных функций используемого холоэллипсометра. . . В) Большое внимание на практике измерений уделяют обеспечению высо-кого отношения полезного сигнала V_пол к величине шума N_шум, известного как динамический диапазон И_дин измерительного прибора при регистрации сигнала: И_дин = (V_пол/N_шум) (21.3). при этом для полезного сигнала берётся, естественно, максимальная величи-на регистрируемого сигнала V_{полмакс}, соотносимого, очевидно, с максималь-ной интенсивностью потока волн на фотоприёмнике, а в качестве меры шума N_шум принимается, по договорённости, величина среднеквадратичного шумо-вого сигнала. Эффективно при этом а) применение шизкошумящих фотоприёмников и б) сужение полосы приёма шумового сигнала посредством моду-ляции потока излучения и регистрации электрического сигнала с помощью селективных усилительных систем и синхронного детектора электрических сигналов на частоте модуляции потока излучения. . . Применительно к рассматриваемой проблеме контроля в режиме in situ высокотехнологических процессов следует соблюдать соотношения между характерными временами фотоотклика τ_дет на фотоприёмнике, модуляции Т_мод потока излучения и изменения состояния t_об объекта в виде неравенств: τ_дет  Т_мод  t_об (21.4). . В частности, практика контроля в режиме in situ высокотехнологических процессов, например, литографической обработки микроэлектронных систем удовлетворялась до сих пор временами изменения состояния t_об объекта на уровне  1 10 мсек и временами фотоотклика τ_дет на фотоприёмнике на уровне  1 10 нсек. Поэтому возможности техники модуляции потока волн электромагнитного излучения с характерными времена модуляции Т_мод на уровне  1 10 мксек, что отвечает частотам модуляции f на уровне  1,0 0,1 МГц, вполне удовлетворяет требованиям (21.4) осуществления контроля в режиме in situ в реальном времени. . . Весьма интересным для высокотехнологического мониторинга представляется использование так называемого гетеродинного холоэллипсометра, принцип действия которого основан на регистрации гетеродинного сигнала. И сейчас изложил пригодный в принципе для контроля высокотехнологических процессов вариант реализации гетеродинного холо-эллипсометра. Гетеродинный холоэллипсометр, обеспечивающий реализа-цию метода гетеродинной холоэллипсометрии, может быть построен на основе использования двухчастотного гелий-неонового лазера, хорошо зарекомендовавшего себя при разработках интерферометрических датчиков перемещения различной природы и конструкции. Две необходимые частоты в двухчастотном гелий-неоновом лазере – ₁ и ₂ – получаются в результате зеемановского расщепления линий испускания активной среды оптического резонатора при помещении её в постоянное магнитное поле, магнитная индукция которого направлена вдоль оси симметрии оптического резонатора. Заметим при этом, что в случае оптически изотропной активной среды оптического резонатора и без использования обычных брюстеровских око-шек излучение такого оптического квантового генератора (ОКГ) в пределах ширины линии его испускания имеет компоненты с ортогональными левой и правой круговыми поляризациями и различными частотами ₁ и ₂, разли-чающимися на разность частот  = 1,8 МГц из-за эффекта «затягивания». Круговую поляризацию этих компонент оптического излучения со слегка различающимися частотами преобразуют в линейные ортогональные р- и s-поляризации с помощью помещаемых на их пути фазосдвигающих четверть-волновых пластинок в основном и опорном потоках излучения до их поступления на объекты в схеме симметризованного по поляризационной аппаратной функции прибора или помещаемых в исходный поток излучения до его поступления на входной светоделитель в схеме несимметризованного по поляризационной аппаратной функции прибора. Далее с выходов фотоприём-ников, используемых в системе холоэллипсометра, снимают выходные сиг-налы на нулевой частоте приёма гетеродинного сигнала: V_и1, V_и2 и V_о1, V_о2 – для определения модулей R_p и R_s комплексных амплитудных коэффициентов отражения R^_p и R^_s для основного объекта на основе использования приве-дённой выше формулы (21.2). Выходные переменные сигналы V_и1, V_и2 и V_о1, V_о2 на промежуточной частоте  = 1,8 МГц характеризуются амплитудными значениями (V_и1о, V_и2о и V_о1о, V_о2о) и фазами  _и и _о основного информационного (и) и опорного (о) каналов с основным (и) и соответственно опорным (о) объектами. Параметры переменных сигналов на промежуточной частоте измеряются с помощью фазометров, при этом ам-плитудные значения (модули) переменных сигналов на промежуточной час-тоте позволяют найти дополнительно и независимо произведение (R_p R_s) мо-дулей R_p и R_s комплексных амплитудных коэффициентов отражения R^_p и R^_s, а их фазы  _и и _о – эллипсометрические параметры  и _о для основного и соответственно дополнительного опорного объекта. В послед-нем случае при определении эллипсометрических параметров  и _о исполь-зуется компенсация фаз  _иА и _оА поляризационных аппаратных функций основного и опорного каналов прибора, причём такая компенсация обес-печивалась предварительными экспериментами и подбором фазосдвигающих пластинок на пути потоков излучения в этих каналах. В этой связи отметим, что точность определения эллипсометрического параметра  основного объ-екта определяется точностью измерения фазы электрических высокочастот-ных колебаний, а определение произведения (R_p R_s) модулей R_p и R_s комплексных амплитудных коэффициентов отражения R^_p и R^_s может быть в методе гетеродинной холоэллипсометрии мерой как,погрешностей измере-ния этих модулей R_p и R_s, так и устойчивости всего алгоритма определения в режиме in situ трёх эллипсометрических параметров (, R_p и R_s) объекта. . . С) Важной характеристикой измерительного метода служит обнаружи-тельная способность Д_и. Она понимается как та наименьшая величина обна-руживаемого параметра контролируемого объекта, который удаётся получить в реальных условиях измерений при наличии всегда присутствующего шума. . Для холоэллипсометра обнаружительная способность определяется наи-меньшими обнаруживаемыми величинами R_p и R_s модулей R_p и R_s ком-плексных амплитудных коэффициентов отражения R^*_p и R^*_s и величины  для фазового параметра  на объекте. Согласно уравнениям холоэллипcо-метрии обнаружительная способность холоэллипсометра оценивается наи-меньшей принципиально возможной погрешностью измерения этих пара-метров: . . R_p,s = (2R_p,_s/N_дин) (21.5). .  = (2sec/N_дин) ≈ (2/N_дин) (21.6).

где N_дин – динамический диапазон прибора, причём в (21.6) учтена связь в виде: [( + ^–1)/2]  (^–1)^1/2 = 1 (21.3).

. Итак, обнаружительная способность Д_и холоэллипсометров, полученная сравнением отношений амплитуд выходных сигналов согласно уравнениям холоэллипсометрии, определяется прежде всего обратной величиной динами-ческого диапазона (≈ N^–1_дин), который удаётся реализовать для холоэллипсо-метра, и, следовательно, уровнем шума V_N = <V²_N>^1/2 в самом фото-приёмнике потока света, когда уровень шума соотносится с уровнем макси-мальной интенсивности потока света на фотоприёмнике. . . Динамический диапазон N_дин в лазерных устройствах, из-за принципиаль-ных ограничений в точности измерения длины волны света, оценивают уров-нем ≈ 10⁶, так что для обнаружительной способности Д_и лазерного холо-эллипсометра как величины  для параметра , имеем: .

.   2(1/N_дин) рад  210^–6 рад  0,4 угл. сек. . . Для гетеродинного холоэллипсометра, из-за погрешности при измерении фазометрами фазы электрического сигнала на уровне ≈ 10^–6, обнаружи-тельная способность оценивается как:   210^–6 рад  0,4 угл. сек. . . Для нуль-эллипсометра имеем   2 угл.сек., эллипсометра с дискретным изменением поляризации –  6 угл.сек., так что холоэллипсометры находятся в поле достижений современной техники регистрации сверхслабых сигналов.