РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИССЛЕДУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ.
В настоящем разделе описаны экспериментальные установки и методики, позволившие выполнить комплекс экспериментальных исследований оптических характеристик выбранных модельных объектов. Особое внимание уделено оригинальным разделам, связанным с автоматизацией криогенного спектрального эллипсометра (СКЭ) [71, 72] для изучения оптических свойств поверхности в широком интервале длин волн видимого диапазона и обработкой полученных результатов. Основные результаты раздела опубликованы в работах [73-75].
Эллипсометрия - это неразрушающая методика, весьма чувствительная к незначительным изменениям показателя преломления исследуемого объекта, что делает ее пригодной для решения нашей задачи. С помощью монохроматической эллипсометрии, использующей He/Ne лазерный источник, можно измерять только толщину и показатель преломления одного прозрачного слоя. Она не дает достаточно надежных результатов при исследовании многослойных покрытий. Глубина оптического проникновения существенно зависит от параметров материала и длины волны. Спектральная эллипсометрия, которая работает с длинами волн от ультрафиолета до ближней инфракрасной области, дает возможность исследовать многослойные структуры.
Поэтому в работе был создан спектральный автоматизированный эллипсометр (СКАЭ) для изучения оптических свойств поверхностей массивных твердых тел и многослойных тонкопленочных покрытий. СКАЭ позволяет определять эллипсометрические параметры для интервала длин волн от 0.3 до 2 мкм. Помимо широкого диапазона длин волн созданная установка позволяет производить измерения при углах падения от до .
Фундаментальные спектральные эллипсометрические исследования статических процессов не критичны к параметру "быстродействия", но настолько сложны и нестандартны, что необходимость автоматической имитации ручного нулевого метода измерений не вызывает сомнений. При этом введение новых (оптико-механических) узлов не должно повлиять на точность измерений, которая в случае СКЭ, в основном, понижается окнами криостата и ахроматической пластиной-компенсатором [72]. Поэтому нами разработана и создана автоматическая система измерений поляризационных углов СКЭ, которая позволила превратить его в спектральный криогенный автоматический эллипсометр (СКАЭ).
Автоматизация СКЭ была выполнена в связи с необходимостью повышения эффективности и точности измерений. Вращая поляризатор и анализатор, компьютер осуществляет поиск положения скрещивания. Вращение выполняется двумя шаговыми двигателями с редуктором, позволяющим уменьшить минимальный угол поворота. Еще один двигатель позволяет изменять положение компенсатора. Компьютер управляет двигателями через параллельный порт и специально разработанную интерфейсную плату. Для измерения сигнала детектора используется цифровой вольтметр, который также подключен к компьютеру через специальную плату. При измерениях сигнал на детекторе - функция двух переменных (угол поворота поляризатора и анализатора), а при юстировке - трех (добавляется компенсатор). Поиск координат минимума осуществляется специально разработанной модификацией метода параболической аппроксимации.
Количественный анализ оптической анизотропии исследованных образцов был выполнен с помощью специально развитым для ряда задач методом интерференции поляризованных лучей, когда образец располагался между скрещенными поляризаторами.
2.1. Спектральный криогенный автоматизированный эллипсометр для исследования оптических характеристик твердых тел
Схема СКАЭ приведена на рис. 2.1. Основой установки является серийный эллипсометр ЛЭФ-3M-1, комплектуемый гелий-неоновым лазером. В ЛЭФ-3M-1 реализована схема PCSA, измерения осуществляются по нулевому методу. Чтобы сохранить нулевой метод измерений, кварцевый компенсатор (C) был заменен ахроматической пластинкой.
Рис. 2.1. Общая схема автоматизированной спектральной эллипсометрической установки.
Параллельный пучок, излучаемый ксеноновой дуговой лампой, проходит через двойной монохроматор типа МДР-23 с высоким разрешением. Далее, монохроматический пучок проходит поляризатор (P), ахроматическую пластинку, отражается от поверхности образца (S), проходит через анализатор (A) и попадает в синхронный детектор.
После определения положения гашения, результаты измерения (положения поляризатора и анализатора) попадают в компьютер, где происходит их пересчет в эллипсометрические параметры (и ). Измерения выполняются при различных углах падения и длинах волн. В результате получается набор пар (, ), которые поступают в компьютер на дальнейшую обработку.
Для прозрачных материалов анализ дает наилучшие результаты для данных, максимально близких к углу псевдо-Брюстера для системы подложка/пленка. Если угол для системы на несколько градусов отличается от угла псевдо-Брюстера, параметр =0 или 180? и не дает информации о пленке. Для однопленочной системы прозрачная подложка/прозрачная пленка анализ может быть сделан из данных для одного угла падения, вблизи угла псевдо-Брюстера, но результаты для многих углов нужны для локализации оптимального угла.
После проведения измерений выбирается модель исследуемой поверхности, в которой интересующие исследователя физические характеристики, такие, как комплексные показатели преломления () различных слоев образца и их толщины (), присутствуют как подгоночные параметры. После выбора модели решается обратная задача эллипсометрии. В случае однослойной модели с прозрачной пленкой нами используется оригинальная методика, подробно описанная в разделе 3. Для полученного набора параметров выполняется проверка качества аппроксимации экспериментальных данных выбранной моделью для всех углов и всего спектрального диапазона. Качество и результаты аппроксимации выдаются оператору в виде графиков и таблиц. Если результаты неудовлетворительны, оператор может запустить процедуру еще раз с другими начальными параметрами или же изменить модель ис