Способ определения комплексного показателя преломления пленочных структур на подложке

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОШЛЕКСНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР НА ПОДЛОЖКЕ, включающий измерение интенсивностей падающего J , прошедшего , отраженного со стороны пленочных структур 2 и о стороны подложки ;jp света при нормальном падении и определение параметров подложки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений для отдельных слоев многослойных ( N/ -слойных) структур на неизвестной подложке, указанные измерения проводят для образца, содержащего N слоев, и для (V-1 образцов сравнения без исследуемого слоя, содержащих соответственно 1, 2, ..., N-1 слоев при сохранении порядка расположения всех остальных слоев, параметры подложки определяют по результатам дополнительного измерения интенсивности падающего J0, прошедшего JP и отраженного j света при нормальном падении, действительную часть комплексного показателя преломления отдельных слоев определяют из соотношений ,1 2 fp4l-Z KpnR-z P R3)-Z(R-R3), lpVz)-p(R-гP Ч z2iR-«з) -. для прозрачных слоев и p().p(R-z2p%)-z2() P(.z2(R-Rj , для поглощающих слоев. ( где Z: Зо (,) для прозрачных слоев, ) 8 2 О

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU „„1107033

3(sf) G 01 N 21/41

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОткРытий ф 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,) 3

К ABTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЙНЫН ;: ) -),, 5 -Zn

„„М А1" (21) 3591397/29-25 (22) 20.05.83 (46) 07.08.84. Бюл. )) 29 (72) И.А. Текучева (71) Рязанский радиотехнический институт (53) 535.24(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 41555, кл. G 01 N 21/41, 1974.

2. Раков А.В. Спектрофотометрия тонкопленочных полупроводниковых структур. М, "Советское радио", 1975, с. 76 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР НА ПОДЛОЖКЕ, включающий измерение интенсивностей падакицего Э, прошедшего 2<, от раженного со стороны пленочных структур 32 и со стороны подложки

3 света при нормальном падении и определение параметров подложки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений для отдельных слоев многослойных (N -слойных) структур на неизвестной подложке, указанные измерения проводят для образца, содержащего N слоев, и для fV-1 образцов сравнения без исследуемого слоя, содержащих соответственно 1, 2, М -1 слоев при сохранении порядка расположения всех остальных слоев, параметры подложки определяют по результатам дополнительного измерения интенсивности падающего 3р, проН шедшего Зр и отраженного J света при нормальном падении, действительную часть комплексного показателя преломления отдельных слоев определяют из соотношений

+1W для прозрачных слоев и

P (1-z )+Р (R-z Р R )-z (R-Ц р (1-2 ). р й-z Й,).z (à -я,)

2 2. +)i g. + f4) для поглощающих слоев, Э, (1- Р,) о (1 "+ "з1 для прозрачных слоев, (1-R )

2 2 2 о (1- 1-а,(1-z l+R,z P для поглощающих слоев, ((>)<<) 3

Зр где T = — Е- — коэффициент пропускания

Эя подложки

Р=Е 2 — прозрачность подложки, 2 2

- („ 2„

Ч,=е " "- прозрачность пленки;

Я=Э / ц - коэффициент отражения от образца со стороны пленки к = — — коэффициент отражения от

1 р

300 образца со стороны подложки, 3

R =- — — коэффициент отражения от о поверхности подложки а мнимую часть показателя преломления определяют по формуле

1107033 где д„» < толщина пленки и подложки соответственно,, d> — натуральный показатель поглощения пленки и подложки соотве ственно; — длина волны излучения.

Изобретение относится к технике измерения абсолютных значений показателей преломления пленочных структур и может быть использовано в оптической промышленности, микроэлектронике, интегральной оптике, оптоэлектронике, голографии и других областях техники для бесконтактного контроля физических свойств пленочных структур на неизвестной подложке.

Известен способ определения показателя преломления и толщины прозрачной пленки путем нанесения ее на подложку и измерения пара— метров отраженного эллиптически поляризованного света фиксированной длины волны при фиксированном угле падения, в котором с целью повышения точности свободную поверхность пленки вначале помещают в среду, оптически менее плотную, а затем в среду оптически более плотную и при этом производят измерение разности фаз между перпендикулярно и параллельно поляризованными компонентами отраженного от пленки света (1 ).

Нецостатком этого способа является то, что он не обеспечивает неразрушающего метода контроля химически активных пленок, применим только к прозрачным пленкам, может быть использован в спектральной области, ограниченной пропусканием поляризующих устройств.

Наиболее близким к изобретению является способ определения действительной п и мнимой пЖ частей комплексного показателя преломления тонких поглощающих пленок на прозрачной и слабопоглощающей подложке, включающий измерение интенсивностей падающего J, прошедmего Дд и отра енного со cTopo l пленки J и со стороны подложки J света при нормальных углах падения и определение параметров подложки.

Параметры подложки (показатель преломления, толщина, и натуральный показатель поглощения) определяют

5 другим независимым способом (2 1.

Недостатком известного способа является его ограниченность ° Этот способ не может быть применен к многослойным структурам, а также к однослойным покрытиям из пленок, нанесенных йа поглощающую подложку.

С помощью этого способа невозможно получить дисперсные кривые действительной и и мнимой пЯ частей комп15 лексного показателя преломления в широком спектральном интервале для пленок, полученных в процессе технологического режима на подложках с неизвестными оптическими ха20 рактеристиками. Кроме того, известный способ не может быть применен для определения оптических характеристик отдельного слоя из многослойной структуры пленок, нанесенных на

25 неизвестную подложку.

Целью изобретения является повышение точности измерений отдельных слоев из MHopocJIQHHblx (N ñëoéíûõ) структур на неизвестной подложке

ЗО и расширение спектральной области исследований.

Цель достигается тем, что согласно способу, включающему измерение интенсивностей падающего Jo прошедшего 3 (, отраженного со стороны пленочных структур J и со стороны под-!

R ложки J света при нормальном падеР нии и определении параметров подложки, измеряют интенсивность падающеgg го J 0, прошедшего JR и отраженного со стороны пленочных структур и со стороны подложки света при нормальном падении для образца, содержащего И слоев и для N-1 образцов сравд нения без исследуемого слоя, содержащих соответственно 1, 2, ..., N-1 слоев при сохранении порядка распо1 107033 ложения всех остальных слоев, параметры подложки определяют пп результатам измерения падающего J, npozIp p шедшего J и отраженного J света для подложки при нормальном падении, действительную часть комплексного показателя преломления отдельных слоев определяют из соотношений

Р ((Z +Р (Р-Z Р К -2 (Р -К))

Р (1-Z )- P (R-Z P R ) Z (R Rz)

+1K для прозрачных слоев и

p (<-е )+Р (R-z ð R,1-z (R ×

P (1-z ). P Р-z à R,) z (R -R,)

2 2 ю + =0 для поглощающих слоев (" з1 о (" з1 для прозрачных слоев, ki-R )

3 (1-R(-а,(1-z ) R,z P

2 2 2 для поглощающих слоев, ((т .1)-R,) е т* где Т вЂ” коэффициент пропускания подложки

P — прозрачность подложки;

Z — - прозрачность пленки, R — коэффициент отражения от образца со стофэны пленки

R — коэффициент отражения от образца со стороны подложки, К вЂ” коэффициент отражения от по3 верхности подложки, а мнимую часть показателя преломпения определяют по формуле (е(,d,)z

nx= где с(, — толщина пленки;

0(, натуральный показатель поглощения пленки.

Для образца, представляющего собой систему пленка — подложка, интенсивности прошедшего ЗС1через образец, отраженного со стороны пленки J и со стороны подложки J све( та определяют по формулам

2О с11 -2с гд э =э (е-а )((-R<)(g-е )е е е; (1(-2Ы с1„

Э=э, „З, (1-R,) Д Е " ".З (g-R,) Р R }гq „

-2(„Й, -юг 2

11Е 22 (2l

-2с1 с

><=3 R + 3 ((-R ) R,Е,Ц R ) (Е R ) R

-Ы.„ „-г,д

)(Е "Е 2, (3) 10 где R„, R > и R3 — коэффициент отражения от гранин воздух-пле нка пленка-подложка и подложка — воздух соответственно.

Если пренебречь произведением коэффициентов отражения Rg R), по сравнению с R„ è R то для коэффициентов отражения R„ R получим следующие соотношения:

P R-R z P -z R -R

1 2. (4)

P (<-z ) 25

z p R-R z p -R+R

2 2е 2

R ° 3

2= P2(ZZ4il ((5) где R u R — экспериментально опре30 деляемые коэффициенты. отражения от образца со стороны пленки и со стороны подложки, = Е И P = ЕХр Е 2е"2 — ПрОЗраЧ"ее 0 ность пленки и подложки соответственно., Совместное решение уравнения (4) с формулами Френеля для прозрачных сред р> / е(-1 12

40 (1 и для поглощающих сред

2 2 2

<т1 (h-1) + tl 3с ((м1) an x

45 приводит к уравнению-для определения действительной части комплексного показателя преломления прозрач.. ных пленок

50 h -2n

2. +1© ® а в случае поглощакицих пленок к урав нению р (е-z ) Фр (R-z ð R,1-z (R -а,) р (t-z ) P (Р-е Рер,) z (à -Р,)

+)(Зс +4 0 (g) 55

1107033

45 тур, применяемых в новейших облас50 тях техники. Этот спосо" не требует специального оборудования, прост в реализации. В связи с этим позвоВНИИПИ Заказ .2749/30

Фкпмал IEG "Патежт", r, При этом для определения прозрачнос-, ти прозрачных пленок применяют формулу (1- а,) а для поглощакщих — более сложную формулу (1-R } г= 3 2 2 (11) (I-к)-а (1-z )iR z P используя метод последовательных приближений, в котором первое приближение вычисляют по формуле .(10), а все остальные - по формуле (11), обрывая вычисления в момент, когда два последующих приближения отличаются на величину погрешности измерений прозрачности образца, Необходимую для вычислений прозрачность подложки находят из соотношения в котором Т = Л /3 — коэффициент пропускания подложки;

R = J /.1, — суммарный коэффициЭ е нт о тражени я от чис той подложки .

Коэффициент отражения от границы воздух — подложка находят по формуле

Rj 3 2 . (13)

1+

Мнимую часть показателя преломления пленки ng определяют иэ данных оптической плотности о(, d „по формуле где g и d< — соответственно натуральный показатель поглощения и толщина пленки, — длина волны света.

Способ осуществляют. следующим образом.

Вначале фотоприемником регистрируют интенсивность падающего на фотоприемник (образец) пучка естественного света Jo любой длины волны из необходимого для исследований спектрального интервала. Затем на

35 пути светового пучка под прямым углом к нему помещают многослойную пленочную структуру, приготовленную на подложке с неизвестными оптическими характеристиками — показателям поглощения и преломления, обращенную свободной поверхностью пленки к пучку света и измеряют интенсивность прошедшего через образец на угол, близкий к 0, измеряют интенсивность отраженного от содержащей N слоев многослойной структуры света со стороны пленки J, затем поворачивают образец на угол 180, тем самым направляют в окно фотопри- емника отраженный от свободной поверхности подложки пучок света и измеряют интенсивность отраженного от образца со стороны подложки свеI та 3 ., затем на пути светового пучка ставят последовательно N-1 образцов сравнения, содержащих 1,2,...М-1 слоев, причем во всех образцах сравнения отсутствует исследуемый слой, для каждого образца сравнения повторяют измерения, выполненные для исследуемого образца, затем на пути светового пучка ставят чистую подложку, для которой измеряют интенсивность прошедшего через нее света J измеряют интенсивность отраженйого от нее света J" при н6р" мальном падении, а о действительной и мнимой частях комплексного показателя преломления отдельного слоя из слойкой структуры судят по соотношениям.

Применение предлагаемого способа,обеспечивает получение бесконтактным путем комплексной информации о физических свойствах каждой пленки, входящей в многослойную структуру, в том числе химически активных пленок, покрытых защитным слоем, что является важным и перспективным при создании и реализации наиболее оптимальных технологических режимов приготовления пленочных струкляет снизить затраты на исследования физических свойств сложных пленочных структур.

Тираж 823 Бодписиое

Ужгород, ул.Проектная,4