Устройство для получения спектров поглощения тонких слоев в терагерцовой области спектра

Изобретение относится к бесконтактным исследованиям поверхности металлов и полупроводников оптическими методами. Устройство содержит плавно перестраиваемый по частоте источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью и исследуемым слоем на ней, элемент преобразования объемного излучения (ОИ) в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ) и обратно, фотоприемное устройство, преобразующее ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений. Элемент преобразования ОИ в ПЭВ и обратно выполнен как одно целое в виде прозрачной плоскопараллельной пластины со скошенным торцом. Пластина своей гранью, обращенной к образцу, расположена в поле ПЭВ параллельно поверхности образца на расстоянии от нее не меньше 10λ, где λ - длина волны излучения в вакууме, и имеет длину вдоль трека ПЭВ не менее длины распространения ПЭВ. Фотоприемное устройство выполнено в виде линейки фотодетекторов и размещено на верхней грани пластины. Техническим результатом является сокращение времени измерений и создание возможности для согласования длины распространения ПЭВ с размером поверхности образца. 2 ил.

 

Изобретение относится к бесконтактным исследованиям поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно - к определению спектров поглощения как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем измерения длины распространения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых этой поверхностью, в терагерцовой области спектра и может найти применение в исследованиях физико-химических процессов на поверхности твердого тела, в инфракрасной (ИК) спектроскопии окисных и адсорбированных слоев, в контрольно-измерительной технике нанотехнологий микроэлектроники, лазерной и интегральной оптики.

Оптическая спектроскопия поверхности твердого тела - одна из основных областей применения ПЭВ [1, 2]. Различают два основных метода выполнения ПЭВ-спектроскопии: абсорбционный [3] и фазовый [4].

Метод фазовой ПЭВ-спектроскопии используют, в основном, в видимом и ближнем ИК диапазонах, в которых длина распространения ПЭВ L не превышает 100λ (где λ - длина волны излучения, возбуждающего ПЭВ, в вакууме) и непосредственное измерение L, а тем более его изменений в процессе формирования слоя, затруднительно; поэтому в этом случае измеряемой характеристикой является фазовая скорость ПЭВ, характеризуемая действительной частью их показателя преломления κ'. Впрочем, были выполнены эксперименты по применению фазовой ПЭВ-спектроскопии и в дальнем ИК диапазоне [2, 5], но в связи с малым отличием κ' от показателя преломления окружающей среды (которой обычно является воздух) точность метода оказалась низкой, что в настоящее время не позволяет использовать его для количественных измерений.

Метод абсорбционной ПЭВ-спектроскопии используют, в основном, в средней и дальней областях ИК диапазона (область с λ от 30 до 300 мкм получила название терагерцовой области (ТГц) спектра), где величина L составляет не менее 1000λ и может быть непосредственно измерена. Причем, так как расстояние взаимодействия излучения с переходным слоем поверхности при этом также многократно возрастает (по сравнению с отражательными методами изучения поверхности), то чувствительность абсорбционной ПЭВ-спектроскопии соответственно намного выше чувствительности иных оптических методов контроля поверхности в ИК диапазоне.

Известно устройство для исследования тонких слоев на поверхности твердого тела методом абсорбционной ПЭВ-спектроскопии в средней области ИК диапазона, содержащее дискретно перестраиваемый по частоте источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью и исследуемым слоем на ней, фиксированный относительно поверхности элемент преобразования объемного излучения (ОИ) в ПЭВ, перемещаемый вдоль трека ПЭВ элемент преобразования ПЭВ в ОИ, фотодетектор, преобразующий ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений [6]. Основными недостатками такого ПЭВ-спектрометра являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью перемещения элемента преобразования (ПЭВ в ОИ) в процессе измерений; 2) дискретность перестройки частоты излучения источника.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является абсорбционный ПЭВ-спектрометр ТГц диапазона, содержащий плавно перестраиваемый по частоте источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью и исследуемым слоем на ней, элемент преобразования ОИ в ПЭВ в виде непрозрачного экрана, перемещаемого над поверхностью, ограниченную в направлении распространения ПЭВ ребром образца, обеспечивающим трансформацию ПЭВ в ОИ, фотоприемное устройство, преобразующее ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений [7]. Основными недостатками известного устройства являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью перемещения элемента преобразования (ОИ в ПЭВ) в процессе измерений; 2) невозможность осуществления выбора величины L, сравнимой с размером исследуемой поверхности.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является сокращение времени измерений и создание возможности для согласования длины распространения ПЭВ с размером поверхности образца.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для исследования тонких слоев в терагерцовой области спектра, содержащем плавно перестраиваемый по частоте источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью и исследуемым слоем на ней, элемент преобразования объемного излучения (ОИ) в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ) и обратно, фотоприемное устройство, преобразующее ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений, элемент преобразования ОИ в ПЭВ и обратно выполнен как одно целое в виде прозрачной плоскопараллельной пластины со скошенным торцом, причем пластина своей гранью, обращенной к образцу, расположена в поле ПЭВ параллельно поверхности образца на расстоянии от нее не меньше 10λ, где λ - длина волны излучения в вакууме, и имеет длину вдоль трека ПЭВ не менее длины распространения ПЭВ, а фотоприемное устройство выполнено в виде линейки фотодетекторов и размещено на верхней грани пластины.

Сокращение времени измерений с минут до долей секунды в предлагаемом устройстве достигается за счет одновременности регистрации интенсивности ПЭВ как минимум в двух точках ее трека.

Согласование длины распространения ПЭВ с размером поверхности образца достигается путем выбора необходимой величины коэффициента затухания ПЭВ при изменении расстояния h между пластиной и поверхностью образца.

Введение условия h>10λ обусловлено с одной стороны необходимостью обеспечения бесконтактности измерений, с другой стороны - необходимостью ограничения радиационных потерь ПЭВ.

На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства, где 1 - перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, 2 - скошенный торец элемента преобразования объемного излучения в ПЭВ и обратно, 3 - элемент преобразования, выполненный в виде прозрачной плоскопараллельной пластины размером больше длины распространения ПЭВ и имеющей скошенный торец 2, 4 - однородный зазор толщиной h>10λ, заполненный веществом окружающей среды и отделяющий поверхность образца 5 от нижней грани элемента 3, 5 - твердотельный образец, имеющий плоскую поверхность, 6 - исследуемый слой на поверхности образца, 7 - фотоприемное устройство, 8 - блок обработки результатов измерений.

На фиг.2 приведены расчетные зависимости длины распространения ПЭВ L от λ, в отсутствии исследуемого слоя (кривая 1) и при его наличии на поверхности образца (кривая 2), полученные ниже при рассмотрении примера применения заявляемого устройства для измерения спектра поглощения слоя двуокиси кремния (SiO₂) толщиной 10 нм на поверхности напыленного алюминия в диапазоне λ от 62,0 до 75,5 мкм.

Спектрометр работает следующим образом. Излучение источника 1 с длиной волны λ направляют на скошенный торец 2 пластины 3. Проникнув в пластину, излучение падает на ее нижнюю грань под углом ϕ, удовлетворяющим равенству n_пр·sin(ϕ)=κ'. Претерпевая явление полного внутреннего отражения на границе раздела "материал призмы - окружающая среда", излучение, экспоненциально затухая по интенсивности, проникает в зазор 4 и, достигая поверхности образца 5, возбуждает на ней ПЭВ. Поскольку поле ПЭВ переносится в четырех элементах устройства (образце 5, слое 6, зазоре 4 и пластине 3), то затухание ПЭВ определяется свойствами и взаимным расположением всех этих элементов, в том числе - и характеристиками слоя 6. Так как оптическая связь между ПЭВ и пластиной 3 неизменна вдоль всего трека поверхностной волны, то ПЭВ наряду с тепловыми потерями в металле имеет постоянные радиационные потери, величина которых зависит от размера h зазора 4 и может быть оценена по формуле (16) работы [8]. Интенсивность излученной в пластину 3 объемной волны пропорциональна интенсивности поля ПЭВ в данной точке трека. Излученные из различных точек трека под углом ϕ объемные волны падают на элементы фотоприемного устройства 7 и порождают в них ток соответствующей величины. Электрические сигналы со всех элементов устройства 7 одновременно поступают в блок обработки результатов измерений 8. По совокупности сигналов блок 8, используя известную методику [7], рассчитывает величину L при данной λ. Затем осуществляют перестройку частоты источника 1 и производят измерение L при новой λ. Выполнив с некоторым шагом по λ аналогичные измерения во всем выбранном диапазоне частот, получают спектральную зависимость L(λ). Вычтя зависимость L(λ), полученную при наличии на поверхности слоя 6 толщиной d, из зависимости L_o(λ), полученной в отсутствии слоя 6, получают спектр поглощения слоя 6 на поверхности образца 5.

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность измерения с его помощью спектра поглощения слоя двуокиси кремния (SiO₂) толщиной d=10 нм на поверхности напыленного алюминия в диапазоне λ, от 62,0 до 75,5 мкм. Материалом для пластины 3, преобразующей ОИ в ПЭВ и обратно, выберем полиэтилен с показателем преломления n_пр=1,52 и показателем поглощения k_пр=10^-3 во всем рассматриваемом диапазоне λ [9]. Окружающая среда - воздух. Оптические постоянные алюминия и SiO₂ взяты из [10].

Величину зазора h выберем равной 10 мм, что обеспечивает уменьшение длины распространения ПЭВ по чистой поверхности алюминия при λ=62,0 мкм примерно в 20 раз (с 3646 мм до 186 мм), а при λ=75,5 мкм - примерно в 60 раз (с 5738 мм до 97,5 мм). Поэтому размер поверхности образца и пластины 2 можно выбрать равным 20 сантиметрам.

Расчетные зависимости L(λ) в отсутствии слоя SiO₂ (кривая 1) и при его наличии на поверхности образца (кривая 2) приведены на Фиг.2. Искомый же спектр поглощения слоя SiO₂ на алюминиевой поверхности представляет собой кривую ΔL(λ), где ΔL=L_o-L_d (L_o - величина L при d=0; L_d - величина L при d=10 нм).

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство позволяет сократить время измерений и согласовать длину распространения ПЭВ с размером поверхности образца.

Источники информации

1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса. - М.: Наука, 1985, - 525 с.

2. Zhizhin G.N., Yakovlev V.A. Broad-band spectroscopy of surface electromagnetic waves // Physics Reports. - 1990. - v.194. - No.5/6. - p.281-289.

3. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Селективное поглощение ПЭВ, распространяющейся по металлу в присутствии тонкой диэлектрической пленки // Письма в ЖЭТФ. - 1976. - т.24. - Вып.4, - с.221-225.

4. Никитин А.К., Тищенко А.А. Фазовая ПЭВ-микроскопия // Письма в ЖТФ. - 1991. - т.17. - Вып.11, - с.76-79.

5. Воронов С.А., Жижин Г.Н., Киселев С.А., Кузик Л.А., Яковлев В.А. Фазовая спектроскопия поверхностных электромагнитных волн // Компьютерная оптика. - 1989. - № 4, - с.66-71.

6. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям // Гл.3 в [1], - с.70-104.

7. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Богомолов Г.Д., Завьялов В.В., Джонг Юнг Ук, Ли Банг Чол, Сеонг Хи Пак, Хек Джин Ча. Поглощение поверхностных плазмонов терагерцового диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух" // Оптика и спектроскопия. - 2006. - Т.100. - № 5, - с.798-802 (прототип).

8. Otto A. Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection // Zeitschrift für Physic. - 1968. - Bd.216, - s.398-410.

9. Liang C.Y., Krimm S. and Sutherland G. B. Infrared Spectra of High Polymers // Journal of Chemical Physics, 1956, - v.25. - No.3, - p.543-548.

10.Handbook of optical constants of solids. Ed. by E.D. Palik. Academic Press, San Diego, USA, 1998, - 804 p.

Устройство для исследования тонких слоев в терагерцовой области спектра, содержащее плавно перестраиваемый по частоте источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью и исследуемым слоем на ней, элемент преобразования объемного излучения (ОИ) в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ) и обратно, фотоприемное устройство, преобразующее ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений, отличающееся тем, что элемент преобразования ОИ в ПЭВ и обратно выполнен как одно целое в виде прозрачной плоскопараллельной пластины со скошенным торцом, причем пластина своей гранью, обращенной к образцу, расположена в поле ПЭВ параллельно поверхности образца на расстоянии от нее не меньше 10λ, где λ - длина волны излучения в вакууме, и имеет длину вдоль трека ПЭВ не менее длины распространения ПЭВ, а фотоприемное устройство выполнено в виде линейки фотодетекторов и размещено на верхней грани пластины.