Способ частотно-модуляционной эллипсометрии

 

СПОСОБ ЧАСТОТНО-МОДУЛЯЦИОННОЙ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ, при осуществлении которого направляют электромагнитное излучение с заданным состоянием поляризации на исследуемый образец, провзaи 4oдeйcтвoвaвшee с исследуемым образцом излучение разделяют на два пучка ортогональными плоскостями поляризаций и регистрируют изменение состояния поляризации провзаимодействовавшего с исследуемым образцом излучения по сравнению с направляемым на него, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, направляемое на исепедуемый образец электромагнитное излучение модулируют по частоте, в одном из пучков поворачивают плоскость йоляризации на 90 и смешивают его в балансном смесителе со вторым пучком, вьщеляют низкочастотную составляющую рездо1ьтирующего сигнала и измеряют ее параметры, по которым судят об из-sg менении в состоянии поляри3 ации.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) S(5O G 01 J 4/04

00ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA

К ABTOPCHO5hV СВИДЕТЕЛЬСТВУ с (21) 3438772/18-25 (22) 14.,05. 82 (46) 15.12.83. Бюл. Р 46 (72) B.A.Êîíeâ, H.Н.Пунько, H.Б.Любецкий и С.A.Tèõàíîâè÷ (71) Институт прикладной физики

AH БССР (53) 535 ° 511(088е8) (56) 1. "Иэв. вузов СССР. Радь оэлектроника", 1976, т. Х1Х, )) 2,,с. 7882.

2. Авторское свидетельство СССР

)) 415614, кл. G 01 R 27/26,.1972. (54)(57) СПОСОБ ЧАСТОТНО-МОДУЛЯЦИОННОЙ

ЭЛЛИПСОМЕТРИИ, при осуществлении которого направляют электромагнитное излучение с заданным состоянием поляризации на исследуемый образец, про- вэаимодействовавшее с исследуемым образцом излучение разделяют на два пучка ортогональными плоскостями поляризаций и регистрируют изменение состояния поляризации провзаимодействовавшего с исследуемым образцом излучения по сравнению с направляемым на него, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, направляемое на исследуемый образец электромагнитное излучение модулируют по частоте, в одном иэ пучков поворачивают плоскость поляризации на 90о и смешивают его в балансном смесителе co вторым пучком, выделяют низкочастотную составляющую резупьтирующего сигнала и измеряют ее параметры, по которым судят об иэ-ф менении в состоянии поляризации, 1060955

Изобретение отйосится к измерительной технике и может быть использовано н электронной и радиотехничес кой промышленностях для неразрушающе го исследования строения и определения параметров различных отражающих систем, преимущественно в сверхвысокочастотном диапазоне.

Известен способ эллипсометрии,основанный на разделении отраженной от исследуемого объекта электромагнит-, 10

Holt волны на две ортогональные составляющие, направлении их по двум каналам, вторичном делении каждой из ортогональных составляющих на две волны равной интенсивности и раэдель-15 ном измерении поляриэационных углов

B каждом измерительном канале. Отношение амплитуд ортогональных составляющих измеряется путем их детектиро. нания и подачи сигналов с детекто- 20 ров на измеритель отношения двух напряжений, а фазовый сдвиг между ними — путем одновременной подачи ортогональных составляющих волны на детектор,-выравнивания их амплитуд вращением поляриэующей проволочной решетки и измерения сдвига между ними уголковым фазовращателем, вклю ченный в одно из плеч второго измерительного канала (1) .

Недостатком данного способа является низкая точность измерений разности фаз ортогональных составляющих, так как измерение производится. непосРедственно на сверхвысокой частоте.

Наиболее близким к предлагаемому является способ частотно-модуляционной эллипсометрии, при осуществлении которого направляют- электромаг 40 нитное излучение с заданным состоянием поляризации,на исследуемой образец, пронэаимодейстнонавшее с исследуемым образцом излучение разделяют на два пучка с ортогональными плоскостями поляризации и регистрируют изменение

45 состояния поляризации пронзаимодейстновавшего с исследуемым образцом излучения по сравнению с направляемым на него (2) .

Однакб известный . способ характеризуется низкой точностью измерений.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу частотномодуляционной эллипсометрии, при осуществлении которого направляют электромаГнитное излучение с заданным состоянием поляризации на исследуемый60 .образец, провэаимодействонавшее с исследуемым образцом излучение разделяют на дна пучка .ортогональными плос- костями поляризации и регистрируют изменение состояния поляризации про 65 вэаимодействовавшего с исследуемым образцом излучения по сравнению с направляемым на него, направляемое на исследуемый образец электромагнитное излучение модулируют по частоте, в одном иэ пучков поворачивают плоскость поляризации на 90 и смешивают б. его в балансном смесителе со вторым пучком, выделяют низкочастотную составляющую результирующего сигнала и измеряют ее параметры, по которым судят об изменении B состоянии поляризации.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для осуществления способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Пучок электромагнитных волн, поляризованных определенным образом, например линейно, модулируют по частоте по периодическому закону с низкой постоянной частотой и постоян ной девиацией частоты +

Отраженную или прошедшую волну разделяют на две ортогональные составляющие с помощью поляризующей проволочной решетки, направляют их на два канала поворачивают плоскость поля1 е риэации одной из волн на 90, подают их на два входа балансного смесителя, выделяют на выходе балансного смесителя сигнал разностной частоты F u измеряют амплитуду и фазу низкочастотной составляющей результирующего сигнала, по которым судят об изменении в состоянии поляризации, происшедшем в результате взаимодействия электромагнитной волы с исследуеьым объектом. Так как поляризационные углы, которые необходимо иэмерйть и которые являются количественной мерой изменений состояния поляризации, происшедших в результате взаимодействия электромагнитной волны с исследуемым объектом, зависят от частоты падающего излучения, то модуляция падающего излучения по частоте по периодическому закону с низкой постоянной частотой приводит к относительной амплитудной и фазовой модуляции одной ортогональной сос,тавляющей относительно другой. Фазовая модуляция приводит к относи-.. тельному сдвигу частоты одной из ортогональных составляющих. В результате на выходе балансного смесителя образуется сигнал разностной частоты (биения), который выделяется детектором и параметры которого несут информацию о поляриэационных углах.

Принципиальная особенность предложенного метода заключается в том, что выделенный низкочастотный сигнал, разностной частоты несет информацию частотный сигнал с детектора посту- пает на вход измерительного блока 10, который регистрирует параметры разностного сигнала промежуточной частоты, по которым судят об изменении в состоянии поляризации,при отражении

СВЧ-волны от исследуемого образца.

Измерения по предлагаемому способу проводятся на установке, изображенной на чертеже. B процессе измерений определяются амплитуда и фаза первых шести гармоник продетектированного сигнала.

Основным преимуществом предлагаемого способа по сравнению с известным является расширение функциональных возможностей за счет исключения операции изготовления образцов спе-циальной формы. Это дает возможность измерять диэлектрическую проницаемость эрозионностойких пленочных покрытий плиток теплозащитных материалов. Осуществить такой контроль базовым способом нельзя, так как невозможно изготовить образцы цилиндрической формы диаметром 49, 95 мм из материала пленочного покрытия. Преимуществом .предлагаемого способа является также возможность одновременного определения диэлектрической проницаемости и толщины эрозионностойкоFo защитного покрытия. Все это дает возможность использовать предлагаемый способ для неразрушающего контроля эрозионностойких пленочных покрытий непрсредственно на стадии производства теплоэащитных плиток.

Экономический эффект при использовании предлагаемого способа для неразрушающего контроля неравноплотности эрозионностойкого покрытия теплоэащитных плиток составит 77,5 тыс. руб ° в год.

Эффект достигаетря за счет повышения процента выхода годных иэделий с 98 до 98,5Ú путем выявления заготовок, неравноплотность и толщина эрозионностойких покрытий которых выходят за допустимые технологические пределы, и исключения их из дальнейшего технологического цикла.

Кроме того, производительность труда повышается в 5 раз за счет того, что при измерении диэлектрической проницаемости эрозионностойкого покрытия отпадает необходимость в изготовлении специальных образцов из материала эрозионностойкого покрытия, используемых для измерения диэлектрической проницаемости по базовому способу..

3 1060955 ,только об изменениях состояния поля ризации, происшедших в результате взаимодействия с исследуемым обьектом, так как параметры эллипса поляризации падающей волны не зависят от частоты, следовательно периодическая модуляция по частотэ не приводит, к непрерывному изменению фазы одной составляющей относительно другой, а значит отсутствует фазовый сдвиг между ними и следовательно сигнал разнос.10:

1тей частоты на выходе балансного сме1 сителя °

Предлагаемое устройство, реализующее данный способ, содержит СВЧ свип-генератор 1 с блоком питания 15

2, три волноводно-лучевых перехода 3, квазиоптическую линию передачи 4 на основе полого диэлектрического луче,вода, в изгибе которого установлен исследуемый образец 5, делитель лу- 7О ча б на две ортогональные составля« ющие, волноводный тракт, содержащий . скрутку 7 на 90 и балансный смеситель 8, детектор 9 и измерительный блок 10. 35

Устройство работает следующим об-. разом.

Сигнал от СВЧ свип-генератора 1, модулированный по частоте по периодическому закону с низкой частотой

Рц и постоянной максимальной девиацией hf. относительно средней частоты 4 через волноводно-лучевой переход 3 по полому диэлектрическому лучеводу 4 поступает на исследуемыи образец 5 под углом g,,причем падаюыая волна линейно поляризована под углом 45 к плоскости падения. Отра-. женная от образца 5 волна, поляризованная в общем случае эллиптически, по диэлектрическому волноводу 4О падает на делитель б луча, выполненный на основе одномерной плоскости металлической сетки которая уста«, о новлена под углом 45 к оси луча и направляет взаимно ортогональные сос- 45 тавляющие волны в два канала. Ортогональные составляющие через волноводно-лучевые переходы 3 по полым прямоугольным металлическим волноводам попадают на два входа балансного 50 смесителя 8, причем плоскость поляризации одной из составляющих с Помощью волноводной скрутки 7 поворачивается на 90,,таким образом сигналы, поступающие на вход балансно- 55 ro смесителя, идентифицируются. Де1тектор 9, установленный на выходе балансного смесителя, выделяет низкочастотную составляющую сигнала, равную промежуточной частоте. Низко- 6О

Составитель В. Котенев

Редактор В.Ковтун Техред С.Легеэа . Корректор А.Повх

Закаэ 10027/42 Тирам 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113034, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4