Спектрополяриметр
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к оптико-электронным поляризационным устройствам, предназначенным для анализа состава и строения вещества, и может быть использовано в оптической технологии, аналитической химии, микроэлектронике, пищевой и микробиологической промышленности. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет проведения эллипсометрических измерений при увеличении точности измерений. Излучение источника 1 света через монохроматор 3 направляют на поляризатор 7 в виде двухлучевой призмы. Поляриметрический тракт содержит кювету 10 с образцом, вращающийся анализатор 11 в виде двухлучевой призмы и выходную маску с отверстиями 13 и 14. Излучение, прошедшее центральное отверстие 13, по волоконному световоду 23 направляют на фотоприемник 24. Излучение, прошедшее отверстие 14, сканирует по кольцевой поверхности торца световода 26, который направляет его на фотоприемник 25. При проведении эллипсометрических измерений используют отражатель 8 и оптический вращатель 9 плоскости поляризации. Излучение с выхода вращателя 9 отражается поверхностью 38 образца и попадает на вращающийся анализатор 11. Угловое положение вращающегося анализатора 11 непрерывно определяют с помощью кольцевого лазера 16. При вращении лазера 16 фотоприемники, воспринимая излучение, выходящее из блока совмещения встречных пучков лазера, вырабатывают сигналы, ненесущие информацию о величине и направлении угловой скорости вращения анализатора 11. Эта информация считывается с помощью электронно-вычислительного блока 36. В блок 36 поступают опорные импульсы, вырабатываемые датчиком опорного направления, содержащим зеркала 27 и 28 и фотоэлектрический автоколлиматор со светоделителем 32 и фотоприемником 33. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к оптико-электронным поляризационным устройствам, предназначенным для анализа состава и строения веществ, и может быть использовано в оптической технологии, аналитической химии, микроэлектронике, пищевой и микробиологической промышленности. Цель изобретения расширение функциональных возможностей прибора за счет проведения эллипсометрических измерений при увеличении точности измерения. На фиг. 1 представлена структурная схема спектрополяриметра; на фиг. 2 - схема датчика опорного направления; на фиг. 3 схема эллипсометрического тракта прибора; на фиг. 4, 5, 6 и 7 показаны варианты конструктивного исполнения светового коллектора вращающегося анализатора; на фиг. 8 вариант конструктивного исполнения датчика опорного направления с широко-апертурной поляризационной призмой. Спектрополяриметр содержит источник 1 излучения, линзовый конденсор 2, монохроматор 3, линзу 4, квадратный фотоприемник 5 следящей корректирующей системы с точечной диафрагмой в центре, объектив 6 осветителя, поляризатор 7, плоский отражатель 8, оптический вращатель 9 плоскости поляризации излучения, кювету 10, вращающийся анализатор 11, состоящий из монокристаллической пластинки одноосного кристалла, на входную грань которой напылена зеркальная круглая диафрагма 12, симметрично расположенная по отношению к оси вращения, а на выходную грань нанесена непрозрачная маска, имеющая отверстие 13, соосное с диафрагмой 12, и отверстие 14, согласованное с необыкновенным лучом, проходящим через центр входной диафрагмы. Анализатор 11 имеет вращающуюся оправу 15, на которой закреплены моноблок кольцевого лазера 16 с блоком совмещения встречных лучей лазера 17 и фотоприемники 18, 19, выходы которых и питание лазера подсоединены к вращающемуся коллектору 20, выполненному в виде кольцевого контакта или трансформатора с броневым сердечником, вращающимися и неподвижными обмотками. На оправе 15 закреплен ротор 21 электродвигателя, а статор 22 на корпусе прибора. Предлагаемое устройство состоит также из волоконного жгута 23, фотоприемников 24 и 25, кольцевого волоконного световода 26, входной торец которого расположен концентрично относительно торца жгута 23. Датчик опорного направления содержит неподвижное зеркало 27, соединенное с корпусом прибора, вращающееся зеркало 28, напыленное на боковую грань моноблока кольцевого лазера, а также автоколлиматор, состоящий из объектива 29, точечной диафрагмы 30, окуляра 31, поляризационного светоделителя 32 в виде двухлучевой поляризационной призмы или интерференционного поляризатора, фотоприемника 33 и осветителя, состоящего из линзы 34 и волоконного световода 35. Фотоприемники 24, 25, 33 подключены соответственно на входы электронного вычислительного блока 36, обрабатывающего измерительную информацию, а фотоприемники кольцевого лазера 18, 19 соединены с блоком 36 через коллектор 20. Электронный блок 36 отражает результаты измерений на табло 37. Для автоматической юстировки углового положения поляриметрической кюветы 10 или эллипсометрического образца 38 предусмотрена оптико-электронная следящая система, содержащая квадратный фотоприемник 5 с точечной диафрагмой в точке пересечения его четырех чувствительных площадок 39, дифференциальный четырехканальный усилитель 40, магнитострикционный или пьезометрический привод 41, через толкатели-щупы 42 изменяющий угловое положение кюветы 10 или образца 38. На передней поверхности окна кюветы 10 напылена зеркальная диафрагма 43, обеспечивающая работу угловой следящей системы при поляриметрических измерениях. Спектрополяриметр работает следующим образом. Световое излучение источника 1 света собирается конденсатором 2 на входной щели монохроматора 3 и после прохождения монохроматора концентрируется линзой 4 в плоскости точечной диафрагмы в центре фотоприемника 5. Излучение, прошедшее точечную диафрагму, коллимируется объективом 6 в параллельный пучок и направляется на поляризатор 7, разделяющий излучение на два пучка равной интенсивности, но ортогонально поляризованные. В поляриметрический тракт прибора излучение поступает с бокового выхода поляризатора 7, проходит через поляриметрическую кювету 10 с исследуемым раствором, вращающим плоскость поляризации проходящего света, на зеркальную входную диафрагму 12 вращающегося анализатора 11, в котором излучение разделяется на два ортогонально поляризованных световых потока, выходящих параллельно из кристалла и проходящих через отверстия 13 и 14 выходной маски анализатора 11. Излучение, прошедшее через центральное отверстие 13, не меняет своего пространственного положения при вращении анализатора 11 и по волоконному световоду направляется на фотоприемник 24. Световой поток, прошедший через боковое отверстие 14 выходной маски, при вращении анализатора 11 сканирует в пространстве по кольцевой поверхности торца световода 26, коаксиально расположенной по отношению к оси вращения, и концентрируется световодом 26 на фотоприемник 25. Подобная конструкция поляризационного вращающегося анализатора обеспечивает одновременное измерение интенсивности ортогонально поляризованных компонент принимаемого излучения и позволяет тем самым компенсировать в электронном блоке 36 влияние флуктуаций интенсивности источника 1 и изотропного поглощения растворов в кювете 10 на точность измерения положения плоскости поляризации анализируемого излучения. Использование волоконных световодов значительно снижает также влияние поляризационной чувствительности фотоприемников 24 и 25 на точность измерений. Различные варианты конструктивного построения световодов показаны на фиг. 4. При проведении эллипсометрических измерений используется световой поток, прошедший через торцовый выход поляризатора 7 и ортогонально поляризованный по отношению к потоку, поступающему из поляризатора 7 в поляриметрический канал. Световой поток с торцового выхода поляризатора 7 отражателем 8, плоскость отражения которого совпадает с плоскостью поляризации падающего излучения, направляется в оптический вращатель 9 плоскости поляризации, поворачивающий плоскость поляризации излучения на дополнительный угол, соответствующий оптимальным условиям проведения эллипсометрических измерений. При этом вращатель 9 либо ахроматизован путем изготовления его сердечника из пластин с различной дисперсной оптической активностью или двулучепреломления, либо влияние дисперсии угла вращения в данном вращателе учитывается программно в ЭВБ 36. Излучение, вышедшее из вращателя 9, отражается исследуемой поверхностью образца 38 и воспринимается вращающимся анализатором 11, разделяющим и регистрирующим световой поток, как при работе в поляриметрическом тракте. Коммутация потоков поляриметрического и эллипсометрического каналов производится непрозрачными боковыми стенками кюветы 10, а также нерабочей поверхностью образца 38. Для ускорения процесса измерений и повышения точности ориентации образцов в измерительном тракте, значительно влияющей на точность поляризационных измерений, в приборе предусмотрена следящая оптико-электронная система, использующая автоколлимационное отражение краевой части рабочих потоков от зеркальной диафрагмы 12 при измерениях в эллипсометрическом тракте, и от зеркальной диафрагмы 43 при работе поляриметрического тракта. Если кювета 10 и образец 38 имеют неправильную пространственную ориентацию, то автоколлимационный блик коллимируется объективом 6 на чувствительные площадки 39 квадрантного фотоприемника 5, включенные по мостовой балансной схеме через четырехканальный дифференциальный усилитель 40 на управляющие входы электромеханического следящего привода 41, который по возникающему сигналу разбаланса, перемещая толкатель 42, упирающийся в кювету 10 или образец 38, корректирует их угловую ориентацию до исчезновения сигнала разбаланса. Угловое положение вращающегося анализатора 11 непрерывно определяется с помощью кольцевого лазера 16, жестко закрепленного на его оправе. При вращении лазера 16 фотоприемники 18, 19, воспринимая излучение, выходящее из блока совмещения встречных лучей лазера 17, вырабатывают сигналы, несущие информацию о величине и направлении угловой скорости вращения анализатора 11. Интегрируя эти сигналы во времени, электронный вычислительный блок 36 непрерывно определяет угловое положение анализатора 11. Информация об ориентации анализатора считывается блоком 36 в момент равенства сигналов, поступающих с фотоприемников 24 и 25, и в моменты минимизации любого из сигналов, поступающих с этих двух фотоприемников. Это позволяет повысить достоверность и скорость поляризационных измерений на данном приборе. Для учета дрейфа нуля лазера 16 в блок 36 поступают опорные импульсы, вырабатываемые датчиком опорного направления (ДОН) в моменты строго определенного углового положения вращающихся лазера 16 и анализатора 11 относительно корпуса прибора. В этот момент зеркало 28 ориентировано относительно неподвижного зеркала 27 таким образом, что в результате многократного отражения из системы зеркал 27 и 28 выходит автоколлимационный блик, причем излучение в систему зеркал поступает от источника 1 излучения, через волоконный световод 35, коллимирующую линзу 34, светоделитель 32, окуляр 31, точечную диафрагму 30 и объектив 29. В результате наклонного многократного отражения от зеркал 27 и 28 изменяется состояние поляризации автоколлимационного блока относительно состояния поляризации падающего света, и отраженное излучение отклоняется поляризационным светоделителем 32 на фотоприемник 33. Для обеспечения работы предложенного датчика главная плоскость поляризационного светоделителя 32 развернута вокруг оси автоколлиматора относительно плоскости падения зеркал 27, 28 на угол, позволяющий получить максимальный световой поток на фотоприемнике 33. Зависимость разности фаз ортогонально поляризованных компонент многократно отраженного излучения от ориентации зеркала 27 позволяет еще более увеличить точность работы датчика опорного направления. На фиг. 1 и 2 показан вариант оптической схемы ДОН с интерференционным поляризационным светоделителем, вариант схемы ДОН при использовании в качестве светоделителя широкоапертурной поляризационной призмы типа Глана-Томсона показан на фиг. 8. Измеряя величину временной задержки между сигналами, поступающими с фотоприемников 33, 24 и 25, с учетом информации, поступающей с фотоприемников 18, 19 кольцевого лазера, электронный вычислительный блок 36 определяет величину угла разворота плоскости поляризации излучения на входе в анализатор 11 и отражает результаты измерений на табло 37. По окончании цикла поляризационных измерений на одной длине волны блок 36 вырабатывает сигналы, перестраивающие монохроматор 3 на другую измерительную длину волны излучения. Благодаря совместной работе поляриметрического и эллипсометрического каналов прибора расширяются его функциональные возможности при исследовании состава и структуры многокомпонентных и многослойных сред и образцов в микроэлектронике, аналитической химии, электрохимии, микробиологии. Одновременное исследование многослойных прозрачных структур в проходящем и отраженном свете, осуществимое данным прибором, позволяет увеличить информативность проводимых поляризационных измерений, повысить надежность идентификации их структурных параметров с применением сложных эллипсометрических моделей, что особенно важно для исследований в области микроэлектроники, химии жидких кристаллов. При этом существенно сокращается необходимый объем парка аппаратуры, используемой в лабораториях, особенно производственных, увеличивается коэффициент использования прибора, уменьшается соответственно площадь производственных помещений, занимаемая измерительной аппаратурой. Изобретение позволяет увеличить точность поляризационных измерений в 3 - 5 раз.
Формула изобретения
1. Спектрополяриметр, содержащий последовательно установленные и оптически связанные источник излучения, монохроматор, поляризатор, кювету, анализатор и фотоприемник, а также датчик опорного направления, соединенный с анализатором, который установлен с возможностью вращения вокруг оси оптической системы, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет проведения эллипсометрических измерений при повышении точности спектрополяриметрических измерений, он дополнительно содержит эллипсометрический канал, кольцевой лазер, жестко связанный с анализатором, блок совмещения встречных лучей лазера, на выходе которого установлены фотоприемники счета полос, второй фотоприемник, электронный вычислитель с аналоговыми, опорным и счетными входами и волоконные жгуты, причем поляризатор выполнен в виде поляризационного светоделителя, на одном из выходов которого установлен эллипсометрический канал, содержащий последовательно установленные и оптические связанные плоский отражатель, оптический вращатель плоскости поляризации и боковое окно кюветы, кольцевой лазер расположен таким образом, что продольная ось симметрии контура лазера совпадает с осью вращения анализатора, при этом выход лазера оптически связан с блоком совмещения встречных лучей лазера, анализатор выполнен в виде поляризационного светоделителя, в каждый из его ортогонально поляризованных выходов оптически связан через коаксиально расположенные волоконные жгуты с соответствующим фотоприемником, фотоприемники подключены к аналоговым входам электронного вычислителя, фотоприемники счета полос подключены к счетным входам электронного вычислителя, к опорному входу которого подключен датчик опорного направления. 2. Спектрополяриметр по п.1, отличающийся тем, что датчик опорного направления содержит оптически связанные систему двух зеркал, образующих двугранный угол, ребро которого параллельно оси вращения анализатора, и фотоэлектрический автоколлиматор со светоделителем и фотоприемником, причем светоделитель выполнен в виде поляризационной двухлучевой призмы, а фотоприемник подключен к опорному входу электронного вычислителя, при этом одно зеркало жестко связано с корпусом спектрополяриметра, а другое зеркало жестко связано с анализатором.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000
Извещение опубликовано: 27.12.2000
