Эллипсометрический датчик

 

Изобретение относится к области исследования химических и физических свойств поверхности и может быть использовано для измерения физических постоянных и параметров материалов. Эллипсометрический датчик содержит источник излучения, поляризатор, компенсатор, исследуемый объект. Падающее на поляризатор излучение разделяется по фронту световой волны на два пучка. Отраженные или прошедшие исследуемый объект пучки регистрируются двумя фотоприемниками. Перед фотоприемниками установлены два анализатора. Плоскости поляризации анализаторов развернуты на 90° относительно друг друга. Конструкция датчика позволяет уменьшить оптическую длину, применить пленочные поляризаторы и обеспечивает высокую чувствительность измерений. 3 ил.

Изобретение относится к области исследования химических и физических свойств поверхности и может быть использовано для измерения физических постоянных и параметров материала и тонких пленок.

Известна схема эллипсометра, содержащая источник когерентного излучения, поляризатор, четвертьволновую пластинку, исследуемый объект, анализатор, фотоприемное устройство [Горшков М. М. Эллипсометрия. М., 1974. С. 199]. Принцип измерения основан на нулевом методе. Состояние поляризации излучения измеряется путем определения азимутов ориентации поляризатора и анализатора в момент, когда на выходе фотоприемного устройства наблюдается минимальный сигнал. Основной недостаток данной схемы состоит в том, что высокая чувствительность измерений может быть обеспечена в случае применения поляризационных элементов с высокой степенью поляризации, высокой мощностью источника когерентного излучения.

Прототипом изобретения служит схема спектроэллипсометра [Рыхлицкий C.B. и др. авт. св. N 1495648 от 22.03.1989], содержащая источник излучения, поляризатор, исследуемый объект, компенсатор, анализирующий блок. Анализирующий блок состоит из двоякопреломляющей призмы, разделяющей по амплитуде световую волну на два пучка со взаимно ортогональной поляризацией, механического модулятора, обеспечивающего модуляцию пучков в противофазе, системы линз, фокусирующих излучение на площадку фотоприемника. Применение данной схемы регистрации обеспечивает высокую чувствительность измерений при низких значениях мощности потока излучения, а также позволяет работать с объектами, имеющими низкую степень поляризации без заметного снижения чувствительности. Недостатком данной конструкции эллипсометра является применение в конструкции анализирующего устройства, системы линз, модулятора, двоякопреломляющей призмы. Использование этих узлов позволяет реализовать данное схемное решение только в виде стационарного прибора, характеризующегося значительными габаритами и энергопотреблением.

Целью изобретения являются снижение энергопотребления и массогабаритных характеристик устройства.

Указанная цель достигается тем, что в изобретении излучение, падающее на вход поляризационной части устройства фиг 1а, фиг 1б, состоящего из источника излучения 1 поляризатора 2, компенсатора 3, пространственно разделено по фронту световой волны на два пучка равной интенсивности, падающих под углом Q к исследуемой поверхности 4, но в различных плоскостях, разнесенных в пространстве на определенный угол γ. Излучение, отраженное от объекта или прошедшее через него, регистрируется с помощью двух фотоприемников 7,8, перед которыми установлены два анализатора 5,6 со взаимно ортогональной ориентацией плоскости поляризации. Применение в предлагаемом изобретении схемы измерения с пространственно разнесенными каналами по фронту световой волны позволяет применить в системе пленочные поляризационные элементы типа поляроидных пленок, уменьшить оптическую длину и в качестве излучателя применить источник с низким энергопотреблением типа светодиода без предварительной каллимации.

Автору неизвестны конструкции эллипсометров, обладающие признаками сходными с признаками, отличающими предлагаемую конструкцию от прототипа, поэтому данная конструкция эллипсометра обладает существенным отличием.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами: фиг.1а - схема эллипсометрического датчика на отражение; фиг.1б - схема эллипсометрического датчика на пропускание; фиг. 2 - пример конкретного исполнения эллипсометрического датчика для измерения давления.

Работа устройства состоит в следующем: известно что величина потока F, падающего на фотоприемники, связана с положением азимутов ориентации элементов схемы соотношением (1) [Оптика и спектроскопия, т. 50, вып. 5, 1991, с. 1169-1176.] F=F₀(R_s²cos²(A)+R_p²sin²(A)+R_sR_psin2A cos(2P-90+ Δ)), (1) где F₀ - величина начального потока излучения, P - азимут ориентации поляризатора, A - азимут анализатора, R₅,R_p (T_s,T_p) - коэффициенты отражения [пропускания) взаимно ортогональных компонент поляризации, Δ - разность фаз между поляризационными компонентами, вносимая измеряемым объектом.

Измерение Δ производится при исходной ориентации анализаторов A₁ = 45^o, A₂ = 135^o, соответственно в первом и втором каналах, компенсатора C = 45^o. Соотношение (1) приобретает вид F₁=F₀(0,5(R_s³+R_p³)+ R_sR_pcos(2P-90+ Δ₁ )); F₂=F₀(0,5(R_s³+R_p²)- R_sR_pcos(2P-90+ Δ₂ )). (2) Система обработки обеспечивает измерение сигнала J_Δ где полагая, что в пределах измеряемой площади S₁, S₂ параметры объекта Δ₁,Δ₂ по каналам равны или незначительно отличаются друг от друга, соотношение (3) примет вид

Измерение Ψ проводится при ориентации анализаторов A₁=0^o, A₂=90^o соответственно по каналам и C = 0. Соотношение (3) примет вид

где J_Ψ измеряемый сигнал.

При установке азимута поляризатора в положение P, близкое к Ψ. изменение сигнала ∂J_Ψ связано с изменением ∂_Ψ соотношением (6)

Сопоставительный анализ с прототипом, где излучение, отраженное от исследуемого объекта, направляется на поляризационную призму и после прохождения ее делится по амплитуде световой волны на два пучка со взаимно ортогональной поляризацией, отличается тем, что в заявленном устройстве деление излучения происходит по фронту падающей волны до падения его на исследуемую поверхность и регистрируется с помощью двух фотоприемников, перед которыми установлены анализаторы с азимутами поляризаций, развернутыми на 90^o относительно друг друга, показывает, что такое схемное решения позволяет использовать в качестве поляризатора и анализатора пленочные элементы типа поляроидных пленок и тем самым уменьшить оптический путь и габариты устройства, применить источники излучения с низким энергопотреблением. На фиг.2 приведена конкретная схема исполнения эллипсометрического датчика, предназначенного для измерения величины давления. Принцип работы устройства основан на фотоупругом эффекте кварцевой пластины, в которой под действием приложенной нагрузки возникает двулучепреломление, характеризующееся величиной Δ. Соотношение между величиной нагрузки и значением Δ определяется выражением

где δ_x,δ_y - - величина нагрузки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, λ - длина волны излучения, Θ - постоянная материала.

Использование данного схемного решения в конструкции эллипсометрического датчика позволило получить следующие технические характеристики:
Линейный диапазон измерений Δ - ±10^o
Чувствительность к изменению Δ - 0,005^o
Масса датчика - 40 г
Габариты оптического блока - 10 х 30 мм
Энергопотребление датчика - 20 мВт
Литература
1. Горшков М.М. Эллипсометрия. М., 1974, с.199.

2. Рыхлицкий C.B. и др., авт. св. N 1495648 от 22.03.1989.

3. Оптика и спектроскопия, т. 50, вып. 5, 1991, с. 1169-1176.

Формула изобретения

Эллипсометрический датчик, содержащий источник излучения, поляризатор, компенсатор, исследуемый объект, фотоприемник, отличающийся тем, что излучение, прошедшее или отраженное от исследуемого объекта, разделено на два пучка, регистрируемых двумя фотоприемниками, перед которыми установлены два анализатора, плоскости поляризации которых развернуты на 90^o относительно друг друга.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3