эллипсометрический датчик
Классы МПК: | G01J4/04 поляриметры с использованием электрических детекторов |
Автор(ы): | Федоринин В.Н. |
Патентообладатель(и): | Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники СО РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-03-05 публикация патента:
10.10.2000 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
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 90o относительно друг друга.Описание изобретения к патенту
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![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157035/947.gif)
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(Rs2cos2(A)+Rp2sin2(A)+RsRpsin2A cos(2P-90+
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
где F0 - величина начального потока излучения, P - азимут ориентации поляризатора, A - азимут анализатора, R5,Rp (Ts,Tp) - коэффициенты отражения [пропускания) взаимно ортогональных компонент поляризации,
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
F1=F0(0,5(Rs3+Rp3)+ RsRpcos(2P-90+
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
F2=F0(0,5(Rs3+Rp2)- RsRpcos(2P-90+
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
Система обработки обеспечивает измерение сигнала J
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157513/2157513-2t.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157513/2157513-3t.gif)
Измерение
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157034/936.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157513/2157513-4t.gif)
где J
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157034/936.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157513/2157513-5t.gif)
При установке азимута поляризатора в положение P, близкое к
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157034/936.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157348/8706.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157034/936.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157348/8706.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157034/936.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157513/2157513-6t.gif)
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 90o 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
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157513/2157513-7t.gif)
где
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157002/948.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157002/948.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157030/955.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157027/920.gif)
Линейный диапазон измерений
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157024/177.gif)
Чувствительность к изменению
![эллипсометрический датчик, патент № 2157513](/images/patents/314/2157013/916.gif)
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.
Класс G01J4/04 поляриметры с использованием электрических детекторов