RU2157513C1 - Эллипсометрический датчик - Google Patents
Эллипсометрический датчик Download PDFInfo
- Publication number
- RU2157513C1 RU2157513C1 RU99104550A RU99104550A RU2157513C1 RU 2157513 C1 RU2157513 C1 RU 2157513C1 RU 99104550 A RU99104550 A RU 99104550A RU 99104550 A RU99104550 A RU 99104550A RU 2157513 C1 RU2157513 C1 RU 2157513C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polarizer
- analyzers
- ellipsometric
- photodetectors
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
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.
Description
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.
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(Rs 2cos2(A)+Rp 2sin2(A)+RsRpsin2A cos(2P-90+ Δ)), (1)
где F0 - величина начального потока излучения, P - азимут ориентации поляризатора, A - азимут анализатора, R5,Rp (Ts,Tp) - коэффициенты отражения [пропускания) взаимно ортогональных компонент поляризации, Δ - разность фаз между поляризационными компонентами, вносимая измеряемым объектом.
F=F0(Rs 2cos2(A)+Rp 2sin2(A)+RsRpsin2A cos(2P-90+ Δ)), (1)
где F0 - величина начального потока излучения, P - азимут ориентации поляризатора, A - азимут анализатора, R5,Rp (Ts,Tp) - коэффициенты отражения [пропускания) взаимно ортогональных компонент поляризации, Δ - разность фаз между поляризационными компонентами, вносимая измеряемым объектом.
Измерение Δ производится при исходной ориентации анализаторов A1 = 45o, A2 = 135o, соответственно в первом и втором каналах, компенсатора C = 45o. Соотношение (1) приобретает вид
F1=F0(0,5(Rs 3+Rp 3)+ RsRpcos(2P-90+ Δ1 ));
F2=F0(0,5(Rs 3+Rp 2)- RsRpcos(2P-90+ Δ2 )). (2)
Система обработки обеспечивает измерение сигнала JΔ 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=0o, A2=90o соответственно по каналам и C = 0. Соотношение (3) примет вид
где Jψ измеряемый сигнал.
F1=F0(0,5(Rs 3+Rp 3)+ RsRpcos(2P-90+ Δ1 ));
F2=F0(0,5(Rs 3+Rp 2)- RsRpcos(2P-90+ Δ2 )). (2)
Система обработки обеспечивает измерение сигнала JΔ 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=0o, A2=90o соответственно по каналам и C = 0. Соотношение (3) примет вид
где Jψ измеряемый сигнал.
При установке азимута поляризатора в положение P, близкое к ψ. изменение сигнала ∂Jψ 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 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 Δ. Соотношение между величиной нагрузки и значением Δ определяется выражением
где δx,δy - - 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 - ±10o
Чувствительность к изменению Δ - 0,005o
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.
Линейный диапазон измерений Δ - ±10o
Чувствительность к изменению Δ - 0,005o
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.
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99104550A RU2157513C1 (ru) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | Эллипсометрический датчик |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99104550A RU2157513C1 (ru) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | Эллипсометрический датчик |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2157513C1 true RU2157513C1 (ru) | 2000-10-10 |
Family
ID=20216774
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99104550A RU2157513C1 (ru) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | Эллипсометрический датчик |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2157513C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2799977C1 (ru) * | 2022-11-15 | 2023-07-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" | Эллипсометрический датчик |
-
1999
- 1999-03-05 RU RU99104550A patent/RU2157513C1/ru active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2799977C1 (ru) * | 2022-11-15 | 2023-07-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" | Эллипсометрический датчик |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4647207A (en) | Ellipsometric method and apparatus | |
CN1841030B (zh) | 分光偏振测定法 | |
US7889339B1 (en) | Complementary waveplate rotating compensator ellipsometer | |
US4589776A (en) | Method and apparatus for measuring optical properties of materials | |
US4309110A (en) | Method and apparatus for measuring the quantities which characterize the optical properties of substances | |
US6927853B2 (en) | Method and arrangement for optical stress analysis of solids | |
CA1264959A (en) | Static interferometric ellipsometer | |
US6483584B1 (en) | Device for measuring the complex refractive index and thin film thickness of a sample | |
Oakberg | Measurement of low-level strain birefringence in optical elements using a photoelastic modulator | |
CN102620907B (zh) | 一种测量光学器件相位延迟角度的方法 | |
EP0075689A1 (en) | Optical instruments for viewing a sample surface | |
KR100336696B1 (ko) | 편광 분석장치 및 편광 분석방법 | |
JP3131242B2 (ja) | 光ビーム入射角の測定方法、測定装置及び該装置を距離測定に使用する方法 | |
US3481671A (en) | Apparatus and method for obtaining optical rotatory dispersion measurements | |
EP0080540A1 (en) | Method and apparatus for measuring quantities which characterize the optical properties of substances | |
JPH0131131B2 (ru) | ||
RU2157513C1 (ru) | Эллипсометрический датчик | |
CN102519712B (zh) | 八分之一波片相位延迟量测量装置和测量方法 | |
Oakberg | Measurement of waveplate retardation using a photoelastic modulator | |
Stein | A procedure for the accurate measurement of infrared dichroism of oriented film | |
RU2384835C1 (ru) | Эллипсометр | |
RU2102700C1 (ru) | Двухлучевой интерферометр для измерения показателя преломления изотропных и анизотропных материалов | |
RU2046315C1 (ru) | Способ измерения величины двулучепреломления зарецкого | |
SU1141315A1 (ru) | Способ измерени величины двойного лучепреломлени полимерных материалов | |
RU1818545C (ru) | Способ измерени двойного лучепреломлени веществ |