RU2247969C1 - Spectral ellipsometer - Google Patents
Spectral ellipsometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2247969C1 RU2247969C1 RU2003127464/28A RU2003127464A RU2247969C1 RU 2247969 C1 RU2247969 C1 RU 2247969C1 RU 2003127464/28 A RU2003127464/28 A RU 2003127464/28A RU 2003127464 A RU2003127464 A RU 2003127464A RU 2247969 C1 RU2247969 C1 RU 2247969C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polarizer
- analyzer
- obturator
- signal processing
- control
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптикоэлектронному приборостроению и предназначено для измерения и исследования тонкопленочных структур и оптических констант поверхностей различных материалов путем анализа поляризации отраженного образцом светового пучка.The invention relates to optoelectronic instrumentation and is intended to measure and study thin-film structures and optical surface constants of various materials by analyzing the polarization of the reflected light beam.
Известен спектральный эллипсометр (а. с. СССР №1369471, МПК 5 G 01 J 4/04), содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси монохроматор, коллимирующую оптику, поляризатор, анализатор, фоторегистратор (фотоприемник), систему регистрации и обработки данных, а также диафрагму с двумя отверстиями и обтюратор, размещенные по ходу пучка излучения после коллимирующей оптики, второй поляризатор, причем каждый из поляризаторов оптически связан с соответствующим отверстием в диафрагме и установлен с возможностью вращения вокруг направления падающего на поляризатор излучения, при этом каждый из поляризаторов выполнен в виде последовательно установленных и оптически связанных двух параллельных зеркал с металлическим покрытием и двух отражающих пластин полупроводникового материала, установленных под углом Брюстера к падающему излучению.A known spectral ellipsometer (AS USSR No. 1369471, IPC 5 G 01 J 4/04), containing a monochromator, collimating optics, a polarizer, an analyzer, a photo recorder (photodetector), a data recording and processing system, and a diaphragm with two holes and a shutter placed along the radiation beam after collimating optics, a second polarizer, each of the polarizers being optically connected to a corresponding hole in the diaphragm and mounted to rotate around the direction I am incident on the radiation polarizer, while each of the polarizers is made in the form of sequentially mounted and optically coupled two parallel mirrors with a metal coating and two reflective plates of semiconductor material mounted at a Brewster angle to the incident radiation.
В данном устройстве измерения производятся фотометрированием светового пучка, падающего на фотоприемник. Состояние поляризации отраженного поверхностью образца света зависит от параметров Ψ(λ) и Δ(λ), которые определяются коэффициентами отражения образца Rp(λ) и Rs(λ)In this device, measurements are made by measuring the light beam incident on the photodetector. The polarization state of the light reflected by the surface of the sample depends on the parameters Ψ (λ) and Δ (λ), which are determined by the reflection coefficients of the sample Rp (λ) and Rs (λ)
где λ - длина волны света,where λ is the wavelength of light,
Δ(λ) - фазовый сдвиг между ортогонально поляризованными компонентами излучения, возникающий при отражении,Δ (λ) is the phase shift between the orthogonally polarized components of the radiation that occurs during reflection,
Rp(λ) - амплитудный коэффициент отражения света, поляризованного в плоскости падения,Rp (λ) is the amplitude reflection coefficient of light polarized in the plane of incidence,
Rs(λ) - амплитудный коэффициент отражения света, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.Rs (λ) is the amplitude reflection coefficient of light polarized in a plane perpendicular to the plane of incidence.
В данном устройстве определение параметров Ψ и Δ производится последовательно, для каждой длины волны света. Определение Ψ(λ) и Δ(λ) во всем рабочем спектральном диапазоне занимает значительное время, что ограничивает быстродействие прибора. Такой прибор не может быть использован в системах контроля, работающих в реальном масштабе времени.In this device, the determination of the parameters Ψ and Δ is performed sequentially, for each wavelength of light. The determination of Ψ (λ) and Δ (λ) in the entire working spectral range takes considerable time, which limits the performance of the device. Such a device cannot be used in real-time monitoring systems.
Наиболее близким по технической сущности является спектральный эллипсометр (N.V.Nguyen, В.S.Pudliner, Ilsin An., R.W.Collins. "Error correction for calibration and data reduction in rotating-polarizer ellipsometry: applications to a novel multichannel ellipsometer" J.Opt. Soc. Am. A Vol.8, No. 6/June, 1991, p.919), содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, поляризатор, анализатор, полихроматор, фоторегистратор, электрически связанный с блоком управления и обработки сигнала, при этом фоторегистратор выполнен многоэлементным фотоприемником в виде линейки фотодиодов, а причем поляризатор вставлен в механизм вращения с датчиком азимутального угла и соединен с блоком управления и обработки сигнала.The closest in technical essence is a spectral ellipsometer (NVNguyen, B.S. Pudliner, Ilsin An., RWCollins. "Error correction for calibration and data reduction in rotating-polarizer ellipsometry: applications to a novel multichannel ellipsometer" J.Opt. Soc. Am. A Vol. 8, No. 6 / June, 1991, p. 919), comprising a radiation source, a polarizer, an analyzer, a polychromator, a photo recorder electrically connected to a control and signal processing unit, arranged in series with the optical axis, wherein the photorecorder is made by a multi-element photodetector in the form of a line of photodiodes, and the polarizer is inserted into anizm rotation angle and the azimuth sensor connected to the control and signal processing unit.
В данном устройстве определение параметров Ψ и Δ производится циклически, при непрерывном вращении поляризатора с заданной постоянной скоростью, последовательным фотометрированием отраженного пучка, прошедшего анализатор и полихроматор, в азимутальных секторах по 45°, на которые разбит один оборот поляризатора, причем одновременно для всех λ. При этом сигналы с каждого элемента фотоприемника интегрируются за время прохождения одного сектора и далее, после оцифровки в блоке управления и обработки сигнала используются для вычисления Ψ и Δ. Данный спектральный эллипсометр позволяет работать в реальном масштабе времени благодаря параллельному измерению при всех длинах волн.In this device, the parameters параметров and Δ are determined cyclically, with continuous rotation of the polarizer at a given constant speed, sequential photometry of the reflected beam passing through the analyzer and polychromator in the azimuth sectors of 45 ° into which one revolution of the polarizer is divided, and at the same time for all λ. In this case, the signals from each element of the photodetector are integrated during the passage of one sector and then, after digitization in the control and signal processing unit, they are used to calculate Ψ and Δ. This spectral ellipsometer allows you to work in real time thanks to parallel measurement at all wavelengths.
Недостатком данного устройства являются погрешности фотометрирования, возникающие из-за неравномерности вращения поляризатора и наличия темнового тока в многоэлементном фотоприемнике. Неравномерность вращения поляризатора приводит к флуктуациям времени экспозиции фотосигнала и, как следствие, к погрешностям в определении Ψ и Δ. Погрешность, связанная с темновым током, как правило, устраняется дополнительным циклом интегрирования, при перекрытом пучке, с последующим вычитанием из основного сигнала, однако в данном устройстве такая операция в процессе работы не производится, таким образом, данная погрешность также влияет на измеренное значение Ψ и Δ.The disadvantage of this device is the photometric errors arising due to the uneven rotation of the polarizer and the presence of dark current in a multi-element photodetector. The uneven rotation of the polarizer leads to fluctuations in the exposure time of the photo signal and, as a consequence, to errors in the determination of Ψ and Δ. The error associated with the dark current, as a rule, is eliminated by an additional integration cycle, when the beam is blocked, and then subtracted from the main signal, however, this operation is not performed in this device during operation, so this error also affects the measured value Ψ and Δ.
Кроме того, из-за значительной массы патрона с поляризатором и соответствующих габаритов подшипников скорость вращения поляризатора и, следовательно, быстродействие прибора ограничены.In addition, due to the significant mass of the cartridge with the polarizer and the corresponding dimensions of the bearings, the rotation speed of the polarizer and, therefore, the performance of the device are limited.
Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и точности измерения спектрального эллипсометра, работающего в реальном масштабе времени.The technical result of the invention is to increase the speed and accuracy of measurement of a spectral ellipsometer operating in real time.
Технический результат достигается тем, что в спектральном эллипсометре, содержащем последовательно расположенные вдоль оптической оси источник излучения, коллимирующую оптику, поляризатор, анализатор, полихроматор с фоторегистратором, электрически связанным с блоком управления и обработки сигналов, как поляризатор, так и анализатор выполнены в виде последовательно расположенных на оптической оси двух идентичных ориентированных навстречу друг другу призм, из которых первая - разделяющая световой пучок на два ортогонально поляризованных, идущих параллельно, а вторая - соединяющая вновь в один, размещенного между ними обтюратора, насаженного на вал электродвигателя, который соединен электрически с блоком управления и обработки сигналов, двух оптопар, имеющих электрическую связь с блоком управления и обработки сигналов, прерывателями которых служат выполненные в обтюраторе две кольцевые дорожки окон, пересекающие соответственно первый и второй пучки, при этом окна в кольцевых дорожках расположены периодически, со сдвигом во внешнем и внутреннем кольцах друг относительно друга на 1/2 периода, и выполнены в синхронно вращающихся с одинаковой частотой обтюраторах поляризатора и анализатора со скважностью 1/4 и 1/2, соответственно, причем при измерениях азимут поляризатора составляет +30°, а азимут анализатора составляет -30°.The technical result is achieved by the fact that in a spectral ellipsometer containing a radiation source sequentially located along the optical axis, a collimating optics, a polarizer, an analyzer, a polychromator with a photo recorder electrically connected to a control and signal processing unit, both the polarizer and the analyzer are made in the form of sequentially arranged on the optical axis of two identical prisms oriented towards each other, of which the first is dividing the light beam into two orthogonally polarized data, running in parallel, and the second is connected again into one, between them a sealer, mounted on an electric motor shaft, which is electrically connected to a control and signal processing unit, two optocouplers that are in electrical communication with a control and signal processing unit, the breakers of which are made in the shutter, two ring paths of windows intersecting the first and second beams, respectively, while the windows in the ring paths are located periodically, with a shift in the outer and inner rings each relates each other for 1/2 period, and performed in synchronously rotating at the same frequency the obturators of the polarizer and analyzer with a duty cycle of 1/4 and 1/2, respectively, moreover, during measurements, the polarizer azimuth is + 30 °, and the analyzer azimuth is -30 °.
Сущность изобретения поясняется описанием и фигурами.The invention is illustrated by the description and figures.
На Фиг.1 представлена блок-схема спектрального эллипсометра, где 1 - плечо поляризатора, 2 - плечо анализатора, 3 - источник света, 4 - коллимирующая линза, 5 - призма-делитель, 6 - призма-соединитель, 7 - диск обтюратора в поляризаторе, 8 - электродвигатель, 9 и 10 - светодиоды, 11 и 12 - фотоприемники, 13 - столик для крепления образца, 14 - призма-делитель, 15 - призма-соединитель, 16 - диск обтюратора в анализаторе, 17 - электродвигатель, 18 и 19 - светодиоды, 20 и 21 - фотодиоды, 22 - линза-конденсор, 23 - полихроматор, 24 - фоторегистратор, 25 - блок управления и обработки сигналов.Figure 1 shows a block diagram of a spectral ellipsometer, where 1 is the polarizer arm, 2 is the analyzer arm, 3 is the light source, 4 is the collimating lens, 5 is the prism divider, 6 is the prism connector, 7 is the shutter disk in the polarizer 8 - an electric motor, 9 and 10 - LEDs, 11 and 12 - photodetectors, 13 - a table for attaching a sample, 14 - a prism divider, 15 - a prism connector, 16 - a shutter disk in the analyzer, 17 - an electric motor, 18 and 19 - LEDs, 20 and 21 - photodiodes, 22 - lens condenser, 23 - polychromator, 24 - photo recorder, 25 - control and signal processing unit in.
На Фиг.2 показаны диски обтюратора в плече поляризатора и в плече анализатора, а также места пересечения ими разделенных, ортогонально поляризованных пучков и сечения каналов оптопар, где 7 - диск обтюратора в поляризаторе, 16 - диск обтюратора в анализаторе, 26 и 27 - места пересечения диском обтюратора в плече поляризатора разделенных и ортогонально поляризованных пучков, 28 и 29 - сечения оптопар в диске обтюратора в плече поляризатора, 30 и 31 - места пересечения диском обтюратора в плече анализатора разделенных и ортогонально поляризованных пучков, 32 и 33 - сечения каналов оптопар в диске обтюратора в плече анализатора.Figure 2 shows the obturator disks in the polarizer arm and in the analyzer arm, as well as the places where they intersect the separated, orthogonally polarized beams and the optocoupler channel section, where 7 is the obturator disc in the polarizer, 16 is the obturator disc in the analyzer, 26 and 27 are places intersection of the shutter disk in the polarizer arm of the separated and orthogonally polarized beams, 28 and 29 — cross sections of the optocoupler in the shutter disk in the polarizer arm, 30 and 31 — the intersection of the shutter disk in the analyzer arm of the separated and orthogonally polarized beams Kov, 32 and 33 - cross sections of the channels of the optocouplers in the shutter disk in the analyzer arm.
На Фиг.3 показаны направления колебаний электрического вектора в плоскости, перпендикулярной пучку, падающему на образец, и направления колебаний электрического вектора в плоскости, перпендикулярной пучку, прошедшему анализатор.Figure 3 shows the directions of oscillation of the electric vector in a plane perpendicular to the beam incident on the sample, and the directions of the oscillations of the electric vector in the plane perpendicular to the beam that passed the analyzer.
На Фиг.4 показаны а) сигналы напряжения с оптопары, образуемой светодиодом 9 и фотодиодом 11, при вращении обтюратора поляризатора, b) сигналы напряжения с оптопары, образуемой светодиодом 10 и фотодиодом 12, при вращении обтюратора поляризатора, с) сигналы напряжения с оптопары, образуемой светодиодом 18 и фотодиодом 20, при вращении обтюратора анализатора, d) сигналы напряжения с оптопары, образуемой светодиодом 19 и фотодиодом 21, при вращении обтюратора анализатора, е) интенсивность пучка света, падающего на входную щель полихроматора.Figure 4 shows a) the voltage signals from the optocoupler formed by the LED 9 and the photodiode 11 during rotation of the polarizer obturator, b) the voltage signals from the optocouple formed by the LED 10 and the photodiode 12, during rotation of the polarizer obturator, c) voltage signals from the optocoupler, generated by the LED 18 and the photodiode 20, when the analyzer obturator rotates, d) the voltage signals from the optocoupler generated by the LED 19 and the photodiode 21, when the analyzer obturator rotates, e) the intensity of the light beam incident on the polychromator input slit.
Спектральный эллипсометр содержит (Фиг.1) плечо поляризатора 1, плечо анализатора 2, источник света 3, коллимирующую линзу 4, призму-делитель 5, призму-соединитель 6, диск обтюратора 7, электродвигатель 8, светодиоды 9 и 10, фотодиоды 11 и 12, столик для крепления образца 13, призму-делитель 14, призму-соединитель 15, диск обтюратора 16, электродвигатель 17, светодиоды 18 и 19, фотодиоды 20 и 21, линзу-конденсор 22, полихроматор 23, фоторегистратор 24, блок управления и обработки сигналов 25.The spectral ellipsometer contains (Fig. 1) the arm of the
Спектральный эллипсометр состоит из двух плеч, смонтированных на гониометре: плеча поляризатора 1, плеча анализатора 2, имеющих возможность разворота относительно общей оси и фиксации на выбранном угле между ними. Плечо поляризатора 1 содержит: последовательно оптически связанные источник света 3, коллимирующую линзу 4, призму-делитель 5, диск обтюратора 7, насаженный на вал электродвигателя 8, электрически соединенного с блоком управления и обработки сигналов 25, призму-соединитель 6, две оптопары, образованные светодиодами 9, 10 и соответствующими им фотодиодами 11, 12, которые также электрически соединены с блоком управления и обработки сигналов 25. Плечо анализатора 2 содержит: последовательно оптически связанные призму-делитель 14, диск обтюратора 16, насаженный на вал электродвигателя 17, электрически соединенного с блоком управления и обработки сигналов 25, призму-соединитель 15, линзу-конденсор 22, полихроматор 23 с фоторегистратором 24, электрически соединенным с блоком управления и обработки сигналов 25, две оптопары, образованные светодиодами 18, 19 и соответствующими им фотодиодами 20, 21, которые также электрически соединены с блоком управления и обработки сигналов 25. Между плечами поляризатора и анализатора находится столик для крепления образца 13, эти элементы оптически связаны между собой. На Фиг.1 плоскость деления пучка в плечах поляризатора и анализатора совпадает с плоскостью чертежа. В рабочем положении плоскость деления пучка в поляризаторе развернута относительно оптической оси на +30°, а плоскость деления пучка в анализаторе на -30° относительно оптической оси.The spectral ellipsometer consists of two arms mounted on a goniometer: the arm of the
Источником излучения 3 в плече поляризатора 1 служит источник, излучающий в широкополосном спектре, например, дуговая ксеноновая лампа.The radiation source 3 in the arm of the
В качестве коллимирующей оптики может быть использована как одиночная линза (коллимирующая линза 4), так и линзо-зеркальный коллектив, обеспечивающие формирование параллельного или слаборасходящегося пучка.As a collimating optics, both a single lens (collimating lens 4) and a lens-mirror team can be used to ensure the formation of a parallel or slightly diverging beam.
Призма-делитель 5, призма-соединитель 6, призма-делитель 14 и призма-соединитель 15 являются идентичными элементами. Их выполняют из цельного прямоугольного бруска двупреломляющего материала, например, кальцита, оптическая ось которого составляет угол порядка 45° с направлением распространения пучка в призме, однако для такой конструкции требуется заготовка значительных размеров (в зависимости от расстояния, на которое необходимо развести пучок). Для экономии дорогостоящего кальцита призмы выполняют составными, как показано на Фиг.1, склеенными из трех прямых призм: двух треугольных из кальцита, оптическая ось которого перпендикулярна основанию и одной в виде параллелограмма из плавленого кварца или стекла. Призма-соединитель 6, идентичная призме-делителю 5, расположена симметрично ей относительно плоскости диска обтюратора 7. Призма-соединитель 15 также идентична призме-делителю 14 и расположена симметрично ей относительно плоскости диска обтюратора 16.Prism divider 5, prism connector 6, prism divider 14 and prism connector 15 are identical elements. They are made of a solid rectangular bar of birefringent material, for example, calcite, whose optical axis is at an angle of about 45 ° with the direction of beam propagation in the prism, however, for this design, a large workpiece is required (depending on the distance by which the beam must be separated). To save expensive calcite, prisms are made composite, as shown in figure 1, glued from three straight prisms: two triangular of calcite, the optical axis of which is perpendicular to the base and one in the form of a parallelogram of fused silica or glass. The prism-connector 6, identical to the prism divider 5, is located symmetrically to it relative to the plane of the disk of the
Призмы-делители выполняют таким образом, чтобы расстояние, на которое требуется развести пучки, обеспечивало пересечение окон диска обтюратора одним пучком на уровне внутреннего кольца окон, а вторым - на уровне внешнего кольца окон.The prism dividers are designed in such a way that the distance over which the beams are to be separated ensures that the windows of the shutter disk intersect with one beam at the level of the inner ring of windows, and the second at the level of the outer ring of windows.
Обтюраторы выполнены в виде дисков, например, из металлического листа. Каждый из дисков имеет две кольцевые дорожки окон, уровень внутреннего кольца и уровень внешнего кольца (см. Фиг.2). Кольцевые дорожки окон пересекают соответственно первый и вторые пучки и являются прерывателями в оптопарах. Окна в кольцах обтюраторов расположены периодически, причем со сдвигом расположения окон во внешнем и внутреннем кольцах друг относительно друга на 1/2 периода. В кольцевых дорожках обтюратора поляризатора они выполнены в виде вырезов, обеспечивающих скважность светового импульса 1/4. В кольцевых дорожках обтюратора анализатора период расположения окон вдвое больше, и выполнены окна в виде вырезов, обеспечивающих скважность светового импульса, равную 1/2.Obturators are made in the form of disks, for example, from a metal sheet. Each of the disks has two ring tracks of windows, the level of the inner ring and the level of the outer ring (see Figure 2). Ring paths of windows intersect the first and second beams, respectively, and are interrupters in optocouplers. Windows in the rings of the shutters are located periodically, with a shift in the arrangement of the windows in the outer and inner rings relative to each other by 1/2 period. In the annular paths of the polarizer obturator, they are made in the form of cutouts, providing a duty cycle of the
Фазовое положение дисков обтюраторов 7 и 16 согласовано таким образом, что окна пропускания, выполненные во внешних кольцах, открываются одновременно.The phase position of the
В предлагаемом спектральном эллипсометре полихроматор с фоторегистратором в виде многоэлементного фотоприемника используют такие, как, например, в известном техническом решении, а в основе выполнения блока управления и обработки сигналов лежит также известное схемотехническое решение (N.V.Nguyen, В.S.Pudliner, Ilsin An., R.W.Collins. "Error correction for calibration and data reduction in rotating-polarizer ellipsometry: applications to a novel multichannel ellipsometer" J.Opt. Soc. Am. A Vol.8, No. 6/June,1991, p.919).In the proposed spectral ellipsometer, a polychromator with a photo recorder in the form of a multi-element photodetector is used, such as, for example, in a well-known technical solution, and the well-known circuitry solution (NVNguyen, B.S. Pudliner, Ilsin An. , RWCollins. "Error correction for calibration and data reduction in rotating-polarizer ellipsometry: applications to a novel multichannel ellipsometer" J. Opt. Soc. Am. A Vol. 8, No. 6 / June, 1991, p.919) .
Спектральный эллипсометр работает следующим образом.The spectral ellipsometer works as follows.
Свет от источника излучения 3 собирается в параллельный или слаборасходящийся пучок коллимирующей линзой 4 и направляется на призму-делитель 5. Пучок неполяризованного света, падающий на границу кальцита и плавленого кварца в призме-делителе 5, разделяется на два пучка ортогонально линейно-поляризованных, идущих под углом друг к другу и далее, преломляясь на второй границе, параллельной первой, пучки выходят из призмы-делителя 5 параллельно друг другу, причем независимо от длины волны. Далее, пучки пересекают диск обтюратора 7 (Фиг.2), один на уровне внутреннего кольца окон, другой на уровне внешнего кольца. После прохождения плоскости диска обтюратора 7 (Фиг.1) пучки попадают в призму-соединитель 6, которая идентична призме-делителю 5 и расположена симметрично ей относительно плоскости диска обтюратора 7. Здесь пучки вновь соединяются в один, который падает на исследуемый образец, находящийся на столике 13.The light from the radiation source 3 is collected in a parallel or slightly diverging beam by a collimating lens 4 and sent to a prism divider 5. A beam of unpolarized light incident on the boundary of calcite and fused quartz in a prism divider 5 is divided into two beams of orthogonally linearly polarized, going under angle to each other and further, refracting at the second boundary parallel to the first, the beams exit the prism divider 5 parallel to each other, and regardless of the wavelength. Next, the beams intersect the shutter disc 7 (Figure 2), one at the level of the inner ring of windows, the other at the level of the outer ring. After passing through the plane of the disk of the obturator 7 (Fig. 1), the beams enter the prism-connector 6, which is identical to the prism divider 5 and is located symmetrically to it relative to the plane of the disk of the
Отраженный пучок направляется в плечо анализатора 2 (Фиг.1), где последовательно проходит призму-делитель 14, где разделяется на два ортогонально поляризованных пучка (так же, как это происходит в 5), которые пересекают диск обтюратора 16, один на уровне внутреннего кольца окон, другой на уровне внешнего кольца. После прохождения плоскости диска обтюратора 16 (Фиг.1) пучки попадают в призму-соединитель 15, которая идентична призме-делителю 14 и расположена симметрично ей относительно плоскости диска обтюратора 16. Здесь пучки вновь соединяются в один, который линзой-конденсором 22 фокусируется на входной щели полихроматора 23, где разлагается в спектр, и интенсивность каждой спектральной компоненты преобразуется в электрический сигнал в фоторегистраторе 24. С фоторегистратора сигналы поступают в блок обработки и управления сигналов 25, куда одновременно поступают сигналы с оптопар.The reflected beam is directed to the shoulder of the analyzer 2 (Fig. 1), where the prism divider 14 passes sequentially, where it is divided into two orthogonally polarized beams (just like in 5), which intersect the
В процессе измерения диски обтюраторов вращаются синхронно, с одинаковой частотой, причем их фазовое положение согласовано таким образом, что окна пропускания во внешних кольцах открываются одновременно. На Фиг.4 показаны сигналы напряжения, которые идут при вращении обтюратора поляризатора: а) с оптопары, состоящей из светодиода 9 и фотодиода 11, b) - с оптопары, состоящей из светодиода 10 и фотодиода 12; при вращении обтюратора анализатора: с) - с оптопары, состоящей из светодиода 18 и фотодиода 20, d) - с оптопары, состоящей из светодиода 19 и фотодиода 21, е) - интенсивность пучка света, падающего на входную щель полихроматора 23. Один цикл измерения соответствует 1/2 оборота обтюраторов и состоит из восьми равновременных интервалов τ1-τ8 (Фиг.4): четыре интервала τ1, τ3, τ5, τ7, в которые на входную щель полихроматора падает излучение, чередуются с четырьмя интервалами τ2, τ4, τ6, τ8, в которые излучение перекрыто. Многоканальный фоторегистратор 24 работает непрерывно - циклически, при этом интервал τ может содержать от одного до нескольких циклов запись - считывание. В интервалах τ1, τ3, τ5, τ7 производится фоторегистрация излучения, в интервалах τ2, τ4, τ6, τ8 фоторегистрация фона.During the measurement, the discs of the shutters rotate synchronously, with the same frequency, and their phase position is coordinated so that the transmission windows in the outer rings open simultaneously. Figure 4 shows the voltage signals that go when the polarizer shutter rotates: a) from an optocoupler consisting of LED 9 and a photodiode 11, b) from an optocoupler consisting of LED 10 and photodiode 12; when the analyzer obturator is rotated: c) - from an optocoupler consisting of an LED 18 and a photodiode 20, d) - from an optocoupler consisting of an LED 19 and a photodiode 21, e) - the intensity of the light beam incident on the input slit of the polychromator 23. One measurement cycle corresponds to 1/2 turn of the shutters and consists of eight equal-time intervals τ 1 -τ 8 (Figure 4): four intervals τ 1 , τ 3 , τ 5 , τ 7 , in which radiation falls on the input slit of the polychromator, alternate with four intervals τ 2 , τ 4 , τ 6 , τ 8 , in which the radiation is blocked. The multi-channel photo recorder 24 operates continuously - cyclically, while the interval τ may contain from one to several write-read cycles. In the intervals τ 1 , τ 3 , τ 5 , τ 7 , photo-registration of radiation is performed, in the intervals τ 2 , τ 4 , τ 6 , τ 8 photo-registration of the background is performed.
Данные с фоторегистратора 24 передаются в блок управления и обработки сигналов 25 (Фиг.1), куда одновременно поступают сигналы с оптопар. Номер интервала, которому соответствует полученный сигнал с фоторегистратора, определяется по сигналам с оптопар. τ1 соответствует наличию сигнала на оптопарах, состоящих из светодиода 9 и фотодиода 11 и также светодиода 18 и фотодиода 20; τ2 – только наличию сигнала на оптопаре, состоящей из светодиода 18 и фотодиода 20; τ3 соответствует наличию сигнала на оптопарах, состоящих из светодиода 10 и фотодиода 12 и также светодиода 18 и фотодиода 20; τ4 - только наличию сигнала на оптопаре, состоящей из светодиода 18 и фотодиода 20; τ5 - соответствует наличию сигнала на оптопарах, состоящих из светодиода 9 и фотодиода 11 и также светодиода 19 и фотодиода 21; τ6 - только наличию сигнала на оптопаре, состоящей из светодиода 19 и фотодиода 21; τ7 - соответствует наличию сигнала на оптопарах, состоящих из светодиода 10 и фотодиода 12 и также светодиода 19 и фотодиода 21; τ8 - только наличию сигнала на оптопаре, состоящей из светодиода 19 и фотодиода 21. Таким образом, интервалы τ1, τ3, τ5, τ7, в которые фотометрируется излучение, однозначно различимы. Измеренная величина фона вычитается из величины излучения в соседнем интервале. Сигналы с оптопар, перекрываемых внешними кольцевыми дорожками окон, используются в блоке управления и обработки сигналов 25 для стабилизации частоты вращения обтюраторов и синхронизации фазового положения дисков.Data from the photorecorder 24 is transmitted to the control unit and signal processing 25 (Figure 1), which simultaneously receives signals from optocouplers. The number of the interval to which the received signal from the photorecorder corresponds is determined by the signals from the optocouplers. τ 1 corresponds to the presence of a signal on optocouplers consisting of an LED 9 and a photodiode 11 and also an LED 18 and a photodiode 20; τ 2 - only the presence of a signal on the optocoupler, consisting of an LED 18 and a photodiode 20; τ 3 corresponds to the presence of a signal on optocouplers consisting of an LED 10 and a photodiode 12 and also an LED 18 and a photodiode 20; τ 4 - only the presence of a signal on the optocoupler, consisting of an LED 18 and a photodiode 20; τ 5 - corresponds to the presence of a signal on optocouplers consisting of an LED 9 and a photodiode 11 and also an LED 19 and a photodiode 21; τ 6 - only the presence of a signal on the optocoupler, consisting of an LED 19 and a photodiode 21; τ 7 - corresponds to the presence of a signal on optocouplers consisting of an LED 10 and a photodiode 12 and also an LED 19 and a photodiode 21; τ 8 - only by the presence of a signal on the optocoupler, consisting of LED 19 and photodiode 21. Thus, the intervals τ 1 , τ 3 , τ 5 , τ 7 , in which the radiation is measured, are clearly distinguishable. The measured background value is subtracted from the radiation value in the adjacent interval. The signals from the optocouplers blocked by the external ring tracks of the windows are used in the control and signal processing unit 25 to stabilize the speed of the shutters and synchronize the phase position of the disks.
На Фиг.3 показаны сплошными линиями направления колебаний электрического вектора в плоскости, перпендикулярной пучку в падающем на образец пучке, и пунктирными линиями - в пучке, прошедшем анализатор. YZ - плоскость падения, перпендикулярная XY, A1 - направление колебаний в пучке, прошедшем через внутреннее кольцо окон обтюратора поляризатора; А2 - в пучке, прошедшем через внешнее кольцо окон в том же обтюраторе; А3 - в пучке, проходящем через внутреннее кольцо окон обтюратора анализатора; А4 - в пучке, проходящем внешнее кольцо обтюратора анализатора. При измерениях азимут поляризатора составляет +30°, а азимут анализатора составляет -30°.Figure 3 shows the solid lines of the direction of oscillation of the electric vector in a plane perpendicular to the beam in the beam incident on the sample, and dashed lines in the beam passed through the analyzer. YZ is the plane of incidence perpendicular to XY, A 1 is the direction of oscillations in the beam passing through the inner ring of windows of the shutter of the polarizer; And 2 - in the beam passing through the outer ring of windows in the same shutter; And 3 - in a beam passing through the inner ring of windows of the analyzer obturator; And 4 - in the beam passing the outer ring of the analyzer obturator. In measurements, the polarizer azimuth is + 30 °, and the analyzer azimuth is -30 °.
В интервале τ1 через поляризатор проходит пучок, поляризованный по направлению A1 (Фиг.3). После отражения от образца он проходит анализатор, где делится на два канала, причем на фоторегистратор попадает только пучок, поляризованный по направлению А3 (Фиг.3). Интенсивность каждой спектральной компоненты этого пучка дается выражением:In the interval τ 1 through the polarizer passes a beam polarized in the direction of A 1 (Figure 3). After reflection from the sample, it passes the analyzer, where it is divided into two channels, and only the beam polarized in the A 3 direction enters the photographic recorder (Figure 3). The intensity of each spectral component of this beam is given by the expression:
где I0 - интенсивность спектральной компоненты неполяризованного пучка на входе поляризатора;where I 0 is the intensity of the spectral component of the unpolarized beam at the input of the polarizer;
Rp - амплитудный коэффициент отражения света, поляризованного в плоскости падения;R p is the amplitude reflection coefficient of light polarized in the plane of incidence;
Δ - фазовый сдвиг между ортогонально поляризованными компонентами излучения, возникающий при отражении;Δ is the phase shift between the orthogonally polarized radiation components that occurs upon reflection;
Rs - амплитудный коэффициент отражения света, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.Rs is the amplitude reflection coefficient of light polarized in a plane perpendicular to the plane of incidence.
В интервале τ3 через поляризатор проходит пучок, поляризованный по направлению A2 (Фиг.3). После отражения от образца он проходит анализатор, который выделяет компоненту, поляризованную по направлению А3. Ее интенсивность равна:In the interval τ 3 through the polarizer passes the beam polarized in the direction of A 2 (Figure 3). After reflection from the sample, it passes the analyzer, which selects a component polarized in the direction of A 3 . Its intensity is equal to:
В интервале τ5 через поляризатор проходит пучок, поляризованный по направлению A1 (Фиг.3). После отражения от образца он проходит анализатор, который выделяет компоненту, поляризованную по направлению А4. Ее интенсивность равна:In the interval τ 5 through the polarizer passes the beam polarized in the direction of A 1 (Figure 3). After reflection from the sample, it passes the analyzer, which selects a component polarized in the direction of A 4 . Its intensity is equal to:
В интервале τ7 через поляризатор проходит пучок, поляризованный по направлению А2 (Фиг.3). После отражения от образца он проходит анализатор, который выделяет компоненту, поляризованную по направлению А4. Ее интенсивность равна:In the interval τ 7 through the polarizer passes the beam polarized in the direction of A 2 (Figure 3). After reflection from the sample, it passes the analyzer, which selects a component polarized in the direction of A 4 . Its intensity is equal to:
В формулах (3)-(5) расшифровка буквенных символов такая же, как и в формуле (2).In formulas (3) - (5), the decoding of alphabetic characters is the same as in formula (2).
По измеренным значениям I1, I3, I5, I7, а также с учетом (1)-(5), для каждой спектральной компоненты λ определяются эллипсометрические параметры образца:From the measured values of I 1 , I 3 , I 5 , I 7 , and also taking into account (1) - (5), for each spectral component λ, the ellipsometric parameters of the sample are determined:
где I1-I7 - интенсивности спектральных компонент пучка, измеренные в интервалах τ1-τ7, соответственно.where I 1 -I 7 are the intensities of the spectral components of the beam, measured in the intervals τ 1 -τ 7 , respectively.
Соответствующие вычисления производятся в блоке управления и обработки сигналов 25 (Фиг.1), после чего выводятся в удобной для пользователя форме.Corresponding calculations are performed in the control and signal processing unit 25 (Fig. 1), after which they are displayed in a user-friendly form.
Таким образом, измерение эллипсометрических параметров Ψ(λ) и Δ(λ) производится последовательным фотометрированием излучения при нескольких различных азимутах поляризатора и анализатора с последующим вычислением искомых параметров. Повышение быстродействия устройства, по сравнению с аналогами, достигается тем, что переключение азимутов производится последовательным перекрытием оптических каналов с помощью дисковых обтюраторов. Время одного цикла измерения определяется скоростью вращения обтюраторов, которая ограничена только максимальной частотой вращения электродвигателя, так как обтюраторы, практически, не создают нагрузки на вал. Кроме того, время одного цикла измерения может быть уменьшено в несколько раз за счет увеличения числа окон в обтюраторах.Thus, the measurement of the ellipsometric parameters Ψ (λ) and Δ (λ) is performed by sequential photometry of the radiation at several different azimuths of the polarizer and analyzer, followed by the calculation of the desired parameters. Improving the speed of the device, in comparison with analogues, is achieved by switching azimuths by sequentially overlapping the optical channels with the help of disk shutters. The time of one measurement cycle is determined by the speed of rotation of the shutters, which is limited only by the maximum frequency of rotation of the electric motor, since the shutters practically do not create a load on the shaft. In addition, the time of one measurement cycle can be reduced several times by increasing the number of windows in the shutters.
Повышение точности измерений достигается тем, что азимуты плоскостей поляризации в поляризаторе и анализаторе фиксированы и установлены предварительной юстировкой с минимальной погрешностью, то есть исключены погрешности, связанные с неравномерным вращением поляризатора. Погрешности, связанные с темновым током фотоприемников, исключаются благодаря периодической записи сигнала при перекрытом пучке света, с последующим вычитанием его из записанного ранее рабочего сигнала.Improving the accuracy of measurements is achieved by the fact that the azimuths of the polarization planes in the polarizer and analyzer are fixed and set by preliminary alignment with a minimum error, that is, errors associated with non-uniform rotation of the polarizer are eliminated. Errors associated with the dark current of photodetectors are eliminated by periodically recording the signal with a blocked light beam, followed by subtracting it from the previously recorded working signal.
Приведенный вариант реализации устройства рассчитан на измерения "in situ", в реальном масштабе времени с высоким быстродействием. Если быстродействие не требуется, то прибор может быть реализован в варианте с последовательным сканированием спектра. В этом случае в качестве источника используется монохроматор с соответствующим осветителем, излучение которого передается в плечо поляризатора с помощью световода, а приемником служит одноэлементный фотодиод или ФЭУ.The given embodiment of the device is designed for in situ measurements, in real time with high speed. If speed is not required, then the device can be implemented in the version with sequential scanning of the spectrum. In this case, a monochromator with an appropriate illuminator is used as the source, the radiation of which is transmitted to the polarizer arm using a fiber, and the detector is a single-element photodiode or PMT.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003127464/28A RU2247969C1 (en) | 2003-09-10 | 2003-09-10 | Spectral ellipsometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003127464/28A RU2247969C1 (en) | 2003-09-10 | 2003-09-10 | Spectral ellipsometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2247969C1 true RU2247969C1 (en) | 2005-03-10 |
Family
ID=35364675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003127464/28A RU2247969C1 (en) | 2003-09-10 | 2003-09-10 | Spectral ellipsometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2247969C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2799977C1 (en) * | 2022-11-15 | 2023-07-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" | Ellipsometric sensor |
-
2003
- 2003-09-10 RU RU2003127464/28A patent/RU2247969C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| NGUYEN N.V. et al. Error correction for calibration and data reduction in rotating-polarizer ellipsometry: applications to a novel multichannel ellipsometer, J. Opt. Soc. Am., A, Vol.8, №6/June, 1991, p.919. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2799977C1 (en) * | 2022-11-15 | 2023-07-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" | Ellipsometric sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5255075A (en) | Optical sensor | |
| EP0632256B1 (en) | Micropolarimeter, microsensor system and method of characterizing thin films | |
| US4371785A (en) | Method and apparatus for detection and analysis of fluids | |
| KR20130019495A (en) | Rotating-element ellipsometer and method for measuring properties of the sample using the same | |
| CN104897610B (en) | A kind of more component trace gas concentration measurement apparatus of rotating prism formula | |
| WO2000058712A1 (en) | Isopotomer absorption spectral analyzer and its method | |
| US20010019410A1 (en) | Wavelength calibration method of monochromator in wavelength measuring apparatus, wavelength measuring method and wavelength measuring apparatus | |
| RU2247969C1 (en) | Spectral ellipsometer | |
| JPH0571923A (en) | Polarization analyzing method and thin film measuring apparatus | |
| JP2001091357A (en) | Simultaneous analysis method of multiple optical spectrum | |
| RU2749149C1 (en) | Two-way velocity ellipsometer | |
| SU1695145A1 (en) | Ellipsometer | |
| US20220128405A1 (en) | Spectrophotometer | |
| RU2427814C1 (en) | Method of measuring lens transmission coefficient | |
| JPH1030964A (en) | Wavelength measuring device for two-frequency laser light source | |
| JP4140965B2 (en) | Absorption analyzer | |
| JPS6038209Y2 (en) | analyzer | |
| JP3106174B2 (en) | Ellipsometer | |
| SU1411573A1 (en) | Displacement transducer | |
| RU2238540C2 (en) | Optical gas analyzer | |
| SU1055973A1 (en) | Spectral photometer | |
| JP2568653B2 (en) | Ellipsometer | |
| RU2638092C1 (en) | Ellipsometer | |
| SU1130777A1 (en) | Device for determination of pulse radiation polarization parameters | |
| JP4163104B2 (en) | Polarization state conversion in optically active spectroscopy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090911 |