RU2351917C1 - Ellipsometer - Google Patents
Ellipsometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2351917C1 RU2351917C1 RU2007120401/28A RU2007120401A RU2351917C1 RU 2351917 C1 RU2351917 C1 RU 2351917C1 RU 2007120401/28 A RU2007120401/28 A RU 2007120401/28A RU 2007120401 A RU2007120401 A RU 2007120401A RU 2351917 C1 RU2351917 C1 RU 2351917C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phase
- quasi
- light beams
- possibility
- splitter
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технике, предназначенной для оптико-физических измерений, а именно к эллипсометрии, и может быть использовано при неразрушающем контроле оптических параметров поверхности и слоев тонких пленок.The invention relates to techniques for optical-physical measurements, namely to ellipsometry, and can be used for non-destructive testing of optical parameters of the surface and layers of thin films.
Известен эллипсометр (патент США на изобретение №5311285, МПК: 5 G01B 11/06), содержащий оптически связанные плечо поляризатора, выполненное в виде источника поляризованного излучения, и плечо анализатора, между которыми размещен исследуемый образец. Причем плечо анализатора выполнено в виде композиционного расщепителя светового пучка, расщепляющего отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре различные поляризованные световые компоненты, четыре фотоприемных элемента, предназначенных для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца, арифметических средств для вычисления эллипсометрических параметров. Указанный композиционный световой расщепитель выполнен в составе: бесполяризационного светоделительного элемента, делящего отраженный от образца световой пучок на два пучка, соответственно, распространяющихся в двух различных направлениях; двух оптических измерительных каналов, каждый из которых предназначен для разделения входящего в него от светоделительного элемента одного из двух расщепленных пучков на два ортогонально поляризованных пучка; компенсатора, встроенного в оптический тракт одного измерительного канала, для обеспечения фазового сдвига. При этом один из измерительных каналов с поляризационным расщепителем ориентирован своим входом относительно бесполяризационного светоделительного элемента с возможностью подачи на него отраженной части бесполяризационным светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполнен с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты, другой измерительный канал со вторым поляризационным расщепителем ориентирован относительно выхода бесполяризационного светоделительного элемента с возможностью подачи на него пропущенной части бесполяризационным светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполнен с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты.Known ellipsometer (US patent for invention No. 5311285, IPC: 5 G01B 11/06), containing optically coupled arm of the polarizer, made in the form of a source of polarized radiation, and the arm of the analyzer, between which the test sample is placed. Moreover, the analyzer arm is made in the form of a composite light beam splitter, splitting the light beam reflected by the test sample into four different polarized light components, four photodetector elements, designed to receive polarized light radiation components and generate signals for calculating the ellipsometric parameters of the test sample, arithmetic tools for calculating ellipsometric parameters. The specified composite light splitter is made up of: a non-polarizing beam splitting element dividing the light beam reflected from the sample into two beams, respectively, propagating in two different directions; two optical measuring channels, each of which is designed to separate one of two split beams entering into it from the beam splitter into two orthogonally polarized beams; a compensator integrated in the optical path of one measuring channel to provide a phase shift. In this case, one of the measuring channels with a polarizing splitter is oriented by its input relative to the non-polarizing beam splitting element with the possibility of supplying the reflected part to it by the non-polarizing beam splitting element of radiation incident from the sample, and it is implemented with the splitting of the light beam into orthogonally polarized components, another measuring channel with a second polarizing the splitter is oriented relative to the output of a non-polarizing beam splitting element with the possibility of supplying the missing part to it with a non-polarizing beam splitting element of the radiation incident from the sample, and is implemented with the implementation of the splitting of the light beam into orthogonally polarized components.
Компенсатор размещен в одном из измерительных каналов перед поляризационным расщепителем. Бесполяризационный светоделительный элемент выполнен в виде стеклянной пластинки. В качестве компенсатора использована четвертьволновая фазосдвигающая пластинка.The compensator is placed in one of the measuring channels in front of the polarizing splitter. The non-polarizing beam splitting element is made in the form of a glass plate. A quarter-wave phase-shifting plate was used as a compensator.
Светоделительный элемент в виде стеклянной пластинки делит по амплитуде отраженный от образца световой пучок. В качестве поляризационных расщепителей использованы двулучепреломляющие поляризационные призмы.A beam splitting element in the form of a glass plate divides the light beam reflected from the sample in amplitude. Birefringent polarizing prisms are used as polarization splitters.
Оптическая связь выполнена с возможностью подачи светового пучка от источника поляризованного излучения к исследуемому образцу, от образца - к светоделительному элементу, делящему отраженный образцом в общем случае эллиптически поляризованный световой пучок на две части, с пропусканием одной из них через светоделительный элемент и четвертьволновую фазовую пластинку и отражением другой части от первой грани светоделительного элемента, от светоделительного элемента - к двулучепреломляющим поляризационным призмам, расщепляющим прошедшую и отраженную части светового пучка на две ортогонально поляризованные компоненты, и далее - к фотоприемным элементам. По измеренным интенсивностям четырех световых компонент вычисляют эллипсометрические параметры ψ и Δ.Optical communication is made with the possibility of supplying a light beam from a polarized radiation source to a sample under study, from a sample to a beam splitting element, dividing the elliptically polarized light beam into two parts, generally, passing one of them through a beam splitting element and a quarter-wave phase plate and by reflection of another part from the first face of the beam splitting element, from the beam splitting element, to birefringent polarizing prisms, which split the Shui and the reflected portion of the light beam into two orthogonally polarized components, and then - to the light receiving elements. From the measured intensities of the four light components, the ellipsometric parameters ψ and Δ are calculated.
К недостаткам данного технического решения относится недостаточно высокая точность измерений. Указанный недостаток обусловлен нестабильностью оптических параметров светоделительного элемента, приводящей к погрешности в измерениях эллипсометрических параметров и вызывающей необходимость предварительной калибровки эллипсометра, состоящей в определении собственных коэффициентов отражения и пропускания светоделительного элемента.The disadvantages of this technical solution is the insufficiently high measurement accuracy. This drawback is due to the instability of the optical parameters of the beam splitter element, which leads to an error in the measurement of ellipsometric parameters and necessitates the preliminary calibration of the ellipsometer, which consists in determining the intrinsic reflection and transmission coefficients of the beam splitter.
Известен также эллипсометр (патент США на изобретение №5311285, МПК: 5 G01B 11/06), содержащий оптически связанные плечо поляризатора, выполненное в виде источника поляризованного излучения, и плечо анализатора, между которыми размещен исследуемый образец. Причем плечо анализатора выполнено в виде композиционного расщепителя светового пучка, расщепляющего отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре различные поляризованные световые компоненты, четырех фотоприемных элементов, предназначенных для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца, арифметических средств для вычисления эллипсометрических параметров. Указанный композиционный световой расщепитель выполнен в составе: бесполяризационного оптического светоделительного элемента, делящего отраженный от образца световой пучок на два пучка, отраженный и пропущенный; первого поляризационного расщепителя пучка, ориентированного своим входом относительно бесполяризационного оптического светоделительного элемента с возможностью подачи на него отраженной части бесполяризационным оптическим светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполненного с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты; второго поляризационного расщепителя пучка, ориентированного относительно выхода бесполяризационного оптического светоделительного элемента с возможностью подачи на него пропущенной части бесполяризационным оптическим светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполненного с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты; компенсатора, размещенного перед одним из поляризационных расщепителей пучка, для обеспечения фазового сдвига.Also known is an ellipsometer (US patent for invention No. 5311285, IPC: 5 G01B 11/06) containing optically coupled polarizer arm, made in the form of a polarized radiation source, and analyzer arm, between which the studied sample is placed. Moreover, the analyzer arm is made in the form of a composite light beam splitter, splitting the light beam reflected by the test sample into four different polarized light components, four photodetector elements designed to receive polarized light radiation components and generate signals for calculating the ellipsometric parameters of the test sample, arithmetic tools for calculating ellipsometric parameters. The specified composite light splitter is made up of: a non-polarized optical beam splitter element dividing the light beam reflected from the sample into two beams, reflected and transmitted; the first polarizing beam splitter oriented with its input relative to the non-polarizing optical beam splitter element with the possibility of supplying to it the reflected part by the non-polarizing optical beam splitter element of radiation incident from the sample, and implemented with the implementation of the splitting of the light beam into orthogonally polarized components; the second polarizing beam splitter, oriented relative to the output of the non-polarizing optical beam splitter element with the possibility of supplying to it the missed part of the radiation without incident from the sample by the non-polarizing optical beam splitting element, and realized with the implementation of the splitting of the light beam into orthogonally polarized components; a compensator placed in front of one of the polarizing beam splitters to provide a phase shift.
Бесполяризационный оптический светоделительный элемент выполнен в виде стеклянной пластинки. В качестве компенсатора использована четвертьволновая фазосдвигающая пластинка.The non-polarizing optical beam splitting element is made in the form of a glass plate. A quarter-wave phase-shifting plate was used as a compensator.
Оптический светоделительный элемент в виде стеклянной пластинки делит по амплитуде отраженный от образца световой пучок. В качестве поляризационных расщепителей использованы двулучепреломляющие поляризационные призмы.An optical beam splitting element in the form of a glass plate divides the light beam reflected from the sample in amplitude. Birefringent polarizing prisms are used as polarization splitters.
Оптическая связь выполнена с возможностью подачи светового пучка от источника поляризованного излучения к исследуемому образцу, от образца - к оптическому светоделительному элементу, делящему отраженный образцом в общем случае эллиптически поляризованный световой пучок на две части, с пропусканием одной из них через светоделительный элемент и четвертьволновую фазовую пластинку и отражением другой части от граней светоделительного элемента, от светоделительного элемента - к двулучепреломляющим поляризационным призмам, расщепляющим прошедшую и отраженную части светового пучка на две ортогонально поляризованные компоненты, и далее - к фотоприемным элементам. По измеренным интенсивностям четырех световых компонент вычисляют эллипсометрические параметры ψ и Δ.Optical communication is made with the possibility of supplying a light beam from a polarized radiation source to the sample under study, from the sample to an optical beam splitting element, dividing the elliptically polarized light beam into two parts, generally, passing one of them through the beam splitting element and a quarter-wave phase plate and reflection of the other part from the faces of the beam splitting element, from the beam splitting element to birefringent polarizing prisms, splitting the transmitted and reflected parts of the light beam into two orthogonally polarized components, and then to the photodetector elements. From the measured intensities of the four light components, the ellipsometric parameters ψ and Δ are calculated.
К недостаткам данного технического решения относится недостаточно высокая точность измерений. Указанный недостаток обусловлен нестабильностью оптических параметров светоделительного элемента, приводящей к погрешности в измерениях эллипсометрических параметров и вызывающей необходимость предварительной калибровки эллипсометра, состоящей в определении собственных коэффициентов отражения и пропускания светоделительного элемента.The disadvantages of this technical solution is the insufficiently high measurement accuracy. This drawback is due to the instability of the optical parameters of the beam splitter element, which leads to an error in the measurement of ellipsometric parameters and necessitates the preliminary calibration of the ellipsometer, which consists in determining the intrinsic reflection and transmission coefficients of the beam splitter.
Ближайшим по назначению к заявляемому техническому решению является эллипсометр (свидетельство на полезную модель РФ №16314, МПК: 6 G01N 21/21), содержащий оптически связанные плечо поляризатора, выполненное в составе осветителя и поляризатора, и плечо анализатора, между которыми размещен исследуемый образец.The closest destination to the claimed technical solution is an ellipsometer (certificate for a utility model of the Russian Federation No. 16314, IPC: 6 G01N 21/21), containing optically coupled polarizer arm, made up of a illuminator and a polarizer, and an analyzer arm, between which the test sample is placed.
Причем плечо анализатора выполнено в виде композиционного расщепителя светового пучка, расщепляющего отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре различные поляризованные световые компоненты, фоторегистратора для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца. Указанный композиционный световой расщепитель выполнен в составе: оптического светоделительного элемента, делящего отраженный от образца световой пучок на два пучка, двух оптических измерительных каналов (амплитудного и фазового), каждый из которых предназначен для разделения входящего в него от светоделительного элемента одного из двух расщепленных пучков на два поляризованных в различных направлениях пучка; компенсатора, встроенного в оптический тракт одного измерительного канала, для обеспечения фазового сдвига. При этом один из измерительных каналов с поляризационным расщепителем (анализатором) ориентирован своим входом относительно оптического светоделительного элемента с возможностью подачи на него одной отделяемой части оптическим светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполнен с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты, другой измерительный канал со вторым поляризационным расщепителем (анализатором) ориентирован относительно оптического светоделительного элемента с возможностью подачи на него другой отделяемой части оптическим светоделительным элементом излучения, падающего от образца, и выполнен с реализацией расщепления светового пучка на ортогонально поляризованные компоненты.Moreover, the analyzer arm is made in the form of a composite light beam splitter, splitting the light beam reflected by the test sample into four different polarized light components, a photographic recorder for receiving polarized light radiation components and generating signals for calculating the ellipsometric parameters of the sample under study. The specified composite light splitter is made up of: an optical beam splitter that divides the light beam reflected from the sample into two beams, two optical measuring channels (amplitude and phase), each of which is designed to separate one of the two split beams entering it from the beam splitter two polarized in different directions beam; a compensator integrated in the optical path of one measuring channel to provide a phase shift. In this case, one of the measuring channels with a polarizing splitter (analyzer) is oriented by its input relative to the optical beam splitting element with the possibility of supplying to it one detachable part with the optical beam splitting element of radiation incident from the sample, and it is implemented with the splitting of the light beam into orthogonally polarized components, another measuring a channel with a second polarizing splitter (analyzer) is oriented relative to the optical beam splitter element with the possibility of supplying to it another detachable part of the optical beam splitting element of the radiation incident from the sample, and made with the implementation of the splitting of the light beam into orthogonally polarized components.
Компенсатор размещен в оптическом тракте одного из измерительных каналов (фазовом) перед поляризационным расщепителем (анализатором). Оптический светоделительный элемент выполнен в виде призмы полного внутреннего отражения. В качестве компенсатора использована четвертьволновая фазосдвигающая пластинка.The compensator is placed in the optical path of one of the measuring channels (phase) in front of the polarizing splitter (analyzer). The optical beam splitting element is made in the form of a prism of total internal reflection. A quarter-wave phase-shifting plate was used as a compensator.
В качестве поляризационных расщепителей использованы двулучепреломляющие призмы, выделяющие два ортогонально поляризованных пучка, а в качестве фоторегистратора - два двухплощадных фотоприемника с фоточувствительными площадками, предназначенными для приема ортогонально поляризованных пучков излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца.Birefringent prisms, emitting two orthogonally polarized beams, were used as polarizing splitters, and two two-area photodetectors with photosensitive pads intended for receiving orthogonally polarized radiation beams and generating signals for calculating the ellipsometric parameters of the test sample as a photographic recorder.
Оптическая связь выполнена с возможностью подачи светового пучка от осветителя к поляризатору, от поляризатора - к исследуемому образцу, от образца - к призме полного внутреннего отражения, разделяющей и подающей световое излучение, отраженное образцом, на фазовый, в составе компенсатора, поляризационного расщепителя и фоторегистратора, и амплитудный, в составе поляризационного расщепителя и фоторегистратора, измерительные каналы, конструктивные элементы которых оптически связаны между собой в указанной последовательности. Положения поляризатора, компенсатора и поляризационных расщепителей фиксированы.Optical communication is made with the possibility of supplying a light beam from the illuminator to the polarizer, from the polarizer to the test sample, from the sample to the prism of total internal reflection, separating and supplying the light radiation reflected by the sample to the phase, as part of the compensator, polarizing splitter and photorecorder, and amplitude, in the composition of the polarization splitter and photorecorder, measuring channels, the structural elements of which are optically coupled in the specified sequence. The positions of the polarizer, compensator, and polarization splitters are fixed.
К недостаткам ближайшего технического решения относится недостаточно высокая точность измерений. Приведенный недостаток обусловлен тем, что призма полного внутреннего отражения в результате наличия внутренних напряжений имеет собственное двулучепреломление и благодаря последнему вносит ошибки в измерение отношения амплитудных коэффициентов отражения Френеля Ψ для р- и s- компонент отраженного света.The disadvantages of the closest technical solution include insufficiently high measurement accuracy. The above drawback is due to the fact that the prism of total internal reflection as a result of the presence of internal stresses has its own birefringence and, due to the latter, introduces errors into the measurement of the ratio of the amplitude Fresnel reflection coefficients Ψ for the p- and s-components of the reflected light.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений.The technical result of the invention is to improve the accuracy of measurements.
В качестве дополнительного положительного эффекта в заявляемом изобретении имеет место улучшение экономических и эргономических характеристик эллипсометра.As an additional positive effect in the claimed invention, there is an improvement in the economic and ergonomic characteristics of the ellipsometer.
Технический результат достигают тем, что в эллипсометре, содержащем оптически связанные плечо поляризатора, выполненное в составе осветителя и поляризатора, и плечо анализатора, между которыми размещен исследуемый образец, причем плечо анализатора выполнено в виде оптически связанных композиционного расщепителя светового пучка, расщепляющего отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре различные поляризованные световые компоненты, фоторегистратора для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца, указанный композиционный расщепитель светового пучка выполнен единым измерительным каналом, совмещающим функции фазового и амплитудного измерительных каналов, обеспечивающим равные коэффициенты пропускания поляризованных световых компонент.The technical result is achieved in that in an ellipsometer containing optically coupled polarizer arm made up of a illuminator and a polarizer, and an analyzer arm between which the test sample is placed, the analyzer arm is made in the form of an optically coupled composite light beam splitter that splits the light reflected from the studied sample beam into four different polarized light components, a photorecorder for receiving polarized light radiation components and forming signals for calculating the ellipsometric parameters of the test sample, the specified composite light beam splitter is made by a single measuring channel, combining the functions of the phase and amplitude measuring channels, providing equal transmittances of polarized light components.
Единый измерительный канал выполнен в составе последовательно оптически связанных формирователя квазипараллельных световых пучков из отраженного образцом эллиптически поляризованного светового пучка, компенсатора, реализованного с возможностью прохождения его одним из квазипараллельных пучков без фазового сдвига, а другим - с фазовым сдвигом, и поляризационного расщепителя квазипараллельных пучков на различные поляризованные световые компоненты.A single measuring channel is made up of sequentially optically coupled shaper of quasiparallel light beams from an elliptically polarized light beam reflected by a sample, a compensator realized with the possibility of passing it through one of the quasiparallel beams without a phase shift, and the other with a phase shift, and a polarization splitter of quasiparallel beams polarized light components.
Формирователь квазипараллельных световых пучков выполнен с возможностью их вырезания из светового пучка.The shaper of quasi-parallel light beams is made with the possibility of cutting them out of the light beam.
Формирователь квазипараллельных световых пучков выполнен в виде двойной диафрагмы.The shaper of quasi-parallel light beams is made in the form of a double diaphragm.
Компенсатор выполнен в составе двух фазосдвигающих пластин, каждая из которых закреплена в индивидуальной кольцеобразной оправе с возможностью вращения относительно оптической оси независимо друг от друга для достижения требуемого положения, с последующей фиксацией, а также после фиксации каждой с возможностью вращения в общей оправе относительно оптической оси.The compensator is made up of two phase-shifting plates, each of which is fixed in an individual ring-shaped frame with the possibility of rotation relative to the optical axis independently of each other to achieve the desired position, with subsequent fixation, as well as after each fixing with the possibility of rotation in a common frame relative to the optical axis.
Компенсатор выполнен термостабилизированным из двух фазосдвигающих пластин с суммарной разностью фаз в фазовом сдвиге, равном π/2, пластины ориентированы с возможностью совпадения «быстрой» оси одной с «медленной» осью другой.The compensator is thermally stabilized from two phase-shifting plates with a total phase difference in the phase shift of π / 2, the plates are oriented with the possibility of coincidence of the “fast” axis of one with the “slow” axis of the other.
Компенсатор, реализованный с возможностью прохождения его одним из квазипараллельных пучков без фазового сдвига, а другим - с фазовым сдвигом, выполнен на основе использования двух фазосдвигающих пластин с геометрией, обеспечивающей отверстие в плоскости круга, вырезаемого кольцеобразной оправой.The compensator, implemented with the possibility of passing it by one of the quasi-parallel beams without a phase shift, and the other with a phase shift, is based on the use of two phase-shifting plates with a geometry that provides a hole in the plane of the circle cut out by an annular frame.
Фазосдвигающая пластина выполнена в виде плоского кольца с центральным осевым отверстием.The phase-shifting plate is made in the form of a flat ring with a central axial hole.
Поляризационный расщепитель квазипараллельных световых пучков выполнен с возможностью получения ортогонально поляризованных световых компонент.The polarization splitter of quasi-parallel light beams is configured to produce orthogonally polarized light components.
Поляризационный расщепитель выполнен в виде двулучепреломляющей поляризационной призмы с равными коэффициентами пропускания при расщеплении квазипараллельных световых пучков на ортогонально поляризованные компоненты.The polarization splitter is made in the form of a birefringent polarizing prism with equal transmittance when splitting quasi-parallel light beams into orthogonally polarized components.
Фоторегистратор для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца выполнен в виде четырехэлементного фотоприемника с четырьмя фоточувствительными площадками, размещенными в одном корпусе, детектирующими ортогонально поляризованные компоненты двух квазипараллельных пучков.A photographic recorder for receiving polarized light components of radiation and generating signals for calculating the ellipsometric parameters of the sample under study is made in the form of a four-element photodetector with four photosensitive pads located in one housing that detect orthogonally polarized components of two quasi-parallel beams.
Осветитель выполнен в виде источника монохроматического излучения или в виде источника монохроматического излучения, перестраиваемого по длине волны.The illuminator is made in the form of a source of monochromatic radiation or in the form of a source of monochromatic radiation, tunable by wavelength.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 приведена блок-схема эллипсометра в частном случае его выполнения, где 1 - осветитель, 2 - поляризатор, 3 - исследуемый образец, 4 - диафрагма, 5 - компенсатор, 6 - поляризационный расщепитель, 7 - фоторегистратор. На Фиг.2 приведена диафрагма. На Фиг.3 приведена фазосдвигающая пластина.The invention is illustrated by the following description and the accompanying drawings. Figure 1 shows the block diagram of the ellipsometer in the particular case of its implementation, where 1 is the illuminator, 2 is the polarizer, 3 is the test sample, 4 is the diaphragm, 5 is the compensator, 6 is the polarization splitter, 7 is the photorecorder. Figure 2 shows the diaphragm. Figure 3 shows the phase-shifting plate.
В предлагаемом изобретении достижение технического результата базируется на сокращении оптических элементов в конструкции, вносящих погрешность в измерения.In the present invention, the achievement of a technical result is based on the reduction of optical elements in the design, introducing an error in the measurement.
Создание единого измерительного канала (см. Фиг.1), выполняющего одновременно функции амплитудного и фазового измерительных каналов и обеспечивающего равные коэффициенты пропускания поляризованных световых компонент, позволяет вместо двух двулучепреломляющих призм использовать только одну. Указанное совмещение функций достигается конструкцией компенсатора, обеспечивающей реализацию прохождения через компенсатор 5 двух световых пучков, одного с фазовым сдвигом, а другого - без фазового сдвига, и дальнейшим расщеплением обоих прошедших компенсатор световых пучков на четыре поляризованные компоненты поляризационным расщепителем 6.The creation of a single measuring channel (see Figure 1), which simultaneously performs the functions of the amplitude and phase measuring channels and provides equal transmittances of polarized light components, allows using only one instead of two birefringent prisms. The indicated combination of functions is achieved by the design of the compensator, which ensures the passage through the compensator 5 of two light beams, one with a phase shift, and the other without a phase shift, and further splitting of the two transmitted light beams into four polarized components by a polarizing splitter 6.
Наличие единого измерительного канала позволило отказаться от светоделительного элемента, обеспечивающего подачу излучения, отраженного исследуемым образцом, на поляризационные расщепители измерительных каналов, ввиду отсутствия необходимости деления светового пучка на части, расходящиеся в разных направлениях для осуществления их подачи на поляризационные расщепители. Отсутствие в предлагаемом техническом решении традиционных для существующего уровня техники светоделительных элементов обеспечивает повышение точности измерений.The presence of a single measuring channel made it possible to abandon the beam splitting element supplying the radiation reflected by the studied sample to the polarization splitters of the measuring channels, since there was no need to divide the light beam into parts diverging in different directions to feed them to the polarizing splitters. The absence in the proposed technical solution of traditional for the existing level of technology beam-splitting elements provides improved measurement accuracy.
Для реализации возможности использования только одной двулучепреломляющей призмы за счет прохождения через компенсатор 5 с соблюдением вышеприведенного условия двух световых лучей перед компенсатором 5 выполнена диафрагма 4 (см. Фиг.1 и 2), формирующая узкие квазипараллельные световые пучки. При этом формирование данных пучков обеспечивается делением не по амплитуде, как это имеет место в известных технических решениях, например в приведенном первом аналоге, а по фронту. Данное обстоятельство разрешает использование в отличие от известных технических решений относительно широких световых пучков. В свою очередь, это позволяет формировать световые лучи посредством их вырезания из светового пучка, в частности, путем использования диафрагм.To realize the possibility of using only one birefringent prism due to passing through the compensator 5 with the above conditions of two light rays in front of the compensator 5, an aperture 4 (see Figs. 1 and 2) is formed, forming narrow quasi-parallel light beams. In this case, the formation of these beams is ensured by dividing not in amplitude, as is the case in known technical solutions, for example, in the first analogue given, but in front. This circumstance permits the use, in contrast to known technical solutions, of relatively wide light beams. In turn, this allows the formation of light rays by cutting them out of the light beam, in particular by using diaphragms.
Конструкция компенсатора, а именно геометрия его фазосдвигающих пластин обеспечивает прохождение через него одного вырезанного светового луча без фазового сдвига, а другого - с фазовым сдвигом. Конструктивное выполнение компенсатора также предусматривает возможность его термостабилизации, что дополнительно способствует повышению точности измерения.The design of the compensator, namely the geometry of its phase-shifting plates, allows one cut-out light beam to pass through it without a phase shift, and the other with a phase shift. The design of the compensator also provides for the possibility of its thermal stabilization, which further contributes to an increase in the measurement accuracy.
Эллипсометр содержит (Фиг.1) в частном случае его выполнения: осветитель 1, поляризатор 2, диафрагму 4, компенсатор 5, поляризационный расщепитель 6, фоторегистратор 7. Исследуемый образец 3 размещен между поляризатором 2 и диафрагмой 4.The ellipsometer contains (Figure 1) in the particular case of its implementation: illuminator 1, polarizer 2, diaphragm 4, compensator 5, polarization splitter 6, photo recorder 7. The test sample 3 is placed between the polarizer 2 and diaphragm 4.
Оптически связанные осветитель 1 и поляризатор 2 образуют плечо поляризатора.Optically coupled illuminator 1 and polarizer 2 form the polarizer arm.
Оптически последовательно связанные диафрагма 4, компенсатор 5, поляризационный расщепитель 6 и фоторегистратор 7 образуют плечо анализатора.Optically serially connected diaphragm 4, compensator 5, polarizing splitter 6 and photorecorder 7 form the analyzer arm.
Исследуемый образец 3 расположен между плечом поляризатора, обеспечивающим подачу на образец линейно поляризованного светового пучка, и плечом анализатора, обеспечивающим получение эллипсометрических параметров исследуемого образца, на которое подается отраженный от образца эллиптически поляризованный световой пучок.The test sample 3 is located between the polarizer arm, which supplies a linearly polarized light beam to the sample, and the analyzer arm, which provides ellipsometric parameters of the test sample, to which an elliptically polarized light beam reflected from the sample is supplied.
Осветитель 1 представляет собой источник монохроматического излучения, возможно перестраиваемый по длине волны. В качестве поляризатора 2 используют поляризационную призму.The illuminator 1 is a source of monochromatic radiation, possibly tunable in wavelength. As a polarizer 2 using a polarizing prism.
В плече анализатора выполнен композиционный расщепитель светового пучка, расщепляющий отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре поляризованные световые компоненты и обеспечивающий выход данных, в частности ортогонально поляризованных световых компонент, к фоторегистратору с равными коэффициентами их пропускания. Он оптически связан с фоторегистратором 7, предназначенным для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца. Композиционный расщепитель светового пучка выполнен единым измерительным каналом, совмещающим функции фазового и амплитудного измерительных каналов, обеспечивающим равные коэффициенты пропускания поляризованных световых компонент. В состав единого измерительного канала входят формирователь квазипараллельных световых пучков из отраженного образцом эллиптически поляризованного светового пучка, компенсатор, реализованный с возможностью прохождения его одним из квазипараллельных световых пучков без фазового сдвига, а другим - с фазовым сдвигом, и поляризационный расщепитель квазипараллельных световых пучков на поляризованные, в частности, ортогонально световые компоненты с равными для них коэффициентами пропускания.A composite light beam splitter was made in the analyzer arm, splitting the light beam reflected by the sample under study into four polarized light components and providing data output, in particular, orthogonally polarized light components, to a photorecorder with equal transmittance. It is optically coupled to a photorecorder 7, intended for receiving polarized light components of radiation and generating signals for calculating ellipsometric parameters of the test sample. The composite splitter of the light beam is made by a single measuring channel, combining the functions of the phase and amplitude measuring channels, providing equal transmittances of polarized light components. The single measuring channel includes a shaper of quasiparallel light beams from an elliptically polarized light beam reflected by a sample, a compensator realized with the possibility of passing it through one of the quasiparallel light beams without a phase shift, and the other with a phase shift, and a polarizing splitter of quasiparallel light beams into in particular, orthogonally light components with equal transmittances for them.
Данные элементы оптически связаны между собой в последовательности их перечисления.These elements are optically interconnected in the sequence of their enumeration.
Перед компенсатором расположен формирователь квазипараллельных световых пучков.A shaper of quasi-parallel light beams is located in front of the compensator.
Формирователь квазипараллельных световых пучков выполнен с возможностью их вырезания из светового пучка. Частный случай реализации данного элемента - двойная диафрагма (см. Фиг.2). Диафрагма расположена в горизонтальной плоскости и вырезает из расходящегося широкого отраженного исследуемым образцом пучка два узких квазипараллельных световых пучка, которые подаются на компенсатор.The shaper of quasi-parallel light beams is made with the possibility of cutting them out of the light beam. A special case of the implementation of this element is a double diaphragm (see Figure 2). The diaphragm is located in the horizontal plane and cuts out from the diverging wide beam reflected by the sample under study two narrow quasi-parallel light beams that are fed to the compensator.
В составе компенсатора выполнены две фазосдвигающие пластины. Каждая фазосдвигающая пластина закреплена в индивидуальной кольцеобразной оправе с возможностью вращения относительно оптической оси. Вращение каждой фазосдвигающей пластины осуществляется независимо друг от друга. Возможность такого вращения необходима для достижения требуемого положения друг относительно друга. После достижения надлежащего взаимного ориентирования положение фазосдвигающих пластин в индивидуальных оправах фиксируют. После фиксации каждой имеется возможность вращения их в общей оправе относительно оптической оси в ходе дальнейшей работы.The compensator has two phase-shifting plates. Each phase-shifting plate is fixed in an individual ring-shaped frame with the possibility of rotation about the optical axis. The rotation of each phase-shifting plate is carried out independently of each other. The possibility of such rotation is necessary to achieve the desired position relative to each other. After achieving proper mutual orientation, the position of the phase-shifting plates in the individual frames is fixed. After fixing each, it is possible to rotate them in a common frame relative to the optical axis in the course of further work.
При этом компенсатор выполнен термостабилизированным. Две фазосдвигающие пластины с суммарной разностью фаз в фазовом сдвиге, равном π/2, ориентированы с учетом совпадения «быстрой» оси одной с «медленной» осью другой.In this case, the compensator is thermally stabilized. Two phase-shifting plates with a total phase difference in the phase shift of π / 2 are oriented taking into account the coincidence of the “fast” axis of one with the “slow” axis of the other.
Наличие кольцеобразных оправ фазосдвигающих пластин дает возможность вращения пластин относительно оптической оси, что необходимо для их взаимного ориентирования и надлежащей работы эллипсометра.The presence of ring-shaped frames of phase-shifting plates makes it possible to rotate the plates relative to the optical axis, which is necessary for their relative orientation and proper operation of the ellipsometer.
Компенсатор реализован с возможностью прохождения его одним из квазипараллельных световых пучков, формирующихся двойной диафрагмой, без фазового сдвига, а другим - с фазовым сдвигом. Для реализации данного условия используют фазосдвигающие пластины с геометрией, при которой обеспечивается отверстие в плоскости круга, вырезаемого кольцеобразной оправой. В частном случае реализации каждая из фазосдвигающих пластин выполняется в виде плоского кольца с центральным отверстием (Фиг.3), каждое кольцо закрепляется в индивидуальной кольцеобразной оправе. Через отверстие в фазосдвигающих пластинах проходит один из квазипараллельных световых пучков, не претерпевая при этом фазового сдвига. Другой квазипараллельный световой пучок проходит непосредственно через фазосдвигающие пластины компенсатора и претерпевает фазовый сдвиг.The compensator is implemented with the possibility of passing it by one of the quasi-parallel light beams formed by a double diaphragm, without a phase shift, and the other with a phase shift. To implement this condition, phase-shifting plates with geometry are used, in which a hole is provided in the plane of the circle cut out by an annular frame. In the particular case of implementation, each of the phase-shifting plates is made in the form of a flat ring with a central hole (Figure 3), each ring is fixed in an individual ring-shaped frame. One of the quasi-parallel light beams passes through the hole in the phase-shifting plates without undergoing a phase shift. Another quasi-parallel light beam passes directly through the phase-shifting plates of the compensator and undergoes a phase shift.
Поляризационный расщепитель предназначен для расщепления квазипараллельных световых пучков на ортогонально поляризованные световые компоненты. В качестве поляризационного расщепителя используют двулучепреломляющую поляризационную призму (призма Волластона), обеспечивающую равные коэффициенты пропускания при расщеплении квазипараллельных световых пучков на ортогонально поляризованные световые компоненты.The polarization splitter is designed to split quasi-parallel light beams into orthogonally polarized light components. As a polarization splitter, a birefringent polarizing prism (Wollaston prism) is used, which provides equal transmittance when splitting quasi-parallel light beams into orthogonally polarized light components.
Фоторегистратор предназначен для приема поляризованных световых компонент излучения и формирования сигналов для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца. В качестве фоторегистратора используют четырехэлементный фотоприемник с четырьмя фоточувствительными площадками, размещенными в одном корпусе, детектирующими ортогонально поляризованные компоненты двух квазипараллельных световых пучков.The photographic recorder is designed to receive polarized light components of radiation and generate signals for calculating the ellipsometric parameters of the test sample. A four-element photodetector with four photosensitive pads located in the same housing detecting orthogonally polarized components of two quasi-parallel light beams is used as a photorecorder.
Эллипсометр работает следующим образом.The ellipsometer works as follows.
Световой поток, испускаемый осветителем 1, линейно поляризуется поляризатором 2, и, выходя из плеча поляризатора, падает на поверхность исследуемого образца 3. Падающий линейно поляризованный световой пучок отражается от поверхности образца 3 с изменением состояния поляризации и становится в общем случае эллиптически поляризованным и в таком состоянии поступает в плечо анализатора, а именно на композиционный расщепитель светового пучка, расщепляющий отраженный исследуемым образцом световой пучок на четыре ортогонально поляризованные световые компоненты, представляющий собой единый измерительный канал. В композиционном расщепителе сначала эллиптически поляризованный световой пучок подается на формирователь квазипараллельных световых пучков, представляющий собой диафрагму 4, которая вырезает два узких квазипараллельных световых пучка, исходящих под одним и тем же углом относительно поверхности образца. Затем квазипараллельные световые пучки подаются на компенсатор 5, один из них проходит компенсатор без фазового сдвига, а другой претерпевает относительный фазовый сдвиг, равный 90°. После чего оба световых пучка подаются на поляризационный расщепитель 6, и каждый расщепляется двулучепреломляющей призмой (поляризационный расщепитель 6) на два ортогонально поляризованных пучка. После чего пучки поступают к фоторегистратору 7, засвечивают фоточувствительные площадки четырехэлементного фотоприемника, формируя электрические сигналы I1, I2, I3 и I4.The light flux emitted by the illuminator 1 is linearly polarized by the polarizer 2, and, leaving the polarizer arm, falls on the surface of the sample 3. The incident linearly polarized light beam is reflected from the surface of the sample 3 with a change in the polarization state and becomes generally elliptically polarized, and in such a case state enters the analyzer’s arm, namely, to the composite light beam splitter, splitting the light beam reflected by the test sample into four orthogonally polarized light components, which is a single measuring channel. In a composite splitter, the elliptically polarized light beam is first supplied to the shaper of quasi-parallel light beams, which is a diaphragm 4, which cuts out two narrow quasi-parallel light beams emanating at the same angle relative to the surface of the sample. Then quasi-parallel light beams are fed to the compensator 5, one of them passes the compensator without a phase shift, and the other undergoes a relative phase shift of 90 °. After that, both light beams are fed to the polarization splitter 6, and each is split by a birefringent prism (polarization splitter 6) into two orthogonally polarized beams. After that, the beams arrive at the photorecorder 7, illuminate the photosensitive areas of the four-element photodetector, forming electrical signals I 1 , I 2 , I 3 and I 4 .
По измеренным сигналам I1, I2, I3 и I4 вычисляют параметры поляризации. Указанные измеряемые величины получают при фиксированных угловых положениях относительно плоскости падения света поляризационных элементов: поляризатор 2 - ±45°; компенсатор 5 - 0° или 45°; поляризационный расщепитель 6 - 0° или 45°. Фазовый сдвиг, вносимый компенсатором 5, составляет δ=90°.From the measured signals I 1 , I 2 , I 3 and I 4 calculate the polarization parameters. The indicated measured values are obtained at fixed angular positions relative to the plane of incidence of the polarizing elements: polarizer 2 - ± 45 °; compensator 5 - 0 ° or 45 °; polarization splitter 6 - 0 ° or 45 °. The phase shift introduced by the compensator 5 is δ = 90 °.
Для вычисления эллипсометрических параметров исследуемого образца 3 используют следующие формулы.To calculate the ellipsometric parameters of the test sample 3, the following formulas are used.
В случае когда азимут компенсатора 5 равен 45°, а азимут поляризационного расщепителя 6 - 0°, тоIn the case when the azimuth of the compensator 5 is 45 °, and the azimuth of the polarization splitter 6 is 0 °, then
в случае если азимут поляризационного расщепителя 6 равен 45°, тоif the azimuth of the polarization splitter 6 is 45 °, then
в случае когда азимут компенсатора 5 равен 0°, азимут поляризационного расщепителя 6 равен 45°, тоin the case when the azimuth of the compensator 5 is 0 °, the azimuth of the polarization splitter 6 is 45 °, then
где I1 - величина напряжения, снимаемого на фоторегистраторе 7 с первой фоточувствительной области четырехэлементного фотоприемника, пропорциональная интенсивности светового пучка, падающего на данную область, В;where I 1 is the magnitude of the voltage recorded on the photorecorder 7 from the first photosensitive region of the four-element photodetector, proportional to the intensity of the light beam incident on this region, V;
I2 - величина напряжения, снимаемого на фоторегистраторе 7 со второй фоточувствительной области четырехэлементного фотоприемника, пропорциональная интенсивности светового пучка, падающего на данную область, В;I 2 is the magnitude of the voltage recorded on the photorecorder 7 from the second photosensitive region of the four-element photodetector, proportional to the intensity of the light beam incident on this region, V;
I3 - величина напряжения, снимаемого на фоторегистраторе 7 с третьей фоточувствительной области четырехэлементного фотоприемника, пропорциональная интенсивности светового пучка, падающего на данную область. В;I 3 - the magnitude of the voltage recorded on the photorecorder 7 from the third photosensitive region of the four-element photodetector, proportional to the intensity of the light beam incident on this region. AT;
I4 - величина напряжения, снимаемого на фоторегистраторе 7 с четвертой фоточувствительной области четырехэлементного фотоприемника, пропорциональная интенсивности светового пучка, падающего на данную область, В (см. Фиг.1).I 4 is the magnitude of the voltage recorded on the photorecorder 7 from the fourth photosensitive region of the four-element photodetector, proportional to the intensity of the light beam incident on this region, V (see Figure 1).
Изменяя азимутальные положения поляризационного расщепителя 6 (двулучепреломляющей поляризационной призмы), отношение коэффициентов отражения Френеля ψ и фазовый сдвиг Δ однозначно измеряются во всем диапазоне значений: ψ от 0 до 90°; Δ от 0 до 360°.Changing the azimuthal positions of the polarization splitter 6 (birefringent polarizing prism), the ratio of the Fresnel reflection coefficients ψ and the phase shift Δ are unambiguously measured in the entire range of values: ψ from 0 to 90 °; Δ from 0 to 360 °.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007120401/28A RU2351917C1 (en) | 2007-05-31 | 2007-05-31 | Ellipsometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007120401/28A RU2351917C1 (en) | 2007-05-31 | 2007-05-31 | Ellipsometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007120401A RU2007120401A (en) | 2008-12-10 |
| RU2351917C1 true RU2351917C1 (en) | 2009-04-10 |
Family
ID=41015043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007120401/28A RU2351917C1 (en) | 2007-05-31 | 2007-05-31 | Ellipsometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2351917C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2638092C1 (en) * | 2016-08-23 | 2017-12-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Поларлайт" | Ellipsometer |
-
2007
- 2007-05-31 RU RU2007120401/28A patent/RU2351917C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2638092C1 (en) * | 2016-08-23 | 2017-12-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Поларлайт" | Ellipsometer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007120401A (en) | 2008-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3791975B2 (en) | Homodyne interferometer and its reception method | |
| US8908180B2 (en) | Device and method for polarimetric measurement with microscopic resolution, polarimetry accessory for a microscope, ellipsomicroscope and ellipsometric contrast microscope | |
| TWI467157B (en) | Method and apparatus for measuring optically anisotropic parameters | |
| JPH05157521A (en) | Measuring method of ellipso parameter and ellipsometer | |
| JPH05113371A (en) | Ellipsoparameter measuring method and ellipsometer | |
| CN109990736B (en) | Method and device for measuring roll angle based on Stokes vector | |
| US20040036877A1 (en) | Entangled-photon ellipsometry | |
| JPH03205536A (en) | Ellipsometer with high resolving power and method of its use | |
| KR20020009512A (en) | Method and device for measuring thickness of test object | |
| TWI615604B (en) | Calibration method for wide-band achromatic composite wave plate | |
| US8199328B2 (en) | Polarimeter employing a fizeau interferometer | |
| RU2351917C1 (en) | Ellipsometer | |
| RU2302623C2 (en) | Ellipsometer | |
| CN102636333B (en) | Device and method for measuring phase retardation and fast axis azimuth angle of wave plate in real time | |
| CN202710848U (en) | Linearly-polarized light generating device with high energy utilization rate and application thereof | |
| CN109781317B (en) | Optical glass stress detection system and detection method | |
| JPH0571923A (en) | Polarization analyzing method and thin film measuring apparatus | |
| CN102519712B (en) | One-eighth wave plate phase retardation measurer and measuring method | |
| JP2003516533A (en) | Polarization analyzer and polarization analysis method | |
| Hariharan et al. | A simple interferometric arrangement for the measurement of optical frequency response characteristics | |
| JPS63236945A (en) | Crystal bearing analysis instrument which utilizes polarization characteristic of raman scattering light | |
| CN110554003A (en) | device and method for measuring uniaxial crystal mineral birefringence | |
| CN113654996A (en) | Device and method for measuring phase retardation of composite achromatic wave plate | |
| Shvets et al. | Analysis of a static scheme of ellipsometric measurements | |
| JP2006275749A (en) | Instrument for measuring double refraction phase difference of material |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120601 |