RU2583959C1 - Method of determining muller matrix - Google Patents
Method of determining muller matrix Download PDFInfo
- Publication number
- RU2583959C1 RU2583959C1 RU2015110507/28A RU2015110507A RU2583959C1 RU 2583959 C1 RU2583959 C1 RU 2583959C1 RU 2015110507/28 A RU2015110507/28 A RU 2015110507/28A RU 2015110507 A RU2015110507 A RU 2015110507A RU 2583959 C1 RU2583959 C1 RU 2583959C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplitude
- channel
- components
- phase
- sample
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано для полного определения состояния поляризации света, отраженного от поверхности исследуемого образца. Способ допускает использование стандартных приборов, измеряющих состояние поляризации, серийно выпускаемых эллипсометров, построенных на базе четырехканальной фотометрической схемы. Для реализации изобретения необходимо внести незначительные изменения в оптический тракт прибора. Более того, возможность приведения оптической схемы к первоначальному виду является неотъемлемой частью заявляемого способа, что позволяет использовать эллипсометр в штатном режиме для измерения эллипсометрических углов Ψ и Δ в любой момент физического эксперимента.The invention relates to the field of optical measurements and can be used to fully determine the state of polarization of light reflected from the surface of the sample. The method allows the use of standard instruments that measure the state of polarization, commercially available ellipsometers, built on the basis of a four-channel photometric circuit. To implement the invention, it is necessary to make minor changes to the optical path of the device. Moreover, the ability to bring the optical circuit to its original form is an integral part of the proposed method, which allows you to use the ellipsometer in the normal mode for measuring ellipsometric angles Ψ and Δ at any time of a physical experiment.
Известен Стокс-эллипсометр [KR 20030049473 (A), МПК G01J 4/00, опубл. 25.06. 2003], состоящий из немонохроматического источника света, коллиматоров, поляризационного генератора, анализирующего блока на основе ПЗС-матриц и позволяющий измерять компоненты матрицы Мюллера исследуемого образца.Known Stokes ellipsometer [KR 20030049473 (A), IPC
Недостатками данного прибора являются невысокая разрешающая способность по спектру, а также сложность юстировки в случае использования в режиме in situ, например в качестве диагностического инструмента на высоковакуумной камере.The disadvantages of this device are the low resolution in spectrum, as well as the difficulty of alignment in case of use in situ, for example, as a diagnostic tool on a high-vacuum chamber.
В изобретении [US 5757494 A, МПК G01 21/21, опубл. 26.05.1998] также существует возможность измерять матрицу Мюллера, однако присутствие вращающихся элементов существенно увеличивает время измерения, что является серьезным недостатком при исследовании динамических процессов.In the invention [US 5757494 A, IPC G01 21/21, publ. 05.26.1998] it is also possible to measure the Mueller matrix, however, the presence of rotating elements significantly increases the measurement time, which is a serious drawback in the study of dynamic processes.
Известен способ измерения состояния поляризации эллипсометром [п.м. РФ №16314, МПК G01N 21/21, опубл. 20.12.2000], сконструированным по фотометрической схеме, заключающийся в расщеплении отраженного от поверхности исследуемого образца светового пучка на две составляющие, которые измеряют соответственно амплитудные и фазовые изменения света при отражении для р- и s-поляризаций.A known method of measuring the state of polarization with an ellipsometer [pm RF №16314, IPC G01N 21/21, publ. 20.12.2000], constructed according to the photometric scheme, which consists in splitting the light beam reflected from the surface of the test sample into two components, which measure the amplitude and phase changes in light during reflection, respectively, for p and s polarizations.
Недостатки этого способа заключаются в невысокой точности измерений и узком спектральном диапазоне проведения измерений, а также в невозможности измерить полное состояние поляризации (вектор Стокса) света, отраженного от исследуемого образца.The disadvantages of this method are the low accuracy of the measurements and the narrow spectral range of the measurements, as well as the inability to measure the total polarization state (Stokes vector) of the light reflected from the test sample.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ измерения состояния поляризации эллипсометром [патент РФ №2302623, МПК: 6 G01N 21/21, опубл. 10.07.2007 (прототип)], заключающийся в том, что в конструкции также используется фотометрическая четырехканальная схема, позволяющая минимизировать количество оптических конфигураций для измерения матрицы Мюллера, что ускорит время одного эксперимента.The closest technical solution to the claimed is a method of measuring the state of polarization with an ellipsometer [RF patent No. 2302623, IPC: 6 G01N 21/21, publ. July 10, 2007 (prototype)], which consists in the fact that the design also uses a photometric four-channel scheme, which allows minimizing the number of optical configurations for measuring the Mueller matrix, which will accelerate the time of one experiment.
Технический результат заключается в возможности полного определения состояния поляризации света, отраженного от поверхности исследуемого образца (вектора Стокса) для нахождения всех компонент матрицы Мюллера.The technical result consists in the possibility of a complete determination of the state of polarization of light reflected from the surface of the sample (Stokes vector) to find all the components of the Mueller matrix.
Технический результат достигается тем, что в способе определения матрицы Мюллера, заключающемся в том, что исследуемый образец освещают поляризованным световым пучком и измеряют изменение поляризации при отражении, используя разделение отраженного луча на р- и s-компоненты с разложением по амплитуде и фазе, получая на выходе четыре световых пучка с интенсивностями IΨ1, IΨ2, IΔ1, IΔ2, при этом азимутальные углы оптических элементов принимают фиксированные значения в определенных комбинациях, поляризатор фиксируют в положениях Р=0°, -45°, +45°, анализатор в амплитудном канале AΨ=0°, 45°, фазовом канале AΔ=45°, ромб Френеля R=0 и проводят измерения, соответствующие следующим конфигурациям:The technical result is achieved by the fact that in the method of determining the Mueller matrix, which consists in the fact that the test sample is illuminated with a polarized light beam and the change in polarization upon reflection is measured using separation of the reflected beam into p and s components with expansion in amplitude and phase, obtaining four output light beams with intensities I Ψ1, I Ψ2, I Δ1 , I Δ2, wherein the azimuth angles of the optical elements take fixed values in certain combinations, the polarizer is fixed to P = 0 °, -45 °, +45 Analyzer in amplitude channel A Ψ = 0 °, 45 °, phase channel A Δ = 45 °, Fresnel rhomb R = 0 and measured, corresponding to the following configurations:
A: P45SR0WΨ45WΔ45A: P45SR0W Ψ 45W Δ 45
В: P45SR0WΨ0WΔ45In: P45SR0W Ψ 0W Δ 45
F: P0SR0WΨ45WΔ45F: P0SR0W Ψ 45W Δ 45
Е: P0SR0WΨ0WΔ45,E: P0SR0W Ψ 0W Δ 45,
новым является то, что изменяют состояние поляризации падающего на образец света с линейной на круговую, устанавливая в оптический тракт перед образцом фазовую пластинку в положении D=0°, и проводят измерения, соответствующие конфигурациям:new is that they change the polarization state of the incident light from linear to circular, installing a phase plate in the optical path in front of the sample in the position D = 0 °, and carry out measurements corresponding to the configurations:
С: P-45D0SR0WΨ0WΔ45C: P-45D0SR0W Ψ 0W Δ 45
D: P-45D0SR0WΨ45WΔ45, D: P-45D0SR0W Ψ 45W Δ 45,
а компоненты матрицы Мюллера Sij определяют, решая следующую систему линейных уравнений:and the components of the Mueller matrix S ij are determined by solving the following system of linear equations:
где - интенсивности р- и s-компонент в амплитудном измерительном канале Ψ плеча анализатора, - в фазовом измерительном канале Δ для различных конфигураций оптических элементов.Where - the intensity of the p and s components in the amplitude measuring channel Ψ of the analyzer arm, - in the phase measuring channel Δ for various configurations of optical elements.
Отличия заявляемого способа от наиболее близкого аналога заключаются в том, что во время проведения измерений в оптический тракт устанавливают фазовую пластинку, а также в используемом математическом аппарате при вычислении значений компонент матрицы Мюллера. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The differences of the proposed method from the closest analogue are that during measurements, a phase plate is installed in the optical path, as well as in the used mathematical apparatus when calculating the values of the components of the Mueller matrix. These differences allow us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty." Signs that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions when studying this and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solution with the criterion of "inventive step".
На фиг. 1 представлена схема стокс-эллипсометра.In FIG. 1 shows a diagram of a stokes ellipsometer.
Устройство для измерения матрицы Мюллера (см. фиг. 1) состоит из источника света 1 (HeNe лазер), поляризатора 2, составляющих плечо поляризатора, модуля изменения фазы 3, представляющего собой фазовую пластинку в четверть волны с возможностью выведения из оптического тракта, исследуемого образца 4. Плечо анализатора Стокс-эллипсометра состоит из ромба Френеля 5, призм Волластона 6, 7, двухплощадных фотоприемников 8, 9.The device for measuring the Mueller matrix (see Fig. 1) consists of a light source 1 (HeNe laser), a
Измерение матрицы Мюллера происходит следующим образом.The measurement of the Mueller matrix is as follows.
Световой поток 10, испускаемый осветителем 1, линейно поляризуется поляризатором 2, проходит через модуль изменения фазы 3, и для конфигураций C, D меняет состояние поляризации с линейной на круговую, для конфигураций A, B, E, F состояние поляризации остается без изменений, затем падает на поверхность исследуемого образца 4. Падающий, линейно поляризованный (или поляризованный по кругу) световой пучок отражается от поверхности образца с изменением состояния поляризации и становится, в общем случае, эллиптически поляризованным и в таком состоянии поступает в плечо анализатора, а именно на ромб Френеля 5, который одновременно играет роль пространственного расщепителя светового пучка и фазовой пластинки, расщепляющий отраженный исследуемым образцом световой пучок на две световые компоненты, одна из которых попадает в амплитудный измерительный канал, где призма Волластона 6 разделяет входной световой пучок на р- и s-компоненты, интенсивности которых затем регистрируются двухплощадным фотоприемником 9. Другая часть светового пучка, претерпев фазовый сдвиг, попадает в фазовый измерительный канал Δ, где, проходя также через призму Волластона 7, также регистрируется фотоприемниками 8.The
В итоге имеем четыре значения интенсивности IΨ1, IΨ2, IΔ1, IΔ2, из которых вычисляют значения компонент матрицы Мюллера. При проведении таких измерений оптические поляризационные элементы принимают следующие фиксированные азимутальные положения:As a result, we have four intensity values I Ψ1 , I Ψ2 , I Δ1 , I Δ2 , from which the values of the components of the Mueller matrix are calculated. During such measurements, the optical polarization elements take the following fixed azimuthal positions:
A: P45SR0WΨ45WΔ45A: P45SR0W Ψ 45W Δ 45
В: P45SR0WΨ0WΔ45In: P45SR0W Ψ 0W Δ 45
С: P-45D0SR0WΨ0WΔ45C: P-45D0SR0W Ψ 0W Δ 45
D: P-45D0SR0WΨ45WΔ45D: P-45D0SR0W Ψ 45W Δ 45
Е: P0SR0WΨ0WΔ45E: P0SR0W Ψ 0W Δ 45
F: P0SR0WΨ45WΔ45,F: P0SR0W Ψ 45W Δ 45,
где введены следующие обозначения: Р - поляризатор, D - перестраиваемая фазовая пластинка, S - исследуемый образец, R - ромб Френеля, WΨ и WΔ - призмы Волластона в амплитудном и фазовом измерительных каналах соответственно.where the following notation is introduced: P - polarizer, D - tunable phase plate, S - test sample, R - Fresnel rhombus, W Ψ and W Δ - Wollaston prisms in the amplitude and phase measuring channels, respectively.
Для того чтобы получить значение компонент матрицы Мюллера исследуемого образца, необходимо провести имитационное моделирование заявляемого Стокс-эллипсометра. Для этого записывают матрицы Мюллера оптических элементов прибора для всех приведенных конфигураций (A-F). Такие матрицы подробно описаны в монографии [У. Шерклифф. Поляризованный свет // Пер. с англ. М.: Мир, 1965]. Рассмотрим, например, конфигурацию С и составим последовательность матриц Мюллера для фазового измерительного канала и s-компоненты:In order to obtain the value of the components of the Muller matrix of the test sample, it is necessary to conduct a simulation of the inventive Stokes ellipsometer. To do this, the Mueller matrices of the optical elements of the device for all the configurations (A-F) are recorded. Such matrices are described in detail in the monograph [W. Sherkliff. Polarized light // Per. from English M .: Mir, 1965]. Consider, for example, configuration C and compose a sequence of Mueller matrices for the phase measuring channel and the s-component:
Здесь:Here:
I. Вектор Стокса падающего неполяризованного света единичной интенсивности;I. Stokes vector of incident unpolarized light of unit intensity;
II. Матрица Мюллера для линейного поляризатора с азимутом -45°;II. Mueller matrix for a linear polarizer with an azimuth of -45 °;
III. Матрица Мюллера для фазовой пластинки с азимутом 0°;III. Mueller matrix for a phase plate with an azimuth of 0 °;
IV. Матрица Мюллера исследуемого образца (неизвестна);IV. Muller matrix of the test sample (unknown);
V. Матрица Мюллера для ромба Френеля с азимутом 0°;V. Mueller matrix for a Fresnel rhombus with an azimuth of 0 °;
VI. Матрица для s-компоненты призмы Волластона с азимутом 45°;VI. Matrix for the s-component of the Wollaston prism with an azimuth of 45 °;
Произведя последовательное (справа налево) умножение матриц, получим значение интенсивности для конфигурации С на данном каналеAfter sequential (from right to left) matrix multiplication, we obtain the intensity value for configuration C on this channel
Аналогично получаем оставшиеся пятнадцать уравнений, составляющих систему:Similarly, we get the remaining fifteen equations that make up the system:
решая которую, получаем компоненты матрицы Мюллера.solving which, we get the components of the Mueller matrix.
Преимущество заявляемого способа определения матрицы Мюллера заключается прежде всего в расширении возможностей стандартного эллипсометра для исследования образцов с оптической анизотропией. Данная оптическая схема упрощает процесс юстировки и тем самым позволяет установить прибор на сверхвысоковакуумную камеру для in situ измерений.The advantage of the proposed method for determining the Muller matrix is primarily to expand the capabilities of a standard ellipsometer for the study of samples with optical anisotropy. This optical design simplifies the alignment process and thereby allows the instrument to be mounted on an ultra-high vacuum chamber for in situ measurements.
Claims (1)
A: P45SR0WΨ45WΔ45
В: P45SR0WΨ0WΔ45
F: P0SR0WΨ45WΔ45
Е: P0SR0WΨ0WΔ45,
где S - исследуемый образец, WΨ и WΔ - призмы Волластона в амплитудном и фазовом измерительных каналах соответственно,
отличающийся тем, что изменяют состояние поляризации падающего на образец света с линейной на круговую, устанавливая в оптический тракт перед образцом фазовую пластинку в положении D=0° и проводят измерения, соответствующие конфигурациям:
С: P-45D0SR0WΨ0WΔ45
D: P-45D0SR0WΨ45WΔ45, а компоненты матрицы Мюллера Sij определяют, решая следующую систему линейных уравнений:
где - интенсивности р- и s-компонент в амплитудном измерительном канале плеча анализатора, - в фазовом измерительном канале для различных конфигураций оптических элементов. The method of determining the Muller matrix, which consists in the fact that the test sample is illuminated with a polarized light beam and the change in polarization upon reflection is measured using the separation of the reflected beam into p and s components with expansion in amplitude and phase, obtaining four light beams with intensities I at the output Ψ1 , I Ψ2 , I Δ1 , I Δ2 , while the azimuthal angles of the optical elements take fixed values in certain combinations, the polarizer is fixed in positions P = 0 °, -45 °, + 45 °, the analyzer in the amplitude channel A Ψ = 0 ° , 45 °, fa channel A Δ = 45 °, Fresnel rhombus R = 0 and carry out measurements corresponding to the following configurations:
A: P45SR0W Ψ 45W Δ 45
In: P45SR0W Ψ 0W Δ 45
F: P0SR0W Ψ 45W Δ 45
E: P0SR0W Ψ 0W Δ 45,
where S is the test sample, W Ψ and W Δ are Wollaston prisms in the amplitude and phase measuring channels, respectively,
characterized in that the polarization state of the light incident on the sample is changed from linear to circular, installing a phase plate in the optical path in front of the sample in the position D = 0 ° and performing measurements corresponding to the configurations:
C: P-45D0SR0W Ψ 0W Δ 45
D: P-45D0SR0W Ψ 45W Δ 45, and the components of the Mueller matrix S ij are determined by solving the following system of linear equations:
Where - the intensity of the p and s components in the amplitude measuring channel of the analyzer arm, - in a phase measuring channel for various configurations of optical elements.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015110507/28A RU2583959C1 (en) | 2015-03-24 | 2015-03-24 | Method of determining muller matrix |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015110507/28A RU2583959C1 (en) | 2015-03-24 | 2015-03-24 | Method of determining muller matrix |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2583959C1 true RU2583959C1 (en) | 2016-05-10 |
Family
ID=55960281
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015110507/28A RU2583959C1 (en) | 2015-03-24 | 2015-03-24 | Method of determining muller matrix |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2583959C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5757494A (en) * | 1994-10-21 | 1998-05-26 | J.A. Woollam Co. Inc. | System and method for improving data acquisition capability in spectroscopic ellipsometers |
US5956147A (en) * | 1997-06-13 | 1999-09-21 | Lockheed Martin Energy Research Corporation | Two modulator generalized ellipsometer for complete mueller matrix measurement |
KR20030049473A (en) * | 2001-12-15 | 2003-06-25 | (주)엘립소테크놀러지 | Ultra high speed spectroscopic ellipsometer |
RU2302623C2 (en) * | 2005-09-28 | 2007-07-10 | Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук | Ellipsometer |
-
2015
- 2015-03-24 RU RU2015110507/28A patent/RU2583959C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5757494A (en) * | 1994-10-21 | 1998-05-26 | J.A. Woollam Co. Inc. | System and method for improving data acquisition capability in spectroscopic ellipsometers |
US5956147A (en) * | 1997-06-13 | 1999-09-21 | Lockheed Martin Energy Research Corporation | Two modulator generalized ellipsometer for complete mueller matrix measurement |
KR20030049473A (en) * | 2001-12-15 | 2003-06-25 | (주)엘립소테크놀러지 | Ultra high speed spectroscopic ellipsometer |
RU2302623C2 (en) * | 2005-09-28 | 2007-07-10 | Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук | Ellipsometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7889339B1 (en) | Complementary waveplate rotating compensator ellipsometer | |
JP4455024B2 (en) | Birefringence measuring device | |
KR102696735B1 (en) | Instantaneous ellipsometer or scatterometer and related measuring methods | |
CN106662531B (en) | Glow discharge spectroscopy method and system for in situ measurement of etch depth of a sample | |
KR101844627B1 (en) | Measurement of critical dimension | |
US8107075B2 (en) | Optical characteristic measuring apparatus and optical characteristics measuring method | |
JP5722094B2 (en) | Circular dichroism measuring apparatus and circular dichroism measuring method | |
US11264256B2 (en) | Wafer inspection apparatus | |
US10663408B2 (en) | Optical phase measurement system and method | |
WO2006134840A1 (en) | Optical characteristic measuring device and optical characteristic measuring method | |
US2829555A (en) | Polarimetric method and apparatus | |
CN105758625B (en) | A kind of device and method for the linear polarization sensitivity measuring remote sensing instrument | |
KR102419582B1 (en) | Method and system for optical characterization of patterned samples | |
EP0075689A1 (en) | Optical instruments for viewing a sample surface | |
KR100336696B1 (en) | Apparatus and method for detecting polarization | |
RU2583959C1 (en) | Method of determining muller matrix | |
JP2019109074A (en) | Measuring apparatus and measuring method | |
US8279439B2 (en) | Birefringence measuring device and birefringence measuring method | |
US7342661B2 (en) | Method for noise improvement in ellipsometers | |
EP0080540A1 (en) | Method and apparatus for measuring quantities which characterize the optical properties of substances | |
RU2302623C2 (en) | Ellipsometer | |
RU2638582C1 (en) | Two-channel interferometric system for investigating shock-wave processes | |
CN115290571A (en) | Measuring apparatus and measuring method | |
RU2560148C1 (en) | METHOD OF MEASURING MAGNETOOPTICAL EFFECTS in situ | |
RU2749149C1 (en) | Two-way velocity ellipsometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20161222 |
|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20170330 |