Изобретение относится к оптике, в частности к способам определения микрорельефа и распределения оптических материальных констант приповерхностного слоя объекта, и может быть использовано для исследований в микроэлектронике, нанотехнологии, материаловедении, медицине и биологии.
Известен способ визуализации микрорельефа объекта, включающий засветку когерентным монохроматическим излучением поля микрообъекта и преобразование отраженного от объекта излучения в электрические сигналы, соответствующие точкам изображения (Авторское свидетельство СССР 1734066, кл. G 02 B 21/00, 1992).
Данный способ позволяет достигать пространственного разрешения, существенно превышающего предел разрешения классических амплитудных микроскопов.
Однако он позволяет достигать высокого пространственного разрешения только на небольшом числе относительно простых объектов, мономатериальных и имеющих простую геометрию.
Недостатками указанного способа являются
- невозможность осмысленной интерпретации фазового портрета объекта при наличии на поверхности объекта материалов с различными оптическими параметрами, хотя бы с умеренным разрешением;
- невозможность исследовать высокоинформативное распределение оптических материальных констант приповерхностного слоя микрообъекта.
Известен микроэллипсометр, который позволяет осуществлять способ определения микрорельефа объекта и оптических свойств приповерхностного слоя (Interferometrical Profilometry at Surfaces with Varying Materials, H.Jennewein, H. Gottschling, T. Ganz and T. Tschudi, Proceedings of SPIE: Metrology, Inspection and Process Control for Microlithography XIII, Vol. 3677 II (1999), p. 1009).
В известном способе одновременно измеряют параметры рельефа микрообъекта и комплексный коэффициент преломления приповерхностного слоя. Он позволяет учитывать и компенсировать для частного случая ступенчатого рельефа влияние величины локального комплексного коэффициента преломления на номинальные значения высоты рельефа.
Недостатками известного изобретения являются:
- низкое латеральное разрешение как в отношении распределения коэффициента преломления, так и в отношении геометрических параметров рельефа;
- невозможность осуществлять процедуру одновременного исследования материальных и геометрических параметров для рельефов общего типа и для оптически анизотропных материалов;
- указанный способ имеет низкую точность определения оптических констант.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения микрорельефа объекта и оптических свойств приповерхностного слоя, включающий поляризационную модуляцию, разделение входного когерентного монохроматического поляризованного светового потока на объектный, засвечивающий поле объекта через микрообъектив, и опорный пучки света, проведение фазовой модуляции опорного пучка, последующие интерференционное смешивание пучков света, выделение двух взаимно ортогональных компонент поляризации и получение интерферограммы, выбор ее минимального фрагмента (пиксела), преобразование его средней освещенности в соответствующие электрические сигналы и определение амплитуд и фаз переменной составляющей фазового модуляционного сигнала, вычисление значения фаз, амплитуд и поляризационных параметров света, падающего на пиксел со стороны объектного пучка, и вычисление оптических материальных констант приповерхностного слоя объекта (Патент РФ 2029976, кл. G 02 B 21/00, 1995).
Однако известный способ имеет низкую точность определения оптических материальных констант ввиду невозможности обеспечить засветку объекта поляризованным светом с высокой экстинкцией, а для темных и слабо отражающих объектов - низкое пространственное разрешение как при определении геометрических параметров рельефа, так и распределении оптических материальных констант, вызванное отсутствием возможности выравнивания засветок пиксела со стороны опорного и объектного пучков.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является модуляционный интерференционный микроскоп, содержащий лазер, фазовый модулятор, поляризационный модулятор и установленные на одной оптической оси телескоп, анализатор и фотоприемник, а также управляющий генератор, блок обработки сигнала, контроллер, предназначенный для соединения через шину обмена с ЭВМ.
Блок обработки сигнала включает измеритель амплитуды переменной составляющей сигнала и измеритель фазы (Патент РФ 2029976, кл. G 02 B 21/00, 1995).
Однако известный микроскоп не позволяет обеспечить высокую точность измерения оптических констант из-за низкой экстинкции электрооптического поляризационного модулятора и дополнительного ее снижения за счет двукратного прохождения пучков света сквозь систему линз микрообъектива и отсутствия возможности обеспечить оптимальный режим модуляции.
Известный микроскоп имеет несбалансированные уровни разрешения по фазе и поляризации, что не позволяет получить высокое пространственное разрешение распределения оптических констант. Известный микроскоп не позволяет осуществлять управляемое перераспределение интенсивности света в объектном и опорном пучках, что не позволяет выравнивать засветку данного пиксела со стороны указанных пучков, что уменьшает относительную величину переменной составляющей модуляционного сигнала и ухудшает все параметры точности и разрешения.
Данный недостаток особенно актуален для темных объектов и для объектов со слабо отражающей поверхностью, например для жидкостей.
Техническими задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются:
увеличение пространственного разрешения при определении геометрических параметров рельефа и распределения материальных оптических констант;
расширение числа определяемых констант, включая константы оптической анизотропии;
значительное увеличение точности определения материальных констант, а также расширение круга исследуемых объектов.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием способа определения микрорельефа объекта и оптических свойств приповерхностного слоя, включающего поляризационную модуляцию, разделение входного когерентного монохроматического поляризованного светового потока на объектный, засвечивающий поле объекта через микрообъектив, и опорный пучки света, проведение фазовой модуляции опорного пучка, последующие интерференционное смешивание пучков света, выделение двух взаимно ортогональных компонент поляризации и получение интерферограммы, выбор ее минимального фрагмента (пиксела), преобразование его средней освещенности в соответствующие электрические сигналы и определение фаз и амплитуд переменной составляющей фазового модуляционного сигнала, вычисление значений фаз, амплитуд и поляризационных параметров света, падающего на пиксел со стороны объектного пучка, и вычисление оптических материальных констант приповерхностного слоя объекта, в котором согласно изобретению одновременно с разделением светового потока на объектный и опорный пучки света осуществляют управляемое перераспределение его интенсивности между ними и проводят поляризационную модуляцию отдельно друг от друга объектного пучка и опорного пучка, причем засветку поля объекта осуществляют путем пропускания объектного пучка через лицевую поверхность фронтальной линзы микрообъектива изнутри, и проводят интерференционное смешивание пучков света, перед измерением устанавливают предварительное соотношение освещенности между опорным и объектным пучками и вычисляют предварительное значение фазы и амплитуды света, падающего на пиксел со стороны объектного пучка, после повторения операции для всей совокупности пикселов производят выравнивание освещенности одного пиксела отдельно со стороны объектного и отдельно со стороны опорного пучков путем перераспределения интенсивности в них, измеряют амплитуды и фазы переменной и величины постоянной составляющих модуляционного сигнала и вычисляют первично уточненное значение фазы и амплитуды света, падающего на пиксел со стороны объектного пучка.
Изобретение характеризуется также тем, что засветку поля объекта осуществляют последовательно в двух линейно независимых поляризационных состояниях.
Это позволяет с использованием поляризационного анализатора получать следующие характеристики микрообъекта:
- распределение вектора локальной нормали и высот микрообъекта,
- распределение комплексного коэффициента преломления для изотропных объектов,
- ориентацию оптической оси и величины комплексных коэффициентов преломления для одноосных двулучепреломляющих материалов, за исключением случая вертикального расположения оптической оси.
Изобретение также характеризуется тем, что проводят дополнительное уточнение значения амплитуды света, падающего на пиксел со стороны объектного пучка, путем установки фазы опорного пучка света в противофазе со светом, падающим на пиксел со стороны объектного пучка, осуществляют амплитудную модуляцию путем изменения отношения интенсивностей объектного и опорного пучков света, определяют два разных отношения интенсивностей, соответствующих одинаковым освещенностям пиксела, и вычисляют долю света, падающего на пиксел со стороны объектного пучка.
Это позволяет улучшить точность определения оптических материальных констант за счет повышения точности определения коэффициента отражения и улучшить пространственное разрешение распределения указанных констант.
Изобретение характеризуется также тем, что дополнительно устанавливают фазу опорного пучка в фазе со светом, падающим на пиксел со стороны объектного пучка, поляризационную модуляцию объектного пучка осуществляют непрерывно, измеряют поляризационный модуляционный сигнал и вычисляют фазы и амплитуды его гармонических составляющих, по которым дополнительно вычисляют параметры оптической анизотропии приповерхностного слоя объекта.
Это позволяет определить полный набор оптических материальных констант, включая определение параметров оптической анизотропии любой природы.
Изобретение характеризуется также тем, что проводят поляризационную модуляцию объектного пучка и опорного пучка с одновременной фазовой модуляцией последнего, причем частота фазовой модуляции опорного пучка или выше, или ниже частоты поляризационной модуляции пучков, измеряют фазы и амплитуды гармонических составляющих огибающих сигнала и вычисляют рельеф и оптические материальные константы, включая параметры оптической анизотропии приповерхностного слоя объекта.
Это дает возможность в рамках единой процедуры исследовать как изотропные, так и анизотропные микрообъекты без априорных предположений о характере оптической анизотропии и обеспечивать экономию времени ввода кадра для существенно анизотропных микрообъектов.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием модуляционного интерференционного микроскопа, содержащего лазер, модуляционный интерферометр с фазовым модулятором и коллиматором, оптически соединенным с поляризационным модулятором, и светоделителем, микрообъектив, телескоп, блок поляризационного анализатора, фотоприемник, установленные на одной оптической оси, блок управления и обработки сигнала, предназначенный для соединения через шину обмена с ЭВМ, в который согласно изобретению введены пространственный микроапертурный фильтр, элемент, предназначенный для отклонения и смешивания пучков света и расположенный на той же оси, причем в модуляционный интерферометр дополнительно введены второй коллиматор, оптически соединенный со вторым поляризационным модулятором системой отклоняющих оптических элементов, и фазовый компенсатор, причем светоделитель выполнен регулируемым и через отклоняющие оптические элементы системы одним своим выходом последовательно связан с фазовым модулятором, поляризационным модулятором, коллиматором и одной стороной элемента, предназначенного для отклонения и смешивания пучков света, а другим - с фазовым компенсатором, со вторым поляризационным модулятором, вторым коллиматором и с противоположной стороной указанного элемента.
Выполнение элемента, предназначенного для отклонения и смешивания пучков света, в виде двустороннего плоского, расположенного под углом к оптической оси зеркала обеспечивает засветку объекта и одновременное отклонение опорного пучка для смешения с объектным, что упрощает конструкцию модуляционного интерферометра.
Выполнение зеркала полупроницаемым частично устраняет затенение лучей объектного пучка, идущего от объекта вблизи оптической оси.
Непрозрачное зеркало устраняет взаимную паразитную засветку пучков.
Изобретение характеризуется также тем, что элемент, предназначенный для отклонения и смешивания пучков света, размещен внутри фронтальной линзы микрообъектива.
Это позволяет подвести поляризованный свет с высокой экстинкцией от поляризационного модулятора, минуя систему линз микрообъектива, что позволяет радикально улучшить точность определения оптических материальных констант.
Выполнение поляризационного модулятора в виде оптически соединенных, последовательно расположенных линейного поляризационного фильтра, управляемого компенсатора и блока вращения плоскости поляризации позволяет сформировать в пучках любое состояние поляризации и изменять его во времени по произвольному закону, расширяя возможности по оптимальному выбору схемы модуляции, соответствующей данному объекту.
Расположение фазового модулятора под углом, отличным от прямого, к оптической оси и снабжение интерферометра дополнительно, по крайней мере, одним поворотным зеркалом, расположенным между фазовым модулятором и одним из элементов системы отклоняющих оптических элементов, позволяет уменьшить габариты конструкции.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием способа определения микрорельефа объекта и оптических свойств приповерхностного слоя и конструкции модуляционного интерференционного микроскопа для осуществления способа и чертежами, где:
на фиг.1 показана схема модуляционного интерференционного микроскопа;
на фиг. 2 показана схема модуляционного интерферометра с фазовым модулятором с плоским зеркалом;
на фиг. 3 показана схема модуляционного интерферометра с фазовым модулятором с угловым оборачивающим зеркалом;
на фиг. 4 показана схема модуляционного интерферометра с фазовым модулятором с угловым оборачивающим зеркалом, который расположен параллельно оптической оси;
на фиг. 5 показана схема модуляционного интерферометра с расположенным под углом к оптической оси фазовым модулятором с плоским зеркалом;
на фиг.6 показана схема модуляционного интерферометра, полностью размещенного в микрообъективе;
на фиг.7 - вид сверху фиг.6;
на фиг.8 показана схема поляризационного модулятора.
Предлагаемый модуляционный интерференционный микроскоп содержит лазер 1, пространственный микроапертурный фильтр 2, модуляционный интерферометр, микрообъектив 3, телескоп 4, блок поляризационного анализатора 5, фотоприемник 6, установленные на одной оптической оси, блок управления и обработки сигнала 7, предназначенный для соединения через шину обмена 8 с ЭВМ (не показана).
Пространственный микроапертурный фильтр 2 обеспечивает унификацию фазового волнового фронта, что увеличивает точность всех фазовых измерений, обеспечивая улучшение параметров пространственного разрешения и точность определения материальных оптических констант.
Модуляционный интерферометр состоит из регулируемого светоделителя 9, фазового компенсатора, поляризационного модулятора 10, оптически соединенного с коллиматором 11, элемента 12, предназначенного для отклонения и смешивания пучков света, фазового модулятора 13, второго поляризационного модулятора 14, оптически соединенного со вторым коллиматором 15, и системы отклоняющих оптических элементов.
Второй коллиматор 15 обеспечивает возможность независимой модуляции пучков и их прецизионное совмещение после отражения объектного пучка от объекта.
Система отклоняющих оптических элементов состоит из шести плоских зеркал 16, 17, 18, 19, 20, 21 и зеркального элемента 22, который может быть выполнен полупрозрачным. Причем зеркальный элемент 22 размещен между фазовым 13 и поляризационным 14 модуляторами и оптически связан с регулируемым светоделителем 9.
В случае выполнения зеркального элемента 22 непрозрачным зеркало 23 фазового модулятора 13 выполняют оборачивающим в виде пары взаимно ортогональных плоских зеркал (фиг.3) или уголкового отражателя (не показан).
В случае выполнения зеркального элемента 22 полупрозрачным зеркало 23 фазового модулятора 13 выполняют в виде плоского зеркала (фиг.2).
Фазовый модулятор 13 может быть расположен под углом, отличным от прямого угла, к оптической оси. В этом случае модуляционный интерферометр дополнительно снабжен, по крайней мере, одним поворотным зеркалом 24, расположенным между зеркальным элементом 22, являющимся одним из элементов системы отклоняющих оптических элементов, и фазовым модулятором 13 (фиг.4 и фиг.5).
Снабжение двумя поворотными зеркалами необходимо в случае выполнения зеркала 23 фазового модулятора в виде пары взаимно ортогональных, плоских зеркал или уголкового отражателя (фиг. 5).
Зеркала 16 и 17, наклоненные друг к другу под прямым углом и снабженные линейным приводом перемещения 25 вдоль биссектрисы указанного прямого угла, представляют собой фазовый компенсатор.
Фазовый компенсатор в данной конструкции позволяет прецизионно выравнивать длину оптических путей пучков модуляционного интерферометра, а также компенсировать фазу Панчарантнама, возникающую при формировании поляризационного состояния, отличного от линейного.
Светоделитель 9 через зеркала 16 и 17 фазового компенсатора одним своим выходом последовательно связан с поляризационным модулятором 10, через зеркало 18 с коллиматором 11 и через зеркало 19 с нижней стороной элемента 12. Перечисленные выше компоненты в совокупности образуют объектное плечо интерферометра.
Другой выход светоделителя 9 в случае полупрозрачного зеркала 22 связан через него с фазовым модулятором 13, со вторым поляризационным модулятором 14, через зеркало 21 со вторым коллиматором 15 и через зеркало 20 с верхней стороной элемента 12.
Перечисленные выше компоненты образуют опорное плечо интерферометра.
Зеркала 18 и 19, а также зеркала 20 и 21 попарно размещены так, чтобы участки оптических осей опорного и объектного плеч от зеркала 19 до нижней поверхности элемента 12 и от зеркала 20 до верхней поверхности элемента 12 были коллинеарны. Выполнение элемента 12, предназначенного для отклонения и смешивания пучков света, может быть различным в зависимости от типа изучаемых объектов, например от структуры и свойств материала и т.д.
Наличие в устройстве элемента 12 для когерентного смешивания пучков света опорного и объектного пучков, установленного отдельно от светоделителя, позволяет независимо осуществлять поляризационную модуляцию отдельно опорного и отдельно объектного пучков, что расширяет возможности поляризационной модуляции.
Элемент 12, предназначенный для отклонения и смешивания пучков света, размещен внутри микрообъектива 3, например внутри его фронтальной линзы 26, выполнен в виде двустороннего плоского зеркала и расположен под углом к оптической оси, например, 45o. Причем зеркало может быть выполнено полупрозрачным или непрозрачным.
Фронтальная линза 26 микрообъектива 3 состоит из нескольких частей, по крайней мере из двух, образующих неразъемное соединение, плоскость которого совпадает с плоскостью элемента 12.
Поляризационные модуляторы 10 и 14 имеют одинаковую конструкцию и выполнены в виде оптически соединенных, последовательно расположенных линейного поляризационного фильтра 27, управляемого поляризационного компенсатора 28 и блока вращения плоскости поляризации 29.
В качестве управляемого поляризационного компенсатора 28 могут быть использованы известные ранее компенсаторы Бабине - Солейля с линейным электромеханическим сервоприводом.
В качестве блока вращения плоскости поляризации 29 может быть использована ранее известная полуволновая пластинка с электромеханическим вращательным сервоприводом.
Светоделитель 9 выполнен регулируемым и состоит из поляризующего светоделителя и вращателя плоскости поляризации, выполненного, например, в виде известных полуволновой пластинки с электромеханическим вращательным сервоприводом.
Это позволяет обеспечить путем выравнивания освещенности каждого из пикселов со стороны объектного и опорного плеча, обеспечить максимальную глубины модуляции и, как следствие, оптимальное отношение сигнал/шум независимо от локальной светлоты объекта, что позволяет улучшить параметры точности и разрешения особенно для слабоотражающих объектов.
Коллиматоры 11 и 15 идентичны и размещены так, чтобы сумма оптических путей от коллиматора 11 до нижней поверхности элемента 12 и удвоенного оптического пути от нижней поверхности элемента 12 до плоскости объекта была равна оптическому пути от коллиматора 15 до верхней поверхности элемента 12.
Регулируемый светоделитель 9, поляризационный модулятор 10, фазовый модулятор 13, второй поляризационный модулятор 14, фазовый компенсатор, блок поляризационного анализатора 5 и фотоприемник 6 связаны с блоком управления и обработки сигнала 7.
При этом блок управления и обработки сигнала 7 может содержать измеритель амплитуды и измеритель фазы переменной и измеритель величины постоянной составляющих, а также контроллер (не показаны).
Модуляционный интерферометр может быть выполнен на разной оптико-электромеханической элементной базе.
Если он выполнен на базе классических макроскопических элементов, то элементы модуляционного интерферометра полностью или частично расположены снаружи микрообъектива 3 (фиг.2-5).
При этом система отклоняющих элементов выполнена так, что часть света одного из пучков после светоделителя 9 может проходить сквозь микрообъектив 3 сбоку либо в промежутке между его линзами, либо через одну из них.
Если он выполнен на базе компонент микроэлектромеханических систем, то он полностью размещен внутри микрообъектива 3 вблизи его фронтальной линзы 26, как это показано на фиг.6 и 7 где лазер 1 и микроапертурный фильтр 2 и их взаимное расположение с элементами интерферометра изображены не в масштабе.
При этом система отклоняющих элементов выполнена так, что часть света одного из пучков после светоделителя может проходить через фронтальную линзу сбоку.
Работу предлагаемого модуляционного интерференционного микроскопа осуществляют следующим образом.
Излучаемый лазером 1 и пропущенный через пространственный микроапертурный фильтр 2 когерентный монохроматический, линейно поляризованный световой поток поступает на регулируемый светоделитель 9, на котором происходит когерентное разделение светового потока на два пучка - объектный и опорный. Каждый пучок распространяется соответственно по объектному и опорному плечам модуляционного интерферометра.
Мощность светового потока перераспределяют между плечами в соответствии с известной зависимостью от устанавливаемого угла между вектором поляризации входного пучка и осью поляризующего светоделителя.
Сначала соотношение интенсивностей в плечах или выбирает оператор, исходя из средней светлоты исследуемого объекта, в дальнейшем его или устанавливают по умолчанию, или выбирают автоматически для каждого из пикселов.
В последнем случае учитывают измеренную интенсивность света, отраженного данным фрагментом микрообъекта, соответствующему одному пикселу и интенсивность света в пучках перераспределяют, создавая равенство интенсивностей света, приходящего на пиксел от опорного пучка и от соответствующего ему фрагмента объекта.
Затем проводят поляризационную модуляцию отдельно друг от друга объектного пучка и опорного пучка.
Поляризационную модуляцию объектного пучка осуществляют следующим образом.
Объектный пучок света поступает последовательно через зеркала 16 и 17 фазового компенсатора, поляризационный модулятор 10, зеркало 18 и коллиматор 11 и зеркало 19 на нижнюю сторону элемента 12.
Фазовым компенсатором путем совместного перемещения зеркал 16 и 17 выравнивают оптическую длину оптических путей объектного и опорного пучков.
В поляризационном модуляторе 10 объектный пучок, проходя через линейный поляризационный фильтр 27, приобретает состояние линейной поляризации с высокой экстинкцией.
В управляемом компенсаторе 28 состояние поляризации объектного пучка переводят, в общем случае, в эллиптическое с некоторой определенной ориентацией полуосей эллипса. Возникающий при этом дополнительный сдвиг фазы за счет фазы Панчарантнама компенсируют фазовым компенсатором или учитывают при дальнейших расчетах в ЭВМ.
Далее, с помощью блока вращения плоскости поляризации 29 полуоси эллипса устанавливают в заданное положение или их вращают в любую сторону.
Таким образом, после прохождения поляризационного модулятора в объектном пучке формируют любое заданное поляризационное состояние. Параметры этого состояния изменяют во времени по произвольному закону контролируемым образом.
Поляризованный объектный пучок света в коллиматоре 11 формируют в сходящийся пучок, который отражается элементом 12 вниз на объектную плоскость. Таким образом, осуществляют засветку поля объекта.
Часть света объектного пучка, которая после рассеяния на объекте попадает в апертуру микрообъектива 3, через телескоп 4, блок поляризационного анализатора 5 поступает на фотоприемник 6.
Поляризационную модуляцию опорного пучка осуществляют следующим образом.
Опорный пучок через зеркальный элемент 22 поступает на фазовый модулятор 13, второй поляризационный модулятор 14, через зеркало 21 на второй коллиматор 15 и через зеркало 20 на верхнюю сторону элемента 12.
Фазовый модулятор 13 изменяет длину оптического пути опорного пучка путем управляемого перемещения зеркала 23 модулятора и производит изменение фазы его по известному временному закону.
Второй поляризационный модулятор 14 опорного плеча устроен и работает аналогично поляризационному модулятору 10 объектного плеча и обеспечивает управляемое изменение поляризационного состояния опорного пучка по произвольному закону. Компенсация фазы Панчарантнама осуществляется фазовым модулятором 13.
Второй коллиматор 15, идентичный по своим оптическим параметрам коллиматору 11 объектного плеча, формирует сходящийся пучок, который поступает на обращенную вверх наклонную сторону элемента 12, отражается вверх и через микрообъектив 3, телескоп 4, блок поляризационного анализатора 5 поступает на фотоприемник 6.
В блоке поляризационного анализатора 5 происходит выделение из каждого пучка линейной составляющей его поляризации.
Затем эти составляющие когерентно смешивают между собой на фотоприемнике 6, и на нем образуется интерференционная картина, представляющая собой изменяющееся во времени двумерное распределение освещенности.
Далее интерференционную картину разбивают на отдельные минимальные фрагменты (пикселы) и для каждого из них осуществляют посредством детерминистической, монотонной функциональной зависимости преобразование текущей средней освещенности пиксела в переменный электрический сигнал (модуляционный сигнал).
Модуляционный сигнал поступает в блок управления и обработки сигнала 7, где происходит измерение фазы и амплитуды либо самого модуляционного сигнала, либо его гармонических составляющих, а также величины постоянной составляющей сигнала. Результаты указанных измерений передают через шину обмена 8 на ЭВМ (не показана) для дальнейшего анализа.
Для реализации способа определения микрорельефа объекта и оптических свойств приповерхностного слоя осуществляют следующие действия.
Оператор устанавливает соотношение интенсивности света в объектном и опорном пучках, равное 1/Rо, где Rо - средний коэффициент отражения исследуемого фрагмента объекта.
Первую приблизительную оценку Ro осуществляют при работе в белом свете.
В белом свете выявляют также характерные линеаменты на поверхности изучаемого фрагмента объекта.
Затем в объектном пучке создают состояние линейной или циркулярной поляризации. Для этого управляемым компенсатором 28 устанавливают запаздывание на нуль при линейной поляризации или на четверть волны при циркулярной поляризации.
Направление вектора линейной поляризации выбирает оператор при помощи блока вращения плоскости поляризации 29 с учетом выявленных линеаментов.
На изображении выбранного фрагмента позиционирует в исходном положении пиксел.
Далее, в зависимости от характера установленного в объектном пучке поляризационного состояния (линейного или циркулярного) осуществляют серию из четырех измерений. Все четыре измерения состоят из фазовой модуляции и измерения параметров модуляционного сигнала и отличаются друг от друга только состоянием поляризационных модуляторов.
Для состояния линейной поляризации:
1. В опорном пучке формируют состояние поляризации, идентичное состоянию в объектном пучке. Блок анализатора устанавливают параллельно с вектором поляризации в опорном пучке.
2. Направление вектора поляризации опорного пучка изменяют на перпендикулярное первоначальному, положение блока поляризационного анализатора изменяют на перпендикулярное первоначальному.
3. Вектор поляризации объектного пучка устанавливают в положении, ортогональном исходному положению.
4. Вектор поляризации опорного пучка и блок поляризационного анализатора устанавливают в первоначальное положение.
Для состояния циркулярной поляризации:
1. В опорном пучке формируют состояние поляризации, идентичное (противоположное) состоянию в объектном пучке. Оператор устанавливает анализатор либо с учетом выявленных линеаментов, либо произвольно.
2. Положение блока поляризационного анализатора изменяют на перпендикулярное первоначальному.
3. Состояние поляризации объектного и опорного пучков изменяют на противоположное.
4. Положение блока поляризационного анализатора изменяется на перпендикулярное первоначальному.
Все дальнейшие измерения амплитуды и фазы, за исключением измерений, при которых осуществляется непрерывная поляризационная модуляция, также производят по сериям четырех измерений, идентичных указанным.
С помощью блока управления и обработки сигнала 7 осуществляют вычисление фазы, амплитуды и постоянной составляющей модуляционного сигнала. По результатам указанных измерений вычисляют фазу и амплитуду света, падающего на каждый данный пиксел со стороны объектного пучка. Вышеуказанные действия повторяют для каждой новой позиции пиксела.
Пикселы последовательно позиционируют так, чтобы перекрыть всю поверхность изучаемого фрагмента объекта. При этом пикселы могут позиционироваться подряд с произвольными промежутками, а также с произвольным перекрытием.
Затем с помощью светоделителя 9 перераспределяют интенсивность в объектном и опорном пучках, так чтобы расчетная освещенность пиксела со стороны опорного пучка равнялась его освещенности со стороны объектного пучка, определенной ранее.
Затем снова для каждого пиксела осуществляют фазовую модуляцию. С помощью блока управления и обработки сигнала 7 осуществляют вычисление фазы и амплитуды переменной составляющей и величину постоянной составляющей модуляционного сигнала. По результатам указанных измерений вычисляют первично уточненные значения фаз и амплитуд света, падающего на каждый данный пиксел со стороны объектного плеча.
После этого фазу опорного пучка при помощи фазового модулятора 13 устанавливают в противофазе с фазой света, пришедшего на данный пиксел от объектного плеча, измеренной в предыдущих операциях. Устанавливают отношение интенсивностей света в пучках с помощью регулируемого светоделителя 9 так, чтобы расчетная интенсивность света, пришедшего на пиксел от объектного плеча, достигла большего или меньшего значения, чем от опорного плеча.
Затем интенсивности перераспределяют таким образом, чтобы освещенность пиксела снова достигла исходного значения.
Указанная операция повторяется несколько раз с различными исходными значениями освещенности пиксела.
По полученным парам разных значений отношений интенсивностей в плечах, соответствующим одинаковой суммарной освещенности пиксела, вычисляют значение указанного соотношения, соответствующее равенству освещенности пиксела от объектного и опорного пучков, из которой вычисляют вторично уточненное значение амплитуды света, пришедшего на данный пиксел со стороны объектного пучка.
Выравнивают последовательно освещенность каждого из пикселов со стороны плеч с учетом вторично уточненных значений освещенности со стороны объектного плеча и снова осуществляют фазовую модуляцию и получают вторично уточненные значения фазы света, пришедшего на пиксел со стороны объектного пучка.
По совокупности последовательно уточняемых фаз и амплитуд света, пришедших на каждый из пикселов со стороны объектного плеча, являющихся результатом каждой из последовательных серий из четырех измерений, соответствующих четырем различным состояниям поляризационных модуляторов и анализатора, вычисляют следующие параметры микрообъекта:
- распределение истинных высот и вектора местной нормали;
- распределение комплексного коэффициента преломления приповерхностного слоя материала микрообъекта для изотропных объектов;
- два коэффициента преломления и ориентацию оптической оси для одноосных двулучепреломляющих материалов (за исключением случая ее вертикальной ориентации);
- Фарадеевскую вращательную способность.
Для реализации способа проводят поляризационную модуляцию объектного пучка и опорного пучка с одновременной его фазовой модуляцией, причем частота фазовой модуляции опорного пучка или выше, или ниже частоты поляризационной модуляции пучков, измеряют фазы и амплитуды гармонических составляющих огибающих сигнала. Вычисляют, кроме указанных выше, все параметры оптической анизотропии любых материалов, включая коэффициенты преломления и ориентацию осей двуосных кристаллов.
В обоих исполнениях устройства с расположением модуляционного интерферометра полностью или частично внутри микрообъектива интерферометр представляет собой единый блок с модифицированным сменным микрообъективом.
Модификация стандартного микрообъектива, состоящая в размещении внутри фронтальной линзы на пути лучей, отраженных от объекта зеркального элемента 12, имеющего площадь около 1% от площади апертуры, не препятствует одновременной реализации с его помощью любых доступных для стандартного, не модифицированного микрообъектива измерений.
Такое исполнение позволяет использовать устройство как в качестве одного из модулей современной универсальной микроскопической платформы, так и в составе специальных устройств, например установок для технологического мониторинга, в электронной промышленности.
Указанный модуль состоит из модуляционного интерферометра, сблокированного с модифицированным микрообъективом, который устанавливают в стандартное гнездо турели микроскопа.
Источник лазерного освещения в зависимости от его типа может быть либо размещен непосредственно на указанном модуле, либо закреплен снаружи микроскопа.
Фотоприемник модуля размещают в стандартных гнездах микроскопа, предназначенных для телевизионных камер и иных фотоприемников.
Объект могут исследовать в белом свете или путем использования другой доступной для данной микроскопической платформы микроскопической техники, после чего без перестановки объектива, перефокусировки и перенацеливания, путем переключения оптического тракта микроскопа на то приемное гнездо, на котором установлен приемник модуля, осуществляют исследование объекта по предлагаемому способу.
Примером исполнения модуляционного интерференционного микроскопа может служить схема, приведенная на фиг.2.
В качестве источника лазерного излучения в данном случае используют одномодовый полупроводниковый лазер 1 с удвоением частоты, работающий на длине волны 532 нм и мощностью 2 мВт, имеющий линейную поляризацию.
В качестве регулируемого светоделителя 9 использована комбинация поляризующего светоделителя и полуволновой пластинки с электромеханическим сервоприводом (не показаны). Линейные поляризационные фильтры обоих поляризационных модуляторов выполнены в виде призм Гланна-Томпсона, управляемые ретардеры - в виде компенсаторов Бабине-Солейля с линейным электромеханическим приводом, а поляризационные вращатели - в виде полуволновых пластинок с электромеханическим сервоприводом.
Элемент 12, предназначенный для отклонения и смешивания опорного и объектного пучков, размещен наклонно вблизи оси фронтальной линзы микрообъектива в плоскости раздела двух ее фрагментов и представляет собой полупрозрачную неполяризующую зеркальную пленку.
Анализатор 5 выполнен в виде пленочного поляризационного элемента. Фазовую модуляцию осуществляют при помощи пьезопривода, имеющего амплитуду колебаний около 0,6 мкм и частоту около 5 кГц.
В качестве фотоприемника 6 использован диссектор с электромагнитной фокусирующе-отклоняющей системой (ФОС).
Позиционирование в плоскости изображения стандартного фрагмента (пиксела) осуществляют при помощи ФОС, причем пикселы могут быть позиционированы как по всему экрану, так и пределах его произвольно выбранного фрагмента. Позиционирование пикселов может быть осуществлено как с произвольным пространственным разделением, так и с произвольным (в том числе разным по разным координатам) наложением друг на друга.
Все виды модуляции осуществляют в параллельных пучках, что позволяет радикально уменьшить искажения, вносимые модуляторами в фазово-поляризационную структуру пучков.
Проведение объектного пучка от поляризационного модулятора к объектной плоскости в обход микрообъектива, через единственную длиннофокусную линзу (коллиматор 11) с минимальным числом отражений, позволяет сохранить его предельно высокую экстинкцию, не доступную для всех ранее известных поляризационных микроскопических устройств.
Столь же высокая экстинкция сохраняется и в опорном пучке, что в совокупности позволяет обеспечить беспрецедентно высокий уровень точности определения материальных оптических констант.
На базе микроскопа DMR фирмы Leitz был создан опытный образец микроскопа, подтвердивший правильность предлагаемого способа.
В качестве источника лазерного освещения использовали гелий-неоновый лазер мощностью 10 мВт, с длиной волны 632,8 нм.
В качестве привода фазового модулятора использовали пьезоэлемент, а поляризационную модуляцию осуществляли путем перестановки полуволновых и четвертьволновых пластинок вручную.
Перераспределение интенсивности освещения проводили при помощи введения в опорное плечо интерферометра нейтрального фильтра. Микроапертурный фильтр и управляемый ретардер не применялись.
Результаты измерений, проведенных на микрообъектах различной природы, показали, что наивысший предел по латеральному разрешению составил около 25 нм, разрешение по высоте составило около 0,5 нм.
Латеральное разрешение на границах между материалами с различными коэффициентами преломления также имело величину около 25 нм. С таким же разрешением определяли положение границы раздела между кристаллитами двулучепреломляющего материала с большим отличием направления оптических осей. Латеральное разрешение лимитировали размерами вырезывающего отверстия диссектора и результирующим увеличением оптической системы, что определяло величину виртуального пиксела.
Вертикальное разрешение лимитировали, с одной стороны, величина выбранной дискреты по высоте (0,3 нм), а с другой, уровень микрофоники.
Таким образом, параметры разрешения прибора, как показали опыты, можно улучшить не только за счет совершенствования собственно оптической системы интерферометра, что достаточно сложно технологически, но также и за счет оптимизации системы проекции изображения, параметров системы обработки сигнала и контроля среды, что не составляет серьезной проблемы.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ИЗОБРАЖАЮЩИЙ МИКРОЭЛЛИПСОМЕТР | 2010 |
|
RU2503922C2 |
| СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗЫ ОБЪЕКТНОГО ПУЧКА НА ПИКСЕЛЕ ФОТОПРИЕМНИКА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФАЗОВОГО ПОРТРЕТА ОБЪЕКТА | 2011 |
|
RU2463552C1 |
| СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ МИКРОКОНТРАСТНЫХ ОБЪЕКТОВ И ОПТИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ НАНОСКОП ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1994 |
|
RU2029976C1 |
| ФАЗОВО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МОДУЛЬ | 2013 |
|
RU2539747C1 |
| СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ | 2011 |
|
RU2491505C1 |
| СПОСОБ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ МИКРОСКОПИИ | 2013 |
|
RU2536764C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА ОБЪЕКТА | 2012 |
|
RU2495372C1 |
| Установка для измерения микрорельефа поверхности с использованием метода фазовых шагов | 2018 |
|
RU2677239C1 |
| ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МИКРОСКОП | 2013 |
|
RU2527316C1 |
| ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ПОЛЯРИТОННЫЙ СИМУЛЯТОР | 2020 |
|
RU2745206C1 |
Изобретение относится к оптике, в частности к способам определения микрорельефа. В изобретении предложены способ определения микрорельефа объекта и оптических свойств приповерхностного слоя, а также модуляционный интерференционный микроскоп для осуществления данного способа. Изобретение позволяет увеличить пространственное разрешение при определении геометрических параметров рельефа и распределения материальных оптических констант, расширить число определяемых констант, включая константы оптической анизотропии, значительно увеличить точность определения материальных констант, а также расширить круг исследуемых объектов. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.
| СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ МИКРОКОНТРАСТНЫХ ОБЪЕКТОВ И ОПТИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ НАНОСКОП ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1994 |
|
RU2029976C1 |
| Способ исследования рельефных и фазовых объектов и лазерный сканирующий микроскоп для его осуществления | 1989 |
|
SU1734066A1 |
| DE 1447212 A, 24.02.1972 | |||
| DE 3142912 A, 09.09.1982. | |||
