Двухсторонний скоростной эллипсометр Российский патент 2021 года по МПК G01J4/04 G01N21/21 

Изобретение относится к оптическим поляризационным приборам и может использоваться для экспрессного неразрушающего определения спектров оптических констант различных материалов и толщин тонких пленок. В научных и технических измерениях широко используются эллипсометры с вращающимися поляризационными элементами (поляризаторами, анализаторами или компенсаторами).

Известен эллипсометр с дискретной модуляцией состояния поляризации (Патент РФ №1695145, опубл. 30.11.1991), который не имеет движущихся поляризационных элементов. Эллипсометр содержит источник монохроматического излучения, расположенные последовательно по ходу пучка систему формирования пучка, элемент разделения пучков, модулятор и элемент объединения пучков, держатель образца, анализатор и приемно-регистрирующую систему, содержащую фотоприемник и блок усиления, обработки и отображения информации.

Недостатком данного аналога является то, что на величину ошибки измерения негативно влияет работа переключателя поляризации, а также потери интенсивности поляризованных пучков при прохождении переключателя. Точное разделение и совмещение пучков может зависеть от точности ориентации осей в поляризационном клине, существенно ограничена скорость механического переключения пучков, а при измерении слабых сигналов возможно влияние световых бликов от движущегося механического прерывателя.

Известен светодиодный эллипсометр (Ковалев В.И. и др. Светодиодный многоканальный спектральный эллипсометр с бинарной модуляцией состояния поляризации // Приборы и техника эксперимента. - 2014. - №.5. - С. 99-102), который содержит набор из 8 светодиодов, систему коллимирования пучков, переключатель состояния поляризации (ПСП), на выходе которого реализуются последовательно во времени коллимированные пучки излучения с азимутами поляризации Р₁ и P₁+90° (Р₁ - фиксированный азимут поляризации), падающие на исследуемый образец под заданным углом падения. Отраженное от образца излучение направляют на второй ПСП, переключающий ортогонально поляризованные пучки с азимутами А₁ и А₁+90°, падающие на 512-элементную линейку фотоприемников, измеряют отношения интенсивностей на фотоприемниках для переключаемых пучков с азимутами Р₁ и Р₁+90° и определяют по отношениям интенсивностей спектры эллипсометрических параметров образца Т и А.

Недостатком данного аналога является то, что необходимость механической последовательной установки 8 светодиодов на место излучателя и наличие двух механических устройств переключения ортогонально поляризованных пучков увеличивает минимальное время измерения спектров Т и А в диапазоне от 360 нм до 800 нм до 5 сек.

В спектральном эллипсометре (Ковалев В.И. и др. Широкодиапазонный спектральный эллипсометр с переключением ортогональных состояний поляризации на базе монохроматора МДР-41 // Приборы и техника эксперимента. - 2019. - №.6. - С. 71-75) также используется метод эллипсометрии с переключением ортогональных состояний поляризации. Эллипсометр содержит галогенную лампу в качестве излучателя, монохроматор, в котором входная и выходная щели выполнены в виде двух, смещенных по вертикали, диафрагм, дисковый прерыватель пучков вблизи выходной щели, устройство коллимации пучков за выходной щелью. Пучки с частотой прерывания поступают на два входа призмы Глана-Томпсона (ГТ), на выходе которой реализуются попеременно ортогонально поляризованные пучки (Р₁=30°), падающие под углом 70° на образец. Отраженные от образца пучки проходят через вторую призму ГТ, направляющую пучки с азимутами A₁ и А₁+90° (А₁=10°) на фотоприемники.

Высокие точность и воспроизводимость измерений эллипсометрических параметров подтверждают возможность точных измерений без ПСП и без механической модуляции, но с попеременным включением-выключением одинаковых светодиодов или других импульсных источников излучения с высокой частотой.

Описанный эллипсометр наиболее близок по совокупности существенных признаков к заявляемому эллипсометру и является прототипом двухстороннего скоростного эллипсометра.

Из недостатков приведенной конструкции прототипа можно отметить наличие громоздкого решеточного монохроматора с механическим управлением, который при медленном сканировании спектра не позволяет проводить быстрые кинетические исследования в реальном времени.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции спектрального эллипсометра и удвоение количества используемых длин волн путем эффективного использования полупроводниковых источников излучения.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и воспроизводимости эллипсометрических параметров, а также значительное повышение скорости измерений спектрального эллипсометра с полупроводниковыми источниками излучения (ПИИ).

Данный результат достигается существенным упрощением конструкции спектрального эллипсометра и отсутствием движущихся элементов.

Технический результат достигается тем, что в эллипсометре, включающем последовательно расположенные вдоль оптической оси блок поляризатора с источником излучения и блок анализатора, содержащие призмы Глана-Томпсона, в поляризаторе в качестве источника излучения используют два идентичных набора полупроводниковых источников излучения в выбранном спектральном диапазоне, поляризатор дополнительно содержит два фотоприемника и два светоделителя, расположенных перед призмой Глана-Томпсона, направляющих излучение на фотоприемники, при этом блок анализатора конструктивно полностью идентичен блоку поляризатора. В качестве источников импульсного излучения в эллипсометре могут быть использованы как светодиоды, так и лазерные диоды.

На фиг. 1 приведена схема двухстороннего светодиодного скоростного эллипсометра с четырьмя наборами из четырех излучателей (светодиодов), где 1, 3, 6, 7, 11, 13, 16, 17, 30, 31, 33, 34, 41, 42, 44, 45 - светодиоды, 8, 18, 27, 38 - линзовые коллиматоры, 2, 4, 5, 9, 12, 14, 15, 19,25, 28, 29, 32, 36, 39, 40, 43 - светоделительные пластины (СП), 21 и 35 - полированные пластины из легированного кремния, 22 и 24 - призмы ГТ из кальцита, 10, 20, 26, 37 -кремниевые фотодиоды, 23 - четырехзеркальный компенсатор, S - образец.

На фиг. 2 приведена схема блока совмещения коллимированного излучения трех пар идентичных лазерных диодов (46 и 47 с λ₁, 48 и 49 с λ₂, 50 и 51 с λ₃) светоделительным кубом ABCD.

Ниже приведен пример работы двухстороннего скоростного эллипсометра со светодиодными источниками излучения.

Пучки излучения с длиной волны λ₁ от последовательно включаемых идентичных светодиодов 1 и 11 (либо 3 и 13 с λ₂ 6 и 16 с λ₃, 7 и 17 с λ₄) проходят через линзовые коллиматоры 8 и 18, и СП 9 и 19 и поступают на два входа призмы ГТ из кальцита 22, которая последовательно направляет ортогонально поляризованные пучки с азимутами P₁ и Р₁+90° на образец S под заданным углом падения. Отраженное излучение второй призмой ГТ 24 разделяется на два ортогонально поляризованных пучка с азимутами поляризации А₁ и А₁+90° и СП 25 и 36 отражаются на кремниевые фотодиоды 26 и 37, измеряются отношения интенсивностей на фотоприемниках для переключаемых пучков с азимутами Р₁ и Р₁+90° и определяются по отношениям сигналов на фотоприемниках эллипсометрические параметры образца Т и А. Полированные пластины 21 и 35 из легированного кремния установлены под углом псевдо Брюстера около 75° и повышают степень поляризации отраженных пучков. Четырехзеркальный компенсатор 23 увеличивает чувствительность и точность измерения эллипсометрических параметров в определенных диапазонах значений эллипсометрических параметров. Пучки излучения с длиной волны λ₅ от последовательно включаемых идентичных светодиодов 34 и 45 (либо 33 и 44 с λ₆, 30 и 41 с λ₇, 31 и 42 с λ₈) проходят через линзовые коллиматоры 27 и 38, и СП 25 и 36 и поступают на два входа призмы ГТ из кальцита 24, которая последовательно направляет ортогонально поляризованные пучки с азимутами A₁ и А₁+90° на образец S под заданным углом падения. Отраженное излучение призмой ГТ 22 разделяется на два ортогонально поляризованных пучка с азимутами поляризации Р₁ и Р₁+90° и СП 9 и 19 отражаются на кремниевые фотодиоды 10 и 19, измеряются отношения интенсивностей на фотоприемниках для переключаемых пучков с азимутами Р₁ и Р₁+90° и определяются по отношениям интенсивностей спектры эллипсометрических параметров образца Ψ и Δ. Таким образом, одновременно могут быть определены эллипсометрические параметры образца на двух длинах волн. λ₁ и λ₅. Аналогично могут быть выполнены измерения эллипсометрических параметров на длинах волн λ₂ и λ₆ одновременно переключая светодиоды 3 и 13 и 33 и 44. Набор светодиодов 30, 31, 33, 34 идентичен набору светодиодов 41, 42, 44, 45.

В случае использования лазерных диодов предлагается установка блока совмещения коллимированного излучения, схема которого представлена на фиг. 2. В этом варианте пучки В1 и В2 поступают на СП 19 и 9 соответственно, а аналогичный блок совмещения с тремя парами идентичных лазерных диодов устанавливается в анализаторе перед СП 36 и 25.

Симметрия конструкции эллипсометра позволяет использовать отражение от образца в противоположном направлении при удвоении используемых длин волн. Заметим, что минимальное время измерения Ψ и Δ, например, на длине волны пика светодиодов 1 и 11 определяется двойным временем включения и выключения светодиодов и может быть очень малым.

Формирование пар одинаковых ПИИ позволяет полностью исключить движущиеся элементы в эллипсометре с переключением ортогональных состояний поляризации и не использовать модуляторы состояния поляризации. Простые методы калибровки в положении «на просвет» и по измерениям на эталонных образцах легко реализуются.

Сам метод переключения ортогональных состояний поляризации естественно реализуется при использовании малогабаритных призм ГТ. Следует отметить строгое сохранение геометрии пучков при прохождении этих призм в спектральном диапазоне 360-2300 нм, что наряду с отсутствием движущихся элементов обеспечивает повышение чувствительности и воспроизводимости измерений эллипсометрических параметров Ψ и Δ.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается эллипсометра. Эллипсометр включает в себя последовательно расположенные вдоль оптической оси блок поляризатора с источником излучения и блок анализатора, содержащие призмы Глана-Томпсона. В поляризаторе в качестве источника излучения используют два идентичных набора полупроводниковых источников излучения, перекрывающих выбранный спектральный диапазон. Поляризатор дополнительно содержит два фотоприемника и два светоделителя, расположенные перед призмой Глана-Томпсона и направляющие излучение на фотоприемники. Блок анализатора конструктивно полностью идентичен блоку поляризатора. Технический результат заключается в повышении чувствительности устройства, улучшении воспроизводимости эллипсометрических параметров и увеличении скорости измерений. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Эллипсометр, включающий последовательно расположенные вдоль оптической оси блок поляризатора с источником излучения и блок анализатора, содержащие призмы Глана-Томпсона, отличающийся тем, что в поляризаторе в качестве источника излучения используют два идентичных набора полупроводниковых источников излучения, перекрывающих выбранный спектральный диапазон, поляризатор дополнительно содержит два фотоприемника и два светоделителя, расположенных перед призмой Глана-Томпсона, направляющих излучение на фотоприемники, при этом блок анализатора конструктивно полностью идентичен блоку поляризатора.

2. Эллипсометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковых источников импульсного излучения используют светодиоды.

3. Эллипсометр по п. 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит систему коллимирования пучков, расположенную перед светоделительными пластинами.

4. Эллипсометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковых источников импульсного излучения используют лазерные диоды.

5. Эллипсометр по п. 1, отличающийся тем, что поляризатор дополнительно содержит компенсатор перед образцом.