Поляризационный фильтр для эллипсометра миллиметрового диапазона спектра Российский патент 2025 года по МПК G02B5/30 G01N21/21 

Область техники

Изобретение относится к техническим решениям, предназначенным для проведения измерений диэлектрических постоянных и физических параметров микрогетерогенных дисперсионных систем эллипсометрическим методом, путем измерения поляризации отраженной электромагнитной волны. Изобретение может быть использована для неразрушающего контроля на этапах создания и эксплуатации композиционных и керамических материалов.

Уровень техники

Известны эллипсометры в которых используется схема построения поляризатор – образец-анализатор имеющий аббревиатуру PSA (1,2). Эллипсометры с данной архитектурой применяются в широком спектральном диапазоне, относятся к классу фотометрических эллипсометров. Измерение эллипсометрических параметров ψ, Δ исследуемого объекта проводятся путем измерения интенсивность излучения при ориентации азимута поляризатора Р в положении ±45 анализатора А в положениях (0, 90,45, 135) . Вычисление эллипсометрических параметров производится по формуле

.

Недостатками данной схемы измерения является невысокая скорость измерительного процесса, которая ограничена возможностью механической системы управления азимутом ориентацией поляризационного элемента, использование высокоточных угломерных устройств, применение энергоемкого старт-стопного режима управления при установки поляризационного элемента в положении фиксированного значения азимута. (Требования повышения скорости измерения возникают в исследованиях временных характеристик физико-химических процессов протекающих на поверхности, например рост пленок в процессе напыления, с исследованиями пространственным распределением изменений электродинамических характеристики поверхности). В данной схеме измерения наблюдается высокая погрешность определения Δ в окрестности углов Δ ~ 0 и 180 обусловленная необходимостью выполнения тригонометрических преобразований, которые требуют высокую точность измерения интенсивности.

Высокая скорость измерения достигается в эллипсометре (патент US5311285), содержащий плечо поляризатора в составе источника поляризованного излучения, исследуемый объект и плечо анализатора. Измерения параметров ψ, Δ в плече анализатора осуществляется путем пространственного разделение отраженного от исследуемого образца излучения на четыре световых пучка с различной поляризацией и последующим измерением интенсивности излучения в пучках четырьмя независимыми фотоприемными элементами.

Недостатком эллипсометра, построенного по принципу пространственного разделения отраженного излучения на четыре световых пучка с различной поляризацией и измерение интенсивности четырьмя приемниками, при работе в миллиметровом диапазоне спектра является, значительные потери интенсивности излучения на диафрагмах, обусловленные дифракционными явлениями, что требует увеличения апертуры, а также сложность процесса калибровки прибора связанная с необходимостью определения и нормирования значения разделенных потоков и чувствительности приемных устройств.

Раскрытие сущности изобретения

Задача заключается в конструктивном изменении поляризационного фильтра.

Технический результат изобретения заключается в повышении значения отношения сигнал/шум при измерении интенсивности поляризованного излучения, путем увеличения времени измерения по отношению к общему измерительному циклу.

Поляризационный фильтр для эллипсометра, состоит из диска, выполненного с возможностью вращения и содержащего четыре осе симметрично расположенных сектора, микроструктура секторов выполнена в виде решетки электропроводящих полос. Направление каждой полосы в секторе ориентировано под углами +45°, -45°, 90°, 0° по отношению к радиус - вектора проведенного из центра вращения к точке пересечения с полосой.

Поляризационный фильтр выполнен с возможностью обеспечения при непрерывном вращении: дискретного изменения азимута линейной поляризации излучения падающего на приемник излучения +45°, -45°, 90°, 0°, формирования системы синхронных коммутирующих сигналов управления модуляцией излучения, точности установки азимутов поляризации во вращающимся фильтре.

Эллипсометр, содержащий плечо поляризатора, состоящий из источника излучения, линейного поляризатора, ориентированного под углом 45° относительно плоскости падения излучения на исследуемую поверхность, кругового поляризатора, обеспечивающего фазовый сдвиг 90°, плечо анализатора содержащие линейно поляризационный фильтр и приемник излучения.

Линейно поляризационный фильтр, установленный в плече анализатора перед приемником излучения миллиметрового диапазона, представляет собой вращающийся диск, содержащий четыре осе симметрично расположенных сектора. Микроструктура секторов выполнена в виде решетки электропроводящих полос, направление каждой полосы в секторе ориентировано под углами +45°, -45°, 90°, 0° по отношению к радиус – вектора, проведенного из центра вращения к точке пересечения с полосой.

Конструкция фильтра обеспечивает посекторное, дискретное переключение азимута линейной поляризации излучения соответственно на +45°, -45°, 90°, 0°, при постоянной скорости вращении фильтра. Время переключения определяется угловым размером сектора и угловой скоростью вращения фильтра.

Вращающий фильтр обеспечивает формирования системы синхронных коммутирующих сигналов управления модуляцией излучения в плече поляризатора.

Определение эллипсометрических параметров исследуемого объекта осуществляется расчетным методом по результатам измерения интенсивности излучения, одним приемником по четырем положениям азимутов поляризации вращающего фильтра.

Изменения угла ориентации полос, приводит к изменению азимута поляризации прошедшего излучения. Микроструктура фильтра формируется фотолитографическим способом, где носителем служит прозрачный материал для обеспечения проходящего излучения, в заявленном изобретении используется полипропиленовая пленка, которая обладает высоким пропусканием в миллиметровом диапазоне.

Применение данного фильтра в блоке анализатора эллипсометра позволяет последовательно измерять интенсивность излучения одним приемником, путем дискретного изменения азимута ориентации поляризации при непрерывном вращении фильтра.

Осуществление изобретения

В плече анализатора, перед приемником излучения миллиметрового диапазона устанавливается анализатор, состоящий из вращающего диска, на котором сформированы четыре сектора с определенной микроструктурой. Микроструктура секторов выполнена в виде решетки электропроводящих полос, где направления каждой полосы в секторе ориентировано под углами +45°, -45°, 90°, 0° по отношению к радиусу – вектора, проведенного из центра вращения к точке пересечения с полосой. Микроструктура фильтра формируется фотолитографическим способом, где носителем служит материал прозрачный для проходящего излучения, в заявленном устройстве используется полипропиленовая пленка, которая обладает высоким пропусканием в миллиметровом диапазоне. Точность взаимной ориентации азимутов поляризации во вращающимся фильтре обеспечивается фотолитографическим способом в процессе построения фотошаблона.

Время экспозиции сигнала одной поляризацией t_э определится по формуле

,

где T - период обращения фильтра, d - диаметр апертуры падающего излучения ограниченная размером приемника, r - действующий радиус вращающего фильтра.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается поляризационного фильтра для эллипсометра. Поляризационный фильтр состоит из диска выполненного с возможностью вращения и содержащего четыре осе симметрично расположенных сектора. Микроструктура секторов выполнена в виде решетки электропроводящих полос, направление каждой полосы в секторе ориентировано под углами +45°, -45°, 90°, 0° по отношению к радиус-вектору проведенному из центра вращения к точке пересечения с полосой. Поляризационный фильтр выполнен с возможностью обеспечения при непрерывном вращении дискретного изменения азимута линейной поляризации излучения падающего на приемник излучения +45°, -45°, 90°, 0°. Технический результат изобретения заключается в повышении значения отношения сигнал/шум при измерении интенсивности поляризованного излучения.

Поляризационный фильтр для элипсометра, состоящий из диска выполненного с возможностью вращения и содержащего четыре осесимметрично расположенных сектора, микроструктура секторов выполнена в виде решетки электропроводящих полос, направление каждой полосы в секторе ориентировано под углами +45°, -45°, 90°, 0° по отношению к радиус-вектора проведенного из центра вращения к точке пересечения с полосой, поляризационный фильтр выполнен с возможностью обеспечения при непрерывном вращении: дискретного изменения азимута линейной поляризации излучения падающего на приемник излучения +45°, -45°, 90°, 0°, формирования системы синхронных коммутирующих сигналов управления модуляцией излучения, точности установки азимутов поляризации во вращающемся фильтре.