Эллипсометр миллиметрового диапазона спектра Российский патент 2025 года по МПК G01N21/21 G02B5/30 

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 установке 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 US 5311285), 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 потерь интенсивности излучения на диафрагмах обусловленные дифракционными явлениями, что требует увеличение апертуры, а также сложность процесса калибровки прибора связанная с необходимостью определения и нормирования значения разделенных потоков и чувствительности приемных устройств.

Раскрытие сущности изобретения

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.

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 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.

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 скорость 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 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 радиус-вектору, проведенному 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 вращающемся 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, ограниченной размером приемника, r - действующий радиус вращающего фильтра.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается эллипсометра. Эллипсометр содержит плечо поляризатора и плечо анализатора. Плечо поляризатора состоит из источника излучения, линейного поляризатора, ориентированного под углом 45° относительно плоскости падения излучения на исследуемую поверхность, и кругового поляризатора, обеспечивающего фазовый сдвиг 90°. Плечо анализатора содержит приемник излучения миллиметрового диапазона и установленный перед приемником излучения линейно поляризационный фильтр, представляющий собой диск, выполненный с возможностью вращения и содержащий 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-вектору, проведенному из центра вращения к точке пересечения с полосой. Технический результат изобретения заключается в повышении значения отношения сигнал/шум при измерении интенсивности поляризованного излучения.

Эллипсометр, содержащий плечо поляризатора, состоящее из источника излучения, линейного поляризатора, ориентированного под углом 45° относительно плоскости падения излучения на исследуемую поверхность, кругового поляризатора, обеспечивающего фазовый сдвиг 90°, и плечо анализатора, содержащее приемник излучения и установленный перед приемником излучения линейно поляризационный фильтр, отличающийся тем, что в плече анализатора приемник излучения является приемником миллиметрового диапазона, а линейно поляризационный фильтр представляет собой диск, выполненный с возможностью вращения и содержащий 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-вектору, проведенному из центра вращения к точке пересечения с полосой, линейно 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.