Способ частотно-модуляционной эллипсометрии Советский патент 1983 года по МПК G01J4/04 

35

о х :д :л Изобретение относится к измерительной текнике и может быть использовано в электронной и радиотехничес кой промышленностях для неразрушающе го исследования строения и определе.ния параметров различных отражающих систем, преимущественно в сверхвысокочастотном диапазоне. Известен способ эллипсометрии,основанный на разделении отраженной от гисследуемого объекта электромагнитной волны на две ортогональные составляющие, направлении их по двум каналам, вторичном делении каждой из ортогональных составляющих на две волны равной интенсивности и раздель ном измерении поляризационных углов в калодом измерительном канале. Отношение амплитуд ортогональных составляющих измеряется путем их детектиро вания и подачи сигналов с детекторов на измеритель отношения двух напряжений, афазовый сдвиг между ними - путем одновременной подачи ортогональных составляющих волны на детектор,«выравнивания их амплитуд вращением поляризующей проволочной решетки и измерения сдвига Меходу ними уголковым фазовращателем, вклю|ченный1 в одно из плеч второго измерительного канала jjL . Недостатком данного способа является низкая точность измерений разности фаз ортогональных составляющих, так как измерение производится непосредственно на сверхвысокой частоте. Наиболее близким к предлагаемому является способ частотно-модуляционной эллипсометрии, при осуществлении которого направляют, электромагнитное излучение с заданным состояни ем поляризации .на исследуемой образе провзаимодействовавшее с исследуемым образцом излучение разделяют на два пучка с ортогонсшьными плоскостями лоляризации и регистрируют изменение состояния поляризации провзаимодействовавшего с исследуемым образцом . излучения по сравнению с направляеглым на него 2 , Однакоизвестный.способ характеризуется низкой точностью измерений. Цель изобретения. - повышение точности Измерений. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу частотномодуляционной эллипсометрии, при осу ществлении которого направляют электромагнитное излучение с заданным состоянием поляризации на исследуемы образец, Ьровзаимодействовавшее с ис следуемыгу образцом излучение разделя ют на два пучка .ортогональными плоскостями поляризации и регистрируют изменение состояния поляризации провзакмодействовавшего с исследуемым образцом излучения по сравнению с направляемым на него, направляемое . на исследуемый образец элёктрЬмаг15итное излучение модулируют по частоте, в одном из пучков поворачивают плоскость поляризации на 90 и смешивают его в балансном смесителе со вторым пучком, выделяют низкочастотную составляющую результирующего сигнала и измеряют ее параметры, по которым судят об изменении в состоянии поляри3 ации. На чертеже приведена функциональ-ная .схема устройства для осуществления способа. Способ осуществляется следующим образом. Пучок электромагнитных волн, поляризованных определенным образом, например линейно, модулируют по частоте по периодическому закону с низкой постоянной частотой f« и постоян ной девиацией частоты относитель- но средней частоты ig и направляют под углом tf на исследуемый объект. Отраженную или прошедаиую волну разделяют на две ортогональные составляющие с помощью поляризующей проволочной решетки, направляют их на два канала, поворачивают плоскость поляризации одной из волн на 90, подают их на два входа балансного смесителя, выделяют на выходе балансного смесителя сигнал разностной частоты и измеряют амплитуду и фазу низкочастотной составляющей результирующего сигнала, по которым судят об изменении в состоянии поляризации, происшедшем в результате взаимодействия электромагнитной волы с исследуеьшм объектом. Так как поляризационные углы, которые необходимо измерить и которые являются количественной мерой изменений состояния поляризации, происшедших в результате взаимодействия электромагнитной волны с исследуе1.1ым объектом, зависят от частоты падающего излучения, то модуляция падающего излучения по частоте по периодическому закону с низкой постоянной частотой Р приводит к относительной амплитудной и фазовой модуляции одной ортогональной составляющей относительно другой. Фазовая модуляция приводит к относи тельному сдвигу частоты одной из ортогональных составляющих, в результате на выходе балансного смесителя образуется сигнал разностной частоты (биения), который выделяется детектором и параметры которого несут информацию о поляризационных углах. Принципиальная особенность предложенного метода заключается в том, что выделенный низкочастотный сигнал, азностной частоты несет информацию .только об изменениях состояния поляй ризации, происшедших в результате взаимодействия с исследуемым объектом, Так как параметры эллипса поляризации падающей волны не зависят от частоты, следовательно периодическая модуляция по частота не приводит к непрерывному изменению фазы одной составляющей относительно другой, а значит отсутствует фазовый сдвиг меж ду ними и следовательно сигнал разно 1тей частоты на выходе балансного сме сителя. Предлагаемое устройство, реализующее данный способ, содержит СВЧ свип-генератор 1 с блоком питания 2, три волноводно-лучевых перехода .квазиоптическую линию переда 1И 4 на основе полого диэлектрического луче:вода/ в изгибе которого установлен исследуемый образец 5, делитель луча 6 на две ортогональные составляющие, волноводный тракт, содержащий . скрутку 7 на 90° и балансный смеситель 8, детектор 9 и измерительный блок 10. Устройство работает следующим образом. s Сигнал от СВЧ свип-генератора 1, модулированный по частоте по периодическому закону с низкой частотой . РИД и ПОСТОЯННОЙ максимальной девиацией U t относительно средней частоты i(j через волноводно-лучевой переход 3 по полому диэлектрическом лучеводу 4 поступает на исследуемый образец 5 под углом Ц| , причем пада ющая волна линейно поляризована под углом 45 к плоскости падения. Отраженная от образца 5 волна, поляризованная в общем случае эллиптически, по диэлектрическому волноводу падает на делитель 6 луча, выполнен ный на основе одномерной плоскости металлической сетки, которая уста- Г новлена под углом 45° к оси луча и направляет взаимно ортогональные со тавляющие волны в два канала. Ортог нальные составляющие через волновод но-лучевые переходы 3 по полым прям угольным металлическим волноводам попадают на два входа балансного смесителя 8, причем плоскость поляризации одной из составляющих с домощью волноводной скрутки 7 поворачивается на 90°,.таким образом сигналы, поступающие на вход балансно|ГО смесителя, идентифицируются. ДеiTexTop 9, установленный на выходе балансного смесителя, выделяет низкочастотную составляющую сигнала, равную промежуточной частоте. Низко частотный сигнал с детектора поступает на вход измерительного блока 10, который регистрирует параметры разностного сигнала промежуточной частоты, по которым судят об изменении в состоянии полдризации,при отражении свч-волны от исследуемого образца. Измерения по предлагаемому способу проводятся на установке, изображенкой на чертеже. В процессе измерений определяются с1мплитуда и фаза первых шести гармоник продетектированного сигнала. Основным преимуществом предлагаемого способа по сравнению с известным является расширение функциональных возможностей за счет исключения операции изготовления образцов специальной формы. Это дает возможность измерять диэлектрическую проницаемость эрозионностойких пленочных покрытий плиток теплозащитных материалов. Осуществить такой контроль базовым способом нельзя, так как невозможно изготовить, образцы цилиндрической формы диаметром 49, 95 мм из..материала пленочного покрытия. Преимуществом ..предлагаемого способа является также возможность одновременного определения диэлектрической проницаемости и толщины эрозионностойкого защитного покрытия. Все это дает возможность использовать предлагаемый способ для неразрушающего контроля эрозионностойких пленочных покрытий непосредственно на стадии производства теплозащитных шшток. Экономический эффект при использовании предлагаемого способа для неразрушающего контроля неравноплотности эрозионностойкого покрытия теплозащитных плиток составит 77,5 тыс. руб. в год. Эффект ростигаетря за счет повышения процента выхода годных изделий с 98 до 98,5%путем выявления заготовок, неравноплотность и толщина эрозионностойких покрытий которых выходят за допустимые технологические пределы, и исключения их из дальней- . шего технологического цикла. Кроме того, производительность труда повышается в 5 раз за счет того, что при измерении диэлектрической проницаемости эрозионностойкого покрытия отпадает, необходимость в изготовлении специальных образцов из материала эрозионностойкого покрытия, используемых для измерения диэлектрической проницаемости по базовому способу.. .

СПОСОБ ЧАСТОТНО-МОДУЛЯЦИОННОЙ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ, при осуществлении которого направляют электромагнитное излучение с заданным состоянием поляризации на исследуемый образец, провзaи 4oдeйcтвoвaвшee с исследуемым образцом излучение разделяют на два пучка ортогональными плоскостями поляризаций и регистрируют изменение состояния поляризации провзаимодействовавшего с исследуемым образцом излучения по сравнению с направляемым на него, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, направляемое на исепедуемый образец электромагнитное излучение модулируют по частоте, в одном из пучков поворачивают плоскость йоляризации на 90 и смешивают его в балансном смесителе со вторым пучком, вьщеляют низкочастотную составляющую рездо1ьтирующего сигнала и измеряют ее параметры, по которым судят об из-sg менении в состоянии поляри3 ации.