УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК G01N21/23 

Изобретение относится к области поляризационно-оптических исследований и может быть использовано для контроля двулучепреломления прозрачных объектов, в частности для бесконтактного контроля внутренних упругих напряжений в изотропных материалах, в том числе в полупроводниковых материалах, используемых в микроэлектронике.

Целью изобретения является расширение области применения устройства за счет обеспечения возможности исследования тонких пленок и обеспечение определения осей двулучепреломления.

Схема устройства изображена на чертеже.

Устройство для измерения двулучепреломления включает в себя монохроматизированный источник 1 зондирующего излучения с длиной волны в области прозрачности исследуемого образца, расширитель 2 светового пучка, поляризатор 3, фазовую четвертьволновую пластинку 4, микрообъектив 5, двухкоординатное сканирующее устройство 6 с исследуемым образцом 7, собирающую линзу 8, вращающийся анализатор 9, блок 10 формирования опорного сигнала, фотоприемник 11, выход которого электрически соединен с входом блока 12 питания фотоприемника и входом селективного усилителя 13. Выход линейного детектора селективного усилителя 13 соединен с входом регистрирующего устройства 14, а усилительный выход с одним входом измерителя 15 разности фаз, второй вход которого соединен с выходом блока 10 формирования опорного сигнала. Выход измерителя 15 разности фаз соединен с входом регистрирующего устройства 6.

Устройство работает следующим образом.

Зондирующий световой луч от источника 1 излучения расширяется расширителем 2 и линейно поляризуется поляризатором 3. Пройдя сквозь фазовую четвертьволновую пластинку 4, ось которой составляют угол 45^о с осью поляризатора, свет становится циркулярно поляризованным и фокусируется микрообъективом 5 на исследуемый образец 7. Если образец обладает двулучепреломлением, он преобразует поляризацию света из круговой в эллиптическую. Собранный линзой 8 эллиптически поляризованный свет, пройдя через вращающийся с частотой ω анализатор 9, становится промодулированным по интенсивности с частотой 2ω и попадает на приемную площадку фотоприемника 11.

При исследовании двулучепреломления в полупроводниковых пластинах, используемых в микроэлектронике, луч гелийнеонового лазера ЛГ-126 ( λ= 1,15 мкм) проходит поляризатор, расширитель (представляющий собой телескоп Галилея), фазовую четвертьволновую пластинку и фокусируется микрообъективом на исследуемую полупроводниковую пластину, укрепленную на двухкоординатном сканирующем столе, который обеспечивает ей возвратно-поступательное движение по горизонтали и одновременно непрерывное перемещение по вертикали. В результате вся площадь пластины (с интервалом 0,5 мм между строками) подвергается зондированию лазерным излучением, сфокусированным в пятно диаметром 0,05 мм. Прошедшее пластину излучение собирается линзой, проходит через вращающийся с частотой ω= 170 Гц анализатор и попадает на фотокатод ФЭУ-83, блок питания которого работает в режиме стабилизации выходного тока ФЭУ. Выход фотоприемника соединен с входом обратной связи блока питания ФЭУ и входом селективного усилителя У2-8, настроенного на частоту 2ω. С линейного детектора усилителя У2-8 выпрямленное напряжение подается на вход Y двухкоординатного самописца ПДП-4-002, перемещение пера которого синхронизировано с двухкоординатным перемещением пластины управляющими напряжениями, поступающими на входы Х и Y самописца с двухкоординатного сканирующего стола.

С усилительного выхода селективного усилителя У2-8 переменное напряжение частотой 2ω поступает на вход измерителя разности фаз Ф2-16, на вход опорного сигнала которого поступает напряжение частотой 2ω с источника опорного напряжения, представляющего собой оптронную пару фотодиод-светодиод и прерыватель, укрепленный на вращающемся анализаторе. Разность фаз, измеряемая измерителем разности фаз Ф2-16, дает ориентацию большой оси эллипса поляризации относительно некоторого фиксированного направления. Выход фазометра соединен с входом Y второго двухкоординатного самописца ПДП-4-002, перемещение пера которого также синхронизировано с двухкоординатным перемещением пластины.

Интенсивность светового потока Φ на выходе анализатора 9 в общем виде выражается формулой
Φ≈Φ_о τ[1 + sinδ sin 2 (ωt α)] (1) где Φ_о- световой поток до анализатора;
τ- коэффициент пропускания образца в исследуемой точке;
δ- величина двулучепреломления;
α- угол между большой осью эллипса поляризации и некоторым фиксированным направлением (обычно угол α отсчитывается от оси поляризатора).

Из формулы (1) видно, что сигнал на частоте 2ω описывается вторым членом суммы, и его амплитуда определяется не только величиной δ, но и величинами Φ_ои τ. В случае непостоянства значения Φ_о(вследствие нестабильности источника излучения) илиτ (вследствие неодинакового пропускания различных участков образцов) в процессе измерения картина двулучепреломления искажается.

Для предотвращения этих искажений на вход блока 12 питания, работающего в режиме стабилизации выходного тока фотоприемника, подается с фотоприемника 11 напряжение обратной связи U, пропорциональное интенсивности Φ светового потока и описывающееся выражением.

U U_o τ[1 + sinδ sin 2 (ωt α)] (2), где U_о ≈Φ_о.

При t_o=, где t_о постоянная времени обратной связи блока питания 12 фотоприемника, второй член суммы (2), изменяющийся с частотой 2ω, не влияет на выходное напряжение блока 12 питания фотоприемника, которое в этом случае изменяется таким образом, чтобы поддерживать постоянной величину только первого члена суммы (2).

Электрический сигнал U с фотоприемника 11 поступает также на вход селективного усилителя 13, настроенного на частоту 2ω, т.е. выделяющего второй член суммы (2), величина которого уже не зависит от флуктуаций Φ_о и τ (поскольку величина Φ_оτ поддерживается постоянной), а определяется только величиной двулучепреломления δ Выпрямленное напряжение с линейного детектора селективного усилителя 13 подается на вход регистрирующего устройства 14, которое фиксирует топограмму распределения величины двулучепреломления δ по образцу. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет измерять величину двулучепреломления в материалах, прозрачных для зондирующего излучения, и регистрировать распределение δ по образцу.

Переменное напряжение ≈ sin 2 (ωt -α) с усилительного выхода селективного усилителя 13 поступает на вход измерителя 15 разности фаз, на второй вход которого подается опорное напряжение частоты 2ω от блока 10 формирования опорного сигнала, представляющего собой, например, оптронную пару и дисковый прерыватель, укрепленный на вращающемся анализаторе 9. Измеритель разности фаз измеряет разность фаз между опорным и регистрируемым сигналами, т. е. величину 2α. Направление α=0 определяется положением оптронной пары, поворачивая которую вокруг оптической оси устройства, можно подобрать ее положение, при котором угол α отсчитывается, например, от оси поляризатора 3. Выходное напряжение измерителя 15 разности фаз, пропорциональное углу α отклонения большой оси эллипса поляризации от оси поляризатора 3, подается на вход регистрирующего устройства 16. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет измерять направление осей эллипса поляризации и регистрировать распределение величин α по плоскости образца. Оси эллипса поляризации всегда составляют углы 45^о с осями двулучепреломления. Поэтому, зная величину α, можно определить направление осей двулучепреломления в образце.

Многолучевая интеpференция может существенно изменить интенсивность и состояние поляризации зондирующего луча и тем самым исказить результат измерений. Изменение интенсивности, обусловленное интерференцией, эквивалентно изменению интенсивности за счет неодинакового пропускания τ образца в различных точках и компенсируется блоком питания фотоприемника, работающим в режиме стабилизации тока и стабилизирующим величину первого члена суммы (2). Обусловленное интерференцией изменение поляризации света накладывается на изменение поляризации, вызванное двулучепреломлением, и искажает результат измерения величины двулучепреломления δ. Для уменьшения этого искажения в предлагаемом устройстве используется способ, применяемый обычно для уменьшения влияния многолучевой интерференции на измерения коэффициента пропускания тонких полированных пластин, а именно увеличение выходной апертуры фокусирующей системы. При увеличении апертуры А sinγ от А 0,04 до А 0,5 контраст интерференции, γ- угол сходимости светового пучка
K (3) где I_макс и I_мин интенсивность максимумов и минимумов интерференционной картины, уменьшается от К 0,18 до К 0,014.

Наблюдаемый при А 0,04 контраст обусловлен именно влиянием интерференции на поляризацию излучения, т.к. изменения интенсивности компенсируются блоком 12 питания фотоприемника, работающим в режиме стабилизации тока. Для увеличения выходной апертуры фокусирующей системы используют расширитель 2 светового пучка и микрообъектив 5, обеспечивающие А 0,5, достаточную для подавления влияния интерференции.

Изобретение относится к области поляризационно-оптических исследований и может быть использовано для бесконтактного контроля внутренних упругих напряжений в изотропных материалах. Цель изображения расширение области применения устройства и обеспечение определения осей двулучепреломления. Устройство включает монохроматический источник 1 излучения, которое, пройдя расширитель 2 светового пучка, поляризатор 3 и фазовую четвертьволновую пластинку 4, с помощью микрообъектива фокусируется на образец 7. Образец 7 помещен на двухкоординатное сканирующее устройство 6. С помощью собирающей линзы 8 прошедшее через образец 7 излучение через вращающийся анализатор 9 направляется на фотоприемник 11, с фотоприемника 11 на вход селективного усилителя 13, настроенного на удвоенную частоту вращения анализатора 9. Напряжение с линейного выхода усилителя 13 подается на вход регистрирующего устройства 14. Переменное напряжение с усилительного выхода усилителя 13 поступает на вход измерителя 15 разности фаз, на вход которого подается опорное напряжение с блока 10 формирования опорного сигнала оптронной пары с дисковым прерывателем, укрепленным на вращающемся анализаторе 9. Выходное напряжение измерителя 12 разности фаз, пропорциональное углу отклонения большой оси эллипса поляризации прошедшего через образец 7 излучения от оси поляризатора 3, подается на вход регистрирующего устройства 16. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ, содержащее монохроматический источник зондирующего излучения с длиной волны в области прозрачности исследуемого объекта, последовательно расположенные по ходу излучения поляризатор, фазовую четвертьволновую пластинку с осями, составляющими угол 45^o с осью пропускания поляризатора, сканирующее устройство, собирающую линзу, анализатор, установленный с возможностью вращения, и фотоприемник, а также блок питания фотоприемника, селективный усилитель и регистрирующее устройство, причем выход фотоприемника соединен с входом селективного усилителя, выход селективного усилителя соединен с регистрирующим устройством, а выход блока питания соединен с фотоприемником, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения и обеспечения определения осей двулучепреломления, оно дополнительно содержит расположенные по ходу излучения расширитель светового пучка, установленный между источником излучения и поляризатором, и микрообъектив, установленный перед сканирующим устройством, а также измеритель разности фаз, блок формирования опорного сигнала и второе регистрирующее устройство, причем один вход измерителя разности фаз соединен с выходом блока формирования опорного сигнала, а другой вход с усилительным выходом селективного усилителя, выход измерителя разности фаз соединен с входом второго регистрирующего устройства, выход фотоприемника с входом блока питания фотоприемника.