Способ измерения спектрального показателя поглощения Советский патент 1989 года по МПК G01N21/62 

Изобретение относится к физике и может найти применение при оптических и квазиоптических исследованиях химических и физических свойств веществ.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На фиг.1 изображено устройство, реализую1цее предлагаемый способ; на фиг.2 - график нормированной передаточной характеристики.

Устройство для определения спектрального показателя поглои1ения содержит лазер 1, управляемый ослабитель 2 (френелевского типа с коэффициентом ослабления порядка 10 дБ или поглои(аюи;его типа с коэффициентом ос- лабления порядка 20 дБ), зеркало 3, полупрозоамную пластину k, обтюратор 5, исследуемую полупроводниковую пластину 6 с эпитаксиальным слоем толщиной L, предметный подвижной стол 7, микроэвм 8, состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9, микропроцессора (ИП) 10 и цифро- аналогового преобразователя 11, электродвигатель 12, устройство 13 линей- ного перемещения стола 7 и цифровой индикатор 1 t.

Способ осуиюствляют следующим образом.

Первоначально ориентированно раз- мещают исследуемую среду (полупроводниковую пластину 6) между поверхнос- ТЯ1МИ отражения, первая из которых, расположенная перед средой и выполняющая функции обтюратора 5, характе- ризуетсп спектральным показателем отражения р, ( а вторая, расположенная неподвижно за средой,- спектральным показателем отражения р,;(Д), При этом исследуемая волновая протяжен- ность среды L располагается вдоль направления падаюи1его на среду зондирующего излучения от лазера 1.

Затем масштабируют (т.е. преобразовывают) интенсивность То монохроматического потока источника зондирующего излучения до ее величины (R,) при коэффициенте масштабного преобразования R,.

После чего перекрывают оптический канал поверхностью отражения обтюратора 5, фиксируют функциональным измерительным преобразователем интенсивность I, части потока зондирующего излучения, отраженной от поверхности обтюратора 5, и получают на выходе этого преобразователя первый результат прямого измерения в виде выходного (аналогового или цифрового) сигнала Y,, характеризуемого нелинейной асимитотической зависимостью

,(1 ,)° ±Л,, К,К,1, f,0) t ,,+ a,,(t,)J,(1)

где К - приведенный к входу измерительного преобразователя нормирован- ный коэ;|)йициент преобразования, п (, - показатель нелинейности нормирован- ной передаточной характеристики изме piiTenbHOf o преобразователя в м.омент

измерения, f, - приведенная к выходу измерительного преобразователя аддитивная погрешность преобразования, характеризуемая (в момент времени t, прямого измерения) коррелированной Л у, и некоррелированной Y,(t,) составляющими.

Далее открывают о(5тюратор 5, пропускают поток масштабированного па- даюи(его зондируюи(его излучения (интенсивностью К ,1) через исследуемую среду, вдоль ее протяженности L, зеркально отражают от поверхности, расположенной за средой, ингредиент потока зондирующего излучения, прошедший в прямом направлении среду, повторно -(в обратном направлении) пропускают этот ингредиент через среду, вдоль ее протяженности I,, фиксируют функциональным измерительным преобразователем интенсивность 1 ингр/в- диента и получают на выходе этого измерительного преобразователя второй результат прямого измерения в виде выходного сигнала Yj , характеризуемого нелинейной асимитотической зависимостью

Y, K,(I)° +& KjK,Icf() X. X р, (А)(Л) ±rZv, +ЛУ, (t,) (2) где К .1 - приведенный к входу измерительного преобразователя нормированный коэффициент преобразования; приведенная к выходу измерительного преобразователя аддитивная погрешность преобразования, характеризуемая (в момент времени t) коррелированной Л у,, и некоррелированной dYi(tj) Составляюи1ими, -С ( - спектральное пропускание средой ингреди-- ента потока зондирующего излучения.

Затем повторно перекрывают оптический канал поверхностью отражения обтюратора.

После чего изменяют коэффициент К масштабного преобразования до его величины К, масштабируют интенсивность IP потока источника зондирующего излучения до ее величины (), перестраивают этим фиксируемую преобразователем интенсивность 1, до ее значения 1з и получают на выходе этого преобразователя третий результат прямого измерения в виде выходного сигнала I., характеризуемого нелинейной асимптотической зависимостью

,(I,)° + чэ КДКЛо Р,(-) ± ± Д S,, + Ду, (t,) ,(3)

515

где К, - приведенный к входу измерительного преобразователя нормированный коэффициент преобразования; -flxj- приведенная к выходу измерительного преобразователя аддитивная погрешность преобразования, характеризуемая (в момент времени 13) коррелированной 3 Y3 и некоррелированной л

составляющими.

Обтюратор открывают. Затем изменяют коэффициент К4 масштабного преобразования до его величины Kj масштабируют интенсивность Ij, потока источника зондирую1цего излучений до ее величины (Kjlj), перестраивают этим фиксируемую преобразователем интенсивность Ij до ее значения 1ц и получают на выходе этого преобразователя четвертый результат прямого из- мерения в виде выходного сигнала Y, характеризуемого нелинейной асимптотической зависимостью

(l4) t4V, КДк,1„г(л)(Л)

После чего принимают, что изменения К и Кз коэффициента масштабного преобразования К, обеспечивают перестраивания первоначально фиксируемых интенсивностей I, и Ij до их значений соответственно 1з и 1 в пределах квазилинейных учасГков

и 1- IY, - YJ,

характеризуемых равенствами соответственно

4,- 1Хз- Y, I

(6) (7)

к, - К,, ,,, и

г xt у4 а также условием

14пв1 In. - 11 1. (8) Лалее определяют разности (5) результатов прямых измерений интенсивностей потока зондирующего излучения а именно

4, -K,Iof,0)(Ki - К,) tC vsCta) ,(t,) и (9) й -К21о ЧА)рЛ/)(Кз - К,) ±

, (4) - (t,):i (10)

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛАЩЕНИЯ путем помещения исследуемой среды между поверхностями отражения с коэффициентами отражения ρ₁(Λ) и ρ₂(Λ), измерения интенсивности излучения, отраженного от поверхности отражения с коэффициентом отражения ρ₁(Λ) без среды, облучение объекта и измерение интенсивности излучения, отраженного от поверхности с коэффициентом отражения *)(P₁(Λ), прошедшего через среду, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно измеряют интенсивности отраженного излучения от отражающих поверхностей с коэффициентом отражения ρ₂(Λ), расположенной перед средой и изменяют регистрируемые сигналы путем масштабирования в К₁ и К₂ раз сигналов, соответствующих измеренным интенсивностям излучения отраженного от поверхности отражения без среды и со средой в пределах квазилинейногых участков передаточной характеристики измерительного преобразования и определяют величину спектрального показателя поглощения Α(Λ) по формуле @ , где 98DP₁=Y₃-Y₁

ΔP₂-=Y₄-Y₁, Y₃,Y₄- сигналы, соответствующие интенсивностям излучения, отраженным от поверхности без среды с различными коэффициентами преобразования К₁ и К₂ соответственно

Y₄,Y₁ - сигналы, соответстующие интенсивностям излучения, отраженным от поверхности со средой с различными коэффициентами преобразования К₁ и К₂ соответственно.

)

где К - приведенный к выходу измерительного преобразователя нормированный коэффициент преобразования, приведенная к выходу измерительного преобразователя аддитивная погрешность преобразования, характеа также отношение этих разностей dy/Jj из которого характеризуют спектральное пропускание t(Л) иссле- 30 дуемой среды асимптотическим соотношением

(n.5i (I r-KjZKi)Ki X filii +

/ U, Ч - К,/К/К f,(A)

ризуемая (в момент времени t J корре- ± A(t|),(П)

лированной Лу4и некоррелированной 35 где некоррелированная составляющая (4) составляющими.остаточной погрешности

1(г ) iLliiitil rliiitilL iAJAiiitii il4j.Xti2 , . .1,к,р,(;1)(Кз-к,)

Затем подставляют соотношение (11) в известную зависимость

,(д) $.(J L (Л)

1 о7ТТ.

gjt434 L

V (Л)

где И() - спектральное пропускание средой потока, падаюи1его ) зондирующего излучения, Ф (л) - световой поток прошедший через среду, и получают итоговое асимптотическое выражение показателя поглосцения

,Ki

KI/K/K, р,(л)

(13)

а также отношение этих разностей dy/Jj из которого характеризуют спектральное пропускание t(Л) иссле- дуемой среды асимптотическим соотношением

5

0

5

при условии, что некоррелированная составляющая (12) исчезаюи|е мала и ею можно пренебречь.

Для реализации указанной зависимости в устройстве ,(Фиг.1) первоначально вводят в оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) МП 10 алгоритм последовательности прохождения команд измерительных операций и алгоритм 13 определения искомого параметра «(Л), а также нормированную передаточную характеристику (фиг.2) и постоянные величины L, f () и f(),

После чего устанавливают полупроводниковую пластину 6, с исследуемым (допустим эпитаксиальным) слоем толщиной L, на предметный стол 7.

Далее по команде MHKpoSBfl 8 включают лазер 1, устанавливают начальное ослабление К, ослабителя 2, значение которого вводят в ОЗУ, перемещают устройством 13 пластину 6 на столе 7 в исходное координатное состояние, враи1ением электродвигателя 12 перекрывают обтюратором 5 световой канал.

Затем фиксируют ОЗУ МП 10 выходно сигнал (1) АЦП 9 и вычисляют с помощью МП 10 нормированный коэффициент преобразования К в момент фиксирования сигнала (1), аначение которого также фиксируют в ОЗУ МП 10..,

После чего вращением электродвигателя 12 по команде микроЭВМ 8 устанавливают обтюрлтор 5 в положение, показанное на фиг.1.

Далее фиксируют ОЗУ МП 10 выход- ной сигнал (2) АЦП 9 и вычисляют, с помощью МП 10, нормированный коэффициент преобразования К-а в момент фиксирования этого сигнала, значение которого также фиксируют в ОЗУ МП 10

Затем по команде микроЭВМ 8 вращением электродвигателя 12 перекрывают обтюратором 5 световой канал.

После чего по команде микроЭВМ 8 изменяют начальное ослабление К, ослабителя 2 до его величины К в пределах выполнения первого равенства (6), которое контролируется непрерывными вычислениями МП 10 изменяклчегос нормированного коэффициента преобра- ДО

зования К до его величины К.

Далее фиксируют ОЗУ МП 10 выходной сигнал (З) и вводят в это ОЗУ второе значение К ослабления ослаби теля 2 в момент выполнения первого равенства (6).

Затем врацением электродвигателя 12, по команде микроЭВМ устанавливают обтюратор 5 в положение, показанное на фиг.1. После чего по команде микроэвм 8 изменяют ослабление К, ослабителя 2 до его величины Kj в пределах выполнения первого равенства (7) , которое контролируется непрерывными вычислениями МП 10 изменяющегося нормированного коэффици

5

0

5

0

5

5

0

ента преобразования до его величины Кф.

Далее фиксируют ОЗУ МП 10 выходной сигнал (k) и вводят в это ОЗУ третье значение К ослабления ослабителя 2 в момент выполнения первого равенства (7).

Затем МП 10 вычисляет искомый-параметр о/() по алгоритму (13), введенному в его ОЗУ, используя промежуточные соотношения (5).

После чего по команде микроЭВМ 8, индицируется на индикаторе ТД результат определения спектрального показателя погло1чения эпитаксиального Слоя полупроводниковой пластины 6 в ее начальном координатном состоянии.

Далее по. команде микроЭВМ 8 перемещают (при необходимости) устройством 13 пластину 6 на столе 7 во второе координатное состояние.

После чего по команде микроЭВМ 8 устанавливают начальное ослабление К. ослабителя 2, вращением электродвигателя 12 перекрывают обтюратором 5 световой канал, повторяют процесс определения спектрального показателя поглощения.

Применение микроЭВМ 8 в управлении процессом определения спектрального показателя поглощения позволяет интегрировать результаты этих определений по всему эпитаксиальному слою пластины 6. При этом целесообразно применять, в частности, МП 10 с разрядностью не менее 8 бит, что позволяет обеспечить погрешность коммутации информационных связей в микроЭВМ 8 на уровне не более 0,8%, так как уже при разрядности около А бит указанная выше погрешность повышается до величины около 12,5.

Квазилинейные вариации рабочей точки на нормированной передаточной характеристике (фиг.2) должны совершаться в пределах чувствительности АЦП 9, обеспечивающейся не менее двухкратным превышением сигнала над фоном, когда разница в интенсивностях световых потоков составляет ориентировочно не менее 10%.

V

М

CNJ

со

.trt

у ч N

R

N

ГО

с

or«л

Редактор С.Титова

Составитель В.Дорофеев

Техред Л.Сердюкова Корректор О.Ципле

Заказ

Тираж 789

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. А/5

.«. ......,м,н.

Производственно-издательский комбинат Патент, г.Ужгород, ул.Гагарина, 101

Подписное