Двухсторонний скоростной эллипсометр
TWO-WAY VELOCITY ELLIPSOMETER

Изобретение относится к оптическим поляризационным приборам и может использоваться для экспрессного неразрушающего определения спектров оптических констант различных материалов и толщин тонких пленок. В научных и технических измерениях широко используются эллипсометры с вращающимися поляризационными элементами (поляризаторами, анализаторами или компенсаторами).
Известен эллипсометр с дискретной модуляцией состояния поляризации (Патент РФ №1695145, опубл. 30.11.1991), который не имеет движущихся поляризационных элементов. Эллипсометр содержит источник монохроматического излучения, расположенные последовательно по ходу пучка систему формирования пучка, элемент разделения пучков, модулятор и элемент объединения пучков, держатель образца, анализатор и приемно-регистрирующую систему, содержащую фотоприемник и блок усиления, обработки и отображения информации.
Недостатком данного аналога является то, что на величину ошибки измерения негативно влияет работа переключателя поляризации, а также потери интенсивности поляризованных пучков при прохождении переключателя. Точное разделение и совмещение пучков может зависеть от точности ориентации осей в поляризационном клине, существенно ограничена скорость механического переключения пучков, а при измерении слабых сигналов возможно влияние световых бликов от движущегося механического прерывателя.
1
1
1
1
1
1
1
Известен светодиодный эллипсометр (Ковалев В.И. и др. Светодиодный многоканальный спектральный эллипсометр с бинарной модуляцией состояния поляризации // Приборы и техника эксперимента. - 2014. - №.5. - С. 99-102), который содержит набор из 8 светодиодов, систему коллимирования пучков, переключатель состояния поляризации (ПСП), на выходе которого реализуются последовательно во времени коллимированные пучки излучения с азимутами поляризации Р и P+90° (Р - фиксированный азимут поляризации), падающие на исследуемый образец под заданным углом падения. Отраженное от образца излучение направляют на второй ПСП, переключающий ортогонально поляризованные пучки с азимутами А и А+90°, падающие на 512-элементную линейку фотоприемников, измеряют отношения интенсивностей на фотоприемниках для переключаемых пучков с азимутами Р и Р+90° и определяют по отношениям интенсивностей спектры эллипсометрических параметров образца Т и А.
Недостатком данного аналога является то, что необходимость механической последовательной установки 8 светодиодов на место излучателя и наличие двух механических устройств переключения ортогонально поляризованных пучков увеличивает минимальное время измерения спектров Т и А в диапазоне от 360 нм до 800 нм до 5 сек.
1
1
1
1
В спектральном эллипсометре (Ковалев В.И. и др. Широкодиапазонный спектральный эллипсометр с переключением ортогональных состояний поляризации на базе монохроматора МДР-41 // Приборы и техника эксперимента. - 2019. - №.6. - С. 71-75) также используется метод эллипсометрии с переключением ортогональных состояний поляризации. Эллипсометр содержит галогенную лампу в качестве излучателя, монохроматор, в котором входная и выходная щели выполнены в виде двух, смещенных по вертикали, диафрагм, дисковый прерыватель пучков вблизи выходной щели, устройство коллимации пучков за выходной щелью. Пучки с частотой прерывания поступают на два входа призмы Глана-Томпсона (ГТ), на выходе которой реализуются попеременно ортогонально поляризованные пучки (Р=30°), падающие под углом 70° на образец. Отраженные от образца пучки проходят через вторую призму ГТ, направляющую пучки с азимутами A и А+90° (А=10°) на фотоприемники.
Высокие точность и воспроизводимость измерений эллипсометрических параметров подтверждают возможность точных измерений без ПСП и без механической модуляции, но с попеременным включением-выключением одинаковых светодиодов или других импульсных источников излучения с высокой частотой.
Описанный эллипсометр наиболее близок по совокупности существенных признаков к заявляемому эллипсометру и является прототипом двухстороннего скоростного эллипсометра.
Из недостатков приведенной конструкции прототипа можно отметить наличие громоздкого решеточного монохроматора с механическим управлением, который при медленном сканировании спектра не позволяет проводить быстрые кинетические исследования в реальном времени.
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции спектрального эллипсометра и удвоение количества используемых длин волн путем эффективного использования полупроводниковых источников излучения.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и воспроизводимости эллипсометрических параметров, а также значительное повышение скорости измерений спектрального эллипсометра с полупроводниковыми источниками излучения (ПИИ).
Данный результат достигается существенным упрощением конструкции спектрального эллипсометра и отсутствием движущихся элементов.
Технический результат достигается тем, что в эллипсометре, включающем последовательно расположенные вдоль оптической оси блок поляризатора с источником излучения и блок анализатора, содержащие призмы Глана-Томпсона, в поляризаторе в качестве источника излучения используют два идентичных набора полупроводниковых источников излучения в выбранном спектральном диапазоне, поляризатор дополнительно содержит два фотоприемника и два светоделителя, расположенных перед призмой Глана-Томпсона, направляющих излучение на фотоприемники, при этом блок анализатора конструктивно полностью идентичен блоку поляризатора. В качестве источников импульсного излучения в эллипсометре могут быть использованы как светодиоды, так и лазерные диоды.
На фиг. 1 приведена схема двухстороннего светодиодного скоростного эллипсометра с четырьмя наборами из четырех излучателей (светодиодов), где 1, 3, 6, 7, 11, 13, 16, 17, 30, 31, 33, 34, 41, 42, 44, 45 - светодиоды, 8, 18, 27, 38 - линзовые коллиматоры, 2, 4, 5, 9, 12, 14, 15, 19,25, 28, 29, 32, 36, 39, 40, 43 - светоделительные пластины (СП), 21 и 35 - полированные пластины из легированного кремния, 22 и 24 - призмы ГТ из кальцита, 10, 20, 26, 37 -кремниевые фотодиоды, 23 - четырехзеркальный компенсатор, S - образец.
1
2
3
На фиг. 2 приведена схема блока совмещения коллимированного излучения трех пар идентичных лазерных диодов (46 и 47 с λ, 48 и 49 с λ, 50 и 51 с λ) светоделительным кубом ABCD.
Ниже приведен пример работы двухстороннего скоростного эллипсометра со светодиодными источниками излучения.
1
2
3
4
1
1
1
1
1
1
5
6
7
8
1
1
1
1
1
1
1
5
2
6
Пучки излучения с длиной волны λ от последовательно включаемых идентичных светодиодов 1 и 11 (либо 3 и 13 с λ 6 и 16 с λ, 7 и 17 с λ) проходят через линзовые коллиматоры 8 и 18, и СП 9 и 19 и поступают на два входа призмы ГТ из кальцита 22, которая последовательно направляет ортогонально поляризованные пучки с азимутами P и Р+90° на образец S под заданным углом падения. Отраженное излучение второй призмой ГТ 24 разделяется на два ортогонально поляризованных пучка с азимутами поляризации А и А+90° и СП 25 и 36 отражаются на кремниевые фотодиоды 26 и 37, измеряются отношения интенсивностей на фотоприемниках для переключаемых пучков с азимутами Р и Р+90° и определяются по отношениям сигналов на фотоприемниках эллипсометрические параметры образца Т и А. Полированные пластины 21 и 35 из легированного кремния установлены под углом псевдо Брюстера около 75° и повышают степень поляризации отраженных пучков. Четырехзеркальный компенсатор 23 увеличивает чувствительность и точность измерения эллипсометрических параметров в определенных диапазонах значений эллипсометрических параметров. Пучки излучения с длиной волны λ от последовательно включаемых идентичных светодиодов 34 и 45 (либо 33 и 44 с λ, 30 и 41 с λ, 31 и 42 с λ) проходят через линзовые коллиматоры 27 и 38, и СП 25 и 36 и поступают на два входа призмы ГТ из кальцита 24, которая последовательно направляет ортогонально поляризованные пучки с азимутами A и А+90° на образец S под заданным углом падения. Отраженное излучение призмой ГТ 22 разделяется на два ортогонально поляризованных пучка с азимутами поляризации Р и Р+90° и СП 9 и 19 отражаются на кремниевые фотодиоды 10 и 19, измеряются отношения интенсивностей на фотоприемниках для переключаемых пучков с азимутами Р и Р+90° и определяются по отношениям интенсивностей спектры эллипсометрических параметров образца Ψ и Δ. Таким образом, одновременно могут быть определены эллипсометрические параметры образца на двух длинах волн. λ и λ. Аналогично могут быть выполнены измерения эллипсометрических параметров на длинах волн λ и λ одновременно переключая светодиоды 3 и 13 и 33 и 44. Набор светодиодов 30, 31, 33, 34 идентичен набору светодиодов 41, 42, 44, 45.
В случае использования лазерных диодов предлагается установка блока совмещения коллимированного излучения, схема которого представлена на фиг. 2. В этом варианте пучки В1 и В2 поступают на СП 19 и 9 соответственно, а аналогичный блок совмещения с тремя парами идентичных лазерных диодов устанавливается в анализаторе перед СП 36 и 25.
Симметрия конструкции эллипсометра позволяет использовать отражение от образца в противоположном направлении при удвоении используемых длин волн. Заметим, что минимальное время измерения Ψ и Δ, например, на длине волны пика светодиодов 1 и 11 определяется двойным временем включения и выключения светодиодов и может быть очень малым.
Формирование пар одинаковых ПИИ позволяет полностью исключить движущиеся элементы в эллипсометре с переключением ортогональных состояний поляризации и не использовать модуляторы состояния поляризации. Простые методы калибровки в положении «на просвет» и по измерениям на эталонных образцах легко реализуются.
Сам метод переключения ортогональных состояний поляризации естественно реализуется при использовании малогабаритных призм ГТ. Следует отметить строгое сохранение геометрии пучков при прохождении этих призм в спектральном диапазоне 360-2300 нм, что наряду с отсутствием движущихся элементов обеспечивает повышение чувствительности и воспроизводимости измерений эллипсометрических параметров Ψ и Δ.