Квазіоптичний багатокутовий терагерцевий еліпсометр

Реферат: Винахід належить до еліпсометрії. Квазіоптичний багатокутовий терагерцевий еліпсометр містить джерело терагерцевого випромінювання, перший хвилевідно-променеводний перехід, амплітудний модулятор, лінійний поляризатор, перший обертач площини поляризації, гоніометр із зафіксованим всередині нього предметним столиком, другий обертач площини поляризації, аналізатор, другий хвилевідно-променеводний перехід і приймач випромінювання. Еліпсометр містить компенсатор для перетворення випромінювання в еліптично поляризоване введенням зсуву фази 90 між ортогонально поляризованими компонентами випромінювання, і крокові UA 112441 C2 (12) UA 112441 C2 електроприводи для обох обертачів поляризації, гоніометра і компенсатора. Також еліпсометр містить інтерфейс і персональний комп′ютер, який виконаний з можливістю керування кроковими двигунами. Технічний результат: підвищення точності і розширення діапазону вимірювань. UA 112441 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонований винахід належить до еліпсометрії і може знайти застосування в промисловості для вимірювання матеріальних параметрів матеріалів в діапазоні частот 0,1...1 ТГц, також для моделювання систем з ідеальними межами розділу. Апаратна частина еліпсометрії в оптичному діапазоні спектра на сьогоднішній день досить розвинена і дозволяє вирішувати широке коло завдань з контролю параметрів матеріалів: визначення оптичних констант, вимірювання товщини вирощуваних верств матеріалів і т.д. Однак міліметрова і субміліметрова області спектра залишаються не достатньо розробленими через технічні складнощі реалізації еліпсометрії в даному спектральному діапазоні. У літературі є дані про терагерцеві еліпсометри, однак вони мають ряд суттєвих недоліків, зокрема високу вартість і великі масогабаритні показники. Тому доцільно створення еліпсометра на елементній базі, що усуває основні недоліки, згадані вище. Відомий терагерцевий еліпсометр, який використовувався для вимірювання оптичних констант напівпровідників (Hofmann Т., Boosalis A., Tiwald Т.Е. etc. Variable-wavelength frequency-domain terahertz ellipsometry // Rev. Sci. Instrum. - 2010. - Vol. 81, № 2. - 023101). Як джерело випромінювання використовується лампа зворотної хвилі з різними помножувачами частоти для отримання широкого спектра випромінювання. Даний пристрій виконано за схемою PSA (polarizer-sample-analyzer) і працює як еліпсометр з обертовим аналізатором (RAE - rotating analyzer ellipsometer). Недолік даної схеми полягає в тому, що точність вимірювання відносної зміни фазової різниці компонент поляризованого випромінювання (Δ) низька для слабопоглинаючих зразків. Також дана установка основана на елементній базі класичної оптики (дзеркала і лінзи), що вимагає прецизійного юстирування і високої стабільності положення всіх елементів, наявності гоніометра високого класу, використання відкритих каналів поширення випромінювання між елементами схеми, що в ряді випадків ускладнює роботу з такими еліпсометрами. Відомий спектрометр з роздільною здатністю в часовій області (Neshat M., Armitage N.P. Terahertz time-domain spectroscopic ellipsometry: Instrumentation and calibration // Optics Express. 2012. - Vol. 20, Issue 27. - P. 29063-29075.). Даний пристрій є еліпсометром з обертовим аналізатором. Як джерело випромінювання використовується фемтосекундний лазер у комбінації з напівпровідниковою мішенню - електрооптичним кристалом ZnTe, що дозволяє отримати дуже широкий спектр випромінювання в терагерцевому діапазоні частот. Однак спектрометри з роздільною здатністю в тимчасовій області мають низьку інтенсивність сигналу, дуже високу вартість і громіздку конструкцію, складний приймальний пристрій і нетривіальну попередню обробку експериментальних даних. Як прототип вибраний еліпсометр, виконаний за схемою PSA на основі комплекту квазіоптичних радіовимірювальних приладів загального застосування, розробленого в ІРЕ НАНУ на базі порожнистого діелектричного променевода (В.А. Конев, Є.М. Кулешов, Н.Н. Пунько. Радіохвилева еліпсометрія/ Під ред. І.С. Ковальова. - Мн.: Наука і техніка, 1985. - 104 с.). За своєю суттю цей еліпсометр є еліпсометром з обертовим аналізатором. Даний еліпсометр містить джерело терагерцевого випромінювання, перший хвилевіднопроменеводний перехід, амплітудний модулятор, лінійний поляризатор, перший обертач площини поляризації, гоніометр, предметний столик, другий обертач площини поляризації, аналізатор, другий хвилевідно-променеводний перехід і приймач випромінювання. Перевагами даного пристрою є простота конструкції, відсутність необхідності прецизійної установки елементів і висока швидкість вимірювання, жорстка несуча конструкція, повністю закритий екранований канал передачі, малі габарити і вага, простота налаштування. Однак даний пристрій має низьку точність вимірювання еліптичності поляризації для слабо поглинаючих матеріалів, через чутливість приймача до поляризації випромінювання доводиться обертати аналізатор разом з приймачем, що дещо ускладнює вимірювання; вимірювальний процес не автоматизований. В основу винаходу поставлена задача удосконалити квазіоптичний багатокутовий терагерцевий еліпсометр шляхом здійснення додаткового фазового зсуву між компонентами поляризованого випромінювання, що дозволить підвищити точність і розширити діапазон вимірювань. Поставлена задача вирішується тим, що в квазіоптичному багатокутовому терагерцевому еліпсометрі, що містить джерело терагерцевого випромінювання, перший хвилевіднопроменеводний перехід, амплітудний модулятор, лінійний поляризатор, перший обертач площини поляризації, гоніометр, предметний столик, другий обертач площини поляризації, аналізатор, другий хвилевідно-променеводний перехід і приймач випромінювання, згідно винаходу, додатково введені компенсатор, розташований між першим обертачем поляризації та 1 UA 112441 C2 5 10 15 20 25 30 35 гоніометром, і крокові електроприводи для обох обертачів поляризації, гоніометра і компенсатора, а також інтерфейс і ПК. Завдяки компенсатору здійснюється зсув фази між компонентами поляризації перед об'єктом вимірювання, що дозволяє безпосередньо вимірювати еліпсометричні параметри шляхом компенсації інтенсивності випромінювання на детекторі. Таким чином, підвищується точність і розширюється діапазон вимірювань. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому зображена схема квазіоптичного багатокутового терагерцевого еліпсометра. Квазіоптичний багатокутовий терагерцевий еліпсометр містить послідовно з'єднані джерело терагерцевого випромінювання 1, перший хвилевідно-променеводний перехід 2, амплітудний модулятор 3, поляризатор 4, перший обертач площини поляризації 5 з кроковим приводом 6, компенсатор 7 з кроковим приводом 8, гоніометр 9 з кроковим приводом 10, другий обертач площини поляризації 11 з кроковим приводом 12, аналізатор 13, другий хвилевіднопроменеводний перехід 14, приймач 15. Крокові приводи 6, 8, 10, 12, підключені до ПК 16 за допомогою інтерфейсу 17. Пристрій працює таким чином. Сигнал від джерела терагерцевого випромінювання 1 виводиться через стандартний хвилевід і передається в квазіоптичний променеводний тракт за допомогою першого хвилевідно-променеводного переходу 2. Сигнал модулюється механічним амплітудним модулятором 3. Поляризатор 4 перетворює випромінювання у відповідності зі своєю основною функцією, а також дозволяє регулювати амплітуду сигналу. Перший обертач площини поляризації 5 повертає площину на довільний кут Р. Далі компенсатор 7 перетворює випромінювання в еліптично поляризоване, вводячи зсув фази 90° між ортогонально поляризованими компонентами. Гоніометр 9 забезпечує необхідний кут падіння θ випромінювання на зафіксований всередині нього об'єкт вимірювань. Азимут другого обертача площини поляризації 11 встановлюється таким чином, щоб інтенсивність випромінювання після проходження через аналізатор 13 була мінімальною. Далі випромінювання за допомогою другого хвилевідно-променеводного переходу 14 надходить на приймач 15, сигнал з якого демодулюється, посилюється, оцифровується і передається в ПК 16 для подальшої обробки. Перший обертач площини поляризації 5, компенсатор 7, гоніометр 9, другий обертач площини поляризації 11 оснащені кроковими приводами 6, 8, 10, 12, які управляються програмою з ПК 16 через спеціальний інтерфейс 17. Пошук положення гасіння в чотирьох вимірювальних зонах виконується автоматично за допомогою створеного алгоритмічного і програмного забезпечення. Експерименти показали, що похибка вимірювання еліпсометричних параметрів складає не більше 0,05° для Ψ (азимут відновленої лінійної поляризації) і не більше 0,1° для Δ (відносна зміна фазової різниці компонент поляризованого випромінювання). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Квазіоптичний багатокутовий терагерцевий еліпсометр, що містить джерело терагерцевого випромінювання, перший хвилевідно-променеводний перехід, амплітудний модулятор, лінійний поляризатор, перший обертач площини поляризації, гоніометр із зафіксованим всередині нього предметним столиком, другий обертач площини поляризації, аналізатор, другий хвилевіднопроменеводний перехід і приймач випромінювання, який відрізняється тим, що в нього додатково введені компенсатор для перетворення випромінювання в еліптично поляризоване введенням зсуву фази 90 між ортогонально поляризованими компонентами випромінювання, розташований між першим обертачем поляризації та гоніометром, і крокові електроприводи для обох обертачів поляризації, гоніометра і компенсатора, а також інтерфейс і персональний комп′ютер, який виконаний з можливістю керування кроковими двигунами. 2 UA 112441 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3