Спектрометр для измерения коэффициентов отражения

Спектрометр для измерения коэффициентов отражения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистически«

Республик

<и1939959 (6l ) Дополнительное к авт. саид-ау (22) Заявлено 03.12. 80 (21) 3009607/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (53 ) М. Кл.

С 01 J 3/42

3Ьеудерстееиный «омитет

СССР ио делам изобретений н открытий

Опубликовано 30. 06. 82. Бюллетень № 24

Дата опубликования описания 02 . 07. 82 (53) УДК 535.8 (088.8) ь

° c

О,В, Александров, В.М. Золотарев, Е.И. Лебед в и А.И, Сомсиков

/ (72) Авторы изобретения (7l) Заявитель (54) СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭффИЦИЕНТОВ

ОТРАЖЕНИЯ!

Изобретение относится к технической физи ке и может быт ь и спользовано при создании приборов для исследования физических свойств и химического состава тонких сильно поглощаю5 щих слоев по спектрам отражения.

Известны различные варианты спектрометров для измерения коэффициентов отражения, например, при внешнем отражении (т.е. отражении на границе исследуемая среда — воздух)(1 .

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спектрометр, выполненный на основе спектрофотометра ИКС- 14 и приставки

НПВО, содержащий осветитель, проекционный объектив, держатель образца, коллимирующий объектив, изготовленный из материала с высоким показателем преломления и установленный перед го держателем образца монохроматор, расположенный за проекционным объективом, и приемник излучения, установленный за монохроматором. В спект2 рометре коллимирующий объектив в фор" ме полуцилиндра, выполняющий функцию элемента НПВО, закреплен неподвижно относительно плоскости, образованной пересечением оптических осей осветителя и проекционного объектива (2) .

Существенным недостатком данного прибора является ограниченность ана" литических возможностей при исследова" нии веществ в аиде тонких сильнопоглощающих слоев.

Актуальной проблемой при изучении подобных объектов является получение на основе количественных измерений спектров отражения точных и сопоставимых данных о свойствах и составе как поверхностных слоев толщиной

0,1-1 мкм, так и более глубоких подповерхностных слоев толщиной до нескольких мкм. Однако при использовании спектрометров НПВО глубина

d проникновения излучения в вещество очень мала, Это не позволяет получать с помощью известных типовых

3 93995

9 4 оси.. С осью 11 столика 10 жестко связан держатель 7 образца. Столик 10 выполнен подвижным относительно корпуса 12 спектрометра в направлении оси ООя проекционного объектива 3, тогда как каретка О имеет возможность перемещения относительно платформы 9 в направлении оптическо" оси 00„ осветителей t и 2.

В спектрометре имеется привод, содержащий вал 13. Подшипники 14 смонтированы на кронштейне 15, который укреплен на цилиндрических направляющих l6, выполненных как одно целое с столи ком 10.

На валу 13 закреплены кулачок 17 фокусировки и кулачок 18 подъема образца (фиг. 3). Кулачок 18 подъема образца через контактный элемент 19 взаимодействует с осью 11 столика 1О, а кулачок 17 фокусировки через шток 20 - с подпружиненной втулкой 21, установленной на цилиндрических направляющих 16. С боковой поверхностью подпружиненной втулки 21 взаимодействуют контактные элементы 22 и

23 связанные с корпусом 12 и карет-! кой 8 соответственно. В приводе имеются также элементы для поворота плат формы 9 и оси 11 столики 10 и упругие элементы 24-27 для обеспечения силового замыкания между соответствующими деталями спектрометра. Выходными звеньями привода являются подпружиненная втулка 21, связанная с столиком 10, и контактный элемент 23, связанный с кареткой 8.

Спектрометр работает следующим образом.

Поворотом вала 13 спектрометр устанавливается в исходное положение, в котором фокальные точки F< и F осветителя и проектного объектива (фиг. 2) находятся на равном расстоянии от точки О, совпадая с фокальными точками коллимирующего объектива 4.

Исследуемый образец устанавливается на оптический контакт с коллимирующим объективом 4 и закрепляется в держателе 7 образца таким образом, чтобы точка О совместилась с исследуемой поверхностью. Излучение от осветителей 1 и 2 направляется коллимирующим объективом 4 на образец. Излучение, отраженное от ИО за счет эффекта

НПВО, направляется коллимирующим объективом 4 на вход монохроматора 5, ко-! спектрометров НПВО информацию о свойствах глубинных слоев, что ограничивает их аналитические возможности.

Цель изобретения - расширение ана" литических возможностей спектрометров при изучении свойств и состава тонких слоев по спектральным коэффициентам отражения.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что спектрометр для 1О измерения коэффициентов отражения, содержащий осветитель, проекционный объектив, держатель образца, коллимирующий объектив, изготовленный иэ материала с высоким показателем преломления и установленный перед держателем образца монохроматор, расположенный за проекционным объективом, и приемник излучения, снабжен карет. ой, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси осветителя, столиком, подвижнь|м в направлении оптической оси проекционного объектива и приводом, входные звенья которого связаны с кареткой и столиком, при этом осветитель закреплен на каретке, причем каретка и держатель образца расположены на столике, а коллимирующий объектив выполнен подвижным в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной оптическими осями осветителя и коллимирующего объектива.

На фиг. 1 схематично показан спектрометр для измерения коэффициентов отражения, разрез; на фиг. 2то же, вид сверху; на фиг. 3 - вид А на фиг. 1.

Основными оптическими системами являются осветитель, изображенный в виде источника 1 излучения и линзы 2, 40 проекционный объектив 3, коллимирующий объектив 4 (элемент НПВО), изготовленный иэ материала с высоким показателем преломления и установленный вблизи точки О пересечения оптических осей 00 осветителя и 002 (фиг. 2 ) проекционного объектива, монохроматор 5, расположенный за проекционным объективом 3, и приемник 6 излучения, установленный на выходе монохроматора 5. Держатель 7 исследуемого образца (ИО) расположен позади коллимирующего объектива 4.

Осветители 1 и 2 закреплены на каретке 8, установленной на платформе 9, которая является частью столика l0, и, как и ось 11 столика может поворачиваться вокруг вертикальной

939959

I. где P - угол падения излучения на ИО; 1о

М - волновое число;

Х - коэффициент поглощения ИО; соответственно показатели преломления ИО и вещества, находящегося с ним в оптическом контакте в данном случае — материала коллими рующе го объе кти ва j ..

Из формулы видно, что значение <3 можно в определенных пределах варьировать изменением величины угла О.

Для этого достаточно осуществить поворот держателя 7 образца на заданный угол с одновременным поворотом платформы 9 с кареткой 8 и осветителями 1 и 2 на удвоенный угол вокруг вертикальной оси.

После окончания измерений коэффициента НПВО приводится во вращение вал 13 с кулачком 17 фокусировки и кулачком подъема образца 18, зо

При повороте кулачка 17 фокусировки подпружиненная втулка 21 под воздействием упругого элемента 26 начинает опускаться, В результате взаимодействия конической поверхности втулки 21 с закрепленным контактным эле1 ментом 22 столик 10 с всеми закрепленными на нем деталями, т.е. с держателвм 7 образца, платформой 9 с кареткой 8 и осветителем 12, начинает 4> перемещаться вдоль оптической оси 00 проекционного объектива 3. Одновременно поступательное движение подпружиненной втулки 21 через контактный элемент 23 преобразовывается в поступательное перемещение каретки 8 с осветителями 1 и 2 вдоль его оптической оси 00„. При подходе контактных элементов 22 и 23 к концу конического участка на подпружиненной втулке 21 фокальные точки Г„ и F< осветителей 1 и 2 и проекционного объектива совместятся с точкой О. При дальнейшем опускании подпружиненной втулки 21 столик 10 и каретка 9 со>5 храняют свое положение. На этом участке поворота вала 13 в результате взаимодействия с кулачком 18 подъема образца происходит опускание оси 11

Возможность измерения внешнего отражения и НПВО при одной установке образца способствует также повышению производительности измерений,особенно, если измерения проводятся в условиях вакуума. Кроме того, в устройстве можно предусмотреть подключение вала 13 к приводу сканирования спектра (не изображен). В этом случае при соответствующем выборе угла наклона образующей кони ческой поверхности втулки подпружиненной 21 и профиля кулачка 17 фокусировки сканирование спектра НПВО сопровождается синхронным перемещением осветителей 1 и ? и проекционного объектива 3 по sBKQ ну, обеспечивающему компенсацию хроторый выделяет в спектре отраженного излучения узкий спектральный интервал. Интенсивность излучения в этом интервале измеряется приемником 6.

Коэффициент НПВО характеризует свойство поверхностных слоев.

Глубина проникновения излучения в ИО определяется выражением столика 10 вместе с держателем 7 образца коллимирующим объективом 4, который за счет этого выводится из хода лучей °

В результате на вход монохроматора 5 поступает излучение, испытав-. шее внешнее отражение на границе воздух — ИО. Как следует из формулы, в этом случае за счет уменьшения значения и до 1 происходит скачкообраз1 ное возрастание величины Д, т.е. спектрометр дает информацию о слоях, лежащих на глубине большей 1 мкм.

При дальнейшем повороте вала 13 спектрометр возвращается в исходное положение, соответствующее измерению коэффициента НПВО. Следовательно в спектрометре обеспечивается простой и удобный переход от измерений внешнего отражения к измерению НПВО и наоборот, т.е. имеется возможность получения информации о различных слоях вещества. Поскольку этот переход осуществляется без изменения углов падения и отражения, без снятия образца и с использованием тех же самых оптических систем осветителя и проекционного объектива, предлагаемый спектрометр обеспечивает при прочих равHbIx условиях более высокую точность измерений, чем отдельно взятые спектрометры НПВО и внешнего отражения.

93995 матизма положения. Этим достигается повышение точности измерений, формула изобретения

Спектрометр для измерения коэффициентов .отражения, содержащий оптически связанные осветитель, проекционный объектив, держатель образца, кол- о лимирующий объектив, изготовленный из материала с высоким показателем преломления и установленный перед держателем образца, монохроматор, расположенный за проекционным объективом,s и приемник излучения, установленный на выходе монохроматора, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью расширения аналитических возможностей, он снабжен кареткой, установленной zg

9 8 с возможностью перемещения вдоль оп. тической оси осветителя, столиком, подвижным в направлении оптической оси проекционного объектива, и приводом, входные звенья которого связаны с кареткой и столиком, при этом осветитель закреплен на каретке, а каретка и держатель образца расположены на столике, коллимирующий объектив выполнен подвижным в направлении, перпендикулярном к плоскости, образованной оптическими осями осветителя и коллимирующего объектива, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. патент CSA И 3687519, кл. 6 01 S 3/42, опублик. 1972.

2. Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. H., "Иир", 1970, с. 304, 307.

939959

Составитель А. Смирнов

Редактор Е. Лушникова Техред Л. Пекарь Корректор И. Коста

Заказ 4653/50 Тираж 887 Подйисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Иосква Ж-35 Раушская наб. д. 4/$

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,