專利名稱：消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀和測量方法。
背景技術(shù)：
橢偏儀是一種測量樣品物理常數(shù)的精密光學(xué)儀器。它通過測量被測樣品反射(或透射)光線的偏振狀態(tài)的變化情況來研究樣品的特性，特別適用于測量薄膜的厚度、折射率和消光系數(shù)。
橢偏儀根據(jù)操作方式分為消光式和光度式。消光式橢偏儀測量精度較高，缺點(diǎn)是測量速度較慢；光度式橢偏儀大都采用旋轉(zhuǎn)檢偏器PSA結(jié)構(gòu)，測量速度快，缺點(diǎn)是測量精度較低，一次測量不能確定橢偏旋向。兩種類型橢偏儀適用于不同工作場合。
國外曾報(bào)道一種消光/光度兼容式橢偏儀，該橢偏儀采用PCSA(起偏器-補(bǔ)償器-待測樣品-檢偏器)結(jié)構(gòu)，并在起偏器后和檢偏器前各加一個(gè)由交流電驅(qū)動(dòng)的法拉第調(diào)制器，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)起偏器和檢偏器可以實(shí)現(xiàn)消光式測量，法拉第調(diào)制器可以提高方位角測量精度。取出法拉第調(diào)制器，并用伺服電機(jī)帶動(dòng)檢偏器旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)光度式測量(參見在先技術(shù)[1]，“Characterization of growing thin films by in situ ellipsometry，spectral reflectance and transmittance measurements，and ion-scattering spectroscopy，Review of Scientific Instruments，Volume 56，Issue 11，Page 1995(November 1985)”)。該兼容式橢偏儀的缺點(diǎn)是在轉(zhuǎn)換工作模式時(shí)需調(diào)整硬件結(jié)構(gòu)，不利于儀器的集成化，在消光測量方式下沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。國內(nèi)吳啟宏提出另一種類型的消光/光度兼容式橢偏儀，結(jié)構(gòu)為PCSA式，在消光模式下，補(bǔ)償器(λ/4片)定位于±45°，手動(dòng)調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器使之達(dá)到消光位置。由伺服電機(jī)帶動(dòng)補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)光度式測量(參見在先技術(shù)[2]，中國專利，公開號(hào)CN87104793)。該兼容式橢偏儀通過旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器解決了橢圓旋向不確定性，在轉(zhuǎn)換工作模式時(shí)不需要調(diào)節(jié)硬件結(jié)構(gòu)，但在消光模式下沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述在先技術(shù)中的不足之處，提出一種操作簡便的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀和測量方法。
一種消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，包括一個(gè)光源發(fā)射探測光束依次經(jīng)一個(gè)起偏器、一個(gè)補(bǔ)償器和一個(gè)光闌到安置于一個(gè)樣品臺(tái)上的一個(gè)樣品，所述的樣品表面發(fā)射的光束依次經(jīng)另一個(gè)光闌和一個(gè)檢偏器到一個(gè)探測器，所述的探測器的輸出經(jīng)一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡輸入至一個(gè)計(jì)算機(jī)，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)處理由所述的數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)，亦輸出二路控制信號(hào)至兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別與兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)相連，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別連接所述的起偏器和檢偏器，實(shí)現(xiàn)分別控制它們旋轉(zhuǎn)、停止、復(fù)位和定位至設(shè)定角度。
所述的光源為He-Ne激光器。
所述的起偏器為二向色性起偏器，或雙折射起偏器，或反射起偏器等可以將任意光波變換成線偏振光的偏振器件。
所述的檢偏器為二向色性起偏器，或雙折射起偏器，或反射起偏器，能將任意光波變換成線偏振光。
所述的補(bǔ)償器為云母1/4波片，或石英1/4波片，能使光波的兩個(gè)垂直分量產(chǎn)生90°位相延遲。
所述的樣品臺(tái)為三維可調(diào)樣品臺(tái)。
所述的樣品為一反射式平面樣品，為薄膜樣品或塊狀材料。
所述的樣品為半導(dǎo)體，或?qū)w，或電介質(zhì)類型材料。
所述的光電探測器為光電二極管，或光電倍增管。
所述的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)為永磁式，或反應(yīng)式，或混合式步進(jìn)電機(jī)。
所述的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為步進(jìn)電機(jī)對應(yīng)的有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器。
一種消光式自動(dòng)橢偏測量方法，采用上述的消化/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀進(jìn)行測量，其特征在于測量的操作步驟如下①初始狀態(tài)起偏器和檢偏器的透光軸與樣品表面平行；②步進(jìn)電機(jī)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后帶動(dòng)起偏器旋轉(zhuǎn)，由探測到的光強(qiáng)信號(hào)的最小值得到起偏角P；⑧由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)起偏器的透光軸定位至起偏角P；④然后由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后帶動(dòng)檢偏器旋轉(zhuǎn)，由探測到的光強(qiáng)信號(hào)的最小值得到檢偏角A；⑤由P和A計(jì)算得出此角度下的橢偏參數(shù)Ψ、Δ；⑥由橢偏參數(shù)通過數(shù)值反演程序得出薄膜樣品的待求參數(shù)，例如膜層厚度，折射率和消光系數(shù)等。
一種光度式自動(dòng)橢偏測量方法，采用上述消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀進(jìn)行測量，其特征在于測量的操作步驟如下①初始狀態(tài)起偏器和檢偏器的透光軸與樣品表面平行；②步進(jìn)電機(jī)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后帶動(dòng)起偏器旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后帶動(dòng)檢偏器旋轉(zhuǎn)；③由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的同步性，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速率比為1∶2；④由計(jì)算機(jī)對采集的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行傅立葉分析，由傅立葉系數(shù)得出橢偏參數(shù)Ψ、Δ；⑤由橢偏參數(shù)通過數(shù)值反演程序得出薄膜樣品的待求參數(shù)，例如膜層厚度，折射率和消光系數(shù)等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明與在先技術(shù)[1]相比，消光和光度工作模式的轉(zhuǎn)換不需調(diào)節(jié)硬件結(jié)構(gòu)，操作簡便，在光度模式下測量，消除了橢圓旋向的不確定性。
2、本發(fā)明與在先技術(shù)[2]相比，在光度模式下的測量數(shù)據(jù)具有自洽性，提高了測量精度。
3、本發(fā)明與在先技術(shù)[1]和[2]相比，在消光模式下實(shí)現(xiàn)了測量自動(dòng)化，提高了測量速度。


圖1是本發(fā)明的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例及其附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
請參閱圖1，圖1為本消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，本消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀的結(jié)構(gòu)是一單色光源1，在該光源1發(fā)出光的前進(jìn)方向上依次放置起偏器2、補(bǔ)償器5、光闌6、樣品臺(tái)8、光闌9、檢偏器10和光電探測器13。其中起偏器2和檢偏器10可由步進(jìn)電機(jī)3、11帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)3、11的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4、12受電子計(jì)算機(jī)15的控制。光電探測器13探測的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡14傳至電子計(jì)算機(jī)15進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
本實(shí)施例所述的光源1為He-Ne激光器，波長為632.8nm。
本實(shí)施例所述的起偏器2為雙折射起偏器Glan-Thompson棱鏡，該起偏器2與步進(jìn)電機(jī)3的旋轉(zhuǎn)軸通過連接器固定在一起，步進(jìn)電機(jī)3的旋轉(zhuǎn)軸被制成中空。該起偏器2的透光軸初始位置與樣品7表面平行，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針(面對探測光束)。
本實(shí)施例所述的補(bǔ)償器5為石英1/4波片，該波片5快軸被固定在與樣品7表面成+45°位置。
本實(shí)施例所述的檢偏器10為雙折射起偏器Glan-Thompson棱鏡，該檢偏器10與步進(jìn)電機(jī)11的旋轉(zhuǎn)軸通過連接器固定在一起，步進(jìn)電機(jī)11的旋轉(zhuǎn)軸被制成中空。該檢偏器10的透光軸初始位置與樣品7表面平行，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針(面對反射光束)。
本實(shí)施例所用步進(jìn)電機(jī)3、11為混合式步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)角為1.5°。
本實(shí)施例所用光電探測器13為光電二極管。
本實(shí)施例的入射角固定為60°。
本實(shí)施例在消光模式下，工作過程如下由光源1發(fā)出的探測光束經(jīng)過起偏器2、補(bǔ)償器5和光闌6到達(dá)樣品7表面，樣品7的反射光束經(jīng)光闌9和檢偏器10到光電探測器13，由光電探測器13探測的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡14傳至計(jì)算機(jī)15。其操作步驟如下①初始狀態(tài)起偏器2和檢偏器10的透光軸與樣品表面平行；②步進(jìn)電機(jī)3經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4細(xì)分后以步進(jìn)角0.15°帶動(dòng)起偏器2旋轉(zhuǎn)，由探測到的光強(qiáng)信號(hào)的最小值得到起偏角P；⑧由計(jì)算機(jī)15控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4使步進(jìn)電機(jī)3帶動(dòng)起偏器2的透光軸定位至起偏角P；④然后由步進(jìn)電機(jī)11經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12細(xì)分后以步進(jìn)角0.15°帶動(dòng)檢偏器10旋轉(zhuǎn)，由探測到的光強(qiáng)信號(hào)的最小值得到檢偏角A；⑤由P和A計(jì)算得出此角度下的橢偏參數(shù)Ψ、Δ；⑥由橢偏參數(shù)通過數(shù)值反演程序得出薄膜樣品的待求參數(shù)，例如膜層厚度，折射率和消光系數(shù)等。
在消光模式下，本實(shí)施例的所有操作都是在計(jì)算機(jī)程序的控制下完成的，實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化，相對于手動(dòng)消光橢偏儀，提高了測量的速度和精度。
本實(shí)施例在光度模式下，工作過程如下由光源1發(fā)出的探測光束經(jīng)過起偏器2、補(bǔ)償器5和光闌6到達(dá)樣品7表面，樣品7的反射光束經(jīng)光闌9和檢偏器10到光電探測器13，由光電探測器13探測的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡14傳至計(jì)算機(jī)15。其操作步驟如下①初始狀態(tài)起偏器2和檢偏器10的透光軸與樣品表面平行；②步進(jìn)電機(jī)3經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4細(xì)分后以步進(jìn)角0.15°帶動(dòng)起偏器2旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)11經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12細(xì)分后以步進(jìn)角0.3°帶動(dòng)檢偏器10旋轉(zhuǎn)；⑧由計(jì)算機(jī)15控制步進(jìn)電機(jī)3，11的同步性；④由計(jì)算機(jī)15對采集的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行傅立葉分析，由傅立葉系數(shù)得出橢偏參數(shù)Ψ、Δ；⑤由橢偏參數(shù)通過數(shù)值反演程序得出薄膜樣品的待求參數(shù)，例如膜層厚度，折射率和消光系數(shù)等。
本實(shí)施例在光度模式下，入射到起偏器2的光為E，檢偏器10的出射光為E’，理想情況下有如下關(guān)系式
E′=10cosAsinA-sinAcosAr~p00r~scosπ4-sinπ4sinπ4cosπ4100-i---(1)]]>cos(P-π4)-sin(P-π4)sin(P-π4)cos(P-π4)10E]]>式中A為檢偏器10的方位角，P為起偏器2的方位角， 分別為平行與垂直入射面的測量光束分量的復(fù)反射系數(shù)。
光電探測器13探測到的光強(qiáng)為I＝μ[(tanΨ2+1)+tanΨcosΔcos2ωt+tanΨsinΔsin2ωt+(tanΨ2+1)cos4ωt (2)-tanΨ cosΔcos6ωt+tanΨ sinΔsin 6ωt]其中μ為系統(tǒng)常數(shù)，tanΨexpΔ=r~pr~s,]]> 對光電探測器13探測的光強(qiáng)進(jìn)行傅立葉分析，可以得到I＝k0+k1cos2ωt+k2sin2ωt+k3cos4ωt+k4cos6ωt+k5sin6ωt (3)其中ki(i＝0，1，2，3，4，5)為傅立葉系數(shù)。
比較以上兩式，有k0＝μ′(tanΨ2+1)k1＝μ′(tanΨ cosΔ)k2＝μ′(tanΨ sinΔ)(4)k3＝μ′(tanΨ2-1)k4＝-μ′(tanΨcosΔ)k5＝μ′(tanΨsinΔ)從而可以得到
k2＝k5k4＝-k1Δ=arctank2k1---(5)]]>Ψ=arctan(k0+k3k0-k3)]]>從上述計(jì)算中可以看到，由傅立葉系數(shù)得出的橢偏參數(shù)Ψ、Δ具有自洽性，且能夠唯一地確定Δ的正負(fù)號(hào)，消除了橢圓旋向的不確定性。
權(quán)利要求
1.一種消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，包括一個(gè)光源(1)發(fā)射探測光束依次經(jīng)一個(gè)起偏器(2)、一個(gè)補(bǔ)償器(5)和一個(gè)光闌(6)到安置于一個(gè)樣品臺(tái)(8)上的一個(gè)樣品(7)，所述的樣品(7)表面發(fā)射的光束依次經(jīng)另一個(gè)光闌(9)和一個(gè)檢偏器(10)到一個(gè)探測器(13)，所述的探測器(13)的輸出經(jīng)一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡(14)輸入至一個(gè)計(jì)算機(jī)(15)，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)(15)處理由所述的數(shù)據(jù)采集卡(14)采集的數(shù)據(jù)，亦輸出二路控制信號(hào)至兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(4、2)，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別與兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)(3、11)相連，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)(3、11)分別連接所述的起偏器(2)和檢偏器(11)，實(shí)現(xiàn)分別控制它們旋轉(zhuǎn)、停止、復(fù)位和定位至設(shè)定角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，其特征在于所述的光源(1)為He-Ne激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，其特征在于所述的起偏器(2)為二向色性起偏器，或雙折射起偏器，或反射起偏器，能將任意光波變換成線偏振光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，其特征在于所述的檢偏器(10)為二向色性起偏器，或雙折射起偏器，或反射起偏器，能將任意光波變換成線偏振光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，其特征在于所述的補(bǔ)償器(5)為云母1/4波片，或石英1/4波片，能使光波的兩個(gè)垂直分量產(chǎn)生90°位相延遲。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，其特征在于所述的樣品臺(tái)(8)為三維可調(diào)樣品臺(tái)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，其特征在于所述的樣品(7)為一反射式平面樣品，為薄膜樣品或塊狀材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，其特征在于所述的樣品(7)為半導(dǎo)體，或?qū)w，或電介質(zhì)類型材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，其特征在于所述的光電探測器(13)為光電二極管，或光電倍增管。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，其特征在于所述的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)(3、11)為永磁式，或反應(yīng)式，或混合式步進(jìn)電機(jī)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀，其特征在于所述的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(4、12)為步進(jìn)電機(jī)(3、11)對應(yīng)的有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器。
12.一種消光式自動(dòng)橢偏測量方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的消化/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀進(jìn)行測量，其特征在于測量的操作步驟如下①初始狀態(tài)起偏器(2)和檢偏器(10)的透光軸與樣品表面平行；②步進(jìn)電機(jī)(3)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(4)細(xì)分后帶動(dòng)起偏器(2)旋轉(zhuǎn)，由探測到的光強(qiáng)信號(hào)的最小值得到起偏角P；③由計(jì)算機(jī)(15)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(4)使步進(jìn)電機(jī)(3)帶動(dòng)起偏器(2)的透光軸定位至起偏角P；④然后由步進(jìn)電機(jī)(11)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(12)細(xì)分后帶動(dòng)檢偏器(10)旋轉(zhuǎn)，由探測到的光強(qiáng)信號(hào)的最小值得到檢偏角A；⑤由P和A計(jì)算得出此角度下的橢偏參數(shù)Ψ、Δ；⑥由橢偏參數(shù)通過數(shù)值反演程序得出薄膜樣品的待求參數(shù)，例如膜層厚度，折射率和消光系數(shù)等。
13.一種光度式自動(dòng)橢偏測量方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀進(jìn)行測量，其特征在于測量的操作步驟如下①初始狀態(tài)起偏器(2)和檢偏器(10)的透光軸與樣品表面平行；②步進(jìn)電機(jī)(3)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(4)細(xì)分后帶動(dòng)起偏器(2)旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)(11)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(12)細(xì)分后帶動(dòng)檢偏器(10)旋轉(zhuǎn)；③由計(jì)算機(jī)(15)控制步進(jìn)電機(jī)(3、11)的同步性，步進(jìn)電機(jī)(3、11)的旋轉(zhuǎn)速率比為1∶2；④由計(jì)算機(jī)(15)對采集的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行傅立葉分析，由傅立葉系數(shù)得出橢偏參數(shù)Ψ、Δ；⑤由橢偏參數(shù)通過數(shù)值反演程序得出薄膜樣品的待求參數(shù)，例如膜層厚度，折射率和消光系數(shù)等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種消光/光度兼容式自動(dòng)橢偏儀和測量方法。橢偏儀的結(jié)構(gòu)是一單色光源，在該光源發(fā)出光的前進(jìn)方向上依次放置起偏器、補(bǔ)償器、光闌、樣品臺(tái)、光闌、檢偏器和光電探測器。其中起偏器和檢偏器可由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器受電子計(jì)算機(jī)的控制。光電探測器探測的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳至電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對樣品待求參數(shù)的定量測量。該儀器消光和光度模式的轉(zhuǎn)換由計(jì)算機(jī)程序控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作簡便。該儀器工作在光度模式下測量數(shù)據(jù)具有自洽性，且能消除橢圓旋向的不確定性。
文檔編號(hào)G01N21/41GK101093176SQ200710038759
公開日2007年12月26日 申請日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者王凡凡, 姚波 申請人:上海大學(xué)