專利名稱：薄膜厚度和折射率的成像檢測(cè)法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于快速檢測(cè)薄膜厚度和折射率顯微圖像的方法及其設(shè)備，屬于橢偏測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
橢圓偏振測(cè)量技術(shù)是利用偏振光束在界面或薄膜上反射或透射時(shí)出現(xiàn)的偏振態(tài)的變化，從而得知有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)。橢偏儀具有測(cè)量精度高的顯著優(yōu)點(diǎn)，它能同時(shí)分別測(cè)量多個(gè)物理量，并能區(qū)分不同的物理效應(yīng)，是一種非破壞性測(cè)量。因而它在物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、冶金學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等方面具有廣泛的應(yīng)用。普通的橢偏儀一般采用手動(dòng)消光法進(jìn)行測(cè)量，這種橢偏儀在實(shí)際測(cè)量過程中調(diào)整復(fù)雜和困難，測(cè)量周期長(zhǎng)，限制了它的使用范圍，不能適應(yīng)追蹤快速反應(yīng)和樣品表面的測(cè)量，或者多樣品、多波長(zhǎng)、多入射角地進(jìn)行大批量測(cè)量的需要。為了提高測(cè)量速度，通常采用兩種方案一是利用伺服系統(tǒng)自動(dòng)完成消光，它采用由計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)偏振器和檢偏器，經(jīng)過苦干次反復(fù)調(diào)整后實(shí)現(xiàn)消光；另一種是采用光度法，它通過旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)或調(diào)制光路中某些光元件，同時(shí)測(cè)量記錄下光的強(qiáng)度，再經(jīng)過對(duì)信號(hào)的傅利葉分析來獲取待測(cè)樣品的各種參數(shù)，由于在測(cè)量過程中無需調(diào)光，因而測(cè)量速度可以大大提高。當(dāng)前，國(guó)外出現(xiàn)了掃描成像橢偏儀(SIE)，其特點(diǎn)是將入射光聚焦成微小的一點(diǎn)對(duì)樣品的整個(gè)表面進(jìn)行掃描，從而獲取樣品表面圖像信息，其幾何分辨率可達(dá)10μm，這種儀器雖然有較高的測(cè)量精度，但成像速度慢，對(duì)于測(cè)量樣品表面隨時(shí)間變化的情況，其圖像信息不能反映樣品表面同一時(shí)刻的狀態(tài)，不能用于對(duì)樣品表面變化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以一次性同時(shí)獲得樣品各處表面信息圖像的內(nèi)方法及其專用設(shè)備，它不僅可以檢測(cè)樣品表面的狀況，還可以對(duì)樣品表面的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察。
本發(fā)明的檢測(cè)方法是采用專用設(shè)備對(duì)樣品表面狀況進(jìn)行一次性成像，再根據(jù)成像的信息得出樣品的厚度和折射率等參量，其特點(diǎn)是首先采用入射光狀態(tài)調(diào)節(jié)器獲得所需的橢圓偏振光，并讓其照射到樣品表面；其次是采用反射光檢測(cè)器測(cè)得不同偏振角度的偏振光強(qiáng)度；第三是采用信號(hào)處理器求出橢偏參數(shù)ψ和Δ，并求解橢偏方程得出樣品表面各點(diǎn)的膜厚和折射率及其灰度值；最后在顯示器上顯示圖像。
本發(fā)明的專用設(shè)備可以由入射光狀態(tài)調(diào)節(jié)器、樣品架、反射光狀態(tài)檢測(cè)器、信號(hào)處理器和顯示器組成，其特點(diǎn)是入射光狀態(tài)調(diào)節(jié)器采用光源、光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置、起偏器和補(bǔ)償器串連結(jié)構(gòu)，由可提供準(zhǔn)直單色光的光源發(fā)出的光，由光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置獲得所需的光強(qiáng)，再由起偏器調(diào)節(jié)入射光的偏振方向，由補(bǔ)償器將線性偏振光轉(zhuǎn)變成橢圓偏振光，然后照射到樣品；反射光狀態(tài)檢測(cè)器采用檢偏器、顯微成像裝置、多路光電探測(cè)器和光強(qiáng)信號(hào)采集器串連結(jié)構(gòu)，入射光經(jīng)樣品反射后，由檢偏器檢測(cè)出反射光在指定方向上的偏振分量，經(jīng)用于提高成像幾何分辨率的顯微成像裝強(qiáng)，由多路光電探測(cè)器一次性獲得樣品表面各點(diǎn)的亮度信號(hào)，再由光強(qiáng)信號(hào)采集器對(duì)亮度信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送到信號(hào)處理器，信號(hào)處理器根據(jù)得到的樣品厚度、折射率及相應(yīng)灰度值，使顯示器顯示出樣品表面狀況的圖像。入射光狀態(tài)調(diào)節(jié)器的光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置可采用濾光片，為了能夠連續(xù)調(diào)節(jié)入射光強(qiáng)度，光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置可采用滌綸偏振片。為了能同時(shí)獲取樣品表面各點(diǎn)的亮度信號(hào)，多路光電探測(cè)器可采用CCD(成像電荷耦合器件)攝像頭，光電信號(hào)采集器可采用帶A/D轉(zhuǎn)換功能的圖像采集卡。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有成像速度快、樣品圖像的像素一致性好等優(yōu)點(diǎn)，其成像速度比掃描成像橢偏儀高上千倍。由于采用一次性同時(shí)獲取樣品表面各點(diǎn)的數(shù)據(jù)，因而測(cè)出的結(jié)果反映樣品同一時(shí)刻的狀態(tài)，對(duì)于需要觀察樣品表面隨時(shí)間變化的場(chǎng)合，可實(shí)時(shí)觀察動(dòng)態(tài)表面圖像并制成專用設(shè)備。


圖1為本發(fā)明的專用設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像橢偏儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明的檢測(cè)方法可按以下方案實(shí)現(xiàn)先開啟由氦氖激光器構(gòu)成的光源，使其發(fā)出穩(wěn)定的單色平行光(例6328A激光)；旋轉(zhuǎn)由偏振片構(gòu)成的光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置，以便得到所需的入射光強(qiáng)度；調(diào)整起偏器并固定入射光的偏振方向；采用1/4波長(zhǎng)片作為補(bǔ)償器，將線性偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光；用檢偏器濾除不需要的偏振光，而只通過反射光中的某一方向的偏振分量，采用顯微成像裝置提高成像的幾何分辨率，用CCD攝像頭和圖像采集卡將樣品表面各點(diǎn)反射光中的該方向的偏振分量強(qiáng)度記錄下來，通過旋轉(zhuǎn)檢偏器的一定角度就可得到一組數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)N(N≥8)次，每次旋轉(zhuǎn)的度數(shù)相同，使檢偏器轉(zhuǎn)過180°，可得N組數(shù)據(jù)；采用信號(hào)處理器求得樣品表面各點(diǎn)的膜厚和折射率及其灰度值，設(shè)I1為對(duì)應(yīng)于檢偏器方位角為A1時(shí)的反射光強(qiáng)度，N次數(shù)據(jù)可作傅利葉級(jí)數(shù)展開而求得橢偏參數(shù)ψ和Δa0=-Σi=1Ii,a1=-Σi=1IiCOS2Ai,b=-Σi=1IiLin2Ai]]>ψ＝-COS-1(-a1/a0)Δ=COS-1‾a02-a12]]>求解橢偏方程得出樣品表面各點(diǎn)的膜厚和折射率tgψejΔ＝—— ＝ρr(No，N1，N2，d1，0，λ)其中Rp和Rs分別為入射波P偏振光和S偏振光時(shí)，薄膜的復(fù)反射系數(shù)，d1為薄膜厚度0為入射角，入為平面波的波長(zhǎng)，N0，N1和N2分別為環(huán)境介質(zhì)、薄膜以及基底的折射率。將所得出的數(shù)據(jù)中的最大值和最小值定義為灰度的最大值和最小值，以此為參照系，將其它數(shù)據(jù)按對(duì)數(shù)關(guān)系求出相應(yīng)的灰度值；最后在監(jiān)視器上顯示出圖像。
為了能實(shí)時(shí)觀察樣品表面狀態(tài)的變化，可采用圖2所示的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像橢偏儀來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀察。
本發(fā)明的專用設(shè)備可按附圖所示的方案實(shí)現(xiàn)。圖1中的入射光光源(1)可采用5mw氦氖激光器，以便能提供準(zhǔn)直單色光(例如波長(zhǎng)為6328A激光)；光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置(2)可采用濾光片或滌綸偏振片；起偏器(3)采用可調(diào)節(jié)入射光的偏振方向的滌綸偏振片；補(bǔ)償器(4)采用可將線性偏振光轉(zhuǎn)變成橢圓偏振光的1/4波長(zhǎng)片；樣品(5)放置在樣品架上。入射光經(jīng)樣品(5)反射后的反射光，可由反射光狀態(tài)檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。反射光狀態(tài)檢測(cè)器可由檢偏器(6)、顯微成像裝置(7)和大面積光強(qiáng)信號(hào)采集器(8)構(gòu)成，檢偏器(6)采用滌綸偏振片構(gòu)成的可旋轉(zhuǎn)檢偏器，用于檢測(cè)反射光在指定方向上的偏振分量；用于提高成像幾何分辨率的顯微成像裝置(7)可采用XSP-12型顯微鏡改制而成；大面積光強(qiáng)信號(hào)采集器(8)可采用多路光電探測(cè)器和光強(qiáng)信號(hào)采集器構(gòu)成，多路光電探測(cè)器可采用MTV-1501CB型CCD攝像頭，它可以同時(shí)獲取樣品表面各點(diǎn)的亮度信號(hào)，光電信號(hào)采集器可采用V256-A圖像采集卡，它可以將亮度信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以便將信號(hào)存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。信號(hào)處理器可采用486DX-33型微機(jī)，顯示器可采用普通黑白監(jiān)視器，計(jì)算機(jī)控制旋轉(zhuǎn)檢偏器的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由CCD圖像采集器得到一組與檢偏器所在角度對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，經(jīng)信號(hào)處理后可在顯示器上得到一組圖像，其灰度值與樣品被測(cè)區(qū)域的厚度、折射率等物理量的值對(duì)應(yīng)。一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像橢偏儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。入射光狀態(tài)調(diào)節(jié)器可由光源(1)、起偏器(3)和入射角自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置(9)構(gòu)成，它可以根據(jù)需要而自動(dòng)調(diào)節(jié)入射光的狀態(tài)。反射光狀態(tài)檢測(cè)器可由檢偏器(6)、多路光電探測(cè)器(10)和光強(qiáng)信號(hào)采集器(11)構(gòu)成，多路光電探測(cè)器采用面陣CCD像光，光強(qiáng)信號(hào)采集器采用射極跟隨器、前置放大器、緩沖器和A/D轉(zhuǎn)換器串連結(jié)構(gòu)，(12)為計(jì)算機(jī)。它具有電路簡(jiǎn)潔可靠、數(shù)據(jù)可靠性高和數(shù)據(jù)定位準(zhǔn)等特點(diǎn)。入射角自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、檢偏器自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置和光電信號(hào)采集器等均與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)實(shí)行自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像。本發(fā)明的專用設(shè)備的各個(gè)部件和裝置也可以采用與實(shí)施方案具有相同功能和性能相近的同類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于快速檢測(cè)薄膜厚度和折射率的成像檢測(cè)法，其特征在于首先采用入射光狀態(tài)調(diào)節(jié)器獲得所需的橢圓偏振光，并讓其照射到樣品表面；其次是采用反射光檢測(cè)器測(cè)得不同偏振角度的偏振光強(qiáng)度；第三是采用信號(hào)處理器求出橢偏參數(shù)ψ和Δ，并求解橢圓方程得出樣品表面各點(diǎn)的膜厚和折射率及其灰度值；最后在顯示器上顯示出圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜厚度和折射率的成像檢測(cè)法，其特征在于采用入射光狀態(tài)調(diào)節(jié)器獲得所需的橢圓偏振光為先開啟激光光源，用光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置調(diào)整光強(qiáng)，用調(diào)整起偏器確定入射光的偏振方向，再用補(bǔ)償器將線性偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜厚度和折射率的成像檢測(cè)法，其特征在于采用反射光檢測(cè)器測(cè)得不同偏振角度的偏振光是采用檢偏器獲得不同方向的偏振分量，用顯微成像裝置提高成像的幾何分辨率，用CCD攝像頭和圖采集卡記錄下樣品表面各點(diǎn)反射光中的不同方向的偏振分量的信息數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的薄膜厚度的折射率的成像檢測(cè)法，其特征在于信號(hào)處理器根據(jù)測(cè)得的N組信息數(shù)據(jù)進(jìn)行傅利葉級(jí)數(shù)展開，得到橢偏參數(shù)ψ＝—COS-1(-a1/a0)Δ=COS-1‾a02-a12]]>再用橢偏方程tgψejΔ＝——＝ρr(N0，N1，N2，d1，0，λ)求得樣品表面各點(diǎn)的膜厚和折射率。
5.一種用于快速檢測(cè)薄膜厚度和折射率的成像檢測(cè)設(shè)備，由入射光狀態(tài)調(diào)節(jié)器、樣品架、反射光狀態(tài)檢測(cè)器、信號(hào)處理器和顯示器組成，其特征在于入射光狀態(tài)調(diào)節(jié)器采用光源、光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置、起偏器和補(bǔ)償器串連結(jié)構(gòu)，反射光狀態(tài)檢測(cè)器采用檢偏器、顯微成像裝置、多路光電探測(cè)器和光電信號(hào)采集器串連結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜厚度和折射率的成像檢測(cè)設(shè)備，其特征在于光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置采用濾光片或滌綸偏振片。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜厚度和折射率的成像檢測(cè)設(shè)備，其特征在于多路光電探測(cè)器采用CCD攝像頭，光電信號(hào)采集器采用帶A/D轉(zhuǎn)換器的圖像采集卡。
8.根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的薄膜厚度和折射率的成像檢測(cè)設(shè)備，其特征在于多路光電探測(cè)器采用面陣CCD像元，光電信號(hào)采集器采用射極跟隨器、前置放大器、緩沖器和A/D轉(zhuǎn)換器串連結(jié)構(gòu)。
全文摘要
薄膜厚度和折射率的成像檢測(cè)法及其設(shè)備采用入射光狀態(tài)調(diào)節(jié)器獲得所需的橢圓偏振光，用反射光檢測(cè)器測(cè)得不同偏振角度的偏振光強(qiáng)度，用信號(hào)處理器求解橢偏方程而得出樣品表面各點(diǎn)的膜厚和折射率及其灰度值，再由顯示器成像，入射光調(diào)節(jié)器采用光源、光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置、起偏器和補(bǔ)償器構(gòu)成，反射光檢測(cè)器由檢偏器、顯微成像裝置、多路光電探測(cè)器和信號(hào)采集器構(gòu)成，具有成像速度快、像素一致性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK1144906SQ9511118
公開日1997年3月12日 申請(qǐng)日期1995年9月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月6日
發(fā)明者陸祖宏, 顧一平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)