一種高時(shí)間分辨率高精度的橢偏測(cè)量裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)偏振態(tài)測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種高時(shí)間分辨率高精度的橢 偏測(cè)量裝置及其方法
【背景技術(shù)】
[0002] 橢偏儀通過精密測(cè)量樣品透射光（或反射光）的橢偏參數(shù)（即在相互垂直偏振分 量的振幅比對(duì)應(yīng)角度Φ和相位差△)來獲得樣品的光學(xué)參數(shù)，通過對(duì)Φ和△圖譜的分析 可以得到樣品一系列的參數(shù)例如：薄膜厚度，復(fù)合膜中各成分的組分，介電常數(shù)，晶體雙折 射率等。橢偏測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)的偏光測(cè)量技術(shù)相比具有測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)測(cè)量重復(fù)率高、不 用與樣品接觸對(duì)樣品造成的破壞性最小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)、金屬材 料工業(yè)、化學(xué)工業(yè)及物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研宄等許多領(lǐng)域中。目前隨著橢偏技術(shù)應(yīng) 用在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和基礎(chǔ)學(xué)科動(dòng)力學(xué)研宄中的擴(kuò)展，開發(fā)快速多參數(shù)測(cè)量的橢偏測(cè)量技術(shù)日益 成為該領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。例如在在半導(dǎo)體工藝方面，工藝控制是集成電路制造過程中的關(guān) 鍵，急需一種無損、快速的在線測(cè)量來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜的生長情況反饋給工藝控制系統(tǒng)；在生 物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研宄蛋白質(zhì)與其外表面的吸附過程，抗體與抗原之間的免疫反應(yīng)；在物理化學(xué) 領(lǐng)域研宄分子或原子間的物理吸附和化學(xué)吸附過程等都需要高時(shí)間分辨的實(shí)時(shí)測(cè)量手段。
[0003] 現(xiàn)有的橢偏儀大多采用消光式和光度式兩種方式。在早期的消光式橢偏儀中消光 位置的確定需要手動(dòng)完成，過程比較緩慢。若需多角度測(cè)量獲取大量數(shù)據(jù)，手動(dòng)需要的時(shí) 間較長，自動(dòng)化橢偏儀是當(dāng)迫切解決難題。改進(jìn)方法有在起偏器和檢之間放置法拉第盒或 者位調(diào)制器，通過對(duì)偏振面或者相位進(jìn)行調(diào)制而得到調(diào)制消光橢偏儀[參見文獻(xiàn)I. Chun-I Chuang，Shiuan-Huei Linj Yu-Faye Chao. , Rapid and accurate extraction of optical parameters for uniaxial bulk media by phase modulated ellipsometry, Optics and Lasers in Engineering, 2013, 51 (7) :861-866]。調(diào)制消光橢偏儀中振器件自身的精度決 定了消光橢偏儀的測(cè)量，系統(tǒng)本身造成的誤差影響較小。但總體而言消光式橢偏儀首先需 要精確判斷偏振元件的方位角然后再進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間通常大于1秒。光度式橢偏儀主 要是把探測(cè)器接收到的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析由傅里葉分析得出橢偏參量[參看文獻(xiàn) 2 :徐鵬，劉濤，王林梓，李國光，熊偉和榮健，樣品校準(zhǔn)法在單波長橢偏儀中的應(yīng)用，光學(xué)學(xué) 報(bào)，2013, 33(4) :0412002]。相較于消光式橢偏儀，由于省略了確定偏振器件的方位角這一 步驟，所以測(cè)量速度相對(duì)提高了很多。但是受光強(qiáng)多次測(cè)量和傅里葉變換算法的限制，目前 高端光度式橢偏儀產(chǎn)品中時(shí)間分辨為幾十毫秒量級(jí)，繼續(xù)提高時(shí)間分辨率存在技術(shù)瓶頸。 光度式橢偏儀的主要系統(tǒng)誤差來自于不穩(wěn)定光源和現(xiàn)階段非線性效應(yīng)很大的探測(cè)器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)以上不足之處，提供了一種高時(shí)間分辨率高精度的橢偏測(cè)量 裝置及其方法，極大提高各類橢偏參數(shù)檢測(cè)的速度和工業(yè)應(yīng)用中的檢測(cè)效率。
[0005] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的方案是：一種高時(shí)間分辨率高精度的橢偏測(cè)量裝 置，包括從左至右依次并排設(shè)置的起偏器、擴(kuò)束鏡、檢偏器和成像屏，所述起偏器和擴(kuò)束鏡 之間設(shè)置有樣品；一激光光源經(jīng)所述起偏器射入至樣品；一位于所述擴(kuò)束鏡和檢偏器之間 的用于形成干涉條紋的晶體斜劈，所述晶體斜劈為帶有劈角的雙折射晶體，且呈四棱錐狀， 所述擴(kuò)束鏡與所述晶體斜劈之間還設(shè)有一四分之一波片；一用于采集干涉條紋的光強(qiáng)數(shù)據(jù) 的線陣相機(jī)，所述線陣相機(jī)設(shè)置于所述成像屏的右側(cè)，所述線陣相機(jī)的輸出端連接至一計(jì) 算機(jī)處理系統(tǒng)。
[0006] 進(jìn)一步的，所述晶體斜劈的劈角為Γ。
[0007] 進(jìn)一步的，所述起偏角器的通光軸角度為45°。
[0008] -種線性的樣品半波電壓快速測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟Sl :所述激光光源經(jīng)起偏器以一定的角度入射到待測(cè)樣品，通過調(diào)整起偏器 的快軸方向使入射到樣品的O光和e光具有相同的振幅；
[0010] 步驟S2 :在所述樣品的反射方向放置擴(kuò)束鏡，經(jīng)所述擴(kuò)束鏡擴(kuò)大后的光斑一部分 經(jīng)過四分之一波片入射到晶體斜劈，另一部分直接入射到晶體斜劈，再經(jīng)過檢偏器在成像 屏上形成兩組分別對(duì)應(yīng)橢偏參數(shù)Φ和△的干涉條紋。
[0011] 步驟S3 :采用線陣相機(jī)對(duì)所述的兩組條紋的同時(shí)進(jìn)行采集，分別記錄其光強(qiáng)數(shù) 據(jù)。
[0012] 步驟S4:經(jīng)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)對(duì)所述的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和除背景處理，得到波峰 波谷位置，與標(biāo)準(zhǔn)偏振光產(chǎn)生地波峰波谷位置進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出待測(cè)樣品的橢偏參數(shù)；
[0013] 步驟S5 :結(jié)合橢偏方程，從步驟S4中的橢偏參數(shù)計(jì)算出樣品的光學(xué)參數(shù)。
[0014] 進(jìn)一步的，所述晶體斜劈的劈角為Γ。
[0015] 進(jìn)一步的，所述激光光源為波長為808nm的LD激光光源。
[0016] 進(jìn)一步的，所述線陣相機(jī)的像素為1280*1024的CXD相機(jī)。
[0017] 進(jìn)一步的，所述計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)為在Labview軟件平臺(tái)下采用波峰檢測(cè)、中值濾 波、傅里葉變換以及數(shù)組操作等模塊編寫程序，進(jìn)行濾波、消除背景處理以及尋找波峰波谷 等運(yùn)算。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果：
[0019] (1)本發(fā)明的方法采用單次曝光實(shí)現(xiàn)橢偏測(cè)量，結(jié)合高速線陣相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)微秒 量級(jí)的時(shí)間分辨，可大幅提高橢偏測(cè)量效率，拓展應(yīng)用范圍。
[0020] (2)本發(fā)明的方法的測(cè)量結(jié)果與光源功率無關(guān)，不受光源功率波動(dòng)的影響，而且是 線性測(cè)量，有利于提高橢偏測(cè)量的精度和可靠性。
[0021] (3)本發(fā)明的方法所采用的光路緊湊穩(wěn)定，可提高測(cè)試光路的長期穩(wěn)定性
【附圖說明】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)一步說明。
[0023] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的晶體斜劈的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖中：1_激光光源；2-起偏器；3-樣品；4-擴(kuò)束鏡；5-四分之一波片；6-晶體斜 劈；7-檢偏器；8-成像屏；9-線陣相機(jī)；10-計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0027] 如圖1~2所示，本實(shí)施例提供的一種高時(shí)間分辨率高精度的橢偏測(cè)量裝置，包括 從左至右依次并排設(shè)置的起偏器2、擴(kuò)束鏡4、檢偏器7和成像屏8,所述起偏器