專利名稱：一種新型快速橢圓偏振光測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光學(xué)電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型快速橢圓偏振光測量儀。
背景技術(shù)：
橢圓偏振光測量儀是一種光學(xué)測量儀器，它是獲取各種信息功能材料的光學(xué)性質(zhì)、光學(xué)常數(shù)和薄膜厚度的最有效和可靠的方法之一。如以高性能的奔騰芯片的制備工藝為例，在其完整的工藝流程中，要經(jīng)過40多次的橢圓偏振光檢測。光通訊技術(shù)的發(fā)展，依賴于高性能光波導(dǎo)、光開關(guān)、光放大器件、窄帶濾波片等一系列光學(xué)元件的研究和開發(fā)，在光學(xué)元件的研發(fā)過程中，需要對各種光學(xué)材料的各種光學(xué)常數(shù)和光學(xué)特性進行快速、高精度測量和分析，另外對一些光學(xué)薄膜器件，需要在光學(xué)薄膜生長過程中，對各膜層的光學(xué)常數(shù)和膜厚進行精確測量和控制，也十分需要研究和發(fā)展快速、精確的材料光學(xué)性能的先進測試方法和手段。
橢圓偏振技術(shù)能高靈敏獲得各種信息功能材料的光學(xué)性質(zhì)和光學(xué)常數(shù)，進而能對材料在不同光譜段所具有的特性進行分析，理解其物理本質(zhì)，從而使材料獲得重要應(yīng)用。目前已發(fā)展了多種橢偏測量模式，如消光式和光度式等。消光式橢偏系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)位相延遲器、起偏器和檢偏器等光學(xué)元件的方位角，使系統(tǒng)的輸出光強為零，在此條件下讀出各光學(xué)元件的方位角，就可計算求得橢偏參數(shù)，但這種方法的檢測速度較慢。光度式橢偏系統(tǒng)采用了對光強隨起偏或檢偏方位角變化作傅立葉分析的方法，并通過計算機對測量過程進行自動控制，可比消光式橢偏法更快速和準(zhǔn)確地測得橢偏參數(shù)。但由于普通光度式橢偏系統(tǒng)采用偏振器掃描方式來獲取橢偏參數(shù)，雖然對普通光學(xué)參數(shù)的測試已經(jīng)足夠快速，但若將其應(yīng)用于某些特定場合，如微電子工藝或高真空薄膜生長系統(tǒng)的快速實時光學(xué)監(jiān)控，就有一定的困難，應(yīng)用將受到限制。為此，本實用新型將采用組合檢偏器和2維CCD面陣列探測器結(jié)合的橢圓偏振光檢測方法，快速獲取材料的光學(xué)參數(shù)。[參考文獻D.E.Aspnes，8，222(1973)；D.E.Aspnes，J.Opt.Soc.Am.，64，812(1974)]。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)模式基礎(chǔ)上，對其缺點進行改進，提出一種在測量過程中(不包括測量前的光路調(diào)節(jié))無需任何機械轉(zhuǎn)動、可快速進行橢圓偏振光測量的系統(tǒng)。
本實用新型提出的橢圓偏振光測量儀具體結(jié)構(gòu)如圖一所示，由光源、起偏器、樣品架、組合檢偏器、二維CCD探測器和計算機控制與分析系統(tǒng)依次經(jīng)光路連接組成；其中，光源與樣品架之間的起偏器的方位角固定，樣品架內(nèi)有空腔，并與真空泵連接，使樣品經(jīng)負壓吸附在樣品架上；樣品架與二維CCD探測器之間的組合檢偏器由m個微型子檢偏器組成，這m個微型子檢偏器的方位角在0-π之間大致均勻分布；計算機控制和分析系統(tǒng)由一臺計算機和相關(guān)控制和分析計算軟件組成，測量前用于光路調(diào)節(jié)以及入射角的選擇，測量時對CCD探測器的電信號進行數(shù)據(jù)采集，對待測材料的各種光學(xué)參數(shù)進行計算，并結(jié)果輸出計算結(jié)果。
本實用新型的測量儀，由光源發(fā)出的單色光經(jīng)過固定起偏器變成單色線偏振光，該固定起偏器的初始方位角與入射面成α角。一般使α＝45°。光線經(jīng)過固定檢偏器后以一定入射角Φ照射到待測樣品，經(jīng)樣品反射后，反射光一般為橢圓偏振光。反射光通過組合檢偏器，該組合檢偏器內(nèi)裝有若干個微型子檢偏器，各子檢偏器的方位角具有不同取向。反射光經(jīng)組合檢偏器后，出射光具有不同偏振態(tài)，各偏振態(tài)對應(yīng)的光強被二維CCD探測器不同區(qū)域探測到。由CCD探測器探測到的各偏振態(tài)光強變成電信號后，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換由計算機進行信號分析和數(shù)據(jù)處理，最后得到材料的各種光學(xué)常數(shù)。
本實用新型中，待測樣品的光學(xué)參數(shù)的確定方法如下。
將起偏器固定于合適的方位角，如令α＝45°。從檢偏器出射的光強隨檢偏器方位角變化關(guān)系為I＝I0+I1cos2A+I2sin2A (1)其中I0是直流分量，I1、I2為交流分量，A為檢偏器的方位角。經(jīng)過計算可得，I0＝η(1+ρ02)+IB(2a)I1＝η(1-ρ02)(2b)I2＝2ηρ0cosΔ (2c)η為與光強有關(guān)的常數(shù)，直流分量I0中的IB是本底信號，來自于探測器的暗電流。(2)式中，ρ0、Δ為兩個橢偏參數(shù)，定義如下設(shè)光線經(jīng)過樣品反射后，s、p偏振光的復(fù)反射率分別為r~s=rse′Δ1,r~p=rpe′Δ2.]]>其中rs、rp分別是s、p偏振光復(fù)反射率的模，Δ1、Δ2為s、p偏振態(tài)的反射光相對入射光的相位差，則ρ0、Δ兩個參數(shù)分別定義為，ρ0＝rp/rs，Δ＝Δ2-Δ1。
根據(jù)(2)式中的三個系數(shù)可計算出橢偏參數(shù)ρ0和cosΔ，ρ0=[(I0-I1)(I0+I1)]12---(3)]]>
cosΔ=I2[I02-I12]12---(4)]]>將(1)式中的光強I對檢偏器方位角A作數(shù)值傅立葉變換，變換式為I0=1nΣi=1n(Ii-Ibi)---(5a)]]>I1=2nΣi=1nIicos(2Ai)---(5b)]]>I2=2nΣi=1nIisin(2Ai)---(5c)]]>式中Ii是檢偏器方位角為Ai時CCD探測器所接收到的光強信號，λ是相應(yīng)的波長，n是檢偏器組中子檢偏器數(shù)目的兩倍，一個周期內(nèi)按Ai值作數(shù)據(jù)采集的次數(shù)。從(3)、(4)式中得到橢偏參數(shù)ρ0和Δ后，可得到參數(shù)ρ=ρ0eiΔ---(6)]]>材料的復(fù)介電函數(shù)ε＝ε1+iε2與參量ρ之間滿足以下關(guān)系ϵ=ϵa[sin2φ+sin2φtan2φ(1-ρ1+ρ)2]---(7)]]>其中Φ為光的入射角，εa為環(huán)境媒質(zhì)的介電函數(shù)，若環(huán)境為空氣，則εa＝1。復(fù)介電函數(shù)與其它光學(xué)常數(shù)，如復(fù)折射率N、吸收系數(shù)α和反射率R等的關(guān)系為ϵ=N2,N=n+ik,ϵ1=n2-k2,ϵ2=2nk,α=4πkλ,R=(n-1)2+k2(n+1)2+k2---(8)]]>(8)式中，N＝n+ik為樣品材料的復(fù)折射率，其實部n為折射率，虛部k為消光系數(shù)。因此一旦測到橢偏參數(shù)ρ0和Δ后，可由(7)式得到材料的復(fù)介電函數(shù)，進而由(8)式計算出樣品的其它光學(xué)常數(shù)，如復(fù)折射率N、吸收系數(shù)α和反射率R等。
上述的計算式均在測量儀的軟件部分----計算機分析計算部分實現(xiàn)。
本實用新型采用組合檢偏器和二維CCD陣列檢測器結(jié)合的橢圓偏振測量系統(tǒng)，在測試過程中無需轉(zhuǎn)動任何機構(gòu)部件，大幅度提高了各種材料光學(xué)參數(shù)的測量速度。


圖1為本實用新型測量儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實用新型測量儀一種結(jié)構(gòu)圖示。
圖3為本實用新型測量儀中一種組合檢偏器結(jié)構(gòu)圖示。
圖中標(biāo)號1為激光光源，2為激光擴束鏡頭組，3為固定起偏器，4為樣品架，5為樣品架轉(zhuǎn)臺，6為反射光臂轉(zhuǎn)臺，7為組合檢偏器，8為CCD探測器，9為反射光臂轉(zhuǎn)臺馬達驅(qū)動器，10為樣品轉(zhuǎn)臺馬達驅(qū)動器，11為計算機數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，12為輸出結(jié)果，13為入射光臂，14為反射光臂。
具體實施方式
本實用新型設(shè)計的新型快速橢圓偏振光測量儀已經(jīng)在圖一中顯示，這里給出一個特例。在本例中，光源采用激光光源。由激光光源出射的光經(jīng)擴束后，入射到起偏器3，然后再入射到樣品上，被樣品反射到組合檢偏器7，由組合檢偏器7出射的光，分別被二維CCD面陣探測器8的不同區(qū)域接收。
組合檢偏器7由m個微型子檢偏器組成。m一般可取5-20個。各子檢偏器的方位角θ1、θ2……θm，在0～180°內(nèi)大致均勻分布。具體做法組合檢偏器是在一個硬質(zhì)材料中加工m個數(shù)目(如十多個)的小孔(如方孔)，方孔的取向各異，方向角在0～180°范圍內(nèi)大致均勻分布，將各微型子檢偏器加工成與小孔尺寸相匹配的大小，再按子檢偏器的透振方向，將它們放入各小孔，使每個孔中的子檢偏器的透振方向不同，并且其方位角也在0～180°范圍內(nèi)大致均勻分布。圖3給出這種組合檢偏器的一個特例在本例中，十二個1.5mm×1.5mm見方的微型檢偏器被安裝在一個直徑為9.5mm，厚約2mm的不銹鋼支架上，這十二個微型檢偏器的方位角依次為0°、16°、33°、49°、66°、82°、90°、98°、114°、131°、147°、164°。
本實用新型測量儀進一步描述如下系統(tǒng)包括光學(xué)部件、電子器件、機械部件和控制分析軟件等部分。
1)光學(xué)部件a)光源1采用波長為632.8nm的He-Ne氣體激光器；b)擴束鏡頭2擴束鏡頭由共焦透鏡組成，擴束倍率約為5～10倍；c)固定起偏器3采用方解石材料制作的Glan-Foucault偏振棱鏡；d)組合檢偏器7如附圖3所示，在直徑為9.5mm、厚約2mm的不銹鋼支架上安裝12個1.5mm×1.5mm的微型子檢偏器，這些子檢偏器的方位角在0～180°范圍內(nèi)大致均勻分布；e)CCD探測器8采用具有1024×1024像素的二維CCD面陣式探測器，每個像素的尺寸為24×24μm2。
2)電子器件a)樣品架4和出射光臂的驅(qū)動電路由步進馬達驅(qū)動器和計算機接口電路構(gòu)成，控制脈沖由軟件方式產(chǎn)生；b)數(shù)據(jù)采集卡通過與CCD探測器配套的視頻數(shù)據(jù)采集卡來完成由CCD探測器接收的視頻信號向計算機系統(tǒng)輸入的傳輸過程。
3)機械部件a)可變?nèi)肷浣寝D(zhuǎn)臺基座包括樣品架轉(zhuǎn)臺基座和出射光臂轉(zhuǎn)臺基座；樣品架轉(zhuǎn)臺可在0～90°之間轉(zhuǎn)動，主要用于每次測量前，對測量的光路準(zhǔn)直和光路調(diào)節(jié)；出射光臂轉(zhuǎn)臺可在30～180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，用于選擇適當(dāng)?shù)娜肷浣?；b)負壓吸附式樣品支架樣品架是將扁平狀黃銅材料中間加工成空腔而制成，空腔一端與真空泵連接，空腔與扁平表面有多個小孔相連，當(dāng)真空泵工作時，樣品被真空腔中的負壓吸附；樣品架裝在一個多維可調(diào)支架上；c)入射光臂和出射光臂入射光臂是鋁制的金屬腔，內(nèi)裝有擴束鏡頭、固定起偏器等組件；出射光臂也是鋁制的金屬腔，內(nèi)裝有CCD探測器和組合檢偏器等組件；入射光臂固定不動，而出射光臂與出射光臂轉(zhuǎn)臺基座相連，可根據(jù)測量的入射角來轉(zhuǎn)動。
4)控制分析軟件a)控制部分主要用于測量前的光路調(diào)節(jié)，以及入射角的選擇，如驅(qū)動樣品轉(zhuǎn)臺，以校準(zhǔn)光路，驅(qū)動出射光臂轉(zhuǎn)臺以選擇合適的入射角。
b)數(shù)據(jù)采集由軟件控制通過數(shù)據(jù)采集卡實時讀出來自于CCD探測器的電信號。
c)數(shù)據(jù)處理部分對采集到的不同偏振態(tài)信號進行傅里葉變換，得到光強交、直流分量的系數(shù)，進而得到兩個橢偏常數(shù)ρ0、Δ。再由兩個橢偏常數(shù)通過前面所述的一系列公式計算即可得到待測材料的各種光學(xué)常數(shù)。
d)數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)可實時顯示在屏幕上或輸出到數(shù)據(jù)文件。
2、由激光光源出射的623.8nm單色光，經(jīng)擴束后形成直徑9.5mm的平行光束，再通過起偏器后變成直徑9.5mm的線偏振光。該單色線偏振光以60°的入射角入射到樣品上3、樣品被裝在具有真空吸附結(jié)構(gòu)的樣品架上，實現(xiàn)了無損光學(xué)檢測。
4、光經(jīng)過樣品反射后通過組合檢偏器，組合檢偏器由12個微型子檢偏器構(gòu)成，這些微型檢偏器的偏振面在0～180°范圍內(nèi)均勻配置。
5、經(jīng)過12個微型檢偏器的光線分別被二維CCD面陣列的不同區(qū)域探測，由CCD探測器輸出的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送至計算機，并對其進行分析，就可讀得各對應(yīng)偏振態(tài)的強度值。
6、對各偏振態(tài)的強度值進行分析處理后，即得到相應(yīng)的光學(xué)常數(shù)。
本系統(tǒng)的實施還包括定標(biāo)和調(diào)試兩部分，其一是CCD探測器和組合檢偏器的定標(biāo)，其二是系統(tǒng)的綜合調(diào)試。對組合檢偏器定標(biāo)后，得到光經(jīng)過不同的微型檢偏器后強度的變化，以及偏振態(tài)的變化，這些變化參數(shù)經(jīng)標(biāo)定后寫入儀器控制程序，并在數(shù)據(jù)處理時考慮這些因素，從而得到精確的結(jié)果。CCD探測器的定標(biāo)即確定CCD探測器不同區(qū)域的像素與不同偏振態(tài)光強間的對應(yīng)關(guān)系。這個對應(yīng)關(guān)系也將編入計算機分析程序。系統(tǒng)的綜合調(diào)試包括光路系統(tǒng)對準(zhǔn)，偏振器偏振方位角的調(diào)整以及使系統(tǒng)硬件與軟件一體化運作，解決機械、光學(xué)和電子學(xué)等方面一系列的問題。在本實用新型的設(shè)計當(dāng)中，入射角連續(xù)可變，分辨率優(yōu)于0.01°。數(shù)據(jù)自動采集、分析和計算。系統(tǒng)實現(xiàn)了實時快速測量的特點。
主要測量過程1.將系統(tǒng)各部分電源接通；2.通過真空吸附，將樣品裝在樣品架上；3.調(diào)節(jié)光路，選定合適入射角；4.進行測量和讀取輸出數(shù)據(jù)。
測量例示若對某材料，測量數(shù)據(jù)如表一所示表一檢偏器方位角與對應(yīng)的光強輸出檢偏器方位角(弧度)光強0.840923.38530.971819.80251.102715.89221.233611.73241.36457.43181.49543.30581.62632.78521.75726.77751.888111.08422.019015.27382.149919.22752.280822.8645根據(jù)公式(5a)-(5c)可得I0＝13.2969，I1＝12.8590，I2＝-0.6312忽略暗電流Ibi影響，根據(jù)(3)、(4)式可得ρ0＝7.7283，Δ＝79.2572°這里入射角為Φ＝60°，入射光波長λ＝632.8nm，根據(jù)(7)式可得ε1＝2.264，ε2＝1.377，n＝1.567，k＝0.439，a＝8.713μm-1，R＝0.0760由此可得到該種材料的介電常數(shù)、折射率、消光系數(shù)、吸收系數(shù)和反射率等光學(xué)常數(shù)。
權(quán)利要求1.一種橢圓偏振光測量儀，其特征在于由光源、起偏器、樣品架、組合檢偏器、二維CCD探測器和計算機控制與分析系統(tǒng)依次經(jīng)光路連接組成；其中，光源與樣品架之間的起偏器的方位角固定，樣品架內(nèi)有空腔，并與真空泵連接，使樣品經(jīng)負壓吸附在樣品架上；樣品架與二維CCD探測器之間的組合檢偏器由m個微型子檢偏器組成，這m個微型子檢偏器的方位角在0-π之間大致均勻分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于各光學(xué)部件中，(1)光源(1)采用波長為632.8nm的He-Ne氣體激光器；(2)擴束鏡頭(2)擴束鏡頭由共焦透鏡組成，擴束倍率約為5～10倍；(3)固定起偏器(3)采用方解石材料制作的Glan-Foucault偏振棱鏡；(4)組合檢偏器(7)在直徑為9.5mm、厚約2mm的不銹鋼支架上安裝12個1.5mm×1.5mm的微型子檢偏器，這些子檢偏器的方位角在0～180°范圍內(nèi)大致均勻分布；(5)CCD探測器(8)采用具有1024×1024像素的二維CCD面陣式探測器，每個像素的尺寸為24×24μm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于還包括電子器件，電子器件包括(1)樣品架4和出射光臂的驅(qū)動電路由步進馬達驅(qū)動器和計算機接口電路構(gòu)成；(2)數(shù)據(jù)采集卡通過與CCD探測器配套的視頻數(shù)據(jù)采集卡來完成由CCD探測器接收的視頻信號向計算機系統(tǒng)輸入的傳輸過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于還包括機械部件，這些機械部件包括(1)可變?nèi)肷浣寝D(zhuǎn)臺基座包括樣品架轉(zhuǎn)臺基座和出射光臂轉(zhuǎn)臺基座；樣品架轉(zhuǎn)臺可在0～90°之間轉(zhuǎn)動，主要用于每次測量前，對測量的光路準(zhǔn)直和光路調(diào)節(jié)；出射光臂轉(zhuǎn)臺可在30～180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，用于選擇適當(dāng)?shù)娜肷浣牵?2)負壓吸附式樣品支架樣品架是將扁平狀黃銅材料中間加工成空腔而制成，空腔一端與真空泵連接，空腔與扁平表面有多個小孔相連，當(dāng)真空泵工作時，樣品被真空腔中的負壓吸附；樣品架裝在一個多維可調(diào)支架上；(3)入射光臂和出射光臂入射光臂是鋁制的金屬腔，內(nèi)裝有擴束鏡頭、固定起偏器等組件；出射光臂也是鋁制的金屬腔，內(nèi)裝有CCD探測器和組合檢偏器等組件；入射光臂固定不動，而出射光臂與出射光臂轉(zhuǎn)臺基座相連，可根據(jù)測量的入射角來轉(zhuǎn)動。
專利摘要本實用新型是一種新型快速橢圓偏振光測量儀。在傳統(tǒng)光度式橢圓偏振光測量儀結(jié)構(gòu)中，需采用機械轉(zhuǎn)動方式控制起偏器或檢偏器來進行光偏振態(tài)的方位角掃描。由于機械轉(zhuǎn)動的速度有限，大大限制了橢圓偏振光測量的檢測速度。本實用新型采用組合檢偏器和二維CCD陣列探測器結(jié)構(gòu)配置的橢圓偏振測試系統(tǒng)來快速獲取材料的光學(xué)參數(shù)。由于采用組合偏振器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的旋轉(zhuǎn)偏振器來獲得傅立葉分析所要求的采樣點數(shù)目，并采用二維CCD陣列探測器來并行探測各偏振態(tài)的光信號。在測試過程中，系統(tǒng)無須轉(zhuǎn)動任何機械部件，因此可以使各類材料光學(xué)參數(shù)的測量速度大幅度提高。
文檔編號G01N21/17GK2819212SQ20052004020
公開日2006年9月20日 申請日期2005年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月17日
發(fā)明者鄭玉祥, 陳良堯, 張榮君, 李晶, 王松有, 楊月梅, 孫斌 申請人:復(fù)旦大學(xué)