一種多角度入射單發(fā)橢偏測(cè)量方法
【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，是一種多角度入射單發(fā)橢偏測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 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)研究等許多領(lǐng)域中。該專利利用偏光干 涉原理和多角度入射光路結(jié)構(gòu)，通過(guò)單次測(cè)量可以同時(shí)獲得多組對(duì)應(yīng)不同入射角度的橢 偏數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)多組橢偏數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線測(cè)量技術(shù).該專利可以大幅提高多角度入射橢 偏參數(shù)檢測(cè)的速度和工業(yè)應(yīng)用中的檢測(cè)效率，還有望將快速橢偏測(cè)量應(yīng)用于對(duì)物理、生物 和化學(xué)等微觀領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)過(guò)程研究中。
[0003] 橢偏儀通過(guò)精密測(cè)量特定波段或入射角下樣品透射或反射光的橢偏參數(shù)（即互 相垂直的偏振分量的振幅比和相位差）來(lái)獲得樣品的光學(xué)參數(shù)。通過(guò)對(duì)不同入射角或者 不同波段橢偏參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，可以獲得樣品一系列光學(xué)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)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)樣品造成的破壞性小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于薄膜制造業(yè)、集成電路 制造業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、化學(xué)工業(yè)及物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究等許多領(lǐng)域中。目前國(guó) 外橢偏儀已從實(shí)驗(yàn)室階段走向市場(chǎng)，主流研究生產(chǎn)橢偏儀的公司有美國(guó)的Woollam、法國(guó)的 S0PRA、日本的Horiba等等公司。其中Woollam公司的產(chǎn)品占市場(chǎng)主導(dǎo)地位，其產(chǎn)品的工作 波段覆蓋了深紫外、可見光以及近紅外等各個(gè)波段。但是隨著橢偏技術(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)研究中的擴(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 究熱點(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(guò)程中的關(guān)鍵，急需一種無(wú) 損、快速的在線測(cè)量來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜的生長(zhǎng)情況反饋給工藝控制系統(tǒng)；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研 究蛋白質(zhì)與其外表面的吸附過(guò)程，抗體與抗原之間的免疫反應(yīng)；在物理化學(xué)領(lǐng)域研究分子 或原子間的物理吸附和化學(xué)吸附過(guò)程等都需要高時(shí)間分辨的實(shí)時(shí)測(cè)量手段。
[0004] 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(guò)程比較緩慢。若進(jìn)行多角度或者多波長(zhǎng)測(cè)量獲取大量數(shù)據(jù)，手 動(dòng)調(diào)節(jié)需要的時(shí)間較長(zhǎng)。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(guò) 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。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，單組測(cè)量時(shí)間通常大于1秒，若需要測(cè)量多組 橢偏參數(shù)所需的時(shí)間更長(zhǎng)。而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。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)品中單組橢偏數(shù)據(jù)測(cè)量的時(shí)間分辨為幾十毫秒量級(jí)，而進(jìn)行 多角度橢偏數(shù)據(jù)測(cè)量則需要手動(dòng)或者機(jī)械調(diào)節(jié)光路結(jié)構(gòu)，所需時(shí)間更長(zhǎng)。這對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)控 和動(dòng)力學(xué)研究中所需的毫秒甚至微秒量級(jí)的時(shí)間分辨而言還有較大的差距。進(jìn)一步提高時(shí) 間分辨受到角度調(diào)節(jié)或者波長(zhǎng)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集以及反演算法等各個(gè)環(huán)節(jié)所需的時(shí)間限制， 存在技術(shù)瓶頸。
[0005] 因此要發(fā)展提高橢偏儀的時(shí)間分辨首先應(yīng)當(dāng)避免采用多次測(cè)量方式，特別是在多 參數(shù)測(cè)量中應(yīng)當(dāng)避免手動(dòng)或者電動(dòng)調(diào)節(jié)方式而采用單發(fā)測(cè)量技術(shù)；其次需要改進(jìn)橢偏測(cè)量 的數(shù)據(jù)采集方式和反演算法而實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種多角度入射單發(fā)橢偏測(cè)量方法，本測(cè)試方法 無(wú)機(jī)械旋轉(zhuǎn)或光學(xué)調(diào)制器件，測(cè)量速度只受限于相機(jī)采集速度，而且測(cè)量結(jié)果與光強(qiáng)波動(dòng) 無(wú)關(guān)，可以極大減小系統(tǒng)的測(cè)量誤差，提高測(cè)量的穩(wěn)定性。無(wú)論對(duì)提高工業(yè)監(jiān)測(cè)的效率還是 拓展橢偏技術(shù)的在基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用都將具有重大意義。
[0007] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種多角度入射單發(fā)橢偏測(cè)量方法，其特 征在于包括以下步驟：
[0008] 步驟Sl :提供激光束聚焦柱透鏡、樣品、準(zhǔn)直柱透鏡、1/4波片、晶體斜劈、檢偏器、 成像屏、面陣相機(jī)以及計(jì)算機(jī)；
[0009] 步驟S2 :選取一合適波長(zhǎng)的偏振激光光源進(jìn)行擴(kuò)束，激光光束經(jīng)過(guò)聚焦柱透鏡后 形成不同入射角度入射至樣品上，所述激光光束在樣品表面聚焦形成線狀光斑反射后形成 反射光斑，此時(shí)不同入射角度的反射光斑的橢偏參數(shù)Φ和△不同；
[0010] 步驟S3 :所述準(zhǔn)直柱透鏡放置在所述樣品的反射方向，所述反射光斑經(jīng)入射至所 述準(zhǔn)直柱透鏡后形成圓形光斑，所述圓形光斑的一部分經(jīng)1/4波片入射至所述晶體斜劈， 所述圓形光斑的另一部分直接入射到所述晶體斜劈；所有圓形光斑由所述晶體斜劈射出后 經(jīng)所述檢偏器在所述成像屏上形成多組分別對(duì)應(yīng)不同入射角的橢偏參數(shù)Φ和A的干涉條 紋。
[0011] 步驟S4 :采用面陣相機(jī)對(duì)所述的干涉條紋同時(shí)進(jìn)行采集，得到干涉條紋的光強(qiáng)數(shù) 據(jù)。
[0012] 步驟S5 :采用計(jì)算機(jī)中的處理系統(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 到不同入射光對(duì)應(yīng)的波峰波谷位置，再與標(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 出樣品的橢偏參數(shù)Φ和A。
[0013] 步驟S6 :結(jié)合橢偏方程，由所述步驟S5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，所述的晶體斜劈為劈角為Θ的雙折射晶體。由于晶體的雙折射特性， 所通過(guò)的〇光和e光的相差與晶體厚度有關(guān)。斜劈狀的晶體將在光斑內(nèi)引入沿劈角方向的 線性相差分布，經(jīng)檢偏器形成等間距干涉條紋。對(duì)所述條紋進(jìn)行定位可以測(cè)量由樣品光學(xué) 性質(zhì)引入的相偏振態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)橢偏測(cè)量。
[0015] 進(jìn)一步的，所述激光光束經(jīng)過(guò)所述聚焦柱透鏡后以一定范圍的入射角入射至樣品 上，其中一定范圍的入射角由選取的聚焦柱透鏡不同而不同，但是所述光束經(jīng)聚焦柱透鏡 再由樣品反射后均能入射至準(zhǔn)直柱透鏡內(nèi)。
[0016] 進(jìn)一步的，所述步驟S4中得到干涉條紋的光強(qiáng)數(shù)據(jù)的具體方法為：經(jīng)過(guò)樣品反射 后形成反射光斑的瓊斯矩陣為
?利用瓊斯矩陣計(jì)算得到未經(jīng)過(guò)1/4波片形 成的干涉條紋對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)為：Mx, Δ) = l/2+l/2sin2itcos(A + y (χ))，經(jīng)過(guò)1/4波片的 光路產(chǎn)生的干涉條紋對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)為：
[0017] I2 ( Φ , A , x) = l/2 + sin2 Φ cos Δ cos γ (X) _2cos2 Φ sin γ (X)，其中
γ (X)為由劈角為θ的晶體斜劈引入的相位差，1^與1^分別為 〇光和e光的折射率差，X為晶體斜劈的橫向位置坐標(biāo)，Φ和△為橢偏參數(shù)。
[0018] 較佳的，本發(fā)明通過(guò)單次曝光實(shí)現(xiàn)橢偏測(cè)量光路，結(jié)合所述面陣相機(jī)提供高時(shí)間 分辨。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)采用單次曝光實(shí)現(xiàn)多角度橢偏測(cè)量， 結(jié)合高速面陣相機(jī)對(duì)多角度橢偏測(cè)量的時(shí)間可以縮短至毫秒量級(jí)，可較大提高橢偏測(cè)量效 率，拓展應(yīng)用范圍。（2)由于測(cè)量結(jié)果與光源功率無(wú)關(guān)，測(cè)量結(jié)果不受光源功率波動(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。（3)本發(fā)明采用的光路緊湊穩(wěn)定， 可提高測(cè)試光路的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明采用的橢偏測(cè)量方法光路圖。
[0021] 圖2為本發(fā)明中雙折射晶體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖3為本發(fā)明中多角度橢偏測(cè)量的干涉條紋圖樣。
[0023] 標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1為激聚焦柱透鏡、2為樣品、3為準(zhǔn)直柱透鏡、4為1/4波片、5為晶體 斜劈、6為檢偏器、7為成像屏、8為面陣相機(jī)、9為計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025] 本實(shí)施例提供，一種多角度入射單發(fā)橢偏測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟：
[0026] 步驟Sl :提供激光束聚焦柱透鏡、樣品、準(zhǔn)直柱透鏡、1/4波片、晶體斜劈、檢偏器、 成像屏、面陣相機(jī)以及計(jì)算機(jī)；
[0027] 步驟S2 :選取一合適波長(zhǎng)的偏振激光光源進(jìn)行擴(kuò)束，光光束經(jīng)過(guò)所述聚焦柱透鏡 后形成不同入射角度入射至樣品上，所述激光光束在樣品表面聚焦形成線狀光斑再經(jīng)所述 樣品反射后形成反射光斑，不同入射角度形成的反射光斑的橢偏參數(shù)不同；
[0028] 步驟S3 :所述準(zhǔn)直柱透鏡放置在所述樣品的反射方向，所述反射光斑入射至所述 準(zhǔn)直柱透鏡后形成圓形光斑，所述圓形光斑的一部分經(jīng)1/4波片入射至所述晶體斜劈，所 述圓形光斑的另一部分直接入射到所述晶體斜劈；所有圓形光斑由所述晶體斜劈射出后經(jīng) 所述檢偏器在所述成像屏上形成多組分別對(duì)應(yīng)不同入射角度的干涉條紋。
[0029] 步驟S4 :采用面陣相機(jī)對(duì)所述的干涉條紋同時(shí)進(jìn)行采集，根據(jù)橢偏參數(shù)得到干涉 條紋的光強(qiáng)數(shù)據(jù)。
[0030] 步驟S5 :采用計(jì)算機(jī)中的處理系統(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 到不同入射光對(duì)應(yīng)的波峰波谷位置，再與標(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 出所述樣品的橢偏參數(shù)。
[0031] 步驟S6 :結(jié)合橢偏方程，由所述步驟S5中的橢偏參數(shù)計(jì)算出所述樣品的光學(xué)參 數(shù)。
[0032] 在本實(shí)施例中，如圖1所示，采用激聚焦柱透鏡I、樣品2、準(zhǔn)直柱透鏡3、1/4波片 4、晶體斜劈5、檢偏器6、成像屏7、面陣相機(jī)8以及計(jì)算機(jī)9組成