CN101051022B - 一种椭偏测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种椭偏测量装置，包括入射臂、样品旋转平台、出射臂，所述入射臂包括光源、光束处理组件、起偏器和1/4波片，所述出射臂包括透镜空间滤波组件、检偏器和光电探测器。透镜空间滤波组件在样品旋转平台和检偏器之间，由小孔光栏、透镜和空间滤波器组成。经样品反射的散射光由透镜空间滤波组件选择出平行于出射光轴的平行光。所述光束处理组件由小孔光栏、偏振器和四分之一波片构成。入射臂的光轴和出射臂的光轴相交于样品旋转平台的转动轴，入射臂和出射臂所组成的入射面与样品旋转平台的转动轴垂直；入射臂、出射臂和样品旋转平台可绕该转动轴旋转；本发明可用于大粗糙度非光滑面和曲面样品的测量，有较高的精确度，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明属光学精密测量领域，特别涉及一种椭偏测量装置。
技术背景
椭圆偏振法是一种测量和研究材料表面及其膜层特性的先进方法，具有测量灵敏度和精度高、快速及非接触等优点，广泛应用于固体和液体表面光学参数的检测，特别适用于纳米级薄膜厚度、折射率及消光系数等参数的精密测量，也可用于镀膜过程和工艺的实时监控，在半导体器件、功能材料分析、化学反应过程观察和生物医学样品检测等领域有重要应用。
目前，国内外有各种型号和功能的椭偏仪，用于测量光滑或微粗糙(粗糙度小于几十nm)表面及其薄膜的光学参数，但不适合于大起伏粗糙面(粗糙度大于1μm)、不规则表面或受损表面样品，如样品表面有划痕、磨损或霉变斑点等。这直接限制了椭偏技术的推广和应用。主要原因在于大起伏粗糙表面的强漫反射或不规则散射，使光斑的光强和光束偏振分布不均匀，而且到达探测器的光强很弱。
随着纳米薄膜技术的迅速发展，已出现了在半导体材料、金属、玻璃和陶瓷等大起伏粗糙表面镀膜的研究和应用，这些材料表面不但粗糙度比较大，而且表面不平整，带有规则或不规则的曲面，如球面、抛物面或双曲面等。对大起伏粗糙表面及其薄膜特性的测量提出了迫切要求。然而，当前没有有效和实用的方法来测量大起伏粗糙表面及其薄膜的纳米级薄膜厚度、折射率、吸收系数与波长的关系等光学参数。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种带透镜空间滤波组件的椭偏测量装置，其不但具有常规椭偏仪的功能及测量光滑表面样品，而且适合于非光滑面或大起伏粗糙面(粗糙度大于1μm)的纳米级薄膜厚度、折射率等薄膜光学参数的测量和吸收系数与波长的关系等特性分析。
本发明装置的基本设计思路和工作过程如下：
在传统椭偏测量系统中，位于样品与检偏器之间增加一套透镜空间滤波组件，使非光滑面或粗糙面反射的散射光经该组件后，选择出平行于出射光轴的平行光，它带有样品相应光滑表面的各种信息，对它偏振状态的探测、采集、处理和分析，可得到样品表面的许多光学特性和信息，如薄膜厚度、折射率和消光系数等。本发明装置适合于各向同性材料的光滑面或非光滑面及其薄膜的测量。
图1是本发明装置光路原理图。入射平行光束经起偏器1和1/4波片2后入射非光滑面样品3的粗糙表面，经其反射的漫射光或散射光通过小孔光阑4限束后选出透镜5光轴附近的光束，在透镜5的后焦面上放置空间滤波器6，获取样品相应光滑面的平行于出射光轴的平行光，经检偏器7和聚光镜8后由光电探测器9接收和检测。
可以证明，在一定的偏振转角测量精度下，光束在透镜光轴附近入射时，单透镜5引入的附加偏振角变化可以忽略。下面以消光椭偏测量过程为例，分析非光滑面椭偏测量原理。假设样品是各向同性的且进入小孔光阑4的光束偏振一致，为了推导方便，仅考虑在入射面内通过小孔光阑4边缘的两条光线。它们到达探测器9的光强表达式分别为：
ID1＝c[sin2(A-An1)+sin2Asin2An1sin2(P-Pn1)] (1)
ID2＝c[sin2(A-An2)+sin2Asin2An2sin2(P-Pn2)] (2)
式中c为常数，An1、Pn1和An2、Pn2分别为两条光线中对应的起偏器和检偏器消光角，P和A分别为起偏器和检偏器的方位角，则探测器接收到的总光强为：
ID＝ID1+ID2
＝c′[sin2(A-An1)+sin2(A-An2)+sin2Asin2An2sin2(P-Pn2) (3)
+sin2Asin2An1sin2(P-Pn1)]
令An1+An2＝2α、Pn1+Pn2＝2β，并考虑Pn1≈Pn2，An1≈An2，则(3)式可以进一步化简为：
ID＝c′[sin2(A-α)+sin2Asin2αsin2(P-β)] (4)
分析(4)式可知，探测器得到粗糙面漫反射偏振光强的变化规律与光滑面是一样的，即消光角α和β是粗糙样品表面的相应光滑面反射偏振光的起偏器和检偏器的消光角。这说明非光滑面漫反射光经过透镜空间滤波系统后，透镜光轴附近的光束带有相应光滑面的信息。因此，传统的偏振测量方法和原理，如消光法和光度法等，可用于获取大起伏粗糙表面的椭偏参数(
、Δ)。依据光滑面及其表面薄膜的各种模型，如单层透明膜、双层透明膜和单层吸收膜等模型。分析和反演就能求得大起伏粗糙表面的光学参数。要注意的是，求得的光学参数具有统计平均的意义，如薄膜厚度是指平均厚度。
实现本发明的技术方案如下：
如图2所示，一种椭偏测量装置，包括入射臂、样品旋转平台12、出射臂，所述入射臂包括光源10、起偏器1、1/4波片2，所述出射臂包括检偏器7、光电探测器9，入射臂的光轴和出射臂的光轴相交于样品旋转平台12的转动轴，入射臂和出射臂所组成的入射面与样品旋转平台12的转动轴垂直；入射臂、出射臂和样品旋转平台12可绕该转动轴旋转，以改变在样品旋转平台12上的样品3的入射角；所述出射臂还包括透镜空间滤波组件13，透镜空间滤波组件13在样品旋转平台12和检偏器7之间，经样品反射的散射光由透镜空间滤波组件13选择出平行于出射光轴的平行光，透镜空间滤波组件(13)包括小孔光阑(4)、透镜(5)和空间滤波器(6)，并依次按透镜(5)光轴共轴放置，小孔光阑(4)在靠近样品旋转平台(12)一侧，透镜(5)靠近光阑(4)放置，透镜(5)与样品(3)之间距离约等于透镜(5)的焦距，空间滤波器(6)位于透镜(5)后焦平面上。。
为了使光电探测器9更好地探测，在检偏器7和光电探测器9之间放置一个聚光透镜8。
为了改善单色光光斑及偏振状态，提高光束质量，并可调节出射光强度，以适应不同程度的粗糙面样品，入射臂还包括光束处理组件11，光束处理组件11位于光源10与起偏器1之间，由偏振片或偏振器111、1/4波片112和小孔光阑113组成，偏振片或偏振器111靠近光源，1/4波片112在偏振片或偏振器111和小孔光阑113中间。1/4波片的快轴与偏振器偏振方向成45°或135°夹角。三者调节后固定形成一个整体。对于线偏振的入射光，以其光轴为中心轴旋转光束处理组件11，可很方便调节出射光强度。
为了适应不同大小及形状的大起伏粗糙面样品的测量，样品旋转平台12带有样品夹持装置，样品夹持装置具有三维微调机构，以保证漫反射光按规定的入射角进入小孔光阑4。
为了精密、快速地测量，本发明装置还包括信号处理、控制及计算机系统14，该系统14与样品旋转平台12、起偏器1、检偏器7和光电探测器9电连接，可控制、采集起偏器1、检偏器7的角度值，可采集入射到光电探测器9的光强，可控制入射臂、出射臂和样品旋转平台12的旋转。
本发明装置与现有技术相比具有如下特点或效果：
(1)与普通椭偏仪的功能基本相同，可测量光滑面的样品；
(2)由于采用透镜空间滤波组件，可用于非光滑面和曲面样品的测量；包括球面、椭球面和抛物面等非平面及大起伏(粗糙度大于1um)粗糙表面样品；
(3)解决了大起伏粗糙表面薄膜的平均厚度和折射率测量问题；
(4)适合于测量大起伏粗糙表面多层膜的厚度和折射率等光学参数；
(5)发展了一种测量和研究大起伏粗糙表面偏振状态的技术和方法；
(6)拓展了椭偏测量技术的应用范围。
对玻璃、陶瓷、钢块、硅片及煤块等粗糙表面的薄膜样品测量实验表明：本发明装置有较高的精确度，应用前景广泛。
附图说明
图1是本发明装置光路原理图；
图2是本发明装置的一种典型结构示意图，图中：1为起偏器，2为1/4波片，3为非光滑面样品，4为小孔光阑，5为透镜，6为空间滤波器，7为检偏器，8为聚光透镜，9为光电探测器，10为光源，12为样品旋转平台，13为透镜空间滤波组件，14为信号处理、控制及计算机系统。
图3是本发明装置的另一种典型结构示意图，11为光束处理组件，111为偏振片或偏振器，112为1/4波片，在偏振片或偏振器111和小孔光阑113。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图3是本发明装置的一种典型结构示意图，是一种带透镜空间滤波组件的单波长消光法椭偏测量仪。从光源10发出的单色光，经过光束处理组件11后变为一束偏振均匀且强度可调的光束，通过起偏器1和1/4波片2后入射粗糙样品表面3，其漫反射的光经过小孔光阑4和透镜5及位于透镜后焦平面上的空间滤波器6后，得到一束含有样品相应光滑面信息的平行于出射光轴的平行光，最后依次通过检偏器7及聚光透镜8由光电探测器9接收和检测。
本发明装置核心组件——透镜空间滤波组件13由小孔光阑4、透镜5和空间滤波器6组成，各部件依次按透镜5光轴共轴放置。可设计成一个相对独立的模块，便于安装和调节。小孔光阑4可做成方形或圆形，大小可调整固定；透镜5为傅立叶变换单透镜，其大小和焦距的选取以尽量减少对入射偏振光影响及接收较大漫反射光强为宜，并靠近光阑4放置；透镜5与样品3之间距离约等于透镜5的焦距，使通过透镜5的漫反射光变为准平行光或平行光。
光源10可采用氦氖激光器或半导体激光器等单色光源，带三维微调和准直机构。光束处理组件11由偏振片(器)，1/4波片和小孔光阑组成，用于改善单色光光斑及偏振状态，提高光束质量，并可调节出射光强度，以适应不同程度的粗糙面样品。
起偏器1和检偏器7采用人造二向色性偏振器或Glan-Thompson棱镜，两者分别装于步进电机转动轴上，转动轴是中空的，可让激光束通过。计算机通过步进电机的角度细分电路，驱动步进电机在0～360度范围内旋转或停止；1/4波片2可由云母或石英或液晶片制成，其快轴的方位角可人为调整和设定。所用透镜8为玻璃或纤维单透镜均可；光电探测器9把光信号转化成电信号，可采用光电倍增管(PMT)、光电二级管或光电池等光电转换器件。
另外，为了适应不同大小及形状的大起伏粗糙面样品的测量，样品旋转平台12的样品夹持装置有三维微调机构，以保证漫反射光按规定的入射角进入小孔光阑4。
本发明装置采用模块化设计理念，既可以组装成卧式结构形式(光入射面在水平面内)，也可组装成立式结构形式(光入射面在垂直平面内)，以方便不同的用途和使用场合。
本装置按如下方法安装：光源10、光束处理组件11、起偏器1和1/4波片2共轴安装，组成入射臂；透镜空间滤波组件13、检偏器7、聚光透镜8和光探测器9共轴安装，组成出射臂；入射臂和出射臂光轴相交于样品旋转平台12的转动轴，所组成的入射面与样品旋转平台12转动轴垂直；入射臂、出射臂和旋转平台可由计算机控制配合绕该转动轴旋转，以改变样品的入射角。当然，也可以手动调节。
若采用消光法，本装置的测量过程为：
(1)装上样品，调节并确定入射角；
(2)固定1/4波片2的快轴位于与入射面45度或135度方位角处；
(3)由计算机控制依次旋转起偏器和检偏器，寻找消光角(P1、A1)和(P2、A2)；
(4)依据相关公式，计算样品的椭偏参数(
、Δ)；
(5)根据样品的数学模型，反演非光滑面样品的光学参数。
若采用光度法，有多种测量方案，如转动检偏器方案、转动起偏器方案和转动1/4波片方案等，其中一种典型转动检偏器方案的测量过程为：
(1)装上样品，调节并确定入射角；
(2)起偏器1位于45度方位角不动；
(3)由计算机控制转动检偏器7得到光强与检偏器方位角在0～180度范围内的光强曲线；
(4)利用傅立叶变换等方法求得粗糙面样品的椭偏参数(
、Δ)；
(5)根据样品的数学模型，反演非光滑面样品的光学参数。
若引入复色或白光光源及单色仪替代激光器，本装置可设计成光谱椭偏仪，用于测量大起伏粗糙表面及其薄膜的椭偏光谱，研究和分析粗糙面的椭偏光谱特性。
Claims (8)
1.一种椭偏测量装置，包括入射臂、样品旋转平台(12)、出射臂，所述入射臂包括光源(10)、起偏器(1)、1/4波片(2)，所述出射臂包括检偏器(7)、光电探测器(9)，入射臂的光轴和出射臂的光轴相交于样品旋转平台(12)的转动轴，入射臂和出射臂所组成的入射面与样品旋转平台(12)的转动轴垂直；入射臂、出射臂和样品旋转平台(12)可绕该转动轴旋转，以改变在样品旋转平台(12)上的样品(3)的入射角；
其特征在于：所述出射臂还包括透镜空间滤波组件(13)，透镜空间滤波组件(13)在样品旋转平台(12)和检偏器(7)之间，经样品(3)反射的散射光由透镜空间滤波组件(13)选择出平行于出射臂的光轴的平行光，所述透镜空间滤波组件(13)包括小孔光阑(4)、透镜(5)和空间滤波器(6)，并依次按透镜(5)光轴共轴放置，小孔光阑(4)在靠近样品旋转平台(12)一侧，透镜(5)靠近光阑(4)放置，透镜(5)与样品(3)之间距离约等于透镜(5)的焦距，空间滤波器(6)位于透镜(5)后焦平面上。
2.根据权利要求1所述的椭偏测量装置，其特征在于：所述小孔光阑(4)为方形或圆形，大小可调整固定。
3.根据权利要求2所述的椭偏测量装置，其特征在于：所述透镜(5)为傅立叶变换单透镜。
4.根据权利要求3所述的椭偏测量装置，其特征在于：所述入射臂还包括光束处理组件(11)，光束处理组件(11)位于光源(10)与起偏器(1)之间，由偏振片或偏振器(111)、1/4波片(112)和小孔光阑(113)组成，偏振片或偏振器(111)靠近光源，1/4波片(112)在偏振片或偏振器(111)和小孔光阑(113)中间。
5.根据权利要求4所述的椭偏测量装置，其特征在于：所述光源(10)带三维微调和准直机构。
6.根据权利要求5所述的椭偏测量装置，其特征在于：所述样品旋转平台(12)带有样品夹持装置，样品夹持装置具有三维微调机构。
7.根据权利要求6所述的椭偏测量装置，其特征在于：所述出射臂的检偏器(7)和光电探测器(9)之间还放置了一个聚光透镜(8)。
8.根据权利要求7所述的椭偏测量装置，其特征在于还包括信号处理、控制及计算机系统(14)，该系统(14)与样品旋转平台(12)、起偏器(1)、检偏器(7)和光电探测器(9)相连接，可控制、采集起偏器(1)、检偏器(7)的角度值，可采集入射到光电探测器(9)的光强，可控制入射臂、出射臂和样品旋转平台(12)的旋转。
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