CN101093176A - 消光/光度兼容式自动椭偏仪和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消光/光度兼容式自动椭偏仪和测量方法。椭偏仪的结构是：一单色光源，在该光源发出光的前进方向上依次放置起偏器、补偿器、光阑、样品台、光阑、检偏器和光电探测器。其中起偏器和检偏器可由步进电机带动旋转，步进电机的旋转状态经步进电机驱动器受电子计算机的控制。光电探测器探测的光强信号经数据采集卡传至电子计算机进行数据处理，实现对样品待求参数的定量测量。该仪器消光和光度模式的转换由计算机程序控制，实现自动化，操作简便。该仪器工作在光度模式下测量数据具有自洽性，且能消除椭圆旋向的不确定性。

Description

消光/光度兼容式自动椭偏仪和测量方法

技术领域

本发明属于光学电子器件领域，具体涉及一种消光/光度兼容式自动椭偏仪和测量方法。

背景技术

椭偏仪是一种测量样品物理常数的精密光学仪器。它通过测量被测样品反射(或透射)光线的偏振状态的变化情况来研究样品的特性，特别适用于测量薄膜的厚度、折射率和消光系数。

椭偏仪根据操作方式分为消光式和光度式。消光式椭偏仪测量精度较高，缺点是测量速度较慢；光度式椭偏仪大都采用旋转检偏器PSA结构，测量速度快，缺点是测量精度较低，一次测量不能确定椭偏旋向。两种类型椭偏仪适用于不同工作场合。

国外曾报道一种消光/光度兼容式椭偏仪，该椭偏仪采用PCSA(起偏器-补偿器-待测样品-检偏器)结构，并在起偏器后和检偏器前各加一个由交流电驱动的法拉第调制器，手动旋转起偏器和检偏器可以实现消光式测量，法拉第调制器可以提高方位角测量精度。取出法拉第调制器，并用伺服电机带动检偏器旋转，可以实现光度式测量(参见在先技术[1]，“Characterization of growing thin films by in situ ellipsometry，spectral reflectance and transmittance measurements，and ion-scattering spectroscopy，Review of Scientific Instruments，Volume 56，Issue 11，Page 1995(November 1985)”)。该兼容式椭偏仪的缺点是在转换工作模式时需调整硬件结构，不利于仪器的集成化，在消光测量方式下没有实现自动化。国内吴启宏提出另一种类型的消光/光度兼容式椭偏仪，结构为PCSA式，在消光模式下，补偿器(λ/4片)定位于±45°，手动调节起偏器和检偏器使之达到消光位置。由伺服电机带动补偿器旋转，可以实现光度式测量(参见在先技术[2]，中国专利，公开号：CN87104793)。该兼容式椭偏仪通过旋转补偿器解决了椭圆旋向不确定性，在转换工作模式时不需要调节硬件结构，但在消光模式下没有实现自动化。

发明内容

本发明的目的是克服上述在先技术中的不足之处，提出一种操作简便的消光/光度兼容式自动椭偏仪和测量方法。

一种消光/光度兼容式自动椭偏仪，包括一个光源发射探测光束依次经一个起偏器、一个补偿器和一个光阑到安置于一个样品台上的一个样品，所述的样品表面发射的光束依次经另一个光阑和一个检偏器到一个探测器，所述的探测器的输出经一个数据采集卡输入至一个计算机，其特征在于：所述的计算机处理由所述的数据采集卡采集的数据，亦输出二路控制信号至两个步进电机驱动器，两个步进电机驱动器分别与两个步进电机相连，两个步进电机分别连接所述的起偏器和检偏器，实现分别控制它们旋转、停止、复位和定位至设定角度。

所述的光源为He-Ne激光器。

所述的起偏器为二向色性起偏器，或双折射起偏器，或反射起偏器等可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件。

所述的检偏器为二向色性起偏器，或双折射起偏器，或反射起偏器，能将任意光波变换成线偏振光。

所述的补偿器为云母1/4波片，或石英1/4波片，能使光波的两个垂直分量产生90°位相延迟。

所述的样品台为三维可调样品台。

所述的样品为一反射式平面样品，为薄膜样品或块状材料。

所述的样品为半导体，或导体，或电介质类型材料。

所述的光电探测器为光电二极管，或光电倍增管。

所述的两个步进电机为永磁式，或反应式，或混合式步进电机。

所述的两个步进电机驱动器为步进电机对应的有细分功能的驱动器。

一种消光式自动椭偏测量方法，采用上述的消化/光度兼容式自动椭偏仪进行测量，其特征在于测量的操作步骤如下：①初始状态起偏器和检偏器的透光轴与样品表面平行；②步进电机经步进电机驱动器细分后带动起偏器旋转，由探测到的光强信号的最小值得到起偏角P；⑧由计算机控制步进电机驱动器使步进电机带动起偏器的透光轴定位至起偏角P；④然后由步进电机经步进电机驱动器细分后带动检偏器旋转，由探测到的光强信号的最小值得到检偏角A；⑤由P和A计算得出此角度下的椭偏参数Ψ、Δ；⑥由椭偏参数通过数值反演程序得出薄膜样品的待求参数，例如膜层厚度，折射率和消光系数等。

一种光度式自动椭偏测量方法，采用上述消光/光度兼容式自动椭偏仪进行测量，其特征在于测量的操作步骤如下：①初始状态起偏器和检偏器的透光轴与样品表面平行；②步进电机经步进电机驱动器细分后带动起偏器旋转，步进电机经步进电机驱动器细分后带动检偏器旋转；③由计算机控制步进电机的同步性，步进电机的旋转速率比为1∶2；④由计算机对采集的光强信号进行傅立叶分析，由傅立叶系数得出椭偏参数Ψ、Δ；⑤由椭偏参数通过数值反演程序得出薄膜样品的待求参数，例如膜层厚度，折射率和消光系数等。

本发明与现有技术相比较，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、本发明与在先技术[1]相比，消光和光度工作模式的转换不需调节硬件结构，操作简便，在光度模式下测量，消除了椭圆旋向的不确定性。

2、本发明与在先技术[2]相比，在光度模式下的测量数据具有自洽性，提高了测量精度。

3、本发明与在先技术[1]和[2]相比，在消光模式下实现了测量自动化，提高了测量速度。

附图说明

图1是本发明的消光/光度兼容式自动椭偏仪的结构框图。

具体实施方式

下面通过实施例及其附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，图1为本消光/光度兼容式自动椭偏仪的结构框图。由图可见，本消光/光度兼容式自动椭偏仪的结构是：一单色光源1，在该光源1发出光的前进方向上依次放置起偏器2、补偿器5、光阑6、样品台8、光阑9、检偏器10和光电探测器13。其中起偏器2和检偏器10可由步进电机3、11带动旋转，步进电机3、11的旋转状态经步进电机驱动器4、12受电子计算机15的控制。光电探测器13探测的光强信号经数据采集卡14传至电子计算机15进行数据处理。

本实施例所述的光源1为He-Ne激光器，波长为632.8nm。

本实施例所述的起偏器2为双折射起偏器Glan-Thompson棱镜，该起偏器2与步进电机3的旋转轴通过连接器固定在一起，步进电机3的旋转轴被制成中空。该起偏器2的透光轴初始位置与样品7表面平行，旋转方向为逆时针(面对探测光束)。

本实施例所述的补偿器5为石英1/4波片，该波片5快轴被固定在与样品7表面成+45°位置。

本实施例所述的检偏器10为双折射起偏器Glan-Thompson棱镜，该检偏器10与步进电机11的旋转轴通过连接器固定在一起，步进电机11的旋转轴被制成中空。该检偏器10的透光轴初始位置与样品7表面平行，旋转方向为逆时针(面对反射光束)。

本实施例所用步进电机3、11为混合式步进电机，步进角为1.5°。

本实施例所用光电探测器13为光电二极管。

本实施例的入射角固定为60°。

本实施例在消光模式下，工作过程如下：

由光源1发出的探测光束经过起偏器2、补偿器5和光阑6到达样品7表面，样品7的反射光束经光阑9和检偏器10到光电探测器13，由光电探测器13探测的光强信号经数据采集卡14传至计算机15。其操作步骤如下：①初始状态起偏器2和检偏器10的透光轴与样品表面平行；②步进电机3经步进电机驱动器4细分后以步进角0.15°带动起偏器2旋转，由探测到的光强信号的最小值得到起偏角P；⑧由计算机15控制步进电机驱动器4使步进电机3带动起偏器2的透光轴定位至起偏角P；④然后由步进电机11经步进电机驱动器12细分后以步进角0.15°带动检偏器10旋转，由探测到的光强信号的最小值得到检偏角A；⑤由P和A计算得出此角度下的椭偏参数Ψ、Δ；⑥由椭偏参数通过数值反演程序得出薄膜样品的待求参数，例如膜层厚度，折射率和消光系数等。

在消光模式下，本实施例的所有操作都是在计算机程序的控制下完成的，实现的自动化，相对于手动消光椭偏仪，提高了测量的速度和精度。

本实施例在光度模式下，工作过程如下：

由光源1发出的探测光束经过起偏器2、补偿器5和光阑6到达样品7表面，样品7的反射光束经光阑9和检偏器10到光电探测器13，由光电探测器13探测的光强信号经数据采集卡14传至计算机15。其操作步骤如下：①初始状态起偏器2和检偏器10的透光轴与样品表面平行；②步进电机3经步进电机驱动器4细分后以步进角0.15°带动起偏器2旋转，步进电机11经步进电机驱动器12细分后以步进角0.3°带动检偏器10旋转；⑧由计算机15控制步进电机3，11的同步性；④由计算机15对采集的光强信号进行傅立叶分析，由傅立叶系数得出椭偏参数Ψ、Δ；⑤由椭偏参数通过数值反演程序得出薄膜样品的待求参数，例如膜层厚度，折射率和消光系数等。

本实施例在光度模式下，入射到起偏器2的光为E，检偏器10的出射光为E’，理想情况下有如下关系式：

$E^{\′}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos A& \sin A\\ -\sin A& \cos A\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{\tilde{r}}_p& 0\\ 0& {\tilde{r}}_s\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\π}}{4}& -\sin \frac{\mathrm{\π}}{4}\\ \sin \frac{\mathrm{\π}}{4}& \cos \frac{\mathrm{\π}}{4}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& -i\end{array}\right)---\left(1\right)$

$\left(\begin{array}{cc}\cos (P-\frac{\mathrm{\π}}{4})& -\sin (P-\frac{\mathrm{\π}}{4})\\ \sin (P-\frac{\mathrm{\π}}{4})& \cos (P-\frac{\mathrm{\π}}{4})\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)E$

式中A为检偏器10的方位角，P为起偏器2的方位角，

分别为平行与垂直入射面的测量光束分量的复反射系数。

光电探测器13探测到的光强为：

I＝μ[(tanΨ²+1)+tanΨcosΔcos2ωt+tanΨsinΔsin2ωt+(tanΨ²+1)cos4ωt (2)-tanΨ cosΔcos6ωt+tanΨ sinΔsin 6ωt]

其中μ为系统常数， $\tan \mathrm{\Ψexp\Δ}=\frac{{\tilde{r}}_p}{{\tilde{r}}_s},$

对光电探测器13探测的光强进行傅立叶分析，可以得到：

I＝k₀+k₁cos2ωt+k₂sin2ωt+k₃cos4ωt+k₄cos6ωt+k₅sin6ωt  (3)其中k_i(i＝0，1，2，3，4，5)为傅立叶系数。

比较以上两式，有：

k₀＝μ′(tanΨ²+1)

k₁＝μ′(tanΨ cosΔ)

k₂＝μ′(tanΨ sinΔ)    (4)

k₃＝μ′(tanΨ²-1)

k₄＝-μ′(tanΨcosΔ)

k₅＝μ′(tanΨsinΔ)

从而可以得到：

k₂＝k₅

k₄＝-k₁

$\mathrm{\Δ}=\arctan \frac{k_2}{k_1}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Ψ}=\arctan \sqrt{\left(\frac{k_0+k_3}{k_0-k_3}\right)}$

从上述计算中可以看到，由傅立叶系数得出的椭偏参数Ψ、Δ具有自洽性，且能够唯一地确定Δ的正负号，消除了椭圆旋向的不确定性。

Claims (13)

1.一种消光/光度兼容式自动椭偏仪，包括一个光源(1)发射探测光束依次经一个起偏器(2)、一个补偿器(5)和一个光阑(6)到安置于一个样品台(8)上的一个样品(7)，所述的样品(7)表面发射的光束依次经另一个光阑(9)和一个检偏器(10)到一个探测器(13)，所述的探测器(13)的输出经一个数据采集卡(14)输入至一个计算机(15)，其特征在于：所述的计算机(15)处理由所述的数据采集卡(14)采集的数据，亦输出二路控制信号至两个步进电机驱动器(4、2)，两个步进电机驱动器分别与两个步进电机(3、11)相连，两个步进电机(3、11)分别连接所述的起偏器(2)和检偏器(11)，实现分别控制它们旋转、停止、复位和定位至设定角度。

2.根据权利要求1所述的消光/光度兼容式自动椭偏仪，其特征在于所述的光源(1)为He-Ne激光器。

3.根据权利要求1所述的消光/光度兼容式自动椭偏仪，其特征在于所述的起偏器(2)为二向色性起偏器，或双折射起偏器，或反射起偏器，能将任意光波变换成线偏振光。

4.根据权利要求1所述的消光/光度兼容式自动椭偏仪，其特征在于所述的检偏器(10)为二向色性起偏器，或双折射起偏器，或反射起偏器，能将任意光波变换成线偏振光。

5.根据权利要求1所述的消光/光度兼容式自动椭偏仪，其特征在于所述的补偿器(5)为云母1/4波片，或石英1/4波片，能使光波的两个垂直分量产生90°位相延迟。

6.根据权利要求1所述的消光/光度兼容式自动椭偏仪，其特征在于所述的样品台(8)为三维可调样品台。

7.根据权利要求1所述的消光/光度兼容式自动椭偏仪，其特征在于所述的样品(7)为一反射式平面样品，为薄膜样品或块状材料。

8.根据权利要求1所述的消光/光度兼容式自动椭偏仪，其特征在于所述的样品(7)为半导体，或导体，或电介质类型材料。

9.根据权利要求1所述的消光/光度兼容式自动椭偏仪，其特征在于所述的光电探测器(13)为光电二极管，或光电倍增管。

10.根据权利要求1所述的消光/光度兼容式自动椭偏仪，其特征在于所述的两个步进电机(3、11)为永磁式，或反应式，或混合式步进电机。

11.根据权利要求1所述的消光/光度兼容式自动椭偏仪，其特征在于所述的两个步进电机驱动器(4、12)为步进电机(3、11)对应的有细分功能的驱动器。

12.一种消光式自动椭偏测量方法，采用根据权利要求1所述的消化/光度兼容式自动椭偏仪进行测量，其特征在于测量的操作步骤如下：①初始状态起偏器(2)和检偏器(10)的透光轴与样品表面平行；②步进电机(3)经步进电机驱动器(4)细分后带动起偏器(2)旋转，由探测到的光强信号的最小值得到起偏角P；③由计算机(15)控制步进电机驱动器(4)使步进电机(3)带动起偏器(2)的透光轴定位至起偏角P；④然后由步进电机(11)经步进电机驱动器(12)细分后带动检偏器(10)旋转，由探测到的光强信号的最小值得到检偏角A；⑤由P和A计算得出此角度下的椭偏参数Ψ、Δ；⑥由椭偏参数通过数值反演程序得出薄膜样品的待求参数，例如膜层厚度，折射率和消光系数等。

13.一种光度式自动椭偏测量方法，采用根据权利要求1所述消光/光度兼容式自动椭偏仪进行测量，其特征在于测量的操作步骤如下：①初始状态起偏器(2)和检偏器(10)的透光轴与样品表面平行；②步进电机(3)经步进电机驱动器(4)细分后带动起偏器(2)旋转，步进电机(11)经步进电机驱动器(12)细分后带动检偏器(10)旋转；③由计算机(15)控制步进电机(3、11)的同步性，步进电机(3、11)的旋转速率比为1∶2；④由计算机(15)对采集的光强信号进行傅立叶分析，由傅立叶系数得出椭偏参数Ψ、Δ；⑤由椭偏参数通过数值反演程序得出薄膜样品的待求参数，例如膜层厚度，折射率和消光系数等。