CN107144529A - 一种用于椭偏仪精确定位测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于椭偏仪精确定位测量的装置及方法。该装置包括定位片、样品台、自动二维移动平台、光强探测器、微型真空泵、显微镜成像系统、照明光源和计算机。利用定位片上的定位孔可清晰界定光斑轮廓，定位孔正下方的光强探测器嵌于样品台中央，随自动二维移动平台沿X轴和Y轴按一定步长精确移动，在使用显微成像系统观察、初步确定定位孔位置的基础上，利用光强探测器获得的光强值精确调整定位孔位置，使光斑和定位孔完全重合，再将显微成像系统的捕捉框移动到定位孔上，捕捉框就代表了光斑的精确位置，使捕捉框位于样品待测结构中，即可开始椭偏测量。本发明实现了针对具体结构的精密定位测量，操作方便，工作效率高。

Description

一种用于椭偏仪精确定位测量的装置及方法

技术领域

本发明涉及椭偏仪测试技术领域，尤其涉及一种用于椭偏仪精确定位测量的装置及方法。

背景技术

椭偏仪通过测量反射光p分量(振动方向在入射平面内)和s分量(振动方向垂直于入射平面)的振幅比和相位差，来获得膜层材料的相关性质，具体可测的参数包括膜层厚度、折射率、消光系数、介电常数、孔隙率和结晶度等。由于椭偏测量属非接触式测量，对样品无损伤，测量精度高以及可测多层薄膜等优势，被广泛应用于微纳结构器件制造、工艺在线控制、材料研究、生物医学检测等领域。

实际测量中的样品具有复杂多样性，并不只是单一的均匀膜层，而是各种结构的综合体，需测量只存在于某些特定结构中材料的性质。椭偏仪用来探测样品性质的“探针”是入射的偏振光束，其落在样品表面形成光斑，偏振光束在材料内部产生光学反应，出射的光信号进入探测系统进行分析运算，因此需要入射光斑位于这些特定结构中。尤其对于特征尺寸只有几十到几百微米的结构，微小的入射光束偏差也会引起很大的测量误差，甚至是分析结果的失效，因此需精确定位光斑位置。

现有的椭偏仪光斑定位主要依靠样品台上方的显微镜成像系统，定位时使用单面抛光的样品，首先执行样品装载程序，将其抛光面向上置于样品台上，光路对准，仪器自动调整入射端和探测端的位置，此时样品表面光斑无法依靠显微镜成像系统或肉眼观察到，然后翻转样品使其粗糙面向上，此时可观察到光斑，调整显微镜成像系统，使显微镜成像系统观测界面中的捕捉框位于光斑上，即捕捉框的位置替代了光斑的位置，之后测量某一待测结构时，使捕捉框落在这一结构中便可开始椭偏测量。但是这种定位方式存在以下问题：1.显微镜物镜和样品表面之间必须有较长的工作距离，以免影响测量时的偏振光路，这就导致在显微镜成像系统观测界面中无法清晰分辨光斑的轮廓，使捕捉框定位出现偏差，而光信号损耗或落在待测结构外的光信号经折射、反射等作用后被采集，均会造成测量误差甚至分析结果失效；2.要使捕捉框和光斑相对重合，需反复多次进行“样品装载—样品翻转—调整显微镜成像系统—样品再翻转”这一全手动操作过程，精度低，程序繁复，效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于椭偏仪精确定位测量的装置及方法，实现椭偏测量时对样品待测结构的精确定位，并提高工作效率。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于椭偏仪精确定位测量的装置，包括椭偏仪支承架、自动二维移动平台、样品台、定位片、显微镜成像系统、微型真空泵、计算机和光强探测器；自动二维移动平台位于椭偏仪支承架的底面上，样品台通过钢球支点、拉簧A、拉簧B、X轴调节旋钮、Y轴调节旋钮与自动二维移动平台相连；光强探测器嵌于样品台的正中央，光强探测器的上表面与样品台的上表面平齐，样品台的上表面、光强探测器的周围分布有真空吸附槽，真空吸附槽内设有吸附孔，吸附孔与气体导管的一端相连，气体导管固定于安装孔中，气体导管的另一端穿出走线孔与微型真空泵相连，气体导管上安装有管路阀门；样品台上开设有X轴方槽、Y轴方槽，X轴调节旋钮、Y轴调节旋钮分别安装在X轴方槽、Y轴方槽上，X轴方槽大于Y轴方槽，X轴调节旋钮和Y轴调节旋钮的长度值小于样品台的高度值；显微镜成像系统安装在椭偏仪支承架的上部，显微镜成像系统的端部安装有照明光源；计算机分别与自动二维移动平台、光强探测器电信号连接，光强探测器的导线通过走线孔走线；定位片置于样品台上，定位片的一面为镜面，另一面为漫反射面，定位片上开设有若干个定位孔。

优选的，定位片为无机非金属材料。

优选的，定位片的厚度值为200μm～500μm。

优选的，定位孔的面积、形状与测量时偏振光入射其表面形成的光斑的面积、形状相同。

优选的，定位孔为椭圆形通孔。

优选的，光强探测器位于任一定位孔正下方时，定位片均可被真空吸紧在样品台上。

一种用于椭偏仪精确定位测量的方法，包括以下步骤：

a.打开椭偏仪和测量软件，初始化椭偏仪，利用标准样品校准仪器；

b.在椭偏仪测量软件中执行样品装载程序装载定位片，使其镜面向上置于样品台中央，使光斑避开定位孔位于大面积镜面区域，打开微型真空泵和气体导管的管路阀门，使定位片吸附于样品台上，转动X轴调节旋钮和Y轴调节旋钮调整样品台的俯仰进行光路对准，椭偏仪自动调整入射端和探测端的位置，控制入射端和探测端与样品之间的光程始终不变，关闭管路阀门，取下定位片；

c.调节样品台上方的显微镜成像系统的位置，使光强探测器的中心标记点位于显微镜成像系统观测界面的坐标原点，将定位片的漫反射面向上置于样品台上，根据坐标原点调整定位片的位置，使所选用定位孔位于光强探测器正上方，打开管路阀门，使定位片吸附于样品台上，此时凭肉眼或显微镜成像系统均能观察到光斑；

d.微调自动二维移动平台，使光斑基本落入所选用的定位孔内，关闭照明光源，打开光强探测器，设定自动二维移动平台的X轴和Y轴运动步长，使其以目前位置为中心，在光斑的面积范围内移动，光斑的面积为沿X轴方向的长轴×沿Y轴方向的短轴，设定光强探测器记录光强的时间间隔，使其与自动二维移动平台的运动同步，每移动到一个新位置记录一次光强，找到最大光强值对应的点，使自动二维移动平台停留在此位置，打开照明光源，拖动显微镜成像系统观测界面中的捕捉框和定位孔重合，此时捕捉框的位置就代表了样品表面光斑的位置,关闭管路阀门，取下定位片，重复步骤c～d，直至确认捕捉框和光斑完全重合；

e.装载并调整待测样品位置，使捕捉框落在待测结构中，打开管路阀门，使样品吸附在样品台上，即可按照选定的入射角开始椭偏测量，测量完毕后关闭管路阀门取下样品，如需以多个入射角测量，则每换一个角度重复步骤b～e，直至全部测完。

本发明利用定位片上的定位孔清晰界定光斑轮廓，定位孔正下方的光强探测器嵌于样品台中央，随自动二维移动平台沿X轴和Y轴按一定步长精确移动，在使用显微成像系统观察、初步确定定位孔位置的基础上，利用光强探测器获得的光强值精确调整定位孔的位置，使光斑和定位孔完全重合，再将显微成像系统的捕捉框移动到定位孔上，这样捕捉框就代表了光斑在样品表面的精确位置，使待测结构位于捕捉框中，即可实现针对具体结构的精密定位测量。自动二维移动平台带动样品台精确移动，提高了移动精度，代替了部分手动操作，简化了操作过程，提升了工作效率。该装置操作方便，结构设计精巧，具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是定位片及以下部分的全剖视图，未包含气体导管及导线；

图3是图2中自动二维移动平台和样品台连接处的H—H剖视图；

图4是样品台的俯视图；

图5是SiNx薄膜的折射率n和消光系数k随波长变化图。

其中：1、椭偏仪支承架，2、自动二维移动平台，3、X轴调节旋钮，4、拉簧A，5、钢球支点，6、Y轴调节旋钮，7、拉簧B，8、样品台，9、定位片，10、定位孔，11、Y轴方槽，12、入射端，13、接收镜，14、探测端，15、聚焦镜，16、显微镜成像系统，17、照明光源，18、气体导管，19、管路阀门，20、微型真空泵，21、计算机，22、光强探测器，23、真空吸附槽，24、吸附孔，25、安装孔，26、走线孔，27、X轴方槽。

具体实施方式

如图1-图4所示，一种用于椭偏仪精确定位测量的装置，包括椭偏仪支承架1、自动二维移动平台2、样品台8、定位片9、显微镜成像系统16、微型真空泵20、计算机21和光强探测器22；自动二维移动平台2位于椭偏仪支承架1的底面上，样品台8通过钢球支点5、拉簧A4、拉簧B7、X轴调节旋钮3、Y轴调节旋钮6与自动二维移动平台2相连；光强探测器22嵌于样品台8的正中央，光强探测器22的上表面与样品台8的上表面平齐，样品台8的上表面、光强探测器22的周围分布有真空吸附槽23，真空吸附槽23内设有吸附孔24，吸附孔24与气体导管18的一端相连，气体导管18固定于安装孔25中，气体导管18的另一端穿出走线孔26与微型真空泵20相连，气体导管18上安装有管路阀门19；样品台8上开设有X轴方槽27、Y轴方槽11，X轴调节旋钮3、Y轴调节旋钮6分别安装在X轴方槽27、Y轴方槽11上，X轴方槽27大于Y轴方槽11，以方便样品装夹，X轴调节旋钮3和Y轴调节旋钮6的长度值小于样品台8的高度值，避免影响样品放置；显微镜成像系统16安装在椭偏仪支承架1的上部，显微镜成像系统16的端部安装有照明光源17；计算机21分别与自动二维移动平台2、光强探测器22电信号连接，光强探测器22的导线通过走线孔26走线；定位片9为无机非金属材料，定位孔10的面积、形状与测量时偏振光入射其表面形成的光斑的面积、形状相同，定位孔10可以为椭圆形通孔；定位片9的一面为镜面，另一面为漫反射面，厚度均匀，厚度值为200μm～500μm；定位片9可利用MEMS(微机电系统)制造加工的标准工艺(如：氧化、光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀等)制得；定位片9上开设有若干个定位孔10，定位孔10的数量由所选入射角的数量决定，不局限于1个或2个；定位片9置于样品台8上，相对于样品台8，光强探测器22、真空吸附槽23、吸附孔24、定位片9上定位孔10的位置分布需相互配合，当光强探测器22位于任一定位孔10正下方时，定位片9均可被真空吸紧在样品台8上。

如图1-图4所示，一种用于椭偏仪精确定位测量的方法，包括以下步骤：

a.打开椭偏仪和测量软件，初始化椭偏仪，利用标准样品校准仪器；

b.在椭偏仪测量软件中执行样品装载程序装载定位片9，使其镜面向上置于样品台8中央，使光斑避开定位孔10位于大面积镜面区域，打开微型真空泵20和气体导管18的管路阀门19，使定位片9吸附于样品台8上，转动X轴调节旋钮3和Y轴调节旋钮6调整样品台8的俯仰进行光路对准，椭偏仪自动调整入射端12和探测端14的位置，控制入射端12和探测端14与样品之间的光程始终不变(若使用聚焦微光斑，则此时在入射端12和探测端14分别安装聚焦镜15和接收镜13，并进行聚焦光路校准)，关闭管路阀门19，取下定位片9；

c.调节样品台8上方的显微镜成像系统16的位置，使光强探测器22的中心标记点位于显微镜成像系统16观测界面的坐标原点，将定位片9的漫反射面向上置于样品台8上，根据坐标原点调整定位片9的位置，使所选用定位孔10位于光强探测器22正上方，打开管路阀门19，使定位片9吸附于样品台8上，此时凭肉眼或显微镜成像系统16均能观察到光斑；

d.微调自动二维移动平台2，使光斑基本落入所选用的定位孔10内，关闭照明光源17，打开光强探测器22，设定自动二维移动平台2的X轴和Y轴运动步长，使其以目前位置为中心，在面积为光斑“长轴(沿X轴方向)×短轴(沿Y轴方向)”的范围内移动，设定光强探测器22记录光强的时间间隔，使其与自动二维移动平台2的运动同步，每移动到一个新位置记录一次光强，找到最大光强值对应的点，使自动二维移动平台2停留在此位置，打开照明光源17，拖动显微镜成像系统16观测界面中的捕捉框和定位孔10重合，此时捕捉框的位置就代表了样品表面光斑的位置,关闭管路阀门19，取下定位片9，重复步骤c～d，直至确认捕捉框和光斑完全重合；

e.装载并调整待测样品位置，使捕捉框落在待测结构中，打开管路阀门19，使样品吸附在样品台8上，即可按照选定的入射角开始椭偏测量，测量完毕后关闭管路阀门19取下样品，如需以多个入射角测量，则每换一个角度重复步骤b～e，直至全部测完。

实施例：测量硅片表面900μm×600μm长方形窗口内SiNx薄膜的折射率和消光系数。制作带有双孔的定位片，定位片材料为硅，两个定位孔均为椭圆形通孔，尺寸分别为877μm×300μm、709μm×300μm，对应70°和65°入射角，定位片粗糙面的Ra为0.533μm。按照本发明所述的方法进行椭偏仪精确定位测量，测量得到的SiNx薄膜折射率n和消光系数k随波长变化图如附图5所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于椭偏仪精确定位测量的装置，其特征在于，包括椭偏仪支承架(1)、自动二维移动平台(2)、样品台(8)、定位片(9)、显微镜成像系统(16)、微型真空泵(20)、计算机(21)和光强探测器(22)；自动二维移动平台(2)位于椭偏仪支承架(1)的底面上，样品台(8)通过钢球支点(5)、拉簧A(4)、拉簧B(7)、X轴调节旋钮(3)、Y轴调节旋钮(6)与自动二维移动平台(2)相连；光强探测器(22)嵌于样品台(8)的正中央，光强探测器(22)的上表面与样品台(8)的上表面平齐，样品台(8)的上表面、光强探测器(22)的周围分布有真空吸附槽(23)，真空吸附槽(23)内设有吸附孔(24)，吸附孔(24)与气体导管(18)的一端相连，气体导管(18)固定于安装孔(25)中，气体导管(18)的另一端穿出走线孔(26)与微型真空泵(20)相连，气体导管(18)上安装有管路阀门(19)；样品台(8)上开设有X轴方槽(27)、Y轴方槽(11)，X轴调节旋钮(3)、Y轴调节旋钮(6)分别安装在X轴方槽(27)、Y轴方槽(11)上，X轴方槽(27)大于Y轴方槽(11)，X轴调节旋钮(3)和Y轴调节旋钮(6)的长度值小于样品台(8)的高度值；显微镜成像系统(16)安装在椭偏仪支承架(1)的上部，显微镜成像系统(16)的端部安装有照明光源(17)；计算机(21)分别与自动二维移动平台(2)、光强探测器(22)电信号连接，光强探测器(22)的导线通过走线孔(26)走线；定位片(9)置于样品台(8)上，定位片(9)的一面为镜面，另一面为漫反射面，定位片(9)上开设有若干个定位孔(10)。

2.根据权利要求1所述的一种用于椭偏仪精确定位测量的装置，其特征在于，所述的定位片(9)为无机非金属材料。

3.根据权利要求1所述的一种用于椭偏仪精确定位测量的装置，其特征在于，所述定位片(9)的厚度值为200μm～500μm。

4.根据权利要求1所述的一种用于椭偏仪精确定位测量的装置，其特征在于，所述定位孔(10)的面积、形状与测量时偏振光入射其表面形成的光斑的面积、形状相同。

5.根据权利要求4所述的一种用于椭偏仪精确定位测量的装置，其特征在于，所述的定位孔(10)为椭圆形通孔。

6.根据权利要求1所述的一种用于椭偏仪精确定位测量的装置，其特征在于，所述的光强探测器(22)位于任一定位孔(10)正下方时，定位片(9)均可被真空吸紧在样品台(8)上。

7.一种使用权利要求1所述的用于椭偏仪精确定位测量的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.打开椭偏仪和测量软件，初始化椭偏仪，利用标准样品校准仪器；

b.在椭偏仪测量软件中执行样品装载程序装载定位片(9)，使其镜面向上置于样品台(8)中央，使光斑避开定位孔(10)位于大面积镜面区域，打开微型真空泵(20)和气体导管(18)的管路阀门(19)，使定位片(9)吸附于样品台(8)上，转动X轴调节旋钮(3)和Y轴调节旋钮(6)调整样品台(8)的俯仰进行光路对准，椭偏仪自动调整入射端(12)和探测端(14)的位置，控制入射端(12)和探测端(14)与样品之间的光程始终不变，关闭管路阀门(19)，取下定位片(9)；

c.调节样品台(8)上方的显微镜成像系统(16)的位置，使光强探测器(22)的中心标记点位于显微镜成像系统(16)观测界面的坐标原点，将定位片(9)的漫反射面向上置于样品台(8)上，根据坐标原点调整定位片(9)的位置，使所选用定位孔(10)位于光强探测器(22)正上方，打开管路阀门(19)，使定位片(9)吸附于样品台(8)上，此时凭肉眼或显微镜成像系统(16)均能观察到光斑；

d.微调自动二维移动平台(2)，使光斑基本落入所选用的定位孔(10)内，关闭照明光源(17)，打开光强探测器(22)，设定自动二维移动平台(2)的X轴和Y轴运动步长，使其以目前位置为中心，在光斑的面积范围内移动，光斑的面积为沿X轴方向的长轴×沿Y轴方向的短轴，设定光强探测器(22)记录光强的时间间隔，使其与自动二维移动平台(2)的运动同步，每移动到一个新位置记录一次光强，找到最大光强值对应的点，使自动二维移动平台(2)停留在此位置，打开照明光源(17)，拖动显微镜成像系统(16)观测界面中的捕捉框和定位孔(10)重合，此时捕捉框的位置就代表了样品表面光斑的位置,关闭管路阀门(19)，取下定位片(9)，重复步骤c～d，直至确认捕捉框和光斑完全重合；

e.装载并调整待测样品位置，使捕捉框落在待测结构中，打开管路阀门(19)，使样品吸附在样品台(8)上，即可按照选定的入射角开始椭偏测量，测量完毕后关闭管路阀门(19)取下样品，如需以多个入射角测量，则每换一个角度重复步骤b～e，直至全部测完。