CN111220543A - 一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，包括：步骤1、时钟电路同时输出驱动脉冲以及触发脉冲，驱动脉冲用于驱动电机，触发脉冲用于触发光谱仪，触发脉冲的周期与电机的转动周期相同；步骤2、采集校准时刻编码器输出脉冲与触发脉冲的时间偏差，获取校准时刻相位补偿器的初始方位角；步骤3、采集重启后编码器输出脉冲与触发脉冲的时间偏差，计算出重启后补偿器的初始方位角和校准时刻补偿器的初始方位角之间的偏差；步骤4、将重启后补偿器的初始方位角和校准时刻补偿器的初始方位角之间的偏差补偿到校准时刻补偿器的初始方位角中，即得到重启后补偿器的初始方位角。本发明提高了测量精度，降低了硬件要求，节约了设备成本。

Description

一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法

技术领域

本发明涉及检测与测量领域，具体涉及一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法。

背景技术

光谱椭偏仪是一种光学薄膜检测设备，其利用样件介质表面对偏振光的偏振态改变，进行模型分析，得出样件薄膜厚度，消光系数，折射率等物理信息。光谱椭偏仪相对于传统电镜(SEM)，聚焦离子束(F IB)等测量手段，有着非接触，不破坏，集成可能性高，测试简单等多种优势。成为了半导体等行业薄膜在线检测的重要手段。

光谱型椭偏仪，目前分为单旋转调制型和双旋转调制补偿型。单旋转型大致系统主要分为起偏臂和检偏臂。

起偏臂为偏振光(圆偏振光)发出机构，内部主要光学元件有光源，光阑，准直透镜，偏振片，波片(旋转型相位补偿器)等。其中，波片通过夹具装夹在中空轴电机上，随电机按某一周期旋转。准直后的光束经过偏振片后，变成线偏振光(某一方向上的偏振光)，线偏振光经过旋转的波片后，偏振方向发生周期改变，偏振方向呈圆周方向周期变化，称为圆偏振光。

圆偏光经过被测样件反射(透射)后，样件对不同波长，不同偏振方向的偏振光作用不同，导致反射(透射)出来的光在某些方向上的振幅比和相位发生改变，最终呈现偏振方向沿椭圆周期变化，称为椭圆偏振光。

经样件反射回来的椭圆偏振光进入检偏臂后，经过偏振片，变为周期变化的线偏振光，然后进入到光谱仪中进行测量分析。

光谱型椭偏仪根据其系统原理，需要对偏振光进行系统调制，目前主要的手段为，利用中空轴电机来带动波片旋转，进而对偏振光进行某一周期的循环调制(波片是一种能根据旋光角来改变偏振光相位延迟量的光学镜片)。在每个转动周期内，电机旋转至某一固定位置时，由编码器给出一电平脉冲。目前常用的电机为高反馈精度中空轴伺服电机，该电机在转动平稳性，编码器输出脉冲延迟上都有着较好的性能，但价格昂贵。

常规转子电动机(伺服和步进电动机)成本较低，但是由于常规转子电动机为定子转子通过齿槽相互吸引驱动，所以该电机转动平稳性也不能达到理想平稳效果。同理，编码器光电元件也有其性能差异与波动，所以，脉冲延迟也无法做到完美。这两者引入的波动，将对整个系统的测量重复性造成较大的影响。考虑到设备成本，需研究一种使用常规转子电动机带动波片旋转且测量精度较高的控制方法。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，解决了使用常规转子电动机运行不平稳以及编码器性能波动引起的测量精度问题，降低了椭偏仪系统对硬件的要求，节约了设备成本。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，所述椭偏仪包括光源、起偏器、相位补偿器、检偏器、光谱仪，所述光源依次穿过所述起偏器、所述相位补偿器，经待测物反射/透射后依次进入所述检偏器、所述光谱仪，所述相位补偿器设置在中空轴电机上，所述电机驱动所述相位补偿器旋转，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、时钟电路同时输出驱动脉冲以及触发脉冲，所述驱动脉冲用于驱动所述电机，所述触发脉冲用于触发所述光谱仪，所述触发脉冲的周期与所述电机的转动周期T相同；

步骤2、对所述椭偏仪进行校准，采集校准时刻所述电机的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t1，并获取校准时刻所述相位补偿器的初始方位角Cs1；

在实际应用中，电机在初始驱动过程中会出现丢步的情况，而每次上电丢步的情况都是随机的，所以电机在给出触发脉冲时候的相对位置在每次上电后不能一致，而重启后电机的编码器输出脉冲与触发脉冲之间的时间偏差t2与校准时刻电机的编码器输出脉冲与触发脉冲的时间偏差t1之间的差值与重启后补偿器的初始方位角Cs2和校准时刻补偿器的初始方位角Cs1之间具有一定的关系，因此需要通过采集重启后电机编码器的输出脉冲与触发脉冲之间的时间偏差t2来补偿重启后补偿器的初始方位角Cs2和校准时刻补偿器的初始方位角Cs1之间的差异。

步骤3、对所述椭偏仪进行重启，采集重启后所述电机的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t2，通过重启后所述电机的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t2、校准时刻所述电机的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t1、所述电机转动周期T计算出重启后补偿器的初始方位角Cs2和校准时刻补偿器的初始方位角Cs1之间的偏差Δα；

步骤4、将重启后补偿器的初始方位角Cs2和校准时刻补偿器的初始方位角Cs1之间的偏差Δα补偿到校准时刻补偿器的初始方位角Cs1中，即得到重启后补偿器的初始方位角Cs2。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1还包括：采集所述电机的角速度ω。

进一步，所述步骤4还包括：通过所述电机的角速度ω以及重启后补偿器的初始方位角Cs2计算出不同时刻t的所述相位补偿器方位角C。

进一步，所述步骤2还包括，获取系统参数：所述起偏器的初始方位角P、所述检偏器的初始方位角A、所述相位补偿器的相位延迟量δ。

进一步，所述步骤3中，通过以下公式计算：

进一步，所述步骤4中，通过以下公式计算：

C_S2＝C_S1+Δα (2)。

进一步，所述步骤4还包括通过以下公式计算出不同时刻t的所述相位补偿器方位角C：

C＝ωt-C_s2 (3)。

本发明的有益效果是：本发明的一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方案，利用了单片机PWM波对光源调制器进行精确控制，时钟电路的计时器在给电机驱动脉冲的同时同步给出光谱仪触发脉冲，并对触发脉冲与电机编码器输出脉冲时间差进行计算，最终将该时间差通过运算补偿进椭偏仪系统计算中。由于单片机时钟系统精度高，计时结果通过多次平均后，时间偏差能做到微秒级别的误差，该精度保证了时间差代入椭偏系统运算时候的精度。采用本控制方法进行补偿后，椭偏仪在进行第一次校准后，后续再断电重启后均会对测试结果进行自动补偿，不再需要校准即可达到较高的测试精度。实验证明，该方案不再需要传统椭偏仪对硬件的高要求，降低了硬件成本，同时提升了设备重复测量的精度，极大提升了常规椭圆偏振仪在测量领域的性能。

附图说明

图1为本发明单旋转补偿器光谱椭偏仪控制流程图；

图2为本发明椭偏仪调制电机控制和触发脉冲序列；

图3为本发明实施例单旋转补偿器型光谱椭偏仪光学系统示意图；

图4为300组旋转补偿电机编码器Z相脉冲周期实测值；

图5为300组系统控制板使用计时器输出脉冲周期实测值；

图6为由电机编码器输出脉冲触发光谱仪测得的仪器重复性精度；

图7为系统控制板使用计时器输出脉冲触发测得的仪器重复性精度；

图8为本发明实例首次校准得到的补偿器初始方位角参数值；

图9为本发明实例断电重启后计算得到的补偿器初始方位角参数值和重新校准得到的初始方位角参数值对比图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、光源，2、准直透镜，3、起偏器，4、电机，5、相位补偿器，6、样件，7、检偏器，8、汇聚透镜，9、光谱仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，所述椭偏仪包括光源1、起偏器3、相位补偿器5、检偏器7、光谱仪9，所述光源1依次穿过所述起偏器3、所述相位补偿器5，经待测物反射/透射后依次进入所述检偏器7、所述光谱仪9，所述相位补偿器5设置在中空轴电机4上，所述电机4驱动所述相位补偿器5旋转，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、控制器的时钟电路同时输出驱动脉冲以及触发脉冲，所述驱动脉冲用于驱动所述电机4，所述触发脉冲用于触发所述光谱仪9，所述触发脉冲的周期与所述电机4的转动周期T相同，采集所述电机4的角速度ω；

步骤2、对所述椭偏仪进行校准，采集校准时刻所述电机4的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t1，并获取校准时刻所述相位补偿器5的初始方位角Cs1；还包括获取以下系统参数：所述起偏器3的初始方位角P、所述检偏器7的初始方位角A、所述相位补偿器5的相位延迟量δ；

在实际应用中，电机在初始驱动过程中会出现丢步的情况，而每次上电丢步的情况都是随机的，所以电机在给出触发脉冲时候的相对位置在每次上电后不能一致，而重启后电机的编码器输出脉冲与触发脉冲之间的时间偏差t2与校准时刻电机的编码器输出脉冲与触发脉冲的时间偏差t1之间的差值与重启后补偿器的初始方位角Cs2和校准时刻补偿器的初始方位角Cs1之间具有一定的关系，因此需要通过采集重启后电机编码器的输出脉冲与触发脉冲之间的时间偏差t2来补偿重启后补偿器的初始方位角Cs2和校准时刻补偿器的初始方位角Cs1之间的差异。

步骤3、对所述椭偏仪进行重启，采集重启后所述电机4的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t2，通过重启后所述电机4的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t2、校准时刻所述电机4的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t1、所述电机转动周期T计算出重启后补偿器的初始方位角Cs2和校准时刻补偿器的初始方位角Cs1之间的偏差Δα，通过以下公式计算：

步骤4、将重启后补偿器的初始方位角Cs2和校准时刻补偿器的初始方位角Cs1之间的偏差Δα补偿到校准时刻补偿器的初始方位角Cs1中，通过以下公式(2)计算，即得到重启后补偿器的初始方位角Cs2：

C_S2＝C_S1+Δα (2)；

然后，通过以下公式(3)计算出不同时刻t的所述相位补偿器方位角C：

C＝ωt-C_s2 (3)。

本实施例中，还包括：

步骤5、将校准得到的系统参数：所述起偏器3的初始方位角P、所述检偏器7的初始方位角A、所述相位补偿器5的相位延迟量δ，以及计算得出的所述相位补偿器方位角C带入系统模型，最终得到椭偏仪测量的样件6厚度。如何对椭偏仪进行校准以得到系统参数以及采用所述起偏器3的初始方位角P、所述检偏器7的初始方位角A、所述相位补偿器5的相位延迟量δ、所述相位补偿器方位角C计算样件6厚度为现有技术，在本实施例里不作过多赘述。

现将本专利的控制方法具体到实施案例中进行说明。

本实施例是以PCrSA配置的单旋转补偿器型光谱椭偏仪为例，其中P、C、S、A分别代表起偏器3、补偿器、样件6和检偏器7，下标r表示旋转光学元件,即该补偿器为波片，PCrSA光学系统示意图如图3所示，该椭偏仪主要结构部件包括依次沿光路设置的光源1、准直透镜2，起偏器3、电机4、相位补偿器5、样件6、检偏器7、汇聚透镜8、光谱仪9，其中起偏器3与检偏器7均是偏振片，电机4为中空轴电机，相位补偿器5是波片，波片固定安装在电机4的中空轴上，在电机4的驱动下，波片随着电机4的转动周期进行旋转。

旧方案是采用电机编码器输出脉冲作为光谱仪9的触发脉冲，本实验中，先使用旧方案进行评估。使用示波器对相位补偿器5的电机4的Z相脉冲进行采集，对相邻两个编码器输出脉冲进行时间捕捉，求取两个触发脉冲间的时间间隔，用于评判电机4的转动平稳性，或用于评判光谱仪9触发稳定性。如图4所示为电机4转动稳定后，相邻编码器输出脉冲的时间间隔，由图可知极差波动在50us左右。

然后采用本发明提出的的触发控制方案，同时由控制器的时钟电路分别对电机4输出驱动脉冲以及对光谱仪9输出触发脉冲，触发脉冲的周期与电极的转动周期一致。同样使用示波器采集触发脉冲的时间间隔，触发脉冲的时间间隔即时钟电路中晶振的触发周期，周期波动如图5所示。可发现，触发脉冲周期由原有的极差约50us的波动缩短为了极差约4us的波动。将触发脉冲的平稳性提高了一个数量级。

将以上两种触发方式分别带入PCrSA单旋转补偿器型光谱椭偏仪中，第一种触发方式为编码器触发，即，控制板只运行控制电机4转动的功能，电机4转动稳定后，由编码器输出与电机转动周期T一致的脉冲信号，用于对光谱仪9进行触发。根据椭偏仪系统中所需要的每周期采集的光谱帧数，计算出光谱仪9每次光谱采集需要的积分时间。由于波片(即相位补偿器5)的对称性，波片旋转的光学周期为电机转动周期T的一半，即

且积分时间ti与采集帧数Tt关系如下：

(其中n为正整数) (4)

根据以上进行设置，电机4使用400rpm转速，电机4周期即为150ms，光学周期则即为75ms，每个周期采集光谱10帧，即每帧积分时间为7500us，以该设置模式在一台已经调试完成的光谱椭偏仪上进行重复性测试，重复性测试结果如图6所示。

同样的，使用以上配置和设备，仅对触发方式做出更改，将原有的编码器触发更改为控制器给出触发脉冲信号对光谱仪9触发。控制器输出的触发脉冲与电机编码器输出脉冲之间的时间间隔分别用一个计时器进行采集，然后将该时间偏差与校准时的时间偏差做差，将相对偏差代入到系统模型中，即公式(1)中。需注意的是，为保证校准时刻触发脉冲与编码器输出脉冲时间差的真实性，需要在系统开始运行时候，采集足够多组的时间差数据进行平均，以保证数据的真实性。该方案重复性测量结果如图7。

将图6与图7进行对比可发现，使用本发明提出的控制方案，比常规使用编码器输出脉冲触发，仪器测量的重复性精度有了明显地提高。

所述起偏器3的初始方位角P、所述检偏器7的初始方位角A、所述相位补偿器5的相位延迟量δ，以及计算得出的所述相位补偿器方位角C

在使用仪器测量之前需要对仪器进行系统参数校准，并采集得到校准时刻电机4的编码器输出脉冲与时钟电路的触发脉冲的时间偏差t1，有了系统参数起偏器3的初始方位角P、检偏器7的初始方位角A、相位补偿器5的相位延迟量δ、以及得到补偿后的相位补偿器方位角C后就可以使用本仪器进行正常的测量。在本仪器断电重启后，会重新采集重启后电机4的编码器输出脉冲与触发脉冲的时间偏差t2。根据首次校准的补偿器初始方位角C_S1，如图8所示。结合公式(1)就可以计算出重启后补偿器的初始方位角C_S2，如图9所示。同时，使用仪器对标准样件6进行测试，重新校准仪器的系统参数，可以得到相位补偿器5的初始方位角C'_S2，对比获得的重启后的补偿器初始方位角C_S2，可知两者之间的差异值很小。实验结果说明本发明提出的控制方案在仪器断电重启后可以在不执行校准过程的情况下，依然进行准确的测量使用。

本发明提出的单旋转补偿器型光谱椭偏仪的控制方案，基于控制器的脉冲信号对光谱仪9进行触发可以有效地提高仪器测量重复性的精度，采集时间差的方式也可以保证仪器在首次成功校准后，即使断电重启后也无需重新进行繁琐的校准过程。综上，本发明的控制方案可以不仅达到伺服驱动同步方案的测量精度和维护性，而且还降低了对电机4等硬件的要求，可以节约成本，具有更广的普适性。

本发明的有益效果是：本发明的一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方案，利用了单片机PWM波对光源1调制器进行精确控制，时钟电路的计时器在给电机4驱动脉冲的同时同步给出光谱仪9触发脉冲，并对触发脉冲与电机编码器输出脉冲时间差进行计算，最终将该时间差通过运算补偿进椭偏仪系统计算中。由于单片机时钟系统精度高，计时结果通过多次平均后，时间偏差能做到微秒级别的误差，该精度保证了时间差代入椭偏系统运算时候的精度。采用本控制方法进行补偿后，椭偏仪在进行第一次校准后，后续再断电重启后均会对测试结果进行自动补偿，不再需要校准即可达到较高的测试精度。实验证明，该方案不再需要传统椭偏仪对硬件的高要求，降低了硬件成本，同时提升了设备重复测量的精度，极大提升了常规椭圆偏振仪在测量领域的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，所述椭偏仪包括光源、起偏器、相位补偿器、检偏器、光谱仪，所述光源依次穿过所述起偏器、所述相位补偿器，经待测物反射/透射后依次进入所述检偏器、所述光谱仪，所述相位补偿器设置在中空轴电机上，所述电机驱动所述相位补偿器旋转，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、时钟电路同时输出驱动脉冲以及触发脉冲，所述驱动脉冲用于驱动所述电机，所述触发脉冲用于触发所述光谱仪，所述触发脉冲的周期与所述电机的转动周期T相同；

步骤2、对所述椭偏仪进行校准，采集校准时刻所述电机的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t1，并获取校准时刻所述相位补偿器的初始方位角Cs1；

步骤3、对所述椭偏仪进行重启，采集重启后所述电机的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t2，通过重启后所述电机的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t2、校准时刻所述电机的编码器输出脉冲与所述触发脉冲的时间偏差t1、所述电机转动周期T计算出重启后补偿器的初始方位角Cs2和校准时刻补偿器的初始方位角Cs1之间的偏差Δα；

步骤4、将重启后补偿器的初始方位角Cs2和校准时刻补偿器的初始方位角Cs1之间的偏差Δα补偿到校准时刻补偿器的初始方位角Cs1中，即得到重启后补偿器的初始方位角Cs2。

2.根据权利要求1所述一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，其特征在于，所述步骤1还包括：采集所述电机的角速度ω。

3.根据权利要求2所述一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，其特征在于，所述步骤4还包括：通过所述电机的角速度ω以及重启后补偿器的初始方位角Cs2计算出不同时刻t的所述相位补偿器方位角C。

4.根据权利要求1所述一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，其特征在于，所述步骤2还包括，获取系统参数：所述起偏器的初始方位角P、所述检偏器的初始方位角A、所述相位补偿器的相位延迟量δ。

5.根据权利要求1所述一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，其特征在于，所述步骤3中，通过以下公式计算：

6.根据权利要求1所述一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，其特征在于，所述步骤4中，通过以下公式计算：

C_S2＝C_S1+Δα (2)。

7.根据权利要求3所述一种单旋转补偿器光谱型椭偏仪系统控制方法，其特征在于，所述步骤4还包括通过以下公式计算出不同时刻t的所述相位补偿器方位角C：

C＝ωt-C_s2 (3)。

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