CN112649373B - 一种椭偏仪光强自动调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种椭偏仪光强自动调节方法及装置，该方法包括：在设定的积分时间内，对采集点积分得到的光强谐波信号；根据设定的采样点数目，求解测量信号的傅里叶系数，当光强信号饱和或欠饱和时，则通过光强信号阈值判断调节探测器的积分时间，以使得光强信号采集帧数大于测量信号的傅里叶系数。该方案在不改变电机转速和改变机械硬件结构的情况下,通过调节积分时间实现光强快速调节，光强自动调节的响应速度快，并保证椭偏仪高信噪比测量。

Description

一种椭偏仪光强自动调节方法及装置

技术领域

本发明涉及椭偏仪领域，尤其涉及一种椭偏仪光强自动调节方法及装置。

背景技术

椭偏仪作为一种光学测量手段，利用光的偏振特性得到待测样品的相关信息，依靠其无损、快速的测量优势在集成电路等半导体行业中得到了广泛的应用。椭偏仪通过对其起偏臂端的入射光进行偏振态调制后，照射到待测样品的表面，经过样品反射或透射后，光束的偏振态发生了变化。再通过对检偏臂收集的光束偏振态进行解调，从而得到待测样品的相关信息。

椭偏仪按照偏振调制方式，可以分为旋转器件型椭偏仪和液晶调制型椭偏仪，其中液晶调制型通过外部电压控制液晶分子的方向，从而实现偏振光的调制与解调，但是液晶材料在紫外波段有严重的吸收特性，因此该类椭偏仪难以实现宽光谱测量，而在较窄的光谱波段，探测器的响应曲线，器光学元件的透过率，待测样品的反射率或透过率等变化都不明显，因此光强调节的必要性很小。旋转器件型椭偏仪利用旋转电机带动偏振器件匀速转动，实现光束偏振态的调制与解调。由于光学偏振器件在宽光谱波段具有优良的性能，因此该类椭偏仪可以实现宽光谱的测量。所以在该类椭偏仪中光强自动调节很有必要。

在旋转器件型椭偏仪主要分为旋转偏振片型椭偏仪和旋转补偿器型椭偏仪。其中旋转偏振片型椭偏仪又分为旋转起偏器型，旋转检偏器型，带有补偿器的旋转起偏器型和带有补偿器的旋转检偏器型；旋转补偿器型椭偏仪分为单旋转补偿器型椭偏仪和双旋转补偿器型椭偏仪。

在旋转器件型椭偏仪的测量过程中，由于仪器覆盖的光谱波段很宽，而椭偏仪系统在不同波段的响应差异较大，因此必须要保证椭偏仪测量得到的光强信号在宽波段内有较好的信噪比。而探测器采集的光强大小与探测器本身的光谱响应、入射角、光学元件的透过率和安装位置、光源本身的强度以及待测样品的反射率等众多因素相关。因此，椭偏仪在测量过程中具有光强自动调节功能是非常必要的。

针对椭偏测量中出现的上述情况，目前常见的解决方法包括专利CN101231238A公开的“一种用于椭偏测量中的光强调节方法和装置”中介绍的利用电机带动偏振片进行旋转，通过控制两个偏振片的方位角夹角实现光强的调节。以及专利CN104344891B公开的“一种用于广义椭偏仪的光强自动调整装置及其控制方法”中介绍的利用电机带动不同透过率的滤光片进行光强调节的方法和装置。除此之外，还可以在光路中增加固定孔径或可变孔径的光阑实现光强的调节。

综上，椭偏仪测量系统在测量过程中的光强调节已有的方案中都需要增加硬件和控制方案，这样不仅增加光路调试的难度，而且光强自动调节的响应速度较慢，影响仪器整体的测量效率。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种椭偏仪光强自动调节方法及装置，以解决现有椭偏仪光强调节方法光路调试难度大，且调节响应速度慢的问题。

在本发明实施例的第一方面，提供了一种椭偏仪光强自动调节方法，包括：

在设定的积分时间内，测量第j个采集点积分得到的光强谐波信号S_j：

其中，式中t表示表示光谱仪开始采集后补偿器旋转的时间，I(t)为谐波信号的光强，α_2n、β_2n表示光强谐波信号2n倍频的傅里叶系数，2n对应光强谐波信号2n倍频的谐波分量，I₀表示光强谐波信号S_j的直流分量，N表示采样点数目，m、n表示计量系数，ω表示基准角频率；

根据设定的采样点数目，求解测量信号的傅里叶系数；

当光强信号饱和或欠饱和时，则通过光强信号阈值判断调节探测器的积分时间，以使得光强信号采集帧数大于测量信号的傅里叶系数。

在本发明实施例的第二方面，提供了一种椭偏仪光强自动调节装置，至少包括光源、起偏器、电机、相位补偿器，探测器和计算机；

所述探测器用于在设定的积分时间内，测量对采集点积分得到的光强谐波信号；

所述计算机用于根据设定的采样点数目，求解测量信号的傅里叶系数，以及当光强信号饱和或欠饱和时，则通过光强信号阈值判断调节探测器的积分时间，以使得光强信号采集帧数大于测量信号的傅里叶系数。

本发明实施例中，在椭偏仪光强信号的饱和或不饱和时，通过调节探测器的积分时间实现光强的自动调节，改善光谱仪的光强响应情况，在不改动椭偏仪的原本硬件结构情况下，实现自动快速的光强调节，保证椭偏仪高信噪比测量，降低了光路调试难度，并在实现光强快速响应基础上提升仪器测量效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。

图1为本发明的一个实施例提供的一种椭偏仪光强自动调节方法的流程示意图；

图2为本发明的一个实施例提供椭偏仪探测器采集得到的饱和光强曲线的示意图；

图3为本发明的一个实施例提供椭偏仪探测器采集得到的欠饱和光强曲线的示意图；

图4为本发明的一个实施例提供椭偏仪探测器采集得到的最佳信噪比光强曲线示意图；

图5为本发明的一个实施例提供的双旋转补偿器型光谱椭偏仪结构示意图；

图6为本发明的一个实施例提供的椭偏仪光强自动调节过程的控制流程图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围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。

本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。

请参阅图1，图1为本发明一个实施例提供的一种椭偏仪光强自动调节方法的流程示意图，包括：

S101、在设定的积分时间内，对采集点积分得到的光强谐波信号：

具体的，测量第j个采集点积分得到的光强谐波信号S_j：

其中，式中t表示表示光谱仪开始采集后补偿器旋转的时间，I(t)为谐波信号的光强，α_2n、β_2n表示光强谐波信号2n倍频的傅里叶系数，2n对应光强谐波信号2n倍频的谐波分量，I₀表示光强谐波信号S_j的直流分量，N表示采样点数目，m、n表示计量系数，m取值与椭偏仪电机转速比相关，ω表示基准角频率。

椭偏仪中电机转动的速度ω，椭偏仪的光学周期为1/2ω,在实际的测量过程中，探测器对探测到的光强会进行多次的积分得到S_j(j＝1,2,…,N)，这个过程称为Hadamard分析。其中，N表示对光学周期进行N等分，探测器的积分时间为T＝π/Nω，式中，N还表示采样点数目。

可以理解的是，所述积分时间与椭偏仪参数相匹配，根据椭偏仪的不同，探测器的积分时间设定也不同。

S102、根据设定的采样点数目，求解测量信号的傅里叶系数；

根据系统中需要校准的系统参数，获取足够数量N通过直接解方程或最小二乘法的方式可以解出测量信号的傅里叶系数。

通过回归迭代算法，对实际测量获得的傅里叶系数α′_2n、β′_2n与系统模型α_2n、β_2n计算得到的理论傅里叶系数进行拟合来校准系统参数。

S103、当光强信号饱和或欠饱和时，则通过光强信号阈值判断调节探测器的积分时间，以使得光强信号采集帧数大于测量信号的傅里叶系数。

其中，根据计算得到的光强信号拟合光谱判断光强信号是否欠饱和，如当拟合光谱中测量得到的光强信号未与模型信号曲线准确拟合，此时拟合残差较大，可以表明光强信号判定光强信号欠饱和。

示例性的，当椭偏仪探测器采集得到的光强信号如图2所示，信号出现饱和现象，此时的信号已经失真，无法分析得到有效的信号，通过软件内部的光强信号优化算法，可以将探测器的积分时间为T/2、T/3或T/4，那么就可以得到如图4所示的光强信号，那么此时得到的采集帧数就会变为2N、3N或4N。只采集的帧数大于系统的傅里叶系数就可以实现椭偏仪的准确系统校准和正确测量。

当椭偏仪探测器采集得到的光强信号如图3所示，信号出现了欠饱和现象，此时的探测器采集得到的光强信号较弱，噪声较大，信噪比较差，无法分析得到有效的数据，通过软件内部的光强信号阈值判断，可以将探测器的积分时间为2T、3T或者4T，那么就可以得到如图4所示的光强信号，那么此时得到的采集帧数就会变为1/2N，1/3N或者1/4N。同样只要采集的帧数大于傅里叶系数就可以实现椭偏仪的准确系统校准和正确测量。

本实施例中，在不改变椭偏仪光学周期的前提下，根据光强信号大小自动增加或减小探测器的积分时间，同时匹配椭偏仪的采集帧数，优化采集帧数，保证不同帧数下的数据均能够实现准确的校准和测量。

应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

在另一个实施例中，以PC_r1SC_r2A配置的双旋转补偿器型光谱椭偏仪为例，说明光本发明的光强自动调节方法在PC_r1SC_r2A配置的椭偏仪中的应用。其光学系统示意图如图5所示，图中1为光源、2为准直镜、3为起偏器；4为电机、5为补偿器、6为样件、7为补偿器、8为电机、9为检偏器、10为汇聚透镜、11为探测器。P、C、S、A分别代表起偏器、补偿器、样件6和检偏器9，下标r表示旋转光学元件。在本实例中驱动第一补偿器5的电机4和驱动第二补偿器7的电机8以恒定的转速比进行旋转，探测器可以获得周期变化的光强信号。

由于两个补偿器以恒定的转速比为1ω:5ω同步旋转，ω表示基准角频率，则双旋转补偿器型光谱椭偏仪的光学周期T为：

在设定的积分时间π/Nω内，测量第j个采集点得到的光强谐波信号S_j可有如下表达式，其中，N为一个光学周期内的采样点数：

其中，t表示光谱仪开始采集后补偿器旋转的时间，I(t)为谐波信号的光强，α_2n、β_2n表示光强谐波信号2n倍频的傅里叶系数，2n对应光强谐波信号2n倍频的谐波分量。I₀表示光强谐波信号S_j的直流分量，设置采样点的数目N等于80，就可以解出所有傅里叶系数α_2n，β_2n以及直流分量I₀，从而实现椭偏仪的正常校准和测量。

当椭偏仪探测器采集得到的光强信号出现饱和现象，此时的信号已经失真，无法分析得到有效的信号，通过软件内部的光强信号优化算法，可以将探测器的积分时间为T/2、T/3或者T/4，那么就可以得到如图4所示的光强信号，那么此时得到的采集帧数就会变为160、240或者320。只有当帧数大于系统的傅里叶系数，可以实现椭偏仪的准确系统校准和正确测量。

当椭偏仪探测器采集得到的光强信号出现了欠饱和光强曲线，此时的探测器采集得到的光强信号较弱，噪声较大，信噪比较差，无法分析得到有效的数据，通过软件内部的光强信号阈值判断，可以将探测器的积分时间为1.6T、2.5T，那么就可以得到如图4所示的光强信号，那么此时得到的采集帧数就会变为50或者32。同样采集的帧数大于傅里叶系数,可以实现椭偏仪的准确系统校准和正确测量。

应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

在本发明的一个实施例中，还提供了一种椭偏仪光强自动调节装置，至少包括光源、起偏器、电机、相位补偿器，探测器和计算机，所述探测器用于在设定的积分时间内，测量对采集点积分得到的光强谐波信号；

所述计算机用于根据设定的采样点数目，求解测量信号的傅里叶系数，以及当光强信号饱和或欠饱和时，则通过光强信号阈值判断调节探测器的积分时间，以使得光强信号采集帧数大于测量信号的傅里叶系数。

其中，将椭偏仪探测器的积分时间设定为T＝π/Nω，T为积分时间，N表示采样点数目，ω表示基准角频率。所述积分时间与椭偏仪参数相匹配，根据椭偏仪的不同，探测器的积分时间设定也不同。

进一步的，通过回归迭代算法，对实际测量信号的傅里叶系数与系统模型的理论傅里叶系数进行拟合，校准系统模型参数。

其中，根据计算得到的光强信号拟合光谱判断光强信号是否欠饱和。

可以理解的是，在另一实施例中，如图6所示，光谱仪采集光强信号，将采集信号发送至计算机，计算机根据光强信号绘制光强信号图，并进行光强信号阈值判断，确定光强信号饱和、不饱和或正常。当光强信号不合格(饱和或不饱和)，则通过计算机控制调节光谱仪积分时间，若光强信号合格，则可以根据实际光强信号对系统参数进行校准、测量等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时实现积分时间的自动调节，所述的存储介质包括如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种椭偏仪光强自动调节方法，其特征在于，包括：

将椭偏仪探测器的积分时间设定为T＝π/Nω，其中，T为积分时间，N表示一个光学周期内的采样点数目，ω表示基准角频率;

在设定的积分时间内，测量第j个采样点积分得到的光强谐波信号S_j ：

;

其中，,式中t表示光谱仪开始采集后补偿器旋转的时间，I(t)为谐波信号的光强，α_2n、β_2n表示光强谐波信号2n倍频的傅里叶系数，2n对应光强谐波信号2n倍频的谐波分量，I₀表示光强谐波信号S_j 的直流分量，N表示一个光学周期内的采样点数目，m、n表示计量系数，ω表示基准角频率；

根据设定的采样点数目，求解测量信号的傅里叶系数；

根据光强信号阈值判断光强信号饱和、不饱和或正常，当光强信号饱和或欠饱和时，调节探测器的积分时间，以使得光强信号采集帧数大于测量信号的傅里叶系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述积分时间与椭偏仪参数相匹配，根据椭偏仪的不同，探测器的积分时间设定也不同。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据设定的采样点数目，求解测量信号的傅里叶系数包括：

通过回归迭代算法，对实际测量信号的傅里叶系数与系统模型的理论傅里叶系数进行拟合，校准系统模型参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当光强信号饱和或欠饱和时，调节探测器的积分时间包括：

根据计算得到的光强信号拟合光谱判断光强信号是否欠饱和。

5.一种用于实现权利要求1所述的椭偏仪光强自动调节方法的椭偏仪光强自动调节装置，至少包括光源、起偏器、电机、相位补偿器，探测器和计算机，其特征在于，所述探测器用于在设定的积分时间内，测量采样点积分得到的光强谐波信号；

所述计算机用于根据设定的采样点数目，求解测量信号的傅里叶系数，以及根据光强信号阈值判断光强信号饱和、不饱和或正常，当光强信号饱和或欠饱和时，调节探测器的积分时间，以使得光强信号采集帧数大于测量信号的傅里叶系数。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述积分时间与椭偏仪参数相匹配，根据椭偏仪的不同，探测器的积分时间设定也不同。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述根据设定的采样点数目，求解测量信号的傅里叶系数包括：

通过回归迭代算法，对实际测量信号的傅里叶系数与系统模型的理论傅里叶系数进行拟合，校准系统模型参数。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述当光强信号饱和或欠饱和时，调节探测器的积分时间包括：

根据计算得到的光强信号拟合光谱判断光强信号是否欠饱和。