CN1664561A - 一种新型快速椭圆偏振光测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型快速椭圆偏振光测量系统。在传统光度式椭圆偏振光测量仪结构中，需采用机械转动方式控制起偏器或检偏器来进行光偏振态的方位角扫描。由于机械转动的速度有限，大大限制了椭圆偏振光测量的检测速度。本发明采用组合检偏器和二维CCD阵列探测器结构配置的椭圆偏振测试系统来快速获取材料的光学参数。由于采用组合偏振器代替传统的旋转偏振器来获得傅立叶分析所要求的采样点数目，并采用二维CCD阵列探测器来并行探测各偏振态的光信号。在测试过程中，系统无须转动任何机械部件，因此可以使各类材料光学参数的测量速度大幅度提高。

Description

一种新型快速椭圆偏振光测量系统

技术领域

本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种新型快速椭圆偏振光测量系统。

背景技术

椭圆偏振光测量仪是一种光学测量仪器，它是获取各种信息功能材料的光学性质、光学常数和薄膜厚度的最有效和可靠的方法之一。如以高性能的奔腾芯片的制备工艺为例，在其完整的工艺流程中，要经过40多次的椭圆偏振光检测。光通讯技术的发展，依赖于高性能光波导、光开关、光放大器件、窄带滤波片等一系列光学元件的研究和开发，在光学元件的研发过程中，需要对各种光学材料的各种光学常数和光学特性进行快速、高精度测量和分析，另外对一些光学薄膜器件，需要在光学薄膜生长过程中，对各膜层的光学常数和膜厚进行精确测量和控制，也十分需要研究和发展快速、精确的材料光学性能的先进测试方法和手段。

椭圆偏振技术能高灵敏获得各种信息功能材料的光学性质和光学常数，进而能对材料在不同光谱段所具有的特性进行分析，理解其物理本质，从而使材料获得重要应用。目前已发展了多种椭偏测量模式，如消光式和光度式等。消光式椭偏系统是通过调节位相延迟器、起偏器和检偏器等光学元件的方位角，使系统的输出光强为零，在此条件下读出各光学元件的方位角，就可计算求得椭偏参数，但这种方法的检测速度较慢。光度式椭偏系统采用了对光强随起偏或检偏方位角变化作傅立叶分析的方法，并通过计算机对测量过程进行自动控制，可比消光式椭偏法更快速和准确地测得椭偏参数。但由于普通光度式椭偏系统采用偏振器扫描方式来获取椭偏参数，虽然对普通光学参数的测试已经足够快速，但若将其应用于某些特定场合，如微电子工艺或高真空薄膜生长系统的快速实时光学监控，就有一定的困难，应用将受到限制。为此，本发明将采用组合检偏器和2维CCD面阵列探测器结合的椭圆偏振光检测方法，快速获取材料的光学参数。[参考文献：D.E.Aspnes，8，222(1973)；D.E.Aspnes，J.Opt.Soc.Am.，64，812(1974)]。

发明内容

本发明的目的在于，在现有结构模式基础上，对其缺点进行改进，提出一种在测量过程中(不包括测量前的光路调节)无需任何机械转动、可快速进行椭圆偏振光测量的系统。

本发明提出的椭圆偏振光测量系统具体结构如图一所示，由光源、起偏器、样品架、组合检偏器、二维CCD探测器和计算机控制与分析系统依次经光路连接组成；其中，光源与样品架之间的起偏器的方位角固定，样品架内有空腔，并与真空泵连接，使样品经负压吸附在样品架上；样品架与二维CCD探测器之间的组合检偏器由m个微型子检偏器组成，这m个微型子检偏器的方位角在0-π之间大致均匀分布；计算机控制和分析系统由一台计算机和相关控制和分析计算软件组成，测量前用于光路调节以及入射角的选择，测量时对CCD探测器的电信号进行数据采集，对待测材料的各种光学参数进行计算，并结果输出计算结果。

本发明的测量系统，由光源发出的单色光经过固定起偏器变成单色线偏振光，该固定起偏器的初始方位角与入射面成α角。一般使α＝45°。光线经过固定检偏器后以一定入射角Φ照射到待测样品，经样品反射后，反射光一般为椭圆偏振光。反射光通过组合检偏器，该组合检偏器内装有若干个微型子检偏器，各子检偏器的方位角具有不同取向。反射光经组合检偏器后，出射光具有不同偏振态，各偏振态对应的光强被二维CCD探测器不同区域探测到。由CCD探测器探测到的各偏振态光强变成电信号后，经过AD转换由计算机进行信号分析和数据处理，最后得到材料的各种光学常数。

本发明中，待测样品的光学参数的确定方法如下。

将起偏器固定于合适的方位角，如令α＝45°。从检偏器出射的光强随检偏器方位角变化关系为

I＝I₀+I₁cos2A+I₂sin2A    (1)

其中I₀是直流分量，I₁、I₂为交流分量，A为检偏器的方位角。经过计算可得，

I₀＝η(1+ρ₀ ²)+I_B    (2a)

I₁＝η(1-ρ₀ ²)       (2b)

I₂＝2ηρ₀cosΔ      (2c)

η为与光强有关的常数，直流分量I₀中的I_B是本底信号，来自于探测器的暗电流。(2)式中，ρ₀、Δ为两个椭偏参数，定义如下：

设光线经过样品反射后，s、p偏振光的复反射率分别为 ${\tilde{r}}_s=r_s{e}^{{\mathrm{i\Δ}}_1},{\tilde{r}}_p=r_p{e}^{{\mathrm{i\Δ}}_2}.$ 其中r_s、r_p分别是s、p偏振光复反射率的模，Δ₁、Δ₂为s、p偏振态的反射光相对入射光的相位差，则ρ₀、Δ两个参数分别定义为，ρ₀＝r_p/r_s，Δ＝Δ₂-Δ₁。

根据(2)式中的三个系数可计算出椭偏参数ρ₀和cosΔ，

${\mathrm{\ρ}}_0={\left[\frac{(I_0-I_1)}{(I_0+I_1)}\right]}^{\frac{1}{2}}----\left(3\right)$

$\cos \mathrm{\Δ}=\frac{I_2}{{[{I_0}^2-{I_1}^2]}^{\frac{1}{2}}}----\left(4\right)$

将(1)式中的光强I对检偏器方位角A作数值傅立叶变换，变换式为：

$I_0=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I_i-I_{\mathrm{bi}})----\left(5a\right)$

$I_1=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\cos \left({2A}_i\right)----\left(5b\right)$

$I_2=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\sin \left({2A}_i\right)----\left(5c\right)$

式中I_i是检偏器方位角为A_i时CCD探测器所接收到的光强信号，λ是相应的波长，n是检偏器组中子检偏器数目的两倍，一个周期内按A_i值作数据采集的次数。从(3)、(4)式中得到椭偏参数ρ₀和Δ后，可得到参数

            ρ＝ρ₀e^iΔ                           (6)

材料的复介电函数ε＝ε₁+iε₂与参量ρ之间满足以下关系：

$\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_a[{\sin }^2\mathrm{\φ}+{\sin }^2\mathrm{\φ}{\tan }^2\mathrm{\φ}{\left(\frac{1-\mathrm{\ρ}}{1+\mathrm{\ρ}}\right)}^2]----\left(7\right)$

其中Φ为光的入射角，ε_a为环境媒质的介电函数，若环境为空气，则ε_a＝1。复介电函数与其它光学常数，如复折射率N、吸收系数α和反射率R等的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=N^2,N=n+\mathrm{ik},{\mathrm{\ϵ}}_1=n^2-k^2,{\mathrm{\ϵ}}_2=2\mathrm{nk},\mathrm{\α}=\frac{4\mathrm{\πk}}{\mathrm{\λ}},R=\frac{{(n-1)}^2+k^2}{{(n+1)}^2+k^2}----\left(8\right)$

(8)式中，N＝n+ik为样品材料的复折射率，其实部n为折射率，虚部k为消光系数。因此一旦测到椭偏参数ρ₀和Δ后，可由(7)式得到材料的复介电函数，进而由(8)式计算出样品的其它光学常数，如复折射率N、吸收系数α和反射率R等。

上述的计算式均在测量系统的软件部分----计算机分析计算部分实现。

附图说明

图1为本发明测量系统结构示意图。

图2为本发明测量系统一种结构图示。

图3为本发明测量系统中一种组合检偏器结构图示。

图中标号：1为激光光源，2为激光扩束镜头组，3为固定起偏器，4为样品架，5为样品架转台，6为反射光臂转台，7为组合检偏器，8为CCD探测器，9为反射光臂转台马达驱动器，10为样品转台马达驱动器，11为计算机数据采集与分析处理系统，12为输出结果，13为入射光臂，14为反射光臂。

具体实施方式

本发明设计的新型快速椭圆偏振光测量系统已经在图一中显示，这里给出一个特例。在本例中，光源采用激光光源。由激光光源出射的光经扩束后，入射到起偏器3，然后再入射到样品上，被样品反射到组合检偏器7，由组合检偏器7出射的光，分别被二维CCD面阵探测器8的不同区域接收。

组合检偏器7由m个微型子检偏器组成。m一般可取5-20个。各子检偏器的方位角θ₁、θ₂……θ_m，在0～180°内大致均匀分布。具体做法组合检偏器是在一个硬质材料中加工m个数目(如十多个)的小孔(如方孔)，方孔的取向各异，方向角在0～180°范围内大致均匀分布，将各微型子检偏器加工成与小孔尺寸相匹配的大小，再按子检偏器的透振方向，将它们放入各小孔，使每个孔中的子检偏器的透振方向不同，并且其方位角也在0～180°范围内大致均匀分布。图3给出这种组合检偏器的一个特例：在本例中，十二个1.5mm×1.5mm见方的微型检偏器被安装在一个直径为9.5mm，厚约2mm的不锈钢支架上，这十二个微型检偏器的方位角依次为0°、16°、33°、49°、66°、82°、90°、98°、114°、131°、147°、164°。

本发明测量系统进一步描述如下：

系统包括光学部件、电子器件、机械部件和控制分析软件等部分。

1)光学部件

a)光源1：采用波长为632.8nm的He-Ne气体激光器；

b)扩束镜头2：扩束镜头由共焦透镜组成，扩束倍率约为5～10倍；

c)固定起偏器3：采用方解石材料制作的Glan-Foucault偏振棱镜；

d)组合检偏器7：如附图3所示，在直径为9.5mm、厚约2mm的不锈钢支架上安装12个1.5mm×1.5mm的微型子检偏器，这些子检偏器的方位角在0～180°范围内大致均匀分布；

e)CCD探测器8：采用具有1024×1024像素的二维CCD面阵式探测器，每个像素的尺寸为24×24μm²。

2)电子器件

a)样品架4和出射光臂的驱动电路：由步进马达驱动器和计算机接口电路构成，控制脉冲由软件方式产生；

b)数据采集卡：通过与CCD探测器配套的视频数据采集卡来完成由CCD探测器接收的视频信号向计算机系统输入的传输过程。

3)机械部件

a)可变入射角转台基座：包括样品架转台基座和出射光臂转台基座；样品架转台可在0～90°之间转动，主要用于每次测量前，对测量的光路准直和光路调节；出射光臂转台可在30～180°范围内转动，用于选择适当的入射角；

b)负压吸附式样品支架：样品架是将扁平状黄铜材料中间加工成空腔而制成，空腔一端与真空泵连接，空腔与扁平表面有多个小孔相连，当真空泵工作时，样品被真空腔中的负压吸附；样品架装在一个多维可调支架上；

c)入射光臂和出射光臂：入射光臂是铝制的金属腔，内装有扩束镜头、固定起偏器等组件；出射光臂也是铝制的金属腔，内装有CCD探测器和组合检偏器等组件；入射光臂固定不动，而出射光臂与出射光臂转台基座相连，可根据测量的入射角来转动。

4)控制分析软件

a)控制部分：主要用于测量前的光路调节，以及入射角的选择，如驱动样品转台，以校准光路，驱动出射光臂转台以选择合适的入射角。

b)数据采集：由软件控制通过数据采集卡实时读出来自于CCD探测器的电信号。

c)数据处理部分：对采集到的不同偏振态信号进行傅里叶变换，得到光强交、直流分量的系数，进而得到两个椭偏常数ρ₀、Δ。再由两个椭偏常数通过前面所述的一系列公式计算即可得到待测材料的各种光学常数。

d)数据输出：数据可实时显示在屏幕上或输出到数据文件。

2、由激光光源出射的623.8nm单色光，经扩束后形成直径9.5mm的平行光束，再通过起偏器后变成直径9.5mm的线偏振光。该单色线偏振光以60°的入射角入射到样品上

3、样品被装在具有真空吸附结构的样品架上，实现了无损光学检测。

4、光经过样品反射后通过组合检偏器，组合检偏器由12个微型子检偏器构成，这些微型检偏器的偏振面在0～180°范围内均匀配置。

5、经过12个微型检偏器的光线分别被二维CCD面阵列的不同区域探测，由CCD探测器输出的信号经数据采集卡送至计算机，并对其进行分析，就可读得各对应偏振态的强度值。

6、对各偏振态的强度值进行分析处理后，即得到相应的光学常数。

本系统的实施还包括定标和调试两部分，其一是CCD探测器和组合检偏器的定标，其二是系统的综合调试。对组合检偏器定标后，得到光经过不同的微型检偏器后强度的变化，以及偏振态的变化，这些变化参数经标定后写入仪器控制程序，并在数据处理时考虑这些因素，从而得到精确的结果。CCD探测器的定标即确定CCD探测器不同区域的像素与不同偏振态光强间的对应关系。这个对应关系也将编入计算机分析程序。系统的综合调试包括光路系统对准，偏振器偏振方位角的调整以及使系统硬件与软件一体化运作，解决机械、光学和电子学等方面一系列的问题。在本发明的设计当中，入射角连续可变，分辨率优于0.01°。数据自动采集、分析和计算。系统实现了实时快速测量的特点。

主要测量过程：

1.将系统各部分电源接通；

2.通过真空吸附，将样品装在样品架上；

3.调节光路，选定合适入射角；

4.进行测量和读取输出数据。

测量例示：若对某材料，测量数据如表一所示：

表一检偏器方位角与对应的光强输出

检偏器方位角(弧度)    光强

0.8409                 23.3853

0.9718                 19.8025

1.1027                 15.8922

1.2336                 11.7324

1.3645                 7.4318

1.4954                 3.3058

1.6263                 2.7852

1.7572                 6.7775

1.8881                 11.0842

2.0190                 15.2738

2.1499                 19.2275

2.2808                 22.8645

根据公式(5a)-(5c)可得：

I₀＝13.2969，I₁＝12.8590，I₂＝-0.6312

忽略暗电流I_bi影响，根据(3)、(4)式可得：

ρ₀＝7.7283，Δ＝79.2572°

这里入射角为Φ＝60°，入射光波长λ＝632.8nm，根据(7)式可得：ε₁＝2.264，ε₂＝1.377，n＝1.567，k＝0.439，α＝8.713μm^-1，R＝0.0760

由此可得到该种材料的介电常数、折射率、消光系数、吸收系数和反射率等光学常数。

Claims (5)

1、一种椭圆偏振光测量系统，其特征在于由光源、起偏器、样品架、组合检偏器、二维CCD探测器和计算机控制与分析系统依次经光路连接组成；其中，光源与样品架之间的起偏器的方位角固定，样品架内有空腔，并与真空泵连接，使样品经负压吸附在样品架上；样品架与二维CCD探测器之间的组合检偏器由m个微型子检偏器组成，这m个微型子检偏器的方位角在0-π之间大致均匀分布；计算机控制和分析系统由一台计算机和相关控制和分析计算软件组成，测量前用于光路调节以及入射角的选择，测量时对CCD探测器的电信号进行数据采集，对待测材料的各种光学参数进行计算，并输出计算结果。

2、根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于所述计算机分析软件包括下述待测样品光学参数计算式：

从检偏器出射的光强随检偏器方位角变化关系为

               I＝I₀+I₁cos2A+I₂sin2A                        (1)

其中I₀是直流分量，I₁、I₂为交流分量，A为检偏器的方位角；

               I₀＝η(1+ρ₀ ²)+I_B                            (2a)

               I₁＝η(1-ρ₀ ²)                               (2b)

               I₂＝2ηρ₀cosΔ                              (2c)

η为与光强有关的常数，直流分量I₀中的I_B是本底信号，来自于探测器的暗电流；(2)式中，ρ₀、Δ为两个椭偏参数，定义如下：

${\mathrm{\ρ}}_0={\left[\frac{(I_0-I_1)}{(I_0+I_1)}\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

$\cos \mathrm{\Δ}=\frac{I_2}{{[{I_0}^2-{I_1}^2]}^{\frac{1}{2}}}---\left(4\right)$

将(1)式中的光强I对检偏器方位角A作数值傅立叶变换，变换式为：

$I_0=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(I_i-I_{\mathrm{bi}})---\left(5a\right)$

$I_1=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\cos \left({2A}_i\right)---\left(5b\right)$

$I_2=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\sin \left(2A_i\right)---\left(5c\right)$

式中I_i是检偏器方位角为A_i时CCD探测器所接收到的光强信号，λ是相应的波长，n是检偏器组中子检偏器数目的两倍，一个周期内按A_i值作数据采集的次数；从(3)、(4)式中得到椭偏参数ρ₀和Δ后，可得到参数

               ρ＝ρ₀e^iΔ                                           (6)

材料的复介电函数ε＝ε₁+iε₂与参量ρ之间满足以下关系：

$\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_a[{\sin }^2\mathrm{\φ}+{\sin }^2\mathrm{\φ}{\tan }^2\mathrm{\φ}{\left(\frac{1-\mathrm{\ρ}}{1+\mathrm{\ρ}}\right)}^2]---\left(7\right)$

其中Φ为光的入射角，ε_a为环境媒质的介电函数，取ε_a＝1；复介电函数与其它光学常数：复折射率N、吸收系数α和反射率R等的关系为：

        ε＝N²，N＝n+ik，ε₁＝n²-k²，ε₂＝2nk， $\mathrm{\α}=\frac{4\mathrm{\πk}}{\mathrm{\λ}},$ $R=\frac{{(n-1)}^2+k^2}{{(n+1)}^2+k^2}---\left(8\right)$ (8)式中，N＝n+ik为样品材料的复折射率，其实部n为折射率，虚部k为消光系数；因此一旦测到椭偏参数ρ₀和Δ后，可由(7)式得到材料的复介电函数，进而由(8)式计算出样品的其它光学常数：复折射率N、吸收系数α和反射率R。

3、根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于各光学部件中，

(1)光源1：采用波长为632.8nm的He-Ne气体激光器；

(2)扩束镜头2：扩束镜头由共焦透镜组成，扩束倍率约为5～10倍；

(3)固定起偏器3：采用方解石材料制作的Glan-Foucault偏振棱镜；

(4)组合检偏器7：在直径为9.5mm、厚约2mm的不锈钢支架上安装12个1.5mm×1.5mm的微型子检偏器，这些子检偏器的方位角在0～180°范围内大致均匀分布；

(5)CCD探测器8：采用具有1024×1024像素的二维CCD面阵式探测器，每个像素的尺寸为24×24μm²。

4、根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于还包括电子器件，电子器件包括：

(1)样品架4和出射光臂的驱动电路：由步进马达驱动器和计算机接口电路构成，控制脉冲由软件方式产生；

(2)数据采集卡：通过与CCD探测器配套的视频数据采集卡来完成由CCD探测器接收的视频信号向计算机系统输入的传输过程。

5、根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于还包括机械部件，这些机械部件包括：

(1)可变入射角转台基座：包括样品架转台基座和出射光臂转台基座；样品架转台可在0～90°之间转动，主要用于每次测量前，对测量的光路准直和光路调节；出射光臂转台可在30～180°范围内转动，用于选择适当的入射角；

(2)负压吸附式样品支架：样品架是将扁平状黄铜材料中间加工成空腔而制成，空腔一端与真空泵连接，空腔与扁平表面有多个小孔相连，当真空泵工作时，样品被真空腔中的负压吸附；样品架装在一个多维可调支架上；

(3)入射光臂和出射光臂：入射光臂是铝制的金属腔，内装有扩束镜头、固定起偏器等组件；出射光臂也是铝制的金属腔，内装有CCD探测器和组合检偏器等组件；入射光臂固定不动，而出射光臂与出射光臂转台基座相连，可根据测量的入射角来转动。