CN201000428Y - 用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置，包括单色光发生装置、准直透镜、线性起偏器依次共轴安装在入射旋转臂上，线性检偏器、成像物镜共轴安装在出射旋转臂上；图像传感器安装在出射旋转臂上，和由驱动控制箱，计算机和图像采集卡组成图像处理及系统控制部分；计算机发出指令给电机控制卡，该电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，再将器件的运动状态反馈回驱动控制箱中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱与电子计算机之间的通讯告知电子计算机当前运动器件的运动状态；图像传感器与监视器和图像采集卡电连接。通过入射角度扫描和波长扫描，同时得到样品视场范围内各点的光谱椭偏参数。

Description

用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置

技术领域

本实用新型涉及一种椭偏测量装置；特别是涉及一种对具有复杂横向结构的块状材料表面或纳米薄膜样品表面上各点，同时进行光谱椭偏分析的变入射角度光谱椭偏成像装置。

背景技术

光波在材料界面反射时，反射光波的偏振态受表面调制会发生变化，当反射界面上存在超薄膜样品时，光波的偏振态会发生显著的变化。椭偏测量方法正是通过测量这一变化来得到样品的信息(如，折射率和厚度)，它具有两个显著的优点：(1)对样品无扰动、无破坏性，因此可进行实时测量、离体乃至在体测量；(2)极高的测量灵敏度，可以达到原子层量级的检测分析水平。因此，该方法已经成为一种研究纳米层构材料的有效方法，广泛应用于微电子工业、表面材料和生物医学等领域。

色散是材料的基本特性之一，因此，光谱椭偏测量已成为椭偏测量的重要分支。光谱椭偏可高精度、高准确性地给出材料的椭偏参数与光谱的依赖关系，利用这些参数可以对材料进行多方面的研究，如：(a)材料(包括半导体、金属、甚至只出现在薄膜上的宽带隙材料)的介电函数(例如，作为波长函数的光学介电常数的实部和虚部)，这是目前准确度最高的方法；(b)可以达到原子层分辨率的界面、薄膜或多层膜厚度的结构分布；(c)对一些合成或合金层(块状、薄膜或表面)的成份分析；(d)纳米膜层的表面微粗糙度研究；(e)半导体材料在制备中的真实的表面附近温度的研究；(f)对静态块状材料和薄膜进行电子或振动结构的分析。目前的光谱椭偏测量基本是单光束测量，其特点是测量结果是光束范围内的样品参数的平均值。由于光束直径在几十微米以上，因此该方法的横向分辨率低，限制了应用。

随着微、纳器件研究的需求和发展，需要对同一基片上由一种或多种不同性质材料制备的复杂微结构的表面分布(如微纳表面器件和高通量生物芯片等)进行光谱特性研究。采用单点光谱椭偏仪结合机械扫描技术可以对整个样品进行逐点测量，可参见文献〔1〕：Spatially resolved ellipsometry，M.Erman and J.B.Theeten，Journal of Applied Physics，1986，69(3)：859-873〕。该技术只能对几十微米以上的结构进行分辨，无法得到更加精细的表面信息；另一方面，采用机械扫描时耗时多，如在一个波长下测量一个面积为15×25mm的样品，扫描步距为20微米时，需要数小时的时间才可完成，很难满足实际应用中对快速测量的需求。因此发展快速的光谱椭偏测量技术成为迫切的需求。

为了提高对样品的空间分辨率和测量速度，满足对具有横向空间精细结构分布的样品(如，集成表面格式化器件或生物芯片等)进行检测的应用场合，近年来发展了椭偏成像技术，可参考文献〔2〕：Detection of thickness uniformity offilm layers in semiconductor devices by spatially resolved ellipso-interferometry，Teruhito Mishima，Kwan C.Kao，Optical Engineering，1982，21(6)：1074-1078。该技术在保持椭偏测量非接触、高灵敏测量优点的基础上，还具有：(1)横向分辨提高到亚微米水平(最高可达到光学衍射极限的水平)；(2)可以对大面积样品上的各点同时进行快速椭偏测量分析，因此可显示样品表面参数(如，折射率、厚度、分子表面密度等)的空间分布。目前，椭偏成像的发展和应用集中在单波长上和少数几个分立波长上。

因此将光谱分辨和空间分辨特性进行结合对表面和界面可以同时提供样品的光谱和空间分布信息，已成为一种发展的趋势。

文献〔3〕：Color-imaging ellipsometer：High-speed characterization ofin-plane distribution of film thickness at nano-scale，Tanooka，D.；Adachi，E.；Nagayama，K.，Japanese Journal of Appl ied Physics，Part 1：RegularPapers and Short Notes and Review Papers，2001，40(2A)：877-880，给出了一种彩色椭偏成像系统，它利用白光源和一个三色滤光片产生三种波长的单色光，以3色CCD作为探测器。测量原理是：建立3个分立波长下CCD探测到的光强信号和样品宏观参数(如，膜层厚度)的关系，然后通过数据拟合的方法得到样品的特征参数(如，膜层厚度)分布。其优点是，可快速得到样品的宏观特征参数的分布情况及其定量测量结果，并以彩色图像定性地快速显示出来。但不足之处在于：(1)虽然采用了三波长进行测量，但并不能得到样品的光谱信息。(2)定量测量时，为了获得定量关系式中的未知参数，必须制备已知厚度的标准样品(其厚度测量借助于零椭偏方法)作为对照，这限制了其应用范围.

文献〔4〕：A new multiple wavelength ellipsometric imager：design，limitations and Applications，P.Boher，O.Thomas，J.P.Piel，J.L.Stehle，Thin Solid Films，2004，455-456：809-818，给出了一种光谱椭偏成像系统它给出了一种四波长探测的方案，采用白光源和四个滤光片来分别得到不同波长的单色光波。其测量原理是：起偏器先后设置在四个不同的方位，摄取四幅图像，然后通过计算得到样品的椭偏参数的定量结果。该系统可以给出四种波长下的椭偏参数，其缺陷是：(1)无法提供连续光谱的测量；(2)采样方式决定了测量结果的精度受到光源偏振态的影响；(3)在实际操作中难以排除系统白噪声的影响。另外，德国的Nanofilm公司也研发了一种利用更换滤光片的方法获得多个单色光波下样品参数的光谱椭偏成像系统，但该系统无法提供连续波长的椭偏光谱参数测量。

文献〔5〕：Study on Crystallization of α-Si Measured by ImagingSpectroscopic Ellipsometry，A.J.Choi，T.J.Kim and Y.D.Kim，J.H.Oh and J.Jang，Journal of the Korean Physical Society，2006，48(6)：1544~1547，给出了一种光谱椭偏成像系统，该系统中的入射光照射到样品表面上时采用了会聚光，这致使入射到样品上各点的入射角度不同，因此同一样品上视场内各点的椭偏测量条件存在差异，难于用于定量测量中的各点参数值比较，当以Brewster入射角附近入射时，这一点尤其突出。除此以外，该文献未给出利用该系统对样品的连续光谱性质进行研究。

另外，在进行椭偏测量时，测量结果与入射角度有关，因此通过改变入射角度可以调节测量的灵敏度，获得更多的测量数据从而提高测量的准确度。

发明内容

本实用新型的目的在于：提高椭偏测量的准确度和获得更多的测量数据，从而提供一种可以进行连续光谱扫描的变入射角度的光谱椭偏成像系统，它同时能进行光谱分辨、空间分辨和入射角度分辨，还能同时提供样品上各点的光谱椭偏参数、样品空间分布、以及根据样品来调节入射角度以提高系统分辨率。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型提供的变入射角度光谱扫描椭偏成像测量技术对表面，尤其是纳米薄膜样品表面形貌进行定量测量的系统，包括：

一入射旋转臂1，该入射旋转臂1可围绕中心轴进行旋转，用于改变入射光轴与样品20之间的夹角；

一样品旋转台2和出射旋转臂3，入射旋转臂1的末端与出射旋转臂3的前端重叠在一起，样品旋转台2安置在其上并通过样品旋转台2的轴将三者连接，样品20安装在样品旋转台2上，样品垂直于入射面，并且其表面通过中心轴；

一用于可进行波长扫描的、准单色光输出的单色光发生装置10，该输出的光束用于照明待测样品；

一准直透镜11，用于将单色光发生装置10产生的光进行准直、扩束；

一用于将探测光束变换为偏振方向可控的线偏振光的线性起偏器12，该线性起偏器12安装在起偏器旋转台13上；

一个反射式平面样品20，该样品20为一个反射式的平面块状或薄膜材料，用于接收来自入射部分产生的准直、准单色的偏振光波的照明，并对该光波的偏振态进行调制；

一用于对样品20的反射光偏振态进行调制的线性检偏器31，该线性检偏器安装在出射光轴上；

一个图像传感器34，用于接收样品经成像物镜所成的实像，并将其转化为电信号；

一用于对图像传感器34采集的图像进行显示及处理、分析，以及对整个装置的部件进行运动控制的图像处理及系统控制部分；其特征在于，还包括：

一个相位补偿器14，用于在两个互相垂直的方向上产生一个位相延迟差，从而改变偏振光的偏振态；该相位补偿器14安装在补偿器旋转台15上，该相位补偿器14安装在入射旋转臂1上的偏振器12与样品20之间，或出射旋转臂3上的样品20与线性检偏器31之间的光路上；

一用于对样品进行成像的成像物镜33用于对样品进行成像，该成像物镜33根据成像放大率的要求，共轴安放在出射光轴上偏振器31之后，或放置在样品20与线性检偏器31之间；

所述的单色光发生装置10、准直透镜11、安装在起偏器旋转台13上的线性起偏器12依次共轴安装在入射旋转臂1上，其光轴为入射光轴；安装在检偏器旋转台32上的线性检偏器31、成像物镜33共轴安装在出射旋转臂2上，其光轴为出射光轴，图像传感器34也安装在出射旋转臂上，其像敏面与样品20经成像物镜33的实像重合；单色仪10、起偏器旋转台13、相位补偿器旋转台14、检偏器旋转台32、入射旋转臂1、出射旋转臂3、样品旋转台2均为电机驱动的蜗轮-蜗杆结构的旋转台，其各个旋转台的电机与驱动控制箱41中的电机驱动器电连接；计算机42发出指令给驱动控制箱41中的电机控制卡，然后电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，从而改变探测光的波长、线性起偏器12的方位角或线性检偏器31的方位角或相位补偿器14的方位角或入射光轴相对于样品的入射角；通过位置反馈器，可以将器件的运动状态反馈回驱动控制箱41中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱41与电子计算机42之间的通讯告知电子计算机42当前运动器件的运动状态；图像传感器34与监视器44和图像采集卡43电连接。

在上述装置中，所述的图像处理及系统控制部分中的图像采集卡43，用于接收图像传感器34并将其转化为电子计算机42所能处理的图像格式，它与图像传感器34和电子计算机42电连接。

在上述装置中，所述的线性起偏器12和线性检偏器31包括：二向色性线性偏振器，格兰-汤姆森起偏器等可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件。

在上述装置中，所述的单色光发生装置10包括：如图3a所示，由宽光谱光源100、聚光镜101、单色仪102组成的单色光扫描装置，或者如图3b所示，由宽光谱光源100、聚光镜101、单色仪102、光纤103和光纤夹持器104组成的单色光扫描装置。

在上述装置中，所述的相位补偿器14包括：云母1/4波片，或石英1/4波片；或液晶1/4波片等可以在两个互相垂直的方向上产生介于0～180°的位相延迟的器件。

在上述装置中，所述的图像传感器34包括：电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器或阵列式光电转换图像传感器。

在上述装置中，单色光发生装置10与入射旋转臂1机械连接，保证光轴与入射光轴重合，并处于准直透镜11的焦点上；或者如图3b所示，还包括：仅将单色光发生装置10中的光纤103通过光纤夹持器104安放在光轴上，并处于准直透镜11的焦点上。

在上述装置中，所述的驱动控制箱41包括电机控制卡、电机驱动器、位置反馈器的接收装置；所述的单色仪10、起偏器旋转台13、相位补偿器旋转台14、检偏器旋转台32、入射旋转臂1、出射旋转臂3、样品旋转台2均为电机驱动的蜗轮-蜗杆结构的旋转台，其电机与所述的图像处理及系统控制部分中的驱动控制箱41的电机驱动器电连接；用于对系统的各器件进行运动的驱动及控制，并接收来自各器件的状态反馈；其中电机控制卡分别与计算机42、电机驱动器、和位置反馈器的接收装置电连接，电机控制卡把来自计算机42的指令通过电子转换后发给电机驱动器进行运动控制，并把来自位置反馈器的位置指令传给计算机；电机驱动器与电机电连接，驱动电机产生运动；位置反馈器的接收装置接收位置反馈器的探测信号，并将信号传给电机控制卡。

本实用新型的系统的工作原理为：入射部分的光轴与出射部分的光轴相交于待测样品上一点并形成入射面，待测样品垂直于入射面；入射部分和出射部分中的各光学器件共轴安装在二者确定的光轴上。入射部分发出的波长可变的扩展准直、准单色偏振光束，照明到待测样品上，该样品对入射光的偏振态进行调制后发出反射的偏振光束，该光束进入出射部分中再次进行偏振态的调制后成像在图像传感器34上形成图像的电信号。此电信号进入图像处理及系统控制部分进行图像采集、显示及分析处理，该部分对系统中的各运动部件进行驱动、控制，并接收运动反馈，从而实现对对纳米薄膜表面进行测量。在进行测量时，可设定探测光波的光谱范围、入射角度的扫描范围，然后进行变入射角度的光谱扫描成像测量，在每个确定的波长和入射角度下，通过控制起偏器、检偏器和补偿器的方位角来得到该采样点上样品整个视场范围内的椭偏参数及其分布，在扫描完设定的波长和入射角度后，就得到了样品上各点的光谱椭偏参数及其分布。

本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型提供的可以进行连续光谱扫描的变入射角度的光谱椭偏成像的系统，可对复杂表面结构的样品(如，表面具有非均匀分布的薄膜材料结构或格式、由不同材料构成的复杂横向结构的纳米层构样品)进行快速的光谱测量，获得全表面各微单元的连续光谱特性，以用于样品表面的复杂的横向结构分析；

(2)可以大大提高全表面光谱测量的测量速度，样品的全表面单波长测量只需要数秒即可完成，相对单点光谱椭偏扫描成像，速度提高了2-3个量级，使其可能用于在线测量；

(3)具有直观的图像形式，可以排除非样品信号(如局部污染物)，使测量的准确度提高；(4)在椭偏成像中利用光谱解析能力，可提高椭偏测量空间分辨的精度和灵敏度。

(4)本实用新型提供的方法通过入射角度扫描可显著提高样品测量的准确度，并有效调节样品的分辨率；通过入射波长扫描可得到样品的光谱椭偏参数；另外由于采用了成像技术，因此可以得到样品视场范围内所有点的椭偏参数分布。该技术同时提供了微米量级的横向分辨率、达到原子层量级分析水平的纵向分辨率，以及连续波长的光谱分辨，为纳米薄膜材料的分析提供了一种有效的方法。

附图说明

图1是本实用新型的基于起偏器-补偿器-样品-检偏器结构的入射角扫描椭偏成像装置示意图

图2是本实用新型的基于起偏器-样品-补偿器-检偏器结构的入射角扫描椭偏成像装置示意图

图3a是本实用新型的利用单色仪分光的单色光发生器示意图

图3b是本实用新型的利用单色仪分光、光纤传导光波的单色光发生器示意图

图面标示：

入射旋转臂1    单色光发生装置10  宽光谱光源100

聚光镜101      单色仪102         光纤103

光纤夹持器104  准直透镜11        线性起偏器12

起偏器旋转台13 相位补偿器14      补偿器旋转台15

样品旋转台2    样品20            出射旋转臂3

线性检偏器31   检偏器旋转台32    成像物镜33

图像传感器34    图像处理及系统控制部分4  驱动控制箱41

电子计算机42    图像采集卡43             监视器44

具体实施方式

参考附图1对本实用新型制作一个变入射角度光谱椭偏成像测量的系统实施例，并结合本实用新型的变入射角度光谱椭偏成像测量方法进行详细的阐述。

本实施例所用的单色光发生装置10如图3a所示：由宽光谱光源100、聚光镜101、单色仪102组成的单色光发生装置，安置在入射旋转臂1上的前端部。单色仪的出光口光轴上。

聚光透镜11安置在入射旋转臂1的光轴上，对单色光发生装置10出射的光进行扩束和准直。聚光透镜11为消色差透镜。

本实施例所用的线性起偏器12是：二向色性线性偏振器，该线性起偏器12安装在起偏器旋转台13上；

本实施例所用的相位补偿器14是：云母1/4波片或石英1/4波片都可以，它安装在补偿器旋转台15上；

该单色光发生装置10、安装在起偏器旋转台13中的线性起偏器12、安装在补偿器旋转台15中的相位补偿器14先后依次共轴地安装在入射旋转臂1上，其光轴为入射光轴。其中起偏器旋转台13、补偿器旋转台15均可进行360°旋转，入射旋转臂1可以围绕中心轴进行旋转。一样品旋转台2和出射旋转臂3，入射旋转臂1的末端与出射旋转臂3的前端重叠在一起，样品旋转台2安置在其上并通过旋转台的轴将三者连接；样品20为具有复杂横向结构的纳米薄膜材料，本实施例使用无标记的多元蛋白质芯片，将其安装在样品旋转台2上，样品垂直于入射面，并且其表面通过中心轴；单色仪102、起偏器旋转台13、补偿器旋转台14、检偏器旋转台32、入射旋转臂1均为由步进电机带动的蜗轮-蜗杆结构的传动装置，其上的步进电机与驱动控制箱41中的电机驱动器电连接。计算机42发出指令给驱动控制箱41中的步进电机控制卡，然后步进电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，从而改变探测光的波长，或线性起偏器12、相位补偿器13、偏振器31方位角或入射光轴相对于样品的入射角。通过位置反馈器，可以将器件的运动状态反馈回驱动控制箱41中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱41与电子计算机42之间的通讯告知电子计算机42当前运动器件的运动状态。

另外的实施例中还可以使用如图3b所示的单色光发生装置10，由宽光谱光源100、聚光镜101、单色仪102、光纤103、光纤夹持器104组成的单色光发生装置，其中光纤夹持器104安置在入射旋转臂1上的前端部的光轴上。以及线性起偏器12还可以使用Glan-Thompson起偏器、所述相位补偿器14还可以使用液晶1/4波片，或任何可以在两个互相垂直的方向上产生90°位相延迟的器件。

样品20安装在样品旋转台2上，还包括一个安装在样品旋转台2上的平移台，此平移台的运动方向平行于入射面，并且垂直于样品表面，在平移台上连接一个俯仰台，通过调节，使得样品表面垂直于入射面。在测量时，通过调节平移台和俯仰台使得样品表面垂直于入射面、而且样品旋转支架的旋转中心通过样品。样品旋转台2为由步进电机带动的常规蜗轮-蜗杆结构的传动装置，其上的步进电机与驱动控制箱41中的电机驱动器电连接。计算机42发出指令给驱动控制箱41中的步进电机控制卡，然后步进电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，从而改变样品20的与入射光轴之间的入射角。通过位置反馈器，可以将器件的运动状态反馈回控制箱41中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱41与电子计算机42之间的通讯告知电子计算机42当前运动器件的运动状态。

在光路出射部分，安装在检偏器旋转台32中的偏振器31、成像物镜33和图像传感器34共轴依次安装在出射旋转臂3上，其光轴与出射光轴重合。图像传感器34的安装保证其像敏面与样品20经成像物镜33所成的实像重合。检偏器旋转台32可进行360°旋转。出射旋转臂3可以围绕中心轴进行旋转。检偏器旋转台32、出射旋转臂3均为由步进电机带动的常规蜗轮-蜗杆结构的传动装置，其上的步进电机与驱动控制箱41中的电机驱动器电连接。计算机42发出指令给驱动控制箱41中的步进电机控制卡，然后步进电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，从而改变检偏器31或出射光轴相对于样品的角度。通过位置反馈器，可以将器件的运动状态反馈回驱动控制箱41中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱41与电子计算机42之间的通讯告知电子计算机42当前运动器件的运动状态。

所述的驱动控制箱41，包括电机控制卡、电机驱动器、位置反馈器的接收装置；其中电机控制卡分别与计算机42、电机驱动器、和位置反馈器的接收装置电连接，电机控制卡把来自计算机42的指令通过电子转换后发给电机驱动器进行运动控制，并把来自位置反馈器的位置指令传给计算机；电机驱动器与电机电连接，驱动电机产生运动；位置反馈器的接收装置接收位置反馈器的探测信号，并将信号传给电机控制卡。

本实施例所述的线性检偏器31可以使用：二向色性线性偏振器，或Glan-Thompson起偏器等均可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件。

本实施例的图像传感器34形成的图像的电信号进入图像采集卡43进行数据处理后，进入电子计算机42将图像的电子信号转化为计算机能够处理图像信号，利用电子计算机对这些图像进行分析，可以得到样品表面的椭偏参数分布情况，并据此得到样品的厚度、折射率、粗糙度等信息。图像传感器34使用，例如：电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器或阵列式光电转换图像传感器。

电子计算机42与驱动控制箱41中的电机控制卡电连接，通过向驱动控制箱41中的电机驱动器发出指令驱动单色光发生装置10中的单色仪102、起偏器旋转台13、补偿器旋转台15、检偏器旋转台32、入射旋转臂1、样品旋转台2、出射旋转臂3的电机，从而改变入射光的波长、偏振器件的方位角和入射角，并且将其位置反馈回驱动控制箱41，通过驱动控制箱41与电子计算机40通讯，将运动状态报告给电子计算机，以进行下一步的运动控制。

在本实用新型制作的变入射角度光谱椭偏成像装置上进行具体测量的方法如下：

为了定量测量一个样品，比如，样品为硅基底上先镀了纳米厚度的铬膜层，然后在铬膜层上镀三层厚度不同的金纳米膜层的物理参数，包括上述样品中的铬膜层的折射率n、消光系数k、厚度，d1以及金膜层的的各膜层厚度d2，d3，d4共6个参数，采用如下的步骤：

1).设定入射角的扫描范围，此范围为0～90度，设定入射角扫描步距0.01度；

2)设定波长的扫描范围，比如为400nm-700nm，并设定扫描步距，比如5nm；

3)调节样品台的平移台和俯仰台，保证样品中心通过样品旋转台的中心轴，并且样品面垂直于入射面光轴；

4)通过向计算机42中的控制软件发出入射角设置的指令，然后通过驱动控制箱41中的电机控制卡向电机驱动器发出驱动指令，带动入射旋转臂1、样品旋转台2、出射旋转臂3中的至少两个电机，从而设定一个入射角度；

5)通过向电子计算机42中的控制软件发出波长设置的指令，然后利用驱动控制箱41驱动单色光发生装置10来设定当前所需要的波长；

6)采用零椭偏测量方法，通过电子计算机42发出指令设定相位补偿器14的方位角设置在45°，通过调节线性起偏器11和线性检偏器31达到图像传感器上达到消光(即光强最小)。此时读取起偏器和检偏器的方位角P和A，然后计算得到当前角度、当前波长下的椭偏参数(Ψ，Δ)；

7)判断此时波长是否已经扫描完设定的范围，如果没有，执行步骤(5)，如果已完成，执行步骤(8)；

8)判断此时入射角是否已经扫描完设定的范围，如果没有，执行步骤(4)，如果已经扫描完成，执行步骤(9)；

9)根据要求利用相应的该样品的物理模型(例如：对于厚度为纳米量级的二氧化硅膜层，所对应的物理模型就是“空气-二氧化硅-硅”三相型)列出来上述测量结果与待测物理参数之间的关系式，然后通过数据拟合的方式计算出待测参数。

其中，步骤(4)中为了测量单波长、单角度下的椭偏参数，也可采用光度法，如参考文献〔6〕：Ralph F.Cohn，James W.Wagner，Dynamic imagingmicroellipsometry，USA Patent 5076696，Dec.31，1991.所提供的方法来测量椭偏参数。或者也可旋转偏振器31的RAE方法，如参考文献〔7〕：An AutomaticEllipsometer for Use in Electrochemical Investigations，R.Greef，Rev.Sci.Instrum.，1970，41：532-538。或者也可旋转相位延迟器14的RC E方法，如参考文献〔8〕：Arotating-compensator Fourier ellipsometer，P.S.Hauge andF.H.Dill，Opt.Commun.，1975，14，(4)：431-437。

参考附图2，制作另一个本实用新型的较佳的实施例，与图1在结构上的不同是相位补偿器14的位置不是放在线性起偏器12和样品20之间，而是放在样品20和线性检偏器31之间；其它结构同实施例1。

Claims (8)

1.一种用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置，包括：

一入射旋转臂(1)，该入射旋转臂(1)用于改变入射光轴与样品(20)之间的夹角；

一样品旋转台(2)和出射旋转臂(3)，入射旋转臂(1)的末端与出射旋转臂(3)的前端重叠在一起，样品旋转台(2)安置在其上并通过样品旋转台(2)的轴将三者连接，样品(20)安装在样品旋转台(2)上，样品垂直于入射面，并且其表面通过中心轴；

一用于可进行波长扫描的、准单色光输出的单色光发生装置(10)，该输出的光束用于照明待测样品；

一准直透镜(11)，用于将单色光发生装置(10)产生的光进行准直、扩束；

一用于将探测光束变换为偏振方向可控的线偏振光的线性起偏器(12)，该线性起偏器(12)安装在起偏器旋转台(13)上；

一个样品(20)，该样品(20)为一个反射式的平面块状或平的薄膜材料，用于样品接收来自入射部分产生的准直、准单色的偏振光波的照明，并对该光波的偏振态进行调制；

一用于对样品(20)的反射光偏振态进行调制的线性检偏器(31)，该线性检偏器安装在出射光轴上；

一个图像传感器(34)，用于接收样品经成像物镜所成的实像，并将其转化为电信号；

一用于对图像传感器(34)采集的图像进行显示及处理、分析，以及对整个装置的部件进行运动控制的图像处理及系统控制部分；其特征在于，还包括：

一个相位补偿器(14)，用于在两个互相垂直的方向上产生一个位相延迟差，改变偏振光的偏振态；该相位补偿器(14)固定在补偿器旋转台(15)上，并设置在入射旋转臂(1)上的偏振器(12)与样品(20)之间的光路上，或出射旋转臂(3)上的样品(20)与线性检偏器(310之间的光路上；

一用于对样品进行成像的成像物镜(33)，该成像物镜(33)共轴安放在出射光轴上偏振器(31)之后，或放置在样品(20)与线性检偏器(31)之间；

其中所述的单色光发生装置(10)、准直透镜(11)、线性起偏器(12)依次共轴安装在入射旋转臂(1)上，其光轴为入射光轴；安装在检偏器旋转台(32)上的线性检偏器(31)、成像物镜(33)共轴安装在出射旋转臂(2)上，其光轴为出射光轴，图像传感器(34)也安装在出射旋转臂上，其像敏面与样品(20)经成像物镜(33)的实像重合；所述的图像处理及系统控制部分由驱动控制箱(41)，计算机(42)和图像采集卡(43)组成，所述的计算机(42)发出指令给驱动控制箱(41)中的电机控制卡，该电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，再将器件的运动状态反馈回驱动控制箱(41)中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱(41)与电子计算机(42)之间的通讯告知电子计算机(42)当前运动器件的运动状态；图像传感器(34)与监视器(44)和图像采集卡(43)电连接。

2.按权利要求1所述的用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置，其特征在于：所述的单色光发生装置(10)中的光纤(103)通过光纤夹持器(104)安放在光轴上，并处于准直透镜(11)的焦点上。

3.按权利要求1所述的用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置，其特征在于：所述的驱动控制箱(41)包括电机控制卡、电机驱动器、位置反馈器的接收装置；

所述的单色仪(10)、起偏器旋转台(13)、相位补偿器旋转台(14)、检偏器旋转台(32)、入射旋转臂(1)、出射旋转臂(3)、样品旋转台(2)均为电机驱动的蜗轮-蜗杆结构的旋转台，其电机与所述的图像处理及系统控制部分中的驱动控制箱(41)的电机驱动器电连接；用于对系统的各器件进行运动的驱动及控制，并接收来自各器件的状态反馈；其中电机控制卡分别与计算机(42)、电机驱动器和位置反馈器的接收装置电连接，电机控制卡把来自计算机(42)的指令通过电子转换后发给电机驱动器进行运动控制，并把来自位置反馈器的位置指令传给计算机；电机驱动器与电机电连接，驱动电机产生运动；位置反馈器的接收装置接收位置反馈器的探测信号，并将信号传给电机控制卡。

4按权利要求1所述的用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置，其特征在于：所述的相位补偿器(13)为能在两个互相垂直的方向上产生90°位相延迟的器件；该90°位相延迟的器件包括4波片、石英1/4波片或液晶1/4波片。

5.按权利要求1所述的用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置，其特征在于：所述的单色光发生装置(10)，包含一个宽光谱点光源(100)，一组聚光镜(101)，一个单色仪(102)，其中该一组聚光镜(101)安装在宽光谱点光源(100)输出光光路上，单色仪(102)，以及一组光学准直镜(103)顺序共轴安装在光路上。

6.按权利要求1所述的用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置，其特征在于：所述的单色光发生装置(10)，包含一个宽光谱点光源(100)，一组聚光镜(101)，一个单色仪(102)，一根光纤(103)、一个光纤夹持器(104)，其中光纤夹持器(104)入射光轴上，并处于准直透镜(11)的焦点上。

7.按权利要求1所述的用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置，其特征在于：所述的线性起偏器(12)或线性检偏器(31)为将光波变换成线偏振光的偏振器件，该偏振器件包括：二向色性线性偏振器或格兰-汤姆森偏振器。

8.按权利要求1所述的用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置，其特征在于：所述的图像传感器(34)为电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器或阵列式光电转换图像传感器。

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