專利名稱:消光/光度兼容式自動橢偏儀和測量方法
技術領域:
本發明屬于光學電子器件領域,具體涉及一種消光/光度兼容式自動橢偏儀和測量方法。
背景技術:
橢偏儀是一種測量樣品物理常數的精密光學儀器。它通過測量被測樣品反射(或透射)光線的偏振狀態的變化情況來研究樣品的特性,特別適用于測量薄膜的厚度、折射率和消光系數。
橢偏儀根據操作方式分為消光式和光度式。消光式橢偏儀測量精度較高,缺點是測量速度較慢;光度式橢偏儀大都采用旋轉檢偏器PSA結構,測量速度快,缺點是測量精度較低,一次測量不能確定橢偏旋向。兩種類型橢偏儀適用于不同工作場合。
國外曾報道一種消光/光度兼容式橢偏儀,該橢偏儀采用PCSA(起偏器-補償器-待測樣品-檢偏器)結構,并在起偏器后和檢偏器前各加一個由交流電驅動的法拉第調制器,手動旋轉起偏器和檢偏器可以實現消光式測量,法拉第調制器可以提高方位角測量精度。取出法拉第調制器,并用伺服電機帶動檢偏器旋轉,可以實現光度式測量(參見在先技術[1],“Characterization of growing thin films by in situ ellipsometry,spectral reflectance and transmittance measurements,and ion-scattering spectroscopy,Review of Scientific Instruments,Volume 56,Issue 11,Page 1995(November 1985)”)。該兼容式橢偏儀的缺點是在轉換工作模式時需調整硬件結構,不利于儀器的集成化,在消光測量方式下沒有實現自動化。國內吳啟宏提出另一種類型的消光/光度兼容式橢偏儀,結構為PCSA式,在消光模式下,補償器(λ/4片)定位于±45°,手動調節起偏器和檢偏器使之達到消光位置。由伺服電機帶動補償器旋轉,可以實現光度式測量(參見在先技術[2],中國專利,公開號CN87104793)。該兼容式橢偏儀通過旋轉補償器解決了橢圓旋向不確定性,在轉換工作模式時不需要調節硬件結構,但在消光模式下沒有實現自動化。
發明內容
本發明的目的是克服上述在先技術中的不足之處,提出一種操作簡便的消光/光度兼容式自動橢偏儀和測量方法。
一種消光/光度兼容式自動橢偏儀,包括一個光源發射探測光束依次經一個起偏器、一個補償器和一個光闌到安置于一個樣品臺上的一個樣品,所述的樣品表面發射的光束依次經另一個光闌和一個檢偏器到一個探測器,所述的探測器的輸出經一個數據采集卡輸入至一個計算機,其特征在于所述的計算機處理由所述的數據采集卡采集的數據,亦輸出二路控制信號至兩個步進電機驅動器,兩個步進電機驅動器分別與兩個步進電機相連,兩個步進電機分別連接所述的起偏器和檢偏器,實現分別控制它們旋轉、停止、復位和定位至設定角度。
所述的光源為He-Ne激光器。
所述的起偏器為二向色性起偏器,或雙折射起偏器,或反射起偏器等可以將任意光波變換成線偏振光的偏振器件。
所述的檢偏器為二向色性起偏器,或雙折射起偏器,或反射起偏器,能將任意光波變換成線偏振光。
所述的補償器為云母1/4波片,或石英1/4波片,能使光波的兩個垂直分量產生90°位相延遲。
所述的樣品臺為三維可調樣品臺。
所述的樣品為一反射式平面樣品,為薄膜樣品或塊狀材料。
所述的樣品為半導體,或導體,或電介質類型材料。
所述的光電探測器為光電二極管,或光電倍增管。
所述的兩個步進電機為永磁式,或反應式,或混合式步進電機。
所述的兩個步進電機驅動器為步進電機對應的有細分功能的驅動器。
一種消光式自動橢偏測量方法,采用上述的消化/光度兼容式自動橢偏儀進行測量,其特征在于測量的操作步驟如下①初始狀態起偏器和檢偏器的透光軸與樣品表面平行;②步進電機經步進電機驅動器細分后帶動起偏器旋轉,由探測到的光強信號的最小值得到起偏角P;⑧由計算機控制步進電機驅動器使步進電機帶動起偏器的透光軸定位至起偏角P;④然后由步進電機經步進電機驅動器細分后帶動檢偏器旋轉,由探測到的光強信號的最小值得到檢偏角A;⑤由P和A計算得出此角度下的橢偏參數Ψ、Δ;⑥由橢偏參數通過數值反演程序得出薄膜樣品的待求參數,例如膜層厚度,折射率和消光系數等。
一種光度式自動橢偏測量方法,采用上述消光/光度兼容式自動橢偏儀進行測量,其特征在于測量的操作步驟如下①初始狀態起偏器和檢偏器的透光軸與樣品表面平行;②步進電機經步進電機驅動器細分后帶動起偏器旋轉,步進電機經步進電機驅動器細分后帶動檢偏器旋轉;③由計算機控制步進電機的同步性,步進電機的旋轉速率比為1∶2;④由計算機對采集的光強信號進行傅立葉分析,由傅立葉系數得出橢偏參數Ψ、Δ;⑤由橢偏參數通過數值反演程序得出薄膜樣品的待求參數,例如膜層厚度,折射率和消光系數等。
本發明與現有技術相比較,具有以下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點1、本發明與在先技術[1]相比,消光和光度工作模式的轉換不需調節硬件結構,操作簡便,在光度模式下測量,消除了橢圓旋向的不確定性。
2、本發明與在先技術[2]相比,在光度模式下的測量數據具有自洽性,提高了測量精度。
3、本發明與在先技術[1]和[2]相比,在消光模式下實現了測量自動化,提高了測量速度。
圖1是本發明的消光/光度兼容式自動橢偏儀的結構框圖。
具體實施例方式
下面通過實施例及其附圖對本發明作進一步說明。
請參閱圖1,圖1為本消光/光度兼容式自動橢偏儀的結構框圖。由圖可見,本消光/光度兼容式自動橢偏儀的結構是一單色光源1,在該光源1發出光的前進方向上依次放置起偏器2、補償器5、光闌6、樣品臺8、光闌9、檢偏器10和光電探測器13。其中起偏器2和檢偏器10可由步進電機3、11帶動旋轉,步進電機3、11的旋轉狀態經步進電機驅動器4、12受電子計算機15的控制。光電探測器13探測的光強信號經數據采集卡14傳至電子計算機15進行數據處理。
本實施例所述的光源1為He-Ne激光器,波長為632.8nm。
本實施例所述的起偏器2為雙折射起偏器Glan-Thompson棱鏡,該起偏器2與步進電機3的旋轉軸通過連接器固定在一起,步進電機3的旋轉軸被制成中空。該起偏器2的透光軸初始位置與樣品7表面平行,旋轉方向為逆時針(面對探測光束)。
本實施例所述的補償器5為石英1/4波片,該波片5快軸被固定在與樣品7表面成+45°位置。
本實施例所述的檢偏器10為雙折射起偏器Glan-Thompson棱鏡,該檢偏器10與步進電機11的旋轉軸通過連接器固定在一起,步進電機11的旋轉軸被制成中空。該檢偏器10的透光軸初始位置與樣品7表面平行,旋轉方向為逆時針(面對反射光束)。
本實施例所用步進電機3、11為混合式步進電機,步進角為1.5°。
本實施例所用光電探測器13為光電二極管。
本實施例的入射角固定為60°。
本實施例在消光模式下,工作過程如下由光源1發出的探測光束經過起偏器2、補償器5和光闌6到達樣品7表面,樣品7的反射光束經光闌9和檢偏器10到光電探測器13,由光電探測器13探測的光強信號經數據采集卡14傳至計算機15。其操作步驟如下①初始狀態起偏器2和檢偏器10的透光軸與樣品表面平行;②步進電機3經步進電機驅動器4細分后以步進角0.15°帶動起偏器2旋轉,由探測到的光強信號的最小值得到起偏角P;⑧由計算機15控制步進電機驅動器4使步進電機3帶動起偏器2的透光軸定位至起偏角P;④然后由步進電機11經步進電機驅動器12細分后以步進角0.15°帶動檢偏器10旋轉,由探測到的光強信號的最小值得到檢偏角A;⑤由P和A計算得出此角度下的橢偏參數Ψ、Δ;⑥由橢偏參數通過數值反演程序得出薄膜樣品的待求參數,例如膜層厚度,折射率和消光系數等。
在消光模式下,本實施例的所有操作都是在計算機程序的控制下完成的,實現的自動化,相對于手動消光橢偏儀,提高了測量的速度和精度。
本實施例在光度模式下,工作過程如下由光源1發出的探測光束經過起偏器2、補償器5和光闌6到達樣品7表面,樣品7的反射光束經光闌9和檢偏器10到光電探測器13,由光電探測器13探測的光強信號經數據采集卡14傳至計算機15。其操作步驟如下①初始狀態起偏器2和檢偏器10的透光軸與樣品表面平行;②步進電機3經步進電機驅動器4細分后以步進角0.15°帶動起偏器2旋轉,步進電機11經步進電機驅動器12細分后以步進角0.3°帶動檢偏器10旋轉;⑧由計算機15控制步進電機3,11的同步性;④由計算機15對采集的光強信號進行傅立葉分析,由傅立葉系數得出橢偏參數Ψ、Δ;⑤由橢偏參數通過數值反演程序得出薄膜樣品的待求參數,例如膜層厚度,折射率和消光系數等。
本實施例在光度模式下,入射到起偏器2的光為E,檢偏器10的出射光為E’,理想情況下有如下關系式
E′=10cosAsinA-sinAcosAr~p00r~scosπ4-sinπ4sinπ4cosπ4100-i---(1)]]>cos(P-π4)-sin(P-π4)sin(P-π4)cos(P-π4)10E]]>式中A為檢偏器10的方位角,P為起偏器2的方位角, 分別為平行與垂直入射面的測量光束分量的復反射系數。
光電探測器13探測到的光強為I=μ[(tanΨ2+1)+tanΨcosΔcos2ωt+tanΨsinΔsin2ωt+(tanΨ2+1)cos4ωt (2)-tanΨ cosΔcos6ωt+tanΨ sinΔsin 6ωt]其中μ為系統常數,tanΨexpΔ=r~pr~s,]]> 對光電探測器13探測的光強進行傅立葉分析,可以得到I=k0+k1cos2ωt+k2sin2ωt+k3cos4ωt+k4cos6ωt+k5sin6ωt (3)其中ki(i=0,1,2,3,4,5)為傅立葉系數。
比較以上兩式,有k0=μ′(tanΨ2+1)k1=μ′(tanΨ cosΔ)k2=μ′(tanΨ sinΔ)(4)k3=μ′(tanΨ2-1)k4=-μ′(tanΨcosΔ)k5=μ′(tanΨsinΔ)從而可以得到
k2=k5k4=-k1Δ=arctank2k1---(5)]]>Ψ=arctan(k0+k3k0-k3)]]>從上述計算中可以看到,由傅立葉系數得出的橢偏參數Ψ、Δ具有自洽性,且能夠唯一地確定Δ的正負號,消除了橢圓旋向的不確定性。
權利要求
1.一種消光/光度兼容式自動橢偏儀,包括一個光源(1)發射探測光束依次經一個起偏器(2)、一個補償器(5)和一個光闌(6)到安置于一個樣品臺(8)上的一個樣品(7),所述的樣品(7)表面發射的光束依次經另一個光闌(9)和一個檢偏器(10)到一個探測器(13),所述的探測器(13)的輸出經一個數據采集卡(14)輸入至一個計算機(15),其特征在于所述的計算機(15)處理由所述的數據采集卡(14)采集的數據,亦輸出二路控制信號至兩個步進電機驅動器(4、2),兩個步進電機驅動器分別與兩個步進電機(3、11)相連,兩個步進電機(3、11)分別連接所述的起偏器(2)和檢偏器(11),實現分別控制它們旋轉、停止、復位和定位至設定角度。
2.根據權利要求1所述的消光/光度兼容式自動橢偏儀,其特征在于所述的光源(1)為He-Ne激光器。
3.根據權利要求1所述的消光/光度兼容式自動橢偏儀,其特征在于所述的起偏器(2)為二向色性起偏器,或雙折射起偏器,或反射起偏器,能將任意光波變換成線偏振光。
4.根據權利要求1所述的消光/光度兼容式自動橢偏儀,其特征在于所述的檢偏器(10)為二向色性起偏器,或雙折射起偏器,或反射起偏器,能將任意光波變換成線偏振光。
5.根據權利要求1所述的消光/光度兼容式自動橢偏儀,其特征在于所述的補償器(5)為云母1/4波片,或石英1/4波片,能使光波的兩個垂直分量產生90°位相延遲。
6.根據權利要求1所述的消光/光度兼容式自動橢偏儀,其特征在于所述的樣品臺(8)為三維可調樣品臺。
7.根據權利要求1所述的消光/光度兼容式自動橢偏儀,其特征在于所述的樣品(7)為一反射式平面樣品,為薄膜樣品或塊狀材料。
8.根據權利要求1所述的消光/光度兼容式自動橢偏儀,其特征在于所述的樣品(7)為半導體,或導體,或電介質類型材料。
9.根據權利要求1所述的消光/光度兼容式自動橢偏儀,其特征在于所述的光電探測器(13)為光電二極管,或光電倍增管。
10.根據權利要求1所述的消光/光度兼容式自動橢偏儀,其特征在于所述的兩個步進電機(3、11)為永磁式,或反應式,或混合式步進電機。
11.根據權利要求1所述的消光/光度兼容式自動橢偏儀,其特征在于所述的兩個步進電機驅動器(4、12)為步進電機(3、11)對應的有細分功能的驅動器。
12.一種消光式自動橢偏測量方法,采用根據權利要求1所述的消化/光度兼容式自動橢偏儀進行測量,其特征在于測量的操作步驟如下①初始狀態起偏器(2)和檢偏器(10)的透光軸與樣品表面平行;②步進電機(3)經步進電機驅動器(4)細分后帶動起偏器(2)旋轉,由探測到的光強信號的最小值得到起偏角P;③由計算機(15)控制步進電機驅動器(4)使步進電機(3)帶動起偏器(2)的透光軸定位至起偏角P;④然后由步進電機(11)經步進電機驅動器(12)細分后帶動檢偏器(10)旋轉,由探測到的光強信號的最小值得到檢偏角A;⑤由P和A計算得出此角度下的橢偏參數Ψ、Δ;⑥由橢偏參數通過數值反演程序得出薄膜樣品的待求參數,例如膜層厚度,折射率和消光系數等。
13.一種光度式自動橢偏測量方法,采用根據權利要求1所述消光/光度兼容式自動橢偏儀進行測量,其特征在于測量的操作步驟如下①初始狀態起偏器(2)和檢偏器(10)的透光軸與樣品表面平行;②步進電機(3)經步進電機驅動器(4)細分后帶動起偏器(2)旋轉,步進電機(11)經步進電機驅動器(12)細分后帶動檢偏器(10)旋轉;③由計算機(15)控制步進電機(3、11)的同步性,步進電機(3、11)的旋轉速率比為1∶2;④由計算機(15)對采集的光強信號進行傅立葉分析,由傅立葉系數得出橢偏參數Ψ、Δ;⑤由橢偏參數通過數值反演程序得出薄膜樣品的待求參數,例如膜層厚度,折射率和消光系數等。
全文摘要
本發明涉及一種消光/光度兼容式自動橢偏儀和測量方法。橢偏儀的結構是一單色光源,在該光源發出光的前進方向上依次放置起偏器、補償器、光闌、樣品臺、光闌、檢偏器和光電探測器。其中起偏器和檢偏器可由步進電機帶動旋轉,步進電機的旋轉狀態經步進電機驅動器受電子計算機的控制。光電探測器探測的光強信號經數據采集卡傳至電子計算機進行數據處理,實現對樣品待求參數的定量測量。該儀器消光和光度模式的轉換由計算機程序控制,實現自動化,操作簡便。該儀器工作在光度模式下測量數據具有自洽性,且能消除橢圓旋向的不確定性。
文檔編號G01N21/41GK101093176SQ200710038759
公開日2007年12月26日 申請日期2007年3月29日 優先權日2007年3月29日
發明者王凡凡, 姚波 申請人:上海大學