一種多角度入射單發橢偏測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光學偏振態測量的應用領域，是一種多角度入射單發橢偏測量方法。
【背景技術】
[0002] 橢偏測量技術與傳統的偏光測量技術相比具有測量精度高、數據測量重復率高、 不用與樣品接觸對樣品造成的破壞性最小等特點，被廣泛應用于光學工業、電子工業、金屬 材料工業、化學工業及物理學、化學、生物學和醫學研究等許多領域中。該專利利用偏光干 涉原理和多角度入射光路結構，通過單次測量可以同時獲得多組對應不同入射角度的橢 偏數據，從而實現多組橢偏數據的實時在線測量技術.該專利可以大幅提高多角度入射橢 偏參數檢測的速度和工業應用中的檢測效率，還有望將快速橢偏測量應用于對物理、生物 和化學等微觀領域的動態過程研究中。
[0003] 橢偏儀通過精密測量特定波段或入射角下樣品透射或反射光的橢偏參數（即互 相垂直的偏振分量的振幅比和相位差）來獲得樣品的光學參數。通過對不同入射角或者 不同波段橢偏參數進行測量，可以獲得樣品一系列光學參數例如：薄膜厚度，復合膜中各 成分的組分，介電常數，晶體雙折射率等。橢偏測量技術具有測量精度高、數據測量重復率 高、不用與樣品接觸對樣品造成的破壞性小等特點，被廣泛應用于薄膜制造業、集成電路 制造業、半導體行業、化學工業及物理學、化學、生物學和醫學研究等許多領域中。目前國 外橢偏儀已從實驗室階段走向市場，主流研究生產橢偏儀的公司有美國的Woollam、法國的 S0PRA、日本的Horiba等等公司。其中Woollam公司的產品占市場主導地位，其產品的工作 波段覆蓋了深紫外、可見光以及近紅外等各個波段。但是隨著橢偏技術應用在動態監測和 基礎學科動力學研究中的擴展，開發快速多參數測量的橢偏測量技術日益成為該領域的研 究熱點。例如在在半導體工藝方面，工藝控制是集成電路制造過程中的關鍵，急需一種無 損、快速的在線測量來實時監測薄膜的生長情況反饋給工藝控制系統；在生物醫學領域研 究蛋白質與其外表面的吸附過程，抗體與抗原之間的免疫反應；在物理化學領域研究分子 或原子間的物理吸附和化學吸附過程等都需要高時間分辨的實時測量手段。
[0004] 現有的橢偏儀大多采用消光式和光度式兩種方式。在早期的消光式橢偏儀中消光 位置的確定需要手動完成，過程比較緩慢。若進行多角度或者多波長測量獲取大量數據，手 動調節需要的時間較長。改進方法有在起偏器和檢之間放置法拉第盒或者位調制器，通過 對偏振面或者相位進行調制而得到調制消光橢偏儀。但總體而言消光式橢偏儀首先需要精 確判斷偏振元件的方位角然后再進行測量，單組測量時間通常大于1秒，若需要測量多組 橢偏參數所需的時間更長。而光度式橢偏儀主要是把探測器接收到的光強信號進行傅里葉 分析由傅里葉分析得出橢偏參量。相較于消光式橢偏儀，由于省略了確定偏振器件的方位 角這一步驟，所以測量速度相對提高了很多。但是受光強多次測量和傅里葉變換算法的限 制，目前高端光度式橢偏儀產品中單組橢偏數據測量的時間分辨為幾十毫秒量級，而進行 多角度橢偏數據測量則需要手動或者機械調節光路結構，所需時間更長。這對于實時監控 和動力學研究中所需的毫秒甚至微秒量級的時間分辨而言還有較大的差距。進一步提高時 間分辨受到角度調節或者波長調節、數據采集以及反演算法等各個環節所需的時間限制， 存在技術瓶頸。
[0005] 因此要發展提高橢偏儀的時間分辨首先應當避免采用多次測量方式，特別是在多 參數測量中應當避免手動或者電動調節方式而采用單發測量技術；其次需要改進橢偏測量 的數據采集方式和反演算法而實現高速測量。
【發明內容】
[0006] 有鑒于此，本發明的目的是提供一種多角度入射單發橢偏測量方法，本測試方法 無機械旋轉或光學調制器件，測量速度只受限于相機采集速度，而且測量結果與光強波動 無關，可以極大減小系統的測量誤差，提高測量的穩定性。無論對提高工業監測的效率還是 拓展橢偏技術的在基礎研究中的應用都將具有重大意義。
[0007] 本發明的實現方法采用以下方案實現：一種多角度入射單發橢偏測量方法，其特 征在于包括以下步驟：
[0008] 步驟Sl :提供激光束聚焦柱透鏡、樣品、準直柱透鏡、1/4波片、晶體斜劈、檢偏器、 成像屏、面陣相機以及計算機；
[0009] 步驟S2 :選取一合適波長的偏振激光光源進行擴束，激光光束經過聚焦柱透鏡后 形成不同入射角度入射至樣品上，所述激光光束在樣品表面聚焦形成線狀光斑反射后形成 反射光斑，此時不同入射角度的反射光斑的橢偏參數Φ和△不同；
[0010] 步驟S3 :所述準直柱透鏡放置在所述樣品的反射方向，所述反射光斑經入射至所 述準直柱透鏡后形成圓形光斑，所述圓形光斑的一部分經1/4波片入射至所述晶體斜劈， 所述圓形光斑的另一部分直接入射到所述晶體斜劈；所有圓形光斑由所述晶體斜劈射出后 經所述檢偏器在所述成像屏上形成多組分別對應不同入射角的橢偏參數Φ和A的干涉條 紋。
[0011] 步驟S4 :采用面陣相機對所述的干涉條紋同時進行采集，得到干涉條紋的光強數 據。
[0012] 步驟S5 :采用計算機中的處理系統對所述的光強數據進行濾波和除背景處理，得 到不同入射光對應的波峰波谷位置，再與標準偏振光產生地波峰波谷位置進行對比，計算 出樣品的橢偏參數Φ和A。
[0013] 步驟S6 :結合橢偏方程，由所述步驟S5中的橢偏參數計算出樣品的光學參數。
[0014] 進一步的，所述的晶體斜劈為劈角為Θ的雙折射晶體。由于晶體的雙折射特性， 所通過的〇光和e光的相差與晶體厚度有關。斜劈狀的晶體將在光斑內引入沿劈角方向的 線性相差分布，經檢偏器形成等間距干涉條紋。對所述條紋進行定位可以測量由樣品光學 性質引入的相偏振態變化，實現橢偏測量。
[0015] 進一步的，所述激光光束經過所述聚焦柱透鏡后以一定范圍的入射角入射至樣品 上，其中一定范圍的入射角由選取的聚焦柱透鏡不同而不同，但是所述光束經聚焦柱透鏡 再由樣品反射后均能入射至準直柱透鏡內。
[0016] 進一步的，所述步驟S4中得到干涉條紋的光強數據的具體方法為：經過樣品反射 后形成反射光斑的瓊斯矩陣為
?利用瓊斯矩陣計算得到未經過1/4波片形 成的干涉條紋對應的光強為：Mx, Δ) = l/2+l/2sin2itcos(A + y (χ))，經過1/4波片的 光路產生的干涉條紋對應的光強為：
[0017] I2 ( Φ , A , x) = l/2 + sin2 Φ cos Δ cos γ (X) _2cos2 Φ sin γ (X)，其中
γ (X)為由劈角為θ的晶體斜劈引入的相位差，1^與1^分別為 〇光和e光的折射率差，X為晶體斜劈的橫向位置坐標，Φ和△為橢偏參數。
[0018] 較佳的，本發明通過單次曝光實現橢偏測量光路，結合所述面陣相機提供高時間 分辨。
[0019] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：（1)采用單次曝光實現多角度橢偏測量， 結合高速面陣相機對多角度橢偏測量的時間可以縮短至毫秒量級，可較大提高橢偏測量效 率，拓展應用范圍。（2)由于測量結果與光源功率無關，測量結果不受光源功率波動的影響， 而且是線性測量，有利于提高橢偏測量的精度和可靠性。（3)本發明采用的光路緊湊穩定， 可提高測試光路的長期穩定性。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明采用的橢偏測量方法光路圖。
[0021] 圖2為本發明中雙折射晶體結構示意圖。
[0022] 圖3為本發明中多角度橢偏測量的干涉條紋圖樣。
[0023] 標號說明：1為激聚焦柱透鏡、2為樣品、3為準直柱透鏡、4為1/4波片、5為晶體 斜劈、6為檢偏器、7為成像屏、8為面陣相機、9為計算機。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
[0025] 本實施例提供，一種多角度入射單發橢偏測量方法，其特征在于包括以下步驟：
[0026] 步驟Sl :提供激光束聚焦柱透鏡、樣品、準直柱透鏡、1/4波片、晶體斜劈、檢偏器、 成像屏、面陣相機以及計算機；
[0027] 步驟S2 :選取一合適波長的偏振激光光源進行擴束，光光束經過所述聚焦柱透鏡 后形成不同入射角度入射至樣品上，所述激光光束在樣品表面聚焦形成線狀光斑再經所述 樣品反射后形成反射光斑，不同入射角度形成的反射光斑的橢偏參數不同；
[0028] 步驟S3 :所述準直柱透鏡放置在所述樣品的反射方向，所述反射光斑入射至所述 準直柱透鏡后形成圓形光斑，所述圓形光斑的一部分經1/4波片入射至所述晶體斜劈，所 述圓形光斑的另一部分直接入射到所述晶體斜劈；所有圓形光斑由所述晶體斜劈射出后經 所述檢偏器在所述成像屏上形成多組分別對應不同入射角度的干涉條紋。
[0029] 步驟S4 :采用面陣相機對所述的干涉條紋同時進行采集，根據橢偏參數得到干涉 條紋的光強數據。
[0030] 步驟S5 :采用計算機中的處理系統對所述的光強數據進行濾波和除背景處理，得 到不同入射光對應的波峰波谷位置，再與標準偏振光產生地波峰波谷位置進行對比，計算 出所述樣品的橢偏參數。
[0031] 步驟S6 :結合橢偏方程，由所述步驟S5中的橢偏參數計算出所述樣品的光學參 數。
[0032] 在本實施例中，如圖1所示，采用激聚焦柱透鏡I、樣品2、準直柱透鏡3、1/4波片 4、晶體斜劈5、檢偏器6、成像屏7、面陣相機8以及計算機9組成