[发明专利]一种椭偏测量装置

说明书

技术领域

本发明属光学精密测量领域，特别涉及一种椭偏测量装置。

技术背景

椭圆偏振法是一种测量和研究材料表面及其膜层特性的先进方法，具有测量灵敏度和精度高、快速及非接触等优点，广泛应用于固体和液体表面光学参数的检测，特别适用于纳米级薄膜厚度、折射率及消光系数等参数的精密测量，也可用于镀膜过程和工艺的实时监控，在半导体器件、功能材料分析、化学反应过程观察和生物医学样品检测等领域有重要应用。

目前，国内外有各种型号和功能的椭偏仪，用于测量光滑或微粗糙(粗糙度小于几十nm)表面及其薄膜的光学参数，但不适合于大起伏粗糙面(粗糙度大于1μm)、不规则表面或受损表面样品，如样品表面有划痕、磨损或霉变斑点等。这直接限制了椭偏技术的推广和应用。主要原因在于大起伏粗糙表面的强漫反射或不规则散射，使光斑的光强和光束偏振分布不均匀，而且到达探测器的光强很弱。

随着纳米薄膜技术的迅速发展，已出现了在半导体材料、金属、玻璃和陶瓷等大起伏粗糙表面镀膜的研究和应用，这些材料表面不但粗糙度比较大，而且表面不平整，带有规则或不规则的曲面，如球面、抛物面或双曲面等。对大起伏粗糙表面及其薄膜特性的测量提出了迫切要求。然而，当前没有有效和实用的方法来测量大起伏粗糙表面及其薄膜的纳米级薄膜厚度、折射率、吸收系数与波长的关系等光学参数。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种带透镜空间滤波组件的椭偏测量装置，其不但具有常规椭偏仪的功能及测量光滑表面样品，而且适合于非光滑面或大起伏粗糙面(粗糙度大于1μm)的纳米级薄膜厚度、折射率等薄膜光学参数的测量和吸收系数与波长的关系等特性分析。

本发明装置的基本设计思路和工作过程如下：

在传统椭偏测量系统中，位于样品与检偏器之间增加一套透镜空间滤波组件，使非光滑面或粗糙面反射的散射光经该组件后，选择出平行于出射光轴的平行光，它带有样品相应光滑表面的各种信息，对它偏振状态的探测、采集、处理和分析，可得到样品表面的许多光学特性和信息，如薄膜厚度、折射率和消光系数等。本发明装置适合于各向同性材料的光滑面或非光滑面及其薄膜的测量。

图1是本发明装置光路原理图。入射平行光束经起偏器1和1/4波片2后入射非光滑面样品3的粗糙表面，经其反射的漫射光或散射光通过小孔光阑4限束后选出透镜5光轴附近的光束，在透镜5的后焦面上放置空间滤波器6，获取样品相应光滑面的平行于出射光轴的平行光，经检偏器7和聚光镜8后由光电探测器9接收和检测。

可以证明，在一定的偏振转角测量精度下，光束在透镜光轴附近入射时，单透镜5引入的附加偏振角变化可以忽略。下面以消光椭偏测量过程为例，分析非光滑面椭偏测量原理。假设样品是各向同性的且进入小孔光阑4的光束偏振一致，为了推导方便，仅考虑在入射面内通过小孔光阑4边缘的两条光线。它们到达探测器9的光强表达式分别为：

I_D1＝c[sin²(A-A_n1)+sin2Asin2A_n1sin²(P-P_n1)]    (1)

I_D2＝c[sin²(A-A_n2)+sin2Asin2A_n2sin²(P-P_n2)]    (2)

式中c为常数，A_n1、P_n1和A_n2、P_n2分别为两条光线中对应的起偏器和检偏器消光角，P和A分别为起偏器和检偏器的方位角，则探测器接收到的总光强为：

I_D＝I_D1+I_D2

＝c′[sin²(A-A_n1)+sin²(A-A_n2)+sin2Asin2A_n2sin²(P-P_n2)    (3)

+sin2Asin2A_n1sin²(P-P_n1)]