[发明专利]用于椭偏测量系统中入射角度自动探测的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其是一种用于椭偏测量系统中入射角度自动探测的装置和方法。

背景技术

椭偏测量技术是表征纳米薄膜的重要手段之一，它利用探测光波经表面反射时偏振态的变化来探测样品的信息(如，折射率n、消光系数k、纳米薄膜的厚度、表面粗糙度、材料电子振动信息等)。该技术的优点在于：(1)测量时对样品无扰动、无破坏性，因此可进行实时测量、离体乃至在体测量；(2)灵敏度可达到原子层量级的分析水平，因此可对纳米薄膜进行高灵敏度的探测；(3)对样品材料几乎无限制，可适合于绝缘体、导体、半导体；(4)对环境要求低，无需真空等特殊条件，在普通实验环境中就可进行。基于其优点，该技术已广泛应用于微电子工业、表面材料和生物医学等领域。

利用椭偏测量技术获得样品的参数(如，折射率、消光系数、薄膜厚度等)的一般步骤是：(1)利用椭偏测量系统得到样品的椭偏角(ψ和Δ)；(2)对样品进行模型化，即建立椭偏角与样品参数的关系；(3)利用数据拟合的方法获得样品的参数。因此，在利用椭偏测量技术对样品进行分析时，最基本的任务是利用椭偏测量系统获得样品的椭偏角(ψ和Δ)。

椭偏测量系统基本的结构为：起偏臂、样品、检偏臂、基板。其中起偏臂用来发出偏振态已知的偏振探测光；检偏臂用来对经样品反射后的光波偏振态进行调制、并将光能量转化成电信号；基板用来支撑起偏臂和检偏臂。起偏臂的光轴与样品表面法线之间的夹角为探测光的入射角，检偏臂的光轴与样品表面法线之间的夹角为探测光的反射角。椭偏测量的步骤一般是：起偏臂发出的偏振探测光，以一定的入射角度入射到样品表面上，样品对入射光波的幅值和相位进行调制，从而使得反射光波的偏振态发生变化，再经过检偏臂中的补偿器、检偏器、光电传感器，进而获得光波的强度。

椭偏测量系统对样品进行测量时，需要建立椭偏角(ψ和Δ)与样品参数(比如，薄膜厚度、折射率n、消光系数k等)的关系，即对样品进行模型化，并利用模型对椭偏测量系统实际测量获得的椭偏角(ψ和Δ)进行拟合，从而获得样品的参数值。因为椭偏角(ψ和Δ)不仅与样品参数值有关系，而且还是入射角、波长、偏振器件的方位角和位相延迟等参数的函数，因此入射角度的正确设定和读取就非常重要。此外，入射角度的重要性还表现在：(1)当入射角度设置在样品基底的Brewster角附近时，测量灵敏度最高；(2)通过在不同的入射角度下对样品进行测量，可以获得样品的更多未知参量(比如，薄膜厚度、折射率n、消光系数k等)。

由此可以看出，当利用椭偏测量系统对样品进行测量时，要求起偏臂的光轴与样品表面法线所形成的入射角等于检偏臂与样品法线所形成的反射角，并准确获知该角度值。原因在于：(1)起偏臂的光轴与样品法线所形成的角度为探测光的实际入射角；(2)若入射角不等于反射角，则检偏臂可能接收不到样品反射回来的探测光，导致测量错误；(3)可以避免椭偏角(ψ和Δ)与样品参数之间建立起来的模型中的入射角度与实际入射角度不一致，从而可导致得到的拟合结果错误。因此，在实际的椭偏测量系统中，对探测光入射角度的自动探测是一个重要的基本问题，同时也是椭偏测量系统进行自动化的一个重要内容。

解决上述问题的现有方法是：(1)直接人工保障起偏臂与检偏臂所处的角度一致，并人工读取起偏臂和检偏臂所处的角度值：这种方法不需要任何硬件装置，完全由人工完成，非常简单。但有很多缺陷，如：(a)容易因人为调节错误或读数错误，导致起偏臂与检偏臂所处的角度不一致，检偏臂可能接收不到探测光；(b)容易因人为失误，造成输入到计算机中建模的入射角与实际探测光的入射角不一致，导致数据分析的结果错误；(c)每次测量后，入射角度值设备无法自动记录，需要人工记录，效率非常低，也容易造成人为错误，影响测量结果。(2)采用光电编码器获得当前的入射角和反射角，该方法能实现测量的自动化，但要求光电编码器与旋转中心严格同心，对安装的要求高，另一方面，光电编码器的价格昂贵，对于分立入射角度的椭偏测量系统尤其如此。(3)不采用任何的角度探测，依靠步进电机脉冲技术的方式进行开环控制来获得入射角，此方法成本低，但存在电机失步的问题，从而影响了对入射角度的测量精度。由此可见，在椭偏测量系统中，目前的人工方法、或采用光电编码器的方法、或开环步进电机控制的方式难以满足成本低、快速、高效、自动化、高可靠性等要求的应用场合。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、快速、稳定可靠的用于椭偏测量系统中入射角度自动测量的装置，本发明的进一步目的在于提供一种应用上述装置实现对入射角度自动探测的方法。