[发明专利]一种多波长入射单发椭偏测量方法

说明书

本发明涉及一种多波长入射单发椭偏测量方法，首先提供宽光谱激光光源、宽带偏振片、样品、扩束镜、宽带1/4波片、晶体斜劈、宽带检偏器、狭缝、透射光栅、成像屏、面阵相机以及计算机，通过双折射晶体斜劈的偏光干涉将光偏振态的变化转换成一维条纹光斑的移动，采取合理光路设计将多波长入射光对应的条纹分布在另外一个维度上，利用图像技术对光斑内的多组条纹进行定位和处理，在单次测量中即可获得各个波长对应的偏振态信息。本发明的测试方法无机械旋转或光学调制器件，而且测量结果与光强波动无关，可以极大减小系统的测量误差，提高测量的稳定性。本发明的测量速度只受限于相机采集速度，结合高速线阵相机，可以将时间分辨率缩短到毫秒以下。

技术领域

本发明涉及光学偏振态测量的应用领域，特别是一种多波长入射单发椭偏测量方法。

背景技术

椭偏测量技术与传统的偏光测量技术相比具有测量精度高、数据测量重复率高、不用与样品接触对样品造成的破坏性最小等特点，被广泛应用于光学工业、电子工业、金属材料工业、化学工业及物理学、化学、生物学和医学研究等许多领域中。该专利利用偏光干涉原理和多波长入射光路结构,通过单次测量可以同时获得多组对应不同入射波长的椭偏数据，从而实现多组椭偏数据的实时在线测量技术。本发明可以大幅提高多波长入射椭偏参数检测的速度和工业应用中的检测效率，还有望将快速椭偏测量应用于对物理、生物和化学等微观领域的动态过程研究中。

椭偏仪通过精密测量特定波段或入射角下样品透射或反射光的椭偏参数(即互相垂直的偏振分量的振幅比和相位差)来获得样品的光学参数。通过对不同入射角或者不同波段椭偏参数进行测量，可以获得样品一系列光学参数例如：薄膜厚度，复合膜中各成分的组分，介电常数，晶体双折射率等。椭偏测量技术具有测量精度高、数据测量重复率高、不用与样品接触对样品造成的破坏性小等特点，被广泛应用于薄膜制造业、集成电路制造业、半导体行业、化学工业及物理学、化学、生物学和医学研究等许多领域中。目前国外椭偏仪已从实验室阶段走向市场，主流研究生产椭偏仪的公司有美国的Woollam、法国的SOPRA、日本的Horiba等等公司。其中Woollam公司的产品占市场主导地位，其产品的工作波段覆盖了深紫外、可见光以及近红外等各个波段。但是随着椭偏技术应用在动态监测和基础学科动力学研究中的扩展，开发快速多参数测量的椭偏测量技术日益成为该领域的研究热点。例如在在半导体工艺方面，工艺控制是集成电路制造过程中的关键，急需一种无损、快速的在线测量来实时监测薄膜的生长情况反馈给工艺控制系统；在生物医学领域研究蛋白质与其外表面的吸附过程，抗体与抗原之间的免疫反应；在物理化学领域研究分子或原子间的物理吸附和化学吸附过程等都需要高时间分辨的实时测量手段。

现有的椭偏仪大多采用消光式和光度式两种方式。在早期的消光式椭偏仪中消光位置的确定需要手动完成，过程比较缓慢。若进行多角度或者多波长测量获取大量数据，手动调节需要的时间较长。改进方法有在起偏器和检之间放置法拉第盒或者位调制器，通过对偏振面或者相位进行调制而得到调制消光椭偏仪。但总体而言消光式椭偏仪首先需要精确判断偏振元件的方位角然后再进行测量，单组测量时间通常大于1秒，若需要测量多组椭偏参数所需的时间更长。而光度式椭偏仪主要是把探测器接收到的光强信号进行傅里叶分析由傅里叶分析得出椭偏参量。相较于消光式椭偏仪，由于省略了确定偏振器件的方位角这一步骤，所以测量速度相对提高了很多。但是受光强多次测量和傅里叶变换算法的限制，目前高端光度式椭偏仪产品中单组椭偏数据测量的时间分辨为几十毫秒量级，而进行多角度或者多波长椭偏数据测量则需要手动或者机械调节光路结构，所需时间更长。这对于实时监控和动力学研究中所需的毫秒甚至微秒量级的时间分辨而言还有较大的差距。进一步提高时间分辨受到角度调节或者波长调节、数据采集以及反演算法等各个环节所需的时间限制，存在技术瓶颈。

因此要发展提高椭偏仪的时间分辨首先应当避免采用多次测量方式，特别是在多参数测量中应当避免手动或者电动调节方式而采用单发测量技术；其次需要改进椭偏测量的数据采集方式和反演算法而实现高速测量。

发明内容