[发明专利]基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法

说明书

本发明属于光学测量相关技术领域，并具体公开了一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法。所述椭偏仪包括物镜、镜筒透镜以及关于其中心轴对称布置的照明光路模块和明场光路模块，照明光路模块包括光源、单色仪、光纤、起偏臂以及第一反射镜，明场光路模块包括第二反射镜、检偏臂以及明场检测器。所述方法包括选择指定波长和特征的偏振光，先后经过照明光路模块实现偏振测量的倾斜入射条件，然后引入反射镜和垂直物镜光路，经过明场光路模块和暗场光路模块，可以同时实现明场和暗场观察测量。本发明可实现纳米结构薄膜光学常数以及膜厚、纳米结构特征线宽、线高、侧壁角等几何参数的全视场高分辨率、低成本、非破坏性精确测量。

技术领域

本发明属于光学测量相关技术领域，更具体地，涉及一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法。

背景技术

目前常用的微纳测量仪器中，扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)都是使用超微探针在样品表面进行扫描；扫描电子显微镜(SEM)则是使用电子束打在样品上，整个测量过程需要在真空环境下进行。这几种仪器虽然测量精度和分辨率高，但是测量过程耗时长且具有破坏性，需要单独制样，成本高。对比之下光学无损检测通常具有低成本的优势，类似干涉测量和椭偏测量这样的方法具有快速，非接触，非破坏的特点。但是传统的干涉仪和椭偏仪的横向分辨率都有限，不能适应越来越小的结构尺寸，为此诞生的成像椭偏仪和同类变种，同时具有高横向分辨率和纵向分辨率，是一类很有前景的测量工具。

因为椭偏测量法在测量尺寸的同时也可以得到样品的光电特性，所以除了半导体制造领域之外，成像椭偏装置还广泛应用在很多科研领域。在二维材料的研究中，现在的二维材料制备方式中主要有机械剥离和化学生长两类方法。其中化学气相沉积(CVD)生长得到的样品尺寸大小有限，如MoS₂通常是边长几十微米的等边三角形，机械剥离得到的材料，如石墨烯，也需要测量确定其层数。传统的椭偏测量得到的是检测光斑区域内的平均信息，虽然可以使用微光斑系统来提升横向分辨率，但是受限于透镜和光源等因素的限制，分辨率很难小于50μm。为进一步提高其分辨率，在偏振光路中增加成像光路得到成像椭偏仪，横向分辨率可以达到1μm以下，可以很好的胜任对MoS₂这样的二维材料的厚度测量和光电特性的研究工作。其非接触，快速的测量特点也很适合用于生物材料和液体薄膜的测量，尤其是一些流体薄膜动态过程的观察。

现有技术中，像椭偏仪结构光路包括倾斜的起偏臂和检偏臂，通过在偏振测量光路上增加成像器件，实现了高分辨率的椭偏参数测量。不过这样的光路受限于倾斜入射条件下的物像关系和物镜景深，在成像过程中，清晰视场将被限制在一个狭窄的带状区域，这在一定程度上限制了该设备的使用范围。

因此，本领域亟待提出一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法，同时可以整合暗场观察设备，结合椭偏测量，实现对样品的全视场高分辨率测量。

发明内容