专利名称：薄膜厚度和折射率的成像检测法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明是一种用于快速检测薄膜厚度和折射率显微图像的方法及其设备，属于椭偏测量技术领域。
椭圆偏振测量技术是利用偏振光束在界面或薄膜上反射或透射时出现的偏振态的变化，从而得知有关的物理化学性质。椭偏仪具有测量精度高的显著优点，它能同时分别测量多个物理量，并能区分不同的物理效应，是一种非破坏性测量。因而它在物理学、化学、材料学、生物学、光学、电子学、冶金学和生物医学等方面具有广泛的应用。普通的椭偏仪一般采用手动消光法进行测量，这种椭偏仪在实际测量过程中调整复杂和困难，测量周期长，限制了它的使用范围，不能适应追踪快速反应和样品表面的测量，或者多样品、多波长、多入射角地进行大批量测量的需要。为了提高测量速度，通常采用两种方案一是利用伺服系统自动完成消光，它采用由计算机控制的步进马达来驱动偏振器和检偏器，经过苦干次反复调整后实现消光；另一种是采用光度法，它通过旋转、摆动或调制光路中某些光元件，同时测量记录下光的强度，再经过对信号的傅利叶分析来获取待测样品的各种参数，由于在测量过程中无需调光，因而测量速度可以大大提高。当前，国外出现了扫描成像椭偏仪(SIE)，其特点是将入射光聚焦成微小的一点对样品的整个表面进行扫描，从而获取样品表面图像信息，其几何分辨率可达10μm，这种仪器虽然有较高的测量精度，但成像速度慢，对于测量样品表面随时间变化的情况，其图像信息不能反映样品表面同一时刻的状态，不能用于对样品表面变化的实时动态观察。
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可以一次性同时获得样品各处表面信息图像的内方法及其专用设备，它不仅可以检测样品表面的状况，还可以对样品表面的变化进行实时动态观察。
本发明的检测方法是采用专用设备对样品表面状况进行一次性成像，再根据成像的信息得出样品的厚度和折射率等参量，其特点是首先采用入射光状态调节器获得所需的椭圆偏振光，并让其照射到样品表面；其次是采用反射光检测器测得不同偏振角度的偏振光强度；第三是采用信号处理器求出椭偏参数ψ和Δ，并求解椭偏方程得出样品表面各点的膜厚和折射率及其灰度值；最后在显示器上显示图像。
本发明的专用设备可以由入射光状态调节器、样品架、反射光状态检测器、信号处理器和显示器组成，其特点是入射光状态调节器采用光源、光强调节装置、起偏器和补偿器串连结构，由可提供准直单色光的光源发出的光，由光强调节装置获得所需的光强，再由起偏器调节入射光的偏振方向，由补偿器将线性偏振光转变成椭圆偏振光，然后照射到样品；反射光状态检测器采用检偏器、显微成像装置、多路光电探测器和光强信号采集器串连结构，入射光经样品反射后，由检偏器检测出反射光在指定方向上的偏振分量，经用于提高成像几何分辨率的显微成像装强，由多路光电探测器一次性获得样品表面各点的亮度信号，再由光强信号采集器对亮度信号进行A/D转换后送到信号处理器，信号处理器根据得到的样品厚度、折射率及相应灰度值，使显示器显示出样品表面状况的图像。入射光状态调节器的光强调节装置可采用滤光片，为了能够连续调节入射光强度，光强调节装置可采用涤纶偏振片。为了能同时获取样品表面各点的亮度信号，多路光电探测器可采用CCD(成像电荷耦合器件)摄像头，光电信号采集器可采用带A/D转换功能的图像采集卡。
本发明与现有技术相比，具有成像速度快、样品图像的像素一致性好等优点，其成像速度比扫描成像椭偏仪高上千倍。由于采用一次性同时获取样品表面各点的数据，因而测出的结果反映样品同一时刻的状态，对于需要观察样品表面随时间变化的场合，可实时观察动态表面图像并制成专用设备。
图1为本发明的专用设备结构示意图；图2为实时动态成像椭偏仪的结构示意图。
本发明的检测方法可按以下方案实现先开启由氦氖激光器构成的光源，使其发出稳定的单色平行光(例6328A激光)；旋转由偏振片构成的光强调节装置，以便得到所需的入射光强度；调整起偏器并固定入射光的偏振方向；采用1/4波长片作为补偿器，将线性偏振光转变为椭圆偏振光；用检偏器滤除不需要的偏振光，而只通过反射光中的某一方向的偏振分量，采用显微成像装置提高成像的几何分辨率，用CCD摄像头和图像采集卡将样品表面各点反射光中的该方向的偏振分量强度记录下来，通过旋转检偏器的一定角度就可得到一组数据，旋转N(N≥8)次，每次旋转的度数相同，使检偏器转过180°，可得N组数据；采用信号处理器求得样品表面各点的膜厚和折射率及其灰度值，设I1为对应于检偏器方位角为A1时的反射光强度，N次数据可作傅利叶级数展开而求得椭偏参数ψ和Δa0=-Σi=1Ii,a1=-Σi=1IiCOS2Ai,b=-Σi=1IiLin2Ai]]>ψ＝-COS-1(-a1/a0)Δ=COS-1‾a02-a12]]>求解椭偏方程得出样品表面各点的膜厚和折射率tgψejΔ＝—— ＝ρr(No，N1，N2，d1，0，λ)其中Rp和Rs分别为入射波P偏振光和S偏振光时，薄膜的复反射系数，d1为薄膜厚度0为入射角，入为平面波的波长，N0，N1和N2分别为环境介质、薄膜以及基底的折射率。将所得出的数据中的最大值和最小值定义为灰度的最大值和最小值，以此为参照系，将其它数据按对数关系求出相应的灰度值；最后在监视器上显示出图像。
为了能实时观察样品表面状态的变化，可采用图2所示的实时动态成像椭偏仪来实现实时观察。
本发明的专用设备可按附图所示的方案实现。图1中的入射光光源(1)可采用5mw氦氖激光器，以便能提供准直单色光(例如波长为6328A激光)；光强调节装置(2)可采用滤光片或涤纶偏振片；起偏器(3)采用可调节入射光的偏振方向的涤纶偏振片；补偿器(4)采用可将线性偏振光转变成椭圆偏振光的1/4波长片；样品(5)放置在样品架上。入射光经样品(5)反射后的反射光，可由反射光状态检测器进行检测。反射光状态检测器可由检偏器(6)、显微成像装置(7)和大面积光强信号采集器(8)构成，检偏器(6)采用涤纶偏振片构成的可旋转检偏器，用于检测反射光在指定方向上的偏振分量；用于提高成像几何分辨率的显微成像装置(7)可采用XSP-12型显微镜改制而成；大面积光强信号采集器(8)可采用多路光电探测器和光强信号采集器构成，多路光电探测器可采用MTV-1501CB型CCD摄像头，它可以同时获取样品表面各点的亮度信号，光电信号采集器可采用V256-A图像采集卡，它可以将亮度信号进行A/D转换，以便将信号存入计算机进行信号处理。信号处理器可采用486DX-33型微机，显示器可采用普通黑白监视器，计算机控制旋转检偏器的步进电机转动，由CCD图像采集器得到一组与检偏器所在角度对应的光强数据，经信号处理后可在显示器上得到一组图像，其灰度值与样品被测区域的厚度、折射率等物理量的值对应。一种实时动态成像椭偏仪结构如图2所示。入射光状态调节器可由光源(1)、起偏器(3)和入射角自动调节装置(9)构成，它可以根据需要而自动调节入射光的状态。反射光状态检测器可由检偏器(6)、多路光电探测器(10)和光强信号采集器(11)构成，多路光电探测器采用面阵CCD像光，光强信号采集器采用射极跟随器、前置放大器、缓冲器和A/D转换器串连结构，(12)为计算机。它具有电路简洁可靠、数据可靠性高和数据定位准等特点。入射角自动调节装置、检偏器自动旋转装置和光电信号采集器等均与计算机连接，由计算机实行自动控制，从而实现全自动实时动态成像。本发明的专用设备的各个部件和装置也可以采用与实施方案具有相同功能和性能相近的同类产品实现。
权利要求
1.一种用于快速检测薄膜厚度和折射率的成像检测法，其特征在于首先采用入射光状态调节器获得所需的椭圆偏振光，并让其照射到样品表面；其次是采用反射光检测器测得不同偏振角度的偏振光强度；第三是采用信号处理器求出椭偏参数ψ和Δ，并求解椭圆方程得出样品表面各点的膜厚和折射率及其灰度值；最后在显示器上显示出图像。
2.根据权利要求1所述的薄膜厚度和折射率的成像检测法，其特征在于采用入射光状态调节器获得所需的椭圆偏振光为先开启激光光源，用光强调节装置调整光强，用调整起偏器确定入射光的偏振方向，再用补偿器将线性偏振光转变为椭圆偏振光。
3.根据权利要求1所述的薄膜厚度和折射率的成像检测法，其特征在于采用反射光检测器测得不同偏振角度的偏振光是采用检偏器获得不同方向的偏振分量，用显微成像装置提高成像的几何分辨率，用CCD摄像头和图采集卡记录下样品表面各点反射光中的不同方向的偏振分量的信息数据。
4.根据权利要求1、2或3所述的薄膜厚度的折射率的成像检测法，其特征在于信号处理器根据测得的N组信息数据进行傅利叶级数展开，得到椭偏参数ψ＝—COS-1(-a1/a0)Δ=COS-1‾a02-a12]]>再用椭偏方程tgψejΔ＝——＝ρr(N0，N1，N2，d1，0，λ)求得样品表面各点的膜厚和折射率。
5.一种用于快速检测薄膜厚度和折射率的成像检测设备，由入射光状态调节器、样品架、反射光状态检测器、信号处理器和显示器组成，其特征在于入射光状态调节器采用光源、光强调节装置、起偏器和补偿器串连结构，反射光状态检测器采用检偏器、显微成像装置、多路光电探测器和光电信号采集器串连结构。
6.根据权利要求5所述的薄膜厚度和折射率的成像检测设备，其特征在于光强调节装置采用滤光片或涤纶偏振片。
7.根据权利要求5所述的薄膜厚度和折射率的成像检测设备，其特征在于多路光电探测器采用CCD摄像头，光电信号采集器采用带A/D转换器的图像采集卡。
8.根据权利要求5、6或7所述的薄膜厚度和折射率的成像检测设备，其特征在于多路光电探测器采用面阵CCD像元，光电信号采集器采用射极跟随器、前置放大器、缓冲器和A/D转换器串连结构。
全文摘要
薄膜厚度和折射率的成像检测法及其设备采用入射光状态调节器获得所需的椭圆偏振光，用反射光检测器测得不同偏振角度的偏振光强度，用信号处理器求解椭偏方程而得出样品表面各点的膜厚和折射率及其灰度值，再由显示器成像，入射光调节器采用光源、光强调节装置、起偏器和补偿器构成，反射光检测器由检偏器、显微成像装置、多路光电探测器和信号采集器构成，具有成像速度快、像素一致性好等优点。
文档编号G01N21/41GK1144906SQ9511118
公开日1997年3月12日 申请日期1995年9月6日 优先权日1995年9月6日
发明者陆祖宏, 顾一平 申请人:东南大学