专利名称：入射角度扫描椭偏成像测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于材料折射率和厚度的定性或定量测量，特别是涉及一种对块状材料表面或纳米薄膜材料进行定性或定量测量的入射角度扫描椭偏成像方法和装置。
背景技术：
几何厚度为零点几至几十纳米的纳米薄膜材料在分子生物学、生物化学、电化学、材料学、微电子学等领域具有广泛的应用，已经成为近年来科学研究的热点。与此同时，纳米薄膜检测技术也得到迅速的发展，其中电子显微镜、扫描力显微镜、近场光学显微镜应用已比较广泛。
电子显微镜用电子射线作为探测光波对物体进行扫描成像，横向分辨率达到0.1纳米以下，如参考文献〔1〕坂田茂雄.电子显微镜技术.北京冶金工业出版社，1988.所述。扫描力显微镜利用尖锐的探针在物体表面上方扫描，根据针尖与样品相互作用得到样品的表面形貌，一般可以达到横向几纳米、纵向0.1纳米的分辨率。近场光学显微镜从物体表面近场区的电磁场—隐失场中提取物体信息，突破了传统光学显微镜在远场区域成像时的衍射极限，横向分辨率可以达到10-20纳米。
在纳米薄膜的检测中，很多情况下对膜层的分辨率只要纵向达到纳米量级，横向达到微米量级即可。在这种情况下，等离子体共振成像技术和椭偏成像测量技术应运而生。
表面等离子共振成像技术的基本原理是扩展的平行光束以接近表面等离子共振角度倾斜照射到棱镜底部的金属膜上，反射光束经过透镜后成像在像接收器件上，金属膜层表面上吸附膜层的厚度变化或光学折射率的变化将导致表面等离子共振反射图像中的光强变化。其厚度分辨率可达到次纳米量级，但要求基底必须是可产生等离子共振的金属。
椭偏成像测量技术是在传统椭偏术的基础上发展起来的一种新型超薄膜及表面检测技术。一束扩展的平行、准单色的偏振光光波倾斜入射到样品表面，样品对入射光波的偏振态进行调制从而使得反射光波中含有了样品的信息，反射光波经检偏器件后进入透镜进行成像。偏振器件在合适的设置下，从图像上可以得到样品的表面厚度或表面密度等分布信息。该技术在纵向上可达到次纳米量级的分辨率，横向达到微米量级的分辨率。现已应用于生物分子竞争吸附、自组装单分子膜层、蛋白质芯片、免疫传感器等方面，如参考文献〔2〕WANG Z H，JING.Feasibility of protein A for the oriented immobilization of immunoglobulin onsilicon surface for a biosensor with imaging ellipsometry.Journal of Biochemical andBiophysical Methods，2003，57(3)203-211.所述。
专利文献〔3〕Ralph F.Cohn，James W.Wagner，Dynamic imagingmicroellipsometry，USA Patent 5076696，Dec.31，1991.中，公开了一种基于起偏器—补偿器—样品—检偏器结构的椭偏成像装置，该装置利用光度法来测量样品表面的椭偏参数(Ψ、Δ)分布。其方法是设置检偏器的方位角分别为0°，45°，-45°，90°度时分别获取图像，然后读取起偏器和补偿器的方位角，通过光度计算可以得到膜层的椭偏参数值。再利用合适的物理模型对图像上各像素对应的薄膜上的点进行计算，从而得到膜层的性质(如，厚度信息等)。该方法在测量过程中只改变检偏器的方位角，通过四幅图像中对应点的灰度关系，就可以得到整个样品表面的椭偏参数。其缺点是固定入射角度进行测量的，因此无法实现测量多于两个未知参数的膜层体系。
椭偏成像技术基于布儒斯特角椭偏测量技术。它是用面阵CCD摄像机记录反射光的光强分布，然后利用像敏面上每个像素的灰度值计算对应薄膜上此处的折射率和厚度。该方法由于在材料的布儒斯特角进行测量，因此灵敏度很高。但利用固定入射角度在单波长下测量时只能得到最多两个位置参数，这也大大地限制了它的应用。
专利文献〔4〕Moshe Finarov，Method and apparatus for automatic opticalinspection，USA Patent 5,333,052，July.26，1994.中，公开了一种用于两种或以上的材料样品检测的自动光学检测方法和装置。其优点是在定性测量时通过调节入射角度，入射角的锥度，波长及带宽、光学放大率等参数来产生尽可能高的对比度。但缺点是，在进行定量测量时采用的是在固定角度下利用消光法测量，这样，测量未知参数的数目和灵敏度会受到一定的限制。
专利文献〔5〕Bruce M.Law.，“Ellipsometric Microscope”，USA Patent5,754,296，May 19，1998.中，公开了另外一种椭偏显微装置，其出射光不用成像物镜直接在图像传感器上成实像的方式，而是用一个扩束镜将样品上的区域扩大的方法对样品进行测量。优点是克服了测量中的离焦问题，但缺点是相同的纵向分辨率和横向分辨率收到图像传感器分辨率的限制。
综上所述，在椭偏成像测量中，在单波长、单入射角度下测量，最多只能到两个未知数(比如，折射率n和消光系数k)，而不能测量多个膜层的多个参数。另外，单入射角度定量测量时，即使可以通过变换光的波长来提高测量灵敏度，其程度也是有限的。在单入射角度定性测量时，无法使得样品基底与膜层的对比度达到最大。
发明内容
本发明的目的在于克服已有的椭偏成像测量中，均是采用在单入射角度下测量，在单波长下最多只能得到两个未知数，如，折射率n和消光系数k的缺陷；为了能够测量大面积纳米薄膜(单层或多层薄膜)样品一个膜层的多个参数，或为了测量多个膜层的多个参数，从而提供一种通过入射角度扫描可以得到多个椭偏方程，然后利用数值拟合的方法，得到材料的多个参数值的、进而对块状样品表面或纳米薄膜样品表面形貌进行定量或定性测量的方法和装置。
发明内容本发明的目的是这样实现的本发明提供的一种采用入射角度扫描椭偏成像测量技术对块状样品表面或纳米薄膜样品表面形貌进行定量或定性测量的装置至少包括
(1)单色光发生装置10，用于产生扩展的、准单色偏振光束、强度均匀的探测光束，该光束照明待测样品；(2)起偏器11，用于将准直的准单色均匀光束变换为线偏振光；该起偏器11安装在单色光发生装置10产生扩展的探测光的光路上；(3)一个反射式平面样品20，该样品20为一块状时，其表面为平的反射式平面样品或薄膜材料，用于样品接收来自入射部分产生的准直、准单色的偏振光波的照明，并对该光波的偏振态进行调制；(4)一个检偏器31，该检偏器31用于对样品20的反射光偏振态进行调制，用于将椭圆偏振光变换为线偏振光；并对样品20进行成像；(5)一个相位补偿器13，用于改变偏振光的偏振态。相位补偿器13安装在起偏器11与样品20之间或样品20与检偏器31之间；(6)一个成像物镜33，成像物镜33根据成像放大率的要求，共轴放置在出射光轴上检偏器31之后，或放置在样品20与检偏器31之间；用于对样品进行成像；(7)一个图像传感器34，用于接收样品经成像物镜所成的实像，并将其转化为电信号；(8)图像处理及系统控制部分用于对图像传感器34采集的图像进行显示及处理、分析，以及对整个装置的部件进行运动控制；以及一入射旋转臂1，该入射旋转臂1可围绕垂直于入射面，并且通过入射光轴和出射光轴交点的轴线(以下简称为“中心轴”)进行旋转，用于改变入射光轴与样品20之间的夹角；一样品旋转台2和出射旋转臂3，入射旋转臂1的末端与出射旋转臂3的前端重叠在一起，样品旋转台2安置在其上并通过旋转台的轴将三者连接；样品20安装在样品旋转台2上，样品垂直于入射面，并且其表面通过中心轴；单色光发生装置10、安装在起偏器旋转台12上的起偏器11依次共轴安装在入射旋转臂1上，其光轴为入射光轴；安装在检偏器旋转台32上的起偏器31、成像物镜33依次共轴安装在出射旋转臂2上，其光轴为出射光轴，图像传感器34也安装在出射旋转臂上，保证其像敏面与样品20经成像物镜33的实像重合；其中起偏器旋转台13、检偏器旋转台32、相位补偿器旋转台14可进行360°旋转，入射旋转臂1可以围绕中心轴进行旋转；起偏器旋转台13、相位补偿器旋转台14、检偏器旋转台32、入射旋转臂1、出射旋转臂3、样品旋转台2均为由步进电机带动的蜗轮—蜗杆结构的传动装置，其上的步进电机与驱动控制箱41中的电机驱动器电连接；计算机42发出指令给驱动控制箱41中的步进电机控制卡，然后步进电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，从而改变起偏器11的方位角或起偏器31的方位角或相位补偿器13的方位角或入射光轴相对于样品的入射角；通过位置反馈器，可以将器件的运动状态反馈回驱动控制箱41中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱41与电子计算机42之间的通讯告知电子计算机42当前运动器件的运动状态；图像传感器34与监视器44和图像采集卡43电连接。
所述的图像处理及系统控制部分至少包含以下器件●一个图像采集卡43，用于接收图像传感器34并将其转化为电子计算机42所能处理的图像格式，它与图像传感器34和电子计算机42电连接；
●一个电子计算机42，电子计算机42与图像采集卡电连接，用于接收图像采集卡43的信号，并转化成一定的图像格式进行分析处理，它还与驱动控制箱41电连接，用于对系统中各器件的运动进行控制；●一个驱动控制箱41，该驱动控制箱41与电子计算机42电连接，用于接收控制信号；并分别与起偏器旋转器12、相位补偿器的旋转器14、样品旋转台2、检偏器旋转器32、入射旋转臂1，出射旋转臂3电连接，用于对系统的各器件进行运动的驱动及控制，并接收来自各器件的状态反馈；图像传感器34与监视器44和图像采集卡43电连接。
在上述图像处理及系统控制部分中，还包括一个监视器44，该监视器44连接在图像采集卡43与图像传感器34电路中，可用于对图像传感器34的图像进行实时显示。
在上述装置中，还包括一个用于控制入射到样品上光束大小的光阑15，该光阑15安装在入射光轴上样品20与起偏器之间11光路上。
所述的驱动控制箱41，包括电机控制卡、电机驱动器、位置反馈器的接收装置；其中电机控制卡分别与计算机、电机驱动器、和位置反馈器的接收装置电连接，电机控制卡把来自计算机的指令通过电子转换后发给电机驱动器进行运动控制，并把来自位置反馈器的位置指令传给计算机；电机驱动器与电机电连接，驱动电机产生运动；位置反馈器的接收装置接收位置反馈器的探测信号，并将信号传给电机控制卡。
所述的起偏器12包括二向色性线性偏振器，Glan-Thompson起偏器等可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件。
所述的单色光发生装置10包括(a)如图3a所示，由宽光谱光源100、聚光镜101、单色仪102和光学准直镜103组成的单色光扫描装置；或(b)如图3b所示，由宽光谱光源100、聚光镜101、光学准直镜103和单色滤光片104组成的单色光选择装置；或(c)如图3c所示，由单色激光器105、干涉消除器106、光学准直镜103组成的单色光装置。
所述的样品20可以是任意种类的材料，导体或介质均可。
所述的检偏器31包括二向色性线性偏振器，Glan-Thompson起偏器等可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件。
所述的相位补偿器13包括云母1/4波片，或石英1/4波片；或液晶1/4波片等可以在两个互相垂直的方向上产生90°位相延迟的器件。
所述的图像传感器34包括电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器或阵列式光电转换图像传感器。
在上述装置中，除单色光发生装置10与入射旋转臂1机械连接，保证光轴与入射光轴重合；或者还包括单色光发生装置10不固定在入射旋转臂1上，而是通过光纤引入入射光轴后借助另外一个准直系统来保证光轴与入射光轴重合。
在上述装置中，起偏器11共轴放置在入射光轴上的单色光发生装置10和样品20之间，将来自单色平行光发生装置10的扩展单色准直光束变换为线偏振光。或者还包括起偏器11安装在一个可以绕其中心360°旋转的起偏器旋转台12上，用于改变起偏器11的方位角；该起偏器转台12安装在入射旋转臂1上，并与驱动控制箱41电连接，驱动控制箱41与电子计算机42电连接，计算机42控制其起偏器旋转台12运动，并将运动状态反馈回驱动控制箱41。
在上述装置中，相位补偿器13放置在入射光轴上起偏器11和样品20之间，或放置在反射光轴上样品20和检偏器30之间。该相位补偿器13安装在一个可以绕其中心360度旋转的相位补偿器旋转器14上，该相位补偿器旋转器14安装在入射旋转臂1上或出射旋转臂3，用于改变位相位补偿器的方位角。相位补偿器旋转台14与驱动控制箱41电连接，驱动控制箱41与电子计算机42电连接，计算机42控制其相位补偿器旋转台14的运动，并将运动状态反馈回驱动控制箱41。
在上述装置中，检偏器31安装在一个可以绕其中心360°旋转的检偏器旋转器32上，该旋转器32安装在出射旋转臂3上，用于改变检偏器31的方位角，检偏器31共轴放置在出射光轴上，将偏振光束变换为线偏振光。检偏器转台32与驱动控制箱41电连接，驱动控制箱41与电子计算机42电连接，计算机42控制其检偏器3 1旋转器32的运动，并将运动状态反馈回驱动控制箱41。
上述装置的工作原理为入射部分的光轴与出射部分的光轴相交于待测样品20上一点并形成入射面，待测样品20垂直于入射面；入射部分和出射部分中的各光学器件共轴安装在二者确定的光轴上。入射部分发出的扩展的准直、准单色偏振光束，照明到待测样品20上，样品20对入射光的偏振态进行调制后发出反射的偏振光束，该光束进入出射部分中再次进行偏振态的调制后成像在图像传感器34上形成图像的电信号。此电信号进入图像处理及系统控制部分进行图像采集、显示及分析处理，该部分对系统中的各运动部件进行驱动、控制，并接收运动反馈，从而实现对对纳米薄膜表面形貌的多个参数进行定性或定量测量。
利用本发明提供的装置，进行对块状样品表面或纳米薄膜样品表面形貌定量测量的方法，包括如下步骤(1)设定入射角的扫描范围，该范围为0～90°，设定入射角扫描步距；(2)安装调节样品20，保证样品表面通过中心轴，并且样品面垂直于入射面光轴；(3)通过向电子计算机42中的控制软件发出入射角设置的指令，然后利用驱动控制箱41驱动入射旋转臂1、样品旋转台2、出射旋转臂3中的至少两个来设定当前所需要的入射角度，满足入射角等于反射角；(4)采用零椭偏测量方法或光度法，电子计算机42通过驱动控制箱41驱动起偏旋转器12、检偏旋转器32、相位补偿器旋转器14中的至少两个使得图像传感器上接收到的光强达到消光(即光强最小)或所需要的光强值。此时根据零椭偏测量方法或光度法得到此角度下的椭偏参数(Ψ和Δ)；(5)判断此时入射角是否已经扫描完设定的范围，如果没有，执行步骤(6)，如果已经扫描完成，执行步骤(7)；(6)按照设定的入射角扫描步距，计算机发出指令，重复(3)～(5)；(7)利用合适的物理模型列出来上述测量的多组椭偏参数分别与待测物理参数之间的关系式，然后通过数据拟合的方式计算出待测参数。
利用本发明提供的装置，进行对块状样品表面或纳米薄膜样品表面形貌定性测量的方法，包括如下步骤(1)设定入射角的扫描范围，此范围为0～90°，设定入射角扫描步距；
(2)安装调节样品20，保证样品表面通过中心轴，并且样品面垂直于入射面光轴；(3)通过向电子计算机42中的控制软件发出入射角设置的指令，然后利用驱动控制箱41驱动入射旋转臂1、样品旋转台2、出射旋转臂3中的至少两个来设定当前所需要的入射角度，满足入射角等于反射角；(4)电子计算机42通过驱动控制箱驱动起偏旋转器12、检偏旋转器32、相位补偿器旋转器14中的至少两个使得图像传感器上接收到的图像的对比度达到该入射角度下的基底与膜层的最佳对比度；(5)判断此时入射角是否已经扫描完设定的范围，如果没有，执行步骤(6)，如果已经扫描完成，执行步骤(7)；(6)按照设定的入射角扫描步距，计算机发出指令，重复(3)～(5)；(7)根据多个角度下图像对比度的比较得到整个范围内最佳的对比度测量结果。
本发明的优点在于在椭偏成像定量检测时，通过对入射角度进行扫描得到多个测量结果，通过对数值分析的方法一方面可以测量多个膜层的多个参数，另一方面可以有效提高测量灵敏度。在椭偏成像定性检测时，通过对入射角度进行扫描得到多个不同对比度的测量结果，通过比较可以得到最好的对比度所对应的入射角，从而可针对不同样品分别提供最佳的测量对比度。
在椭偏成像测量中，图像传感器获得的光强信号与入射角度是有关系的。为了提高测量纳米膜层的灵敏度，通常将角度设置在样品基底的布儒斯特角附近。通常情况下不同材料的折射率不同，导致基底的布儒斯特角不同。因此在实际的检测中(尤其对于位置样品基底性质的情况下)，为了达到某个测量参数(如厚度)最高的灵敏度或提高基底和膜层的图像对比度，采用入射角度扫描测量的方法可以达到此目的。
另外，通过改变入射角度，可以改变椭偏成像测量样品的膜层厚度的动态范围通过入射角度扫描，不但能够定量测量多膜层体系的椭偏参数的分布情况，而且可以为定性测量纳米膜层时提高对比度提供一种方法。这是因为不同样品的材料折射率通常不同，这导致在椭偏成像测量中不同的入射角度所对应的椭偏响应不同的。把入射角度设置在该材料的布儒斯特角附近，其灵敏度可以达到最高，而通过改变不同的入射角度可以对纳米膜层样品的多个参数进行测量。同样也可以根据对入射角度进行扫描达到该样品最高的测量对比度。
本发明方法是在椭偏成像基础上将入射角度作为变量，通过入射角度扫描来测量多组椭偏参数，从而提供了一种大面积材料进行表面分布测量的高分辨率的方法。其纵向分辨率可达到原子层量级，横向分辨率达到微米量级。
图1是本发明的基于起偏器—补偿器—样品—检偏器结构的入射角扫描椭偏成像装置示意2是本发明的基于起偏器—样品—补偿器—检偏器结构的入射角扫描椭偏成像装置示意3a是本发明的利用单色仪分光的准直单色光源示意3b是本发明的利用单色滤光片的准直单色光源示意3c是本发明的利用单色激光器的准直单色光源示意面标示入射旋转臂1 准直单色光源10 宽光谱光源100聚光镜101单色仪102光学准直镜103单色滤光片104单色激光器105干涉消除器106起偏器11 起偏器旋转台12 相位补偿器13相位补偿器旋转台14 光阑15 样品旋转台2样品20 出射旋转臂3 检偏器31检偏器旋转台32 成像物镜33 图像传感器34图像处理及系统控制部分4 驱动控制箱41 电子计算机42图像采集卡43 监视器4具体实施方式
参考附图1对本发明制作的较佳的一个系统实施例，并结合本发明的椭偏成像测量方法进行详细的阐述。
本实施例所述的单色光发生装置10如图3a所示由宽光谱光源100、聚光镜101、单色仪102和光学准直镜103组成的单色光扫描装置，安置在入射旋转臂1上的前端部。
本实施例所用的起偏器11是二向色性线性偏振器，该起偏器11安装在起偏器旋转台12上；本实施例所用的相位补偿器是云母1/4波片，或石英1/4波片，它安装在相位补偿器旋转台14上；该单色光发生装置10、安装在起偏器旋转台12中的起偏器11、安装在相位补偿器旋转台14中的相位补偿器13先后依次共轴地安装在入射旋转臂1上，其光轴为入射光轴。其中起偏器旋转台13和相位补偿器旋转台14均可进行360°旋转，入射旋转臂1可以围绕中心轴进行旋转。一样品旋转台2和出射旋转臂3，入射旋转臂1的末端与出射旋转臂3的前端重叠在一起，样品旋转台2安置在其上并通过旋转台的轴将三者连接；样品20为薄膜材料，安装在样品旋转台2上，样品垂直于入射面，并且其表面通过中心轴；相位补偿器13与样品20之间的光路上安置一光阑15；起偏器旋转台13、相位补偿器旋转台14、入射旋转臂1均为由步进电机带动的蜗轮—蜗杆结构的传动装置，其上的步进电机与驱动控制箱41中的电机驱动器电连接。计算机42发出指令给驱动控制箱41中的步进电机控制卡，然后步进电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，从而改变起偏器11或相位补偿器13的方位角或入射光轴相对于样品的入射角。通过位置反馈器，可以将器件的运动状态反馈回驱动控制箱41中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱41与电子计算机42之间的通讯告知电子计算机42当前运动器件的运动状态。
单色光发生装置10还可以使用如图3b所示的由宽光谱光源100、聚光镜101、光学准直镜103和单色滤光片104组成的单色光选择装置；还可以使用如图3c所示的由单色激光器105、干涉消除器106、光学准直镜103组成的单色光装置。
本实施例所述的起偏器11还可以使用Glan-Thompson起偏器。
本实施例所述相位补偿器13还可以使用液晶1/4波片，或任何可以在两个互相垂直的方向上产生90°位相延迟的器件。
样品20安装在样品旋转台2上，还包括一个安装在样品旋转台2上的平移台，此平移台的运动方向平行于入射面，并且垂直于样品表面，在平移台上连接一个俯仰台，通过调节，使得样品表面垂直于入射面。在测量时，通过调节平移台和俯仰台使得样品表面垂直于入射面、而且样品旋转支架的旋转中心通过样品。样品旋转台2为由步进电机带动的常规蜗轮—蜗杆结构的传动装置，其上的步进电机与驱动控制箱41中的电机驱动器电连接。计算机42发出指令给驱动控制箱41中的步进电机控制卡，然后步进电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，从而改变样品20的与入射光轴之间的入射角。通过位置反馈器，可以将器件的运动状态反馈回控制箱41中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱41与电子计算机42之间的通讯告知电子计算机42当前运动器件的运动状态。
在光路出射部分，安装在检偏器旋转台32中的检偏器31、成像物镜33和图像传感器34共轴依次安装在出射旋转臂3上，其光轴与出射光轴重合。图像传感器34的安装保证其像敏面与样品20经成像物镜33所成的实像重合。检偏器旋转台32可进行360°旋转。出射旋转臂3可以围绕中心轴进行旋转。检偏器旋转台32、出射旋转臂3均为由步进电机带动的常规蜗轮—蜗杆结构的传动装置，其上的步进电机与驱动控制箱41中的电机驱动器电连接。计算机42发出指令给驱动控制箱41中的步进电机控制卡，然后步进电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，从而改变检偏器31或出射光轴相对于样品的角度。通过位置反馈器，可以将器件的运动状态反馈回驱动控制箱41中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱41与电子计算机42之间的通讯告知电子计算机42当前运动器件的运动状态。
所述的驱动控制箱41，包括电机控制卡、电机驱动器、位置反馈器的接收装置；其中电机控制卡分别与计算机42、电机驱动器、和位置反馈器的接收装置电连接，电机控制卡把来自计算机42的指令通过电子转换后发给电机驱动器进行运动控制，并把来自位置反馈器的位置指令传给计算机；电机驱动器与电机电连接，驱动电机产生运动；位置反馈器的接收装置接收位置反馈器的探测信号，并将信号传给电机控制卡。
本实施例所述的检偏器31可以使用二向色性线性偏振器，Glan-Thompson起偏器等可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件。
本实施例所述的图像传感器34形成的图像的电信号分为两路，一路进入监视器44进行图像显示，另一路进入图像采集卡43进行数据处理后进入电子计算机42将图像的电子信号转化为计算机能够处理图像信号，利用电子计算机对这些图像进行分析，可以得到样品表面的厚度分布情况。图像传感器34可以使用电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器或阵列式光电转换图像传感器。
电子计算机42与驱动控制箱41中的电机控制卡电连接，通过向驱动控制箱41中的电机驱动器发出指令驱动起偏器旋转台12、相位延迟器旋转台14、检偏器旋转台32、入射旋转臂1、样品旋转台2、出射旋转臂3的电机，从而改变偏振器件的方位角和入射角，并且将其方位角位置反馈回驱动控制箱41，通过驱动控制箱41与电子计算机40通讯，将运动状态报告给电子计算机，以进行下一步的运动控制。
为了定量测量一个样品，该样品为硅基底上先镀了纳米厚度的铬膜层，然后在铬膜层上镀三层厚度不同的金纳米膜层的物理参数，包括上述样品中的铬膜层的折射率n、消光系数k、厚度，d1以及金膜层的的各膜层厚度d2，d3，d4共6个参数，采用如下的步骤(1)设定入射角的扫描范围，此范围为0～90度，设定入射角扫描步距0.01度；(2)调节样品台的平移台和俯仰台，保证样品中心通过样品旋转台的中心轴，并且样品面垂直于入射面光轴。
(3)通过向计算机42中的控制软件发出入射角设置的指令，然后通过驱动控制箱41中的电机控制卡向电机驱动器发出驱动指令，带动入射旋转臂1、样品旋转台2、出射旋转臂3中的至少两个电机，从而设定一个入射角度。
(4)采用零椭偏测量方法，通过电子计算机42发出指令设定补偿器14的方位角设置在45°，通过调节起偏器11和检偏器31达到图像传感器上达到消光(即光强最小)。此时读取起偏器和检偏器的方位角P和A，然后计算得到此角度下的椭偏参数(Ψ，Δ)。
(5)判断此时入射角是否已经扫描完设定的范围，如果没有，继续(6)，如果已经扫描完成，进行(7)。
(6)按照设定的入射角扫描步距，计算机发出指令，重复步骤(3)～步骤(5)；(7)根据要求利用相应的合适的物理模型列出来上述测量结果与待测物理参数之间的关系式，至少2N个，上述样品中N＝6，然后通过数据拟合的方式计算出待测参数。
其中，步骤(4)中为了测量单波长、单角度下的椭偏参数，也可采用光度法，如参考文献〔3〕Ralph F.Cohn，James W.Wagner，Dynamic imagingmicroellipsometry，USA Patent 5076696，Dec.31，1991.所提供的方法来测量椭偏参数。
定性测量一个基底上的多层薄膜样品时，为了得到很高的对比度，可以通过以下方法(1)设定入射角的扫描范围，此范围为0～90°，设定入射角扫描步距；(2)调节样品台的平移台和俯仰台，保证样品中心通过样品旋转台的中心轴，并且样品面垂直于入射面光轴。
(3)通过向计算机42中的控制软件发出入射角设置的指令，然后通过驱动控制箱41中的电机控制卡向电机驱动器发出驱动指令，带动入射旋转臂1、样品旋转台2、出射旋转臂3中的至少两个电机，从而设定一个入射角度。
(4)电子计算机42通过驱动控制箱41驱动起偏旋转器12、检偏旋转器32、相位补偿器旋转器14中的至少两个使得图像传感器上接收到的图像的对比度达到该入射角度下的基底与膜层的最佳对比度。
(5)判断此时入射角是否已经扫描完设定的范围，如果没有，执行步骤(6)，如果已经扫描完成，执行步骤(7)。
(6)按照设定的入射角扫描步距，计算机发出指令，重复(3)～(5)；(7)根据多个角度下图像对比度的比较得到整个范围内最佳的对比度测量结果。
参考附图2，制作另一个本发明的较佳的实施例，与图1在结构上的不同是相位补偿器13的位置不是放在起偏器11和样品20之间，而是放在样品20和检偏器31之间；另外，还在起偏器11和样品20之间出射光路上安置一光阑15。
权利要求
1.一种入射角度扫描椭偏成像测量的装置至少包括(1)一用于产生扩展的、准单色偏振光束、强度均匀的探测光束的单色光发生装置10，该光束照明待测样品；(2)一用于将准直的准单色均匀光束变换为线偏振光的起偏器11；该起偏器11安装在一单色光发生装置10产生扩展的探测光的光路上；(3)一个反射式平面样品20，该样品20为一个平的反射式的平面块状或薄膜材料，用于样品接收来自入射部分产生的准直、准单色的偏振光波的照明，并对该光波的偏振态进行调制；(4)一用于对样品20的反射光偏振态进行调制的检偏器31，并对样品20进行成像；(5)一个相位补偿器13，用于改变偏振光的偏振态；该相位补偿器13安装在相位补偿器旋转台14上，该相位补偿器旋转器14安装在入射旋转臂1上的起偏器11与样品20之间，或出射旋转臂3上的样品20与检偏器31之间的光路上；(6)一用于对样品进行成像的成像物镜33；(7)一个图像传感器34，用于接收样品经成像物镜所成的实像，并将其转化为电信号；(8)用于对图像传感器34采集的图像进行显示及处理、分析，以及对整个装置的部件进行运动控制的图像处理及系统控制部分；以及，一可围绕垂直于入射面，并且通过入射光轴和出射光轴交点的轴线进行旋转的入射旋转臂1；一样品旋转台2和出射旋转臂3，入射旋转臂1的木端与出射旋转臂3的前端重叠在一起，样品旋转台2安置在其上并通过旋转台的轴将三者连接；样品20安装在样品旋转台2上，样品垂直于入射面，并且其表面通过中心轴；单色光发生装置10、安装在起偏器旋转台12上的起偏器11依次共轴安装在入射旋转臂1上，其光轴为入射光轴；安装在检偏器旋转台32上的起偏器31、成像物镜33依次共轴安装在出射旋转臂2上，其光轴为出射光轴，图像传感器34也安装在出射旋转臂上，其像敏面与样品20经成像物镜33的实像重合；其中起偏器旋转台13、检偏器旋转台32、相位补偿器旋转台14均可进行360°旋转；起偏器旋转台13、检偏器旋转台32、相位补偿器旋转台14、入射旋转臂1、出射旋转臂3、样品旋转台2均为由步进电机带动的蜗轮一蜗杆结构的传动装置，其上的步进电机与驱动控制箱41中的电机驱动器电连接；计算机42发出指令给驱动控制箱41中的步进电机控制卡，然后步进电机控制卡将此信号传递给电机驱动器后带动驱动器进行旋转，从而改变起偏器11的方位角或检偏器31的方位角或相位补偿器13的方位角或入射光轴相对于样品的入射角；通过位置反馈器，将器件的运动状态反馈回驱动控制箱41中的电机控制卡中，并通过驱动控制箱41与电子计算机42之间的通信告知电子计算机42当前运动器件的运动状态；图像传感器34与监视器44和图像采集卡43电连接。
2.按权利要求1所述的入射角度扫描椭偏成像测量装置，其特征在于所述的图像处理及系统控制部分至少包含以下器件(a)一个图像采集卡43，用于接收图像传感器34并将其转化为电子计算机42所能处理的图像格式，它与图像传感器34和电子计算机42电连接；(b)一个电子计算机42，电子计算机42与图像采集卡电连接，用于接收图像采集卡43的信号，并转化成一定的图像格式进行分析处理，它还与驱动控制箱41电连接，用于对系统中各器件的运动进行控制；(c)一个驱动控制箱41，该驱动控制箱41与电子计算机42电连接，用于接收控制信号；并分别与起偏器旋转器12、相位补偿器的旋转器14、样品旋转台2、检偏器旋转器32、入射旋转臂1，出射旋转臂3电连接，用于对系统的各器件进行运动的驱动及控制，并接收来自各器件的状态反馈；图像传感器34、监视器44、和图像采集卡43电连接，电子计算机42分别与图像采集卡43和驱动控制箱41电连接。
3.按权利要求2所述的入射角度扫描椭偏成像测量装置，其特征在于还包括一个监视器44，该监视器44连接在图像采集卡43与图像传感器34电路中。
4.按权利要求1所述的入射角度扫描椭偏成像测量装置，其特征在于所述的驱动控制箱41，包括电机控制卡、电机驱动器、位置反馈器的接收装置；其中电机控制卡分别与计算机42、电机驱动器、和位置反馈器的接收装置电连接，电机控制卡把来自计算机42的指令通过电子转换后发给电机驱动器进行运动控制，并把来自位置反馈器的位置指令传给计算机；电机驱动器与电机电连接，驱动电机产生运动；位置反馈器的接收装置接收位置反馈器的探测信号，并将信号传给电机控制卡。
5.按权利要求1所述的入射角度扫描椭偏成像测量装置，其特征在于还包括一个用于控制入射到样品上光束大小的光阑15，该光阑15安置在样品20之前的光路上。
6.按权利要求1、3或5所述的入射角度扫描椭偏成像测量装置，其特征在于所述的相位补偿器13为云母1/4波片、石英1/4波片、液晶1/4波片或其它可以在两个互相垂直的方向上产生90°位相延迟的器件。
7.按权利要求1、3或5所述的入射角度扫描椭偏成像测量装置，其特征在于所述的单色光发生装置10，包含一个宽光谱点光源100，一组聚光镜101，一个单色仪102，以及一组光学准直镜103，其中该一组聚光镜101安装在宽光谱点光源100输出光光路上，单色仪102，以及一组光学准直镜103顺序共轴安装在光路上。
8按权利要求1、3或5所述的入射角度扫描椭偏成像测量装置，其特征在于所述的单色光发生装置10包含一个单色激光器105，一个用于消除激光光束空间相干性的干涉消除器106，以及一个光学准直镜103，其中一个用于消除激光光束空间相干性的干涉消除器106，以及一个光学准直镜103，按顺序共轴安装在单色激光器105输出光的光路上。
9.按权利要求1、3或5所述的入射角度扫描椭偏成像测量装置，其特征在于所述的起偏器12或检偏器31为二向色性线性偏振器、或Glan-Thompson线性偏振器，或其它可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件。
10.按权利要求1、3或5所述的入射角度扫描椭偏成像测量装置，其特征在于所述的图像传感器34为电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器或阵列式光电转换图像传感器。
11.一种应用权利要求1、3或5所述的装置实现对块状材料表面或纳米薄膜材料定量测量的方法，其特征在于包括如下步骤(a)设定入射角的扫描范围0～90°和入射角的扫描步距；(b)安装调节样品20，保证样品表面通过入射光轴与出射光轴交点并垂直于入射平面；(c)向电子计算机42中的控制软件发出入射角位置的指令，然后由驱动控制箱41驱动入射旋转臂1、样品旋转台2、出射旋转臂3中的至少两个进行旋转来设定所需的入射角度，满足入射角等于反射角；(d)采用零椭偏测量方法或光度法对样品进行测量。按照方法要求，电子计算机42通过驱动控制箱41驱动起偏旋转器12、检偏旋转器32、相位补偿器旋转器14中的至少两个使得图像传感器34上接收到的光强达到需要的光强值。然后根据器件的方位角和光强值得到此角度下的椭偏参数ψ和Δ；(e)判断此时入射角是否已经扫描完设定的范围，如果没有，执行步骤(f)，如果已经扫描完成，执行步骤(g)；(f)按照设定的入射角扫描步距，计算机发出指令，重复步骤(c)～步骤(e)；(g)根据要求利用相应的物理模型列出来上述测量的多组椭偏参数分别与待测参数之间的关系式，然后通过数据拟合的方式计算出待测参数。
12.一种应用权利要求1、3或5所述的装置实现对块状材料表面或纳米薄膜材料定性测量的方法，其特征在于包括如下步骤(a)设定入射角的扫描范围0～90°和入射角的扫描步距；(b)调节样品20，保证样品表面通过入射光轴与出射光轴交点并垂直于入射平面；(c)向电子计算机42中的控制软件发出入射角位置的指令，然后由驱动控制箱41驱动入射旋转臂1、样品旋转台2、出射旋转臂3中的至少两个进行旋转来设定所需的入射角度，满足入射角等于反射角；(d)电子计算机42通过驱动控制箱41驱动起偏旋转器12、检偏旋转器
32.相位补偿器旋转器14中的至少两个使得图像传感器34上接收到的图像的对比度达到该入射角度下的基底与膜层的最佳对比度或所要求的对比度。(e)判断此时入射角是否已经扫描完设定的范围，如果没有，执行步骤(f)，如果已经扫描完成，执行步骤(g)。(f)按照设定的入射角扫描步距，计算机发出指令，重复步骤(c)～步骤(e)；(g)根据多个角度下图像对比度的比较得到整个范围内最佳的对比度或所要求的对比度测量结果。
全文摘要
本发明涉及一种入射角度扫描椭偏成像装置和方法，入射光轴与出射光轴相交于待测样品上一点并形成入射面，待测样品垂直于入射面；入射部分和出射部分中的各光学器件共轴安装在二者确定的光轴上；入射部分发出的扩展的准直、准单色偏振光束，照明到待测样品上，样品对入射光的偏振态进行调制后发出反射的偏振光束，该光束进入出射部分中再次进行偏振态的调制后成像在图像传感器上形成图像的电信号；此电信号进入图像处理及系统控制部分进行图像采集、显示及分析处理，计算机对系统中的各运动部件进行驱动、控制，并接收运动反馈，从而实现对对纳米薄膜表面形貌的多个参数进行定性或定量测量。
文档编号G01N21/17GK1699967SQ20041003826
公开日2005年11月23日 申请日期2004年5月18日 优先权日2004年5月18日
发明者靳刚, 孟永宏 申请人:中国科学院力学研究所