一种多角度入射单发椭偏测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学偏振态测量的应用领域，是一种多角度入射单发椭偏测量方法。
【背景技术】
[0002] 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 涉原理和多角度入射光路结构，通过单次测量可以同时获得多组对应不同入射角度的椭 偏数据，从而实现多组椭偏数据的实时在线测量技术.该专利可以大幅提高多角度入射椭 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。
[0003] 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 S0PRA、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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种多角度入射单发椭偏测量方法，本测试方法 无机械旋转或光学调制器件，测量速度只受限于相机采集速度，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。无论对提高工业监测的效率还是 拓展椭偏技术的在基础研究中的应用都将具有重大意义。
[0007] 本发明的实现方法采用以下方案实现：一种多角度入射单发椭偏测量方法，其特 征在于包括以下步骤：
[0008] 步骤Sl :提供激光束聚焦柱透镜、样品、准直柱透镜、1/4波片、晶体斜劈、检偏器、 成像屏、面阵相机以及计算机；
[0009] 步骤S2 :选取一合适波长的偏振激光光源进行扩束，激光光束经过聚焦柱透镜后 形成不同入射角度入射至样品上，所述激光光束在样品表面聚焦形成线状光斑反射后形成 反射光斑，此时不同入射角度的反射光斑的椭偏参数Φ和△不同；
[0010] 步骤S3 :所述准直柱透镜放置在所述样品的反射方向，所述反射光斑经入射至所 述准直柱透镜后形成圆形光斑，所述圆形光斑的一部分经1/4波片入射至所述晶体斜劈， 所述圆形光斑的另一部分直接入射到所述晶体斜劈；所有圆形光斑由所述晶体斜劈射出后 经所述检偏器在所述成像屏上形成多组分别对应不同入射角的椭偏参数Φ和A的干涉条 纹。
[0011] 步骤S4 :采用面阵相机对所述的干涉条纹同时进行采集，得到干涉条纹的光强数 据。
[0012] 步骤S5 :采用计算机中的处理系统对所述的光强数据进行滤波和除背景处理，得 到不同入射光对应的波峰波谷位置，再与标准偏振光产生地波峰波谷位置进行对比，计算 出样品的椭偏参数Φ和A。
[0013] 步骤S6 :结合椭偏方程，由所述步骤S5中的椭偏参数计算出样品的光学参数。
[0014] 进一步的，所述的晶体斜劈为劈角为Θ的双折射晶体。由于晶体的双折射特性， 所通过的〇光和e光的相差与晶体厚度有关。斜劈状的晶体将在光斑内引入沿劈角方向的 线性相差分布，经检偏器形成等间距干涉条纹。对所述条纹进行定位可以测量由样品光学 性质引入的相偏振态变化，实现椭偏测量。
[0015] 进一步的，所述激光光束经过所述聚焦柱透镜后以一定范围的入射角入射至样品 上，其中一定范围的入射角由选取的聚焦柱透镜不同而不同，但是所述光束经聚焦柱透镜 再由样品反射后均能入射至准直柱透镜内。
[0016] 进一步的，所述步骤S4中得到干涉条纹的光强数据的具体方法为：经过样品反射 后形成反射光斑的琼斯矩阵为
?利用琼斯矩阵计算得到未经过1/4波片形 成的干涉条纹对应的光强为：Mx, Δ) = l/2+l/2sin2itcos(A + y (χ))，经过1/4波片的 光路产生的干涉条纹对应的光强为：
[0017] I2 ( Φ , A , x) = l/2 + sin2 Φ cos Δ cos γ (X) _2cos2 Φ sin γ (X)，其中
γ (X)为由劈角为θ的晶体斜劈引入的相位差，1^与1^分别为 〇光和e光的折射率差，X为晶体斜劈的横向位置坐标，Φ和△为椭偏参数。
[0018] 较佳的，本发明通过单次曝光实现椭偏测量光路，结合所述面阵相机提供高时间 分辨。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1)采用单次曝光实现多角度椭偏测量， 结合高速面阵相机对多角度椭偏测量的时间可以缩短至毫秒量级，可较大提高椭偏测量效 率，拓展应用范围。（2)由于测量结果与光源功率无关，测量结果不受光源功率波动的影响， 而且是线性测量，有利于提高椭偏测量的精度和可靠性。（3)本发明采用的光路紧凑稳定， 可提高测试光路的长期稳定性。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明采用的椭偏测量方法光路图。
[0021] 图2为本发明中双折射晶体结构示意图。
[0022] 图3为本发明中多角度椭偏测量的干涉条纹图样。
[0023] 标号说明：1为激聚焦柱透镜、2为样品、3为准直柱透镜、4为1/4波片、5为晶体 斜劈、6为检偏器、7为成像屏、8为面阵相机、9为计算机。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0025] 本实施例提供，一种多角度入射单发椭偏测量方法，其特征在于包括以下步骤：
[0026] 步骤Sl :提供激光束聚焦柱透镜、样品、准直柱透镜、1/4波片、晶体斜劈、检偏器、 成像屏、面阵相机以及计算机；
[0027] 步骤S2 :选取一合适波长的偏振激光光源进行扩束，光光束经过所述聚焦柱透镜 后形成不同入射角度入射至样品上，所述激光光束在样品表面聚焦形成线状光斑再经所述 样品反射后形成反射光斑，不同入射角度形成的反射光斑的椭偏参数不同；
[0028] 步骤S3 :所述准直柱透镜放置在所述样品的反射方向，所述反射光斑入射至所述 准直柱透镜后形成圆形光斑，所述圆形光斑的一部分经1/4波片入射至所述晶体斜劈，所 述圆形光斑的另一部分直接入射到所述晶体斜劈；所有圆形光斑由所述晶体斜劈射出后经 所述检偏器在所述成像屏上形成多组分别对应不同入射角度的干涉条纹。
[0029] 步骤S4 :采用面阵相机对所述的干涉条纹同时进行采集，根据椭偏参数得到干涉 条纹的光强数据。
[0030] 步骤S5 :采用计算机中的处理系统对所述的光强数据进行滤波和除背景处理，得 到不同入射光对应的波峰波谷位置，再与标准偏振光产生地波峰波谷位置进行对比，计算 出所述样品的椭偏参数。
[0031] 步骤S6 :结合椭偏方程，由所述步骤S5中的椭偏参数计算出所述样品的光学参 数。
[0032] 在本实施例中，如图1所示，采用激聚焦柱透镜I、样品2、准直柱透镜3、1/4波片 4、晶体斜劈5、检偏器6、成像屏7、面阵相机8以及计算机9组成