入射角度扫描椭偏成像测量方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术的目的是这样实现的本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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－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３...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：靳刚，孟永宏，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]