一种基于磁光效应的成像椭偏仪制造技术

一种基于磁光效应的成像椭偏仪涉及一种薄膜厚度的测量方法和装置，特别涉及应用于对样品表面纳米尺度薄膜厚度分布进行观测的方法和装置。其特征在于采用透光轴方向可旋转的起偏器、补偿器和检偏器对系统进行校正，采用磁光调制技术改变接收光的偏振方向，采用面阵探测器记录样品表面薄膜的椭偏图像，采用迭代算法对数据进行处理，精确测量样品表面薄膜形貌参数。它有效解决了现有方法的不足，提高了接收光偏振态检测精度，提高了测量速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种薄膜厚度的测量方法和装置，特别涉及应用于对样品表面纳米尺 度薄膜厚度分布进行观测的方法和装置。
技术介绍
椭圆偏振测量法是利用偏振光测量薄膜或界面参数的测量技术，通过测量经被测 样品反射(或透射)光线的偏振态变化来获得样品的厚度和折射率等参数。椭偏仪广泛应 用于薄膜厚度和光学常数的测定，能同时测量多层薄膜，膜厚测量范围大，可以从几纳米到 1微米。椭偏仪是一种快速、高精度、非接触式光学测量仪器，能够在各种复杂环境下应用， 可以对各种半导体及其氧化物成分、化合物半导体成分的梯度膜层和透明薄膜的折射率和 厚度以及微结构等物理结构特性进行分析。目前应用比较广泛的椭偏仪有单波长椭偏仪，光谱椭偏仪和红外椭偏仪。但上述 椭偏仪都是基于单点测量，即把光斑所覆盖的样品区域认为是一个点的信息。由于光斑尺 寸一般为毫米量级，为了提高椭偏仪的横向分辨率，将椭偏仪与成像系统相结合，就形成了 成像椭偏仪，其利用成像系统得到样品表面薄膜的椭偏图像，从而得到薄膜的形貌信息和 厚度分布，以获得比普通单点椭偏仪更高的空间细节信息。但是，现有的成像椭偏仪装置通常采用步进电机改变起偏器、补偿器或检偏器的 光轴方向来实现测量，测量精度受到机械机构控制精度的限制，测量重复性和稳定性均有 限。另外机械机构的控制速度也大大限制了椭偏仪的测量速度，无法满足实时、在线式的测量要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种新的基于磁光效应的成像椭偏方法和装置，有效解决 现有方法的不足，可对样品表面薄膜形貌进行精确测量，同时可提高了测量稳定性和速度。本专利技术提出了一种新型的基于磁光效应的成像椭偏仪。基于磁光效应可改变光束 偏振态的原理，利用磁光调制器取代传统步进电机转动起偏器、补偿器或检偏器光轴的方 法来实现椭偏仪的测量。由于磁光调制器通过电路系统控制，调制速度快，调制精度高，而 且整个测量过程中没有机械转动。从而可提高成像椭偏仪的测量精度、稳定性和速度。根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于磁光效应的成像椭偏仪，包括沿着一条 光路依次设置的光源，用于发出照射待测对象的单频率光；准直扩束装置，用于对所述光源发出的光进行准直和扩束；起偏器，用于把所述准直扩束装置输出的任意偏振态的光转变成线偏振光；检偏器，用于改变所接收的来自所述待测对象的光的偏振方向，并输出线偏振 光；其特征在于所述成像椭偏仪进一步包括一个磁光调制器，所述磁光调制器被设置在所述光路位于所述起偏器与所述检偏 器之间的部分上，用于将入射所述磁光调制器的光的偏振方向旋转一定的角度。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种基于磁光效应的成像椭偏仪测量方法，包 括利用一个准直扩束装置对一个光源发出的光进行准直和扩束；利用一个起偏器把所述准直扩束装置输出的任意偏振态的光转变成线偏振光；利用一个检偏器改变所接收的来自所述待测对象的光的偏振方向，并输出线偏振 光；其特征在于进一步包括利用设置在所述光路位于所述起偏器与所述检偏器之间的部分上的一个磁光调 制器，将沿着所述光路入射所述磁光调制器的光的偏振方向旋转一定的角度。附图说明图1是根据本专利技术的一个实施例的一种基于磁光效应的成像椭偏仪装置示意图。图2是如图1中采用的磁光调制器的工作原理示意图。图3是根据本专利技术的一个实施例的一种基于磁光效应的成像椭偏仪工作流程示 意图。图4是根据本专利技术的一个实施例的一种基于磁光效应成像椭偏仪装置示意图，磁 光调制器置于起偏器之后位置。图5是根据本专利技术的一个实施例的一种基于磁光效应成像椭偏仪装置示意图，磁 光调制器置于补偿器之后位置。具体实施例方式如图1、4和5所示，本专利技术的特征在于，含有带有偏振态和光斑尺寸控制部件的 入射臂，带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂以及控制系统，其中带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂(1)，含有光源(3)、准直扩束装置 (4)、起偏器(5)、旋转控制台(6)，补偿器(7)，旋转控制台(8)，入射光阑(10)，其中光源(3)，用于发出照射待测对象的单频率光；准直扩束装置(4)，用于将激光器(3)发出的激光光束准直并扩束，使得出射光变 成平行光；起偏器(6)，用于将任意偏振态的平行光变成线偏振的平行光；旋转控制台(7)，用于转动起偏器(6)使其光轴在与平行光传播方向垂直平面内 转动；起偏器(6)固定在该旋转控制台(7)上，旋转控制台(7)由第二驱动器(19)控制；补偿器(8)，通常是一个波片，如石英或云母，用于在相互垂直的两个偏振方向上 产生一定相位延迟，将线偏振光变成椭圆偏振光；补偿器⑶的光轴方向与起偏器(6)的光 轴方向夹角为a度，0° < a <90° ；旋转控制台(9)，用于转动补偿器(7)使其光轴在与线偏振平行光传播方向垂直 平面内转动；补偿器(8)固定在该旋转控制台(9)上，旋转控制台(9)由第二驱动器(19) 控制；入射光阑(10)，用于改变光束尺寸大小；光阑(10)中心与光束中心重合，可通过 调节光阑(10)的孔径来改变出射光束的尺寸；带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂(2)，含有出射光阑(11)，磁光调制器 (12)，检偏器(13)，旋转控制台(14)，成像系统(15)，面阵探测器(16)，其中出射光阑(11)，用于改变光束尺寸大小；出射光阑(11)中心与光束中心重合，可 通过调节光阑(11)的孔径来改变出射光束的尺寸；磁光调制器(12)，用于将其入射光的偏振方向旋转一定的角度；通过磁光调制器 (12)的出射光偏振方向旋转角度由第一驱动器(18)控制；检偏器(13)，用于改变接收光的偏振方向，经过检偏器(13)后的出射光为线偏振 光；旋转控制台(14)，用于转动检偏器(13)使其光轴在与平行光传播方向垂直平面 内转动；检偏器(13)固定在该旋转控制台(14)上，旋转控制台(14)由第二驱动器(19)控 制；成像系统(15)，用于将光斑无畸变的会聚在面阵探测器(16)的感光面上；面阵探测器(16)，用于将接收到的二维空间光信号转化为电信号输出，如面阵硅 光电池或电荷耦合器(CCD)或CMOS ；控制系统(3)，含有计算机(17)，第一驱动器(18)，第二驱动器(19)，图像采集卡 (20)，其中计算机(17)，用于控制第一驱动器(18)和第二驱动器(19)的驱动信号以及图像 采集卡(20)完成图像采集，接收第一驱动器(18)和第二驱动器(19)的反馈信号以及图像 采集卡(20)的图像信号；第一驱动器(18)，用于产生控制磁光调制器(12)的驱动信号；第二驱动器(19)，用于产生控制旋转控制台(7)，旋转控制台(8)以及旋转控制台 (9)的驱动信号；图像采集卡(20)，用于将面阵探测器(16)的输出的模拟电信号转换成数字电信 号并将该信号传输至计算机(17)。根据本专利技术的一个实施例的薄膜厚度测量装置如图1所示。该装置包括三个部 分带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂(1)，带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接 收臂(2)以及控制系统(3)。其中，诸如激光器的光源(4)，准直扩束装置(5)，起偏器(6)， 旋转控制台(7)，补偿器(8)，旋转控制台(9)以及光阑(10)被包括在带有偏振态和光斑尺 寸控制部件的入射臂(1)中；光阑(11)，磁光调制器(12)，检偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁光效应的成像椭偏仪，包括沿着一条光路依次设置的：　　光源（４），用于发出照射待测对象的单频率光；　　准直扩束装置（５），用于对所述光源（４）发出的光进行准直和扩束；　　起偏器（６），用于把所述准直扩束装置（５）输出的任意偏振态的光转变成线偏振光；　　检偏器（１３），用于改变所接收的来自所述待测对象的光的偏振方向，并输出线偏振光；　　其特征在于所述成像椭偏仪进一步包括：　　一个磁光调制器（１２），所述磁光调制器（１２）被设置在所述光路位于所述起偏器（６）与所述检偏器（１３）之间的部分上，用于将入射所述磁光调制器（１２）的光的偏振方向旋转一定的角度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴学健，张继涛，李岩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]