[實用新型]用于橢偏測量系統中入射角度自動探測的裝置

無效

• 申請號: 201020147731.6
• 申請日: 2010-03-30
• 公開（公告）號: CN201666790U
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 孟永宏;楊濤
• 申請（專利權）人: 北京量拓科技有限公司
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司 11003
• 代理人: 尹振啟

技術領域

本實用新型涉及光學測量領域，尤其是一種用于橢偏測量系統中入射角度自動探測的裝置。

背景技術

橢偏測量技術是表征納米薄膜的重要手段之一，它利用探測光波經表面反射時偏振態的變化來探測樣品的信息(如，折射率n、消光系數k、納米薄膜的厚度、表面粗糙度、材料電子振動信息等)。該技術的優點在于：(1)測量時對樣品無擾動、無破壞性，因此可進行實時測量、離體乃至在體測量；(2)靈敏度可達到原子層量級的分析水平，因此可對納米薄膜進行高靈敏度的探測；(3)對樣品材料幾乎無限制，可適合于絕緣體、導體、半導體；(4)對環境要求低，無需真空等特殊條件，在普通實驗環境中就可進行。基于其優點，該技術已廣泛應用于微電子工業、表面材料和生物醫學等領域。

利用橢偏測量技術獲得樣品的參數(如，折射率、消光系數、薄膜厚度等)的一般步驟是：(1)利用橢偏測量系統得到樣品的橢偏角(ψ和Δ)；(2)對樣品進行模型化，即建立橢偏角與樣品參數的關系；(3)利用數據擬合的方法獲得樣品的參數。因此，在利用橢偏測量技術對樣品進行分析時，最基本的任務是利用橢偏測量系統獲得樣品的橢偏角(ψ和Δ)。

橢偏測量系統基本的結構為：起偏臂、樣品、檢偏臂、基板。其中起偏臂用來發出偏振態已知的偏振探測光；檢偏臂用來對經樣品反射后的光波偏振態進行調制、并將光能量轉化成電信號；基板用來支撐起偏臂和檢偏臂。起偏臂的光軸與樣品表面法線之間的夾角為探測光的入射角，檢偏臂的光軸與樣品表面法線之間的夾角為探測光的反射角。橢偏測量的步驟一般是：起偏臂發出的偏振探測光，以一定的入射角度入射到樣品表面上，樣品對入射光波的幅值和相位進行調制，從而使得反射光波的偏振態發生變化，再經過檢偏臂中的補償器、檢偏器、光電傳感器，進而獲得光波的強度。

橢偏測量系統對樣品進行測量時，需要建立橢偏角(ψ和Δ)與樣品參數(比如，薄膜厚度、折射率n、消光系數k等)的關系，即對樣品進行模型化，并利用模型對橢偏測量系統實際測量獲得的橢偏角(ψ和Δ)進行擬合，從而獲得樣品的參數值。因為橢偏角(ψ和Δ)不僅與樣品參數值有關系，而且還是入射角、波長、偏振器件的方位角和位相延遲等參數的函數，因此入射角度的正確設定和讀取就非常重要。此外，入射角度的重要性還表現在：(1)當入射角度設置在樣品基底的Brewster角附近時，測量靈敏度最高；(2)通過在不同的入射角度下對樣品進行測量，可以獲得樣品的更多未知參量(比如，薄膜厚度、折射率n、消光系數k等)。

由此可以看出，當利用橢偏測量系統對樣品進行測量時，要求起偏臂的光軸與樣品表面法線所形成的入射角等于檢偏臂與樣品法線所形成的反射角，并準確獲知該角度值。原因在于：(1)起偏臂的光軸與樣品法線所形成的角度為探測光的實際入射角；(2)若入射角不等于反射角，則檢偏臂可能接收不到樣品反射回來的探測光，導致測量錯誤；(3)可以避免橢偏角(ψ和Δ)與樣品參數之間建立起來的模型中的入射角度與實際入射角度不一致，從而可導致得到的擬合結果錯誤。因此，在實際的橢偏測量系統中，對探測光入射角度的自動探測是一個重要的基本問題，同時也是橢偏測量系統進行自動化的一個重要內容。

解決上述問題的現有方法是：(1)直接人工保障起偏臂與檢偏臂所處的角度一致，并人工讀取起偏臂和檢偏臂所處的角度值：這種方法不需要任何硬件裝置，完全由人工完成，非常簡單。但有很多缺陷，如：(a)容易因人為調節錯誤或讀數錯誤，導致起偏臂與檢偏臂所處的角度不一致，檢偏臂可能接收不到探測光；(b)容易因人為失誤，造成輸入到計算機中建模的入射角與實際探測光的入射角不一致，導致數據分析的結果錯誤；(c)每次測量后，入射角度值設備無法自動記錄，需要人工記錄，效率非常低，也容易造成人為錯誤，影響測量結果。(2)采用光電編碼器獲得當前的入射角和反射角，該方法能實現測量的自動化，但要求光電編碼器與旋轉中心嚴格同心，對安裝的要求高，另一方面，光電編碼器的價格昂貴，對于分立入射角度的橢偏測量系統尤其如此。(3)不采用任何的角度探測，依靠步進電機脈沖技術的方式進行開環控制來獲得入射角，此方法成本低，但存在電機失步的問題，從而影響了對入射角度的測量精度。由此可見，在橢偏測量系統中，目前的人工方法、或采用光電編碼器的方法、或開環步進電機控制的方式難以滿足成本低、快速、高效、自動化、高可靠性等要求的應用場合。

實用新型內容

針對現有技術存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種結構簡單、快速、穩定可靠的用于橢偏測量系統中入射角度自動測量的裝置。