[發明專利]一種納米結構幾何參數大面積在線測量裝置及其測量方法

在審

• 申請號: 201410733437.6
• 申請日: 2014-12-04
• 公開（公告）號: CN104482878A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 劉世元;陳修國;杜衛超;張傳維
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

1.一種納米結構幾何參數大面積在線測量裝置，其特征在于，該裝置在穆勒矩陣橢偏儀的檢偏光路中增設有成像透鏡，且將檢偏光路中的線陣探測器替換為面陣探測器，以收集整個視場區域內待測納米結構的成像穆勒矩陣信息，通過對成像穆勒矩陣上各個像素點進行獨立的橢偏測試，準確實時地重構出包含整個視場的大面積區域內待測納米結構的三維顯微形貌。

2.根據權利要求1所述的納米結構幾何參數大面積在線測量裝置，其特征在于，該裝置具體包括光源(101)，波長選擇器(103)，光纖耦合器(105)，引出光纖(106)，準直鏡(107)，起偏器(108)，起偏臂端相位補償器(109)，起偏臂(110)，用于放置待測納米結構(111)的旋轉樣品臺(112)，角度計(113)，檢偏臂端相位補償器(114)，檢偏器(115)，成像透鏡(116)，檢偏臂(117)，面陣探測器(118)，同步控制器(119)，以及計算機(120)；

準直鏡(107)、起偏器(108)和起偏臂端相位補償器(109)位于起偏光路上，并且固定在起偏臂(110)上；檢偏臂端相位補償器(114)、檢偏器(115)、成像透鏡(116)和面陣探測器(118)位于檢偏光路上，并且固定在檢偏臂(117)上；起偏臂端相位補償器(109)和檢偏臂端相位補償器(114)之間的同步轉動由同步控制器(119)控制并與計算機(120)相連；起偏臂(110)和檢偏臂(117)以相同的傾角對稱布置于角度計(113)上；光源(101)，波長選擇器(103)和光纖耦合器(105)位于同一光路上，三者之間通過光纖相連，引出光纖(106)的一端連接在光纖耦合器(105)上，從引出光纖(106)另一端引出的光束位于準直鏡(107)的焦點位置，面陣探測器(118)安裝在成像透鏡(116)的焦平面(121)之后，且其光軸以2～10°的傾斜角固定以保持采集圖像的清晰度。

3.根據權利要求2所述的納米結構幾何參數大面積在線測量裝置，其特征在于，所述波長選擇器(103)為單色儀或者濾波片；光源(101)為氙燈光源或激光光源，當光源(101)選用激光光源時，通過改變入射角或者方位角以便從測量成像穆勒矩陣中提取出待測納米結構的幾何參數值及其三維顯微形貌；面陣探測器(118)采用CCD探測器或者CMOS探測器。

4.一種利用權利要求1或2所述裝置進行納米結構幾何參數大面積在線測量的方法，具體包括下述步驟：

第1步將待測納米結構置于旋轉樣品臺上；由光源發出的光束經過波長選擇器之后變為單色光，經過準直鏡后變為平行光束，再先后經過起偏器、起偏臂端相位補償器得到橢圓偏振光束后投射至待測納米結構表面；

第2步橢圓偏振光束經過待測納米結構表面反射后，先后經過檢偏臂端相位補償器、檢偏器、以及成像透鏡進入面陣探測器，利用面陣探測器收集得到零級衍射光對應的光強信號；通過連續調節起偏臂端相位補償器和檢偏臂端相位補償器以改變入射橢圓偏振光束的偏振狀態，進而收集得到不同偏振狀態下零級衍射光的光強信號；

第3步根據第2步收集到的零級衍射光的光強信號，計算得到待測納米結構對應面陣探測器上每個像素點處的測量穆勒矩陣，所有像素點對應的測量穆勒矩陣構成整個視場區域內待測納米結構的測量成像穆勒矩陣；

第4步利用波長選擇器改變入射光束的波長λ，轉動起偏臂與檢偏臂以改變入射光束的入射角θ，轉動樣品臺以改變入射光束與待測納米結構之間所成方位角φ；重復第1步～第3步，得到不同波長、入射角和方位角配置下的測量成像穆勒矩陣；

第5步在給定的波長、入射角和方位角配置下計算待測納米結構對應的理論穆勒矩陣；

第6步將第5步計算得到的理論穆勒矩陣與第4步得到的測量成像穆勒矩陣上每個像素點或者每組像素點對應的測量穆勒矩陣進行匹配，從中提取出對應像素點處的待測納米結構的幾何參數；所有像素點對應的待測納米結構幾何參數值最終構成整個視場區域內待測納米結構的三維顯微形貌。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述面陣探測器上任意第m行和第n列對應的像素點處的測量穆勒矩陣計算過程為：

首先根據反射光束與入射光束對應的斯托克斯向量S_out，S_in之間的關系式：

Sout=[MAR(θA)]·[R(-θC2)MC2(δ2)R(θC2)]·MS·[R(-θC1)MC1(δ1)R(θC1)]·[R(-θP)MP]·Sin---(1)]]>

將式(1)展開得到反射光束對應光強表達式為

I=I0{K1+[c2cos2θA+s2cos(4θC2-2θA)]K2+[c2sin2θA+s2sin(4θC2-2θA)]K3-[sinδ2sin(2θC2-2θA)]K4}---(2)]]>

Ki=Mi1+[c1cos2θP+s1cos(4θC1-2θP)]Mi2+[cisin2θP+s1sin(4θC1-2θP)]Mi3+[sinδ1sin(2θC1-2θP)]Mi4---(3)]]>

其中M_P，M_A，M_C1(δ₁)，M_C2(δ₂)和M_S分別為起偏器、檢偏器、起偏臂端相位補償器、檢偏臂端相位補償器和待測納米結構對應的穆勒矩陣；θ_P和θ_A分別起偏器和檢偏器的透光軸方向與入射面夾角；θ_C1和θ_C2分別表示起偏臂端相位補償器和檢偏臂端相位補償器的快軸方向與入射面的夾角，在數據采集過程中起偏臂端相位補償器和檢偏臂端相位補償器的快軸以一定的比例同步旋轉，δ₁和δ₂分別為起偏臂端相位補償器和檢偏臂端相位補償器對應的相位延遲量，c_k＝cos²(δ_k/2)，s_k＝sin²(δ_k/2)及K_i均為中間變量，M_ij為待測納米結構對應的穆勒矩陣M_S中的元素，i,j＝1,2,3,4；k＝1,2；

由光強信號的時域表達式(2)和(3)可知，待測納米結構對應CCD探測器上任意第m行和第n列像素點處采集到的光強信號是隨時間變化的周期性信號對其進行傅立葉分析，由此得到的光強信號的傅立葉系數是對應穆勒矩陣元素的線性函數；在采集得到反射光束的光強信號之后，通過對其進行傅立葉分析，由光強信號的傅立葉系數推導得到CCD探測器上對應像素點處的待測納米結構穆勒矩陣元素。