[发明专利]一种基于空间光调制器的椭偏测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜厚度的测量装置及测量方法，具体涉及一种基于空间光调制器的椭偏测量装置及测量方法。

背景技术

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。

根据获取椭偏角（ψ，Δ）方式的不同，目前应用比较广泛的椭偏仪可分为偏振器件旋转型和光弹调制型。偏振器件旋转型主要是指通过旋转调制椭偏仪中的某一/多个偏振器件来获取椭偏角的方法。根据旋转器件的不同，又可细分为旋转检偏器型、旋转起偏器型、旋转补偿器型等；光弹调制型主要是指利用光弹晶体调制光的偏振态从而获取椭偏角的方法，在整个测量过程中没有器件的机械运动。

偏振器件旋转型椭偏仪由于旋转部件造成的系统不稳定和方位角偏差而降低了其测量精度；光弹调制型的缺点是调制器易受温度影响。

设计一种基于空间光调制器的椭偏测量方法和装置，该方法中光路结构无旋转部件，消除了系统不稳定和方位角偏差，且对温度不敏感，有效克服了偏振器件旋转型及光弹调制型椭偏仪的缺点。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于空间光调制器的椭偏测量装置及测量方法，消除了系统不稳定和方位角偏差，且对温度不敏感，有效克服了偏振器件旋转型及光弹调制型椭偏仪的缺点，能够对样品表面薄膜形貌进行精确测量，同时提高了测量稳定性和速度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种基于空间光调制器的椭偏测量装置，包括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以及与带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂1和带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂2相连接的控制系统3；

所述带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂1包括沿着入射光路依次设置的：

激光器4，用于发出照射待测对象的单频率光；

准直扩束装置5，用于对所述激光器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；所述起偏器6安装在使其光轴在与入射光路垂直的一个平面内转动起偏器旋转控制台7；

入射光阑10，用于改变沿着入射光路照向所述待测对象的光束的尺寸；

所述带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂2包括沿着接收光路依次设置的：

出射光阑11，用于改变沿着接收光路来自所述待测对象的光束的尺寸；

成像系统12，其被设置在所述出射光阑11下游的光路上；

面阵探测器13，其被设置在所述成像系统12下游的光路上；

所述控制系统3包括计算机14以及和计算机14相连接的第一驱动器15、第二驱动器16、第三探测器17以及图像采集卡18；所述第一驱动器15和起偏器旋转控制台7相连接，所述第二驱动器和空间光调制器8相连，所述第三驱动器和二维位移台21相连，所述图像采集卡18和面阵探测器13相连接；

还包括用于对入射光的相位空间分布作调制的空间光调制器8，所述空间光调制器8设置在所述起偏器6与入射光阑10之间的光路上或设置在成像系统12与出射光阑11之间的光路上，所述空间光调制器8和控制系统3的第二驱动器16相连接。

在所述空间光调制器8和入射光阑10间或空间光调制器8和成像系统12间设置反射镜9。

所述空间光调制器8由多个能够独立地接收电学输入信号的基本独立单元组成一维或二维阵列。

上述所述的椭偏测量装置的测量方法，包括如下步骤：

1）初始化起偏器光轴角度步骤S301，包括由所述计算机14控制第一驱动器15转动起偏器旋转控制台7，从而改变起偏器6的光轴方向；

2）打开空间光调制器将图片输入其中步骤S302，打开空间光调制器8，计算机14通过第二控制器16将一副图片写入空间光调制器8；

3）探测器记录椭偏图像步骤S303，用所述计算机14通过所述图像采集卡18记录面阵探测器13的椭偏图像信号；

4）拟合计算（步骤S305)，计算机14用拟合算法处理图像，得到椭偏角；