[发明专利]基于液晶调相的垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪

说明书

本发明属于纳米尺度下几何参数测量装置领域，并公开了基于液晶调相的垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪，包括起偏光路单元和检偏光路单元，所述起偏光路单元，用于将外部光源模块出射的光束进行偏振态调制后得到偏振态的光束，再将偏振态的光束投射到待测样品表面；所述检偏光路单元，用于将待测样品表面的反射光束进行偏振态分析，从而得到待测样品的信息。本发明不仅达到了光学显微镜接近光学极限的横向分辨率，还继承了椭偏测量中量级的纵向分辨率，同时基于垂直物镜成像的设计思路从根本上避免了普通倾斜镜面成像系统中焦深小、视场窄的现象，实现纳米薄膜几何参数的高分辨率宽视场测量。

技术领域

本发明属于纳米尺度下几何参数测量装置领域，更具体地，涉及基于液晶调相的垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪。

背景技术

近年来，随着纳米制造工艺水平的不断提升，纳米制造尺寸不断减小，纳米结构的几何参数已经越来越显著地影响其最终性能。因此，针对纳米结构的几何参数测量和光学特性，特别是对纳米薄膜的光学常数、膜厚以及二维层状纳米结构的膜厚、层数等几何参数进行高分辨率、快速、低成本、非破坏性的精确测量具有十分重要的意义。随着二维层状纳米结构研究的兴起，诸如石墨烯、硫化钼等材料的光学表征以及光学测量成为针对二维层状纳米结构基础研究和应用研究的重要方向。以多层硫化钼为例，硫化钼二维层状纳米材料多是采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)法制备，由于制作工艺的限制，只能制作出横向分布小尺寸的材料，多在微米量级，其纵向则是由单层或者多层材料组成，厚度尺寸都在纳米量级。为了准确地实现二维层状纳米结构的测量，要求测量手段不仅具备很高的横向分辨率和极高的纵向分辨率，还需要能够在宽视场下清晰成像，实现待测样品地精确定位。

此外，特别针对生物医学中的蛋白质相互作用和水面单分子层的漂移等固液界面类的待测样品测量，不仅要求测量手段具有无损、非接触的特点，其次还需要具有很高的分辨率。而且固液分界面在发生反射时，液体表面会发生漫反射，在反射光束中夹杂很强的杂散光。本发明还提出了消杂单元。能够有效地消除反射光束中的杂散光，更准确地对固液界面待测样品进行测量。

目前，常用的纳米尺度测量手段包括扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)等，其中扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)为非接触式测量，有很高的测量分辨率，但因为其在制样过程中需要破坏样件，且由于测量需真空环境的限制，无法实现生物医学待测样品的在线监测。原子力显微镜(AFM)为表面探针式的接触式测量，在测量过程中会造成待测样品的损伤，同时接触式的扫描测量速度较慢，而且他们都无法对待测样品的光学常数等特性进行表征。与之相比，光学测量方法具有测量速度快、成本低、无接触、非破坏性和易于在线集成等优点，因而在生物医学领域以及新型纳米二维层状结构测量中有着广泛的应用。传统的光学显微镜能够实现微米量级横向分辨率几何尺寸的测量，特别是通过优化仪器光路单元设计可以达到光学分辨率极限所对应的横向分辨率，但是其不能对纳米薄膜的厚度和光学特性进行测量和表征。传统光谱椭偏测量方法是一种通过测量光的偏振状态的改变来获取待测样品薄膜厚度及其光学常数等信息的光学测量方法，其膜厚测量精度(纵向分辨率)可以达到其光学常数测量精度通常可以达到10^-4量级。尽管光谱椭偏测量方法具有较高的纵向分辨率，但是其横向分辨率由照射至待测样品表面的光斑直径与样品台移动精度决定，通常在毫米量级。即便是加入微光斑探测光路单元之后，其横向分辨率一般最多也只能在25～50μm量级，无法满足石墨烯等二维层状纳米结构的高分辨测量需求。此外，传统的椭偏仪在针对生物医学中的固液界面待测样品测量过程中，无法消除液体表面产生的杂散光，无法满足高精度的测量要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了基于液晶调相的垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪，通过结合椭偏测量方法与光学显微镜技术，同时引入消杂单元，实现纳米薄膜和二维层状纳米结构的高分辨率、宽视场精确测量。