一种提高椭偏仪测量精度的方法与流程

1.本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及椭偏仪技术领域，具体为一种提高椭偏仪测量精度的方法。


背景技术：

2.椭偏仪是一种利用偏振光特性测量样品特性(包含厚度，光学常数等)的光学仪器，通过测量偏振光经过样品表面反射后偏振态的改变，使用基于光学模型的数据分析，从而获得样品信息。
3.目前针对不同工作波段、不同材料分析和测试的需求，研究发展了多种类型的椭偏仪，椭偏仪测量领域和测量精度取得了很大的进步，主要有旋转起偏器型、旋转检偏器型、旋转补偿器型等。椭偏仪的基本结构包括起偏臂、检偏臂、信号测量系统、软件分析系统等。在使用椭偏仪对待测样品进行测量时，由于椭偏仪自身的系统误差、随机误差、数据拟合误差、测量结果灵敏度等因素，导致偏振态数据(方位角和相位差)测量结果往往会偏离真实值，软件处理无法准确获得所需要的薄膜折射率和厚度数据等。在偏振态数据测量时，入射光一般选择布儒斯特角θb，以提高椭偏仪测量精度，对于已知样品，可以根据样品材料的折射率经验值估计布儒斯特角θb，在该角度下入射进行测量。然而在实际操作过程中，往往需要对未知样品进行测量，无法理论推出布儒斯特角θb，需要选择多个入射角，并多次测量，测量耗时、费力，并且在某些入射角下测量时，由于薄膜参数相关不独立而产生伪解，导致测量误差大，因此通过增加布儒斯特角θb测量模块，预先得到未知样品的布儒斯特角θb，使得椭偏仪入射光以布儒斯特角θb入射，可以改善现有测量模式，提高测量灵敏度，达到提高椭偏仪测量精度的目的。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.本发明的目的是：提供一种提高椭偏仪测量精度的方法，通过增加布儒斯特角θb测量模块，预先得到未知样品的布儒斯特角θb，使得椭偏仪入射光以布儒斯特角θb入射，改善现有测量模式，提高测量灵敏度，提高测量精度。
6.(二)技术方案
7.为了解决上述技术问题，本发明提供一种提高椭偏仪测量精度的方法，其包括以下步骤：
8.步骤1、在椭偏仪检偏臂前端安装偏振片；
9.步骤2、调节椭偏仪起偏臂及检偏臂至水平，调节偏振片方位和俯仰，准直偏振片；
10.步骤3、在椭偏仪起偏臂后端安装窄带滤光片，调节窄带滤光片方位和俯仰，准直窄带滤光片；
11.步骤4、放置标准样片，校准偏振片透光轴方向；
12.步骤5、放置待测样品，同时旋转起偏臂及检偏臂，寻找光强最小值；
13.步骤6、记录光强最小值时角度，即布儒斯特角θb，在此角度入射，进行偏振态数据测量。
14.(三)有益效果
15.上述技术方案所提供的提高椭偏仪测量精度的方法，通过增加布儒斯特角θb测量模块，采用探测p光光强的方法，提前得到未知样品的布儒斯特角θb，从而使得椭偏仪入射光以布儒斯特角θb入射，可以改善现有测量模式，避免产生伪解，提高测量灵敏度，提高测量精度，并且测量模块装置简单，可以适用于各种不同类型的椭偏仪测量精度的提高。
附图说明
16.图1为灵敏度系数与入射角的关系示意图。
17.图2为本发明所基于的一种椭偏仪测量装置图。
18.图3为本发明的布儒斯特角θb测量模块的结构示意图。
19.图4为本发明所提供的提高椭偏仪测量精度的方法的流程示意图。
20.图5为椭偏仪不同入射角下多次测量结果示意图。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
22.本发明所提供的提高椭偏仪测量精度的方法适用于各种不同类型的椭偏仪，本实施例以双旋转补偿器型椭偏仪为例，方法过程做进一步的详细描述。
23.本发明的理论依据是：当偏振光从样品表面反射时，偏振方向平行和垂直入射面的两个分量(p光和s光)相位差和振幅的改变量不同，从而使反射光成为椭圆偏振光，通过测量偏振态数据，从而得到样品信息，偏振态数据可以用下式来表示：
[0024][0025]
其中，r
p
与rs为p光和s光的振幅反射系数，ψ和δ为偏振态数据(方位角和相位差)，分别对应p光和s光的幅值与相位变化。
[0026]
布儒斯特角，又称起偏角，当入射自然光以此角度射入界面时，反射光是线偏振光，并且与折射光线互相垂直，根据斯涅尔定理，当光从第一个介质斜入射到第二个介质时，布儒斯特角θb的计算公式为：
[0027]
θb＝arctan(n2/n1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0028]
其中，n1表示第一个介质的折射率，n2表示第二个介质的折射。
[0029]
由公式1可得偏振态数据微小变化：
[0030][0031]
即
[0032]
δψ＝(sin2ψ/2)re(δρ/ρ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0033]
δδ＝im(δρ/ρ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0034]
所以ψ和δ的灵敏度系数可表示为：
[0035]sψ
＝(180/π)(sin 2ψ/2)|k|cosθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0036]sδ
＝(180/π)|k|sinθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0037]
其中，k表示n、k微小变化对偏振态数据ρ的影响，ψ和δ的灵敏度系数与入射角的关系示意图如图1，从图中可以看出当光以布儒斯特角θb入射时，ψ和δ的灵敏度系数最大，因此当光以布儒斯特角θb入射时，可以通过提高测量灵敏度来提高测量精度，同时改善现有测量模式，不需要在多个角度下多次测量，避免产生伪解。
[0038]
通过在偏振态数据测量前，增加布儒斯特角θb测量模块，预先放置透光轴方向平行于入射面的偏振片，在不同角度入射条件下对p光进行检测，则p光最小值处对应的入射角为未知样品的布儒斯特角θb，在该入射角下进行偏振态数据测量，提高测量精度。
[0039]
如图2所示，为本发明所基于的一种椭偏仪测量装置图，光源1发出的光经过起偏器2和起偏臂旋转补偿器3后入射到样品4表面上，经样品4反射后，反射光经检偏臂旋转补偿器5和检偏器6进入探测器7，由探测器7探测反射光的光强。其中，起偏器2和起偏臂旋转补偿器3构成起偏臂8，检偏臂旋转补偿器5和检偏器6构成检偏臂9。
[0040]
如图3所示，为本发明的布儒斯特角θb测量模块15的结构示意图，包括一个可装调的偏振片10和一个可装调的窄带滤光片13。
[0041]
如图4所示，本实施例提供的提高椭偏仪测量精度的方法的流程为：
[0042]
(1)将偏振片10通过螺纹孔11安装至检偏臂旋转补偿器5前方，其中偏振片10的结构示意图如图2所示，与原有装置采用螺栓连接方式；
[0043]
(2)准直偏振片10，调节起偏臂8和检偏臂9至90
°
，即起偏臂8和检偏臂9水平，调节偏振片10上俯仰、方位旋钮12，使得探测器7测得光强值最大，实现偏振片10准直，此时，偏振片10与光路垂直；
[0044]
(3)将窄带滤光片13(中心波长λ＝632.8nm)通过螺纹孔11安装至起偏臂旋转补偿器3后方，其中窄带滤光片13的结构示意图如图2所示，与原有装置采用螺栓连接方式。调节窄带滤光片13上俯仰、方位旋钮12，使得探测器7测得光强值最大，实现窄带滤光片13准直，此时，窄带滤光片13与光路垂直；
[0045]
(4)载物台上放置si基底上50nmsio2标准片，根据公式(2)由标准片折射率值得到布儒斯特角为75.5
°
，调节起偏臂8和检偏臂9至75.5
°
，调节旋转调整机构14，使得探测器7测得光强值最小，实现偏振片10透光轴方向校准，此时，偏振片10透光轴方向与入射面平行；
[0046]
(5)将待测样品放置后，在45
°
～90
°
之间以0.1
°
～5
°
为步长同时旋转起偏臂8及检偏臂9，寻找光强最小值，记录光强最小值时入射角度位置θ，即此时入射角为布儒斯特角θb；
[0047]
(6)拆除偏振片10及窄带滤光片13，调节起偏臂8和检偏臂9至θ，进行偏振态数据测量。
[0048]
其中，布儒斯特角θb测量模块15连接方式、窄带滤波片13中心波长与步骤5中旋转步长可根据实际情况进行调整。
[0049]
图5为椭偏仪不同入射角下(65
°
，70
°
，75.5
°
，80
°
，85
°
)多次测量结果示意图。待测样品为si基底上50nmsio2标准片，对应该样品的布儒斯特角θb为75.5
°
，从图中可以看出，椭偏仪入射光以布儒斯特角θb入射与其他角度入射相比，测量结果波动小，通过计算可得，在
该角度下多次测量结果标准偏差最小。
[0050]
其他不同结构类型的椭偏仪测量精度提高的实施过程与双旋转补偿器型椭偏仪实施过程类似。
[0051]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。