專利名稱：薄膜厚度和折射率的成像檢測法及其設備的制作方法
技術領域：
本發明是一種用于快速檢測薄膜厚度和折射率顯微圖像的方法及其設備，屬于橢偏測量技術領域。
橢圓偏振測量技術是利用偏振光束在界面或薄膜上反射或透射時出現的偏振態的變化，從而得知有關的物理化學性質。橢偏儀具有測量精度高的顯著優點，它能同時分別測量多個物理量，并能區分不同的物理效應，是一種非破壞性測量。因而它在物理學、化學、材料學、生物學、光學、電子學、冶金學和生物醫學等方面具有廣泛的應用。普通的橢偏儀一般采用手動消光法進行測量，這種橢偏儀在實際測量過程中調整復雜和困難，測量周期長，限制了它的使用范圍，不能適應追蹤快速反應和樣品表面的測量，或者多樣品、多波長、多入射角地進行大批量測量的需要。為了提高測量速度，通常采用兩種方案一是利用伺服系統自動完成消光，它采用由計算機控制的步進馬達來驅動偏振器和檢偏器，經過苦干次反復調整后實現消光；另一種是采用光度法，它通過旋轉、擺動或調制光路中某些光元件，同時測量記錄下光的強度，再經過對信號的傅利葉分析來獲取待測樣品的各種參數，由于在測量過程中無需調光，因而測量速度可以大大提高。當前，國外出現了掃描成像橢偏儀(SIE)，其特點是將入射光聚焦成微小的一點對樣品的整個表面進行掃描，從而獲取樣品表面圖像信息，其幾何分辨率可達10μm，這種儀器雖然有較高的測量精度，但成像速度慢，對于測量樣品表面隨時間變化的情況，其圖像信息不能反映樣品表面同一時刻的狀態，不能用于對樣品表面變化的實時動態觀察。
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種可以一次性同時獲得樣品各處表面信息圖像的內方法及其專用設備，它不僅可以檢測樣品表面的狀況，還可以對樣品表面的變化進行實時動態觀察。
本發明的檢測方法是采用專用設備對樣品表面狀況進行一次性成像，再根據成像的信息得出樣品的厚度和折射率等參量，其特點是首先采用入射光狀態調節器獲得所需的橢圓偏振光，并讓其照射到樣品表面；其次是采用反射光檢測器測得不同偏振角度的偏振光強度；第三是采用信號處理器求出橢偏參數ψ和Δ，并求解橢偏方程得出樣品表面各點的膜厚和折射率及其灰度值；最后在顯示器上顯示圖像。
本發明的專用設備可以由入射光狀態調節器、樣品架、反射光狀態檢測器、信號處理器和顯示器組成，其特點是入射光狀態調節器采用光源、光強調節裝置、起偏器和補償器串連結構，由可提供準直單色光的光源發出的光，由光強調節裝置獲得所需的光強，再由起偏器調節入射光的偏振方向，由補償器將線性偏振光轉變成橢圓偏振光，然后照射到樣品；反射光狀態檢測器采用檢偏器、顯微成像裝置、多路光電探測器和光強信號采集器串連結構，入射光經樣品反射后，由檢偏器檢測出反射光在指定方向上的偏振分量，經用于提高成像幾何分辨率的顯微成像裝強，由多路光電探測器一次性獲得樣品表面各點的亮度信號，再由光強信號采集器對亮度信號進行A/D轉換后送到信號處理器，信號處理器根據得到的樣品厚度、折射率及相應灰度值，使顯示器顯示出樣品表面狀況的圖像。入射光狀態調節器的光強調節裝置可采用濾光片，為了能夠連續調節入射光強度，光強調節裝置可采用滌綸偏振片。為了能同時獲取樣品表面各點的亮度信號，多路光電探測器可采用CCD(成像電荷耦合器件)攝像頭，光電信號采集器可采用帶A/D轉換功能的圖像采集卡。
本發明與現有技術相比，具有成像速度快、樣品圖像的像素一致性好等優點，其成像速度比掃描成像橢偏儀高上千倍。由于采用一次性同時獲取樣品表面各點的數據，因而測出的結果反映樣品同一時刻的狀態，對于需要觀察樣品表面隨時間變化的場合，可實時觀察動態表面圖像并制成專用設備。


圖1為本發明的專用設備結構示意圖；圖2為實時動態成像橢偏儀的結構示意圖。
本發明的檢測方法可按以下方案實現先開啟由氦氖激光器構成的光源，使其發出穩定的單色平行光(例6328A激光)；旋轉由偏振片構成的光強調節裝置，以便得到所需的入射光強度；調整起偏器并固定入射光的偏振方向；采用1/4波長片作為補償器，將線性偏振光轉變為橢圓偏振光；用檢偏器濾除不需要的偏振光，而只通過反射光中的某一方向的偏振分量，采用顯微成像裝置提高成像的幾何分辨率，用CCD攝像頭和圖像采集卡將樣品表面各點反射光中的該方向的偏振分量強度記錄下來，通過旋轉檢偏器的一定角度就可得到一組數據，旋轉N(N≥8)次，每次旋轉的度數相同，使檢偏器轉過180°，可得N組數據；采用信號處理器求得樣品表面各點的膜厚和折射率及其灰度值，設I1為對應于檢偏器方位角為A1時的反射光強度，N次數據可作傅利葉級數展開而求得橢偏參數ψ和Δa0=-Σi=1Ii,a1=-Σi=1IiCOS2Ai,b=-Σi=1IiLin2Ai]]>ψ＝-COS-1(-a1/a0)Δ=COS-1‾a02-a12]]>求解橢偏方程得出樣品表面各點的膜厚和折射率tgψejΔ＝—— ＝ρr(No，N1，N2，d1，0，λ)其中Rp和Rs分別為入射波P偏振光和S偏振光時，薄膜的復反射系數，d1為薄膜厚度0為入射角，入為平面波的波長，N0，N1和N2分別為環境介質、薄膜以及基底的折射率。將所得出的數據中的最大值和最小值定義為灰度的最大值和最小值，以此為參照系，將其它數據按對數關系求出相應的灰度值；最后在監視器上顯示出圖像。
為了能實時觀察樣品表面狀態的變化，可采用圖2所示的實時動態成像橢偏儀來實現實時觀察。
本發明的專用設備可按附圖所示的方案實現。圖1中的入射光光源(1)可采用5mw氦氖激光器，以便能提供準直單色光(例如波長為6328A激光)；光強調節裝置(2)可采用濾光片或滌綸偏振片；起偏器(3)采用可調節入射光的偏振方向的滌綸偏振片；補償器(4)采用可將線性偏振光轉變成橢圓偏振光的1/4波長片；樣品(5)放置在樣品架上。入射光經樣品(5)反射后的反射光，可由反射光狀態檢測器進行檢測。反射光狀態檢測器可由檢偏器(6)、顯微成像裝置(7)和大面積光強信號采集器(8)構成，檢偏器(6)采用滌綸偏振片構成的可旋轉檢偏器，用于檢測反射光在指定方向上的偏振分量；用于提高成像幾何分辨率的顯微成像裝置(7)可采用XSP-12型顯微鏡改制而成；大面積光強信號采集器(8)可采用多路光電探測器和光強信號采集器構成，多路光電探測器可采用MTV-1501CB型CCD攝像頭，它可以同時獲取樣品表面各點的亮度信號，光電信號采集器可采用V256-A圖像采集卡，它可以將亮度信號進行A/D轉換，以便將信號存入計算機進行信號處理。信號處理器可采用486DX-33型微機，顯示器可采用普通黑白監視器，計算機控制旋轉檢偏器的步進電機轉動，由CCD圖像采集器得到一組與檢偏器所在角度對應的光強數據，經信號處理后可在顯示器上得到一組圖像，其灰度值與樣品被測區域的厚度、折射率等物理量的值對應。一種實時動態成像橢偏儀結構如圖2所示。入射光狀態調節器可由光源(1)、起偏器(3)和入射角自動調節裝置(9)構成，它可以根據需要而自動調節入射光的狀態。反射光狀態檢測器可由檢偏器(6)、多路光電探測器(10)和光強信號采集器(11)構成，多路光電探測器采用面陣CCD像光，光強信號采集器采用射極跟隨器、前置放大器、緩沖器和A/D轉換器串連結構，(12)為計算機。它具有電路簡潔可靠、數據可靠性高和數據定位準等特點。入射角自動調節裝置、檢偏器自動旋轉裝置和光電信號采集器等均與計算機連接，由計算機實行自動控制，從而實現全自動實時動態成像。本發明的專用設備的各個部件和裝置也可以采用與實施方案具有相同功能和性能相近的同類產品實現。
權利要求
1.一種用于快速檢測薄膜厚度和折射率的成像檢測法，其特征在于首先采用入射光狀態調節器獲得所需的橢圓偏振光，并讓其照射到樣品表面；其次是采用反射光檢測器測得不同偏振角度的偏振光強度；第三是采用信號處理器求出橢偏參數ψ和Δ，并求解橢圓方程得出樣品表面各點的膜厚和折射率及其灰度值；最后在顯示器上顯示出圖像。
2.根據權利要求1所述的薄膜厚度和折射率的成像檢測法，其特征在于采用入射光狀態調節器獲得所需的橢圓偏振光為先開啟激光光源，用光強調節裝置調整光強，用調整起偏器確定入射光的偏振方向，再用補償器將線性偏振光轉變為橢圓偏振光。
3.根據權利要求1所述的薄膜厚度和折射率的成像檢測法，其特征在于采用反射光檢測器測得不同偏振角度的偏振光是采用檢偏器獲得不同方向的偏振分量，用顯微成像裝置提高成像的幾何分辨率，用CCD攝像頭和圖采集卡記錄下樣品表面各點反射光中的不同方向的偏振分量的信息數據。
4.根據權利要求1、2或3所述的薄膜厚度的折射率的成像檢測法，其特征在于信號處理器根據測得的N組信息數據進行傅利葉級數展開，得到橢偏參數ψ＝—COS-1(-a1/a0)Δ=COS-1‾a02-a12]]>再用橢偏方程tgψejΔ＝——＝ρr(N0，N1，N2，d1，0，λ)求得樣品表面各點的膜厚和折射率。
5.一種用于快速檢測薄膜厚度和折射率的成像檢測設備，由入射光狀態調節器、樣品架、反射光狀態檢測器、信號處理器和顯示器組成，其特征在于入射光狀態調節器采用光源、光強調節裝置、起偏器和補償器串連結構，反射光狀態檢測器采用檢偏器、顯微成像裝置、多路光電探測器和光電信號采集器串連結構。
6.根據權利要求5所述的薄膜厚度和折射率的成像檢測設備，其特征在于光強調節裝置采用濾光片或滌綸偏振片。
7.根據權利要求5所述的薄膜厚度和折射率的成像檢測設備，其特征在于多路光電探測器采用CCD攝像頭，光電信號采集器采用帶A/D轉換器的圖像采集卡。
8.根據權利要求5、6或7所述的薄膜厚度和折射率的成像檢測設備，其特征在于多路光電探測器采用面陣CCD像元，光電信號采集器采用射極跟隨器、前置放大器、緩沖器和A/D轉換器串連結構。
全文摘要
薄膜厚度和折射率的成像檢測法及其設備采用入射光狀態調節器獲得所需的橢圓偏振光，用反射光檢測器測得不同偏振角度的偏振光強度，用信號處理器求解橢偏方程而得出樣品表面各點的膜厚和折射率及其灰度值，再由顯示器成像，入射光調節器采用光源、光強調節裝置、起偏器和補償器構成，反射光檢測器由檢偏器、顯微成像裝置、多路光電探測器和信號采集器構成，具有成像速度快、像素一致性好等優點。
文檔編號G01N21/41GK1144906SQ9511118
公開日1997年3月12日 申請日期1995年9月6日 優先權日1995年9月6日
發明者陸祖宏, 顧一平 申請人:東南大學