成像橢偏儀的系統(tǒng)參數(shù)校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及成像橢偏儀的系統(tǒng)參數(shù)校準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 科學(xué)史上，測(cè)量技術(shù)的每次進(jìn)步，都能夠推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。作為研宄材料表面科 學(xué)的重要技術(shù)，其測(cè)量過(guò)程具有對(duì)樣品非破壞性、非接觸性以及高的測(cè)量精度等諸多優(yōu)點(diǎn)， 在光學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)、生物化學(xué)、金屬材料等越來(lái)越多的領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 圖1所示為成像橢偏儀的系統(tǒng)示意圖，該成像橢偏裝置由激光器、1/4波片、準(zhǔn)直 器、起偏器、補(bǔ)償器、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、檢偏器、雙遠(yuǎn)心透鏡、C⑶相機(jī)、樣品臺(tái)、控制器、計(jì)算機(jī)、左光柵 尺、右光柵尺和自準(zhǔn)直儀組成；其中激光器、1/4波片、準(zhǔn)直器、起偏器、補(bǔ)償器組成入射臂， 檢偏器、雙遠(yuǎn)心透鏡、CCD相機(jī)組成反射臂，左光柵尺和右光柵尺安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)左右兩側(cè)弧 上，左右光柵尺傳感器分別安裝在入射臂和反射臂上，左右光柵尺上各自有原點(diǎn)，根據(jù)左右 光柵尺編碼器反饋的脈沖數(shù)來(lái)記錄入射臂和反射臂轉(zhuǎn)過(guò)的角度，起偏器，檢偏器分別由伺 服電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，根據(jù)伺服電機(jī)反饋脈沖數(shù)來(lái)記錄起偏器和檢偏器轉(zhuǎn)過(guò)的角度，控制器控 制入射臂、反射臂、起偏器、檢偏器、補(bǔ)償器的旋轉(zhuǎn)，控制器記錄并顯示光柵尺編碼器和伺服 電機(jī)反饋的脈沖數(shù)，自準(zhǔn)直儀固定在半圓形旋轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)稱軸上，自準(zhǔn)直儀出射光為指向旋轉(zhuǎn) 臺(tái)圓心的法線方向，樣品臺(tái)用于對(duì)準(zhǔn)樣品，對(duì)樣品進(jìn)行傾斜調(diào)節(jié)和縱向調(diào)節(jié)。
[0004] 基于成像橢偏測(cè)量法的原理如下：
[0005] 激光器發(fā)射的光經(jīng)過(guò)起偏器后，成為線偏振光，線偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片相位延遲 器，產(chǎn)生橢偏光，該橢偏光照射到待測(cè)樣品表面，所述的橢偏光經(jīng)過(guò)待測(cè)樣品表面后變?yōu)榫€ 偏振光，該線偏振光通過(guò)檢偏器進(jìn)入圖像傳感器，通過(guò)分析待測(cè)參考樣品反射來(lái)的光的光 強(qiáng)，得到待測(cè)樣品表面的特征信息，即橢偏參數(shù)（△，步）。從上面成像橢偏測(cè)量法的原理看 出，最重要的步驟就是利用成像橢偏測(cè)量系統(tǒng)獲得樣品的橢偏參數(shù)（△，步），而成像橢偏參 數(shù)（A，步）是入射角、波長(zhǎng)、偏振器件的方位角和相位延遲等參數(shù)的函數(shù)，那么偏振器件的 方位角和入射角的準(zhǔn)確性就非常重要，它們的精度直接影響測(cè)得的橢偏參數(shù)的精度，此外 入射角的重要性還體現(xiàn)在如下方面：（1)當(dāng)入射角設(shè)置為樣品基底的Brewster角附近，測(cè) 量靈敏度提高；（2)在不同的入射角下測(cè)量樣品，可以獲得樣品更多的參量。
[0006] 目前確定橢偏儀起偏器和檢偏器的方位角，比較普遍的方法就是利用參考樣品去 校準(zhǔn)橢偏儀的系統(tǒng)參數(shù)，具體方法如下：設(shè)置入射角等于參考樣品的Brewster角，此時(shí)反 射光變成只有s分量的完全偏振光，旋轉(zhuǎn)檢偏器，使得完全消光，那么檢偏器的偏振方向必 為P方向，從而確定檢偏器的偏振方向，進(jìn)而利用兩偏振片的偏振方向垂直消光而確定起 偏器的偏振方向。實(shí)際操作中這種方法有很多缺陷：
[0007] (1)參考樣品的精度決定了起偏器和檢偏器的方位角的準(zhǔn)確性，若參考樣品的 Brewster角有偏差，直接導(dǎo)致起偏器和檢偏器的方位角的偏差；
[0008] (2)要設(shè)置精確的入射角，那么就必須確定入射臂上光柵尺的原點(diǎn)位置，實(shí)際中常 用的光柵尺原點(diǎn)是人為標(biāo)定，然后利用外界條件去找到原點(diǎn)的位置，這樣給方位角校準(zhǔn)過(guò) 程增加困難；
[0009] (3)實(shí)際操作中利用步進(jìn)電機(jī)脈沖技術(shù)設(shè)置入射角和反射角，那么就存在電機(jī)失 步或者慣性過(guò)沖的問題，從而影響了入射角和反射角的精度，進(jìn)而影響起偏器和檢偏器的 方位角的確定。
[0010] 申請(qǐng)?zhí)枮?01010137774的發(fā)明公開了一種用于橢偏測(cè)量系統(tǒng)中入射角度自動(dòng)探 測(cè)的裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了入射角自動(dòng)探測(cè)，但是該裝置需要在系統(tǒng)中多處安裝位置探測(cè)裝 置，這就使得該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且位置探測(cè)裝置的校準(zhǔn)本身也是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，限 制了該自動(dòng)探測(cè)裝置在橢偏儀系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定中的應(yīng)用。由此可見，在成像橢偏測(cè)量系統(tǒng)中， 如何確定起偏器和檢偏器的方位角，以及入射角和反射角大小仍存在很多需要改進(jìn)的地 方。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種成像橢偏儀系統(tǒng)參數(shù)的校 準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)的系統(tǒng)參數(shù)包括起偏器的偏振方向、檢偏器的偏振方向、左右光柵尺的原點(diǎn)位 置。
[0012] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0013] 一種成像橢偏儀系統(tǒng)參數(shù)的校準(zhǔn)方法，其特點(diǎn)在于該校準(zhǔn)方法包括以下步驟：
[0014] ①調(diào)整自準(zhǔn)直儀，使自準(zhǔn)直儀的出射光方向通過(guò)成像橢偏儀旋轉(zhuǎn)臺(tái)的圓心，在成 像橢偏儀旋轉(zhuǎn)臺(tái)上沿自準(zhǔn)直儀依次設(shè)置偏振分束器和直角棱鏡，所述的直角棱鏡的斜面向 右直角邊置于樣品臺(tái)上，調(diào)整所述的偏振分束器使所述的自準(zhǔn)直儀出射的光正入射并經(jīng)偏 振分束器分為互相垂直的0光和e光，〇光的偏振方向平行于入射面，e光的偏振方向垂直 于入射面，〇光經(jīng)所述的直角棱鏡的斜面反射，所述的直角棱鏡的一個(gè)小于45°的銳角a 擺在右邊，打開激光器，調(diào)整所述的直角棱鏡，使自準(zhǔn)直儀出射光與激光器發(fā)射的光交于直 角棱鏡斜邊上同一點(diǎn)，自準(zhǔn)直儀出射的〇光垂直于直角棱鏡的直角邊；
[0015] ②轉(zhuǎn)動(dòng)反射臂，使反射臂的光柵尺傳感器停在右光柵尺的原點(diǎn)，此時(shí)反射臂上的 右光柵尺的讀數(shù)為〇,再緩慢旋轉(zhuǎn)所述的反射臂，所述的CCD相機(jī)實(shí)時(shí)記錄光強(qiáng)，當(dāng)光強(qiáng)最 小時(shí)，右光柵尺的讀數(shù)為^，得到反射臂和右光柵尺原點(diǎn)的夾角為0i，根據(jù)光路的幾何關(guān) 系可推出右光柵尺原點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)臺(tái)圓心連線和法線的夾角為2 a - 0 i，即右光柵尺原點(diǎn)位置 與法線的夾角；
[0016] ③此時(shí)固定反射臂，將控制檢偏器的伺服電機(jī)復(fù)歸機(jī)械原點(diǎn)，即伺服電機(jī)編碼器 讀數(shù)為〇,伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述的檢偏器緩慢旋轉(zhuǎn)，所述的CCD相機(jī)實(shí)時(shí)記錄光強(qiáng)，當(dāng)光強(qiáng)最 小或者完全消光時(shí)，此時(shí)檢偏器的通光方向?yàn)閟方向，此時(shí)在控制器調(diào)整控制檢偏器的伺 服電機(jī)的原點(diǎn)位置，使得伺服電機(jī)編碼器讀數(shù)為〇時(shí)，檢偏器的通光方向?yàn)閟方向；
[0017] ④將入射臂的1/4波片、準(zhǔn)直器、補(bǔ)償器卸下，將所述的直角棱鏡的斜邊向左擺 放，直角棱鏡的一個(gè)小于45°的銳角a擺在左邊，再按上述步驟①調(diào)整所述的直角棱鏡， 關(guān)閉激光器，