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原文传递基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法

专利名称：	基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法
摘要：	本发明属于光学测量相关技术领域，并具体公开了一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法。所述椭偏仪包括物镜、镜筒透镜以及关于其中心轴对称布置的照明光路模块和明场光路模块，照明光路模块包括光源、单色仪、光纤、起偏臂以及第一反射镜，明场光路模块包括第二反射镜、检偏臂以及明场检测器。所述方法包括选择指定波长和特征的偏振光，先后经过照明光路模块实现偏振测量的倾斜入射条件，然后引入反射镜和垂直物镜光路，经过明场光路模块和暗场光路模块，可以同时实现明场和暗场观察测量。本发明可实现纳米结构薄膜光学常数以及膜厚、纳米结构特征线宽、线高、侧壁角等几何参数的全视场高分辨率、低成本、非破坏性精确测量。
专利类型：	发明专利
申请人：	华中科技大学
发明人：	陈修国;庄锦峰;刘世元
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T10:00:00+0805
申请号：	CN201911345061.0
公开号：	CN110987817A
代理机构：	华中科技大学专利中心
代理人：	李智;孔娜
分类号：	G01N21/21;G01N21/01;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/21;G01N21/01
申请人地址：	430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
主权项：	1.一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，包括垂直于样品(11)上方依次布置的物镜(10)和镜筒透镜(9)，其中，所述镜筒透镜(9)上方还布置有照明光路模块和明场光路模块，所述照明光路模块和明场光路模块关于镜筒透镜(9)和物镜(10)的中心连线对称布置；所述照明光路模块包括光源(1)、单色仪(2)、光纤(3)、起偏臂(4)以及第一反射镜(8)，所述光源(1)发射的光源通过单色仪(2)进行筛选后经所述光纤(3)传递至所述起偏臂(4)，所述起偏臂(4)用于将所述光纤(3)传递的光源转化为偏振态可知的入射偏振光，并将该入射偏振光通过所述第一反射镜(8)反射给所述镜筒透镜(9)，该入射偏振光经所述镜筒透镜(9)聚焦后通过所述物镜(10)照到样品(11)到上，所述物镜(10)用于增大聚焦后的入射偏振光照到样品(11)上入射角，入射偏振光经过样品(11)的反射进入明场光路模块；所述明场光路模块包括第二反射镜(13)、检偏臂(14)以及明场检测器(19)，经所述样品(11)反射的入射偏振光经第二反射镜(13)反射后传递至所述检偏臂(14)，所述检偏臂(14)用于将所述第二反射镜(13)反射的入射偏振光转化为偏振态可知的反射偏振光，所述明场检测器(19)用于接收该反射偏振光并对该反射偏振光进行分析，以实现整个视场区域内样品(11)的椭偏参数、厚度或者光学常数的测量。 2.根据权利要求1所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述椭偏仪还包括暗场光路模块，所述暗场光路模块布置于所述照明光路模块和明场光路模块的上方，且其中心轴与镜筒透镜(9)和物镜(10)的中心连线共线，所述第一反射镜(8)与第二反射镜(13)关于该暗场光路模块的中心轴对称布置。 3.根据权利要求2所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述暗场光路模块包括暗场中继镜(20)和暗场检测器(21)，所述暗场中继镜(20)设于所述暗场检测器(21)的下方，所述入射偏振光在经样品(11)反射后，产生的部分散射光依次经过所述物镜(10)和所述镜筒透镜(9)后，被所述暗场中继镜(20)收集后进入所述暗场检测器(21)，所述暗场检测器(21)对该散射平行光的特性进行傅立叶域或空域的分析，以实现对样品(11)表面特征的三维重构和偏振特性的表征。 4.根据权利要求1所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述起偏臂(4)包括准直透镜(5)和起偏单元(6)，所述准直透镜(5)布置于靠近所述光纤(3)出射光的一侧，用于接收所述光纤(3)发出的光源，并将该散射的光源转化为平行光；所述起偏单元(6)设于所述准直透镜(5)和所述第一反射镜(8)之间，用于将所述平行光转化为偏振态可知的入射偏振光；所述检偏臂(14)包括转像透镜组和检偏单元(18)，所述转像透镜组设于靠近所述第二反射镜(13)的一侧，用于将经所述第二反射镜(13)反射的入射偏振光聚焦后转化为平行光，所述检偏单元(18)设于所述明场检测器(19)和所述转像透镜组之间，用于对转像透镜组产生的平行光进行偏振态的解调制。 5.根据权利要求4所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述起偏单元(6)包括两个偏振器和补偿器组；所述检偏单元(18)包括两个偏振器和补偿器组。 6.根据权利要求4所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述转像透镜组由两个共轭的第一转向透镜(15)和第二转向透镜(16)构成；所述第一转向透镜(15)和第二转向透镜(16)的中间焦点处还设置有第二小孔光阑(17)，用于过滤部分散射光。 7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述椭偏仪还包括设于所述第一反射镜(8)与所述起偏臂(4)之间的第一小孔光阑(7)，所述第一小孔光阑(7)用于过滤部分经所述起偏臂(4)处理后的入射偏振光的散射光。 8.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述第一反射镜(8)的下方设有第一旋转台，所述第二反射镜(13)下方设有第二旋转台，所述第一旋转台用于调整第一反射镜(8)的倾斜角度，使得所述第一反射镜(8)反射的入射偏振光经所述物镜(10)后投射到样品(11)表面的入射偏振光入射角为样品(11)的布鲁斯特角；所述第二旋转台用于调整所述第二反射镜(13)的倾斜角度，使得其与所述第一反射镜(8)关于所述物镜(10)呈对称布置。 9.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述物镜(10)为数值孔径大于0.82的无限远光校正无应力平场半复消色差物镜或数值孔径大于0.82的无限远光校正无应力平场复消色差物镜；优选的，所述物镜(10)为数值孔径为0.95的无限远光校正无应力平场半复消色差物镜或数值孔径为0.95的无限远光校正无应力平场复消色差物镜；所述明场检测器(19)和所述暗场检测器(21)为CCD相机或者CMOS相机。 10.一种如权利要求1-9任一项所述的基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤： S1打开光源(1)，调整单色仪(2)使其能发射指定波长的单色光，调至准直透镜(5)和起偏臂(4)，确保单色光在进入所述起偏臂(4)之前的平行度，再经过起偏臂(4)后产生偏振态可知的入射偏振光，调整第一反射镜(8)和第二反射镜(13)的倾斜角，确保入射偏振光经过镜筒透镜(9)和物镜(10)后以预定的入射角照射到样品(11)上； S2调整样品(11)与所述物镜(10)之间的距离，使得在明场检测器(19)和暗场检测器(21)的观测区域能看到清晰的图像； S3所述光源(1)经过单色仪(2)发射的单色光经光纤(3)照射到所述准直透镜(5)，该单色光在所述准直透镜(5)的作用下转化为平行光后传递至所述起偏臂(4)，所述起偏臂(4)用于将所述光纤(3)传递的光源转化为偏振态可知的入射偏振光，并将该入射偏振光通过所述第一反射镜(8)反射给所述镜筒透镜(9)，该入射偏振光经所述镜筒透镜(9)聚焦后通过所述物镜(10)照到样品(11)到上，所述物镜(10)用于增大聚焦后的入射偏振光照到样品(11)上入射角，入射偏振光经过样品(11)的反射进入明场光路模块，经所述样品(11)反射的入射偏振光经第二反射镜(13)反射后传递至所述检偏臂(14)，所述检偏臂(14)用于将所述第二反射镜(13)反射的入射偏振光转化为偏振态可知的反射偏振光，所述明场检测器(19)用于接收该反射偏振光对应的光强信号，所述暗场检测器(21)用于接收所述入射偏振光在经样品(11)反射后产生的部分散射光的光强信号； S4改变所述起偏臂(4)和所述检偏臂(14)的偏振态，重复步骤S3，从而获取预设组的不同偏振态反射偏振光对应的光强信号，并对预设组的反射偏振光的光强信号进行分析，以实现整个视场区域内样品(11)的椭偏测量参数、厚度测量参数或者光学常数测量参数的测量；所述暗场检测器(21)接收不同偏振态的所述入射偏振光经样品(11)反射后产生的部分散射光的光强信号，以实现对样品的微小结构进行对比观察检测； S5改变光源(1)和单色仪(2)发射的单色光的波长，重复步骤S1～S4，得到预设组的不同波长下的样品(11)的椭偏测量参数、厚度测量参数或者光学常数测量参数，然后以此计算获取样品(11)的椭偏参数、厚度或者光学常数；同时，所述暗场检测器(21)接收不同波长下的所述入射偏振光经样品(11)反射后产生的部分散射光的光强信号，并以此实现对样品(11)表面特征的三维重构和偏振特性的表征。
所属类别：	发明专利