橢偏測試技術(shù)具有非接觸、高靈敏、無樣品破壞優(yōu)勢，廣義橢偏儀因可測各向同性與異性樣品成研究熱點，但需變角結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多角度測量。當(dāng)前立式橢偏儀存在雙電機配合難或裝配精度高問題，臥式橢偏儀光路不易對準(zhǔn)，且缺乏低成本、高集成度且精確變角控制的方案。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本文提出單驅(qū)動變角式橢偏儀，設(shè)計其變角結(jié)構(gòu)與補償器運動部件，經(jīng)測試，空氣透射式測量重復(fù)性精度<0.014，121.5nm 標(biāo)準(zhǔn) SiO?薄膜樣片多角度反射測量<0.040，為低成本、易控制的橢偏儀設(shè)計提供新方案。

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單驅(qū)動變角結(jié)構(gòu)設(shè)計

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單驅(qū)動變角式橢偏儀結(jié)構(gòu)示意圖

為解決當(dāng)前橢偏儀變角結(jié)構(gòu)“桿件多、設(shè)計復(fù)雜、控制精度要求高、光路難對準(zhǔn)”的問題，本文提出的單驅(qū)動變角結(jié)構(gòu)，核心由起偏臂、檢偏臂、樣品臺三部分組成，采用“固定起偏臂，同步旋轉(zhuǎn)檢偏臂與樣品臺”的方式實現(xiàn)多角度測量。

根據(jù)光學(xué)反射原理，當(dāng)樣品臺與檢偏臂的轉(zhuǎn)速比為1:2時，能恰好保證橢偏測量系統(tǒng)的光路準(zhǔn)直，這是該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)精準(zhǔn)測量的關(guān)鍵設(shè)計點。

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雙旋轉(zhuǎn)補償器式橢偏測量原理

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雙旋轉(zhuǎn)補償器式廣義橢偏儀測量原理圖

雙旋轉(zhuǎn)補償器式橢偏測量的核心原理，是通過“調(diào)制 - 反射 - 解調(diào) - 采集”的流程獲取樣品參數(shù)：

光源發(fā)出的光束經(jīng)起偏器（P）與補償器 C?調(diào)制，轉(zhuǎn)化為偏振光；

偏振光經(jīng)樣品（Y）表面反射后，偏振態(tài)發(fā)生改變；

改變后的偏振光經(jīng)補償器 C?與檢偏器解調(diào)，再由探測器（D）采集光信號；

通過分析光束反射前后的光強變化，可計算出樣品的 16 個穆勒矩陣元素，進(jìn)而得到樣品的光學(xué)參數(shù)（如厚度、折射率）。

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雙旋轉(zhuǎn)補償器運動控制

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補償器 C?與 C?的“同步同方向旋轉(zhuǎn)”是精準(zhǔn)測量穆勒矩陣元素的核心前提。采用一個4相步進(jìn)同步電機，通過同步傳動機構(gòu)，按照預(yù)設(shè)的1:2轉(zhuǎn)速比，同時帶動檢偏臂和樣品臺旋轉(zhuǎn)至上位機指定的入射角度（如30°、45°、60°、75°）。

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上位機軟件集成

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基于LabVIEW平臺開發(fā)了圖形化人機交互控制界面。該界面集成了四大功能區(qū)域：

初始化配置區(qū)： 用于設(shè)置測量參數(shù)與系統(tǒng)初始化。

變角結(jié)構(gòu)控制區(qū)：實現(xiàn)入射角的精確設(shè)定與控制。

補償器運轉(zhuǎn)控制區(qū)： 控制雙補償器的啟停、轉(zhuǎn)速與同步。

數(shù)據(jù)讀取區(qū)： 實時顯示與保存探測器采集的光強數(shù)據(jù)。

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實驗驗證與性能分析

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為評估所搭建系統(tǒng)的可行性與測量精度，進(jìn)行了嚴(yán)格的重復(fù)性測試。測試樣品與方法：

空氣樣本： 采用透射式測量；標(biāo)準(zhǔn)SiO?薄膜樣片（厚度121.5 nm）： 采用反射式測量，并在30°、45°、60°、70°四個入射角下進(jìn)行。每個測量條件下均重復(fù)10次，以評估其重復(fù)性精度。

評價指標(biāo)：采用重復(fù)性精度(δ)作為關(guān)鍵性能指標(biāo)，其計算公式為：

x?為單次測量值（n=10）

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結(jié)果與討論

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空氣樣本10次測量光強變化圖

透射式10次測量重復(fù)性精度變化圖

空氣樣本測試：10次透射測量的歸一化光強曲線高度重合。對所有360個采樣點計算出的重復(fù)性精度均小于0.014，證明了系統(tǒng)在理想透射條件下具有極佳的穩(wěn)定性與重復(fù)性。

四個角度光強值變化圖

4個角度10次測量重復(fù)性精度變化圖

SiO?薄膜樣片測試： 在多角度反射測量中，系統(tǒng)同樣表現(xiàn)出良好的重復(fù)性。各角度下360個采樣點的重復(fù)性精度均滿足：30° < 0.040，45° < 0.025，60° < 0.035，70° < 0.035?？傮w而言，多角度反射測量的重復(fù)性精度優(yōu)于0.040。

性能對比分析：反射測量精度略低于透射測量，其主要原因是激光經(jīng)樣品反射后光強發(fā)生顯著衰減，導(dǎo)致環(huán)境噪聲和探測器本身的相對誤差增大，從而對測量重復(fù)性造成了影響。這在光學(xué)測量中是常見的現(xiàn)象。

本文成功設(shè)計并實現(xiàn)了一套用于單驅(qū)動變角式橢偏儀的控制系統(tǒng)。通過對變角結(jié)構(gòu)和雙補償器進(jìn)行精密的運動控制設(shè)計，并集成友好的上位機軟件，解決了傳統(tǒng)橢偏儀在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和光路對準(zhǔn)方面的部分難題。重復(fù)性實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在透射與多角度反射測量模式下均能達(dá)到良好的重復(fù)性精度（透射<0.014，反射<0.040）。該研究為開發(fā)低成本、易控制、結(jié)構(gòu)緊湊的橢偏儀提供了一種有效的技術(shù)方案和設(shè)計思路。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費曼儀器全流程薄膜測量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《單驅(qū)動變角式廣義橢偏儀的控制系統(tǒng)設(shè)計》

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