椭偏仪在精密薄膜中的应用：基于单驱动变角结构的高重复性精度控制系统

椭偏测试技术具有非接触、高灵敏、无样品破坏优势，广义椭偏仪因可测各向同性与异性样品成研究热点，但需变角结构实现多角度测量。当前立式椭偏仪存在双电机配合难或装配精度高问题，卧式椭偏仪光路不易对准，且缺乏低成本、高集成度且精确变角控制的方案。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文提出单驱动变角式椭偏仪，设计其变角结构与补偿器运动部件，经测试，空气透射式测量重复性精度<0.014，121.5nm 标准 SiO₂薄膜样片多角度反射测量<0.040，为低成本、易控制的椭偏仪设计提供新方案。

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单驱动变角结构设计

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单驱动变角式椭偏仪结构示意图

为解决当前椭偏仪变角结构“杆件多、设计复杂、控制精度要求高、光路难对准”的问题，本文提出的单驱动变角结构，核心由起偏臂、检偏臂、样品台三部分组成，采用“固定起偏臂，同步旋转检偏臂与样品台”的方式实现多角度测量。

根据光学反射原理，当样品台与检偏臂的转速比为1:2时，能恰好保证椭偏测量系统的光路准直，这是该结构实现精准测量的关键设计点。

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双旋转补偿器式椭偏测量原理

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双旋转补偿器式广义椭偏仪测量原理图

双旋转补偿器式椭偏测量的核心原理，是通过“调制 - 反射 - 解调 - 采集”的流程获取样品参数：

光源发出的光束经起偏器（P）与补偿器 C₁调制，转化为偏振光；

偏振光经样品（Y）表面反射后，偏振态发生改变；

改变后的偏振光经补偿器 C₂与检偏器解调，再由探测器（D）采集光信号；

通过分析光束反射前后的光强变化，可计算出样品的 16 个穆勒矩阵元素，进而得到样品的光学参数（如厚度、折射率）。

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双旋转补偿器运动控制

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补偿器 C₁与 C₂的“同步同方向旋转”是精准测量穆勒矩阵元素的核心前提。采用一个4相步进同步电机，通过同步传动机构，按照预设的1:2转速比，同时带动检偏臂和样品台旋转至上位机指定的入射角度（如30°、45°、60°、75°）。

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上位机软件集成

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基于LabVIEW平台开发了图形化人机交互控制界面。该界面集成了四大功能区域：

初始化配置区： 用于设置测量参数与系统初始化。

变角结构控制区：实现入射角的精确设定与控制。

补偿器运转控制区： 控制双补偿器的启停、转速与同步。

数据读取区： 实时显示与保存探测器采集的光强数据。

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实验验证与性能分析

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为评估所搭建系统的可行性与测量精度，进行了严格的重复性测试。测试样品与方法：

空气样本： 采用透射式测量；标准SiO₂薄膜样片（厚度121.5 nm）： 采用反射式测量，并在30°、45°、60°、70°四个入射角下进行。每个测量条件下均重复10次，以评估其重复性精度。

评价指标：采用重复性精度(δ)作为关键性能指标，其计算公式为：

x¡为单次测量值（n=10）

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结果与讨论

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空气样本10次测量光强变化图

透射式10次测量重复性精度变化图

空气样本测试：10次透射测量的归一化光强曲线高度重合。对所有360个采样点计算出的重复性精度均小于0.014，证明了系统在理想透射条件下具有极佳的稳定性与重复性。

四个角度光强值变化图

4个角度10次测量重复性精度变化图

SiO₂薄膜样片测试： 在多角度反射测量中，系统同样表现出良好的重复性。各角度下360个采样点的重复性精度均满足：30° < 0.040，45° < 0.025，60° < 0.035，70° < 0.035。总体而言，多角度反射测量的重复性精度优于0.040。

性能对比分析：反射测量精度略低于透射测量，其主要原因是激光经样品反射后光强发生显著衰减，导致环境噪声和探测器本身的相对误差增大，从而对测量重复性造成了影响。这在光学测量中是常见的现象。

本文成功设计并实现了一套用于单驱动变角式椭偏仪的控制系统。通过对变角结构和双补偿器进行精密的运动控制设计，并集成友好的上位机软件，解决了传统椭偏仪在结构复杂性和光路对准方面的部分难题。重复性实验结果表明，该系统在透射与多角度反射测量模式下均能达到良好的重复性精度（透射<0.014，反射<0.040）。该研究为开发低成本、易控制、结构紧凑的椭偏仪提供了一种有效的技术方案和设计思路。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《单驱动变角式广义椭偏仪的控制系统设计》

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