快照椭圆偏振仪制造技术

快照椭圆偏振仪或偏振计，其不需要时间调制的(一个或多个)元件来测量样品，而是使用一个或多个空间上变化的补偿器(例如，微延迟器阵列和复合棱镜)来改变电磁辐射的测量光束内的偏振状态。在与空间上变化的(一个或多个)补偿器和样品相互作用后，对光束的强度轮廓的分析允许表征样品参数，而无需任何移动光学器件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】快照椭圆偏振仪
本专利技术涉及测量样品的光学性质和物理参数的椭圆偏振仪(ellipsometer)和类似系统。更具体而言，本专利技术涉及通过空间上改变测量光束的偏振状态来表征样品的光谱椭圆偏振仪。
技术介绍
在传统的椭圆偏振法(ellipsometry)中，通过作为时间的函数改变至少一个偏振状态参数来调制和/或分析电磁辐射光束的偏振状态。旋转光学椭圆偏振仪通过旋转元件来线性地改变至少一个光学元件的方位角的位置。每个旋转元件以与光学器件的旋转率相关的频率感应信号强度的时间调制。早期的发展采用了旋转分析器(analyzer)或偏振器(polarizer)，它们无法测量由样品引起的相变(D)的正负号。后来的改善利用了旋转补偿器来提供对该参数的灵敏度。另一种类型的椭圆偏振仪使用光弹性调制器来改变光学器件的延迟作为时间的函数，通常以正弦方式通过在压电换能器上施加电压来在光弹性晶体中感应应力。这种应力会导致晶体内部发生变化的双折射，并导致测量光束的延迟。在以上每种类型的椭圆偏振仪中，分析了信号强度的时间调制，以确定样品的光学性质。一般而言，诸如旋转补偿器和光弹性调制器的元件具有几个缺点。由于偏振调制是时间的函数，因此必须捕获多个测量帧才能完整描述光束的偏振状态。为此，任何时间调制的椭圆偏振仪的测量速度基本上都受到其硬件的限制。对于移动或快速改变的样品，例如涂覆处理中的，用固定光学器件来完成测量将是有利的。固定元件椭圆偏振仪也可能潜在地比时间调制的系统更稳定、更简单和更紧凑。为了克服现有技术椭圆偏振仪的局限性，已经提出了几种消除使用检测光束时间调制系统的设计方案。通道椭圆偏振仪和偏振计(polarimeter)将关于光束的偏振状态的信息编码到用于光谱或空间信息的检测器的相同维度上。在光谱通道的椭圆偏振法中，这是使用多阶延迟器来完成的。延迟器具有强波长依赖性的偏振效应，从而在光谱强度轮廓内的较高频率处创建强调制模式。类似地，空间通道系统通过对空间上变化的光学器件(诸如楔形延迟器)进行成像，来沿着一个或两个维度调制强度。如Oka等人在美国专利7336360B2中所描述的，利用此方法的系统有可能同时捕获关于光束的光谱、偏振和空间分量的大量信息。通道系统的主要缺点是与每个变量相关的信息必须是分离的。在许多现有技术中，这是通过对结果的强度信息进行傅里叶变换来挑选出每个单独调制源的特征频率来实现的。该技术的几个缺点包括更复杂的信号处理、增加的噪声和降低的分辨率。快照椭圆偏振仪和偏振计可以提供固定光学器件的优势，而没有通道系统的缺点。在快照系统中，信号的空间调制是通过将空间上变化的光学器件成像到多元件检测器的专用维度上而感应的。如果使用了二维检测器，那么其它的维度可以用于捕获与样品或光束的光谱、角度或空间特性相关的信息。对于快照光谱椭圆偏振法，附加元件沿着正交检测器维度将电磁辐射光谱分离，从而允许在检测器的单个帧捕获中完全表征光束的偏振状态和光谱的轮廓。由于光谱分离和偏振调制方向是独立的，因此信号处理是直接进行的并且类似于传统的椭圆偏振法技术。穆勒-斯托克斯(Mueller-Stokes)微积分可以用于表达由椭圆偏振仪的光学列内的每个元件引起的偏振改变。电磁辐射的偏振状态由斯托克斯向量表示，并且每个元件由描述光学器件的偏振效应的穆勒矩阵来描述。下面提供了一些常见偏振元件的穆勒-斯托克斯描述。非偏振光以强度I表征，并由以下斯托克斯向量来描述：下面的矩阵将表示偏振光束的斯托克斯向量转换为检测器上强度的标量表示。Detector(D)＝Attn·(1000)偏振器是具有特征通轴的元件，该特征通轴仅透射具有沿着所述轴定向的偏振的电磁辐射。分析器是存在于椭圆偏振法系统中的样品之后的偏振器。描述分析器的穆勒矩阵与描述偏振器的穆勒矩阵相同。补偿器通过使横向电磁波的一个分量相对于其正交分量延迟而起作用。该效应由以下表达式来描述，其中延迟(d)是双折射晶体的非凡和普通折射率(ne，n0)与波长(λ)的电磁辐射通过其传播的材料的厚度(T)的函数。描述一般补偿器的穆勒矩阵如下：对于具有特征偏振轴的任何元件，诸如偏振器或补偿器，旋转矩阵用于描述元件相对于入射平面的方位角位置(θ)。对样品的最一般数学描述是由16个元素组成的穆勒矩阵，该穆勒矩阵可以完全描述由样品引起的光束偏振状态的任何改变。在传统的椭圆偏振法中，由样品引起的偏振改变是由两个参数ψ和Δ来描述的，但是该表示法不足以描述部分偏振光束或去偏振样品。可以使用替代表示法来完全描述各向同性样品和部分偏振光束。各向同性量与以下方式相关，并且可以被代入到先前的矩阵中，如下所示：N＝cos(2ψ)C＝sin(2ψ)cos(Δ)S＝sin(2ψ)sin(Δ)N、C和S表示法是有利的，因为它提供了简单的去偏振关系。去偏振被定义为完全偏振的电磁辐射到部分偏振的电磁辐射的变换，并且对于各向同性样品，可以用以下方式来表达：％Depolarization＝100％·(1-N2-C2-S2)去偏振可能由多种因素引起，包括：表面电磁辐射散射、样品的非均匀性、光谱仪带宽分辨率、非准直输入光束的角度扩展以及从基板的背面反射的电磁辐射的非相干总和。去偏振测量有助于识别样品或系统中的非理想性。现有技术快照椭圆偏振仪中使用的最常见元件中的一种是某种双折射材料的楔形物(wedge)。因为补偿器的延迟与其厚度成正比，所以具有空间上可变厚度的双折射光学器件具有在不同位置处的不同延迟值。因为测量光束的不同部分与光学器件的不同部分相互作用，所以测量光束的偏振状态成为空间上调制。这样的光学器件的最简单的示例是由双折射晶体制成的线性楔形物。可以将这种楔形物的厚度T描述为沿着变化方向的空间位置x的函数，其中变化率由楔形物的斜率w来定义。T(x)＝w·x将楔形物厚度代入一般延迟方程，可以将跨楔形物的延迟描述为空间位置的函数。定义了新的项D来表达延迟变化率。d(x)＝D·x楔形双折射晶体的穆勒矩阵描述与标准补偿器的穆勒矩阵描述类似，其中空间延迟由d(x)定义。具有双折射和可变厚度的任何光学器件都将在空间上调制入射在其上的光束的偏振状态，并且术语“楔形物”在本文中用于描述具有这样的厚度变化的任何光学器件，而不是如上面示例中那样具体地定义厚度线性或连续地变化。表现出离散的逐步厚度轮廓或非线性变化的光学器件，可以被本领域技术人员很容易地替换。如上面所描述的线性楔形延迟器的常见修改是巴比涅(Babinet)补偿器。巴比涅补偿器是一组两个单轴各向异性材料的等楔形晶体。如图3B中所示，将楔形物定向成具有两个楔形面接触或在它们之间具有小的间隙，并且两个相对的面彼此平行且垂直于入射光束。两个楔形物的光学轴彼此正交并且与光束正交。可以通过将两个分量楔形物与光学轴W1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种椭圆偏振仪，包括：/na)电磁辐射光束的源(2)；/nb)偏振状态发生器(4)；/nc)使准直或非准直的电磁辐射光束(3)以已知的入射角与样品(5)相互作用的装置；/nd)偏振状态分析器(6)；以及/ne)电磁辐射的多元件检测器(8)；/n使得在使用中，电磁辐射光束(3)由电磁辐射光束的所述源(2)来生成，并使其与所述偏振状态发生器(4)、样品(5)、所述偏振状态分析器(6)和所述多元件检测器(8)相互作用，所述偏振状态发生器(4)和/或所述偏振状态分析器(6)还包含以下空间上变化的补偿器(10)中的至少一个：/n两个或更多个具有彼此倾斜的晶体轴且空间厚度变化的双折射光学器件(16)的组合；以及/n不是以测得的(一个或多个)波长的阶构造的延迟元件(14)的阵列(13)；/n所述空间上变化的补偿器(10)起到赋予多个空间上分离的偏振状态的作用，使得在所述光束的横截面上强度的空间分布结果，在与所述偏振状态分析器(6)相互作用之后，通过所述检测器(8)中相应的多个空间上分布元件在相应的多个位置处被检测到，/n可以对其进行分析以确定样品性质。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181012 US 16/350,2041.一种椭圆偏振仪，包括：
a)电磁辐射光束的源(2)；
b)偏振状态发生器(4)；
c)使准直或非准直的电磁辐射光束(3)以已知的入射角与样品(5)相互作用的装置；
d)偏振状态分析器(6)；以及
e)电磁辐射的多元件检测器(8)；
使得在使用中，电磁辐射光束(3)由电磁辐射光束的所述源(2)来生成，并使其与所述偏振状态发生器(4)、样品(5)、所述偏振状态分析器(6)和所述多元件检测器(8)相互作用，所述偏振状态发生器(4)和/或所述偏振状态分析器(6)还包含以下空间上变化的补偿器(10)中的至少一个：
两个或更多个具有彼此倾斜的晶体轴且空间厚度变化的双折射光学器件(16)的组合；以及
不是以测得的(一个或多个)波长的阶构造的延迟元件(14)的阵列(13)；
所述空间上变化的补偿器(10)起到赋予多个空间上分离的偏振状态的作用，使得在所述光束的横截面上强度的空间分布结果，在与所述偏振状态分析器(6)相互作用之后，通过所述检测器(8)中相应的多个空间上分布元件在相应的多个位置处被检测到，
可以对其进行分析以确定样品性质。


2.如权利要求1所述的椭圆偏振仪，所述椭圆偏振仪还包括存在于所述空间上变化的补偿器(10)与所述多元件检测器(8)之间的至少一个成像元件，以改善关于所述空间上变化的补偿器(10)与所述检测器(8)上的特定点之间的对应关系的分辨率。


3.如权利要求1所述的椭圆偏振仪，其中由电磁辐射光束的所述源(2)提供的所述光束包括多个波长，并且其中所述检测器(8)是二维的，并且其中所述椭圆偏振仪还包括在所述检测器(8)之前的至少一个波长分离元件(7)，使得在使用中能够针对所研究的样品的每个位置处的多个波长来确定样品的偏振效应。


4.如权利要求3所述的椭圆偏振仪，其中所述至少一个波长分离元件(7)是从以下组成的组中选择的：
平面或弯曲的衍射光栅；
色散棱镜；以及
衰减或反射滤光器元件，在其不同位置处透射、阻挡或反射不同的波长。


5.如权利要求3所述的椭圆偏振仪，其中至少一个附加的聚焦光学器件将由所述波长分离元件(7)引起的光谱变化解析到所述检测器(8)的一个维度上。


6.如权利要求1所述的椭圆偏振仪，其中电磁辐射光束的所述源(2)是从以下组成的组中选择的：
宽带或单色激光器；
宽带或窄带LED；
单色仪；
宽带源；
FTIR源；
碳硅棒源；
白炽灯源；以及
弧光灯。


7.如权利要求1所述的椭圆偏振仪，其中电磁辐射光束的多个源(2)被组合使用，以扩展波长范围或跨测得的电磁光谱提供更均匀的强度轮廓。


8.如权利要求1所述的椭圆偏振仪，所述椭圆偏振仪还包含分束元件，并且检测两个结果光束的强度轮廓，以便改善数据质量或提供光束轮廓或样品表面的图像。


9.如权利要求1所述的椭圆偏振仪，其中在所述偏振状态发生器(4)和所述偏振状态分析器(6)两者中都存在空间上变化的补偿器(10)，并且其中使用成像光学器件和/或低发散照明以已知的关系光学地覆盖所述两个元件的空间调制。


10.如权利要求9所述的椭圆偏振仪，其中所述空间上变化的补偿器通过放大光学器件、空间上变化的补偿器特性的变化和/或会聚或扩展照明，将不同的有效调制频率赋予到所述检测器上。


11.如权利要求10所述的椭圆偏振仪，其中所述偏振状态分析器和所述偏振状态发生器的有效空间调制频率以1:3、3:1、1:5、5:1、3:5，或5:3的比率被成像到所述检测器(8)上。


12.如权利要求1所述的椭圆偏振仪，其中所述电磁光束对于所述样品的表面的入射角是可调节的。


13.如权利要求1所述的椭圆偏振仪，其中电磁辐射光束的所述源(2)是来自单色仪、光纤或针孔的输出，使得光束具有有利的光谱或空间特性。


14.如权利要求1所述的椭圆偏振仪，其中由电磁辐射光束的所述源(2)提供的电磁辐射光束不沿着垂直于或基本上垂直于所述样品表面的轨迹接近所述样品表面。


15.如权利要求1所述的椭圆偏振仪，所述椭圆偏振仪的特征在于从以下组成的组中的至少一个选择：
所述源不包括一个或多个激光器，以及
在所述源与所述样品之间不存在狭缝和楔形补偿器元件的串联组合。


16.一种椭圆偏振仪，包括：
a)电磁辐射光束的源(2)；
b)偏振状态发生器(4)；
c)使样品以已知的入射角与所述光束相互作用的装置；
d)偏振状态分析器(6)；以及
e)电磁辐射的多元件检测器(8)；
所述椭圆偏振仪的特征在于，所述偏振状态发生器(4)和所述偏振状态分析器(6)两者都包括至少一个具有多个位置(13)(14)的元件，或者多个各自具有至少一个位置(16)的元件，或其组合，所述元件位置中的每个元件位置用于影响光束偏振特性，所述光束偏振特性取决于所述光束横截面积的一部分如何与其中的所述位置中的至少一个位置相互作用；
使得在使用中，使由电磁辐射光束的所述源(2)生成的电磁辐射光束与所述偏振状态发生器(4)、所述样品(5)和所述偏振状态分析器(6)相互作用，使得在所述光束的横截面和所述光束横截面中的相应多个位置上的空间强度分布结果，基本上被所述多元件检测器(8)同时检测到；
使得在使用中，使用所述偏振状态发生器(4)和所述偏振状态分析器(6)的性质的知识来分析所述强度轮廓，以表征所述样品(5)的性质。


17.一种分光偏振计，包括：
a)用于捕获光束的装置；
b)偏振状态分析器(4)；
c)波长分离元件(7)；以及
d)电磁辐射的多元件检测器(8)；
使得在使用中，所述电磁辐射光束进入所述分光偏振计，并使其与所述偏振状态分析器(6)、波长分离元件和所述多元件检测器(8)相互作用；
所述偏振状态分析器(6)包括以下空间上变化的补偿器(10)中的至少一个：
两个或更多个具有彼此倾斜的晶体轴且空间厚度变化的双折射光学器件的组合；以及
不是以测得的(一个或多个)波长的阶构造的延迟元件的阵列；
所述空间上变化的补偿器(10)起到赋予多个偏振状态的作用，所述多个偏振状态通过与偏振状态分析器(6)相互作用导致在所述光束的横截面上强度的空间分布；
这样的分光偏振计的特征在于，在使用中，通过所述检测器(8)的相应的多个元件在其所述分布中的多个位置处检测到强度，并对其进行分析以确定在一定波长范围内光束的偏振状态。


18.一种表征样品(5)的方法，包括以下步骤：
a)提供一种椭圆偏振仪，包括：
a')电磁辐射光束的源(2)；
b')偏振状态发生器(4)；
c')使准直或聚焦的电磁辐射光束(3)以已知的入射角与样品相互作用的装置；
d')偏振状态分析器(6)，以及
e')电磁辐射的多元件检测器(8)；
使得在使用中，电磁辐射光束(3)由电磁辐射光束的所述源(2)来生成，并使其与所述偏振状态发生器(4)、样品(5)、所述偏振状态分析器(6)和所述多元件检测器(8)相互作用，所述偏振状态发生器(4)和/或所述偏振状态分析器(6)还包含以下空间上变化的补偿器(10)中的至少一个：
两个或更多个具有彼此倾斜的晶体轴且空间厚度变化的双折射光学器件(16)的组合；以及
不是以测得的(一个或多个)波长的阶构造的延迟元件(14)的阵列(13)；
所述空间上变化的补偿器(10)起到赋予多个空间上分离的偏振状态的作用，使得在所述光束的横截面上强度的空间分布结果，在与所述偏振状态分析器(6)相互作用之后，通过所述检测器(8)中相应的多个空间上分布元件在相应的多个位置处被检测到。
b)使电磁辐射光束的所述源(2)提供电磁辐射光束(3)，所述电磁辐射光束被引导与所述偏振状态发生器(4)相互作用、与经由所述装置访问的样品(5)相互作用，用于使准直或非准直的电磁辐射光束(3)以已知的入射角与样品相互作用、与所述偏振状态分析器(6)相互作用，并进入电磁辐射的所述多元件检测器(8)；
b)响应于输入到所述检测器(8)的电磁辐射而访问由所述检测器(8)提供的数据，以及
c)分析所述数据以表征所述样品(5)。


19.如权利要求19所述的方法，所述方法的特征还在于从以下组成的组中的至少一个选择：
l)所述椭圆偏振仪还包括存在于所述空间上变化的补偿器(10)与所述多元件检测器(8)之间的至少一个成像元件，以改善关于所述空间上变化的补偿器(10)与所述检测器(8)上的特定点之间的对应关系的分辨率；
2)由电磁辐射光束的所述源(2)提供的所述光束包括多个波长，并且其中所述检测器(8)是二维的，并且其中所述椭圆偏振仪还包括在所述检测器(8)之前的至少一个波长分离元件(7)，使得在使用中能够针对所研究的样品的每个位置处的多个波长来确定样品的偏振效应；
3)由电磁辐射光束的所述源(2)提供的所述光束包括多个波长，并且其中所述检测器(8)是二维的，并且其中所述椭圆偏振仪还包括在所述检测器(8)之前的至少一个波长分离元件(7)，使得在使用中能够针对所研究的样品的每个位置处的多个波长...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·A·P·霍沃尔卡，J·A·范德斯利斯，
申请(专利权)人：JA伍兰牡股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US