瞬时椭偏仪或散射仪及相关测量方法技术

本发明专利技术涉及椭偏仪或散射仪，包括光源(1)；偏振器(5)；光学照明系统(2，4)，适于朝向样品(6)引导入射偏振光束(11)；光波前分束器(20)，被布置为接收通过反射、透射或衍射产生的次级光束(12)，所述光波前分束器(20)被定向为形成三个准直分离光束；光学偏振修改装置(25)和光学偏振分离装置(26)，形成六个角度分离的光束；检测系统，适合于检测六个分离的光束；以及处理系统，适合于从中推导出椭圆偏振或散射测量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】瞬时椭偏仪或散射仪及相关测量方法
本专利技术总体上涉及用于测量材料和/或薄层的光学仪器领域。具体地，本专利技术涉及光谱或单色椭偏仪或散射仪以及光谱或单色椭圆偏振或散射测量方法。更具体地，本专利技术涉及具有非常高的测量速率的光谱或单色椭偏仪或散射仪。
技术介绍
光谱椭偏仪或散射仪通常包括照明臂和检测臂。照明臂包括宽带光谱光源和偏振器，该偏振器被配置为以确定的入射角(AOI)偏振入射在样品上的光束。该检测臂接收入射到样品上的光束的，通过反射或透射(对于椭偏仪)形成的光束和(对于散射仪)通过衍射形成的光束，并包括偏振分析仪和光谱仪，以根据波长检测反射、透射或衍射的光束。单色椭偏仪或散射仪包括相同的元件，光源通常是单色的，并且检测器在不需要光谱仪的情况下接收偏振分析仪下游的反射、透射或衍射光束。在对样品进行反射操作的椭偏仪中，检测臂布置成在入射平面中接收反射光束，该入射平面相对于样品法线形成与入射角相反的角度。在以透射方式工作的椭偏仪中，检测臂被布置为接收由样品在入射平面中透射的光束。在散射仪中，检测臂被布置为接收由样品在入射平面中衍射的光束，该入射平面相对于样品法线形成通常与入射角不同的角度。存在许多单色或光谱椭偏仪。这些椭偏仪中的大多数都包括光学偏振调制器，用于临时调制入射到样品上或反射到样品上的光束的偏振状态，以便根据至少两个独立偏振状态获取样品反射或透射的光束的偏振分量。单色或光谱椭偏仪是已知的，其基于旋转偏振器或旋转补偿器、光学相位调制器或双折射液晶系统，其使得可根据时间来改变光束的偏振。无论光学偏振调制器的类型如何，都使用检测系统来获取根据时间，即根据偏振调制的一系列的测量或光谱。光谱仪通常包括光电探测器，该光电探测器由测量光束强度的像素阵列或像素矩阵组成，每个像素或每个像素列与波长相关联。在这些条件下，在至少一个调制周期内，通过分析一系列根据时间的单色测量或强度光谱I(λ)，来进行椭圆偏振法搜索参数的确定。许多出版物已经描述了不同的方式，以从针对调制偏振的分量的不同位置确定的一系列单色或光谱I(λ)测量推导出椭圆偏振量。可在频域或时域中进行一系列单色或光谱I(λ)测量的分析。然而，这种基于时间偏振调制的方法具有一定数量的缺点。首先，测量精度受所用光源的强度不稳定性的影响。此外，测量的最小持续时间由偏振调制周期固定，并且不能低于调制周期的一半。具体地，基于旋转部件的光学偏振调制器的使用不仅在振动产生方面，而且在长期可靠性和鲁棒性方面可能具有缺点。最后，在调制周期内采集一系列光谱期间，通常不可能根据其强度来调节光谱的采集时间，因为光谱的采集持续时间取决于调制周期。因此，这种方法不可能在检测器动态的有利强度范围内将其用于测量每个光谱，既避免了饱和，又避免了信号过低。那样，有时难以用具有非常不同的反射率值的相同的单色或光谱椭偏仪检查或使用具有非常不同的尺寸的斑点。另一方面，从专利文件WO2014/016528A1中已知一种波分偏振光谱仪，其可将源光束分成六个偏振光束，并同时测量与六个偏振光束对应的六个光谱图像的强度，以由此推导出源光束偏振状态的光谱测量。然而，波分旋光仪的缺点在于，不同光谱图像上的光强度分布强烈地取决于实验条件。因此，每个图像的光强度的测量值不仅取决于偏振状态，而且还取决于执行波分的位置处的光强度分布。借助于这种偏振仪的偏振测量状态可能是不准确的和/或错误的。而且，该文献没有描述需要用明确定义的入射角和反射、透射或衍射角来分析由样品反射、透射或衍射的光束的偏振状态的椭偏仪或散射仪。通常，在椭偏仪或散射仪中，为了避免引入系统的测量误差，希望避免一方面在照明臂的偏振器和样品之间，另一方面在样品和检测臂的偏振分析仪之间插入任何易于改变光束偏振的光学系统。此外，光学系统的插入易于降低光束的光强度，限制光谱带和/或改变光束的发散。最后，希望以易于超过50Hz的速率获得单色或光谱椭圆偏振或散射测量。在某些应用中，期望获得根据时间而解析的单色或光谱椭圆偏振测量，例如用于现场监测薄层生长、沉积或蚀刻过程。在这些应用中，期望避免由于旋转引起的机械振动而使用旋转的光学部件。另一方面，期望在保持或改善这些测量的质量的同时扩展椭圆偏振或散射测量的光谱范围。
技术实现思路
为了弥补现有技术的上述缺点，本专利技术提出了一种椭偏仪或散射仪。更具体地，根据本专利技术提出了一种椭偏仪，其包括：适于产生源光束的光源；偏振器，适于接收所述源光束并形成偏振入射光束；光学照明系统，适于沿着入射平面中的入射光轴朝向样品引导所述偏振入射光束；光波前分束器，布置为接收通过所述偏振入射光束在样品上以确定的入射角反射或透射形成的次级光束，所述次级光束沿所述入射平面中的次级光轴传播，所述光波前分束器定向成形成沿三个不同的光轴传播的三个准直分离光束，所述三个不同的光轴在垂直于所述入射平面的平面中成角度地分开；和光学偏振改变装置，适于接收三个准直分离光束，并形成根据三个不同的偏振态偏振的三个光束；光学偏振分束器装置，布置和定向为接收根据三种不同的偏振态偏振的三个光束，并形成沿六个光轴传播的六个分开的光束，该六个光轴在垂直于所述入射平面的平面中成角度地分开；检测系统，适于检测六个分开的光束，以及处理系统，适于从中推导椭圆偏振测量。椭偏仪可在不调制偏振的情况下获取瞬时椭偏仪测量。椭圆偏振测量的采集持续时间可容易地根据六个检测到的光束中每个光束的强度进行调整。根据具体的方面，所述椭偏仪是单色的。根据另一具体的方面，所述检测系统包括至少一个光谱仪，所述光谱仪适于检测六个分开的光束。根据具体实施方式，所述椭偏仪包括：光学聚焦系统，布置为接收六个分开的光束并形成彼此对准并在空间上彼此分开的六个图像，并且所述至少一个光谱仪包括成像光谱仪，该成像光谱仪包括沿一个方向伸长并且被布置为同时接收所述六个图像的入射狭缝，所述成像光谱仪适用于光谱分散所述六个图像，并同时形成在图像检测器上在空间上分开的六个光谱子图像，所述图像检测器适于获取所述六个光谱子图像的图像，并且所述处理系统适于处理所述六个光谱子图像的图像并从中推导出光谱椭圆偏振测量。光谱测量的采集持续时间可容易地根据检测到的光谱子图像的强度进行调整。根据第一实施方式，所述光学照明系统适于将所述偏振入射光束聚焦在所述样品上，并且所述光波前分束器包括分段透镜，该分段透镜包括具有相同焦距和彼此平行且在空间上彼此分开的光轴的三个透镜段，每个透镜段具有物镜焦点，将这三个透镜段被组装成使得所述三个物镜焦点在所述样品上垂直于所述入射平面对准，每个透镜段被布置为接收所述次级光束的不同部分并形成准直分离光束，所述三个透镜段被组装在一起，以使所述三个分离光束沿三个不同的光轴传播。根据第二实施方式，所述光学照明系统适于准直所述样品上的偏振入射光束，并且所述光波前分束器包括边缘被布置为平行于所述入射平面的至少两个棱镜，每个棱镜布置成接收所述次级光束的不同部分并形成沿相对于所述次级光轴成角度地偏离的光轴传播的准直分离光束本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种椭偏仪(100)，包括：/n-光源(1)，适于产生源光束(10)；/n-偏振器(5)，适于接收所述源光束(10)并形成偏振入射光束(11)；/n-光学照明系统(2，4)，适于沿着入射平面(8)中的入射光轴(9)朝向样品(6)引导所述偏振入射光束(11)；/n-光波前分束器(20)，布置为接收通过所述偏振入射光束(11)在样品上以确定的入射角反射或透射形成的次级光束(12)，所述次级光束(12)沿着所述入射平面(8)中的次级光轴(19)传播，所述光波前分束器(20)被定向为形成沿三个不同的光轴(16，17，18)传播的三个准直分离光束(13，14，15)，所述三个不同的光轴在垂直于所述入射平面(8)的平面中成角度地分开；以及/n-光学偏振改变装置(25)，适于接收三个准直分离光束(13，14，15)，并形成根据三个不同的偏振态偏振的三个光束；/n-光学偏振分束器装置(26)，被布置和定向为接收根据三个不同的偏振态偏振的所述三个光束，并形成沿六个光轴传播的六个分开的光束(131，132，133，134，135，136)，所述六个光轴在垂直于所述入射平面的平面中成角度地分开；/n-检测系统，适于检测所述六个分开的光束(131，132，133，134，135，136)，以及处理系统，适于从中推导椭圆偏振测量。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180315 FR 18522251.一种椭偏仪(100)，包括：
-光源(1)，适于产生源光束(10)；
-偏振器(5)，适于接收所述源光束(10)并形成偏振入射光束(11)；
-光学照明系统(2，4)，适于沿着入射平面(8)中的入射光轴(9)朝向样品(6)引导所述偏振入射光束(11)；
-光波前分束器(20)，布置为接收通过所述偏振入射光束(11)在样品上以确定的入射角反射或透射形成的次级光束(12)，所述次级光束(12)沿着所述入射平面(8)中的次级光轴(19)传播，所述光波前分束器(20)被定向为形成沿三个不同的光轴(16，17，18)传播的三个准直分离光束(13，14，15)，所述三个不同的光轴在垂直于所述入射平面(8)的平面中成角度地分开；以及
-光学偏振改变装置(25)，适于接收三个准直分离光束(13，14，15)，并形成根据三个不同的偏振态偏振的三个光束；
-光学偏振分束器装置(26)，被布置和定向为接收根据三个不同的偏振态偏振的所述三个光束，并形成沿六个光轴传播的六个分开的光束(131，132，133，134，135，136)，所述六个光轴在垂直于所述入射平面的平面中成角度地分开；
-检测系统，适于检测所述六个分开的光束(131，132，133，134，135，136)，以及处理系统，适于从中推导椭圆偏振测量。


2.根据权利要求1所述的椭偏仪，其中，所述椭偏仪是单色的。


3.根据权利要求1所述的椭偏仪，其中，所述检测系统包括至少一个光谱仪，所述光谱仪适于检测所述六个分开的光束(131，132，133，134，135，136)。


4.根据权利要求3所述的椭偏仪，包括：
-光学聚焦系统(27)，被布置为接收所述六个分开的光束(131，132，133，134，135，136)并形成彼此对准并在空间上彼此分开的六个图像(141，142，143，144，145，146)；
-并且其中，所述至少一个光谱仪包括成像光谱仪(30)，所述成像光谱仪(30)包括沿一个方向伸长并且被布置为同时接收所述六个图像(141，142，143，144，145，146)的入射狭缝(31)，所述成像光谱仪(30)适用于光谱分散所述六个图像(141，142，143，144，145，146)，并同时形成在图像检测器(33)上空间分开的六个光谱子图像(41，42，43，44，45，46)；
-所述图像检测器(33)适于获取所述六个光谱子图像(41，42，43，44，45，46)的图像；以及
-所述处理系统适于处理所述六个光谱子图像的图像并从中推导出光谱椭圆偏振测量。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的椭偏仪，其中，所述光学照明系统(2，4)适于将所述偏振入射光束(11)聚焦在所述样品(6)上，并且其中，所述光波前分束器包括分段透镜(22)，所述分段透镜(22)包括具有相同焦距和彼此平行且在空间上彼此分开的光轴(225，226，227)的三个透镜段(221，222，223)，每个透镜段(221，222，223)具有物镜焦点(Fa，Fb，Fc)，所述三个透镜段(221，222，223)被组装成使得三个所述物镜焦点(Fa，Fb，Fc)在所述样品(6)上垂直于所述入射平面对准，每个透镜段(221，222，223)被布置为接收所述次级光束(12)的不同部分并形成准直分离光束(13，14，15)，所述三个透镜段(221，222，223)被组装为使所述三个准直分离光束(13，14，15)沿三个不同的光轴传播。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的椭偏仪(100)，其中，所述光学照明系统(2，4)适于准直所述样品(6)上的偏振入射光束(11)，并且其中，所述光波前分束器包括边缘被布置为平行于所述入射平面(8)的至少两个棱镜(231，232，233)，每个棱镜(231，232，233)被布置成接收所述次级光束(12)的不同部分并形成沿相对于所述次级光轴(19)成角度地偏离的光轴传播的准直分离光束(13，14，15)，所述至少两个棱镜(231，232)被定向和组装为使得所述三个准直分离光束(13，14，15)沿着所述三个不同的光轴传播。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的椭偏仪(100)，其中，所述光波前分束器还包括掩模(21)，所述掩模包括在空间上分开的三个孔径(211，212，213)。


8.根据权利要求1至7中的任一项所述的椭偏仪(100)，其中，所述光学偏振改变装置(25)包括至少两个波片，每个波片具有不同的延迟，一个波片布置在所述三个准直分离光束(13，14，15)中的一者上，另一个波片布置在所述三个准直分离光束(13，14，15)中的另一者上。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的椭偏仪(100)，其中，所述光学偏振分束器装置(26)包括沃拉斯顿棱镜、罗康棱镜、塞纳蒙特棱镜或衍射波片。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的椭偏仪(100)，其中，所述光波前分束器(20)适于将三个分离光束(13，14，15)以相邻的分离光束(13，14，15)之间的角度ALPHA成角度地分开，并且其中所述光学偏振分束器装置(26)适于将所述六个分开的光束(131，132，133，134，135，136)以相邻的分开光束(131，132，133，134，135，136)之间的角度BETA成角度地分开，所述角度BETA介于0.6*ALPHA/2和1.5*ALPHA/2之间。


11.根据权利要求1至10中任一项所述的椭偏仪(100)，其中，所述光源(1)包括卤素灯、氙气闪光灯、超连续谱激光源和/或光纤激光器和/或脉冲源。


12.根据权利要求11所述的椭偏仪(100)，其中，所述光源(1)包括超连续激光源，并且进一步包括圆柱透镜，所述圆柱透镜被布置在所述成像光谱仪(30)的入射狭缝(31)上游的所述次级光束的光路上，所述圆柱透镜适于并定向成垂直于所述入射狭缝(31)的细长方向放大六个图像。


13.根据权利要求1至12中任一项所述的椭偏仪(100)，包括第一源光阑(3)，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥利维耶·阿谢，亚历山大·波佐罗夫，坦连·源，布利斯·维利埃，杰拉尔丁·梅里齐，简保罗·加斯东，
申请(专利权)人：堀场法国有限公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR