正交入射椭圆仪以及使用其测量样本的光学性质的方法技术

本发明专利技术涉及正交入射椭圆仪以及通过使用该正交入射椭圆仪来测量样本的光学性质的方法。本发明专利技术的目的是提供：正交入射椭圆仪，其中，使用波长不相关线性偏振器代替波长相关补偿器，使得简化了设备校准过程，同时可以容易地实现测量波长范围的扩展；以及通过使用该正交入射椭圆仪来测量样本的光学性质的方法。交入射椭圆仪来测量样本的光学性质的方法。交入射椭圆仪来测量样本的光学性质的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】正交入射椭圆仪以及使用其测量样本的光学性质的方法


[0001]本专利技术涉及正交入射椭圆仪以及通过使用该正交入射椭圆仪来测量样本的光学性质的方法。更具体地，本专利技术涉及用于通过测量和分析由样本反射的光的偏振状态的变化来测量样本的光学性质的正交入射椭圆仪以及通过使用该正交入射椭圆仪来测量样本的光学性质的方法。

技术介绍

[0002]随着与半导体器件、平板显示器、薄膜太阳能电池、纳米压印、纳米生物、薄膜光学器件等有关的各个工业领域的快速发展，薄膜的厚度已经逐渐减小达到几个原子层的水平，并且纳米图案的形状已经从现有的二维(2D)结构复杂化成三维(3D)结构。因此，增加了对测量技术的需要，该测量技术用于以下过程：在产品的制造过程期间，在不损伤纳米样本地采用非接触方式的同时，准确地分析纳米级样本的形状和物理性质，例如薄膜的厚度和纳米图案的形状。在这些非接触纳米级测量技术之中，随着光源、光电检测器和计算机的发展，椭圆仪和使用该椭圆仪的方法已经被广泛地使用。
[0003]椭圆仪的类型可以分为正交入射型和倾斜入射型。正交入射型是当测量光束垂直于样本的表面入射(即，入射角为0
°
)时，测量由样本垂直反射的光的偏振状态的变化的类型，以及倾斜入射型是通过允许测量光束的入射角具有从0
°
到90
°
范围内任意选择的值来执行测量的类型。其中，正交入射型具有使测量装置减小为更小尺寸和使测量光束减小到更小的优点，使得可以在样本中测量面积较小的内部区域。各种专利文件，例如美国专利注册第7355708号和美国专利注册第7889340号以及其他论文公开了这样的正交入射椭圆仪的基本结构和原理。
[0004][正交入射椭圆仪的基本配置][0005]光学元件旋转型椭圆仪可以基本上包括光源(LS)、偏振状态发生器(Polarization State Generator；PSG)、样本(SP)、偏振状态分析仪(Polarization State Analyzer)、检测光学系统(Detection Optic System；DOS)和光电检测器元件(Photodetector Element；PDE)，并且每个部分的简要描述如下。光源用于使用光学系统将由灯发射的光转换为准直光束。偏振状态发生器是偏振光学系统，其用于使从光源发射的准直光束变为特定的偏振状态。样本被放置在调制后的入射准直光束的行进路径上。偏振状态分析仪是偏振光学系统，其用于分析由样本反射的反射准直光束的行进路径上的反射准直光束的偏振状态。光电检测器元件用于测量已经穿过偏振状态分析仪的指定波长带的反射准直光束的光量，作为例如电压或电流的值，并且样本的光学性质值可以使用处理器根据以这种方式测量的电压或电流值来计算，并且被存储或显示在屏幕上。检测光学系统被布置在偏振状态分析仪(PSA)与光电检测器元件(PDE)之间的反射准直光束的轴线上，其可以是效果与如下光学元件的效果相同的虚拟偏振光学系统，所述光学元件可以改变反射准直光束的偏振状态，并且包括安装在分束器和光谱仪(Spectrometer)中的面镜、光栅(Grating)等。
[0006]如上所述，偏振状态发生器或偏振状态分析仪由偏振光学系统形成，其中，适当地布置了多个可旋转偏振光学元件，以便执行它们各自的作用。在此，从可旋转偏振光学元件之中选择的至少一个可旋转偏振光学元件以恒定速度旋转，并且除恒定速度偏振光学元件之外的其他可旋转偏振光学元件是固定偏振光学元件，其已经移动到先前指定的用于测量的方位角，以便在测量期间停止。
[0007]这些可旋转偏振光学元件的类型或布置可以根据椭圆仪的类型而适当地改变，并且具体地，可旋转偏振光学元件可以包括线性偏振器和补偿器。另外，设置在偏振状态发生器中的线性偏振器被称为偏振器，并且设置在偏振状态分析仪中的线性偏振器被分类并称为分析仪。设置在偏振状态发生器中的补偿器被称为入射轴补偿器，并且设置在偏振状态分析仪中的补偿器被分类并被称为反射轴补偿器。
[0008]相关技术的光学元件旋转型椭圆仪可以基于入射的角(或入射角)来分为倾斜入射型和正交入射型。关于入射角，在垂直于样本平面的几个平面之中，包括入射准直光束和反射准直光束的路径的平面被定义为入射平面，并且当来自入射平面的垂直于样本平面的轴线为参考轴时，入射准直光束或反射准直光束与参考轴之间的内角被定义为入射角，并且由表示。正交入射型是采用其中入射角为0
°
的光学结构的类型，并且倾斜入射型是采用其中入射角不为0
°
的光学结构的类型。与倾斜入射型相比，正交入射型的优点在于，可以使测量装置更小并且可以将入射在样本上的光束的面积减小为更小，使得能够进行微小区域的内部的测量。
[0009]倾斜入射或正交入射光学元件旋转型椭圆仪的原理描述如下。在倾斜入射或正交入射光学元件旋转型椭圆仪中，从光源发射的入射准直光束入射在偏振状态发生器上，该入射准直光束被改变成可以由偏振状态发生器控制的特定偏振状态，样本用调制成偏振状态的入射准直光束来照射，该入射准直光束的偏振状态通过样本被改变成为具有样本的物理性质信息的反射准直光束，该反射准直光束入射到偏振状态分析仪上并被改变成可以再次控制的特定偏振状态，使用光电检测器元件将已经经历一系列变化的反射准直光束测量为电信号，例如电压或电流，并且由处理器根据所测量的电信号来最终获得样本的光学性质信息。
[0010]在相关技术的正交入射椭圆仪中实现偏振状态发生器和偏振状态分析仪时，公开了通过布置一个线性偏振器和一个恒定旋转补偿器来配置的单补偿器旋转型正交入射椭圆仪以及通过布置一个线性偏振器和两个恒定旋转补偿器来配置的双补偿器旋转型正交入射椭圆仪。
[0011][相关技术的正交入射椭圆仪的配置][0012]参照图1，作为相关技术的正交入射椭圆仪的示例性实施方式的单补偿器旋转型正交入射椭圆仪(10)包括光源(11)、分束器(12)、线性偏振器(13)、恒定旋转补偿器(14)、光谱仪(15)和处理器(16)。
[0013]以下将根据测量原理的基本结构来描述图1的单补偿器旋转型正交入射椭圆仪(10)。从光源(11)发射的入射准直光束(L10a)通过分束器(12)沿垂直于样本(1000)的表面的方向行进，并且入射到固定偏振器(实现为线性偏振器(13))上。入射到固定偏振器上的入射准直光束(L10a)被调制为偏振状态，同时顺序地穿过固定偏振器和恒定旋转入射轴补偿器(实现为恒定旋转补偿器(14))，并且入射到样本(1000)上(L10b)。由样本(1000)反射
的反射准直光束(L10c)入射在恒定旋转反射轴补偿器(也实现为恒定旋转补偿器(14))上，并且入射在恒定旋转反射轴补偿器上的反射准直光束(L10c)被再次调制为偏振状态，同时顺序地穿过恒定旋转反射轴补偿器和固定分析仪(也实现为线性偏振器(13))，并且通过分束器(12)入射到光谱仪(15)上(L10d)。入射到光谱仪(15)上的反射准直光束(L10d)通过每个波长分开，并且通过嵌入在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种正交入射椭圆仪，包括：光源，其包括准直光学系统，并且朝向样本发射入射准直光束；分束器，其设置在所述光源与所述样本之间，并且沿垂直于所述样本的表面的方向引导所述入射准直光束的一部分；固定偏振器，其设置在所述分束器与所述样本之间，并且以预设的方位角固定，以允许仅所述入射准直光束沿预设方向的线性偏振分量穿过所述固定偏振器；恒定旋转偏振器，其设置在所述固定偏振器与所述样本之间，并且以恒定速度旋转，以根据恒定旋转频率规则地调制所述入射准直光束的偏振状态；光电检测器元件，其一旦接收到从所述样本反射的反射准直光束就测量光谱辐射通量的暴露；恒定旋转分析仪，其设置在所述样本与所述光电检测器元件之间，并且以恒定速度旋转，以根据恒定旋转频率规则地调制所述反射准直光束的偏振状态；固定分析仪，其设置在所述恒定旋转分析仪与所述光电检测器元件之间，并且以预设的方位角固定，以允许仅所述反射准直光束沿预设方向的线性偏振分量穿过所述固定分析仪；以及处理器，其控制所述固定偏振器和所述固定分析仪的所述方位角、所述恒定旋转偏振器和所述恒定旋转分析仪的所述恒定角速度，并且通过分析由所述光电检测器元件测量的所述光谱辐射通量的所述暴露值来计算所述样本的光学性质，其中，所述固定偏振器和所述固定分析仪一体地形成为一个线性偏振器，并且所述恒定旋转偏振器和所述恒定旋转分析仪一体地形成为一个恒定旋转线性偏振器。2.根据权利要求1所述的正交入射椭圆仪，其中，所述分束器、所述固定偏振器和所述固定分析仪一体地形成为一个分束线性偏振器。3.根据权利要求2所述的正交入射椭圆仪，其中，所述分束线性偏振器是沃拉斯顿棱镜。4.根据权利要求1所述的正交入射椭圆仪，其中，所述光电检测器元件是选自以下中的至少之一：光谱仪中的合并像素或用于指定的波长带的像素，所述光谱仪包括电荷耦合器件CCD、互补金属氧化物半导体CMOS或者光电二极管阵列器件，其中，像素以线性或二维2D平面结构布置。5.根据权利要求4所述的正交入射椭圆仪，其中，所述光电检测器元件是选自以下中的至少之一：包括s偏振光谱仪和p偏振光谱仪的光谱仪集合中或一个光谱仪中的合并像素或用于指定的波长带的像素。6.根据权利要求1所述的正交入射椭圆仪，其中，当所述光源是选自气体激光器和激光二极管中的至少一个具有单一波长的光源装置时，所述光电检测器元件被配置成包括光电倍增管PMT和光电二极管的单点光电检测器。7.根据权利要求1所述的正交入射椭圆仪，其中，所述光电检测器元件是选自成像光电检测器的一个像素，所述成像光电检测器包括CCD或CMOS，其中，像素以2D平面结构布置。8.根据权利要求1所述的正交入射椭圆仪，其中，在所述固定偏振器和所述固定分析仪中设置用于方位角调节的空心轴步进马达，并且在所述恒定旋转偏振器和所述恒定旋转分析仪中设置用于恒定角速度调节的恒定旋转空心轴马达。
9.根据权利要求1所述的正交入射椭圆仪，其中，所述处理器包括：计算单元，其根据由所述光电检测器元件测量的光的所述光谱辐射通量的暴露值来计算光谱辐射通量波形的傅立叶系数值，根据所述傅立叶系数值来计算所述样本的穆勒矩阵元素值，以及根据所述穆勒矩阵元素值分析和计算所述样本的光学性质值；控制器，其使用空心轴步进马达来远程控制所述固定偏振器和所述固定分析仪的所述方位角，以及使用恒定旋转空心轴马达来远程控制所述恒定旋转偏振器和所述恒定旋转分析仪的所述恒定角速度；存储单元，其存储测量值、计算值和分析值，所述测量值是所述光谱辐射通量的所述暴...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵龙在，诸葛园，赵贤模，
申请(专利权)人：韩国标准科学研究院，
类型：发明
国别省市：