[發明專利]一種透射式全穆勒矩陣光譜橢偏儀及其測量方法

有效

• 申請號: 201310040729.7
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103134592A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 劉世元;李偉奇;張傳維;陳修國
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01J3/447
• 分類號: G01J3/447
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于檢測與測量領域，具體涉及一種透射式全穆勒矩陣光譜橢偏儀及其測量方法。橢偏儀可用于各種信息光電子功能材料和器件的光學常數分析，測量對象包括金屬、半導體、超導體、絕緣體、非晶體、磁性材料、薄膜材料、電光材料、非線性材料、各向同性和/或各向異性材料等；可用于薄膜材料的表面、界面及粗糙度分析；也可用于納米制造中各種納米結構的形貌參數如特征線寬、周期間距、高度、側壁角、套刻誤差、線邊粗糙度及線寬粗糙度等的測量。?

背景技術

橢圓偏振儀(簡稱橢偏儀)是一種利用光的偏振特性獲取待測樣品信息的通用光學測量儀器。其基本原理是通過起偏器將特殊的橢圓偏振光投射到待測樣品表面，通過測量待測樣品的反射光(或者透射光)，以獲得偏振光在反射(或者透射)前后的偏振態變化(包括振幅比和相位差)，進而從中提取出待測樣品的信息。盡管傳統光譜橢偏儀在薄膜材料乃至微納結構測量中都獲得了廣泛的應用，但傳統光譜橢偏儀每次測量條件下只能獲得2個測量參數(振幅比和相位差)，使得傳統光譜橢偏儀對于超薄納米材料的膜厚測量、各向異性材料的光學常數測量、納米結構關鍵尺寸及形貌參數測量等新挑戰，都表現出一定的技術局限性。?

全穆勒矩陣橢偏儀(也稱廣義橢偏儀)可獲得待測樣件的歸一化的4×4階穆勒矩陣共15個參數(相對于M₁₁)，因此可以比傳統光譜橢偏儀獲得更加豐富的測量信息。而基于雙旋轉補償器的全穆勒矩陣橢偏儀可以在一次測量中獲得待測樣件的歸一化的全部的15個穆勒矩陣元素，而不需要再重?新配置測量系統，因而測量速度會快得多，適應于需要實時測量的應用領域。?

對于很多應用領域，要求廣義橢偏儀可以在非常寬的光譜范圍，特別是紫外波段，進行快速準確的測量。雖然反射式的光學系統可以很好的解決全光譜范圍內的色散問題，但是反射式的光學系統中的核心部件反射鏡的金屬鍍膜會改變光束的偏振狀態，這相當于在光學系統中增加了其他的未知樣件，進而影響到最終的測量精度。而將全光譜范圍內的消色差組合透鏡應用到透射式的光學系統中，可以很好的解決色散問題，而不會改變光束的偏振狀態，進而保證測量精度。因此，基于雙旋轉補償器的透射式寬光譜全穆勒矩陣橢偏儀能突破傳統橢偏儀的技術局限性，實現包括薄膜厚度、光學常數、納米結構關鍵尺寸及三維形貌參數等在內的全光譜范圍的快速，非破壞性的精確測量。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種透射式全穆勒矩陣光譜橢偏儀，該橢偏儀可以實現全光譜范圍的快速準確測量，可以很好的實現全光譜范圍內的消色差而不改變光束的偏振狀態；本發明還提供了使用該橢偏儀進行測量的方法。?

本發明提供的一種透射式全穆勒矩陣光譜橢偏儀，其特征在于，它包括起偏臂和檢偏臂；?

所述起偏臂包括光源、第一透鏡組、起偏器和第一旋轉補償器；光源、第一透鏡組、起偏器和第一旋轉補償器依次位于同一光路上，且光源位于第一透鏡組的焦點上；?

所述檢偏臂包括檢偏器、第二透鏡組、光譜儀和第二旋轉補償器；第二旋轉補償器、檢偏器和第二透鏡組和光譜儀依次位于同一光路上，且光譜儀位于第二消色差透鏡組的焦點處；第一旋轉補償器和第二旋轉補償器?的相位延遲量均在60°-140°范圍內；?

所述起偏臂與所述檢偏臂工作時沿樣品臺的軸線方向對稱放置。?

上述透射式全穆勒矩陣光譜橢偏儀的測量方法，其特征在于，?

第1步將光源進行預熱，以獲得穩定的全光譜范圍的光線；?

第2步兩個伺服電機驅動安裝于其上的補償器以恒定的轉速比p∶q同步旋轉；?

第3步伺服電機轉動平穩后，在伺服電機轉動到設定位置時，光譜儀同步開始進行光譜信號采集；?

第4步對光譜儀采集的光強信號進行傅里葉分析獲取頻率在0倍到2*(p+q)倍范圍內的傅里葉系數；?

第5步通過光強信號0倍頻到2*(p+q)倍頻范圍內的傅里葉系數，計算獲得待測樣件的穆勒矩陣；?

第6步通過測量獲得的待測樣件全光譜范圍內的穆勒矩陣信息，提取待測樣件的光學常數，特征形貌尺寸信息。?

本發明提供的橢偏儀可以在一次測量中獲得待測樣件的歸一化的4×4階穆勒矩陣，共15個參數，而不需要改變測量系統配置，進而擬合提取待測樣件的信息。本發明可以在一次測量中獲得待測樣件的歸一化的4×4階穆勒矩陣共15個參數，而不需要改變測量系統配置，進而擬合提取待測樣件的信息，該橢偏儀可以實現寬光譜范圍的快速準確測量，很好的實現全光譜范圍內的消色差而不改變光束的偏振狀態。?

附圖說明