[发明专利]快速获取椭圆偏光法

说明书

技术领域

本申请总体上涉及采用电磁辐射(在文中也称作“光”)的表面分析，并且特别地，涉及用于对描述辐射偏振的斯托克斯参数(Stokes parameters)进行确定的快速测量。

背景技术

椭圆偏光法(ellipsometry)是可以在大多数样本上非破坏性地进行的极灵敏的样本分析技术。在椭圆偏光法的实验期间，一种或多种波长的光从样本表面反射，或者透过样本并从另一侧传出来。更经常地，对反射光进行分析，并且为了简化讨论，文中的大部分讨论是关于反射光的分析。由于反射光通常较少与距表面远的样本材料相互作用，因此椭圆偏光法提供的信息通常表示在反射附近的样本表面的特征。

为了理解椭圆偏光法的原理，可以设想在反射时表面可能对线偏振光束产生的影响。图1是在来自样本表面的反射期间电磁辐射(也称作光)经受的光学效应的示意图。图1示出了线偏振光束，该线偏振光束在由平行于入射平面的偏振106(也称为p偏振光)和垂直于入射平面的偏振103(s偏振光)组成的方向100上偏振。该图示出了瞬间时刻的电场振荡。振荡重复的距离为波长107。光109朝向样本112传播并且从样本112的表面113反射。入射角115是从表面法线114(垂直于表面113的平面的、在心里画出的线)测量的。

在反射期间，由于与样本表面的相互作用，光经历了相位和幅值的变化。p偏振光可以经受与s偏振光不同的相位变化。类似地，反射前的p偏振光(s偏振光)的电场幅值可以不同于反射后的p偏振光(s偏振光)的电场幅值。此外，反射前后的p偏振光的电场幅值变化可以与反射前后的s偏振光的电场幅值变化不同。而且，反射后和反射前的p偏振光的电场幅值的比率甚至可以与s偏振光的相应比率不同。这些变化针对波长107的不同选择可以具有不同的特性。

在反射之后，具有相同波长但或许具有新的幅值和相位的光远离样本传播118。反射后的传播线和反射前的传播线占据如文中使用的“入射平面”。在反射后，s偏振光124和p偏振光127可以不再相干。更确切地，s偏振光124的振荡和p偏振光127的振荡以相位角130分离开。非零相位角130导致了可以不是总是指向与光传播相同方向的电场(可替换地称为偏振121)。偏振121进行旋转。再一次，在瞬间时刻描绘光以示出这些细节。当通过静止的观测器进行观看时，偏振121同样旋转。当光通过平面133时，偏振(s偏振光与p偏振光的组合)的方向在示意图中逆时针旋转。注意，当沿箭头指示的椭圆路径134行进时，量值不是恒定的。

通常通过描述图1的被限定的(circumscribed)椭圆134的特征来确定反射光的偏振。描述椭圆134的特征是椭圆偏光法的步骤之一，并且可以使用少量的光学元件进行测量。经常使用称为斯托克斯参数的四个参数来描述光学偏振。四个斯托克斯参数(S₀、S₁、S₂和S₃)可以被认为来指定庞加莱球(Poincarésphere)的大小以及在庞加莱球的表面上或内部的位置。庞加莱球内的位置表示部分偏振光。S₀表示球的大小，而其余参数表示点的位置。粗略地说，S₃表示如何将椭圆134封闭成为圆，而S₁、S₂表示图1中的椭圆134的定向以及偏振121是顺时针旋转还是逆时针旋转。

存在多种使用中的物理布置来获得允许对部分或所有斯托克斯参数进行确定的数据。获得所有斯托克斯参数的测量是优选的。大部分椭圆偏光法测量采用如图2中布置的设置来进行。光203源于光源200并且朝向偏振器206行进(在文中可以以字母“P”表示偏振器206)。偏振光207离开偏振器206并且从样本209(以“S”表示)的表面212反射。反射光213朝向波片221(以“W”表示)继续。p偏振光和s偏振光在波片221内以不同的速度行进，并且通常厚度被选择成在p偏振光与s偏振光之间施加(impart)四分之一波长的相位差。这种波片221被称为四分之一波片。从波片221射出后，光朝向检偏器(analyzer)233(以“A”表示)前进。检偏器可以是允许线偏振光束通过以到达检测器260的偏振器。物体的顺序可以简洁地表示为PSWA。