[发明专利]快照椭圆偏振仪

说明书

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。

技术领域

本发明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，本发明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。

背景技术

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·(1 0 0 0)