光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪及用于使用其测量样品的穆勒矩阵的方法技术

提供一种光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其用于解决由于在根据现有技术的能够测量任何样品的穆勒矩阵的一些或所有元素的双光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中光源的剩余偏振、光检测器的偏振依赖性、高次项的傅立叶系数的测量值而引起的测量准确性和测量精度的问题。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种光学元件旋转类型的椭圆偏振仪(ellipsometer)，并且特别地涉 及一种用于通过测量和分析被样品反射或透射的光的偏振状态中的变化测量样品的穆勒 矩阵元素(component)的椭圆偏振仪。
技术介绍
在与已迅速发展的半导体器件、平板显示器、纳米生物、纳米压印、薄膜光学等相 关的工业领域中，在制造工序步骤中能够非破坏性地且非接触地测量和评价例如纳米样品 的薄膜的厚度、纳米图案的形状等物理性能的技术的重要性已逐渐增加。 按照这些工业领域的不断发展，薄膜的厚度已逐渐下降到几个原子层的级别，并 且纳米图案的形状已从现有的二维结构到三维结构变得复杂。 因此，在椭圆偏振
中，被用作用于在这些工业领域中的工序的测量设备 的穆勒矩阵椭圆偏振仪已经被开发并被使用以更准确地测量如上所述的样品的复杂形状 或复杂的物理特征。 根据第一示例性实施例的穆勒矩阵椭圆偏振仪中最广泛使用的穆勒矩阵椭圆偏 振仪是光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，如图1所示。如图1所示的光学元件旋转 类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪作为纳米测量设备被熟知，在其中入射光10是从光源11中产生 的平行光，并通过偏振修改单元12修改为特定的偏振状态，然后被辐射到样品20以成为反 射光(或透射光)30,其偏振状态由样品20的反射(或透射)改变，由样品反射的光(或透射的 光）30的偏振状态的变化使用偏振分析单元31和光检测器32关于任意波长和入射角被测 量，且对测量的数据进行分析，以找到样品的物理性质及形状信息。 将描述光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的核心配置。光源11以及为允许 从光源11发射的光具有特定的偏振状态的光学系统的偏振修改单元12被设置在入射光10 的线上，且为分析反射光(或透射光）的偏振状态的光学系统的偏振分析单元31和测量光穿 过偏振分析单元31的总量作为诸如电压或电流的电信号的光检测器32被设置在反射光(或 透射光)30的线上。 根据现有技术的各种类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中使用最广泛的穆勒矩阵椭圆 偏振仪是双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪，在其中两个光学元件以恒定速度以预定的速 度比旋转。双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的典型示例包括如图2所示的旋转偏振器 (polarizer)旋转分析器椭圆偏振仪、如图3所示的旋转补偿器旋转分析器椭圆偏振仪、如 图4所示的旋转偏振器旋转补偿器椭圆偏振仪和如图5所示的双旋转补偿器椭圆偏振仪。 根据第二示例性实施例的旋转偏振器旋转分析器椭圆偏振仪的核心组件是由线 性偏振器(通常被称为偏振器13)以恒定速度旋转配置的偏振修改单元12和由线性偏振器 (通常被称为分析器33)以恒定的速度以不同于偏振器13的预定的比率旋转配置的偏振分 析单元31，如图2所示。 根据第三示例性实施例的旋转补偿器旋转分析器椭圆偏振仪的核心组件是由偏 振器13停在指定的偏振角且第一补偿器14以恒定速度旋转配置的偏振修改单元12和由分 析器33以恒定的速度以不同于第一补偿器14的预定的比率旋转配置的偏振分析单元31，如 图3所示。 根据第四示例性实施例的旋转偏振器旋转补偿器椭圆偏振仪的核心组件是由偏 振器13以恒定速度旋转配置的偏振修改单元12和由第二补偿器34以恒定的速度以不同于 偏振器13的预定的比率旋转和分析器33停在指定的偏振角配置的偏振分析单元31，如图4 所示。根据第五示例性实施例的双旋转补偿器椭圆偏振仪的核心组件是由偏振器13停 在指定的偏振角和第一补偿器14以恒定速度旋转配置的偏振修改单元12及由第二补偿器 34以恒定的速度以不同于第一补偿器14的预定的比率旋转和分析器33停在指定的偏振角 配置的偏振分析单元31，如图5所示。 在这些双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪中，傅立叶(Fourier)系数分析方法用 以当使用光检测器实时地测量通过光学元件的旋转根据时间t周期性改变的光强度时分析 光强度的波形。 在假设在该测量设备中不存在错误的情况下，通过光检测器被测量为关于特定波 形的诸如电压或电流的电信号的光强度Iex(t)可以由光强度的平均值Γο(或也被称为0次 傅立叶系数）、傅立叶系数Α'4ΡΒ' η、参考角速度ω和表示为不为〇的标准化的傅立叶系数中 最高次的自然数N构造的等式来表示，如在等式1中： 由于针对样品20的穆勒矩阵的元素21可以由傅立叶系数Γ ο、Α ' 4ΡΒ 'η计算，所以 在双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪中非常重要的是如在等式1中从由光检测器测得的光 强度的波形更精确地测量傅立叶系数的值。 在使用根据现有技术的旋转偏振器旋转分析器椭圆偏振仪测量样品20的4X4穆 勒矩阵的元素21中，在偏振修改单元12中偏振器13以恒定速度旋转的角速度被设为ω Ρ、在 偏振分析单元31中分析器33以恒定速度旋转的角速度被设为ωΑ且它们之间的角速度比恒 定地保持在ω Ρ: ω a= 1: 3的情况中，当在等式1中的参考角速度被确定为ω = ω ρ时，N的值 变为8,使得全部九个偶数次傅立叶系数可被测量。因此，如图2所示，在针对样品20的穆勒 矩阵的全部十六个元素 Mlj;i，j = l，2,3,4中只有九个元素 Mu;i，j = l，2,3为可测量的值 21，其余7个元素施4，]?24，]?34，]?41，]?42，]?43，]?44为不可测量的值22。 在使用根据现有技术的旋转补偿器旋转分析器椭圆偏振仪测量样品20的4X4的 穆勒矩阵的元素21中，在偏振修改单元12中第一补偿器14以恒定速度旋转的角速度被设为 、在偏振分析单元31中分析器33以恒定速度旋转的角速度被设为ωΑ且它们之间的角速 度比恒定地保持在?t, : % =3:1的情况下，当在等式1中的参考角速度被确定为ω = ωΑ 时，N的值变为14,使得全部十五个偶数次傅立叶系数可被测量。因此，如图3所示，在针对样 品20的穆勒矩阵的全部十六个元素 Mij; i，j = 1，2，3，4中只有十二个元素 Mij; i = 1，2，3，j = 1，2，3，4为可测量的值21，其余4个元素 M4i，M42，M43，M44为不可测量的值22。 在使用根据现有技术的旋转偏振器旋转补偿器椭圆偏振仪测量样品20的4 X 4的 穆勒矩阵的元素21中，在偏振修改单元12中偏振器13以恒定速度旋转的角速度被设为ωΡ、 在偏振分析单元31中第二补偿器34以恒定速度旋转的角速度被设为且它们之间的角速 度比恒定地保持在?e2::叫=3:1的情况下，当在等式1中的参考角速度被确定为ω = ωΡ 时，N的值变为14,使得全部十五个偶数次傅立叶系数可被测量。因此，如图4所示，在针对样 品20的穆勒矩阵的全部十六个元素 Mij; i，j = 1，2，3，4中只有十二个元素 Mij; i = 1，2，3，4，j =1，2，3为可测量的值21，其余4个元素 Mw，M24，M34，M44为不可测量的值22。 在使用根据现有技术的双旋转补偿器椭圆偏振仪测量样品20的4 X 4的穆勒矩阵 的元素21中，在偏振修改单元12中第一补偿器14以恒定速度旋转的角速度被设为、在偏 振分析单元31中第二补偿器34以恒定速度旋转的角速度被设为?C2且它们之间的角速度比 恒定地保持在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其包括：光源，其朝向样品发射入射光；偏振修改单元，其在所述入射光的移动路径上被设置在所述光源和所述样品之间，并控制从所述光源发射的所述入射光的偏振状态；偏振分析单元，其接收反射光(或透射光)，并分析所述反射光(或所述透射光)的偏振状态的变化，所述反射光(或所述透射光)的偏振状态从在通过所述偏振修改单元时由于所述样品的反射(或透射)偏振的所述入射光的偏振状态变化；光检测器，其接收通过所述偏振分析单元的所述反射光(或所述透射光)，并测量所接收的光的强度为电信号，如电压或电流；计算装置，其根据由于所述光检测器匀速旋转光学元件的偏振角的变化测量和存储光强度的波形的傅立叶系数的值，根据所述匀速旋转光学元件的偏振角的变化从所测量的傅立叶系数的值计算针对扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数的值，并且从所计算的针对所述扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数的值计算针对所述样品的穆勒矩阵的元素；以及计算机，其控制所述扫描光学元件的偏振角，将从所述计算装置计算的所述穆勒矩阵的元素的值存储为文件，并在屏幕上显示所述穆勒矩阵的元素的值，其中，多个光学元件被设置在所述偏振修改单元或所述偏振分析单元中并包括以恒定速度旋转的匀速旋转光学元件和扫描光学元件。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【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：韩国;KR