[发明专利]一种透射式全穆勒矩阵光谱椭偏仪及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于检测与测量领域，具体涉及一种透射式全穆勒矩阵光谱椭偏仪及其测量方法。椭偏仪可用于各种信息光电子功能材料和器件的光学常数分析，测量对象包括金属、半导体、超导体、绝缘体、非晶体、磁性材料、薄膜材料、电光材料、非线性材料、各向同性和/或各向异性材料等；可用于薄膜材料的表面、界面及粗糙度分析；也可用于纳米制造中各种纳米结构的形貌参数如特征线宽、周期间距、高度、侧壁角、套刻误差、线边粗糙度及线宽粗糙度等的测量。 

背景技术

椭圆偏振仪(简称椭偏仪)是一种利用光的偏振特性获取待测样品信息的通用光学测量仪器。其基本原理是通过起偏器将特殊的椭圆偏振光投射到待测样品表面，通过测量待测样品的反射光(或者透射光)，以获得偏振光在反射(或者透射)前后的偏振态变化(包括振幅比和相位差)，进而从中提取出待测样品的信息。尽管传统光谱椭偏仪在薄膜材料乃至微纳结构测量中都获得了广泛的应用，但传统光谱椭偏仪每次测量条件下只能获得2个测量参数(振幅比和相位差)，使得传统光谱椭偏仪对于超薄纳米材料的膜厚测量、各向异性材料的光学常数测量、纳米结构关键尺寸及形貌参数测量等新挑战，都表现出一定的技术局限性。 

全穆勒矩阵椭偏仪(也称广义椭偏仪)可获得待测样件的归一化的4×4阶穆勒矩阵共15个参数(相对于M₁₁)，因此可以比传统光谱椭偏仪获得更加丰富的测量信息。而基于双旋转补偿器的全穆勒矩阵椭偏仪可以在一次测量中获得待测样件的归一化的全部的15个穆勒矩阵元素，而不需要再重 新配置测量系统，因而测量速度会快得多，适应于需要实时测量的应用领域。 

对于很多应用领域，要求广义椭偏仪可以在非常宽的光谱范围，特别是紫外波段，进行快速准确的测量。虽然反射式的光学系统可以很好的解决全光谱范围内的色散问题，但是反射式的光学系统中的核心部件反射镜的金属镀膜会改变光束的偏振状态，这相当于在光学系统中增加了其他的未知样件，进而影响到最终的测量精度。而将全光谱范围内的消色差组合透镜应用到透射式的光学系统中，可以很好的解决色散问题，而不会改变光束的偏振状态，进而保证测量精度。因此，基于双旋转补偿器的透射式宽光谱全穆勒矩阵椭偏仪能突破传统椭偏仪的技术局限性，实现包括薄膜厚度、光学常数、纳米结构关键尺寸及三维形貌参数等在内的全光谱范围的快速，非破坏性的精确测量。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种透射式全穆勒矩阵光谱椭偏仪，该椭偏仪可以实现全光谱范围的快速准确测量，可以很好的实现全光谱范围内的消色差而不改变光束的偏振状态；本发明还提供了使用该椭偏仪进行测量的方法。 

本发明提供的一种透射式全穆勒矩阵光谱椭偏仪，其特征在于，它包括起偏臂和检偏臂； 

所述起偏臂包括光源、第一透镜组、起偏器和第一旋转补偿器；光源、第一透镜组、起偏器和第一旋转补偿器依次位于同一光路上，且光源位于第一透镜组的焦点上； 

所述检偏臂包括检偏器、第二透镜组、光谱仪和第二旋转补偿器；第二旋转补偿器、检偏器和第二透镜组和光谱仪依次位于同一光路上，且光谱仪位于第二消色差透镜组的焦点处；第一旋转补偿器和第二旋转补偿器 的相位延迟量均在60°-140°范围内； 

所述起偏臂与所述检偏臂工作时沿样品台的轴线方向对称放置。 

上述透射式全穆勒矩阵光谱椭偏仪的测量方法，其特征在于， 

第1步将光源进行预热，以获得稳定的全光谱范围的光线； 

第2步两个伺服电机驱动安装于其上的补偿器以恒定的转速比p∶q同步旋转； 

第3步伺服电机转动平稳后，在伺服电机转动到设定位置时，光谱仪同步开始进行光谱信号采集； 

第4步对光谱仪采集的光强信号进行傅里叶分析获取频率在0倍到2*(p+q)倍范围内的傅里叶系数； 

第5步通过光强信号0倍频到2*(p+q)倍频范围内的傅里叶系数，计算获得待测样件的穆勒矩阵； 

第6步通过测量获得的待测样件全光谱范围内的穆勒矩阵信息，提取待测样件的光学常数，特征形貌尺寸信息。 

本发明提供的椭偏仪可以在一次测量中获得待测样件的归一化的4×4阶穆勒矩阵，共15个参数，而不需要改变测量系统配置，进而拟合提取待测样件的信息。本发明可以在一次测量中获得待测样件的归一化的4×4阶穆勒矩阵共15个参数，而不需要改变测量系统配置，进而拟合提取待测样件的信息，该椭偏仪可以实现宽光谱范围的快速准确测量，很好的实现全光谱范围内的消色差而不改变光束的偏振状态。 

附图说明