[发明专利]正交入射椭圆仪以及使用其测量样本的光学性质的方法

说明书

本发明涉及正交入射椭圆仪以及通过使用该正交入射椭圆仪来测量样本的光学性质的方法。本发明的目的是提供：正交入射椭圆仪，其中，使用波长不相关线性偏振器代替波长相关补偿器，使得简化了设备校准过程，同时可以容易地实现测量波长范围的扩展；以及通过使用该正交入射椭圆仪来测量样本的光学性质的方法。

技术领域

本发明涉及正交入射椭圆仪以及通过使用该正交入射椭圆仪来测量样本的光学性质的方法。更具体地，本发明涉及用于通过测量和分析由样本反射的光的偏振状态的变化来测量样本的光学性质的正交入射椭圆仪以及通过使用该正交入射椭圆仪来测量样本的光学性质的方法。

背景技术

随着与半导体器件、平板显示器、薄膜太阳能电池、纳米压印、纳米生物、薄膜光学器件等有关的各个工业领域的快速发展，薄膜的厚度已经逐渐减小达到几个原子层的水平，并且纳米图案的形状已经从现有的二维(2D)结构复杂化成三维(3D)结构。因此，增加了对测量技术的需要，该测量技术用于以下过程：在产品的制造过程期间，在不损伤纳米样本地采用非接触方式的同时，准确地分析纳米级样本的形状和物理性质，例如薄膜的厚度和纳米图案的形状。在这些非接触纳米级测量技术之中，随着光源、光电检测器和计算机的发展，椭圆仪和使用该椭圆仪的方法已经被广泛地使用。

椭圆仪的类型可以分为正交入射型和倾斜入射型。正交入射型是当测量光束垂直于样本的表面入射(即，入射角为0°)时，测量由样本垂直反射的光的偏振状态的变化的类型，以及倾斜入射型是通过允许测量光束的入射角具有从0°到90°范围内任意选择的值来执行测量的类型。其中，正交入射型具有使测量装置减小为更小尺寸和使测量光束减小到更小的优点，使得可以在样本中测量面积较小的内部区域。各种专利文件，例如美国专利注册第7355708号和美国专利注册第7889340号以及其他论文公开了这样的正交入射椭圆仪的基本结构和原理。

[正交入射椭圆仪的基本配置]

光学元件旋转型椭圆仪可以基本上包括光源(LS)、偏振状态发生器(Polarization State Generator；PSG)、样本(SP)、偏振状态分析仪(Polarization StateAnalyzer)、检测光学系统(Detection Optic System；DOS)和光电检测器元件(Photodetector Element；PDE)，并且每个部分的简要描述如下。光源用于使用光学系统将由灯发射的光转换为准直光束。偏振状态发生器是偏振光学系统，其用于使从光源发射的准直光束变为特定的偏振状态。样本被放置在调制后的入射准直光束的行进路径上。偏振状态分析仪是偏振光学系统，其用于分析由样本反射的反射准直光束的行进路径上的反射准直光束的偏振状态。光电检测器元件用于测量已经穿过偏振状态分析仪的指定波长带的反射准直光束的光量，作为例如电压或电流的值，并且样本的光学性质值可以使用处理器根据以这种方式测量的电压或电流值来计算，并且被存储或显示在屏幕上。检测光学系统被布置在偏振状态分析仪(PSA)与光电检测器元件(PDE)之间的反射准直光束的轴线上，其可以是效果与如下光学元件的效果相同的虚拟偏振光学系统，所述光学元件可以改变反射准直光束的偏振状态，并且包括安装在分束器和光谱仪(Spectrometer)中的面镜、光栅(Grating)等。

如上所述，偏振状态发生器或偏振状态分析仪由偏振光学系统形成，其中，适当地布置了多个可旋转偏振光学元件，以便执行它们各自的作用。在此，从可旋转偏振光学元件之中选择的至少一个可旋转偏振光学元件以恒定速度旋转，并且除恒定速度偏振光学元件之外的其他可旋转偏振光学元件是固定偏振光学元件，其已经移动到先前指定的用于测量的方位角，以便在测量期间停止。

这些可旋转偏振光学元件的类型或布置可以根据椭圆仪的类型而适当地改变，并且具体地，可旋转偏振光学元件可以包括线性偏振器和补偿器。另外，设置在偏振状态发生器中的线性偏振器被称为偏振器，并且设置在偏振状态分析仪中的线性偏振器被分类并称为分析仪。设置在偏振状态发生器中的补偿器被称为入射轴补偿器，并且设置在偏振状态分析仪中的补偿器被分类并被称为反射轴补偿器。