CN108956480A - 一种实时获取光谱椭偏参数的装置及方法 - Google Patents

一种实时获取光谱椭偏参数的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实时获取光谱椭偏参数的装置及方法，该装置包括沿入射光线的主光轴从左到右依次设有起偏臂、检偏臂以及色散型光谱仪；起偏臂包括用于准直的望远系统、线起偏器、消色差四分之一波片以及延迟器；检偏臂包括一块Wollaston棱镜；本发明采用线偏振器、消色差的四分之一波片、延迟器组成的PSG产生完全偏振光，通过作为PSA的Wollaston棱镜得到两幅调制光谱，通过调制光谱间的运算可得含有光谱椭偏参数的双通道干涉强度；实现光谱椭偏参数的实时测量，同时有效抑制通道串扰引入的复原误差并有效提升复原光谱分辨率。

Description

一种实时获取光谱椭偏参数的装置及方法
技术领域
本发明属于椭偏测量技术领域，具体涉及一种实时获取光谱椭偏参数的装置及方法。
背景技术
薄膜和纳米结构测量技术一直在集成电路制造、平板显示等行业的生产过程监控中发挥着重要作用。典型的光谱椭偏技术按测量原理可分为时间调制型与频率调制型。与时间调制型光谱椭偏技术相比，频率调制型光谱椭偏技术由于系统中不含运动部件且不会出现由于快速偏振调制导致的光谱仪与调制速率之间的失配问题，因此其更适合静态实时测量。但是，其检偏臂中作为载频的延迟量会随入射角变化，经样品反射进入检偏臂光束的方向波动会引入复原误差，并且各载频携带的光谱信息占据了全部的频率信道导致各频率通道间存在着不可避免的通道混跌，当通道中的信息超过通道带宽会“溢出或泄露”到相邻通道从而出现通道串扰。被测椭偏参数光谱具有锐利特征峰时会以较大的概率出现通道串扰。此外，由于复原被测椭偏参数光谱需要对调制光谱做傅里逆叶变换从而得到其对应的通道化干涉强度，通过空间滤波截取所需的干涉强度对应的光程差会远小于光谱仪光谱分辨率对应的光程差，再做傅里叶变换得到的复原椭偏参数的光分辨率就会小于光谱仪的光谱分辨率，从而影响被测样品特征参数的探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种实时获取光谱椭偏参数的装置及方法，其能够提高复原椭偏参数的光谱分辨率、降低通道混跌程度与出现通道串扰的概率并消除检偏臂入射光束角度波动引入的复原误差从而提高复原结果的准确度与精度。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种实时获取光谱椭偏参数的装置，包括沿入射光线的主光轴从左到右依次设有起偏臂(PSG)、检偏臂(PSA)以及色散型光谱仪；起偏臂包括用于准直的望远系统、线起偏器、消色差四分之一波片以及延迟器；检偏臂包括一块Wollaston棱镜；检偏臂产生的完全偏振光与被测样品相互作用后偏振态发生变化，通过检偏臂产生的调制光谱包括了三个不同的载频携带了被测光谱椭偏参数，通过色散型光谱仪对调制光谱进行解析。
其中，望远系统由第一透镜、视场光阑和第二透镜组成；所述视场光阑设置于第一透镜和第二透镜之间的主光轴上，视场光阑位于第一透镜的后焦面上，并与第二透镜的前焦面重合。
构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为z轴，所述起偏器的透振方向、延迟器的快轴与延x轴正向固定；消色差四分之一波片(3)的快轴与x轴及y轴正向夹角为45°，Wollaston棱镜中两个正交棱镜的光轴相对于x轴分别取向为±45°。
一种实时获取光谱椭偏参数的方法，包括如下步骤：入射光经前置望远系统(1)准直后变为平行光，线起偏器(2)、消色差四分之一波片(3)、延迟器(4)产生完全线偏振光与样品相互作用，从Wollaston棱镜(5)出射的两束光谱强度为：
其中P(σ)为从分析器起偏器(1)出射的光谱强度，β＝2πd|ne-no|延迟器(4)产生的延迟量，d为延迟器的厚度，no与ne分别为延迟器的正常折射率与反常折射率；a＝sin2ΨcosΔ，b＝sin2ΨsinΔ，Ψ与Δ为被测的两个光谱椭偏参数；K1与K2分别为Wollaston棱镜(5)的强度调制系数；
通过测量透振方向延x轴的线偏振器得：
由(3)式与(4)式可得强度调制系数之比为：
由此得：
将(6)式采用欧拉公式展开得：
对(7)式做傅里叶逆变换得其对应的双通道干涉强度，采用光程差维的通道滤波分别取出C-1与C1，通过傅里叶变换得：
其中，real{·}，imag{·}与分别代表取实部，虚部与做傅里叶变换，β通过测量已知椭偏参数光谱的样品进行标定，即就是参考光法；
由此得复原的两个光谱椭偏参数为：
本发明具有以下优点：本发明实时获取光谱椭偏参数的装置与方法采用线偏振器、消色差的四分之一波片、延迟器组成的PSG产生完全偏振光，通过作为PSA的Wollaston棱镜得到两幅调制光谱，通过调制光谱间的运算可得含有光谱椭偏参数的双通道干涉强度；实现光谱椭偏参数的实时测量，同时有效抑制通道串扰引入的复原误差并有效提升复原光谱分辨率。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图中：1为望远系统；101为第一透镜、102为视场光阑；103为第二透镜；2为线偏振器；3为消色差四分之一波片；4为延迟器；5为Wollaston棱镜；6为色散型光谱仪；7为被测样品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
如图1所示，一种实时获取光谱椭偏参数的装置，包括沿入射光线的主光轴从左到右依次设有起偏臂(PSG)、检偏臂(PSA)以及色散型光谱仪；起偏臂包括用于准直的望远系统1、线起偏器2、消色差四分之一波片3以及延迟器4；检偏臂包括一块Wollaston棱镜5；检偏臂产生的完全偏振光与被测样品相互作用后偏振态发生变化，通过检偏臂产生的调制光谱包括了三个不同的载频携带了被测光谱椭偏参数，通过色散型光谱仪对调制光谱进行解析。望远系统1由第一透镜101、视场光阑102和第二透镜103组成；所述视场光阑102设置于第一透镜101和第二透镜103之间的主光轴上，视场光阑102位于第一透镜101的后焦面上，并与第二透镜103的前焦面重合。
构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为z轴，所述起偏器2的透振方向、延迟器4的快轴与延x轴正向固定；消色差四分之一波片3的快轴与x轴及y轴正向夹角为45°，Wollaston棱镜5中两个正交棱镜的光轴相对于x轴分别取向为±45°。
本发明所述的光谱椭偏参数实时探测方法，包括以下步骤：
由偏振光学原理可知，消色差四份之一波片的Mueller矩阵为：
延迟器的穆勒Mueller矩阵为：
其中，θ为延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角，为延迟器的相位延迟量，d为延迟器厚度。
起偏器的Mueller矩阵为：
其中θ为偏振器的透振方向与x轴正向夹角。
根据偏振光学原理，光波的Stokes矢量光谱S(λ)为：
其中，S0为光束总能量，I0°、I90°、I45°和I135°分别表示光束经过0°、90°、45°和135°线偏振片后的强度，IR和IL表示光束中的右旋和左旋圆偏振光。从起偏器Wollaston棱镜出射的两个Stokes矢量SWP1与SWP2可以表示为：
SWP1＝MP45°MsMqP0°Mc45°MP0°S (5a)；
SWP2＝MP-45°MsMqP0°Mc45°MP0°S (5b)；
其中，Ms为被测样品的Mueller矩阵，其包含了被测的光谱椭偏参数。通过Stokes矢量描述入射光的光谱及偏振信息时，由于探测器只对总光强有响应，而对光线的偏振态不敏感，因此光谱仪获取的信号为SWP1与SWP2中的第一个分量。将各元件对应的穆勒矩阵带入上
其中P(σ)为从分析器起偏器(1)出射的光谱强度，β＝2πd|ne-no|延迟器(4)产生的延迟量，d为延迟器的厚度，no与ne分别为延迟器的正常折射率与反常折射率；a＝sin2ΨcosΔ，b＝sin2ΨsinΔ，Ψ与Δ为被测的两个光谱椭偏参数；K1与K2分别为Wollaston棱镜(5)的强度调制系数。
通过测量透振方向延x轴的线偏振器可得：
由(7)式与(8)式可得强度调制系数之比为：
由此可得：
将(10)式采用欧拉公式展开可得：
对(11)式做傅里叶逆变换可得其对应的双通道干涉强度，采用光程差维的通道滤波分别取出C-1与C1，通过傅里叶变换可得：
其中，real{·}，imag{·}与分别代表取实部，虚部与做傅里叶变换，β可通过测量已知椭偏参数光谱的样品进行标定，即就是参考光法。
由此可得复原的两个光谱椭偏参数为：
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实时获取光谱椭偏参数的装置，其特征在于，包括沿入射光线的主光轴从左到右依次设有起偏臂、检偏臂以及色散型光谱仪；起偏臂包括用于准直的望远系统(1)、线起偏器(2)、消色差四分之一波片(3)以及延迟器(4)；检偏臂包括一块Wollaston棱镜(5)；检偏臂产生的完全偏振光与被测样品相互作用后偏振态发生变化，通过检偏臂产生的调制光谱包括了三个不同的载频携带了被测光谱椭偏参数，通过色散型光谱仪对调制光谱进行解析。
2.如权利要求1所述的一种实时获取光谱椭偏参数的装置，其特征在于，望远系统(1)由第一透镜(101)、视场光阑(102)和第二透镜(103)组成；所述视场光阑(102)设置于第一透镜(101)和第二透镜(103)之间的主光轴上，视场光阑(102)位于第一透镜(101)的后焦面上，并与第二透镜(103)的前焦面重合。
3.如权利要求1所述的一种实时获取光谱椭偏参数的装置，其特征在于，构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为z轴，所述起偏器(2)的透振方向、延迟器(4)的快轴与延x轴正向固定；消色差四分之一波片(3)的快轴与x轴及y轴正向夹角为45°，Wollaston棱镜(5)中两个正交棱镜的光轴相对于x轴分别取向为±45°。
4.一种实时获取光谱椭偏参数的方法，其特征在于：包括如下步骤：入射光经前置望远系统(1)准直后变为平行光，线起偏器(2)、消色差四分之一波片(3)、延迟器(4)产生完全线偏振光与样品相互作用，从Wollaston棱镜(5)出射的两束光谱强度为：
其中P(σ)为从分析器起偏器(1)出射的光谱强度，β＝2πd|ne-no|延迟器(4)产生的延迟量，d为延迟器的厚度，no与ne分别为延迟器的正常折射率与反常折射率；a＝sin2ΨcosΔ，b＝sin2ΨsinΔ，Ψ与Δ为被测的两个光谱椭偏参数；K1与K2分别为Wollaston棱镜(5)的强度调制系数；通过测量透振方向延x轴的线偏振器得：
由(3)式与(4)式可得强度调制系数之比为：
由此得：
将(6)式采用欧拉公式展开得：
对(7)式做傅里叶逆变换得其对应的双通道干涉强度，采用光程差维的通道滤波分别取出C-1与C1，通过傅里叶变换得：
其中，real{·}，imag{·}与分别代表取实部，虚部与做傅里叶变换，β通过测量已知椭偏参数光谱的样品进行标定，即就是参考光法；
由此得复原的两个光谱椭偏参数为：
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