CN110139827A - 用于反射和透射纳米光子器件的高吞吐量、高分辨率光学计量 - Google Patents

用于反射和透射纳米光子器件的高吞吐量、高分辨率光学计量 Download PDF

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Abstract

本公开内容涉及用于纳米光子器件的光学计量。根据本公开内容的计量系统包括样本相机和参考相机，每个相机连接到配置有计算机处理器和计算机化存储器的至少一个计算机。可调光源被引导到经受样本相机成像的纳米光子器件，并且参考光源经受所述参考相机成像以在存储器中记录参考照明参数。所述计算机化存储器存储计算机可读软件命令，其从所述样本相机和所述参考相机收集各组图像数据，以通过比较所述各组图像数据来识别纳米光子器件的至少一个纳米光子特性。示例示出了用于以晶片级或卷对卷组件制造的线栅偏振器和其他器件的计量。

Description

用于反射和透射纳米光子器件的高吞吐量、高分辨率光学 计量
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年10月26日提交的美国临时专利申请序列号62/413,291的权益，该专利申请的公开内容通过引用明确地并入本文。
关于联邦政府资助研究的声明
本发明是在国家科学基金会授予的授权号ECCS1120823和EEC1160494下借助政府支持做出的。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本公开内容涉及用于纳米光子器件的光学计量。
背景技术
纳米加工的最新进展为在晶片级和卷对卷(R2R)生产线上制造大量大面积纳米光子器件铺平了道路。这些器件包括：纳米制造的线栅偏振器(WGP)，其可以将液晶显示器(LCD)中的功耗降低多达20％；透明金属网格，其使得能够实现灵活的触摸屏和显示器；等离子体滤色器，其可以简化相机滤色器组件和实现更高的相机分辨率；以及，Si纳米线(SiNW)阵列，其可用于增强各种感测器件并具有独特的光谱性质。
正在创建生产线以制造晶片级和卷对卷(R2R)的各种纳米光子器件。这些生产线上需要计量来表征器件和管理产出。计量必须在高吞吐量下进行表征，但它还必须保持高空间分辨率，以便识别小缺陷和细微的区域到区域变化。
换句话说，正在创建生产线以制造晶片级、卷对卷(R2R)和片对片(S2S)的各种纳米光子器件，诸如纳米制造的偏振器(NFP)、金属网格和纳米结构颜色。对于这些生产线而言需要的计量是高空间分辨率和高吞吐量的，以便可以进行实时检查，同时具有识别小缺陷和细微的区域到区域变化的能力。关键尺寸(CD)计量，诸如SEM和AFM，吞吐量太低而不是高吞吐量纳米光子器件制造的良好候选者。另一方面，功能计量非常适合于纳米光子器件制造，因为它可以在高吞吐量和高空间分辨率下完成。本公开内容描述了称为纳米光子功能计量(NFM)的用于纳米光子器件的功能计量的一般方法。NFM系统由三个主要部件组成：1.光源、2.光学部件和3.相机传感器。NFM系统产生被检查的纳米光子器件的纳米光子特性的图像。由于纳米光子特性图像是空间上分辨的，因此不仅可以检测各种缺陷，而且可以基于它们的空间签名连同它们的根本原因一起来识别，这极大地有助于产出管理。讨论了一般NFM系统的设计考虑因素以及数据处理和一些更具体的设计思想。针对一些特定的纳米光子器件制造场景以说明NFM的一些实施方案。最后，我们展示了NFP的根本原因分析的一个实施方案。
传统的关键尺寸(CD)计量如扫描电子显微镜法(SEM)和散射测量法难以达到目标吞吐量。例如，SEM只能以CD本身的量级的视场测量CD，因此不可能表征每分钟许多平方厘米的器件区域。散射测量法可用于表征大小为1cm2的区域，但测量结果是整个区域的单一平均值，这意味着无法在大区域上识别小的缺陷和细微的区域到区域变化。为了使散射测量法与成像分光光度计的空间分辨率相匹配，需要一个接一个地进行数百万个小面积测量，这将花费太长时间而不实用。此外，CD计量不能随R2R纳米光子学制造而扩展。
纳米加工的最新进展为在晶片级、卷对卷(R2R)和片对片(S2S)生产线上制造大量纳米光子器件铺平了道路。这些纳米光子器件包括：纳米制造的偏振器(WGP)[1,2,3,4]，其可以将液晶显示器(LCD)中的功耗降低多达20％；金属网格，其使得能够实现灵活的触摸屏和显示器[5,6,7,8]；完美的吸收剂，如黑硅[9]；以及各种金属和/或电介质纳米结构颜色[10-19]，其可在超高分辨率和/或微显示器和打印或在光谱相机传感器中用作滤色器。
纳米加工工艺包括槽模涂布、喷墨、凹版涂布、浸涂和刀口涂布。真空纳米制造工艺包括：真空沉积工艺，例如溅射、电子束蒸发、掠射角溅射、掠射角电子束蒸发、热蒸发、原子层沉积、化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积；等离子体蚀刻工艺，例如反应离子蚀刻、电感或电容耦合等离子体反应离子蚀刻和离子铣削；真空图案化工艺，如电子束光刻、X射线光刻和离子束光刻。另外，周围环境纳米图案化工艺包括光刻、压印光刻、各向同性湿法蚀刻技术和各向异性湿法蚀刻技术，例如结晶蚀刻和金属辅助化学蚀刻。
这些生产线上将需要计量以提供质量控制并提供用于产出管理的手段——其中识别出有缺陷的器件并且可以准确找出并纠正缺陷的根本原因。计量必须在高吞吐量下进行表征以跟上生产线的步伐，并且其数据必须是空间上分辨的，以便可以成功地识别小缺陷和细微的区域到区域变化。如我们将要展示的那样，用于纳米光子器件的功能计量可以同时完成这两件事。例如，示出了图3中所示的先前系统。在图3D中，传统的分光光度法使用单个光电倍增管进行图3E的相关CR。图3F的成像分光光度法使用相机进行图3G中所示的并行测量。如本文所讨论的图3H的成像分光光度法显示图3i中CR计算的更高分辨率。在图3H中，纳米光子器件(380)的样品平面经受来自下方并被引导通过纳米光子器件(380)到达相机(350)的光。
纳米计量的传统方法——其是关键尺寸(CD)计量，如SEM和AFM——将极难达到与纳米光子器件生产线保持同步所需的吞吐量。例如，SEM只能以CD本身的量级的视场测量CD，因此几乎不可能在高吞吐量下表征大区域。散射测量法可用于表征更大的区域，并有可能利用成像技术来实现高空间分辨率，但测量通常需要在大量的按顺序测量的单独状态(如不同的散射角度)下获取数据，并且接着是通过逆模型计算或查找表搜索CD。这固有地限制了散射测量法的吞吐量。
关键尺寸(CD)计量对于高吞吐量纳米光子器件制造难以扩展。幸运的是，CD计量不是器件表征所必需的。可以改为使用功能计量——其顾名思义测量器件的功能，在这种情况下，它能够具有高得多的吞吐量。功能计量通常以芯片的电测试的形式用于半导体工业中。电气测试可以在几秒内完成，这可以使由数十亿个单独的晶体管、过孔和互连组成的芯片全都以重要的CD合格。有人可能会争辩说，如果芯片通过电气测试，可以假设CD处于规格状态而无需直接测量它们。现在，因为芯片生产线具有数百个单独的制造步骤，所以在中间步骤中的CD计量仍然是必要的，但是在纳米光子器件制造中，完成的器件可能仅需要少量的制造步骤(～5)。在没有中间CD计量的情况下对完成的纳米光子器件进行功能计量是最有效的。
这些生产线上将需要计量以提供质量控制并提供用于产出管理的手段——其中识别有缺陷的器件并且可以准确找出并且纠正缺陷的根本原因。计量必须在高吞吐量下进行表征以跟上生产线的步伐，并且其数据必须是空间上分辨的，以便可以成功识别小缺陷和细微的区域到区域变化。如我们将要展示的那样，用于纳米光子器件的功能计量可以同时完成这两件事。
本文公开的系统和方法解决了这些和其他需求。
发明内容
根据本公开内容的计量系统包括样本相机和参考相机，每个相机连接到配置有计算机处理器和计算机化存储器的至少一个计算机。可调光源被引导到经受样本相机成像的纳米光子器件，并且参考光源经受所述参考相机成像以在存储器中记录参考照明参数。所述计算机化存储器存储计算机可读软件命令，其从所述样本相机和所述参考相机收集各组图像数据，以通过比较所述各组图像数据来识别纳米光子器件的至少一个纳米光子特性。
附图说明
包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了下面描述的几个方面。
图1A和1B是用于透射和反射测量的系统架构的示意图。
图2是用于透射和反射测量的一般系统架构的示意图。
图3A和3B是如本公开内容中所讨论的玻璃基板上的线栅偏振器(WGP)的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图3C是如本文所公开的线栅偏振器光学功能的示意图。
图3D和3E是如本公开内容中描述的传统分光光度测量工具的相应视图和相应对比率图。
图3F和3G是如本公开内容中所述的成像分光光度测量工具的相应视图和对比率的相应的基于相机的成像。
图3H和3I是如本公开内容中所述的成像分光光度测量工具的相应视图和对比率的相应的基于百万像素(高分辨率)相机的成像。
图4是如本文所述的在给定波长下使用图3H的分光光度法识别相应纳米光子器件中的缺陷的对比率的示例图像。
图5A是根据本文公开的系统和方法的识别纳米光子器件中的缺陷的计算机化方法的流程图。
图5B是根据本文公开的系统和方法的平均对比率与引导至纳米光子器件的样本束光的波长的关系曲线的示例图。
图5C是用于实施图5A的方法的照明组件的示例示意图。
图6A是示出根据本公开内容的计量架构以考虑经受成像的移动样本的示意图。
图6B是示出根据本公开内容的计量架构以通过将线屏幕相机安装在适当位置来考虑经受成像的移动样本的示意图。
图6C是如本文所讨论的考虑移动样本的相应的透射和反射计量架构的示意图解。
图7是如本文所述的用于使线栅偏振器经受对比率和透射强度分析的计量架构的示意图解。
图8是如本文所述的用于使线栅偏振器经受对比率和透射强度分析的计量架构的示意图解。
图9是如本文所述的用于使线栅偏振器经受p偏振的对比率和透射强度分析的计量架构和曝光时间约束的示意图解。
图10是如本文所述的用于使线栅偏振器经受对比率和透射强度分析作为s偏振的函数的计量架构和曝光时间约束的示意图解。
图11A和11B是如本文所述的用于使线栅偏振器经受对比率和透射强度分析作为s偏振的函数的计量结构、曝光时间约束和由偏振状态的变化引起的转换延迟的示意图解。
图11C是如图7-11B中所示并且配置有用于同时进行相应的Tp和Ts分析的并行偏振架构的计量系统的示意图解。
图12是在经受图6-11中阐述的计量的图4的纳米光子器件上示出的缺陷的注释图像。
图13是其中阈值降低了噪声并且强调了经受图6-11中阐述的计量的图4的纳米光子器件中存在的缺陷的、图12的图像的图解。
图14是四大类缺陷的图像。(i)左上角处导致圆形禁区的粒子、(ii)以具有变化的阴影的水平条纹所见的喷嘴-喷嘴液滴体积变化、(iii)以蓝色竖直线所见的喷墨打印头射不出，以及(iv)由于模板与晶片的硬接触而导致的、导致以中心处的蓝色环形环所见的RLT变化的次优压印力方法。
图15A和15B是粒子缺陷的图像。一个粒子导致一个其中可能没有任何特征被图案化的圆形禁区，如在左边的图中所见的。右边的图给出了可能导致此类缺陷的典型粒子的缩放图像。
图16是硅纳米线(SiNW)阵列样本的一组RGB(红色、绿色、蓝色)图像及其相应的SEM和反射比光谱。
图17是如本文所述的被配置为提供图像数据以计算对比率和透射强度的用于卷对卷制造组件的示例性计量架构的示意图。
图18是用于晶片级垂直硅纳米线阵列的足以为主题纳米光子器件提供一组光反射比数据的示例性计量架构的示意图。
具体实施方式
现在将详细参考实施方案，其示例在附图和实施例中示出。然而，本公开内容以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施方案。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。本文使用的术语“包括(comprising)”及其变体与术语“包含(including)”及其变体被同义地使用，并且是开放式的非限制性术语。尽管本文使用术语“包括”和“包含”来描述各实施方案，但是术语“基本上由……组成(consistingessentially of)”和“由……组成(consisting of)”可以被使用来代替“包括”和“包含”以提供更具体的实施方案，并且也被公开了。如在本公开内容和所附权利要求中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”、“该(the)”包括复数个提及物，除非上下文另有明确说明。
以下定义被提供以帮助本说明书中使用的术语，并且决不限制本公开内容。这些定义仅作为手边术语的各自解释的示例。
纳米光子功能计量(NFM)——用于纳米光子器件的功能计量(我们将称其为纳米光子功能计量(NFM))。NFM记录根据状态的函数透射、反射、衍射、偏振或散射光的纳米光子器件的图像，并且在一些情况下记录处于已知状态的参考的图像，然后处理这些图像以计算作为状态的函数的纳米光子特性。
纳米光子器件——一种器件，其具有的最小特征尺寸处于与其相互作用的光的波长的量级，并且所述特征的几何结构或材料特性被设计成提供特定的纳米光子特性作为输出。
参考——一种典型产物，其具有基本上已知的一个或多个纳米光子特性值，并且其图像有时用作图像处理中的分母以计算纳米光子器件的纳米光子特性。参考的示例包括高度反射镜和空气(通常用于透射比测量以接近完美的透射比)。
强度——一个与测量期间相机传感器检测到的平均光通量成比例的量。缩写为I(尤其在表1中)。有关如何计算强度的详细数学描述可在标题为“图像处理”的部分中找到。
纳米光子特性——纳米光子器件的特性，其是描述纳米光子器件如何影响它与光相互作用的量。包括表A中列出的以下项：
表A.纳米光子特性及其定量定义
透射比：
反射比：
吸收比：A＝1-ITransmittance-IReflectance 等式(3)
衍射效率：
散射效率：
偏振效率：
偏振转换效率：
对比率：
雾度(Haze)：
*I是强度的缩写。参见强度的定义。
**sample是表示样本波束的下标，reference是表示参考波束的下标。
***这里样本强度的偏振状态与参考的偏振状态不同
****注意，CR也可以根据p偏振光和s偏振光的透射比来计算。
状态——描述与纳米光子器件相互作用的光或正由相机传感器检测的光的某物。由以下组成：
1.照射纳米光子器件的光的光谱含量
2.照射纳米光子器件的光的偏振含量
3.照射纳米光子器件的光与纳米光子器件的表面形成的入射角
4.相机的视角
5.相机的接收角范围
6.照射相机传感器的光的光谱含量
7.照射相机传感器的光的偏振含量。
光——电磁辐射，包括但不限于紫外线、可见光、近红外光、红外光等。
光源——产生光的某物。
光学部件——折射光(如透镜)、反射光(如反射镜)、衍射光(如衍射光栅)、散射光(如漫射器)和/或调制光的光谱或偏振含量的某物。可用于控制光的状态。
相机传感器——感测光的光检测器阵列。相机传感器可以是区域传感器或线扫描传感器。相机传感器的一些示例包括：单色相机、彩色相机、RGB相机、三芯片彩色相机、多光谱相机、高光谱相机、电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)相机、增强电荷耦合器件(ICCD)相机、电子倍增增强电荷耦合器件相机(emICCD)、雪崩光电二极管阵列、时间延迟积分(TDI)线扫描相机、双线彩色线扫描相机、三线彩色线扫描相机、四线彩色线扫描相机。
缺陷——与所述纳米光子器件的预期设计显著不同并且导致所述纳米光子器件的纳米光子特性的不同的某物
缺陷检测——感测未定义的缺陷的存在。
缺陷识别——知晓已检测到的特定缺陷类型。
根本原因——相对于名义制造工艺的偏离。
对象空间像素大小——映射到(纳米光子器件上的)对象空间的图像中的像素大小。
视场(FOV)——相机镜头和相机传感器实现的视野。换句话说，映射到对象空间的由相机传感器记录的图像的大小。
制造吞吐量——生产线的吞吐量，在晶片级制造的情况下为面积吞吐量(m2/s)，或在R2R制造的情况下为线性吞吐量(m/s)。S2S制造可以在面积或线性吞吐量下运作。
允许的表征时间——对于每个晶片、每个片材或卷的每个线段NFM必须执行其表征的时间
系统表征时间——对于每个晶片、每个片材或卷的每个线段NFM执行其表征实际所花费的时间
纳米制造的偏振器——一种偏振器，其基于宽度为纳米级、长度为宏观尺度的金属线
金属网格——一种基于纳米级金属线的网格的透明导电表面
抗反射器——一种由于存在纳米结构而抗反射的纳米光子器件
完美的吸收器——一种在任何特定范围或多个范围的光谱带上高度吸收的纳米光子器件
完美的反射器——一种在任何特定范围或多个范围的光谱带上高度反射的纳米光子器件
纳米结构颜色——具有由于纳米结构的存在而产生的颜色的纳米光子器件。
系统和方法
正在创建生产线以制造晶片级和卷对卷(R2R)的各种纳米光子器件。对于这些生产线需要高分辨率和高吞吐量的计量，以便可以对捕获小缺陷和细微的区域到区域变化的器件进行实时表征。表明，关键尺寸(CD)计量吞吐量太低而不是高吞吐量纳米光子制造的良好候选者。相反，功能计量——在这种情况下，成像分光光度法——是高吞吐量纳米光子制造的理想计量，因为它既是高分辨率的又是高吞吐量的。针对各种特定类型的纳米光子器件制造场景详细讨论了用于高吞吐量的成像分光光度计系统的配置，每种场景都具有其自身独特的计量需求。这些系统提供的高分辨率光谱图像提供了大量数据，其可用于有助于产出管理的缺陷检测和根本原因分析。
功能计量——其顾名思义测量器件的功能，在这种情况下是光学功能——可以代替使用，并且能够实现高得多的吞吐量。功能计量通常以芯片的电测试的形式用于半导体工业中。电气测试可以在几秒内完成，这可以使由数十亿个单独的晶体管、过孔和互连组成的芯片全都以重要的CD合格。有人可能会争辩说，如果芯片通过电气测试，可以假设CD处于规格状态而无需直接测量它们。现在，因为芯片生产线具有数百个单独的制造步骤，所以在中间步骤中的CD计量仍然是必要的，但是在纳米光子制造中，完成的器件可能仅需要少量的制造步骤(～5)。在没有中间CD计量的情况下对完成的纳米光子器件进行功能计量是最有效的。用于纳米光子器件的功能计量是通过经由光谱成像测量它们的光学功能来进行的。使用光谱成像，可以在多个光谱带、偏振状态、照射角度和/或视角下在器件的区域中的许多点处测量光学功能诸如透射比和反射比，从而形成被称为光学功能图的三维数据集的集合。注意，为简化起见，没有在每种情况下都提到照射角度和视角。
为吞吐量选择正确类型的光谱成像
有许多方法可以进行光谱成像[20]，以及选择正确的方法对于最大化吞吐量至关重要。下面讨论这些系统中的一些。请注意，尽管名称非常相似，但在当今的行业中，它们指的是不同的系统架构。
传统分光光度计[21-24]
使用传统的分光光度计按顺序地测量样品上的点，并且一次测量一个光谱带中的点。这些仪器仅限于按顺序地测量点和光谱带，因为它们只使用一个光电倍增管传感器。它们可以通过在2个空间维度和光谱维度上扫描仪器来适应光谱成像-这种方法具有极低的吞吐量，并且不用于光谱成像目的。
传统光谱仪(扫帚)
传统的光谱仪按顺序地测量样品上的点，但使用1D光电二极管阵列同时收集整个光谱。这些系统可以通过在两个空间维度上扫描来适应光谱成像。这被称为扫帚(whiskbroom)方法。扫帚系统比传统的分光光度计快得多，但总的来说仍然很慢。
成像光谱仪(推扫)
更快，是专为光谱成像设计的成像光谱仪。这些系统利用了这样的事实：图像的一行可以被分散到2D光电二极管传感器上，允许在整个光谱上同时成像线。这通常被称为“推扫式”方法。物体在柱状方向上平移，从而可以形成光谱图像。推扫可以比扫帚快几千倍，但仍然考虑到图像传感器中有数千个色谱柱，并且推扫必须停下来曝光每个色谱柱，它仍然相对较慢。
成像分光光度计
理想情况下，可以在每个光谱带上同时捕获所有行和列。不幸的是，没有办法以产生每个光谱带的单独图像的方式分散2D图像。最终，光谱成像仪必须在光谱或空间维度上扫描。如果在光谱维度上完成扫描，吞吐量要好得多，因为扫描迭代次数通常要小得多-虽然通常需要处理数千个像素列，但通常不超过几百个光谱带，并且有时候只有极少数。尽管如此，推扫系统通常用于其他应用，因为它们必须处理由宽带光(地球表面，星体等)照射的样品，这意味着必须在样品照射后发生分散，这促使在空间维度上发生扫描。幸运的是，在纳米光子学计量中，照射样品的“负担”在系统上，使得可以在样品照射之前进行分散，将扫描移动到光谱维度。这种情况类似于传统的分光光度计，它用窄光谱带宽的光照射样品。因此，其成像对应物被称为成像分光光度计。
影响成像分光光度计吞吐量的因素
与其他的光谱成像方法相比，成像分光光度法具有更高的吞吐量，但其自身的吞吐量仍需要最大化。首先要了解控制其吞吐量的主要因素。
相机的所需曝光时间，所需光谱带的数量，所需偏振态的数量以及相机的视场(FOV)是影响吞吐量的主要因素。在保持必要的空间分辨率的同时使FOV尽可能大，以便在单次曝光中表征最大面积。如果FOV太小而无法表征足够的器件面积，则可以在整个器件面积上扫描FOV，或者可以使用多个摄像机同时跟踪多个FOV。需要测量的光谱带和偏振状态的数量由器件表征要求决定。每个光谱带和偏振态需要其自身的相机曝光，因此吞吐量降低了偏振态总数乘以光谱带数量的因子。还花费时间在光谱带和偏振态之间移动，这进一步降低了吞吐量。曝光时间取决于相机从照射样品获得具有合适信噪比(S/N)的信号所需的时间。曝光时间尽可能小--但弱信号(如WGP中所见)需要较长的曝光时间。可以以增加测量噪声并对S/N产生不利影响的代价增加相机上的增益以减少所需的曝光时间。因此，建议使用满足吞吐量要求的最小增益量和最长曝光时间。可以根据制造吞吐量来计算最大允许曝光时间。这在下面的两个器件制造场景中示出(在标题为“使用特定纳米光子器件制造场景的成像分光光度法的示例”部分中)。
广义纳米光子器件表征
每个纳米光子器件都具有必须测量的光学功能，以便表征器件的性能。通常，光学功能分为透射比和反射比两类中的一种。每个光学功能都需要测量与样品相互作用的光(样品测量)和光与样品相互作用之前的光(参考测量)。样本/参考的比率决定了光学功能的值。光学功能可以在各种不同的光谱带，偏振，照射角度和视角下测量。应使用表征所需的最小光谱带数和偏振状态。
NFM系统测量工艺
以下列表描述了NFM系统进行的测量：
1.一个或多个光源产生光
2.来自光源的光可能会或可能不会被光学组件引导或调制(此时通常使用镜头来聚焦或准直来自光源的光)
3.然后光与纳米光子器件和/或参考相互作用
4.与纳米光子器件或参考物相互作用的光可以或可以不由光学组件引导或调制。(通常在这一点上，镜头将光线聚焦到相机传感器上)。
5.然后在曝光时间期间由相机传感器检测光
6.然后将相机传感器读数作为图像读出到计算机
7.处理图像以计算强度(参见标题图像处理部分)
8.使用强度计算纳米光子特性
图像处理
来自相机采集的图像需要经过一些处理以将它们变成强度图像，以便它们可用于计算纳米光子特性。为什么必须这样做有几个原因。对于一个，相机传感器的动态范围可以相对较小。为了测量大范围的光照水平，使用相机上的中性密度(ND)滤光器，光圈以及曝光时间和增益设置的组合。真正的明亮测量，如参考测量，需要ND滤光器和/或光圈来衰减光束，以便可以使用相机可用曝光时间范围内的曝光时间。另一方面，实际上暗淡的测量可能是如此暗淡，以至于相机只能通过使用长曝光和/或高增益来获得图像，因此不需要ND滤镜。在计算强度时，需要考虑增益，曝光时间和ND滤光器或光圈的存在的差异。此外，还需要考虑相机的读取噪声和暗噪声。图像经历以下等式中所见的操作以产生强度的图像。
其中，
然后可以将该强度值的图像直接与任何其他强度值的图像进行比较，并且可以用于计算如“定义”部分中表1中列出的那些的纳米光子特性。
建筑学的一般观点
每个系统都包含相同的基本组件：可调光源，参考偏振器，分束器，光束光学器件，和两个或更多相机。可调光源通常通过使用衍射光栅单色器在所选择的光谱带中产生光束。光束被制成圆形，由透镜准直，由参考偏振器(可选)偏振，并且然后通过将光束分成参考和样本光束的分束器。参考光束由相机成像。样本光束可以分成在不同的场中照射样本的多个样本光束，然后样本光束由相机成像。透射比和反射比测量的一般系统布局如图1A和2所示。
NFM系统由光源，光学组件和相机传感器组成：
光源
一个或多个光源用于产生照射纳米光子器件的光。需要选择光源以具有适当的光谱特性，强度和形状因子。可以使用任何数量的不同类型的光源，这取决于对于给定情况最有意义的是什么。光源的一些示例包括：白炽光源，卤素光，弧光光，荧光光，LED(发光二极管)，白光LED，LED阵列，OLED(有机LED)，可调光源，激光器，可调谐激光器，超连续激光器。
光学组件
在大多数系统中，当光从光源传播到样本并到达相机时，将有光学组件来引导和调制光。可以利用各种光学组件来获得特定的结果，包括以下：透镜，偏振器，分束器，反射镜，半透明镜，聚焦镜，衍射光栅，滤色器，光圈，孔径或狭缝。
相机传感器
相机传感器，其是阵列检测器，与非阵列检测器相反，因为它们能够快速，同时地获取空间分辨的测量。重要的是对表征进行空间分辨，以便不仅可以检测缺陷，还可以根据空间签名识别缺陷。这允许区分不同类型的缺陷(圆形，线性，周期性等)，这允许洞察缺陷源自何处(根本原因分析)。大多数经典的分光光度计系统使用非空间分辨的探测器[21,22,23,24]。
图1A显示了用于透射，垂直入射反射测量和成角度反射测量的NFM系统的简单设计。显示的系统包含刚刚提到的三个组件。请注意，这些系统显示为单梁结构--稍后我们将讨论使用双梁结构的优势。通过示出具有不同颜色和入射角的光束以及具有不同视角的相机，在各种示例中部分地示出了系统定义状态的能力。各种光学组件(如透镜和分束器)用于使每种设置成为可能。注意，该图并未详尽地说明可以使用的所有各种状态和光学组件。例如，光束的偏振含量未在图1A中示出。请注意，相机传感器和相机镜头的组合通常被称为相机。这在图1A中示出，并且本文档的吞吐量我们可以使用术语相机来识别该子系统。
系统设计
在设计NFM系统时，一个目标是确保系统能够在其预期的纳米光子器件上执行一般检查，缺陷检测和缺陷识别。本文有一些主要考虑因素：
1.所需的空间分辨率
2.需要测量的所需纳米光子特性
3.生产介质的形状因子和制造运动类型(连续卷，停止/启动)
4.生产线的面积或线性吞吐量
所需空间分辨率
所需的空间分辨率是最基本的考虑因素。必须确定需要测量的最小对象空间像素尺寸，并且需要将相机的空间分辨率适当地匹配。最小对象空间像素尺寸由检测纳米光子器件中所需缺陷所需的所需空间分辨率确定。这源于对系统正在设计的纳米光子器件中的缺陷如何表现的了解。例如，NFP和MMG可能预期用于显示器，因此这会是有意义的将最小对象空间像素大小设置为显示器中像素大小的某个大小，以确保相应于单个显示像素的每个面积符合规格。个人缺陷实际上可能远小于NFM的空间分辨率，但它们的集体效应将由NFM测量为缺陷所在的像素中的纳米光子特性的差异。需要考虑相机镜头的分辨能力和成像特性，以便可以利用传感器的全分辨率。通常，应选择能够以最大FOV实现所需最小物空间像素尺寸的相机镜头。
需要测量的所需的纳米光子特性
必须考虑需要测量的纳米光子特性的类型。这将决定系统测量架构，例如其测量反射比和/或透射比的能力，以及系统特性，例如照射的偏振/光谱含量，探测器的光谱选择性，照射角度，视角等。例如NFP可以通过以下两种纳米光子特性来表征：1.对比率和2.p偏振光的透射比。这涉及图像1.WGP透射p偏振光，2.WGP透射s偏振光3.参考图像与它们一起。该系统需要在透射模式下设置，并且需要能够使照射WGP的光偏振。
双光束架构
应该使用双光束架构。在双光束系统中，同时进行参考和样本测量(如图1B所示)，这消除了由光束强度波动引起的测量噪声。相反，单光束系统必须顺序进行样本和参考测量，从而对这些波动产生脆弱性。参考光束中的光学应该复制样本光束中使用的光学路径长度，除了在这种情况下物体平面是假想平面(图1B中的虚线标注)，该平面与分束器中心的距离与器件表面的距离相同。这确保了参考光束路径中的每个相机像素正在看到相应于样本光束路径中的相同像素的光束部分。所有三个维度中的参考和样本相机的相对对准是重要的，使得像素彼此良好相关。
两个相机(110A，110B)的双光束架构也可用于减少系统表征时间。在双光束系统中，参考和样本测量同时进行(如图1B所示)，这消除了按顺序地进行测量所带来的额外时间，并消除了两测量之间可能发生的光束强度波动引起的测量误差。在双光束系统中，使用分束器(175)将来自光源的光分成两个不同的光束--样本光束和参考光束。样本光束通过纳米光子器件，参考光束进入测量它作为参考的相机。参考光束中的光学应该复制样本光束中使用的光学路径长度，除了在这种情况下物体平面是参考物体平面，该参考物体平面是虚拟平面(图1B中的虚线标记)或参考物体(像反射镜一样)，该参考物体平面与分束器中心的距离与器件表面的距离相同，参考相机距参考物体平面的距离应与样本相机距样本平面的距离相同。这确保参考光束路径中的每个相机像素看到与样本光束路径中的相同像素对应的光束的部分。这确保了纳米光子特性的成功图像计算。图1B显示了透射和垂直入射反射NFM系统的双光束结构。
分箱
分箱可用于增加NFM系统的吞吐量。分箱是用于描述下采样图像分辨率的术语，其通过将相机传感器中的多个像素组合在一起来完成。这降低了空间分辨率，但允许更快的相机读数速度。这可能证明适用于缺陷检测，而缺乏空间签名可能会降低识别缺陷并将其与根本原因联系起来的能力。
多系统架构
如果可能，对于需要测量的每个光学功能使用一个完整系统(光源和相机)是最有效的。这允许同时测量多个光学功能而不是顺序地测量。它还消除了移动组件以改变偏振态或光谱带所花费的时间以及这样做所引起的对准误差。例如，WGP需要在两种不同的偏振态下进行表征。每个偏振状态应使用一个系统以最大化吞吐量。另外。如果要检查的光谱带数量足够小，则为不同的光谱带使用单独的系统是有用的。使用多个单色器出口狭缝从同一光源提取多个光谱带是可能的。
连续旋转衍射光栅
在传统的分光光度计中，通常以旋转-停止-旋转-停止方式旋转单色仪中的衍射光栅。在不同方向之间旋转所花费的时间通常需要大约0.1s，并且如果要测量许多光谱带，则这可能显着影响吞吐量。特别是在必须以高光谱分辨率扫描大的连续光谱部分的情况下，建议连续旋转衍射光栅并使光谱带由相机的帧速率加窗。这使得tgrat在等式1中等于零。单色器狭缝尺寸必须小于所需的光谱带，以使其工作。在需要测量少量分离光谱带的情况下，传统的旋转-停止-旋转-停止仍然有用。
连续旋转衍射光栅
在可调光源中通常以旋转-停止-旋转方式旋转单色仪中的衍射光栅。在不同方向之间旋转所花费的时间可能花费大量时间，并且如果要测量许多光谱带，则这可能显着影响吞吐量。在多光谱和高光谱情况下，连续旋转衍射光栅并经由相机的曝光窗口定义光谱带的宽度对系统吞吐量是有益的。由于在此设置中的光栅运动是连续的，因此没有时间花费在不同光谱带之间移动。在需要测量少量分离光谱带的情况下，传统的旋转-停止-旋转-停止方法仍然有用。
透射与反射架构
器件通常以透射比或反射比测量为表征。透射系统和反射系统的相应架构在图1A中示出。主要区别在于，在透射系统中，透射通过分束器的光束部分用作样本光束，而在反射系统中，反射光束用作样本光束。在反射情况下，必须以这种方式使用分束器，以便测量从样本反射的垂直入射光。建议在透射情况下使用90/10分束器(或更高)，以便大部分原始光束强度保留在样本光束中。反射壳的最佳选择是50/50分离器，因为样本光束通过它两次。
当需要多个视野时
在许多情况下，一个相机的FOV太小而无法覆盖适当数量的总器件面积。在这种情况下，需要独立地表征多个场。相机和光束可以一起移动到样本(扫描)其他面积，或者也可以同时使用多个相机和光束(并行化)。建议尽可能进行并行化，因为它消除了移动相机/光束所需的额外时间。为了做到这一点，光束必须以多种方式分开，以便可以照射样本的多个面积。这使得通过分裂数量的因数减少了每个光束的强度，并且通过相同的因子增加了每个相机的曝光。扫描需要在总曝光时间的相同增加，因为它会比连续曝光累积曝光时间，但还会增加相机/光束移动的时间。
形状因子和制造运动类型
需要考虑产品介质。通常，存在三种类型的产品介质：1.晶片级，2.卷对卷(R2R)，以及3.将用于制造纳米光子器件的片对片(S2S)处理。晶片级涉及将纳米光子器件制造在离散晶片上，这些离散晶片通常在它们穿过生产线时开始和停止。R2R制造涉及将纳米光子器件制造在连续的材料卷(通常是塑料)上，该材料以线性运动向下平移在生产线上，通常永远不会停止运动。S2S制造具有两种先前制造介质的元件，其中制造在离散的材料片上进行，该材料可在其各自的图案化步骤期间连续移动但可停止片材之间的移动。需要考虑这些不同的形状因素来选择系统组件。例如，晶片级制造可以更好地适用于面积捕获相机，因为晶片通常在制造步骤之间停止移动，并且一个相机可能在一帧中成像整个晶片。另一方面，在R2R制造以及S2S制造方面器件可以不断地以线性运动方式移动，在这种情况下，线扫描相机可能更有用，因为它们非常适合拍摄线性平移物体的图像。然而，在某些情况下，可能更适合使用用于R2R的面积捕获相机和用于晶片级的线扫描相机。
制造吞吐量
还必须考虑制造吞吐量，无论是面积还是线性。取决于制造场景，可能需要以生产线的速度检查总器件面积的100％。另一方面，采样较小量的器件面积可能是合适的。无论哪种方式，每条生产线都需要来自计量的一定吞吐量。计量必须满足这种吞吐量，否则它将成为生产线的瓶颈。
制造吞吐量(在等式中显示为Thrumanufacturing)可用于确定允许的表征时间(在等式中显示为tchar，allow)。这显示了以下两个实施方案：
晶片级的在线表征：
R2R的在线表征：
其中hline是由对象空间像素大小定义的线的高度。请注意，对于R2R的在线表征，不能使卷向后移动，以便计量可以检查卷的另一条带。因此，当卷经过时，可能需要同时检查卷的整个宽度。系统表征时间是系统实现的表征时间(等式中显示为tchar)必须小于或等于允许的表征时间。系统表征时间由等式13描述的许多不同因素组成。
其中，
∑tacquisition是每个状态下每个图像的所有单独采集时间的总和。采集时间包括其中感测光的曝光，以及产生图像并将其提供给计算机的读出。
∑tmovebtwnstates是在状态之间移动所花费的时间的总和。这可能是这样的：
-花费时间旋转衍射光栅以改变可调光源中光的光谱含量
-花费时间旋转偏振器以改变光的偏振内容
∑tmove btwn FOVs是在不同FOV之间移动所花费的时间的总和，以便可以检查整个纳米光子器件面积。仅当所有单个相机FOV的总和小于需要检查的总器件面积时，这才是必需的。
通过为每个需要检查的FOV部署一个完整的系统，可以完全消除∑tmove btwn FOVs。例如，可以沿R2R线的宽度放置多个线扫描相机，以在整个卷时检查整个卷，而不是沿着卷的宽度将一个相机移动到不同的点。类似地，也可以通过为需要表征的每个状态部署一个完整系统来消除∑tmove btwn states。
晶片级与卷对卷(R2R)架构
晶片级
获得用于晶片级计量的光学功能图通常是直截了当的。该器件的场由特定光谱带和偏振态的光束照射，并用照相机成像。当需要多个场时，系统可以扫描晶片或进行并行化。
R2R
R2R上的纳米制造偏振器
可以有几种类型的纳米制造偏振器(NFPs)。例如，线栅偏振器(WGPs)和超材料偏振器1是两种类型的NFPs。WGPs是本文详细讨论的示例NFP。
NFP旨在与目前用于液晶显示器(LCD)的有机背膜偏振器竞争。后偏振膜的目标是在选择性地通过p偏振光的同时透射来自背光的光。虽然有机薄膜偏振器吸收s偏振光，但NFPs将其反射回来(见图16)，从而创造了回收光线并提高LCD功率效率的机会。为了使NFPs与工业偏振器竞争，它们必须达到一定的性能指标，其如下：对比率(CR)≥104和p偏振光的透射比(Tp)≥84％。图17中示出了WGP的SEM。图18示出了如上所述的双相机(1875A，1875B)和可调光源(1825)利用分束器(1819)对晶片/样本/卷(1837)成像。
R2R计量增加了相机和样本之间相对运动的挑战，因为卷正在移动。推扫系统似乎是这种线性运动的自然选择，但基于成像分光光度计的显着吞吐量优势，强烈建议以某种方式进行调整。这是通过消除相机和卷之间的相对运动来实现的。有几个选项：
使用短暂的曝光时间
如果总表征时间足够短，相机可以成功捕捉移动器件，同时保持静止。这种情况类似于拍摄移动主体的照片。这可能是仅需要在一个光谱带和偏振态中表征的器件才会发生的情况。
间歇地停止卷
如果可能，可以间歇地停止卷以进行表征。有时，这种间歇性停止是R2R线的固有特征，就像在一些压印光刻场景中，其中卷运动在压印步骤中停止。如果此停止时间足够长，则计量可以在此时表征器件。否则，如果不能过多地影响工厂吞吐量，则可以专门针对计量停止卷。
将相机和光束与卷一起移动
相机和光束与卷或纸张同步移动
如果无法停止卷并且采集时间不够快，无法模糊地捕捉移动主体，则相机(1775)和光束(1760)可以与卷同步平移，以消除相对运动。图17中的透射和反射情况都显示了这一点。每次向前运动后都可以重置相机。图17的设置包括上述分束器(1719)，线扫描相机(1725,1775)，并且两者都用于对穿过卷筒(1722)的样本的图像进行采样。
如果卷进行等于视场高度的长度所需的时间等于或小于表征时间减去将相机重置为其初始位置所花费的时间，则相机可以连续表征卷的一列。
如果一个相机无法覆盖足够的卷，则可以在卷的宽度方向上来回扫描，或者可以平行光束。
每次前进后都可以简单地重置相机，但这种移动需要时间，可能需要消除。在这种情况下，建议使用位于沿卷长度的不同位置的多个系统，这些系统是交错的，使得后者系统表征现有系统没有的卷的部分。
该同步运动策略也可以用于纳米光子器件的瞬态行为受到质疑的情况。这种情况的一个例子是，如果在沿R2R系统移动的同时进行热循环或弯曲时需要测量器件。当它经历了这些工艺以实现这一点时，面积捕获相机可以与卷同步移动。
在累积线扫描模式下使用相机
如果相机被视为累积给定的卷线的像素值的一大系列单独的线扫描相机，则相机可在累积线扫描模式下使用。这可以想象如下：卷的每个条带(宽度方向)在其第一行像素处进入相机的视野，继续通过每行像素，然后在最后一行之后退出。在运输期间，传感器上的每一行对卷的条带进行成像，总共进行数千次单独曝光。每次曝光的像素值朝着总值累积。该技术有时也称为时间延迟积分。
这消除了与卷同步平移相机/光束的需要，可能消除由于异步运动引起的模糊。
典型的图像传感器具有～2000行。这些2000行可以被划分为需要访问的光谱带的数量(例如，10个光谱带将分别获得200行)。在该示例之后，不是进行一次长曝光，而是进行200次短曝光并且累积像素值。每次短曝光都比长曝光噪声大得多，因为相机的读取噪声与像素值无关，但通过拍摄如此多的图像，可以减轻噪声。
此方法有两个主要要求进行工作。首先，相机的帧速率需要足够快以拍摄移动卷的静止图像而不会明显地模糊它们。其次，快速曝光足够长，使得帧中的像素值高于噪声基底。
噪声可以基于各个测量的噪声统计上地确定，并且作为所拍摄图像数量的平方根。如果拍摄足够的单个图像，累积线扫描测量的噪声克服了单个长曝光的噪声。
增加相机增益可用于以增加其他噪声为代价将信号置于本底噪声之上。或者，不是累积像素值，而是可以对拍摄的许多图像进行平均。
该卷还具有在面外方向上上下摆动的潜在问题，可能导致相机拍摄的离焦图像。这可以通过使用额外的卷来消除长的无支撑卷，或者通过在背板上滑动卷来解决。这可以简单地是光滑的表面或轴承(如空气轴承)表面。在反射壳体中，背板可以是不透明的，但是在透射壳体中，背板需要是透明的，由玻璃或透明塑料制成。或者，可以使用部分背板，其中排除梁需要通过的一个背板。
可以在某处将定位标记放置在卷上并使用相机跟踪，以实时跟踪所有三个空间维度中的卷运动。基于来自该相机的数据，可以建立控制反馈回路，其将卷移动到其名义位置或者将样本光束和相机与卷一起移动。
使用滤光器进行光谱成像
另一种进行光谱成像的方法是使用滤色器选择光谱带。如果宽带光照射样本，则可以将光束分开，通过不同的滤色器发送以选择多个光谱带，并同时照射到多个相机。该技术对于仅需要观察少数波长并且必须消除光谱扫描时间的情况可能是有利的。然而，由于光束在被滤波之前必须以多种方式分割，因此每个相机接收的光吞吐量较少，这导致曝光时间和/或增益增加。或者，可以使用彩色相机。这与单独的滤波器基本相同，但是单片组装到单个图像传感器上。这些相机通常具有拜耳滤镜图案(红色，绿色，蓝色)。
彩色相机和多个滤波相机都能够同时捕获多个光谱带中的强度信息。RGB(红色，绿色，蓝色)坐标可用于表示人眼熟悉的颜色。RGB色彩空间不会以光谱坐标1：1映射，但它本身具有令人难以置信的高色彩分辨率；8位相机可以代表1680万种不同的颜色。这种令人难以置信的分辨率存在于比光谱空间更窄的空间中；无论高分辨率意味着可以检测到细微的差异，因此可以识别和测量某些器件中的缺陷和CD变化。在某些情况下，可以理解器件缺陷如何表现为RGB颜色空间的差异。这已经通过拍摄用如图16所示的白光照射的SiNW阵列样本的RGB图像来证明。在RGB图像中，可以容易地看到微小的色差，因此可以检测到。在SiNW阵列中，这些色差与纳米线的CD有关，因此可以对器件几何形状和缺陷的存在进行推断。这个论点也扩展到四色和任何其他有用的宽的组合，重叠色带将是有用的。校准RGB系统以进行光谱测量也是有用的。
图像处理
相机传感器的动态范围相对较小(几百)。为了测量大范围的光照水平，使用相机上的中性密度(ND)滤光器的组合以及曝光时间和增益设置。真实的明亮测量，如参考测量，足够明亮以在几微s内使相机饱和，远低于大多数相机的最小曝光时间，因此ND滤镜用于衰减光束，以便可以使用相机范围内的曝光时间。另一方面，实际上暗淡的测量可能是如此暗淡，以至于相机只能通过使用长曝光和/或高增益来获得具有合适S/N的图像，因此不需要ND滤光器。为了归一化测量，图像中的像素值经历在等式X中看到的操作，产生与曝光间隔期间测量的平均光吞吐量成比例的值。
其中，I是强度，Pix是像素值，Gain是相机增益，texp是相机曝光，TND是ND滤镜的透射比。(i，j)索引给出像素的位置。请注意，应添加光谱带，偏振，照射角度，视角等指数。
处理卷摆动超出平面
在R2R或S2S系统中，卷或纸张具有在平面外方向上上下摆动的潜在问题，可能导致相机拍摄的离焦图像。这可以通过使用额外的卷来消除长的无支撑卷，通过在背板上滑动卷，或者通过使用具有足够大的聚焦深度的相机镜头(例如远心镜头)来解决。背板可以简单地是光滑的表面或轴承(如空气轴承)表面。在反射壳体中，背板可以是不透明的，但是在透射壳体中，背板需要是透明的。或者，可以使用部分背板，其中排除梁需要通过的一个背板。在卷或纸张上也可能有一些定位标记，其允许在任何给定时刻测量卷或纸张的z-位置，并且可以移动相机或光学的位置以响应于此以考虑位置的变化。(在片对片和晶片级系统中，可以使用基于真空或静电保持力的夹持器件来提供这种支撑)。
处理卷行走
可以在卷上放置定位标记，并用相机或激光系统跟踪，以实时跟踪平面内的卷运动。基于该信息，可以建立控制反馈回路，其引导卷回到其名义位置。这种网络引导可以通过诸如Roll-2-Roll技术公司(https://www.r2r-tech.com/content/web-guide-systems-overview)提供的系统来完成。
限制竞争翼角使用远心镜头
具有普通镜头的相机接受来自表面的一系列角度的光。使用远心镜头将有助于将角度范围限制为仅平行于或非常接近平行于镜头光轴的那些角度。这可以用于检查特定的视角。
雾度测量
在使用成像技术时，根据广泛使用的ASTM D1003标准[27]不可能进行雾度测量。ASTM D1003定义雾度如下：
“雾度，n-in透射，光线散射由样本负责降低通过它观察的物体的对比率。被散射的透射光的百分比，使其方向偏离超过入射光束的方向的指定角度。”[27]
相反，可以使用高于和低于某个期望截止角(基于ASTM D1003的2.5°)的散射效率的测量。在合适的角分辨率下的多次测量的总和可以在高于和低于截止角的不同视角处获得，并且两个总和的比率可以用作量化雾度的参数。这在等式9中示出。
需要考虑相机镜头的数值孔径以确定将由相机成像的角度范围，以确保它们根据需要与截止角度对准。可以使用低NA透镜或远心透镜将接收角的范围基本上减小到非常接近轴上光线的那些角度。这允许有效探测窄范围的视角。
示例
以下阐述下面实施方案以说明根据所公开主题的器件，方法和结果。这些实施方案不旨在包括本文公开的主题的所有方面，而是旨在说明代表性的方法和结果。这些实施方案不旨在排除对于本领域技术人员显而易见的本公开的等同物和变体。
例1
例1.使用成像分光光度法用于特定的纳米光子器件制造场景
选择两个示例性器件制造场景用于进一步分析：在晶片级上的卷对卷(R2R)和硅纳米线(SiNW)阵列上的线栅偏振器(WGP)。计量系统适用于这些情况中的每一种。每种情况都有自己的最低器件要求和架构细微差别，这有助于它实现合适的吞吐量。这两个例子说明了在为特定器件(例如选择光谱带数量，系统数量，场数，运动策略等)设计系统时应该做出的各种决策。
对于晶片级和R2R系统，在下面的两个实施方案中给出了用于确定场数和最大曝光时间的等式。这些等式以生产线吞吐量(以晶片/小时或卷速度)开始，并确定覆盖整个器件面积所需的场数和可使用的最大曝光时间。注意，这些等式没有考虑表征所需的偏振状态的数量，因为在两个示例性场景中，每个系统仅需要解决一个偏振。等式也忽略了其他变量，如照射角度和视角。表1中列出并定义了等式中使用的变量。
表1.用于确定场数和最大曝光时间的等式。
线栅偏振器(WGPs)
WGPs是一种偏振器，旨在与目前用于液晶显示器(LCD)的有机背膜偏振器竞争。后偏振膜的目标是在选择性地通过p偏振光的同时透射来自背光的光。虽然有机薄膜偏振器吸收s偏振光，但WGPs(300)将其反射回来(见图3C)，从而创造了回收光并提高LCD功率效率的机会。为了使WGPs与工业偏振器竞争，它们必须达到一定的性能指标，其如下：对比率(CR)≥104和p偏振光透射比≥84％。该百分比可大于约84％(即，大于81％，82％，83％)。CR是p偏振光透射比/s偏振光透射比(Tp/Ts)的比率。WGPs(300)的SEM显示在图3A-3B中。
当系统在卷上移动时，系统必须能够测量WGPs的光学功能Tp和Ts。一个系统应该用于两个光学功能中的每一个，以便可以同时测量多个偏振状态，并且Ts单独控制吞吐量。Ts状态的曝光时间太长而不允许累积线扫描，因此为了消除样本光束和卷之间的相对运动，使用同步转换策略。
这种情况被建模为104个CR WGP，其在80mm宽的卷上以100mm/min的速度移动制造。基于先前的实验，选择20×20mm的FOV。WGPs没有丰富的光谱信息，事实上已知在较长波长下的它们作用更好(见图5B)。因此，可能仅需要测量一个波长。然而，为了论证，有三个波长被包括在这个分析中。使用下面概述的等式和表2中的值，计算所需的场数量和最大允许曝光。
为了计算CR和Tp，系统必须获得以下图像：1.WGP透射p偏振光，2.WGP透射s偏振光，以及两种情况下的参考。为此，将使用一种系统，在该系统中照射样本的光具有一种或另一种偏振态，每种偏振态都是双光束系统并同时测量相应的参考。对WGP透射s偏振光成像的系统将单独控制系统表征时间，因为该测量将需要最长的曝光。我们将仅使用白光来检查WGP，因为WGP对光谱含量没有非常有用的依赖性。
假设R2R生产线制造的NFP以100mm/min的速度移动。我们将采用线扫描系统进行此测量。假设该系统使用一个具有足够宽的FOV的相机来对物空间像素尺寸为20μm的卷的整个宽度进行成像。基于卷速度和像素的高度，等式13告诉我们允许的表征时间为～12ms/行。因此，对WGP透射s偏振光成像的系统需要在12ms内完成每条线的表征。典型的线扫描相机读出速率可以是100KHz，因此读出时间可以忽略不计，并且因为在状态之间没有花费时间，所以几乎整个12ms都可以用于相机曝光。
本文的系统在图5C中示出。仅示出了一个系统，但是具有处于相反状态的偏振器的复制系统将在卷下方进一步使用。可以根据等式1从第一系统收集的信息计算Tp，并且可以根据等式8的第二部分从每个系统获取的Tp和Ts图像计算CR。
表2.有关WGP制造场景的计算值。
tfield＝#λ′s*texp+(#λ′s-1)tgrat
所需场数为4，最大允许曝光时间为0.767s。为了消除来回移动相机(575)以覆盖不同场的时间，通过使用四个样本光束/相机组合(575)来使用并行化。这四个样本光束横跨卷(500)的宽度定位，并由如图5C所示的一系列分束器(595)限定。相机以1.667mm/s的速度转换2.5s的总距离为4.168mm，然后复位并等待新场接近。基于之前的实验，证明了104CRWGP的Ts测量可以在0dB增益下以～0.150s的曝光时间完成。这意味着有时间获取数据，并且可以使用建议的体系结构来表征多于此R2R线的100％。该结构示出了通过经由分束器(595)引导的透镜(515)的参考光束，以供参考相机(550)访问。
R2R上的纳米制造偏振器
可以有几种类型的纳米制造偏振器(NFP)。例如，线栅偏振器(WGPs)和超材料偏振器2是两种类型的NFP。WGPs是本文详细讨论的示例NFP。
NFP旨在与目前用于液晶显示器(LCD)的有机背膜偏振器竞争。后偏振膜的目标是在选择性地通过p偏振光的同时透射来自背光的光。虽然有机薄膜偏振器吸收s偏振光，但NFP将其反射回来(参见图3C)，从而创造了回收光并提高LCD功率效率的机会。为了使NFP与工业偏振器竞争，它们必须达到一定的性能指标，其如下：对比率(CR)≥104和p偏振光的透射比(Tp)≥84％。WGP的SEM显示在图3A和3B中。
垂直硅纳米线(SiNW)阵列
SiNW阵列可用于增加各种气体，生物和光学传感器的灵敏度。根据几何结构，SiNW阵列可呈现鲜艳的色彩(如图16所示)。由于纳米光子功能，SiNW阵列可以用成像分光光度法表征。
图16中示出了SiNW阵列样本的反射光谱的示例。通常，纳米线直径的变化使左/右峰值偏移。在图16中，最厚的纳米线相应于具有峰值以最长波长为中心的反射光谱。纳米线高度的变化会使峰值的强度上下移动。计量系统必须能够测量足够波长的光谱反射比，以定义光谱峰值的位置，扩散和幅度。可以使用仅10个窄光谱带(每个约5nm)来分辨图16中看到的光谱峰值。计量检查以查看峰值是否已经移位或扩散，这表明纳米线中的CD变化以及缺失的特征，这些特征可能产生类似于下面的Si衬底的反射光谱。图16中的RGB图像显示了光学功能的大量变化，这意味着微小的CD变化和缺少图案的面积。
这种情况被建模为在100mm晶片上具有吞吐量为60晶片/小时的工厂的。再次，选择20×20mm的FOV。使用下面的等式和表3中的值，计算所需的场数量和最大允许曝光时间。
本公开为在100mm晶片上具有吞吐量为60晶片/小时的工厂建模的示例。根据等式11，我们计算每个晶片的允许特征时间为60s/晶片。
根据我们之前的实验，我们选择20×20mm的FOV。给定晶片的面积和FOV的面积，将需要20个不同的FOV来覆盖整个晶片面积。这意味着系统在测量期间必须移动到新的FOV19次。基于我们在实验室中使用的系统，每次移动可能需要约0.1s，使得FOV之间的移动的总和时间等于1.9s。如果我们想要表征10个不同的光谱带，则在不同光谱带之间将存在9个移动，每个移动也可能需要～0.1s或每个FOV总共0.9s。然后，这乘以FOV的数量，我们看到在状态之间移动所花费的总时间将是18s。
根据等式13，我们计算出剩余的40.1s为采集时间的总时间。由于每20个FOV(总共200个采集)中将有10个采集，每次采集都会剩下0.201s。根据我们检查vSiNW阵列的经验，相机采集时间远远小于此(ms的10’s的量级)。
表3.有关SiNW阵列的计算值。
晶片级
tfield＝#λ′s*texp+(#λ′s-1)tgrat
场数计算为20，最大允许曝光时间为0.160s。简单的扫描策略用于覆盖多个场。基于先前的实验，确定即使在0dB增益下，SiNW阵列器件需要的曝光时间远低于典型相机帧速率，这意味着该情况是受限的帧速率。对于30fps相机，这将捕获时间设置为0.033s。因此，可以用该架构表征该晶片生产线的100％。
一般注意事项
应该注意的是，在成熟的生产线上，计量通常不需要表征产品的100％。小得多的产品百分比被表征，并且使用统计数据将其与产品的剩余部分相关联，因此这种计量不一定需要达到100％的目标。然而，仍然符合要求的工厂生产线需要更广泛的表征，高达100％，因此100％是该分析的目标。
衍射纳米光子器件
具有衍射功能的纳米光子器件可以用两种方式中的一种或两种来表征功能计量：1)通过改变相机相对于器件的角度取向和2)通过改变器件的照射角度。改变这些角度方向允许系统表征器件将入射光衍射成各种角度的能力。这当然可以在光谱带和偏振态方面完成。
缺陷识别与根本原因分析
器件功能量的光谱图像提供了大量信息，不仅包括功能量本身，还包括它如何在器件面积和单独器件(或卷面积)之间变化。该信息使得能够识别和在不同器件之间进行识别。这三个缺陷签名(功能，空间和时间)使得能够识别特定类型的器件缺陷，并且允许确定导致缺陷的原因。这对于在纳米光子器件制造中运行有效的产量管理至关重要。每个器件制造工艺中的每个潜在制造误差将它们表现为通常具有唯一签名的纳米光子器件中的特定类型的缺陷。与某些特定制造工艺相关的制造误差类型，它们产生的缺陷以及它们的签名列于表4-8中。图14-15B示出了高度缺陷的工艺运行的示例。该图有几个已在下面的表4-8中说明的缺陷。
器件纳米光子特性的图像提供了大量信息，不仅包括功能量本身，还包括它如何在器件面积和单独器件(或卷或片的面积)之间变化。该信息不仅能够检测缺陷，还能够识别单独器件内部和单独器件之间的缺陷。然而检测只是表明存在缺陷，识别会增加系统检测到的缺陷类型的知识。三个缺陷签名(功能，空间和时间)使得能够识别特定类型的器件缺陷并且允许确定缺陷的根本原因。这对于在纳米光子器件制造中运行有效的产量管理至关重要。与某些特定制造工艺相关的制造误差类型，它们产生的缺陷以及它们的签名列于表4-8中。
压印误差
在液滴分配(表4)或实际压印步骤(表5)期间，可能发生整个压印工艺中的误差。这些误差通常表现为缺失图案的面积(由于拉脱，被困住空气等)或导致残余层厚度(RLT)[17]的变化。RLT变化导致CD变化，因为RLT必须通过去污蚀刻后压印去除，其中RLT较薄的面积中的特征变薄。请注意，只有通过目视检查压印的质量，才能在压印完成后立即识别出许多这些误差。例如，粘附失败很容易识别，并且在进一步使用之前必须清洁模板。
表4.喷墨系统误差
表5.压印工艺误差
非理想配方参数也可能产生误差。最重要的配方参数是液滴图案，扩散时间以及压印中涉及的各种压印力。这还可能涉及液滴图案与模板图案中的任何方向性的不匹配，并且当为WGP压印光栅特征时可以特别增强。早期关于液滴扩散工艺模拟的工作已经捕获了特征尺寸和密度对特征填充[18]的影响。这些误差及其影响列于表6。请注意，所有这些误差都是暂时重复的，因为它们是设置参数。
表6.压印配方误差以及由此产生的缺陷/签名
蚀刻工艺误差
大多数纳米光子器件需要蚀刻步骤以将掩模特征转移到下面的衬底中。在蚀刻工艺中可能发生各种已知的误差，这些误差列于表7中，包括蚀刻太短/太长，蚀刻轮廓和突破性问题。
表7.蚀刻误差和产生的缺陷/签名
掠射角金属沉积(GLAD)误差
制造WGP的一个重要制造步骤是将铝的GLAD放到限定金属线的线空间图案上。这个过程类似于蚀刻，可以运行太短/太长并且具有轮廓效应。
表8.GLAD沉积误差和产生的缺陷/签名
示例2.对特定器件执行根本原因分析
一旦表征了一批器件(或卷的一部分)，光学功能图可用于识别缺陷及其签名。然后可以使用这些签名将缺陷与其所有可能的根本原因(无论哪个具有相同的签名)相匹配。可以识别多个匹配，因为一些工艺误差具有相似的签名。通过一些实验(清洁压印模板，在处理期间改变晶片的方向)和进一步的见解(最近更换的喷墨器，蚀刻室达到使用寿命终止等)，可以识别和处理特定的根本原因。该一般工艺在图5A的流程图中概述。
一旦表征了一批器件(或卷的一部分)，纳米光子特性图像可用于识别缺陷及其签名。然后可以使用这些签名将缺陷与其所有可能的根本原因(无论哪个具有相同的签名)相匹配。可以识别多个匹配，因为一些工艺误差具有类似的签名。通过一些实验(清洁压印模板，在处理期间改变晶片的取向)和可以识别和处理进一步洞悉(最近更换的喷墨，蚀刻室达到使用寿命终止等)的特定的根本原因。该一般工艺在图5的流程图中概述。
图6-11示出了说明如图6A所示的移动器件的R2R计量架构(即，读取器575随着卷500移动)。这将是真的，对于从卷的底部(500)引导的透射光(560)或卷上的反射光(560)。否则，另一种解决方案是使用如图6B所示的线扫描相机(585)，例如时间延迟积分。如图7和8所示，相机(775)必须暴露足够长的时间以获得良好的信噪比。相机通过从下方通过用于Tp的卷(700)的透射光(760)逐帧地收集关于相机视场中的卷的像素数据，然后偏振光通过偏振器层(700)到达读取器(775)。曝光对于Tp(图7的p偏振光的透射)来说是短的，但对于Ts(图8的s偏振光的透射)来说是长的。图9和10示出了计算CR和Ts(CR＝Ip/Is)，使得每个偏振态只需要一次测量。在一个示例中，仅需要测量400nm的波长，因为Ts和CR在较长波长处较高。图11A和11B示出相机/读取器需要额外的33ms来以每s30帧的速度读取帧以改变光束的偏振状态。必须跨越在覆盖卷宽度所需的场进行此操作。在一个非限制性示例中，系统为场之间的每次移动添加大约500ms。本文体现了系统的变化，例如通过增加用于改变波长的时间(例如，500ms)来测量两个波长的CR，并且增加额外的时间(例如，额外的500ms)以再次改变偏振。捕获时间相应地加倍。图11C示出了其组合，其中除了波长变化之外的所有运动都可以通过使用两个专用的并行化系统(一个用于Tp，一个用于Ts)来消除。
该系统的细节在图6C和6D中示出，用于相应的透射和反射操作，其中卷器件(660A，660B)经受来自可调光源(625)的参考光束，该可调光源(625)被引导通过分束器(614)，以及镜头或偏振器(615)，第二分束器(695)，在分离距离上可调的反射镜(630A，630B)和读取器相机(675)
在WGP上执行根本原因分析
图12示出了在如图4中最初所示的以550nm为中心的窄光谱带中的WGP的16×19mm场(2048×2448像素)中的CR图。观察到存在许多不同的缺陷(1200,1210和1220)，每个缺陷具有唯一的功能和空间签名。因为仅查看一个器件，所以无法确定时间签名。该WGP经历了以下制造工艺：金属沉积(垂直入射)，压印，去除和蚀刻。
换句话说，图12示出了在以550nm为中心的窄光谱带中的WGP的16×19mm场(2048×2448像素)中的CR图。该WGP在玻璃晶片上制造。人们可以注意到存在许多不同的缺陷，每个缺陷都具有唯一的功能和空间签名。由于我们仅查看一个晶片，我们无法确定时间签名。该WGP经历了以下制造工艺：金属沉积(垂直入射)，压印，脱墨蚀刻(以从压印中突破残余层厚度)，以及将压印特征转移到金属涂覆的基板中的蚀刻。
在表9中，基于已知的工艺误差(如列表表格)，按照上述程序对一些可见缺陷进行根本原因分析。在这种情况下，光学功能是WGP的CR。
表9.图12中显示的缺陷，它们的签名，可能的根本原因和测试。
在所有情况下，有许多可能的根本原因具有缺陷的功能和空间签名。缺乏时间签名使得根本原因分析明显更加困难。该表的一列描述了可以运行哪些进一步的测试以帮助消除某些根本原因，并且在许多情况下，该测试与获得时间签名有关，表达其重要性。
点缺陷
显然，某些因素导致了这些领域的缺少特征。在蚀刻期间，对于图12中识别的点缺陷，排除粒子，因为在蚀刻期间的粒子产生大致与粒子尺寸相关的受影响面积，并且这些受影响的面积(有时几乎为一mm)比正常粒子大得多。然而，在压印期间的粒子产生受影响面积比粒子本身大得多，因此这可能是根本原因。气泡也是可能的根本原因，但通常会影响小得多的面积(微米级)，并且通常不会在缺陷周围产生较低CR的晕圈。点缺陷也可能是由于模板缺陷造成的，但通常这些缺陷基本上不是圆形的，也不是由晕圈包围的。无论如何，如果清理模板并且没有减轻点缺陷，则证明模板可能具有永久性缺陷。当然，点缺陷可能只是由于操作不当而直接在器件上产生的划痕。可以排除这一点，确保最小心地处理样本。基于此分析，点缺陷很可能是由于压印期间的粒子造成的。
当光线穿过WGP时，光线会从针孔(例如这些点状缺陷)散射出来。这可能会对点缺陷周围的晕圈产生一些影响。此外，这些面积最终会使相机像素饱和，从而导致一些溢出。可以确定这些效应的贡献以确保光晕不完全是由于压印期间除了粒子排除之外的原因。
周期性变化
可以看到定义明确的周期性图案在图像中从上到下运行。这表明WGP线的CD是变化的。该图案的线在WGP上的线的方向上，并且由于在光栅特征的方向上发生定向的液滴扩散，因此推断该缺陷与高度各向异性的液滴扩散有关。此外，周期性变化具有约0.4mm的明确定义的周期，这与所使用的液滴图案很好地相应。因此，这被确定为由非理想液滴图案引起的扩散误差。
线性典型产物
可以看到在两个对角线方向上运行的线性典型产物。在每个方向上运行的典型产物的相似性表明它们是相关的。然而，不能排除与液滴分配问题(诸如偏离喷嘴，堵塞和部分堵塞)有关的问题，因为--尽管这些具有线性空间签名--它们仅在一个线性方向上看到。已知导致此空间签名的唯一工艺误差是模板缺陷。使用电子束制作模板，并且在该工艺中可以存在线性典型产物以及许多其他典型产物。模板缺陷足以保证在个人基础上定义。
缺陷识别的阈值测试
简单的阈值测试可用于确定某些类型的缺陷的存在，并且区分不同的缺陷类型。上表用于概括所有纳米光子器件。对于特定器件，基于特定器件定义“非常差”或被视为“变化”或“偏离目标”的功能特性的量。例如，在WGPs中，“非常差”的功能特性将是接近1的CR(几乎没有偏振效应)，或接近0％的Tp(无透射)。这些将由灾难性缺陷(例如图案基本上受损的点缺陷)引起。阈值处理操作可以应用于包含数据的矩阵--例如CR--其中小于或等于某个小数字(如2)的值被计数，大于2的值被忽略(见图13)。这将矩阵转换成仅包含灾难性地影响CR的缺陷(1310,1320)的矩阵。这些缺陷通常是点缺陷，因此该方法可用于将点缺陷与其他缺陷隔离。可以通过对器件性能的目标值进行阈值处理来识别“脱离目标”值。例如，WGPs需要具有CR>10,000且Tp>84％才能满足行业标准。可以将阈值置于这些值上，并且将小于这些值的任何值识别为“脱离目标”。这可用于识别未通过质量控制检查的器件面积。“变化”是指在某些值附近的数量变化的功能特性。可以在功能特性的值处进行阈值处理，所述功能特性是远离目标或平均值的一些显着的统计变化，以识别有资格从某个名义值显着变化的器件的面积。
空间频域分析
可以对包含功能特性量的2D矩阵进行傅里叶分析，以识别数据中的周期性图案。这有助于识别在某些类型的缺陷中出现的某些空间签名。例如，可以识别图12中所见的周期性图案，并且可以通过使用傅里叶分析来量化图案的周期和方向。
计算机化器件
在本公开的各种计量架构中描述的每个组件可以被配置用于与该组件相关联的计算机的连接，操作，结合或控制。计算机包括各种智能器件，但不限于，机器包括处理器，计算机化存储器，软件，计算机实现的指令，以及通过使用存储在非暂时性计算机可读介质上的计算机化指令实现的任何自动化。
额外的实施方案
1.一种大面积功能计量系统，包括：
可调光源；
参考光学器件；
分束器；
光束光学器件；以及
相机。
2.根据实施方案1所述的系统，其中，该系统用于纳米光子器件的卷对卷制造。
3.根据实施方案1所述的系统，其中，连续旋转的衍射光栅用于基本上消除在相邻光谱带之间旋转衍射光栅所花费的时间。
4.根据实施方案1所述的系统，其中，光谱带的宽度基本上由相机的曝光时间和衍射光栅的旋转速度决定。
5.根据实施方案2所述的系统，其中，所述相机和光束光学器件与所述卷同步移动，以基本上消除所述相机和所述卷之间的相对运动。
6.根据实施方案2所述的系统，其中，光谱图像可以与空间图像捕获同时拍摄。
7.根据实施方案2所述的系统，其中，所述相机拍摄一系列短曝光图像，并且每个图像的行对应于卷的给定条带。
8.根据实施方案7所述的系统，其中，累积对应于卷的给定条带的图像，使得最终累积的信号具有相当高的信噪比。
9.根据实施方案2所述的系统，其中，所述系统在卷的自由跨度的一部分上使用支撑件，以基本上消除在未被支撑的卷的长度上的平面外位移和聚焦模糊。
10.根据实施方案1所述的系统，其中，该系统用于纳米光子器件的晶片级制造。
11.根据实施方案1所述的系统，其中，使用双光束架构。
12.根据实施方案1所述的系统，其中，所述系统使用滤色器来捕获多个光谱带。
13.根据实施方案1所述的系统，其中，通过确定以下中的一个或多个，所述系统基本上实现特定器件制造场景的期望吞吐量：所需场的数量、光谱带的数量和宽度、偏振状态的数量或者各个相机可以使用的最大允许曝光时间。
14.根据实施方案13所述的系统，其中，采样的器件的数量随着卷前进而减小，以基本上保持吞吐量。
15.根据实施方案1所述的系统，其中，所述光学功能图的集合包含可用于基本上识别所述器件中的缺陷的特定类型的功能、空间或时间信息。
16.根据实施方案15所述的系统，其中，缺陷基本上与源于特定制造工艺误差的根本原因相关联。
17.根据实施方案1所述的系统，可用于制造纳米级器件，如果所述器件的特征还具有可与所述器件的其他功能参数相关的一些纳米光子效应的话。
18.根据实施方案1所述的系统，其中，所述系统用于纳米制造工艺的实时监测。
19.根据实施方案1所述的系统，其中，所述系统与纳米级器件的真空处理兼容。
20.根据实施方案2所述的系统，其中，所述系统使用跟踪定位在所述卷上标记以用于反馈控制回路，所述反馈控制回路基本上稳定所述卷和相机之间的相对位置。
21.根据实施方案1所述的系统，其中，放置多个系统使得每个系统基本上表征另一系统不表征的基板的一部分。
22.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件是线栅偏振器，并且所述光学功能是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的透射强度。
23.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件是线栅偏振器，并且所述光学功能是在一个或多个波长光谱带或视角或照射角度下的对比率。
24.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米线阵列组成，并且所述光学功能是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的反射强度。
25.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米线阵列组成，并且所述光学功能是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的透射强度。
26.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米线阵列组成，并且所述光学功能是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的散射强度。
27.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米粒子阵列组成，并且所述光学功能是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的反射强度。
28.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米粒子阵列组成，并且所述光学功能是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的透射强度。
29.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米粒子阵列组成，并且所述光学功能是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的散射强度。
30.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由衍射光学器件组成，并且所述光学功能是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的反射强度。
31.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由衍射光学器件组成，并且所述光学功能是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的透射强度。
32.根据实施方案1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由衍射光学器件组成，并且所述光学功能是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的散射强度。
33.一种用于检测纳米光子器件的制造中的缺陷的方法，包括以下步骤：
使用权利要求1所述的系统测量光学功能，其中在基板上的纳米光子器件的一个区域中的一个或多个点处测量所述光学功能，其中所述光学功能选自波长光谱带、偏振态、照射角度和视角；以及
编制多维数据集以形成所述器件的光学功能图。
34.一种大面积功能计量系统，其中，所述系统：
用于检查具有纳米光子特性的纳米光子器件
由以下部分中的一个或多个组成：光源、光学部件和相机传感器
在所述纳米光子器件上照射光，其中，所述纳米光子器件与所述光相互作用以提供一种或多种所述纳米光子特性
利用所述相互作用的光在所述相机传感器上记录图像，其中，所述图像作为一个或多个状态的函数。
其中所述状态是以下中的一个或多个：1.照射所述纳米光子器件的所述光的光谱含量，2.照射所述纳米光子器件的所述光的偏振含量，3.照射所述纳米光子器件的所述光与所述纳米光子器件的表面形成的入射角，4.所述相机传感器的视角，5.所述相机的接收角范围，6.照射所述相机传感器的所述相互作用的光的光谱含量，7.照射所述相机传感器的所述相互作用的光的偏振含量。
其中所述纳米光子器件是一种如下器件：其具有的最小特征尺寸处于照射在其上的所述光的波长的量级，并且所述特征的几何结构或材料特性被设计成提供一个或多个所述纳米光子特性作为输出。
记录参考在所述相机传感器上的图像，该图像是以下中的一个：1.来自反射镜的光，2.来自所述光源的无阻挡光，其中由所述相机、所述光学部件和所述光源的位置限定的物平面和图像平面的位置和在所述光与所述纳米光子器件相互作用后记录所述光的所述图像时相同，其中所述参考的所述图像作为已知状态的函数。
处理在所述光与所述纳米光子器件相互作用之后所述光的所述图像和所述参考的所述图像，以根据所述状态的函数计算所述纳米光子器件的区域中的一个或多个点处的所述纳米光子特性。
其中所述纳米光子特性为以下中的一个：1.透射比，2.反射比，3.吸收比，4.衍射效率，5.散射效率，6.偏振效率，7.偏振转换效率，8.雾度，9.对比率
35.根据实施方案34所述的系统，其中，所述系统用于所述纳米光子器件的晶片级制造
36.根据实施方案34所述的系统，其中，所述系统用于所述纳米光子器件的卷对卷制造
37.根据实施方案34所述的系统，其中，所述系统用于所述纳米光子器件的片对片制造
38.根据实施方案34所述的系统，其中，所述纳米光子器件是以下中的一个：纳米制造的偏振器、金属网格、抗反射器、基本上完美的吸收器、基本上完美的反射器、纳米线阵列、纳米线分散体、纳米粒子阵列、纳米粒子分散体、衍射光学器件或纳米结构颜色器件。
39.根据实施方案34所述的系统，其中，所述纳米光子器件是纳米制造的偏振器，并且所述纳米光子特性是一种或多种状态的透射比
40.根据实施方案34所述的系统，其中，所述纳米光子器件是纳米制造的偏振器，并且所述纳米光子特性是一种或多种状态下的对比率
41.根据实施方案34所述的系统，其中，所述纳米光子器件是金属网，并且所述纳米光子特性是在一种或多种状态下的透射比。
42.根据实施方案34所述的系统，其中，所述纳米光子器件是金属网，并且所述纳米光子特性是在一种或多种状态下的雾度。
43.根据实施方案34所述的系统，其中，连续旋转的衍射光栅用于基本上消除在相邻光谱带之间旋转衍射光栅所花费的时间。
44.根据实施方案43所述的系统，其中，所述光谱带的宽度基本上由所述相机的曝光时间和所述衍射光栅的旋转速度决定。
45.根据实施方案34所述的系统，其中，所述系统的所述部分与移动基板同步移动，以基本上消除所述部分与所述基板之间的相对运动。
46.根据实施方案34所述的系统，其中，所述系统的所述部分是相机传感器，并且进一步所述相机传感器是高光谱线扫描相机传感器。
47.根据实施方案34所述的系统，其中，所述纳米光子器件使用支撑件来基本上消除导致聚焦模糊的平面外位移。
48.根据实施方案34所述的系统，其中，所述光学部件的所述部分是具有焦深的透镜，所述焦深基本上消除由所述基板的平面外位移导致的聚焦模糊。
49.根据实施方案34所述的系统，其中，所述系统使用所述基板上的定位标记和反馈控制环，所述反馈控制环调节所述相机的焦平面以基本上消除由所述基板的平面外位移导致的聚焦模糊。
50.根据实施方案34所述的系统，其中，所述系统将所述基板上的跟踪定位标记用于反馈控制回路，所述反馈控制回路使所述基板基本定位在平面内。
51.根据实施方案34所述的系统，其中，使用双光束架构。
52.根据实施方案34所述的系统，其中，该系统用于纳米制造工艺的实时监测。
53.根据实施方案34所述的系统，其中，放置两个这样的系统，使得每个系统基本上表征另一个系统不表征的基板的一部分。
54.根据实施方案34所述的系统，其中，通过确定以下中的一个或多个，所述系统基本上实现特定器件制造场景的期望吞吐量：所需系统的数量、所需相机传感器的数量、纳米光子特性的数量、状态的数量和最大允许表征时间。
55.一种使用实施方案34的功能计量系统来检测纳米光子器件中的缺陷的方法
其中所述缺陷是偏离所述纳米光子器件的预期性能并且导致所述纳米光子器件的纳米光子特性的不期望变化
56.根据实施方案55所述的方法，进一步包括将缺陷基本上与根本原因相关联的方法，其中，所述根本原因是相对于期望的纳米制造工艺的偏离。
57.根据实施方案55所述的方法，其中，所述根本原因可以源于J-FIL喷墨系统误差
58.根据实施方案55所述的方法，其中，所述根本原因可以源于PFIL槽模工艺误差
59.根据实施方案55所述的方法，其中，所述根本原因可以源于压印工艺误差
60.根据实施方案55所述的方法，其中，所述根本原因可以源于蚀刻工艺误差
61.根据实施方案55所述的方法，其中，所述根本原因可以源于掠射角金属沉积误差
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除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与如本公开内容所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。本文引用的出版物和引用它们所针对的材料通过引用被具体地并入。
本领域技术人员将理解，可以对优选实施方案进行许多改变和修改，并且可以在不脱离本公开内容的精神的情况下进行这些改变和修改。因此，旨在所附权利要求覆盖落入本公开内容的真实精神和范围内的所有这些等同变型。

Claims (26)

1.一种计量系统，包括：
样本相机和参考相机，每个相机都连接到配置有计算机处理器和计算机化存储器的至少一个计算机；
可调光源，被引导到经受所述样本相机成像的纳米光子器件；
参考光源，经受所述参考相机成像以记录所述存储器中的参考照明参数；
其中，所述计算机化存储器存储计算机可读软件命令，其从所述样本相机和所述参考相机收集各组图像数据，以通过比较所述各组图像数据来识别所述纳米光子器件的至少一个纳米光子特性。
2.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述图像数据包括样本强度值和参考强度值，所述样本强度值对应于在所述样本相机处从经受所述可调光源的所述纳米光子器件接收的至少一个样本光束，所述参考强度值对应于在所述参考相机处从所述参考光源接收的至少一个参考光束，并且其中所述处理器用于比较所述样本强度值和所述参考强度值以识别所述至少一个纳米光子特性。
3.根据权利要求2所述的计量系统，其中，所述纳米光子器件使所述样本光束偏振，并且其中所述计算机通过取偏振样本光束的所述样本强度值与所述参考强度值的比率来识别偏振转换效率。
4.根据权利要求3所述的计量系统，其中，所述计算机计算所述样本强度值除以所述参考样本值的对比率。
5.根据权利要求1所述的计量系统，还包括至少一个光学部件，所述光学部件选自由透镜、分束器、衍射光栅和反射镜组成的组，其中所述光学部件引导所述可调光源和所述参考光源中的任一个或两个到相应的相机。
6.根据权利要求1所述的计量系统，还包括参考偏振器，所述参考偏振器使被引导至所述参考相机的参考光束偏振。
7.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述参考相机和所述样本相机被配置在双光束系统中，使得同时进行参考测量和样本测量。
8.根据权利要求7所述的计量系统，还包括分束器，使得所述可调光源和所述参考光源被配置为单个光源，所述单个光源与所述分束器一起定位在光路中，使得所述分束器引导样本光束在所述纳米光子器件处和引导参考光束在所述参考相机处。
9.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述纳米光子器件相对于所述样本相机定位，使得所述图像数据包括从通过所述纳米光子器件透射的所述样本光束收集的透射图像数据或从通过所述纳米光子器件反射的所述样本光束收集的反射图像数据。
10.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述系统包括指向所述纳米光子器件的多个部分的多个样本相机，并且所述样本图像数据包括来自所述多个样本相机的累积像素值。
11.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述样本相机和所述参考相机被配置成从其上放置所述纳米光子器件的卷对卷制造组件或从其上放置所述纳米光子器件的晶片级制造组件收集各组图像数据。
12.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述纳米光子器件是对比率大于84％的线栅偏振器。
13.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述计算机计算相应于p偏振光的透射(Tp)和s偏振光的透射(Ts)的光学功能，并计算作为商Tp/TS的对比率。
14.根据权利要求13所述的计量系统，其中，所述样本光束具有p偏振光和s偏振光中的一种，并且其中所述参考相机和所述样本相机同时收集图像数据。
15.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述计算机化存储器包括光学功能图的数据集集合，所述光学功能图包含光学数据信息，所述光学数据信息可用于通过将所述图像数据与所述光学数据信息进行比较来基本上识别所述纳米光子器件中的缺陷的特定类型。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件是线栅偏振器，并且所述纳米光子特性是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的透射强度。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件是线栅偏振器，并且纳米光子特性是在一个或多个波长光谱带或视角或照射角度下的对比率。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米线阵列组成，并且所述纳米光子特性是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的反射强度。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米线阵列组成，并且所述纳米光子特性是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的透射强度。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米线阵列组成，并且所述纳米光子特性是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的散射强度。
21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米粒子阵列组成，并且所述纳米光子特性是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的反射强度。
22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米粒子阵列组成，并且所述纳米光子特性是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的透射强度。
23.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由纳米粒子阵列组成，并且所述纳米光子特性是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的散射强度。
24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由衍射光学器件组成，并且所述纳米光子特性是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的反射强度。
25.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由衍射光学器件组成，并且所述纳米光子特性是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的透射强度。
26.根据权利要求1所述的系统，其中，所述纳米光子器件由衍射光学器件组成，并且所述纳米光子特性是在一个或多个偏振态或波长光谱带或视角或照射角度下的散射强度。
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