CN110411952B - 多偏振通道面阵列探测的椭圆偏振光谱获取系统和方法 - Google Patents

多偏振通道面阵列探测的椭圆偏振光谱获取系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多偏振通道面阵列探测的椭圆偏振光谱获取系统和方法。本发明采用多通道偏振器阵列同时获取不同偏振态信号，不同偏振态信号通过光纤阵列耦合器与光纤阵列适配器并行传送到多通道光谱仪中，各通道偏振信号经多通道光谱仪分光在二维面阵列探测器形成多偏振态的光谱分布，再通过傅里叶分析方法对多偏振态光谱信号进行数据处理获得椭偏参数。本发明的系统和方法克服了利用机械运动部件传动进行椭偏光谱测量的缺点，能实时快速地获取椭圆偏振光谱以及样品的其它材料参数。

Description

多偏振通道面阵列探测的椭圆偏振光谱获取系统和方法
技术领域
本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种多偏振通道面阵列探测的椭圆偏振光谱获取系统和方法。
背景技术
椭圆偏振测量技术是一种通过测量特定偏振光经过物体反射或透射后偏振状态的改变来获取物体的光学常数、表面粗糙度以及薄膜厚度等信息的光学手段，被普遍认为是一种少有的综合性测量手段。椭圆偏振测量技术有多种类型，如消光式和光度式等。椭偏技术发展早期，因依靠人眼作为光探测器，只能采用消光式椭偏技术。这种技术通过调节起偏器、补偿器和检偏器等光学器件的方位角，使光通过检偏器后出射的光强为零，即测量系统达到消光条件。在消光条件下读取各偏振元件(起偏器、补偿器和检偏器)的方位角，进而可获取椭偏参数。这种方法的检测速度较慢，测量精度不高，现在已经很少使用。目前主流的椭偏测量技术都基于光度式测量模式。在光度式椭偏技术中，一个或多个偏振元件(起偏器、补偿器或检偏器)方位角作周期变化，探测器测得的光强信号也随之作周期变化，通过周期变化的光强信号作傅立叶变换，即可获取各椭偏参数。通常光度式椭偏技术比消光式技术速度更高且精度也更高。
椭圆偏振测量技术具有测量灵敏度高、精确度高、非接触式、非破坏性等优点，在科学研究及制造业领域中有广泛应用。例如，在纳米材料及薄膜材料等领域，椭圆偏振测量技术已经成为与X射线衍射(XRD)等表征手段等量齐观的主流技术，其使用频度甚至超过了扫描电镜、拉曼光谱等技术。在工业生产中，椭偏测量技术主要用于过程监控。在微电子领域中，椭偏技术主要用于监控薄膜厚度(如介质膜SiO2、HfO2、Si3N4等薄膜厚度)、化合物半导体成分(如AlxGa1-xN、SixGe1-x)、表面结构等等。在整个芯片制造流程中，通常需要经过几十次椭偏测试，而一家芯片生产企业每天需要测试的芯片数目多达上千万枚，往往需要数百台测试设备并行高速测试才能满足要求。在光学薄膜制备过程中，也需要对薄膜生长过程进行实时监控。椭偏光谱因同时获取光经样品反射或折射后的强度与位相变化信息，比通常的反射谱或透射谱监控效果更好。传统的光度式椭偏技术采用光栅扫描获取光谱信息，以及采用偏振器件方位角扫描方式来获取椭偏参数信息，由于这种基于机械扫描的测量模式速度较慢，对于某些需要高速测量的场合，应用将受到极大限制。为此，本发明采用多偏振通道面阵列探测方式获取椭偏参数，实现材料椭偏光谱的快速获取，以满足科研与产业领域对快速椭偏测量技术日益增长的需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种多偏振通道面阵列探测的椭圆偏振光谱获取系统和方法。本发明涉及的方法基于光度式旋转检偏器椭圆偏振光谱仪(RAE)测量原理(Appl.Surf.Sci.154-155(2000),217-228)，对于本领域的技术人员来说，该测量原理的正确性与有效性是众所周知的。和现有技术相比，本发明克服了RAE型椭偏仪在测量过程中利用机械部件旋转检偏器运动部件传动进行偏振状态测量的缺点，以及通过采用光纤阵列、光栅及面阵列探测模式获取偏振通道的光谱信号，消除了传统光谱椭偏仪需要旋转光栅或旋转棱镜进行波长扫描获取光谱信号的不足。在测量中无机械转动过程，通过特殊的多通道结构将多路偏振光状态光谱信号投射到二维探测器阵列的不同区域，通过对二维探测器中各像素探测的数据进行处理，获取待测样品的椭偏参数，并进一步获取其他物理参数，实时快速；有效克服了传统光度式旋转偏振器型椭偏仪需要对偏振元件以及光栅光谱仪等进行机械扫描才能获取椭偏参量的缺点。
本发明的技术方案具体介绍如下。
一种多偏振通道面阵列探测的椭圆偏振光谱获取系统，其包括连续辐射光源、起偏器、样品室、多通道偏振器阵列、光纤阵列耦合器、光纤阵列适配器和多通道光谱仪；多通道偏振器阵列由不同方位角的偏振棱镜或偏振片构成；多通道光谱仪上设有二维面阵列探测器，二维面阵列探测器纵或横向分为m个区域，作为偏振检测通道，横或纵向像素单元作为光谱检测通道；多通道偏振器阵列依次与光纤阵列耦合器、光纤阵列适配器和多通道光谱仪连接；工作时，连续辐射光源发出的光入射到起偏器上，起偏器射出线偏振光，线偏振光入射到样品台上的待测样品表面，多通道偏振器阵列获取经样品反射后的不同偏振态信号，不同偏振态信号通过光纤阵列耦合器与光纤阵列适配器并行传送到多通道光谱仪中，各通道偏振信号经多通道光谱仪分光被二维面阵列探测器形成多偏振态的光谱分布，再通过傅里叶分析方法对多偏振态光谱信号进行数据处理获得椭偏参数。
本发明提供一种基于上述的系统的椭圆偏振光谱获取方法，连续辐射光源发出的光入射到起偏器上，起偏器射出线偏振光，线偏振光入射到样品台上的待测样品表面，多通道偏振器阵列获取经样品反射后的不同偏振态信号，不同偏振态信号通过光纤阵列耦合器与光纤阵列适配器并行传送到多通道光谱仪中，各通道偏振信号经多通道光谱仪分光被二维面阵列探测器形成多偏振态的光谱分布，再通过傅里叶分析方法对多偏振态光谱信号进行数据处理获得椭偏参数；其中：通过傅里叶分析方法对多偏振态光谱信号进行数据处理获得椭偏参数的方法具体如下：
(1)首先根据计算式
Figure BDA0002129407920000031
通过余弦曲线拟合，解得bj,aj,
Figure BDA0002129407920000032
三组参数；其中：i表示偏振通道指标，i＝1,2,…,m；j表示光谱通道波长指标，j＝1,2,…,n；bj表示某一波长的背景光强，aj表示某一波长下因检偏器方位角改变引起的光强交变系数，
Figure BDA0002129407920000033
表示某一波长下相对检偏器0方位角的初始位相，Iij(θi)通过第i个检偏器第j个波长点的光强。
(2)根据式(2a)～(2d)，计算出待测样品的椭偏参数ψj和Δj，即
Figure BDA0002129407920000034
Figure BDA0002129407920000035
Figure BDA0002129407920000036
Figure BDA0002129407920000037
Ibj为背底噪声，可通过初始化过程获得。椭偏参数ψj和Δj由p光与s光的复振幅反射率的比值(称为复椭偏参数ρ)决定，即
Figure BDA0002129407920000038
其中，实部ρ0＝tanψ为p光与s光电矢量振幅反射率模的比值，Δ＝δp-δs为p光和s光经过样品反射后相互间产生的相位差。Xj和Yj为方便计算而引入的无量纲中间参数。
本发明的有益效果在于，克服了RAE型椭偏仪在测量过程中利用机械部件旋转检偏器运动部件传动进行椭偏光谱测量的缺点，以及通过采用光纤阵列、光栅及面阵列探测模式获取偏振通道的光谱信号，消除了传统光谱椭偏仪需要旋转光栅或旋转棱镜进行波长扫描获取光谱信号的不足，显著提高椭偏光谱获的取速度，在可见光波段(例如400-800nm)椭偏光谱(即ψ(λ)、Δ(λ))获取速度优于500毫秒。本发明提出一种无需偏振元件方位角旋转以及波长机械扫描的椭偏光谱获取方法，可实现快速、宽光谱椭偏光谱的测量，在大批量芯片的椭偏光谱表征、薄膜生长的光谱监控等方面具有重要应用，以满足科研与产业领域对快速椭偏测量技术日益增长的需求。
附图说明
图1本发明系统组成结构示意框图。
图2本发明系统光路布局示意图。
图3以金膜为例，不同波长点处(例如λ＝400、500、600、700、800nm)不同偏振通道的归一化光强值及拟合曲线。
图4以金膜为例，通过拟合参数获取待测样品的椭偏光谱ψ(λ)、Δ(λ)。
图5基于本发明方法获得的金膜介电常数谱。
图6基于本发明方法获得的金膜光学常数谱。
图中标号：1-连续辐射光源，2-球面反射镜，3-准直镜，4-起偏器，5-样品室，6-样品腔，7-可控温度样品架，8-待测样品，9-入射窗，10-出射窗，11-多通道偏振器阵列，12-光纤阵列耦合器，13-光纤阵列适配器，14-平面反射镜，15-凹面反射镜，16-光栅，17-二维面阵列探测器，18-控制器，19-计算机。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。
如图1所示，本发明提供的一种多偏振通道面阵列探测的椭圆偏振光谱获取系统，其包括连续辐射光源、起偏器、样品室、多通道偏振器阵列、光纤阵列耦合器、光纤阵列适配器和多通道光谱仪；多通道光谱仪上设有二维面阵列探测器。
图2为本发明系统光路布局示意图。光源采用连续辐射光源1(例如氙灯)，由光源发出的光经过准直器3后变成准平行光束B，光束B入射到一固定起偏器4上，起偏器4的方位角为P。从起偏器4出射的光为线偏振光，让该线偏振光经入射窗9入射到样品室5中的置于可控温度样品架7上的待测样品8的表面，令入射角为
Figure BDA0002129407920000041
经待测样品8反射后有出射窗10射出，反射光的偏振状态会发生变化，变化后的偏振态携带待测样品8的信息。反射光再经过多通道偏振器阵列11，该多通道偏振器阵列11的各小型偏振器的方位角各不相同，即其透振方向具有不同的空间取向。经过多通道偏振器阵列11出射的光束进入光纤阵列耦合器12，光纤阵列耦合器12将不同偏振态的信号光引导至光纤阵列适配器13。光纤阵列适配器13再将不同偏振态的信号光输送到多通道光谱仪狭缝。多通道光谱仪将不同偏振态的连续光经光栅16分光后，再通过聚焦镜(即凹面反射镜15)会聚，在聚焦镜的焦平面处，不同偏振态的光谱信号被二维面阵列探测器17的不同单元像素接收并转换成电信号。电信号经过控制器18AD转换变成数字信号后输入计算机19。由计算机19进行信号分析与数据处理，最终获得材料的各种材料参数(如光学常数、薄膜厚度等)。
如图2所示，假定光线传播方向为z轴正方向，垂直于入射面向内为x轴正方向，按照右手定则在入射面内向上或者斜向上的为y轴正方向。在xy平面内，s光偏振方向沿x轴，p光偏振方向沿y轴，并设x轴的正方向为偏振方位角的零度角，迎着光线方向逆时针方向旋转为偏振角度变化的正方向。在以上坐标及角度的规定下，透过多通道偏振器阵列11出射光的Jones矩阵式可以表示为：
Figure BDA0002129407920000051
其中E0为光未经过起偏器4前电场强度。经过起偏器4后在x和y方向上按照马吕斯定律变化。这里只考虑各向同性的样品，rs为s光的复反射系数，rp为p光的复反射系数。其中
Figure BDA0002129407920000052
不仅反映电矢量幅值rs和rp发生变化，同时，反映了相位δs和δp也会发生变化。p光与s光的复振幅反射率的比值称为复椭偏参数ρ，即
Figure BDA0002129407920000053
其中，实部ρ0＝tanψ为p光与s光电矢量振幅反射率模的比值，Δ＝δp-δs为p光和s光经过样品反射后相互间产生的相位差。ψ和Δ就是椭圆偏振测量中两个最核心的椭偏参量，它们可以完整地提供光从各向同性样品表面反射后的偏振态信息。探测器接收到的电场矢量为
Figure BDA0002129407920000054
光强为电场矢量与其共轭矢量的乘积，即
I＝E·E* (4)
经过计算可得
I(θA)＝|E0(θP)·rss|2(I01+IC·cos2θA+IS·sin2θA)+Ib (5a)
Figure BDA0002129407920000055
Figure BDA0002129407920000056
Figure BDA0002129407920000057
其中Ib为本底噪声，来自于探测器的暗电流和背景光强。
在本发明中，由m个不同方位角偏振器阵列取代旋转检偏器，从而在测量过程中免除了机械转动的缺陷，大大提高测量速度。引入位相
Figure BDA0002129407920000058
将(5a)～(5d)式改写为
Figure BDA0002129407920000061
Figure BDA0002129407920000062
Figure BDA0002129407920000063
Figure BDA0002129407920000064
Figure BDA0002129407920000065
方位角为θi的第i个偏振器的透过光强为
Figure BDA0002129407920000066
bi＝ηiξI01+Ibi (7b)
Figure BDA0002129407920000067
Figure BDA0002129407920000068
Figure BDA0002129407920000069
在实际的测量过程中，ηi可表示第i个探测位置的权重因子。在(7a)～(7e)式中，消去权重因子可得
Figure BDA00021294079200000610
通过余弦曲线拟合，解得b,a,
Figure BDA00021294079200000611
三个参数后，即可获取待测样品的椭偏参数ψ和Δ，计算式如
Figure BDA00021294079200000612
Figure BDA00021294079200000613
Figure BDA00021294079200000614
Figure BDA00021294079200000615
Ib为本底噪声，可通过初始化过程获得。
具体实施例中，多偏振通道面阵列探测的椭圆偏振光谱获取方法如下：
1、由氙灯光源出射的白光入射到起偏器4，经过起偏器4后，出射光变成线偏振光。起偏器4采用了格兰-泰勒型BBO偏振器。
2、自起偏器4出射的线偏振光以一定的入射角(30～90°)入射到样品上。
3、样品被装在具有可控温度的样品台5上，样品台5密封在真空腔内，真空腔壁开有光学窗口供入射与出射光路通过，光学窗口为熔融石英材料。
4、光经过样品反射后通过多通道偏振器阵列11，多通道偏振器阵列11由12个小尺寸(1.5mm×1.5mm×4mm)检偏器构成,每个小检偏器的透振方向各不相同，各方位角取值在0～π范围内均匀分布。
5、通过多通道偏振器阵列11的12路不同偏振态的光线由12路光纤阵列耦合器传送到多通道光谱仪入射狭缝。
6、12路不同偏振态的光信号被多通道光谱仪分光后，各自光谱被二维面阵列探测器17,例如CCD探测器的不同区域像素接受。
7、由二维面阵列探测器17接收的不同偏振态光谱信号经AD转换后被输入计算机。
Figure BDA0002129407920000071
其中，i表示偏振通道指标。本发明具体实施例中包括12个偏振通道；j表示光谱通道波长指标，本发明具体实施例在400～800nm光谱范围分1000个波长点。通过余弦曲线拟合，解得bj,aj,
Figure BDA0002129407920000072
三组参数后，就获取出待测样品的椭偏参数ψj和Δj，即
Figure BDA0002129407920000073
Figure BDA0002129407920000074
Figure BDA0002129407920000075
Figure BDA0002129407920000076
Ibj为背底噪声，可通过初始化过程获得。以金膜为例，不同波长点处(例如λ＝400、500、600、700、800nm)不同偏振通道的归一化光强值及拟合曲线如图3所示。
经计算机分析和处理后，获取被测量样品的椭偏参数谱(图4)，进一步可计算出材料的介电常数谱以及光学常数谱。计算公式如下
Figure BDA0002129407920000081
其中待测样品的介电常数
Figure BDA0002129407920000082
一般为复数，可表示为
Figure BDA0002129407920000083
为环境的介电常数值(对于空气则有
Figure BDA0002129407920000084
)，θ0为入射角(本例θ0＝70°)，ρ＝tanψexp(iΔ)为复椭偏参数。介电常数与复折射率
Figure BDA0002129407920000085
关系为
Figure BDA0002129407920000086
因此
ε1＝n2-k2 (14a)
ε2＝2nk (14b)
于是
Figure BDA0002129407920000087
Figure BDA0002129407920000088
以金膜为例，通过椭偏参数根据式(12)获得其介电常数谱(图5)，再根据式(13)-(15)获得其光学常数谱(图6)。

Claims (2)

1.一种多偏振通道面阵列探测的椭圆偏振光谱获取系统，其特征在于，其包括连续辐射光源、起偏器、样品室、多通道偏振器阵列、光纤阵列耦合器、光纤阵列适配器和多通道光谱仪；多通道偏振器阵列由不同方位角的偏振棱镜或偏振片构成；多通道光谱仪上设有二维面阵列探测器，二维面阵列探测器纵或横向分为m个区域，作为偏振检测通道，横或纵向像素单元作为光谱检测通道；多通道偏振器阵列依次与光纤阵列耦合器、光纤阵列适配器和多通道光谱仪连接；工作时，连续辐射光源发出的光入射到起偏器上，起偏器射出线偏振光，线偏振光入射到样品台上的待测样品表面，多通道偏振器阵列获取经样品反射后的不同偏振态信号，不同偏振态信号通过光纤阵列耦合器与光纤阵列适配器并行传送到多通道光谱仪中，各通道偏振信号经多通道光谱仪分光被二维面阵列探测器形成多偏振态的光谱分布，再通过傅里叶分析方法对多偏振态光谱信号进行数据处理获得椭偏参数。
2.一种基于权利要求1所述的系统的椭圆偏振光谱获取方法，其特征在于，连续辐射光源发出的光入射到起偏器上，起偏器射出线偏振光，线偏振光入射到样品台上的待测样品表面，多通道偏振器阵列获取经样品反射后的不同偏振态信号，不同偏振态信号通过光纤阵列耦合器与光纤阵列适配器并行传送到多通道光谱仪中，各通道偏振信号经多通道光谱仪分光被二维面阵列探测器形成多偏振态的光谱分布，再通过傅里叶分析方法对多偏振态光谱信号进行数据处理获得椭偏参数；其中：通过傅里叶分析方法对多偏振态光谱信号进行数据处理获得椭偏参数的方法具体如下：
(1)首先根据计算式
Figure FDA0002129407910000011
通过余弦曲线拟合，解得bj,aj,
Figure FDA0002129407910000012
三组参数；其中：i表示偏振通道指标，i＝1,2,…,m；j表示光谱通道波长指标，j＝1,2,…,n；bj表示某一波长的背景光强，aj表示某一波长下因检偏器方位角改变引起的光强交变系数，
Figure FDA0002129407910000013
表示某一波长下相对检偏器0方位角的初始位相，Iij(θi)为通过第i个检偏器第j个波长点的光强；
(2)根据式(2a)～(2d)，计算出待测样品的椭偏参数ψj和Δj，即
Figure FDA0002129407910000014
Figure FDA0002129407910000015
Figure FDA0002129407910000021
Figure FDA0002129407910000022
Ibj为背底噪声，可通过初始化过程获得；椭偏参数ψj和Δj由p光即光波电矢量平行于入射面的光分量，与s光即光波电矢量垂直于入射面的光分量的复振幅反射率的比值，称为复椭偏参数ρ决定，即
Figure FDA0002129407910000023
其中，实部ρ0＝tanψ为p光与s光电矢量振幅反射率模的比值，Δ＝δp-δs为p光和s光经过样品反射后相互间产生的相位差，Xj和Yj为方便计算而引入的无量纲中间参数。
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