CN112683180A - 一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪及测量方法，椭偏仪包括：包括：光源、第一偏振器、样品台、旋光模块、第二偏振器和探测器，所述光源、第一偏振器、样品台、第二偏振器和探测器沿光线传播途径依次排布设置；所述旋光模块包括柱状平光镜和电磁线圈，所述柱状平光镜位于所述电磁线圈内部中央，所述柱状平光镜的中轴、所述待测样品的反射光光轴和所述电磁线圈磁场方向一致，所述电磁线圈连接直流电源；测量方法基于上述椭偏仪。本发明结构精简，不包含机械运动部件，控制逻辑简单，具有测量精度高、速度快的优点。

Description

一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪及测量方法

技术领域

本发明属于光谱椭偏仪领域，尤其涉及一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪及测量方法。

背景技术

椭偏仪(Ellipsometer)主要用于各种材料的薄膜厚度的无损测量。而光谱椭偏仪(Spectroscopic Ellipsometer)更能对宽范围光谱同时获得测量结果，因此测量范围更广，精度更高。目前现有的(宽)光谱椭偏仪一种是旋转器件型，是采用机械旋转偏振器的方法获取样品反射的椭圆偏振光光谱数据；另一种是用光弹性调制器来获得同样的数据。但是，这两种方法均存在不足，第一种的控制过程相对成熟，成本较低，但由于有机械运动存在，控制及获取数据的精度较差，且测量速度相对较慢；特别是机械运动部件的存在使得目前的椭偏仪难以直接安装于高真空腔体内，从而无法对某些现代高精密制造程进行更好地监控；第二种的光弹性器件价格高，并且对工作环境要求严格，控制较为困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的一是提供一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，结构精简，不含机械运动部件，控制逻辑简单，具有测量精度高、速度快的优点；目的二是提供一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪测量方法，是基于上述椭偏仪的控制逻辑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，包括：光源、第一偏振器、样品台、旋光模块、第二偏振器和探测器，所述光源、第一偏振器、样品台、第二偏振器和探测器沿光线传播途径依次排布设置，所述旋光模块设于所述样品台与第一偏振器之间或者设于所述样品台与第二偏振器之间，所述样品台用于放置待测样品，所述光源出射光线通过所述第一偏振器形成线偏振光，所述探测器用于接收所述第二偏振器的线偏振光；所述旋光模块包括柱状平光镜和电磁线圈，所述柱状平光镜位于所述电磁线圈内部中央，所述柱状平光镜的中轴、所述待测样品的反射光光轴和所述电磁线圈磁场方向一致，所述电磁线圈连接直流电源。

优选地，所述旋光模块设于所述样品台与第二偏振器之间，所述光源出射光线通过所述第一偏振器照射所述样品台，所述待测样品用于将所述第一偏振器的出射光反射至所述旋光模块，所述旋光模块的出射光经过所述第二偏振器射入所述探测器。

更优选地，所述柱状平光镜为为非旋光材料。

更优选地，所述光源为单色激光束，所述探测器为光电二极管。

更优选地，所述光源为宽光谱氙灯平行光源，所述探测器为感光阵列光谱仪。

一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪测量方法，其特征在于，利用上述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，包括以下步骤：

S1：调整所述第一偏振器和第二偏振器的偏振角度，并在所述样品台上安置所述待测样品；

S2：所述直流电源输出稳定电压X；

S3：光源出射光线至所述第一偏振器，并经过所述第一偏振器形成线偏振光，所述第一偏振器出射的线偏振光照射所述待测样品，并由所述待测样品反射形成椭圆偏振光，所述椭圆偏振光依次经过所述柱状平光镜、第二偏振器抵达所述探测器，所述探测器感应并获取接收光线的向量之模相应的物理量；

S4：所述直流电源输出稳定电压Y，重复步骤S3；

S5：所述直流电源输出稳定电压Z，重复步骤S3；

S6：将上述步骤S3、S4和S5中所述探测器分别获取的接收光线的向量之模相应的物理量计算确定所述待测样品的椭偏量，进而获得所述待测样品的厚度；

其中，所述电压X、电压Y和电压Z互不相等。

优选地，所述电压X为0V，所述电压Y与电压Z极性相反。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪结构精简，不包含机械运动部件，控制逻辑非常简单，具有测量精度高、速度快的优点；同时区别于目前的椭偏仪对运行环境要求高，难以直接安装于高真空腔体内，从而无法对某些现代高精密制造程进行更好地监控，本椭偏仪提供了高真空嵌入安装的可能。

2、本发明所述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪及测量方法运用Faraday磁光效应实现椭圆偏振光谱的获取，控制逻辑非常简单；同时直流电源只需在测量的三步中输出任意三个不同的电压值即可，如此灵活的设置使得仪器有可能对不同类的被测样品作相应的调整，从而获得最优测量。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪结构示意图。

图2是本实施例所述的步骤S3中各个部件光线示意图。

图3是本实施例所述的步骤S4中各个部件光线示意图。

图4是本实施例所述的步骤S5中各个部件光线示意图。

其中，1、光源；2、第一偏振器；3、样品台；4、电磁线圈；5、柱状平光镜；6、第二偏振器；7、探测器；8、直流电源。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例

如图1所示，一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，包括：光源1、第一偏振器2、样品台3、旋光模块、第二偏振器6和探测器7，光源1、第一偏振器2、样品台3、第二偏振器6和探测器7沿光线传播途径依次排布设置，旋光模块设于样品台3与第一偏振器2之间或者设于样品台3与第二偏振器6之间，样品台3用于放置待测样品，光源1出射光线通过第一偏振器2形成线偏振光，探测器7用于接收第二偏振器6的线偏振光。旋光模块包括柱状平光镜5和电磁线圈4，柱状平光镜5位于电磁线圈4内部中央，柱状平光镜5的中轴、待测样品的反射光光轴和电磁线圈4磁场方向一致，电磁线圈4连接直流电源8。

本实施例中，旋光模块设于样品台3与第二偏振器6之间。光源1出射光线通过第一偏振器2射入样品台3，样品台3上的待测样品用于将第一偏振器2的出射光反射至旋光模块，旋光模块的出射光经过第二偏振器6射入探测器7。

其中，柱状平光镜5为为非旋光材料。柱状平光镜5的厚度要根据光源1的波长、费尔德(Veraet)常数，和需要的旋光角度综合考虑。

光源1可以为单色激光束，探测器7为光电二极管；或者光源1为宽光谱氙灯平行光源1，探测器7为感光阵列光谱仪。

由于旋光模块可以设于样品台3与第一偏振器2之间或者设于样品台3与第二偏振器6之间。旋光模块可以设于样品台3与第一偏振器2之间时，椭偏仪相当于旋转起偏器椭偏仪(RPE)的设计；旋光模块可以设于样品台3与第二偏振器6之间时，椭偏仪相当于旋转验偏器椭偏仪(RAE)的设计。在实践中，传统的椭偏仪RPE设计很少被应用，其原因在于旋光模块往往直接面对光源，要想在所有的角度都得到相同能量的输出以达到精确的测量，要求光源尽量接近自然光，这是很困难的。在本发明中，由于有非旋转的第一偏振器2介于光源和旋光模块之间，不再有传统椭偏仪RPE设计的不足。这就是说，在某些应用中，例如受特别的限制，必须缩短样品与探测器之间的光路，本发明可以应用无虞。

一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪测量方法，利用上述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，包括以下步骤：

S1：调整第一偏振器2和第二偏振器6的偏振角度，并在样品台3上安置待测样品；第一偏振器2和第二偏振器6可以选择任意偏振角度。

S2：直流电源8输出稳定电压X，本实施例中选择电压X为0V，即不开启直流电源8；

S3：光源1出射光线至第一偏振器2，并经过第一偏振器2形成线偏振光，第一偏振器2出射的线偏振光照射待测样品，并由待测样品反射形成椭圆偏振光，椭圆偏振光依次经过柱状平光镜5、第二偏振器6抵达探测器7，探测器7感应并获取接收光线的向量之模相应的物理量；如图2所示，其中从左至右分别是光源1、第一偏振器2、待测样品、柱状平光镜5、第二偏振器6的出射光线示意图。

S4：直流电源8输出稳定电压Y，重复步骤S3；由于直流电源8使得电磁线圈4通电，在沿光的传播方向形成磁场，使得待测样品反射形成的偏振面在通过柱状平光镜5后转过一个角度a(a的单位为弧度)；最终通过第二偏振器6后被探测器7感应并获取接收光线的向量之模相应的物理量；如图3所示，其中从左至右分别是光源1、第一偏振器2、待测样品、柱状平光镜5、第二偏振器6的出射光线示意图。

S5：直流电源8输出稳定电压Z，重复步骤S3；在本实施例中，选择电压X为0V，电压Y为与电压Z极性相反，即交换电磁线圈4输入端极性，形成与步骤S4反方向的磁场，使得待测样品反射形成的偏振面在通过柱状平光镜5后转过一个角度-a(a的单位为弧度)；最终通过第二偏振器6后被探测器7感应并获取接收光线的向量之模相应的物理量；如图4所示，其中从左至右分别是光源1、第一偏振器2、待测样品、柱状平光镜5、第二偏振器6的出射光线示意图。

S6：将上述步骤S3、S4和S5中所述探测器7分别获取的接收光线的向量之模相应的物理量计算确定待测样品的椭偏量，进而获得待测样品的厚度。

以步骤S3中探测器7感应并获取接收光线的方向为初始方向，即设定图中竖直向上的方向为0度，以逆时针方向为正方向。只有位于0度上的光线可以通过第二偏振器6被探测器7检测。

当光源1为单色激光束，探测器7为光电二极管时，光源1出射激光束，经过步骤S3、步骤S4、步骤S5一次获得了待测样品反射形成椭圆偏振光对应角度0、a、2π-a这三个向量之模相应的物理量，可以唯一地确定该椭圆，从而完成了椭偏测量过程，整个磁旋光过程的驰豫时间很短，这是本椭偏仪测量快速的原因。

当光源1为宽光谱氙灯平行光源1，探测器7为感光阵列光谱仪，例如1×m感光阵列光谱仪时，探测器7会接收m个不同波长，会同时获得一组m个椭圆的物理量，从而实现光谱椭偏仪功能。

要注意的是，由于旋光过程有色散发生，即在一定的磁场中，不同波长的偏振光旋转的角度不同。这些波长与旋转角之间的数值关系可以由实验和计算在事先确定。

本实施例仅是实现本椭偏仪的最简方案，事实上，第一偏振器2和第二偏振器6的偏振方向可以是任意的。旋光方向既取决于磁场方向也取决与透镜材料是顺磁性的还是抗磁性的。组合后的旋光方向也不需要一定与上述的一致。重要的是获得待测样品反射形成椭圆偏振光的椭圆上对应三个不同角度的一组值，因此直流电源8只需在测量的三步中输出任意三个不同的电压值即可。如此灵活的设置使得仪器有可能对不同类的被测样品作相应的调整，从而获得最优测量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，其特征在于，包括：光源、第一偏振器、样品台、旋光模块、第二偏振器和探测器，所述光源、第一偏振器、样品台、第二偏振器和探测器沿光线传播途径依次排布设置，所述旋光模块设于所述样品台与第一偏振器之间或者设于所述样品台与第二偏振器之间，所述样品台用于放置待测样品，所述光源出射光线通过所述第一偏振器形成线偏振光，所述探测器用于接收所述第二偏振器的线偏振光；所述旋光模块包括柱状平光镜和电磁线圈，所述柱状平光镜位于所述电磁线圈内部中央，所述柱状平光镜的中轴、所述待测样品的反射光光轴和所述电磁线圈磁场方向一致，所述电磁线圈连接直流电源。

2.根据权利要求1所述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，其特征在于，所述旋光模块设于所述样品台与第二偏振器之间，所述光源出射光线通过所述第一偏振器照射所述样品台，所述待测样品用于将所述第一偏振器的出射光反射至所述旋光模块，所述旋光模块的出射光经过所述第二偏振器射入所述探测器。

3.根据权利要求2所述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，其特征在于，所述柱状平光镜为为非旋光材料。

4.根据权利要求2所述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，其特征在于，所述光源为单色激光束，所述探测器为光电二极管。

5.根据权利要求2所述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，其特征在于，所述光源为宽光谱氙灯平行光源，所述探测器为感光阵列光谱仪。

6.一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪测量方法，其特征在于，利用上述权利要求2-5任意一项所述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪，包括以下步骤：

S1：调整所述第一偏振器和第二偏振器的偏振角度，并在所述样品台上安置所述待测样品；

S2：所述直流电源输出稳定电压X；

S3：光源出射光线至所述第一偏振器，并经过所述第一偏振器形成线偏振光，所述第一偏振器出射的线偏振光照射所述待测样品，并由所述待测样品反射形成椭圆偏振光，所述椭圆偏振光依次经过所述柱状平光镜、第二偏振器抵达所述探测器，所述探测器感应并获取接收光线的向量之模相应的物理量；

S4：所述直流电源输出稳定电压Y，重复步骤S3；

S5：所述直流电源输出稳定电压Z，重复步骤S3；

S6：将上述步骤S3、S4和S5中所述探测器分别获取的接收光线的向量之模相应的物理量计算确定所述待测样品的椭偏量，进而获得所述待测样品的厚度；

其中，所述电压X、电压Y和电压Z互不相等。

7.根据权利要求6所述的一种基于Faraday效应的光谱椭偏仪测量方法，其特征在于，所述电压X为0V，所述电压Y与电压Z极性相反。

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