TW201543021A - 用於分析樣品之裝置及對應方法 - Google Patents

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Abstract

本案揭示一種用於分析樣品之裝置。該裝置包含：第一極化器，用於極化電磁輻射之第一射束；光學裝置，用於將電磁輻射之該極化射束導向至該樣品處，以允許電磁輻射之該極化射束與該樣品之間的相互作用，以引起電磁輻射之第二射束的產生；複數個第二極化器，用於將電磁輻射之該第二射束的波前分割為電磁輻射經不同極化狀態極化的複數個射束；以及至少一個分光計，用於分析電磁輻射之該複數個極化射束的相應電磁光譜，以允許該樣品得以表徵。本案還揭示一種相關方法。

Description

用於分析樣品之裝置及對應方法
本發明係關於一種用於分析樣品之裝置及對應方法。
電磁輻射(例如，白光)的射束之極化狀態可完全藉由該射束之史托克斯向量的四個參數來表徵。通常，此表徵可藉由以下方式來進行：針對極化狀態分析器(polarization state analyser；PSA)之若干離散及適當定向實施重複量測，或使用連續週期性光學元件旋轉結合對所所偵測訊號執行傅立葉分析。要理解，組配來在真空紫外線波長至紅外線波長之間的光譜區域中操作的大多數現代商業橢圓偏光計為配備可選補償器之旋轉分析器橢圓偏光計。
習知地，為在不使用移動光學組件的情況下實施靜態偵測，已建議使用兩種不同類型的量測儀器，該等儀器同時量測單色光束之所有四個史托克斯參數：第一儀器係基於波前分割(division of wavefront；DOW)原理，而第二儀器係基於振幅分割(division of amplitude；DOA)原理。
在單色DOA儀器中，自振幅分割分束器出射的透射光束及反射光束各自受導向至極化稜鏡(例如，沃拉斯吞稜鏡)，且隨後續傳至總共四個線性光偵測器。但為允許白光束成為可分析的，提出對上述DOA儀器之增強，其中退出極化稜鏡之光束現由光纖引導至一或四個基於光柵的多通道分光計中。然而，該種修改導致極其龐大且昂貴的儀器配置，並因此尚未廣泛地採用。然而，基於DOA原理來分析白光束之一不同方法係利用繞射光柵之極化特徵。每一個繞射級包括關於入射光之極化狀態的不同資訊。由此，藉由同時地量測四個或四個以上繞射級，可將儀器設計來量測波長依賴性全史托克斯向量。
因此，本發明之一個目的為解決先前技術問題中之至少一者及/或提供適用於此項技術的選擇。
根據本發明之第1態樣，提供一種用於分析樣品之裝置，該裝置包含：第一極化器，用於極化電磁輻射之第一射束；光學裝置，用於將電磁輻射之極化射束導向至樣品處，以允許電磁輻射之極化射束與樣品之間的相互作用，以引起電磁輻射之第二射束的產生；複數個第二極化器，用於將電磁輻射之第二射束的波前分割為電磁輻射經不同極化狀態極化之複數個射束；以及至少一個分光計，用於分析電磁輻 射之複數個極化射束的相應電磁光譜，以允許樣品得以表徵。
具體而言，電磁輻射之第二射束經分割為電磁輻射的具有相應極化狀態之複數個(二次)射束(例如，四個此類射束)，然後據此藉由至少一個分光計來分析電磁輻射之每一個極化射束的光譜分佈/組成。具體而言，記錄並分析電磁輻射的射束之極化狀態及波長依賴性強度，從而允許對電磁輻射之第二射束的所有四個史托克斯參數的全光譜測定。有益地，該裝置能夠執行靜態資料獲取，且不使用任何可移動光學組件。有利地，該裝置允許在單一量測中以透射模式或反射模式對史托克斯向量之所有四個分量進行波長依賴性表徵。
較佳地，該裝置可進一步包括射束源，該射束源經佈置以產生電磁輻射之第一射束，該電磁輻射係選自由以下組成之群：紫外線輻射、可見光、紅外線輻射及兆赫輻射。
較佳地，該射束源可進一步佈置以將電磁輻射之第一射束以單一頻率產生為單色射束，或以多個頻率產生為寬頻帶之電磁輻射。為清晰起見，此處寬頻帶之定義係指寬光譜。
較佳地，該射束源可包括經佈置以在預定角度下將電磁輻射之第一射束導向至樣品處，該角 度係根據藉由電磁輻射之第一射束照射的樣品之表面法線來量測。
較佳地，光學裝置可包括經組配來聚焦或準直電磁輻射之第一射束。
較佳地，該光學裝置可包括透鏡或反射鏡。
較佳地，該光學裝置可經佈置用於在藉由第一極化器極化電磁輻射之第一射束之前準直電磁輻射之第一射束。較佳地，該裝置可進一步包含處理器，用於處理藉由至少一個分光計所產生的訊號，以獲得用於表徵樣品的至少一個強度光譜。
較佳地，至少一個分光計可包括傅立葉變換分光計、光柵、稜鏡、濾波器或法比-培羅特式分光計。
較佳地，該裝置可進一步包含至少另一光學裝置，用於聚焦或準直電磁輻射之第二射束或電磁輻射之複數個極化射束。
較佳地，另一光學裝置可包括透鏡或反射鏡。較佳地，至少一個分光計可包括複數個分光計，且複數個分光計之數目與第二極化器之數目匹配。
或者，至少一個分光計可包括複數個分光計通道，且分光計通道之數目與第二極化器之數目匹配。
較佳地，至少一個分光計可進一步包括至少一個偵測器，該偵測器經佈置以偵測電磁輻射，該電磁輻射係選自由以下組成之群：紫外線輻射、可見光、紅外線輻射及兆赫輻射。
較佳地，該裝置可進一步包含至少一個斬波器，用於增大藉由至少一個分光計所產生的訊號之訊雜比。
較佳地，該裝置可進一步包含至少一個射束均質機，用於增大電磁輻射之第一射束的空間均質性(亦即，最小化空間強度變化)。
較佳地，複數個第二極化器可包括至少三個極化器，用於允許測定電磁輻射之第二射束的前三個史托克斯參數。
較佳地，複數個第二極化器可包括至少四個極化器，用於允許測定電磁輻射之第二射束的全史托克斯向量。
較佳地，四個極化器可包括三個相應線極化器及一圓形極化器。
較佳地，三個線極化器及一圓形極化器可分別以分別選自由以下組成之群的極化組態來佈置：0°、±45°、±90°及±45°±λ/4，其中λ係電磁輻射之第一射束的波長，且λ/4係指四分之一波片。
較佳地，至少一個偵測器可包括複數個偵測器，且其中偵測器之數目與第二極化器之數目匹配。
較佳地，第一極化器可包括線性或圓形極化器。
較佳地，至少一個強度光譜可包括波長依賴性強度。
較佳地，電磁輻射之第二射束可包括電磁輻射的射束，該射束係由於電磁輻射之極化射束與樣品之間的相互作用而自該樣品反射或透射。
根據本發明之第2態樣，提供一種多通道光譜橢圓偏光計與極化計，該多通道光譜橢圓偏光計與極化計包含第1態樣之裝置。
根據本發明之第3態樣，提供一種藉由使用第1態樣之裝置來分析樣品的方法，該方法包含：使用第一極化器來極化電磁輻射之第一射束；使用光學裝置將電磁輻射之極化射束導向至樣品處，以允許電磁輻射之極化射束與樣品之間的相互作用，以引起電磁輻射之第二射束的產生；使用複數個第二極化器將電磁輻射之第二射束的波前分割為電磁輻射經不同極化狀態極化的複數個射束；以及使用至少一個分光計來分析電磁輻射之複數個極化射束的相應電磁光譜，以允許樣品得以表徵。
根據本發明之第4態樣，提供一種用於分析樣品的極化狀態分析器，該極化狀態分析器包含：複數個極化器，用於將與樣品相互作用的電磁輻射的射束之波前分割為電磁輻射經不同極化狀態極化的複數個射束；以及至少一個分光計，用於分析電磁輻射之複數個極化射束的相應電磁光譜，以允許樣品得以表徵。
應當明白，有關於本發明之一個態樣的特徵亦可適用於本發明之其他態樣。
本發明之此等及其他態樣將自下文描述的實施例而明顯，且參考該等實施例來闡明。
100‧‧‧裝置
102‧‧‧樣品
104‧‧‧極化狀態產生器/PSG
106‧‧‧極化狀態分析器/PSA
108‧‧‧射束源/光源
110‧‧‧準直透鏡
112‧‧‧第一極化器
114‧‧‧第一光學裝置
116‧‧‧預定角度/角度
118‧‧‧第二光學裝置
120‧‧‧第二極化器
121‧‧‧分光計
122‧‧‧分光計通道
124‧‧‧第三光學裝置
126‧‧‧可選配接器
128‧‧‧偵測器/光學偵測器
200‧‧‧方法
202‧‧‧步驟
204‧‧‧步驟
206‧‧‧步驟
208‧‧‧步驟
210‧‧‧步驟
300‧‧‧資料處理流程
400‧‧‧原型
401‧‧‧光纖
402‧‧‧樣品座
500‧‧‧PSA之部分
1104‧‧‧PSG
1106‧‧‧PSA
1108‧‧‧射束源
1110‧‧‧準直透鏡
1112‧‧‧第一極化器
1114‧‧‧第一光學裝置
1118‧‧‧第二光學裝置
1120‧‧‧第二極化器/極化器
1122‧‧‧分光計通道
1124‧‧‧第三光學裝置
1126‧‧‧配接器
1128‧‧‧偵測器
下文參照附圖來揭示本發明之實施例，在附圖中：第1圖描繪根據一實施例的用於分析樣品之裝置的示範性圖解；第2圖為使用第1圖之裝置來分析樣品之方法的流程圖；第3圖描繪基於第1圖之裝置的PSA之並行處理組態的資料處理流程；第4a圖為第1圖之裝置的原型的透視圖，而第4b圖為第4a圖之原型的俯視圖；以及第5圖係基於第4a圖之原型的PSA之一部分的放大視圖。
根據第1圖中所示的實施例，揭示用於分析目標樣品102(正受研究)之裝置100。要理解，裝置100亦可稱為多通道光譜橢圓偏光計與極化計(multi-channel spectroscopic ellipsometer and polarimeter；MC-SEP)。概括而言，裝置100具有兩個不同區段，極化狀態產生器(polarization state generator；PSG)104及極化狀態分析器(polarization state analyser；PSA)106。PSG 104及PSA 106可獨立地安裝在可定製測角器上或定角基座上。在PSG 104中，提供以下組件並將該等組件以下述次序加以佈置：射束源108、準直透鏡110、第一極化器112及第一光學裝置114。射束源108經組配來產生作為量測射束的電磁輻射(electromagnetic radiation；EMR)的射束，該電磁輻射可為(例如)紫外線輻射、可見光、紅外線輻射或兆赫輻射(或其組合)。亦即，射束源108經組配來產生具有寬光譜之電磁輻射。在此狀況下，對解釋此實施例而言，射束源108經組配來產生白光，然而不欲將此解釋為限制。因此，在此實施例中，為在下文論述中簡明起見，將藉由射束源產生的EMR的射束稱為光束。如所提及的，若使用其他類型的EMR，則裝置100類似地進行工作及執行，且因此對於替代 實施例而言，則以對以下之理解來解讀下文論述的所提出裝置100之操作：術語「光束」(及相關聯衍生術語)之示例替代地藉由所使用的相關聯EMR置換，該相關聯EMR例如紫外線輻射射束或兆赫輻射射束。準直透鏡110係用於在藉由第一極化器112極化光束之前準直光束，而第一極化器112係用於極化光束以產生極化光射束。第一極化器112可取決於裝置100所欲應用之要求而為線性極化器或圓形極化器。第一光學裝置114將極化光束導向至樣品102處，以允許極化光束與樣品102之間的相互作用，以產生反射光束。第一光學裝置114之實例為聚焦透鏡。
亦應理解，射束源108經適合佈置以在預定角度116(亦即，Φ a )將極化光束成角度地導向至樣品102處，其中角度116係根據藉由光束照射的樣品102之表面法線來量測。角度116「Φ a 」可稱為入射角。
另一方面，在PSA 106中，提供以下組件並將該等組件按照以下述次序加以佈置：第二光學裝置118、複數個第二極化器120及至少一個分光計121。分光計121包括複數個分光計通道122、第三光學裝置124、可選配接器126(其提供孔徑)及偵測器128。第二光學裝置118之組態與第一光學裝置114類似，只不過第二光學裝置118係用來將來自樣 品102之反射光束朝向複數個第二極化器120準直且導向。以串聯方式成對使用第一光學裝置114及第二光學裝置118，以便分別將光束聚焦於樣品102上，且隨後將反射光束準直至PSA 106。複數個第二極化器120(其提供對應極化器狀態通道)係分別用於接收反射光束之波前、將反射光束之波前分割並極化為以不同極化狀態極化的複數個(二次)光束。在此實施例中，複數個第二極化器120包括至少四個極化器120，以允許反射光束之全史托克斯向量得以測定。特定而言，四個極化器120包括三個線性極化器及一圓形極化器，其中三個線性極化器及圓形極化器分別經組配來以(例如)0°、45°、90°及45°+λ/4極化相應(二次)光束，其中λ為原始光束之波長。由λ/4表示的四分之一波片(包括在極化器120中)可與45°極化器組合使用以實現圓形極化。此態樣將在稍後參考第3圖來詳細闡述。要理解，圓形極化器可使該圓形極化器處之對應光束受右側或左側圓形極化。
分光計121(提供對應分光計通道122)係用於相移及分析相應極化光束(該等相應極化光束係接收自複數個第二極化器120)以產生相移光束。對於分析而言，分光計121經佈置以分析極化光束之相應電磁波譜，以允許樣品得以表徵。要理解，佈置在裝置100中的分光計通道122之數目與第二極化 器120之數目匹配。因此在此情況下，由於存在至少四個第二極化器120，所以需要至少四個分光計通道122。每一個分光計通道122係(邏輯上)與對應第二極化器120配對。第三光學裝置124係用於將相移光束(自分光計通道122輸出)聚焦於光學偵測器128上。在此情況下，第三光學裝置124為聚焦透鏡。若使用可選配接器126，則第三光學裝置124經組配來將相移光束朝向由配接器126提供的孔徑聚焦。要理解，該孔徑係用於阻斷所有繞射級進入偵測器128而非阻斷第0級進入該偵測器。接下來，偵測器128經佈置以基於相移光束之極化狀態及光譜性質來偵測相移光束(來自分光計通道122)，以允許樣品102之材料性質得以表徵。在此狀況下，偵測器128包括複數個偵測器(亦即，以便形成偵測器陣列)，但亦不排除使用其他合適的偵測器組態。偵測器128之實例為電荷耦合裝置(charge-coupled device；CCD)或能夠偵測電磁輻射(例如，紫外線輻射、可見光、紅外線輻射或兆赫輻射)的任何偵測器。此外，佈置在裝置100中的偵測器之數目與第二極化器120之數目匹配。因此，由於存在至少四個分光計122(對於此實施例而言)，所以在裝置100中利用四個偵測器。在其他替代實施例中，亦可在裝置100中使用僅一個單一偵測器。
要理解，第一光學裝置114及第二光學裝置118係一起成對佈置(亦即，在聚焦透鏡/反射鏡的狀況下，無法在沒有一個光學裝置的情況下使用另一個光學裝置)。此外，取決於量測要求，第一光學裝置114及第二光學裝置118在裝置100中為可選的。要理解，改良的側向解析度係使用第一光學裝置114及第二光學裝置118來達成。
因此，PSA 106將反射光束之波前分割為具有相應極化狀態之四個(二次)光束(例如，三個不同的線性極化狀態及一個圓形極化狀態)，據此，隨後藉由相關聯分光計通道122分析每一個極化光束之光譜分佈/組成。此組態允許記錄光束之極化狀態及波長依賴性強度，從而允許對反射光束之所有四個史托克斯參數的全光譜測定。要理解，本發明情形中之「強度」係指(光束之)波長之相應強度，該相應強度允許對史托克斯向量分量的計算。
要理解，由光束自PSG 104之光源108至PSA 106之偵測器128所經過的路徑係稱為射束路徑。此外，取決於待使用裝置100來研究的樣品102之大小或樣品102上受關注區域之大小，第一光學裝置114及第二光學裝置118可視需要用於靈活地減小光束之斑點大小，以便顯著地促進研究。要理解，所描述的反射操作模式對透射類型量測同等有效。此意指：替代分析來自樣品102之反射射束，透 射穿過樣品102的射束亦可藉由裝置100量測，諸如，樣品102為具有薄塗層之玻璃樣本(例如，著色窗)的情況
裝置100亦進一步包含處理器(未圖示)，用於處理藉由偵測器128產生的訊號，其中該處理器經組配來對產生的訊號進行計算，以獲得相應強度光譜並用於表徵樣品102。處理器之實例為諸如PC/膝上型電腦之一般計算裝置，且該處理器以無線或有線方式電耦合至偵測器128。
第2圖為使用第1圖之裝置100來分析樣品102之方法200的流程圖。概括而言，方法200包含：在步驟202，使用第一極化器112極化EMR之第一射束(例如，光束)；在步驟204，使用第一光學裝置114將EMR之極化射束導向至樣品102處，以允許EMR之極化射束(例如，極化光束)與樣品102之間的相互作用，以產生EMR之第二射束(例如，反射光束)；在步驟206，使用相應第二極化器120將EMR之第二射束的波前分割及極化為EMR經不同極化狀態極化的複數個射束；在步驟208，使用相應分光計通道122將EMR之相應極化射束相移，以產生EMR之相移射束；以及基於EMR之相移射束的極化狀態及光譜性質，使用偵測器128(在步驟210)偵測EMR之相移射束，以允許樣品102得以表徵。
對方法200作詳細說明，要理解，來自射束源108之光束首先藉由準直透鏡110準直，且隨後藉由第一極化器112適當地線性極化/圓形極化，之後利用極化光束以預定角度116成角度地照射樣品102。鑒於使用114及118之聚焦與準直對，極化光束自樣品102之表面反射以產生反射光束，該反射光束隨後藉由四個第二極化器120(亦即，三個線性極化器及圓形極化器)上之第二光學裝置118準直，以分割及極化該反射光束以提供極化光束。在不使用該對114及118的狀況下，準直射束藉由樣品反射，且藉由四個極化器120分割且予以極化。在通過四個第二極化器120之後，相應極化光束係提供至對應分光計通道122，該等分光計通道將相移引入至相應極化光束以產生相移光束，此類似於掃描鏡干涉計。要理解，相移光束藉由對應分光計通道122作為干涉圖輸出，該等干涉圖隨後藉由偵測器128偵測且成像。
第3圖描繪資料處理流程300，其係基於裝置100之PSA 106的並行處理組態。詳言之，來自樣品102之反射光束通過三個線性極化器及圓形極化器，該等極化器分別經組配來(例如)以0°、45°、90°及45°+λ/4極化相應分割光束。該等極化光束隨後透射穿過相應四個分光計通道122(亦即，在第3圖中標記為SC1、SC2、SC3及SC4)以產生相移光束。特定而言，每一個分光計通道122將「δ」 之相移引入至相應極化光束。要理解，此相移在空間中有所變化，從而隨後允許基於傅立葉變換操作之光譜分析。因此，相移光束之光強度「I」成為所引入相移「δ」之函數。如以上所解釋，相移光束由對應分光計通道122作為干涉圖輸出，該等干涉圖藉由偵測器陣列偵測且記錄以產生對應訊號。
其後，處理器可對產生的訊號進行計算(例如，傅立葉變換、方陣求逆及/或單純代數)以獲得四個強度光譜，該等強度光譜繼而用於計算反射光束(來自樣品102)之四個波長依賴性史托克斯參數Si(λ)，(其中i=0、...,3)，以允許樣品102之材料性質得以表徵。
第4a圖為裝置100之原型400的透視圖，而第4b圖為原型400之俯視圖。要理解，在第4a圖及第4b圖中使用相同元件符號來描述原型400中與裝置100之組件相同的組件，但都加上1000。對於第4a圖中所示的原型400之設置而言，入射角「Φ a 」係定義為65°以允許聚焦光束量測，而對於第4b圖中描繪的設置而言，原型400以直通組態(亦即，Φ a 處於90°)來佈置，該直通組態係用於校準目的且用於在透射(亦即，折射)模式中進行的光學活性量測。具體而言，來自射束源1108之光束藉由光纖401引入原型400中，藉由準直透鏡1110準直，藉由第一極化器1112極化，且隨後藉由第一光學裝置 1114聚焦於樣品座402上(該樣品座在第4a圖及第4b圖中僅出於例示目的展示，且因此未畫出待研究之樣品)。反射光束藉由第二光學裝置1118收集，通過複數個第二極化器1120及相關聯分光計通道1122，且隨後藉由第三光學裝置1124聚焦在配接器1126之孔徑處，之後藉由偵測器1128偵測。
所揭示的原型400能夠在0.025eV之能量解析度下量測62個波長(在紫外線至近紅外線光譜範圍內)。在其他實施例中，可藉由裝置100之其他變體原型偵測並量測的光譜範圍及波長之數目可取決於所使用的光源、光學元件(例如，透鏡及極化器)、分光計及光學偵測器之類型而定。值得注意的是，在可見光譜範圍內，僅存在幾個需要比0.025eV更好光譜解析度之量測示例(例如，厚於3μm之膜的厚度干涉條紋)。儘管如此，較高解析度可藉由使用較大空間解析相移分光計通道來放大每一個別分光計通道1122，以及在原型400中增加準直射束之總射束直徑來獲得。
第5圖係基於原型400的PSA 1106之部分500的放大視圖。第5圖提供複數個第二極化器1120(以波前分割組態來佈置)及複數個分光計通道1122之組合的詳細視圖，該組合浸入射束直徑為約10mm之準直光束中。
為藉由偵測器1128對分割光束進行精確偵測，重要的是，光束經佈置以均質地照射於複數個第二極化器1120及複數個分光計通道1122中接收該等光束之整個表面區域上。此外，為原型400之組裝便利性起見，已在相鄰分光計通道1122之間組配約1mm之「盲」間隙，且可實質上減小(若需要)1mm之間隙，以允許較小射束大小得以分析。特定而言，製造及組裝製程之改良可進一步允許間隙減小，以使得照射四個極化器1120及分光計通道1122之分割光束之最大直徑(作為整體來集體地量測)累積小於7mm。
總而言之，所提出裝置100提供緊湊型多通道光譜橢圓偏光計與極化計(multi-channel spectroscopic ellipsometer and polarimeter；MC-SEP)，該緊湊型多通道光譜橢圓偏光計與極化計允許在單一量測中以透射模式或反射模式對史托克斯向量之所有四個分量進行波長依賴性表徵。裝置100利用提供折射及/或反射功能性的光學組件之混合體。裝置100經組配來基於波前分割原理、使用複數個第二極化器120及至少一個分光計121(例如，非掃描傅立葉變換分光計或攝譜儀)進行操作，以有益地允許靜態資料獲取得以實施，並由此避免使用任何可移動(掃描/可旋轉)光學組件。因此，裝置100可實現為緊湊型及可攜式儀 器，用於進行寬光譜帶及超快橢圓偏光術/極化術(polarimetry)量測，且亦可適合於部署於空間受限區域中。
使用非掃描傅立葉變換分光計的情況下，要理解的是，可組配用於每一個分光計通道122之通道大小取決於裝置100之所要光譜解析度。自實行角度看，必須對光譜解析度做出某些折衷，以便不超過裝置100之所要大小佈置。儘管如此，基於裝置100之所欲應用，可根據需要實施用於分光計122之相關聯通道之組態。
另外，對裝置100而言，光譜操作範圍大大地取決於所使用的光學組件之光學透射性質。舉例而言，在所揭示的實施例中，裝置100之光譜範圍自電磁光譜之紫外線輻射延伸至近紅外線輻射部分。在需要最寬光譜頻寬之消色差效能，及/或將要分析例如超出可見光譜範圍之紅外線輻射或電磁輻射的狀況下，要理解，基於反射之光學組件(例如，反射鏡)可用來替換裝置100之PSG 104以及PSA 106中之所有基於透射的光學組件(例如，透鏡)。然而，藉由基於反射的組件替換的基於透射的光學組件中之每一者的功能性保持不變。基於反射的系統帶來最高訊號輸出量及最好的光譜效能。此修改不影響由裝置100在操作期間使用的(波前分割)量測原理，而僅修改裝置100之設計。
要強調的是，用於所提出裝置100的使用微型化製造分光計連同採用波前分割技術之組合諸如在薄膜製程控制及光學感測中開發出新的應用機會/領域。特定而言，所提出裝置100具有以下優點：
(1).速度-因為當使用裝置100時，僅需單一掃描量測，因此允許在數分之一秒(例如，30fps至1600fps，將其轉換即為約0.03秒至0.625毫秒)內測定全波長依賴性史托克斯向量，從而允許即時與線上製程控制。
(2).穩健性-在裝置100中不使用可移動的光學組件，此意指裝置100在很大程度上免除外部影響(例如，移動或振動)且不受該等外部影響的干擾，該等外部影響可干擾所獲得的任何量測結果之精確度。
(3).緊湊性-複數個分光計通道122於裝置100中之併入允許既小型又緊湊之大為改良的設計，並因此允許裝置100得以實現為可攜式(手持式)光譜橢圓偏光計。
(4).精度-可使用裝置100、以在皮米(亦即10-12m)範圍內之精度對樣品之相對厚度進行量測，並因此可更精確地表徵光學常數。
(5).光輸出量-所提出裝置100利用第0繞射級，並因此允許相較於習知分散裝置(例如，光 柵或稜鏡分光計)而言的最高通量輸出量之輸出(亦即，FTIR之Fellguett及Jaquinot優點)。要理解，此優點僅在分光計121以傅立葉變換分光計組態加以佈置的狀況情形中適用。
(6).可負擔性-所提出裝置100可以相對低的成本來製造(歸因於不存在可移動光學組件，該等可移動光學組件可其他情況下需要以極高精度加以定位)，並因此可相較於習知光譜橢圓偏光計而言在價格上明顯更為低廉。
(7).客製化-取決於要求，用於所提出裝置100中之分光計121及其他光學組件可經客製組配來滿足針對在寬光譜範圍內進行量測的所欲應用之特定需要。
(8).清潔性-由於在裝置100中不存在任何可移動組件(例如，馬達、輪軸等)，裝置100因此在操作期間產生最少碎屑，並因此可有益地用於需要顯著高清潔性標準之操作環境(例如，用於微影工具內)中。實例為在半導體工業中之應用，因為在製造期間，落在積體電路上之『最細粉塵』可導致缺陷。
如所論述的，所提出裝置100可在薄膜之線上及離線品質控制的工業領域中獲得各種應用。具體而言，所提出裝置100適用於半導體(例如，製造邏輯、儲存器、發光二極體等)及太陽能電池工業，以及涉及顯示器及窗戶塗層領域的公司。由於裝 置100所提供的快速量測速度，裝置100可部署來對薄電介質及金屬膜以及多個層進行現場、即時厚度及光學常數(例如，折射率及消光係數)量測。有利地，裝置100亦可結合用於薄膜塗層之現場製程控制的任何習知製程(真空)腔室一起使用，該等薄膜塗層係(例如)經由原子層沉積、化學及物理氣相沉積或旋塗來形成。裝置100亦可耦接至相關沉積工具之光學埠，以用來塗佈/沉積製程。裝置100亦可安裝在製程(真空)腔室之內，以作為品質控制之部分對所形成薄膜塗層之厚度進行量測。
此外，藉由使用裝置100，可有利地進行諸如太陽能電池、窗戶及TV面板之大塗佈基板之低成本均勻性控制。通常，基板常常相當龐大，從而使得更為實際的是移動量測工具而非移動基板自身來對基板進行相關量測。由於裝置100之緊湊佈置及機械穩定性(歸因於缺乏可移動光學組件)，則可能將裝置100(例如)安裝在快速移動及輕型x-y平移台上，且作為正在進行量測之部分將基板之整個表面塗層進行對映。
除適用於以上論述的商業情形之外，裝置100亦可在較小實驗室以及研究所中獲得類似應用。例如，裝置100可用於測定光學等向性吸收樣本之光學常數及薄膜厚度。然後，在PSG 104中與旋轉型式之第一極化器112(以及可能為減速器)組合 使用的情況下，亦可將異向性樣本(例如，奈米結構)及相關聯樣本效果作為研究之主題。
裝置100亦可用於測定光學活性化學品之濃度及純度，該等光學活性化學品諸如：類固醇、抗生素、麻醉劑、維生素、糖及/或聚合物。習知地，龐大的工作台頂置儀器係用於此等目的，但該等儀器不能對多於一個波長進行量測。因此，所提出裝置100可據此替換龐大的工作台頂置儀器，因為裝置100可以透射模式操作，且亦可直接地部署在光學活性化學品之生產線上。
已知，橢圓偏光術係用作用於生物吸附及生物感測之技術。在與(例如)特定生物測定結合的情況下，因此可能使用橢圓偏光計來分析用於無標記疾病偵測之血液樣本及免疫測定物，此意指所提出裝置100亦可在此情境中使用。由此，可合理地設想：裝置100作為普通行醫者之醫療執業之部分而言可對該等普通行醫者為極其適用的。
雖然已在圖式中例示並在前述描述中詳細描述本發明，但此例示及描述意欲視為說明性或示範性的而非限制性的；本發明不限於所揭示的實施例。熟習此項技術者在實踐所主張發明中可瞭解並實現所揭示的實施例之其他變化形式。
例如，射束源108亦可經佈置以藉由使用單色源(例如，雷射)或帶有單色器之寬頻帶光源來 產生單色光束。此外，裝置100可在射束路徑中包括至少一個光學斬波器(未圖示)，以藉由鎖定放大來增大訊雜比。光學斬波器可位於PSA 106或PSG 104中(但較佳位於PSG 104中)。使用光學斬波器增大藉由光學偵測器128偵測的訊號之訊雜比，並隨此增大計算量，亦允許裝置100較不易受周圍雜散光的影響。此外，至少一個射束均質器可包括在PSG 104中來增大量測射束之空間均質性(亦即，最小化空間強度變化)。另外，複數個第二極化器120可替代地包括最少僅三個(替代四個)極化器120(亦即，具有三個適當極化的通道)來測定反射光束之前三個史托克斯參數，可隨後自該等史托克斯參數計算橢圓偏光參數Ψ及△。因此，裝置100亦可經最佳化以替代地僅使用三個極化器120來有效地操作。因此，所使用的(分光計121之)分光計通道122及偵測器128之數目將與在此情況下第二極化器120之減少的數目匹配。此外，可使用的分光計121之實例包括傅立葉變換分光計、光柵、稜鏡、濾波器、法比-培羅特干涉計或類似物。在此情況下，第三光學裝置124將由(例如)透鏡陣列替換以將每一個通道導向至個別分光計中。換言之，至少一個分光計121可替代地包括複數個分光計(各自具有相關聯分光計通道)，而非只是一個單一分光計。要理解，可使用任何類型的可商購分光計(或攝譜儀)。由此，將相應極化器120聚焦 於相應專用光纖之透鏡陣列需要例如佈置在第二極化器120之後。然後，光纖將光束引導至相應分光計。此外，根據前文論述，裝置100(揭示為以透射模式操作)可經修改以允許實質上類似佈置，用於以反射模式來實現功能。此外，裝置100在以反射模式操作時具有較寬光譜範圍。因此，可藉由裝置100量測更加寬的光譜範圍。視需要，裝置100可在沒有分光計121的情況下操作，但此即意指僅單色光束可為可量測及可分析的。
要理解，可在裝置100中使用具有任何焦距之合適準直透鏡，且原型400之設置可經調整以使得入射角「Φ a 」不僅僅限於65°。實際上，對透射模式操作而言，裝置100可經佈置以處於90°之入射角「Φ a 」來操作，而對反射模式操作而言，裝置100可隨後經佈置以處於約10°至90°之間的任何角度的入射角「Φ a 」來操作。此外，佈置在裝置100中的分光計通道122之數目不需要與第二極化器120之數目匹配；其他組合是可能的。例如，可允許使一個分光計通道122與兩個相關聯極化器120配對。亦要理解，原型400可經修改以量測自紫外線至可見光至紅外線(infrared；IR)範圍以及至兆赫範圍的EMR之波長。此外，三個線性極化器及圓形極化器亦可分別以分別選自由以下組成之群的極化組態來佈置：0°、±45°、±90°及±45°±λ/4(例如，0°、45°、 -90°及45°-λ/4或0°、-45°、-90°及-45°+λ/4)，其中λ為原始的光束射束之波長，且λ/4表示四分之一波片。此外，不必要使用三個線性極化器及一圓形極化器；實情為，可替代地採用合適數目之線性極化器與合適數目之圓形極化器之任何組合，只要所設想的組合允許計算四個史托克斯向量即可。此外，三個線性極化器及圓形極化器亦可分別經組配來以正極化或負極化(根據需要)之任何合適組合極化光束。要理解，任何合適的「光子偵測器」可用作偵測器128，且「光子偵測器」之定義意指經組配來對給定光譜帶(例如，紫外線、可見光、近紅外線、中紅外線、遠紅外線、兆赫或任何前述者之組合)之電磁輻射敏感的任何偵測器。此外，PSG 104可不包括第一光學裝置114，而PSA 106可不包括第二光學裝置118。
或者，PSG 104及PSA 106為可各自獨立使用的--例如，PSA 106自身可用作單一單元以用於其他類似分析器。因此，PSA 106(組配為獨立單元)可包含：複數個(第二)極化器120，用於將與樣品相互作用的電磁輻射的射束之波前分割為電磁輻射經不同極化狀態極化的複數個射束；至少一個分光計121，用於基於電磁輻射之極化射束之極化狀態及光譜強度來分析電磁輻射之複數個極化射束的相應電磁光譜，以允許樣品得以表徵。
此外，要理解，裝置100在以下情況中對分析樣品(例如，著色玻璃)而言同樣良好適用：作為EMR之極化射束與樣品之間的相互作用的結果所產生的EMR之反射射束替代為歸因於該相互作用自樣品透射(至複數個極化器120)的EMR的射束(亦即，透射射束)。因此，裝置100的就EMR之反射射束而言的所述操作加以必要變更即適用於此等情況中EMR之透射射束。
此外，至少一個分光計121不需要基於傅立葉變換分光計來組配，因為取決於所欲不同應用之要求，其他合適的分光計亦可用於裝置100。因此，隨後對第2圖之步驟208及210加以修改，且要根據所使用的特定類型的分光計來理解該等步驟之相關聯情形
100‧‧‧裝置
102‧‧‧樣品
104‧‧‧極化狀態產生器
106‧‧‧極化狀態分析器
108‧‧‧束源
110‧‧‧準直透鏡
112‧‧‧第一極化器
114‧‧‧第一光學裝置
116‧‧‧預定角度
118‧‧‧第二光學裝置
120‧‧‧第二極化器
122‧‧‧分光計通道
124‧‧‧第三光學裝置
126‧‧‧配接器
128‧‧‧光學偵測器

Claims (27)

  1. 一種用於分析一樣品之裝置，該裝置包含：一第一極化器，用於極化電磁輻射之一第一射束；一光學裝置，用於將電磁輻射之該極化射束導向至該樣品處，以允許電磁輻射之該極化射束與該樣品之間的相互作用，以引起電磁輻射之一第二射束的產生；複數個第二極化器，用於將電磁輻射之該第二射束的波前分割為電磁輻射經不同極化狀態極化的複數個射束；以及至少一個分光計，用於分析電磁輻射之該複數個極化射束的相應電磁光譜，以允許該樣品得以表徵。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該裝置進一步包括：一射束源，該射束源經佈置以產生電磁輻射之該第一射束，該電磁輻射係選自由以下組成之群：紫外線輻射、可見光、紅外線輻射及兆赫輻射。
  3. 如請求項2所述之裝置，其中該射束源進一步經佈置以將電磁輻射之該第一射束以一單一頻率產生為一單色射束，或以多個頻率產生為一寬頻帶之電磁輻射。
  4. 如請求項2或3所述之裝置，其中該射 束源包括經佈置以在一預定角度下將電磁輻射之該第一射束導向至該樣品處，該角度係根據藉由電磁輻射之該第一射束照射的該樣品之表面法線來量測。
  5. 如請求項1所述之裝置，其中該光學裝置包括經組配來聚焦或準直電磁輻射之該第一射束。
  6. 如請求項5所述之裝置，其中該光學裝置包括一透鏡或一反射鏡。
  7. 如請求項5所述之裝置，其中該光學裝置經佈置用於在藉由該第一極化器極化電磁輻射之該第一射束之前準直電磁輻射之該第一射束。
  8. 如請求項1所述之裝置，該裝置進一步包含一處理器，用於處理藉由該至少一個分光計所產生的訊號，以獲得用於表徵該樣品的至少一個強度光譜。
  9. 如請求項1所述之裝置，其中該至少一個分光計係選自以下之群：傅立葉變換分光計、光柵、稜鏡、濾波器、法比-培羅特式分光計及其他類型的分光計。
  10. 如請求項1所述之裝置，該裝置進一步包含至少另一光學裝置，用於聚焦或準直電磁輻射 之該第二射束或電磁輻射之該複數個極化射束。
  11. 如請求項10所述之裝置，其中該另一個光學裝置包括一透鏡或一反射鏡。
  12. 如請求項1所述之裝置，其中該至少一個分光計包括複數個分光計，且該複數個分光計之一數目與該等第二極化器之一數目匹配。
  13. 如請求項1所述之裝置，其中該至少一個分光計包括複數個分光計通道，且該等分光計通道之一數目與該等第二極化器之一數目匹配。
  14. 如請求項1所述之裝置，其中該至少一個分光計進一步包括至少一個偵測器，該偵測器經佈置以偵測電磁輻射，該電磁輻射係選自由以下組成之群：紫外線輻射、可見光、紅外線輻射及兆赫輻射。
  15. 如請求項8所述之裝置，該裝置進一步包含至少一個斬波器，用於增大藉由該至少一個分光計所產生的該等訊號之一訊雜比。
  16. 如請求項1所述之裝置，其中該複數個第二極化器包括至少三個極化器，用於允許測定此等電磁輻射之該第二射束的前三個史托克斯參數。
  17. 如請求項1所述之裝置，其中該複數個第二極化器包括至少四個極化器以允許測定電磁 輻射之該第二射束的全史托克斯向量。
  18. 如請求項17所述之裝置，其中該四個極化器包括三個相應線性極化器及一圓形極化器。
  19. 如請求項18所述之裝置，其中該三個線性極化器及圓形極化器分別以分別選自由以下組成之群的極化組態來佈置：0°、±45°、±90°及±45°±λ/4，其中λ為電磁輻射之該第一射束的一波長。
  20. 如請求項14所述之裝置，其中該至少一個偵測器包括複數個偵測器，且其中該等偵測器之一數目與該等第二極化器之一數目匹配。
  21. 如請求項1所述之裝置，其中該第一極化器包括一線性或圓形極化器。
  22. 如請求項8所述之裝置，其中該至少一個強度光譜包括波長依賴性強度。
  23. 如請求項1所述之裝置，其中電磁輻射之該第二射束包括電磁輻射的一射束，該射束係係由於電磁輻射之該極化射束與該樣品之間的該相互作用而自該樣品反射或透射。
  24. 如請求項1所述之裝置，該裝置進一步包含至少一個射束均質器，用於增大電磁輻射之該第一射束的空間均質性。
  25. 一種多通道光譜橢圓偏光計及極化計，包含如任何前述請求項所述之裝置。
  26. 一種藉由使用如請求項1所述之裝置來分析一樣品的方法，該方法包含以下步驟：使用該第一極化器來極化電磁輻射之一第一射束；使用該光學裝置將電磁輻射之該極化射束導向至該樣品處，以允許電磁輻射之該極化射束與該樣品之間的相互作用，以引起電磁輻射之一第二射束的產生；使用該複數個第二極化器將電磁輻射之該第二射束的該波前分割為電磁輻射經不同極化狀態極化的複數個射束；以及使用該至少一個分光計來分析電磁輻射之該複數個極化射束的相應電磁光譜，以允許該樣品得以表徵。
  27. 一種用於分析一樣品的極化狀態分析器，該極化狀態分析器包含：複數個極化器，用於將與該樣品相互作用的電磁輻射的一射束之波前分割為電磁輻射經不同極化狀態極化的複數個射束；以及至少一個分光計，用於分析電磁輻射之該複數個極化射束的相應電磁光譜，以允許該樣品得以表徵。
TW104114754A 2014-05-08 2015-05-08 用於分析樣品之裝置及對應方法 TW201543021A (zh)

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