TWI479141B - Ellipsometry and polarization modulation ellipsometry method for the - Google Patents

Ellipsometry and polarization modulation ellipsometry method for the Download PDF

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TWI479141B TW101150512A TW101150512A TWI479141B TW I479141 B TWI479141 B TW I479141B TW 101150512 A TW101150512 A TW 101150512A TW 101150512 A TW101150512 A TW 101150512A TW I479141 B TWI479141 B TW I479141B
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橢圓偏光儀及用於橢圓偏光儀之偏振態調變方法
本發明係有關於一種橢圓偏光儀，特別是有關於一種用於橢圓偏光儀之偏振態調變方法。
橢圓偏光儀為一具有高靈敏度和非破壞性的光學檢測工具，其原理為當一偏振光(polarized light)(例如線性偏振光)入射至待測物表面時，因待測物使反射後偏振光(例如橢圓偏振光)的偏振態(polarization state)產生改變，利用檢測反射後的偏振態之變化量來推算出待測物之性質。橢圓偏光儀在目前的半導體或顯示器產業的製程控制中扮演了非常重要的角色
旋轉式橢圓偏光儀之運作方式為旋轉橢圓偏光儀之光學元件(利如析光片、偏振片或補償片)的角度以調整偏振光的偏振態，使其達到接收光訊號最小的角度，再以此狀態下的析光片、偏振片或補償片的角度計算，得到對應的橢偏參數值(Ψ及△)，搭配寬頻光源及光譜分析儀，則可運用於具有高靈敏度和非破壞性的量測系統。
美國專利證書號US 7,973,930揭示一種光譜式橢圓偏光儀(Spectroscopic ellipsometer)，其藉由機械式旋轉析光片(analyzer)以調整光波偏振態狀況，並檢測反射後的偏振光。然而，此專利前案的檢測方法需要旋轉析光片大幅降低了檢測的速度，高溫時將導致偏振態調變靈敏度飄移的 問題，且需要穩定度極高與精確校準的光學機構才能獲得精確的量測值。
美國專利證書號US 6,753,961揭示一種無轉動元件之光譜式橢圓偏光儀(Spectroscopic ellipsometer without rotating components)。然而，此專利前案的檢測方法雖然不需要旋轉析光片或偏光片，但是此專利前案的檢測方法無法充分利用入射光源，且待測物發生傾斜時，難以回收反射後的偏振光。
美國專利證書號US 6,922,244揭示一種具有校正橢圓偏光儀之薄膜光學量測系統及方法(Thin film optical measurement system and method with calibrating ellipsometer)，其可即時檢測反射後的偏振光。然而，此專利前案的檢測方法僅允許單一光源入射，難以量測特殊結構之待測物。
因此，便有需要提供一種橢圓偏光儀及用於橢圓偏光儀之偏振態調變方法，能夠解決前述的問題。
本發明之一目的為提供一種快速調變入射偏振光之方法，以改善習知橢圓偏光儀利用旋轉偏振片而調變入射偏振光之偏振態。
為了達上述目的，本發明提供一種橢圓偏光儀，其包括一量測光源、一入射光產生單元、一偏振態調變單元、一反射光接收單元及一光訊號處理單元。該量測光源用以 提供一光線，其中該量測光源為一雷射光源或一寬頻白光光源。該入射光產生單元用以將該光線轉換成一入射偏振光，該入射偏振光照射一待測物，其中該入射光產生單元包括：一分光鏡，用以通過該雷射光源或該寬頻白光光源之光線；一第一偏振片，用以將該光線轉換成一第一偏振光；一偏振分光鏡，其中當該量測光源為該寬頻白光光源時，該偏振分光鏡用以通過該第一偏振光而轉換成該入射偏振光；以及當該量測光源為該雷射光源時，該偏振分光鏡用以將該第一偏振光入射至該偏振態調變單元，並將該偏振態調變單元之調變後的該入射偏振光輸出；以及一擴束鏡組，用以該入射偏振光轉換成具有平行光束之該入射偏振光，並照射該待測物。該偏振態調變單元包括一聲光調制器，其中當該量測光源為一雷射光源時，該聲光調制器用以即時調變該入射偏振光之偏振態。該反射光接收單元用以接收一反射偏振光，並將該反射偏振光轉換成一待測偏振光，其中該反射偏振光是由該入射偏振光照射該待測物後所轉換。該光訊號處理單元包括一光偵測器及一訊號產生器。該光偵測器用以接收該待測偏振光之光相位訊號。該訊號產生器電性連接於該聲光調制器，其中當量測光源為雷射光源時，該訊號產生器根據該待測偏振光之光相位訊號而產生一調變訊號，並將該調變訊號傳送至該聲光調制器。
本發明更提供一種用於橢圓偏光儀之偏振態調變方 法，包括下列步驟：提供一量測光源，用以提供一光線，其中該量測光源為一雷射光源或一寬頻白光光源；提供一入射光產生單元，將該光線轉換成一入射偏振光，該入射偏振光照射一待測物，其中該入射光產生單元包括：一分光鏡，用以通過該雷射光源或該寬頻白光光源之光線；一第一偏振片，用以將該光線轉換成一第一偏振光；一偏振分光鏡，其中當該量測光源為該寬頻白光光源時，該偏振分光鏡用以通過該第一偏振光而轉換成該入射偏振光；以及當該量測光源為該雷射光源時，該偏振分光鏡用以將該第一偏振光入射至該偏振態調變單元，並將該偏振態調變單元之調變後的該入射偏振光輸出；以及一擴束鏡組，用以該入射偏振光轉換成具有平行光束之該入射偏振光，並照射該待測物；提供一聲光調制器，用以即時調變該入射偏振光之偏振態；接收一反射偏振光，並將該反射偏振光轉換成一待測偏振光，其中該反射偏振光是由該入射偏振光照射該待測物後所轉換；接收該待測偏振光之光相位訊號；以及根據該待測偏振光之光相位訊號而產生一調變訊號，並將該調變訊號傳送至該聲光調制器。
本偏振態調變方法為一種快速調變入射偏振光之方法，改善習知橢圓偏光儀利用旋轉偏振片而調變入射偏振光之偏振態，本偏振態調變方法可將Hz等級之調變速度提昇至kHz等級，有效地提高入射偏振光之調變速度，進而縮短整體量測時間。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。
參考圖1，其顯示本發明之一實施例之橢圓偏光儀100。該橢圓偏光儀100包括一量測光源110、一入射光產生單元120、一偏振態調變單元130、一反射光接收單元140及一光訊號處理單元150。該量測光源110用以提供一光線。該量測光源110可為一雷射光源110a或一寬頻白光光源110b。
該入射光產生單元120用以將該量測光源110之光線轉換成一入射偏振光，該入射偏振光照射一待測物102。該入射光產生單元120包括一分光鏡(beam splitter)121、一第一偏振片(polarizer)122及一偏振分光鏡(polarization beam splitter)123。該分光鏡121(例如裂光片)用以通過該雷射光源110a或該寬頻白光光源110b之光線。該第一偏振片122用以將該光線轉換成一第一偏振光。
當該量測光源110為該寬頻白光光源110b時，該偏振分光鏡123用以通過該第一偏振光而轉換成該入射偏振光。
當該量測光源110為該雷射光源110a時，該偏振分光鏡123用以將該第一偏振光入射至該偏振態調變單元130，並將該偏振態調變單元130之調變後的該入射偏振光輸出。
該擴束鏡組124用以該入射偏振光轉換成具有平行光 束之該入射偏振光，並照射該待測物102。
該偏振態調變單元130包括一聲光調制器(Acousto-optic Modulator)133，其中當該量測光源110為雷射光源110a時，該聲光調制器133用以即時(real time)調變該入射偏振光之偏振態。該偏振態調變單元130更包括一第二偏振片131、一聚焦鏡132及一球面反射鏡134。該第二偏振片131(例如1/4波片)用以將該第一偏振光轉換成一第二偏振光。該聚焦鏡132用以將該第二偏振光聚焦於該聲光調制器133，其中該聲光調制器133用以調變該第二偏振光。該球面反射鏡134用以將該聲光調制器133調變後之偏振光反射而依序再通過該聲光調制器133、聚焦鏡132及第二偏振片131而調變該入射偏振光。
參考圖2，該聲光調制器133便是指利用聲波在材料內部傳遞時造成材料折射率周期性的改變所製成的光調變器，典型的材料如石英玻璃便是常用來作為聲光調變器的材料之一。例如，聲光調制器133的主要基本構造是在具有晶體之石英玻璃135的一端貼附有一個傳感器(Transducer)136，如壓電材料：LiNbO3。當在傳感器136施加高頻(40MHz)的電壓時，會產生一個相同頻率的超音波在石英玻璃135中傳遞。由於超音波的傳遞會造成材料的折射率產生週期性的變化，因此聲光調變的機制就是以一調變訊號控制外加電場以調控偏振光通過晶體的相位延遲，進而調變該入射偏振光之偏振態。
該反射光接收單元140用以接收一反射偏振光，並將 該反射偏振光轉換成一待測偏振光，其中該反射偏振光是由該入射偏振光照射該待測物102後所轉換。該反射光接收單元包括一析光片(analyzer)141及一聚焦鏡142。該析光片141用以將該反射偏振光轉換成該待測偏振光。該聚焦鏡142用以將該待測偏振光聚焦於光偵測器151。
詳言之，該雷射光源110a之光線經過偏振片後光相位可維待固定，使用該聲光調制器133可對該入射偏振光進行偏振態調變。該入射偏振光經過該聲光調制器133調變後，該反射偏振光之橢偏極化率將隨時間而改變。使用本發明之橢圓偏光儀的該聲光調制器133所產生之偏振態調變速度，將遠大於機械旋轉式橢圓偏光儀所產生之偏振態調變速度。再者，在該偏振態調變單元130之光線路徑中，加入該球面反射鏡134，可使該入射偏振光來回經過兩次該聲光調制器133，進而補償一階繞射所產生夾角。該反射偏振光之偏振態亦將隨時間而改變。使用該聲光調制器133所產生之偏振態調變的優勢在於調變速度快，且不須具有機械旋轉式元件，因而可避免高溫所導致偏振態調變靈敏度飄移的問題。此外，由於該雷射光源110a之光線來回經過兩次該聲光調制器133可補償一階繞射夾角，因此可將原本只允許單波長入射之橢圓偏光儀提昇為多波長入射之橢圓偏光儀。
該光訊號處理單元150包括一光偵測器(photo detector)151及一訊號產生器(signal generator)154。該光偵測器151用以接收該待測偏振光之光相位訊號。該訊號產 生器154電性連接於該聲光調制器133，其中當該量測光源110為該雷射光源110a時，該訊號產生器154根據該待測偏振光之光相位訊號而產生一調變訊號，並將該調變訊號傳送至該聲光調制器133，用以即時調變該入射偏振光之偏振態。該光訊號處理單元150更包括一鎖相放大器(lock-in amplifier)152，電性連接於該光偵測器151及訊號產生器154，用以放大該待測偏振光之光相位訊號並傳送至該訊號產生器154。該光訊號處理單元150更包括一處理器153，根據該待測偏振光之光相位訊號而計算該待測物102之厚度或折射率。
詳言之，使用陣列式強度之光偵測器151記錄各波長偏振態變化，該光偵測器151之每一陣列元素相對應於該待測物102表面之一部分。依據各種不同待測物102建立光學模型，並與該光偵測器151所記錄各波長所對應各個偏振態之橢偏參數值(Ψ及△)進行比對。比較原始量測橢偏參數值與光學模型模擬的強度與相位進行均方誤差(mean-square-error；MSE)值比較，若兩者比較後之均方誤差值介於合理範圍，則量測可信度將提高。使用指定波長範圍，將量測之橢偏參數值(Ψ及△)換算成厚度或折射率等物理參數。
本實施例中，當該量測光源110為該寬頻白光光源110b時，該橢圓偏光儀100可離線(off line)量測待測物102之厚度(例如厚度固定之薄膜)或折射率。當該量測光源110為該雷射光源110a時，該橢圓偏光儀100可即時(real time) 量測待測物102之厚度(例如厚度成長中之薄膜)或折射率。
參考圖3，其顯示本發明之一實施例之用於橢圓偏光儀之偏振態調變方法。在步驟200中，提供一量測光源，用以提供一光線，其中該量測光源為一雷射光源或一寬頻白光光源。在步驟202中，提供一入射光產生單元，將該光線轉換成一入射偏振光，該入射偏振光照射一待測物，其中該入射光產生單元包括：一分光鏡，用以通過該雷射光源或該寬頻白光光源之光線；一第一偏振片，用以將該光線轉換成一第一偏振光；一偏振分光鏡，其中當該量測光源為該寬頻白光光源時，該偏振分光鏡用以通過該第一偏振光而轉換成該入射偏振光；以及當該量測光源為該雷射光源時，該偏振分光鏡用以將該第一偏振光入射至該偏振態調變單元，並將該偏振態調變單元之調變後的該入射偏振光輸出；以及一擴束鏡組，用以該入射偏振光轉換成具有平行光束之該入射偏振光，並照射該待測物。在步驟204中，提供一聲光調制器(Acousto-optic Modulator)，用以即時調變該入射偏振光之偏振態。在步驟206中，接收一反射偏振光，並將該反射偏振光轉換成一待測偏振光，其中該反射偏振光是由該入射偏振光照射該待測物後所轉換。在步驟208中，接收該待測偏振光之光相位訊號。在步驟210中，根據該待測偏振光之光相位訊號而產生一調變訊號，並將該調變訊號傳送至該聲光調制器。
本偏振態調變方法為一種快速調變入射偏振光之方 法，改善習知橢圓偏光儀利用旋轉偏振片而調變入射偏振光之偏振態，本偏振態調變方法可將Hz等級之調變速度提昇至kHz等級，有效地提高入射偏振光之調變速度，進而縮短整體量測時間。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
100‧‧‧橢圓偏光儀
102‧‧‧待測物
110‧‧‧量測光源
110a‧‧‧雷射光源
110b‧‧‧寬頻白光光源
120‧‧‧入射光產生單元
121‧‧‧分光鏡
122‧‧‧第一偏振片
123‧‧‧偏振分光鏡
124‧‧‧擴束鏡組
130‧‧‧偏振態調變單元
131‧‧‧第二偏振片
132‧‧‧聚焦鏡
133‧‧‧聲光調制器
134‧‧‧球面反射鏡
135‧‧‧石英玻璃
136‧‧‧傳感器
140‧‧‧反射光接收單元
141‧‧‧析光片
142‧‧‧聚焦鏡
150‧‧‧光訊號處理單元
151‧‧‧光偵測器
152‧‧‧鎖相放大器
153‧‧‧處理器
154‧‧‧訊號產生器
200~210‧‧‧步驟
圖1為本發明之一實施例之橢圓偏光儀之架構示意圖；圖2為本發明之一實施例之橢圓偏光儀之偏振態調變單元之聲光調制器之剖面示意圖；以及圖3為本發明之一實施例之用於橢圓偏光儀之偏振態調變方法之流程圖。
100‧‧‧橢圓偏光儀
102‧‧‧待測物
110‧‧‧量測光源
110a‧‧‧雷射光源
110b‧‧‧寬頻白光光源
120‧‧‧入射光產生單元
121‧‧‧分光鏡
122‧‧‧第一偏振片
123‧‧‧偏振分光鏡
124‧‧‧擴束鏡組
130‧‧‧偏振態調變單元
131‧‧‧第二偏振片
132‧‧‧聚焦鏡
133‧‧‧聲光調制器
134‧‧‧球面反射鏡
140‧‧‧反射光接收單元
141‧‧‧析光片
142‧‧‧聚焦鏡
150‧‧‧光訊號處理單元
151‧‧‧光偵測器
152‧‧‧鎖相放大器
153‧‧‧處理器
154‧‧‧訊號產生器

Claims (8)

  1. 一種用於橢圓偏光儀之偏振態調變方法，包括下列步驟：提供一量測光源，用以提供一光線，其中該量測光源為一雷射光源或一寬頻白光光源；提供一入射光產生單元，將該光線轉換成一入射偏振光，該入射偏振光照射一待測物，其中該入射光產生單元包括：一分光鏡，用以通過該雷射光源或該寬頻白光光源之光線；一第一偏振片，用以將該光線轉換成一第一偏振光；一偏振分光鏡，其中當該量測光源為該寬頻白光光源時，該偏振分光鏡用以通過該第一偏振光而轉換成該入射偏振光；以及當該量測光源為該雷射光源時，該偏振分光鏡用以將該第一偏振光入射至該偏振態調變單元，並將該偏振態調變單元之調變後的該入射偏振光輸出；以及一擴束鏡組，用以該入射偏振光轉換成具有平行光束之該入射偏振光，並照射該待測物；提供一聲光調制器，用以即時調變該入射偏振光之偏振態；接收一反射偏振光，並將該反射偏振光轉換成一待測偏振光，其中該反射偏振光是由該入射偏振光照射該 待測物後所轉換；接收該待測偏振光之光相位訊號；以及根據該待測偏振光之光相位訊號而產生一調變訊號，並將該調變訊號傳送至該聲光調制器。
  2. 一種橢圓偏光儀，包括：一量測光源，用以提供一光線，其中該量測光源為一雷射光源或一寬頻白光光源；一入射光產生單元，用以將該光線轉換成一入射偏振光，該入射偏振光照射一待測物，其中該入射光產生單元包括：一分光鏡，用以通過該雷射光源或該寬頻白光光源之光線；一第一偏振片，用以將該光線轉換成一第一偏振光；一偏振分光鏡，其中當該量測光源為該寬頻白光光源時，該偏振分光鏡用以通過該第一偏振光而轉換成該入射偏振光；以及當該量測光源為該雷射光源時，該偏振分光鏡用以將該第一偏振光入射至該偏振態調變單元，並將該偏振態調變單元之調變後的該入射偏振光輸出；以及一擴束鏡組，用以該入射偏振光轉換成具有平行光束之該入射偏振光，並照射該待測物；一偏振態調變單元，包括一聲光調制器，其中當該量測光源為該雷射光源時，該聲光調制器用以即時調變 該入射偏振光之偏振態；一反射光接收單元，用以接收一反射偏振光，並將該反射偏振光轉換成一待測偏振光，其中該反射偏振光是由該入射偏振光照射該待測物後所轉換；以及一光訊號處理單元，包括：一光偵測器，用以接收該待測偏振光之光相位訊號；以及一訊號產生器，電性連接於該聲光調制器，其中當該量測光源為該雷射光源時，該訊號產生器根據該待測偏振光之光相位訊號而產生一調變訊號，並將該調變訊號傳送至該聲光調制器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之橢圓偏光儀，其中該偏振態調變單元更包括：一第二偏振片，用以將該第一偏振光轉換成一第二偏振光；一聚焦鏡，用以將該第二偏振光聚焦於該聲光調制器，其中該聲光調制器用以調變該第二偏振光；以及一球面反射鏡，用以將該聲光調制器調變後之偏振光反射而依序再通過該聲光調制器、聚焦鏡及第二偏振片而調變成該入射偏振光。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之橢圓偏光儀，其中該反射光接收單元包括：一析光片，用以將該反射偏振光轉換成該待測偏振光；以及 一聚焦鏡，用以將該待測偏振光聚焦於該光偵測器。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之橢圓偏光儀，其中該光訊號處理單元更包括一鎖相放大器，電性連接於該光偵測器及訊號產生器，用以放大該待測偏振光之光相位訊號並傳送至該訊號產生器。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之橢圓偏光儀，其中該光訊號處理單元更包括一處理器，根據該待測偏振光之光相位訊號而計算該待測物之厚度或折射率。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之橢圓偏光儀，其中該聲光調制器，包括：一具有晶體之石英玻璃；以及一傳感器，貼附於該石英玻璃的一端，其中該調變訊號控制該傳感器之外加電場以調控偏振光通過晶體的相位延遲，進而調變該入射偏振光之偏振態。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之橢圓偏光儀，其中傳感器為壓電材料所製。
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