TWI502177B - 利用光波加減量測橢圓角之外差干涉架構 - Google Patents

Description

利用光波加減量測橢圓角之外差干涉架構

本發明涉及一種干涉儀架構，尤指透過光學方式達到干涉訊號的相加與相減，再將相加減後的干涉光訊號，由二個光電感測裝置轉換為電子訊號的偵測架構。

電磁波的偏振態，由於與材料的交互作用，導致偏振態改變，因此在光學感測領域，電磁波偏振態是一種應用極廣泛的感測工具，橢圓儀(ellipsometer)即是量測電磁波偏振態的變化量，據以推演薄膜材料的厚度與折射率；在許多工業生產或科學研究領域，利用橢圓儀分析薄膜材料，在溫度變化、或內部應力所產生的訊息，是瞭解薄膜材料特性，例如核化過程、組織結構、光學特徵等，極為重要的手段。

此外，薄膜材料的物理特性，與其在塊狀情形下，有極大的差異，而材料的物理行為，也常由材料的邊界特徵決定。由於薄膜材料厚度通常約為可見光波長範圍，光波在薄膜材料內多重反射後，不論是穿透或由薄膜材料反射，由於厚度與材質的折射率，導致光波的偏振態有所改變，因此研究薄膜材料的物理 特徵時，定量分析光波偏振態，可以深入瞭解薄膜材料的物理特性。由於橢圓儀的非破壞性感測特點，亦可以應用於生醫檢測，以瞭解生物材質之間的作用、或抗體與抗原之間的結合過程，也可用於即時定量分析生醫薄膜材料或藥理特性。

基本上，橢圓儀是量測斜向入射光波，經由待測薄膜反射後的偏振態改變量。如圖1所示，假設線偏振光波10斜向入射待測物平面20，定義光波行進方向與待測物平面20的法線21所構成的平面稱為入射面22，則光波可以分解為兩個互為垂直線偏振的光波分量，其中一個分量的線偏振態平行於入射面22，稱為P波，而另一分量的線偏振態則垂直於入射面22，稱為S波。當入射線偏振光波10於待測物平面20反射時，由於薄膜材料(待測物平面20)的折射率和厚度等物理特性，待測物平面對P波與S波有不同的複數反射係數，分別為r _P 與r _S 。

若線偏振光波10的P波與S波有相同的振幅與相位，則反射後反射光波10’的P波與S波，因為不同的複數反射係數，具有不同的振幅與相位，使得反射光波10’成為橢圓偏振態。而橢圓儀即是量測r _P /r _S 的比值

再由斐聶爾(Fresnel)公式所推衍的理論模式，計算出薄膜厚度d或折射率N、吸收係數K。其中Ψ =tan^-1 [|r _P |/|r _S |] (4)

公式(4)(5)分別代表反射率絕對值之比所對應的反正切角，與相位差，並且將之定義為橢圓角(Ψ ,△)。根據公式(4)(5)兩式，Ψ 的完整範圍應在[0,π/2]之間，而△的完整範圍在[-π,π]之間。若待測薄膜為多層材料，則可調整入射光波的角度，在不同的入射角條件下，量測對應的橢圓參數(Ψ _i ,△_i )，或是在相同入射角條件下，改變光波的波長，獲得對應的橢圓角(Ψ _i ,△_i )，再經由理論模式計算，求得各薄膜層的物理參數。

傳統的橢圓儀，例如旋轉式(Rotation Polarizer-Compensator-Sample-Analyzer)橢圓儀，基本上需要較長的量測時間。最近數年，利用干涉技巧量測橢圓角逐漸受到重視，因為干涉式橢圓儀如外差干涉橢圓儀、或相位移(Phase shifting)橢圓儀，感測偏振光波之間的干涉，可以消除散射光對感測靈敏度的影響，解析度得以提高，並且能夠提供近乎即時(Near real-time)的單點或橢圓參數訊息。

雖然干涉式橢圓儀量具有極高的靈敏度，但是因為光波干涉易受到環境的微擾，且光學系統必須經常作校正歸零；其次，即使採用外差干涉與相位偵測技術以降低雜訊的干擾，通常需要諸般儀器設備，以求獲得精確的量測結果，同時對於極短時間內薄膜厚度變化訊息的掌握，仍有進一步的提升空間。這類訊息大都為現場製程所須，以降低製程所耗時間，或是瞭解生物 材質的即時變化；過去的研究中，利用頻譜式橢圓儀(Spectro-scopic ellipsometry,SE)雖可以達到瞬時量測的目地，但需高功率光源與昂貴的頻譜分析設備，且須考慮光譜分量在薄膜材質內的色散(Dispersion)特性；同時，SE定量分析蒸鍍在透明基板上之薄膜厚度時，頻譜分量對光波偏振態改變的響應差異不明顯，導致量測準確度降低。最近應用偏無(Off-null)技術，已商業化的干涉式橢圓儀，以單頻雷射為光源，雖然亦可量測瞬時薄膜厚度的變化，但是必須假設Ψ 值在量測過程中維持不變，且需一組已知的橢圓參數值做對照參考；而應用雙光頻雷射作為光源量測橢圓參數，亦受到光源的微小橢圓偏振態，以及各線偏振態光波無法完全正交，導致量測誤差，故應用範圍與準確度受到限制。

本發明的目的是提供一種利用光波加減量測橢圓角之外差干涉架構，藉由高速控制光波相位在0與π/2之間變化，以及光波偏振態技巧，使量測過程免除外界環境的干擾，降低光源不理想的影響，同時抵消光波在干涉儀內的光程相位，且達到即時量測的要求。

為達到前述目的，本發明提供一種單光頻共光程式外差干涉架構，一種利用光波加減量測橢圓角之外差干涉架構，用於當單頻同調線偏振光波斜向入射待測薄膜反射後之橢圓偏振光波，用以求出橢圓參數值，其包含：一第一光學分光裝置，其用於將前述反射後的橢圓偏振光波分為一訊號光波與一參考光 波；在該訊號光波路徑中：一第一光頻率調整光學裝置用於微調該訊號光波的頻率，一可控相位調變光學裝置用以高速方式輪替施加相位0度與90度於該訊號光波的P波或S波，半波長相位延遲光學裝置，其具光軸方位角θ ，用以旋轉訊號光波的P波與S波線偏振方位角；在參考光波路徑中：一線偏振光學裝置用於將該參考光波的橢圓偏振態調整為線偏振態，且其方位角與X軸夾45度角，一第二光頻率調整光學裝置用以微調參考光波的頻率，第二光學分光裝置將前述訊號光波及參考光波重疊後，以同軸方式導引前進；以及一偏振分光光學裝置用以將光波重疊後之水平偏振光波導引至一第一光電感測裝置，同時將光波重疊後之垂直偏振光波導引至一第二光電感測裝置，用以將各線偏振電場產生之干涉能量，轉換為二組電子訊號，藉此利用電腦快速計算干涉訊號交流部分的振幅與相位，據以即時求出橢圓參數的變化，進而估算待測薄膜的厚度或折射率。

其中，當該可控相位調變光學裝置之光軸方位角與X軸夾0度，使得P波受到相位調變；若該可控相位調變光學裝置之光軸方位角與X軸夾90度，使得S波受到相位調變。

其中，當該半波長相位延遲光學裝置的光軸方位角θ =nπ +3π /8時，n=0或1，P波與S波的線偏振方位角分別旋轉到3π /4與π /4。

其中，當該半波長相位延遲光學裝置的光軸方位角θ =nπ +7π /8時(n=0或1)，P波與S波的線偏振方位角分別旋轉到 -3π /4與-π /4。當該半波長相位延遲光學裝置的光軸方位角θ =nπ +π /8時(n=0或1)，P波與S波的線偏振方位角分別旋轉到π /4與-π /4。當該半波長相位延遲光學裝置的光軸方位角θ =nπ +5π /8時(n=0或1)，P波與S波的線偏振方位角分別旋轉到-3π /4與3π /4。

其中，在該訊號光波路徑中，該可控相位調變光學裝置與該半波長相位延遲光學裝置之位置可以互相調換，對調後的該可控相位調變光學裝置之光軸方位角調整為與X軸夾45度角與夾135度角其中之一。

其中，在參考光波路徑中，該線偏振光學裝置與第二光頻率調整光學裝置之位置可以互相調換，且該線偏振光學裝置的方位角與X軸夾45度角。

其中，在該訊號光波路徑中設有一第一反光鏡光學裝置，在參考光波路徑中設有一第二反光鏡光學裝置，分別用於導引訊號光波及參考光波。

本發明透過共光程設計，可以消除共模雜訊以及光程相位的影響；而光源的微小橢圓特徵，可以藉由事先校正，於量測橢圓參數後扣除，不致影響量測結果；同時藉由一個高速可控式相位調變器，使得光波相位在0與π /2之間做急速變化，再將相加與相減後的干涉訊號，藉由二個光電感測裝置轉換為電子訊號，經過同步取樣後，由電腦高速計算交流訊號的振幅與相位；以達到即時量測待測薄膜的橢圓參數的目地，進而推算待測薄膜 的物理特徵。

本發明的優點在於，利用共光程光學架構、光波偏振態的調整以及快速相位調變，使光波相加相減後轉為外差干涉訊號；干涉訊號同步取樣後，藉由電腦的快速計算，求得橢圓參數，達到即時量測的目標。本發明之干涉架構可以消除共模雜訊，干涉儀架構內的光程相位可以在計算過程中抵銷，不需考慮外界環境變化的干擾，有效提升量測的精確度；同調光源的微小橢圓偏振態，亦可藉由事先校正得以扣除，不影響量測結果。

10‧‧‧線偏振光波

10’‧‧‧反射光波

20‧‧‧待測物平面

21‧‧‧法線

22‧‧‧入射面

100‧‧‧線偏振光波

100’‧‧‧橢圓偏振光波

110‧‧‧訊號光波

120‧‧‧參考光波

200‧‧‧待測薄膜

300‧‧‧第一光學分光裝置

400‧‧‧第一光頻率調整光學裝置

410‧‧‧可控相位調變光學裝置

420‧‧‧半波長相位延遲光學裝置

500‧‧‧線偏振光學裝置

510‧‧‧第二光頻率調整光學裝置

610‧‧‧第一反光鏡光學裝置

620‧‧‧第二反光鏡光學裝置

700‧‧‧第二光學分光裝置

710‧‧‧偏振分光光學裝置

810‧‧‧第一光電感測裝置

820‧‧‧第二光電感測裝置

圖1為橢圓儀量測基本原理之示意圖。

圖2為本案實施之基本光學架構圖。

圖3為本案半波長相位延遲光學裝置方位角在θ =nπ +3π /8時P波與S波線偏振方位角的變化示意圖。

圖4為本案半波長相位延遲光學裝置方位角在θ =nπ +7π /8時P波與S波線偏振方位角的變化示意圖。

圖5為本案半波長相位延遲光學裝置方位角在θ =nπ +π /8時P波與S波線偏振方位角的變化示意圖。

圖6為本案半波長相位延遲光學裝置方位角在θ =nπ +5π /8時P波與S波線偏振方位角的變化示意圖。

圖7依據圖3及圖4的線偏振方位角投射到第一光電感測裝置的水平電場分量。

圖8依據圖3及圖4的線偏振方位角投射到第一光電感測裝置 的垂直電場分量。

圖9依據圖5及圖6的線偏振方位角投射到第一光電感測裝置的水平電場分量。

圖10依據圖5及圖6的線偏振方位角投射到第一光電感測裝置的垂直電場分量。

茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

如圖2所示，本發明係一種共光程之外差干涉架構，用以當單頻同調線偏振光波100斜向入射待測薄膜200反射後之橢圓偏振光波100’透過與光波偏振態無關的一第一光學分光裝置300分為訊號光波110與參考光波120。

然後，在該訊號光波110路徑中，該訊號光波110經由一第一光頻率調整光學裝置400微調該訊號光波110的頻率；再由一可控相位調變光學裝置410以高速方式，輪替施加相位0度與90度於該訊號光波110的P波或S波，該可控相位調變光學裝置410之光軸方位角可與X軸夾0度，使得P波受到相位調變，或是與X軸夾90度，使得S波受到相位調變；然後再由一光軸方位角為θ 的半波長相位延遲光學裝置420用以旋轉該訊號光波110之P波與S波線偏振方位角。

而，在參考光波120路徑中，先透過一線偏振光學裝 置500將參考光波120之橢圓偏振態調整為線偏振態，且其方位角與X軸夾45度角；再由一具光學頻率調整之第二光頻率調整光學裝置510微調參考光波120的頻率，頻率微調後參考光波120頻率與訊號光波110頻率微調後之差即為外差頻率。

實施上，本案整體架構設有一第一反光鏡光學裝置610及一第二反光鏡光學裝置620，如圖示，在訊號光波110路徑中設有該第一反光鏡光學裝置610，在參考光波120路徑中設有該第二反光鏡光學裝置620，二反光鏡光學裝置610及620分別用於導引訊號光波110及參考光波120。

再來，由與光波偏振態無關的一第二光學分光裝置700將訊號光波110及參考光波120重疊後，以同軸方式導引前進；前進到一偏振分光光學裝置710後，該偏振分光光學裝置710將光波重疊後之水平偏振光波導引至一第一光電感測裝置810，同時該偏振分光光學裝置710亦將光波重疊後之垂直偏振光波導引至一第二光電感測裝置820。

當高速的可控相位調變光學裝置410提供0度相位偏移量時，二光電感測裝置810與820的外差干涉輸出電子訊號，可藉由同步取樣方式，將取樣的兩組訊號存入電腦；當高速的可控相位調變光學裝置410提供90度相位偏移量時，再同步取樣二光電感測裝置810與820的輸出訊號，將取樣的兩組訊號存入電腦；該四組取樣後的資料，藉由各種技巧，例如最大相似估測法(Maximum likelihood estimation)，計算各訊號的交流振幅與相位， 根據四組交流振幅與四組相位訊息，得以計算待測薄膜之橢圓參數。

其中，該半波長相位延遲光學裝置420的光軸方位角θ ，相對於X軸向安排在θ =nπ +3π /8，或是θ =nπ +7π /8，其中n=0或1，使得P波與S波的線偏振方位角，分別旋轉到3π /4與π /4，或-π /4與-3π /4，如圖3與圖4所示(圖中圓點表示光波射出紙面，虛線表示水平X軸向)。在此條件下，二光電感測裝置810與820分別將該偏振分光光學裝置710導引之水平偏振光波，及該偏振光學分光裝置710導引之垂直線偏振光波，轉換為類比外差干涉訊號；同步取樣後的四組干涉訊號，經由計算過程，求得待測薄膜的橢圓參數。

當該半波長相位延遲光學裝置420之光軸方位角θ =nπ +π /8或θ =nπ +5π /8時，P波與S波的線偏振方位角，分別旋轉到π /4與-π /4，或-3π /4與3π /4，如圖5與圖6所示(圖中圓點表示光波射出紙面，虛線表示水平X軸向)。當高速的可控相位調變光學裝置410施加0及90度之相位偏移於P波，計算待測薄膜200橢圓參數過程中，只需將原光波相加之干涉訊號，與原光波相減之干涉訊號對調，計算過程不變；若可控相位調變光學裝置410施加0及90度之相位偏移於S波，則計算公式略作調整，亦可輕易求得待測薄膜之橢圓參數。

以下為本發明的計算公式。學理上訊號光波的電場Esig，可藉瓊斯矩陣(Jones matrix)說明；當訊號光波110分解成P 波與S波，從干涉儀角度看，P波與X軸同向，S波與垂直Y軸同向，故

上式(6a)(6b)中，a₁₁ 、b₁₁ 為訊號光波110及參考光波120經過該第一光學分光裝置300分光後的振幅衰減率，E _in 為入射偏振光波100的電場振幅，上式中，光波頻率暫時捨去；而ε 、δ 分別為入射偏振光波100微小的橢圓偏振量，因此ε 1，δ 0，且可以經由校正量測得知，因此光源光波電場可表示為：

經由高速的可控相位調變光學裝置410將0度及90度高速調變相位施加於訊號光波110之P波，而該半波長相位延遲光學裝置420調整P波與S波的偏振方向，如圖3或圖4所示。當可控相位調變光學裝置410提供0度相位差，投射到該第一光電感測裝置810的電場水平分量E _x,sig ，如圖7所示。

上式(8)中a為訊號光波110經第一光學分光裝置300、第一光頻率調整光學裝置400及第二光學分光裝置700的振幅 衰減率，(8)式第一項的減號表示P波與S波在X軸向投影時，由於兩投影之偏振態方向相反，因此兩光波之間的相位差為180度；(8)式第二項為參考光波120電場在X軸向的投影，b為參考光波120經過第一光學分光裝置300、線偏振光學裝置500、第二光頻率調整光學裝置510及第二光學分光裝置700後的振幅衰減率；則為斜向45度電場在X軸向投影的衰減率。α _sig 為P波與S波的共光程相位，α _ref 為參考光波120的光程相位；而α ₃₀ 乃參考光波120之橢圓偏振態，經由線偏振光學裝置500轉換為線偏振態後的光學相位，其可藉由線偏振光學裝置500與參考光波120之瓊斯矩陣計算而得 α =π /4為線偏振光學裝置500之光軸與X軸的夾角，經過計算得到

由上式(9a)及(9b)可知，除了參考光波120的相位α ₃₀ 為待測薄膜200橢圓參數及光源微小橢圓偏振量之函數外，參考光波120的振幅b，因包含b₁₁ 在內，亦為待測薄膜200橢圓參數及光源微小橢圓偏振量之函數，但由於本發明的共光程設計，不只呈現於光學架構，亦呈現於電子訊號內；因此在訊號處理時，量測之橢圓參數，皆不需考慮參考光波之振幅與相位。依據相同原理， 投射到第二光電感測裝置820的垂直線偏振電場E _y,sig 如圖8所示。

因此，該第一光電感測裝置810及第二光電感測裝置820的輸出干涉訊號為：I _0,x =κ {a² (|r _P |² +ε ² |r _S |² )/2-ε a² |r _P ||r _S |cos(△-δ )+b² /2+abI _in |I _0,x |cos(△ω t +θ _0,x } (11)

I _0,y =κ {a² (|r _P |² +ε ² |r _S |² )/2+ε a² |r _P ||r _S |cos(△-δ )+b² /2+abI _in |I _0,y |cos(△ω t +θ _0,y } (12)

I _in =|E _in |² ，(11)、(12)兩式中，下標0表示高速可控相位調變光學裝置(22)提供的相位調變為零；其中κ 為光電感測裝置810與820的響應率，本發明中，假設光電感測裝置810及820有相同的響應頻譜，實務上，些微差異可以透過電腦軟體補償。

此外，(11)、(12)式中

表示干涉訊號交流分量的振幅，而其相位分別為

且因共光程設計，η ₁ 同時出現於θ _0,x 及θ _0,y 。

當高速的可控相位調變光學裝置410提供P波的相位為90度，依據前述學理，第一光電感測裝置810及第二光電感測裝置820的輸出訊號為I _90,x =κ {a² (|r _P |² +ε ² |r _S |² )/2+ε a² |r _P ||r _S |sin(△-δ )+b² /2+abI _in |I _90,x |cos(△ω t +θ _90,x } (16)

I _90,y =κ {a² (|r _P |² +ε ² |r _S |² )/2-ε a² |r _P ||r _S |cos(△-δ )+b² /2+abI _in |I _90,y |cos(△ω t +θ _90,y } (17)其中

為I _90,x 及I _90,y 之干涉訊號交流部分的振幅，而其相位為

因此，藉由干涉光波的相加減，得到外差干涉訊號，由於可控相位調變光學裝置410提供0度與90度的相位調變頻率可達數千赫茲(KHz)等級，且同步取樣頻率可高達數百千赫茲，因此同步取樣時間極短，待測薄膜200的狀態在此瞬間可視為固定無變化，故可以提供即時橢圓參數訊息。同時利用過去發展的技術， 例如最大近似估算技巧，可求得每組干涉訊號交流分量的振幅、及其相位。

在前述干涉訊號的交流振幅與相位中，光源的微小橢圓偏振量ε 、δ，分別附於|r _S |及△，因此，在後續說明中，將ε 、δ分別吸附於|r _S |及△內，最後由量測的橢圓參數中扣除即可。

由(13)式的|I _0,x |及|I _0,y |，與(18)式的|I _90,x |及|I _90,y |，橢圓參數△的計算式為

(21)式中，分子分母皆包含abI _in ，故得以抵消，因此橢圓參數△的計算，與訊號光波110振幅a及參考光波120振幅b無關。且根據(21)式分子分母的正負，△值在完整範圍[-π ，π ]。至於橢圓角Ψ 的計算，根據交流干涉訊號相位可以得到

由於所有相位的計算，皆以第一次取樣的時間為準，因此對同步取樣而言，所有的相位基準點是相同的，而δθ ₁ 與δθ ₂ 的計算，將共模相位η ₁ ，全部抵消；由此得到

此外，由交流振幅可以得到

同樣與振幅a,b無關，所以

再由D1、D2，橢圓角Ψ計算式為 由於|D₁ |>|D₂ |，故不論D₁ 值的正負，Ψ 的分佈範圍皆在[0,π /2]。

以上學理說明，乃是針對訊號光波110的P波與S波，經高速可控相位調變光學裝置410，將調變相位0度與90度施加於P波，且半波長相位延遲光學裝置420旋轉其線偏振方位角如圖3及圖4所示；若可控相位調變光學裝置410將調變相位施加於S波，但干涉訊號的交流振幅不變，因此計算橢圓參數△的公式如(21)式不變，而θ _0,x 、θ _0,y 不變如(14)式，但θ _90,x 與θ _90,y 的變為

因此只需將δθ ₂ 的計算公式改為δθ ₂ =θ _90,x -θ _90,y (28) 後續計算式如同(23)式到(26)式不變，使得橢圓參數Ψ 的計算結果仍然相同。

當訊號光波110穿過該半波長相位延遲光學裝置420之後，該裝置的光軸方位角使得P波與S波的線偏振方位角，旋轉如圖5及圖6所示，於此條件下，當該可控相位調變光學裝置410提供0度相位調變於P波時，該偏振分光光學裝置710將重合光波在X軸向的線偏振電場，如圖9所示(虛線為參考光波的電場分量)，導引至該第一光電感測裝置810，因各光波之線偏振方向相同，故第一光電感測裝置810得到的外差訊號，其數學表示式如同(12)式：

而該偏振分光光學裝置710將重合光波在Y軸向的線偏振電場，如圖10所示(虛線為參考光波的電場分量)，導引至第二光電感測裝置820，因P波與S波在此方向投影之線偏振方向相反，故第二光電感測裝置820得到的外差訊號，其數學表示式如同(11)式：

(29a)(29b)式上標1表示訊號光波的P波與S波，經半波長相位延遲光學裝置420後的線偏振態如圖5或圖6所示；若該可控相位調變光學裝置410將90度調變相位施加於P波，由該第一光電感測裝置810及第二光電感測裝置820得到的干涉訊號、分別為：

因此，經同步取樣後，得到的干涉訊號的振幅||、||，如同(13)式 而其相位如(19b)式，如(19a)式 將對應的振幅與相位，代入(21)式到(26)式中即可求得；但若可控相位調變光學裝置(22)將調變相位施加於S波，、與(14)式相同 因此δθ ₂ 的計算式，改為 仍可獲得相同的橢圓參數。

換句話說，本發明申請案的可控相位調變光學裝置410施加相位調變於P波或S波，搭配半波長相位延遲光學裝置420的光軸方位角，可有多種組合，只需在計算時選擇正確的計算式，皆可得到相同的結果。

因此在實施上，在該訊號光波110路徑中，該可控相位調變光學裝置410與該半波長相位延遲光學裝置420之位置可以互相調換，對調後的該可控相位調變光學裝置410之光軸方位角調整為與X軸夾45度角與夾135度角其中之一，必須調整為與旋轉後之P波或S波平行，不影響量測結果。

而在參考光波120路徑中，該線偏振光學裝置500與第二光頻率調整光學裝置510之位置可以互相調換，且該線偏振光學裝置的方位角與X軸夾45度角，不影響量測結果。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧線偏振光波

100’‧‧‧橢圓偏振光波

110‧‧‧訊號光波

120‧‧‧參考光波

200‧‧‧待測薄膜

300‧‧‧第一光學分光裝置

400‧‧‧第一光頻率調整光學裝置

410‧‧‧可控相位調變光學裝置

420‧‧‧半波長相位延遲光學裝置

500‧‧‧線偏振光學裝置

510‧‧‧第二光頻率調整光學裝置

610‧‧‧第一反光鏡光學裝置

620‧‧‧第二反光鏡光學裝置

700‧‧‧第二光學分光裝置

710‧‧‧偏振分光光學裝置

810‧‧‧第一光電感測裝置

820‧‧‧第二光電感測裝置

Claims (9)

1. 一種利用光波加減量測橢圓角之外差干涉架構，用於當單頻同調線偏振光波斜向入射待測薄膜反射後之橢圓偏振光波，用以求出橢圓參數的變化，其包含：一第一光學分光裝置，其用於將其述反射後的橢圓偏振光波分為一訊號光波與一參考光波；在該訊號光波路徑中：一第一光頻率調整光學裝置，其用於微調該訊號光波的頻率；再由一可控相位調變光學裝置，其用以高速方式輪替施加相位0度與90度於該訊號光波的P波或S波；再由一半波長相位延遲光學裝置，其具光軸方位角θ，用以旋轉該訊號光波的P波與S波線偏振方位角；在該參考光波路徑中：先透過一線偏振光學裝置，其用於將該參考光波的橢圓偏振態調整為線偏振態，且其方位角與X軸夾45度角；再由一第二光頻率調整光學裝置，其用以微調該參考光波的頻率；再來，由一第二光學分光裝置前述訊號光波及參考光波重疊後，以同軸方式導引前進；以及一偏振分光光學裝置，其用以將光波重疊後之水平偏振光波導引至一第一光電感測裝置，同時將光波重疊後之垂直偏振光波導引至一第二光電感測裝置，用以將各線偏振電場產生之干涉能量，轉換為二組電子訊號，藉此利用電腦快速計算干涉訊號交流部分的振幅與相位，據以即時求出橢圓參數的變化，進而 估算待測薄膜的厚度或折射率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之外差干涉架構，其中，當該可控相位調變光學裝置之光軸方位角與X軸夾0度，使得P波受到相位調變；當該可控相位調變光學裝置之光軸方位角與X軸夾90度，使得S波受到相位調變。
3. 如申請專利範圍第1項所述之外差干涉架構，其中，當該半波長相位延遲光學裝置的光軸方位角θ=nπ+3π/8時，n=0或1，P波與S波的線偏振方位角分別旋轉到3π/4與π/4。
4. 如申請專利範圍第1項所述之外差干涉架構，其中，當該半波長相位延遲光學裝置的光軸方位角θ=nπ+7π/8時，n=0或1，P波與S波的線偏振方位角分別旋轉到-3π/4與-π/4。
5. 如申請專利範圍第1項所述之外差干涉架構，其中，當該半波長相位延遲光學裝置的光軸方位角θ=nπ+π/8時，n=0或1，P波與S波的線偏振方位角分別旋轉到π/4與-π/4。
6. 如申請專利範圍第1項所述之外差干涉架構，其中，當該半波長相位延遲光學裝置的光軸方位角θ=nπ+5π/8時，n=0或1，P波與S波的線偏振方位角分別旋轉到-3π/4與3π/4。
7. 如申請專利範圍第1項所述之外差干涉架構，其中，在該訊號光波路徑中，該可控相位調變光學裝置與該半波長相位延遲光學裝置之位置可以互相調換，對調後的該可控相位調變光學裝置之光軸方位角調整為與X軸夾45度角與夾135度角其中之一。
8. 如申請專利範圍第1項所述之外差干涉架構，其中，在該參考光波路徑中，該線偏振光學裝置與第二光頻率調整光學裝置之位置可以互相調換，且該線偏振光學裝置的方位角與X軸夾45度 角。
9. 如申請專利範圍第1項所述之外差干涉架構，其中，在該訊號光波路徑中設有一第一反光鏡光學裝置，在該參考光波路徑中設有一第二反光鏡光學裝置，分別用於導引該訊號光波及該參考光波。