一种共轴超快光谱椭偏仪及测量方法
阅读说明：本技术 一种共轴超快光谱椭偏仪及测量方法 (Coaxial ultrafast spectrum ellipsometer and measurement method ) 是由 王健 翟福琪 彭立华 卢文龙 徐龙 周莉萍 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明属于光学测量相关技术领域,并公开了一种共轴超快光谱椭偏仪及测量方法。该椭偏仪包括照明光路单元和光谱采集单元,照明光路单元用将光源出射的源光束进行偏振和相位调制,产生包含偏振方向相互垂直并且存在固定相位差的两个分量的混合光束,然后将该混合光束投射到待测样品表面；光谱采集单元采集从待测样品表面反射的光束并进行偏振解调和光谱分散,从而获得干涉光谱；照明光路单元中设置有偏振干涉调制模块,该偏振干涉调制模块用于形成一束偏振方向相互垂直并且存在固定相位差的两个分量的混合光束。通过本发明,解决传统椭偏测量方法横向分辨率低、测量速度慢等问题,实现对超薄纳米薄膜的小光斑尺寸和宽入射角度超快椭偏测量。(The invention belongs to the technical field related to optical measurement, and discloses a coaxial ultrafast spectrum ellipsometer and a measurement method. The ellipsometer comprises an illumination light path unit and a spectrum acquisition unit, wherein the illumination light path unit is used for polarizing and phase modulating a source light beam emitted by a light source to generate a mixed light beam containing two components with mutually vertical polarization directions and a fixed phase difference, and then projecting the mixed light beam onto the surface of a sample to be measured; the spectrum acquisition unit acquires light beams reflected from the surface of a sample to be detected, and performs polarization demodulation and spectrum dispersion so as to obtain an interference spectrum; the illumination light path unit is provided with a polarization interference modulation module which is used for forming a mixed light beam of two components with polarization directions which are perpendicular to each other and a fixed phase difference. By the method, the problems of low transverse resolution, low measurement speed and the like of the traditional ellipsometry measurement method are solved, and the ultra-fast ellipsometry measurement of the small light spot size and the wide incident angle of the ultra-thin nano film is realized.)
技术领域
本发明属于光学测量相关技术领域，更具体地，涉及一种共轴超快光谱椭偏仪及测量方法。
背景技术
利用电磁波矢量的偏振特性可以揭示材料或薄层的结构、组成及厚度等信息，椭圆偏振仪(简称椭偏仪)是一种利用该原理获得待测样品信息的光学测量仪器。典型的光谱椭偏仪通常包括倾斜布置的照明臂和检偏臂，照明臂包括宽带光源和偏振态调制器，该照明臂被配置为以特定的入射角(AOI)入射在样品表面，检偏臂收集从样品表面反射的光束并调制分析，获得待测样品对入射偏振光偏振态的改变量(包括幅值比和相位差)，从而反演待测样品的相关信息。典型的光谱椭偏仪基于旋转偏振器件(偏振器或补偿器)、光学相位调制器、双折射液晶系统改变光束的偏振状态，在至少一个调制周期内，通过分析采集的强度光谱时间序列，来获取待测样品导致的偏振态改变量。这种基于时间偏振调制的测量方法存在着测量精度受光源强度和旋转部件的不稳定性影响大、测量时间受偏振调制周期限制等固有缺陷，难以用于实际生产条件下的实时测量。
薄膜制备工艺在半导体和显示工艺中占据着越来越重要的地位，在薄膜制备过程中，对薄膜厚度和折射率的实时精确测量对工艺成品率的提高起着至关重要的作用；同时，随着测量目标尺寸的减小，需要具有较小光斑尺寸的测量技术和仪器；显然，传统的椭偏仪已难以应用于上述场景。为实现超快偏振参数测量，出现了基于双通道传感方案的干涉快照椭偏仪和采用多个波片的信道频谱快照椭偏仪；但基于双通道传感方案的干涉快照椭偏仪原理复杂、装置笨重，硬件成本较高；采用多个厚波片的信道频谱快照椭偏仪原始信号频谱复杂性较高，信号处理更加复杂和耗时，且可用的频谱范围受波片的限制。为实现小光斑尺寸测量，出现了在样品前放置物镜以及共轴布置的椭偏仪，但该类仪器往往仍采用传统的偏振调制方法。为解决传统椭偏仪照明臂角度配置复杂、单次测量无法获得多个入射角度信息的问题，出现了基于角分辨技术或后焦面成像技术的测量仪器。但是，依然鲜有能将上述问题综合考虑并提供解决方案的光谱椭偏测量仪器。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种共轴超快光谱椭偏仪及测量方法，解决单次测量获得多个角度信息的问题，实现了对超薄纳米薄膜的小光斑尺寸、宽入射角度超快椭偏测量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种共轴超快光谱椭偏仪，该椭偏仪包括照明光路单元和光谱采集单元，其中：
所述照明光路单元用于将光源出射的源光束进行偏振和相位调制，产生包含偏振方向相互垂直并且存在固定相位差的两个分量的混合光束，然后将该混合光束投射到待测样品表面；所述光谱采集单元包括用于采集从待测样品表面反射的光束并进行偏振解调和光谱分散，从而获得干涉光谱；
所述照明光路单元中设置有偏振干涉调制模块，该偏振干涉调制模块包括第一非偏振分束镜、第二偏振器、第一平面反射镜、第三偏振器和第二平面反射镜，所述第一非偏振分束镜用于将光线分为两束，其中一束进入所述第二偏振器和设置在该第二偏振器后方的第一平面放射镜，另外一束进入所述第三偏振器和设置在该第三偏振器后方的第二平面放射镜，所述第二偏振器与第三偏振器的偏振轴方向相互垂直，两束光线经过所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜后原路返回值所述第一非偏振分束镜，该第一非偏振分束镜将两束光线合并为一束偏振方向相互垂直并且存在固定相位差的两个分量的混合光束。
进一步优选地，所述光谱采集单元包括物镜、第一管透镜、第二非偏振分束镜、第四偏振器、第二管透镜和成像光谱仪，所述第二非偏振分束镜设置在所述偏振干涉调制模块的后方，混合光束进入该第二非偏振分束镜后进入所述第一管透镜，该第一管透镜设置在所述第二非偏振分束镜与所述物镜之间，用于将准直光束会聚到所述物镜的后焦面上，所述物镜设置在待测样品的上方，用于将光束投射到待测样品表面，所述第四偏振分束镜设置在所述第二非偏振分束镜的上方，用于将光分束，分别导入成像光谱仪和辅助成像模块，所述第二管透镜设置在所述第二非偏振分束镜的上方，用于将准直光束会聚于成像光谱仪狭缝平面，所述成像光谱仪设置在所述第二管透镜的上方，用于对反射光进行光谱分散产生干涉光谱。进一步优选地，所述第一管透镜的焦平面与物镜的后焦面重合，所述第一管透镜与第二管透镜的焦平面重合，所述第二管透镜的焦平面与所述成像光谱仪的狭缝平面重合。
进一步优选地，所述光谱采集单元中还设置有辅助成像模块，用于观察高数值孔径物镜后焦面成像从而判断待测样品的对焦情况，包括第三非偏振分束镜、第三管透镜和面阵相机，所述第三非偏振分束镜设置在所述第四偏振器和第二管透镜之间，所述第三管透镜设置在所述第三非偏振分束镜的后方，用于将光会聚于面阵相机像元平面，所述面阵相机设置在所述第三管透镜的后方，用于观测物镜后焦面的傅里叶像。
进一步优选地，照明光路单元中还设置在所述偏振干涉调制模块上方的光源、准直透镜、第一偏振器和光阑，所述光源发出源光束，所述准直镜设置在光源后方，用于使得发散光束变为准直管束，所述第一偏振器用于将非偏振光转化为线偏振光，所述光阑用于限制光束的孔径。
进一步优选地，所述偏振干涉调制模块的两条光路中设置有第一光学快门和第二光学快门，该第一光学快门和第二光学快门用于遮蔽光路，所第一光学快门设在所述第一非偏振分束镜和第二偏振镜之间，所述第二光学快门设置在所述第一非偏振分束镜和第三偏振器之间。
进一步优选地，所述第一偏振器的偏振轴与成像光谱仪狭缝的方向成45度角。
进一步优选地，所述第二偏振器的偏振轴与成像光谱仪狭缝的方向成0度角，所述第三偏振器的偏振轴与成像光谱仪狭缝的方向成90度角
进一步优选地，所述椭偏仪中还设置有样品调节模块，该样品调节模块用于调整待测样品与所述物镜之间的相对位置。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的一种共轴超快光谱椭偏仪的测量方法，该方法包括下列步骤：
S1、利用标准反射镜对上述共轴光谱椭偏仪进行标定，以此获取共轴超快光谱椭偏仪测量标准反射镜时的光强光谱信号α2、β2和Iref，利用Iref计算由共轴超快光谱椭偏仪引起的光谱相干函数γref和光谱相函数Φref；
S2、将待测样品置于样品台上，打开光源和所有光学快门进行测量，获得待测样品反射回的光的光强干涉光谱信号Isam；将待测样品的光强干涉光谱信号进行分析处理，结合仪器标定结果，便可得到由待测样品反射光的偏振状态参数Ψ和Δ；
S4、将上述测量得到的偏振状态参数与由待测样品的理论模型推导出的偏振状态参数的理论表达式进行拟合，进而得到待测样品的薄膜参数向量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明利用偏振干涉调制模块，产生一束同时包含p偏振分量和s偏振分量且具有固定相位差的混合光束，利用该混合光束照射待测样品并采集反射光获取单帧反射干涉光谱，从而能够利用傅里叶分析等方法快速求得待测样品的反射偏振参数；
2.本发明通过高数值孔径物镜结合科勒照明方式实现基于共轴系统的角分辨测量，在单次测量中能够同时获得包含入射光照射待测样品的入射角度对应反射光干涉光谱信息的二维光谱，利用该二维光谱结合所述测量方法可以计算在物镜数值孔径范围内全部入射角对应的椭偏振幅比和椭偏相位差信息；
3.本发明提出了一种可以对大面积模块生产的超薄薄膜进行实时测量的共轴超快椭偏仪，该仪器既不需要旋转偏振元件也不需要光学相位调制器和双折射液晶系统等基于时间序列的偏振调制方式，本发明中仅通过单帧干涉光谱精确获取待测样品的偏振参数，具有微秒级的测量速度,实现超快椭偏测量；
4.本发明引入高数值孔径物镜共轴光路结构，在提升测量精度的同时，避免了传统的倾斜布置椭偏仪光斑尺寸较大、横向分辨率低、视场狭窄、易受振动影响测量精度等问题；
5.本发明所提出的装置，结构简单、紧凑，易于调试。同时具有极大的可扩展性，能够结合不同的测量对象进行配置优化。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所提供的一种共轴超快光谱椭偏仪的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所提供的偏振干涉调制模块结构及原理示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所提供的共轴超快光谱椭偏仪的测量原理示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所提供的BFP面与样品表面光线入射角的关系示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-光源，2-准直透镜，3-第一偏振器，4-光阑，5-第一非偏振分束镜，6-第一光学快门，7-第二偏振镜，8-第一平面反射镜，9-第二光学快门，10-第三偏振器，11-第二平面反射镜，12-第二非偏振分束镜，13-第一管透镜，14-物镜后焦面，15-物镜，16-待测样品，17-样品调节模块，18-第四偏振器，19-第三非偏振分束镜，20-第二管透镜，21-成像光谱仪，22-成像光谱仪狭缝，23-第三管透镜，24-面阵相机，100-偏振干涉调制模块，101-线偏振光束，102-第一子光束，103-第二子光束，104-第一准直光束，105-第二准直光束，200-辅助成像模块，300-入射平面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1、图2和图3，本发明提供的一种共轴超快椭偏仪，包括照明光路单元、样品调节模块17、光谱采集单元、辅助成像模块200；照明光路单元用于将外部光源出射的源光束进行偏振和相位调制，产生一束含有偏振方向相互垂直且存在固定相位差两个分量的混合光束，并将该混合光束投射到待测样品表面；其包括依次设置的光源1、准直透镜2、第一偏振器3、光阑4、偏振干涉调制模块100。
偏振干涉调制模块包括第一非偏振分束镜5、第一光学快门6、第二偏振镜7、第一平面反射镜8、第二光学快门9、第三偏振器10、第二平面反射镜11；偏振干涉调制模块包括精密位移调控装置，装置用于驱动第一平面反射镜或第二平面反射镜产生线性位移，用于控制两束不同偏振态光的光程差。
光谱采集单元中各光学元件共轴布置，其用于采集从待测样品表面反射的光束并进行偏振解调和光谱分散，从而获得干涉光谱，其包括第二非偏振分束镜12、第一管透镜13、高数值孔径物镜15、第四偏振器18、第二管透镜20、成像光谱仪21以及辅助成像模块200，并且它们共光轴布置；来自样品表面的反射光在高数值孔径物镜后焦面形成傅里叶像，并依次通过第一管透镜、第二非偏振分束镜、第三偏振器和第二管透镜在成像光谱仪狭缝平面形成频域干涉像，成像光谱仪将该狭缝处的像光谱分散形成角分辨干涉光谱。
辅助成像模块包括第三非偏振分束镜19、第三管透镜23、面阵相机24。第二非偏振分束镜不仅在照明光路单元中实现光束的反射式传播，还在光谱采集单元中实现透射式传播。
光源1发射源光束，该源光束优选地在光谱扩展的波长范围内，例如宽带卤素照明光源为400-800nm。源光束经准直透镜2准直得到准直光束，准直光束随后经第一偏振器3后变为线偏振光束101，该线偏振光束101经光阑4后进入偏振干涉调制模块100。光源包括卤素灯、LED灯、氙灯等宽带光源。
进一步，第一偏振器3的偏振轴与成像光谱仪狭缝22的方向成45度角，成像光谱仪狭缝22的方向限定了所采集光束的入射平面300，只有在该入射平面300内的光束才能被光谱采集单元采集。
线偏振偏振光束101在进入偏振干涉调制模块100后首先经第一非偏振分束镜5被分为两束子光束第一子光束102和第二子光束103。第二偏振器7的偏振轴与成像光谱仪狭缝22的方向成0度角，第一子光束102经第二偏振器7后到达第一平面反射镜8后反射，再次经第二偏振器7后形成振动方向与入射平面300平行的第一准直光束104。第三偏振器10的偏振轴与成像光谱仪狭缝22的方向成90度角，第二子光束103经第二偏振器10后到达第一平面反射镜11后反射，再次经第二偏振器10后形成振动方向与入射平面300垂直的第二准直光束105，第一准直光束104和第二准直光束105存在光程差Δz＝2(z1-z2)。两个准直光束第一准直104和第二准直105经第一非偏振分束镜后合为一束光106，光束106是由两个振动方向相互垂直且存在固定相位差的分量构成，这个两分量相对于入射平面300分别为p分量和s分量。入射平面为平行于狭缝方向的平面。
进一步，作为非限制性实例，第一平面反射镜8或第二平面反射镜11后安装有精密位移调控装置，用来调节第一准直光束104和第二准直光束105之间的光程差。
混合光束106经第二非偏振分束镜12后改变方向并经第一管透镜13聚焦在高数值孔径物镜15的物镜后焦面14上，随后经高数值孔径物镜15照射到待测样品16表面。
图4示意性地给出了入射平面300内物镜后焦面14与待测样品19表面光线入射角之间的关系，从物镜后焦面14同一点发出的光将以相同的入射角度投射到待测样品16的表面，而以相同角度从待测样品16反射回的光线也将汇聚在高数值孔径物镜后焦面14同一点。因此，成像光谱仪狭缝21所选定的线信号不同的位置对应着不同的光线入射角度，具体来说满足以下关系：θ＝sin-1(d/dmax×NA)。其中，NA为高数值孔径物镜15的数值孔径，dmax为高数值孔径物镜后焦面14上光斑的最大半径。
在样品调节模块17中，待测样品16通过样品夹具安装在旋转位移台上，旋转位移台安装在线性位移台上。样品调节模块用于调节待测样品16的位置，使高数值孔径物镜15的前焦面与待测样品表面重合。
待测样品16表面反射的光经高数值孔径物镜收集后在高数值孔径物镜后焦面14成傅里叶像，该傅里叶像依次经过第一管透镜13、第二非偏振分束镜12、第四偏振器18和第二管透镜后进入成像光谱仪22狭缝。高数值孔径物镜15与第一管透镜13、第一管透镜13与第二管透镜20的焦面两两重合，第二管透镜20的焦平面与高数值孔径物镜狭缝平面21重合。
第四偏振器18的偏振轴与入射平面300成45度角，其将反射光束重新转变为线偏振光，该线偏振光进入成像光谱仪22进行光谱分散后在光谱维发生干涉，从而获取待测样品反射光的角分辨干涉光谱。
优选地，成像光谱仪的一个实例是HORIBA公司的光谱仪iHR320或iHR350，这些光谱仪基于使用从色差校正的凹面衍射光栅，可确保光谱散射和光谱在图像传感器上的聚焦。
辅助成像模块200用于观察高数值孔径物镜后焦面成像从而判断待测样品的对焦情况，面阵相机21的感光芯片位于第三管透镜23的后焦面之上，以获得高数值孔径物镜后焦面14的清晰成像。
优选地，非偏振分束镜5、12、19的分光比均为50：50。
本发明提供一种基于共轴超快光谱椭偏仪进行纳米薄膜参数测量的方法。具体包括以下步骤：
S1、将标准反射镜置于样品台上，调整样品调节模块实现对标准反射镜的精确对焦，利用光学快门分别遮挡偏振干涉调制模块的一条光路，利用光谱采集单元分别获得只有p光的光强光谱信号α2和只有s光的光强光谱信号β2；
S2、打开所有快门，通过光谱采集模块采集从标准反射镜反射回的光并进行光谱分散获得不同入射角下的光强干涉光谱信号Iref，将获取的光谱进行分析处理，得到该光谱的光谱相干函数γref和光谱相函数Φref，上述标定程序只需在进行测量前进行一次；
S3、将待测样品置于样品台上，按照与步骤S1和S2相同的程序进行测量，获得待测样品反射回的光的光强干涉光谱信号Isam；将待测样品的光强干涉光谱信号进行分析处理，结合仪器标定结果，便可得到由待测样品反射光的偏振状态参数Ψ和Δ；
S4、将上述测量得到的偏振状态参数与由待测样品的理论模型推导出的偏振状态参数的理论表达式进行拟合，进而的到待测样品的相关信息。
具体地，步骤S1与S2为校准与标定步骤，包括：
系统开机，将标准反射镜置于样品台上并夹持固定，调节样品调节模块17使得标准反射镜表面位于高数值孔径物镜15的前焦面上。在此定义源光束的光矢量为Ein，则：
其中，k＝2π/λ为波数，u/v为入射波矢量的振幅系数，ξ/η分别为沿x、y轴方向振动的波的相位。
源光束经第一偏振器3后进入偏振干涉调制模块100后产生第一准直光束104和第二准直光束105，分别相对入射平面300为p偏振光和s偏振光，其光矢量可分别表示为：
其中，P(0)/P(45)/P(90)为偏振轴分别旋转0°/45°/90°的偏振器的琼斯矩阵，r1/r2分别为平面反射镜8和9的反射系数，z1/z2为偏振干涉调制模块中两条支路的光程长度，u′/v′和ξ′/η′分别为从偏振干涉调制模块出射光束的幅值项和相位项，偏振器的琼斯矩阵具体表示为：
由偏振干涉调制模块100出射的混合光束106的光矢量便可表示为：
Eout(k)＝E1(k)+E2(k)
光谱采集模块采集由标准反射镜反射回的光，若标准反射镜的反射系数为则进入成像光谱仪的光的光矢量可表示为：
到达成像光谱仪22的光强度可以表示为：
其中，i表示入射角度索引，γ代表系统的谱相干函数，Φref(k)为参考干涉谱的谱相函数，为所在入射角下标准反射镜引入的附加相位。
光学快门分别遮蔽第一准直光束104和第二准直光束105所在的支路，则成像光谱仪22接收光束的光强度可表示为；
根据标准反射镜的理论数据可求得α2和β2，在进行完上述步骤后，便可以利用傅里叶分析的方法求得系统的固定谱相函数Φref(k)和谱相干函数γ(k)。上述标定步骤只需在测量前进行一次。
步骤S3包括：
将待测样品置于样品台上，利用成像光谱仪22获得待测样品反射回的光的光强光谱干涉信号，其可表示为：
其中，
为待测样品引起的附加相位，该相位与入射角度相关。
通过以下公式，即可计算p光与s光的相位差和幅值比
步骤S4包括：
将步骤S3获得的和与通过对待测薄膜光学特性分析建立的理论模型进行最小二乘拟合，得到薄膜参数向量p，拟合公式为：
其中，N为实验获取的光谱维数据的个数，M为带求解参数的个数。
总体而言，本发明提出的以上技术方案，基于偏振干涉技术原理，完全避免了光路中含有运动光学元件以及光学相位调制元件等时域调制器件，通过单帧照相即可获取偏振参数光谱，具有超快的测量速度，能够应用于快速反应过程或生产条件下的在线监测与表征；同时，采用了垂直物镜式共轴光路结构，减小了投射到样品表面的光斑尺寸，提高了测量的横向分辨率；基于物镜后焦面成像原理，使得在单次测量条件下能同时获得多个入射角下的反射光谱数据，提高了测量的效率和反演求解的精度。此外，本发明提供了系统标定方法和测量与数据处理方法，能够简便高效的获取待测样品的偏振特性参数，从而实现高速参数提取。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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