专利名称：快速获取椭圆偏光法的制作方法
技术领域：
本申请总体上涉及采用电磁辐射(在文中也称作“光”)的表面分析，并且特别地， 涉及用于对描述辐射偏振的斯托克斯参数(stokes parameters)进行确定的快速测量。
背景技术：
椭圆偏光法(ellipsometry)是可以在大多数样本上非破坏性地进行的极灵敏的样本分析技术。在椭圆偏光法的实验期间，一种或多种波长的光从样本表面反射，或者透过样本并从另一侧传出来。更经常地，对反射光进行分析，并且为了简化讨论，文中的大部分讨论是关于反射光的分析。由于反射光通常较少与距表面远的样本材料相互作用，因此椭圆偏光法提供的信息通常表示在反射附近的样本表面的特征。为了理解椭圆偏光法的原理，可以设想在反射时表面可能对线偏振光束产生的影响。
图1是在来自样本表面的反射期间电磁辐射(也称作光)经受的光学效应的示意图。 图1示出了线偏振光束，该线偏振光束在由平行于入射平面的偏振106 (也称为P偏振光) 和垂直于入射平面的偏振103 (s偏振光)组成的方向100上偏振。该图示出了瞬间时刻的电场振荡。振荡重复的距离为波长107。光109朝向样本112传播并且从样本112的表面 113反射。入射角115是从表面法线114(垂直于表面113的平面的、在心里画出的线)测量的。在反射期间，由于与样本表面的相互作用，光经历了相位和幅值的变化。ρ偏振光可以经受与s偏振光不同的相位变化。类似地，反射前的P偏振光(s偏振光)的电场幅值可以不同于反射后的P偏振光(s偏振光)的电场幅值。此外，反射前后的P偏振光的电场幅值变化可以与反射前后的s偏振光的电场幅值变化不同。而且，反射后和反射前的P偏振光的电场幅值的比率甚至可以与s偏振光的相应比率不同。这些变化针对波长107的不同选择可以具有不同的特性。在反射之后，具有相同波长但或许具有新的幅值和相位的光远离样本传播118。反射后的传播线和反射前的传播线占据如文中使用的“入射平面”。在反射后，s偏振光124和 P偏振光127可以不再相干。更确切地，s偏振光124的振荡和ρ偏振光127的振荡以相位角130分离开。非零相位角130导致了可以不是总是指向与光传播相同方向的电场(可替换地称为偏振121)。偏振121进行旋转。再一次，在瞬间时刻描绘光以示出这些细节。当通过静止的观测器进行观看时，偏振121同样旋转。当光通过平面133时，偏振(s偏振光与P偏振光的组合)的方向在示意图中逆时针旋转。注意，当沿箭头指示的椭圆路径134 行进时，量值不是恒定的。通常通过描述图1的被限定的(circumscribed)椭圆134的特征来确定反射光的偏振。描述椭圆134的特征是椭圆偏光法的步骤之一，并且可以使用少量的光学元件进行测量。经常使用称为斯托克斯参数的四个参数来描述光学偏振。四个斯托克斯参数(&、 S1^S2 ^P S3)可以被认为来指定庞加莱球(PoincarSsphere)的大小以及在庞加莱球的表面上或内部的位置。庞加莱球内的位置表示部分偏振光。Stl表示球的大小，而其余参数表示点的位置。粗略地说，S3表示如何将椭圆134封闭成为圆，而51、&表示图1中的椭圆134 的定向以及偏振121是顺时针旋转还是逆时针旋转。存在多种使用中的物理布置来获得允许对部分或所有斯托克斯参数进行确定的数据。获得所有斯托克斯参数的测量是优选的。大部分椭圆偏光法测量采用如图2中布置的设置来进行。光203源于光源200并且朝向偏振器206行进(在文中可以以字母“P”表示偏振器206)。偏振光207离开偏振器206并且从样本209 (以“S”表示)的表面212反射。反射光213朝向波片221 (以“W”表示)继续。ρ偏振光和s偏振光在波片221内以不同的速度行进，并且通常厚度被选择成在P偏振光与s偏振光之间施加(impart)四分之一波长的相位差。这种波片221被称为四分之一波片。从波片221射出后，光朝向检偏器 (analyzer) 233 (以“A”表示)前进。检偏器可以是允许线偏振光束通过以到达检测器260 的偏振器。物体的顺序可以简洁地表示为PSWA。在这些现有技术的系统中，其中一个元件可以旋转以便测量部分或所有斯托克斯参数。可以对在测量期间旋转的光学元件加以下标“R”。表I把物体的顺序与可以确定的斯托克斯参数关联起来。表I中所示的结果假定没有下标“R”的物体在测量期间是静止的。 在PSWAk与PSWkA中可以将样本的位置从波片前改变为波片后，而不会影响可测量的斯托克斯参数的列表。表I 现！捕划扁才辰垂睛泖隱白咖
权利要求
1.一种光学组件，包括第一光学元件，所述第一光学元件包括第一旋光楔形物，所述第一旋光楔形物被配置成对在第一方向上穿过的线偏振光施加偏振的第一空间依赖旋转；以及第二光学元件，所述第二光学元件包括第二旋光楔形物，所述第二旋光楔形物被配置成对在第二方向上穿过的线偏振光施加偏振的第二空间依赖旋转；其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件被配置成当所述第二光学元件相对于所述第一光学元件被适当地定位和定向时，对线偏振光束施加空间独立旋转，所述线偏振光束在所述第一方向上穿过所述第一光学元件且在所述第二方向上穿过所述第二光学元件。
2.如权利要求1所述的光学组件，其中，所述第一光学元件还包括第一指数匹配楔形物，所述第一指数匹配楔形物被配置成使得在所述第一方向上行进的光束穿过所述第一光学元件的空间独立厚度。
3.如权利要求1所述的光学组件，其中，所述第二光学元件还包括第二指数匹配楔形物，所述第二指数匹配楔形物被配置成使得在所述第二方向上行进的光束穿过所述第二光学元件的空间独立厚度。
4.如权利要求1所述的光学组件，还包括当所述第二光学元件相对于所述第一光学元件被适当地定位和定向时，设置在所述第一光学元件与所述第二光学元件之间的波片。
5.如权利要求4所述的光学组件，其中，所述波片是四分之一波片。
6.如权利要求1所述的光学组件，其中，所述第一旋光楔形物包括两个基本上平坦的表面，使得所述第一旋光楔形物的厚度在至少一个维度上以规则的速率变化。
7.如权利要求1所述的光学组件，其中所述第一旋光楔形物是均质的并以第一旋光性为特征；所述第二旋光楔形物是均质的并以第二旋光性为特征，其中，所述第二旋光性具有与所述第一旋光性相同的符号以及与所述第一旋光性相似的量值；以及所述光学组件被配置成使得当所述第二光学元件相对于所述第一光学元件被适当地定位和定向时，即使所述第一旋光楔形物的厚度和所述第二旋光楔形物的厚度在空间上变化，光束的每个部分也穿过旋光材料的几乎相同的总厚度。
8.如权利要求1所述的光学组件，其中所述第一旋光楔形物是均质的并以第一旋光性为特征；所述第二旋光楔形物是均质的并以第二旋光性为特征，其中，所述第二旋光性具有与所述第一旋光性相反的符号以及与所述第一旋光性相似的量值；以及所述光学组件被配置成使得当所述第二光学元件相对于所述第一光学元件被适当地定位和定向时，即使所述第一旋光楔形物的厚度和所述第二旋光楔形物的厚度在空间上变化，穿过所述第一旋光楔形物的第一厚度的光束部分也穿过所述第二旋光楔形物的相似厚度。
9.一种用于评估样本的测量装置，包括光源，所述光源用于产生光束，其中，所述光束是基本上准直的；光束扩展器，所述光束扩展器被配置成接收与所述样本相互作用后的光束，并且被配置成沿着扩展轴增大所述光束的空间分布；波片组件，包括第一光学元件，所述第一光学元件包括第一旋光楔形物，所述第一旋光楔形物被配置成对在第一方向上穿过的线偏振光施加偏振的第一空间依赖旋转；以及第二光学元件，所述第二光学元件包括第二旋光楔形物，所述第二旋光楔形物被配置成对在第二方向上穿过的线偏振光施加偏振的第二空间依赖旋转；其中，所述第一光学元件和所述第二光学元件被配置成对线偏振光束施加空间独立旋转，所述线偏振光束在所述第一方向上穿过所述第一光学元件、以及在所述第二方向上穿过所述第二光学元件；以及波片，所述波片设置在所述第一光学元件和所述第二光学元件之间； 检偏器；以及光学检测器，所述光学检测器包括至少一维的光检测器元件阵列。
10.如权利要求9所述的测量装置，其中，所述第一光学元件还包括第一指数匹配楔形物，所述第一指数匹配楔形物被配置成使得在所述第一方向上穿过的光束穿过所述第一光学元件的空间独立厚度；并且所述第二光学元件还包括第二指数匹配楔形物，所述第二指数匹配楔形物被配置成使得在所述第二方向上行进的光束穿过所述第二光学元件的空间独立厚度。
11.如权利要求9所述的测量装置，其中，所述第一光学元件、所述第二光学元件以及所述波片被配置成在产生四个斯托克斯参数的指示的测量期间，相对于彼此保持不动。
12.如权利要求9所述的测量装置，其中，所述波片组件和所述样本被配置成在产生四个斯托克斯参数的指示的测量期间，相对于彼此保持不动。
13.如权利要求9所述的测量装置，其中，所述至少一维的光检测器元件阵列包括具有基本上与所述扩展轴对准的至少一维的光检测器元件阵列。
14.如权利要求9所述的测量装置，其中，所述光源包括激光器。
15.如权利要求9所述的测量装置，其中，所述波片包括四分之一波片。
16.如权利要求9所述的测量装置，其中所述第一旋光楔形物是均质的并以第一旋光性为特征；所述第二旋光楔形物是均质的并以第二旋光性为特征，其中，所述第二旋光性具有与所述第一旋光性相同的符号以及与所述第一旋光性相似的量值；以及所述波片组件被配置成使得即使所述第一旋光楔形物的厚度和所述第二旋光楔形物的厚度在空间上变化，所述光束的每个部分也穿过旋光材料的几乎相同的总厚度。
17.如权利要求9所述的测量装置，其中所述第一旋光楔形物是均质的并以第一旋光性为特征；所述第二旋光楔形物是均质的并以第二旋光性为特征，所述第二旋光性具有与所述第一旋光性相反的符号并具有与所述第一旋光性相似的量值；以及所述波片组件被配置成使得即使所述第一旋光楔形物的厚度和所述第二旋光楔形物的厚度在空间上变化，穿过所述第一旋光楔形物的第一厚度的光束部分也穿过所述第二旋光楔形物的第二厚度，其中，所述第一厚度和所述第二厚度几乎相同。
18.一种用于评估样本的测量装置，包括 光源，所述光源用于产生基本上准直的光束；第一光束扩展器，所述第一光束扩展器被配置成沿着第一扩展轴增大所述基本上准直的光束的空间分布，以延长所述样本的被照射部分；第二光束扩展器，所述第二光束扩展器被配置成接收从所述样本反射的光，以及被配置成沿着第二扩展轴增大所述光束的空间分布；波片组件，所述波片组件包括第一光学元件，所述第一光学元件包括第一旋光楔形物和第一指数匹配楔形物，其中， 所述第一旋光楔形物的、与所述光束的路径平行的厚度在空间上变化，而所述第一旋光楔形物与所述第一指数匹配楔形物相组合的、与所述光束的所述路径平行的厚度在空间上恒定；第二光学元件，所述第二光学元件包括第二旋光楔形物和第二指数匹配楔形物，其中， 所述第二旋光楔形物的、与所述光束的所述路径平行的厚度在空间上变化，而所述第二旋光楔形物与所述第二指数匹配楔形物相组合的、与所述光束的所述路径平行的厚度在空间上恒定；以及波片，所述波片设置在所述第一光学元件与所述第二光学元件之间；检偏器；以及光学检测器，所述光学检测器包括光检测器元件的二维阵列。
19.如权利要求18所述的测量装置，其中，所述第一扩展轴与所述第二扩展轴是基本上正交的。
20.如权利要求18所述的测量装置，其中，所述二维阵列中的至少一维与所述第一扩展轴是基本上对准的。
21.如权利要求18所述的测量装置，其中，所述二维阵列中的至少一维与所述第二扩展轴是基本上对准的。
22.如权利要求18所述的测量装置，其中，所述波片包括四分之一波片。
23.一种用于评估样本的光谱测量装置，包括宽带光源，所述宽带光源用于产生具有至少两种波长的基本上准直的光束；光束扩展器，所述光束扩展器被配置成接收从所述样本反射的光，以及被配置成沿着第一扩展轴增大所述光束的空间分布；波片组件，所述波片组件包括第一光学元件，所述第一光学元件包括第一旋光楔形物和第一指数匹配楔形物，其中， 所述第一旋光楔形物的、与所述光束的路径平行的厚度在空间上变化，而所述第一旋光楔形物与所述第一指数匹配楔形物相组合的、与所述光束的所述路径平行的厚度在空间上恒定；第二光学元件，所述第二光学元件包括第二旋光楔形物和第二指数匹配楔形物，其中， 所述第二旋光楔形物的、与所述光束的所述路径平行的厚度在空间上变化，而所述第二旋光楔形物与所述第二指数匹配楔形物相组合的、与所述光束的所述路径平行的厚度在空间上恒定；以及波片，所述波片设置在所述第一光学元件与所述第二光学元件之间；检偏器；波长依赖光束扩展器，所述波长依赖光束扩展器被配置成沿着第二扩展轴增大所述基本上准直的光束的空间分布，因而沿着所述扩展轴的位置表示光学波长；以及光学检测器，所述光学检测器包括光检测器元件的二维阵列，其中，第一维与所述第一扩展轴是对准的，并且第二维与所述第二扩展轴是对准的。
24.如权利要求23所述的测量装置，其中，所述第一扩展轴与所述第二扩展轴是基本上正交的。
25.如权利要求23所述的测量装置，其中，所述二维阵列中的至少一维与所述第一扩展轴是基本上对准的。
26.如权利要求23所述的测量装置，其中，所述二维阵列中的至少一维与所述第二扩展轴是基本上对准的。
27.如权利要求23所述的测量装置，其中，所述波片包括四分之一波片。
28.如权利要求23所述的测量装置，其中，所述波长依赖光束扩展器包括棱镜。
全文摘要
公开的实施例涉及对线偏振光施加空间依赖旋转的光学组件。一对光学组件可以用来在光学组件之间的区域中对线偏振光施加空间依赖旋转，并在穿过第二光学组件之后产生空间独立旋转。一对光学组件可以与波片组合使用，以允许确定椭圆偏振光束的斯托克斯参数。
文档编号G01J4/00GK102177424SQ200980131871
公开日2011年9月7日 申请日期2009年6月15日 优先权日2008年7月9日
发明者唐安伦, 崔钟立, 廉英武 申请人:维孚科技股份有限公司