光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪及用于使用其测量样品的穆勒矩阵的方法

摘要

提供一种光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其用于解决由于在根据现有技术的能够测量任何样品的穆勒矩阵的一些或所有元素的双光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中光源的剩余偏振、光检测器的偏振依赖性、高次项的傅立叶系数的测量值而引起的测量准确性和测量精度的问题。

权利要求

1.一种光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其包括：

光源，其朝向样品发射入射光；

偏振修改单元，其在所述入射光的移动路径上被设置在所述光源和所述样品之间，并控制从所述光源发射的所述入射光的偏振状态；

偏振分析单元，其接收反射光或透射光，并分析所述反射光或所述透射光的偏振状态的变化，在入射光通过所述偏振修改单元而偏振后，所述反射光或所述透射光的偏振状态的变化是由于所述样品的反射或透射而导致的；

其中，多个光学元件被设置在所述偏振修改单元、所述偏振分析单元或独立设置于光路中，所述多个光学元件包括以恒定速度旋转的匀速旋转光学元件和扫描光学元件，所述匀速旋转光学元件和所述扫描光学元件分别为分析器、偏振器或补偿器，所述穆勒矩阵椭圆偏振仪还包括：

光检测器，其接收通过所述偏振分析单元的所述反射光或所述透射光，并测量体现所接收的光的强度的电信号的强度；

计算装置，其通过所述光检测器根据匀速旋转光学元件的偏振角的变化而测量和存储光强度的波形的傅立叶系数的值，根据所述匀速旋转光学元件的偏振角的变化所测量的傅立叶系数的值计算针对扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数的值，并且从所计算的针对所述扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数的值计算针对所述样品的穆勒矩阵的元素；以及计算机，其控制所述扫描光学元件的偏振角，将从所述计算装置计算的所述穆勒矩阵的元素的值存储为文件，并在屏幕上显示所述穆勒矩阵的元素的值。

2.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，当根据所述匀速旋转光学元件的偏振角的变化由所述光检测器测量的所述光强度的波形[I(θr,θs)]如下：{θr：所述匀速旋转光学元件的偏振角，

θs：所述扫描光学元件的偏振角，

I0(θs)：根据所述匀速旋转光学元件的偏振角的变化的所述光强度的波形的平均值或零次傅立叶系数，An(θs)，Bn(θs)：根据所述匀速旋转光学元件的偏振角的变化所述光强度的波形的傅立叶系数，dr，An,r，Bn,r，(r＝0,1,…,2R)：针对所述扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数，N：不为0的An(θs)和Bn(θs)的傅立叶系数中最高次的次数，R：不为0的dr，An,r，Bn,r的傅立叶系数中最高次的次数}，针对所述匀速旋转光学元件的偏振角的变化的所述光强度的波形的傅立叶系数[I0(θs,j),An(θs,j),Bn(θs,j):n＝1,…,N，j＝1,…,J]可在以下状态中被测量：2π的所述扫描光学元件的偏振角以相同的间隔分开J次且所述扫描光学元件移动至并停止在每个偏振角位置处[θs,j＝2π(j-1)/J,(j＝1,0,J)]，基于所述匀速旋转光学元件的偏振角的变化的所述光强度的波形的傅立叶系数的测量的值，可使用如下离散傅立叶变换计算得到所述扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数(dr,An,r,Bn,r:n＝1,…,N,r＝0,1,…,2R)的值：以及

针对所述样品的所述穆勒矩阵的元素由针对所述扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数的计算的值计算。

3.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，所述偏振修改单元由一个偏振器配置，所述偏振分析单元由一个分析器配置，并且

所述偏振器和所述分析器在测量时分别被选作所述匀速旋转光学元件和所述扫描光学元件。

4.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，所述偏振修改单元由第一偏振器配置，所述偏振分析单元由一个分析器配置，

所述光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪进一步包括在所述入射光的轴线上设置在所述光源和所述偏振器之间的第二偏振器，并且所述分析器与所述第二偏振器中的一个和所述第一偏振器在测量时分别被选作所述扫描光学元件和所述匀速旋转光学元件。

5.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，所述偏振修改单元由一个偏振器配置，所述偏振分析单元由一个分析器配置，并且

所述分析器和所述偏振器在测量时分别被选作所述匀速旋转光学元件和所述扫描光学元件。

6.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，所述偏振修改单元由一个偏振器配置，所述偏振分析单元由第一分析器配置，

所述光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪进一步包括在所述反射光或所述透射光的轴线上设置在所述分析器和所述光检测器之间的第二分析器，并且所述偏振器与所述第二分析器中的一个和所述第一分析器在测量时分别被选作所述扫描光学元件和所述匀速旋转光学元件。

7.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，所述偏振修改单元由一个偏振器和一个补偿器配置，所述偏振分析单元由一个分析器配置，

所述偏振器在所述入射光的轴线上被设置在所述光源和所述样品之间，所述补偿器在所述入射光的轴线上被设置在所述偏振器和所述样品之间，并且所述偏振器与所述分析器中的一个和所述补偿器在测量时分别被选作所述扫描光学元件和所述匀速旋转光学元件。

8.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，所述偏振修改单元由一个偏振器配置，所述偏振分析单元由一个补偿器和一个分析器配置，

所述补偿器在所述反射光或所述透射光的轴线上被设置在所述样品和所述光检测器之间，所述分析器在所述反射光或所述透射光的轴线上被设置在所述补偿器和所述光检测器之间，并且所述偏振器与所述分析器中的一个和所述补偿器在测量时分别被选作所述扫描光学元件和所述匀速旋转光学元件。

9.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，所述偏振修改单元由一个偏振器和第一补偿器配置，所述偏振分析单元由第二补偿器和一个分析器配置，

所述偏振器在所述入射光的轴线上被设置在所述光源和所述样品之间，所述第一补偿器在所述入射光的轴线上被设置在所述偏振器和所述样品之间，所述第二补偿器在所述反射光或所述透射光的轴线上被设置在所述样品和所述光检测器之间，所述分析器在所述反射光或所述透射光的轴线上被设置在所述第二补偿器和所述光检测器之间，在测量时，所述第一补偿器和所述第二补偿器中的一个被选作所述匀速旋转光学元件及除了所述匀速旋转光学元件之外剩余的光学元件中的一个被选作所述扫描光学元件。

10.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，其从针对所述样品的所测量的傅立叶系数和所测量的穆勒矩阵的元素分析所述样品的包括接口性质、薄膜的厚度、复杂的折射率、纳米形状、各向异性性质、表面粗糙度、构成比及结晶度的多种物理性质，并且其被用作包括用于半导体元件加工的测量仪器、用于平板显示器加工的测量仪器、太阳能元件的测量仪器、薄膜光学测量仪器、生物传感器或气体传感器的物理性质测量设备。

11.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，针对所述样品，获得其测量的傅立叶系数或测量的穆勒矩阵的元素的测量数据，建立针对所述样品的光学理论等式，关于所建立的理论等式获得使用用于设定区域的多个未知参数计算的所述傅立叶系数或所述穆勒矩阵的元素的数据，并且通过计算获得的数据获取用于未知参数的连续函数，然后使用最小二乘算法优化测量数据以获得所述样品的物理性能。

12.根据权利要求1或2所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，所述光源在氙灯、钨-卤素灯、氘灯、气体激光器和激光二极管中选择。

13.根据权利要求1所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其中，所述光检测器为分光仪或由光电倍增管和光电二极管形成的组合，其中，所述分光仪由电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体或者光电二极管元件形成的多个像素以线性结构或二维平面结构排列构成。

14.根据权利要求1或2所述的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，进一步包括：聚焦光学系统，其允许所述入射光聚焦在所述样品上；以及

瞄准仪，其将由所述样品反射或透射的光再次改变为平行光，

其中，所述聚焦光学系统和所述瞄准仪分别由一个或多个反射镜、由非均质材料构成的一个或多个透镜、或包括一个或多个反射镜和一个或多个透镜的光学系统形成，以便校正针对宽带波长的色差，并且反射镜或透镜涂覆有单层薄膜或多层薄膜。

15.一种用于使用光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪测量样品的物理性质的方法，其包括：安装和设置所述样品的样品设置步骤；

设定在测量中需要的扫描光学元件的偏振角值的偏振角设定步骤；

通过在计算机中的程序指令将所述扫描光学元件的偏振角移动到初始值中的初始值移动步骤；

通过光检测器测量针对匀速旋转光学元件的偏振角的变化的光强度的波形的傅立叶系数的系数测量步骤；

确认所述扫描光学元件的偏振角是否到达最终目标点的最终偏振角确认步骤；

在所述扫描光学元件的偏振角在所述最终偏振角确认步骤中未到达所述最终目标点的情况下，将所述扫描光学元件移动到和停止在另一个指定偏振角位置并且通过所述光检测器测量针对所述匀速旋转光学元件的偏振角的傅立叶系数的扫描光学元件移动步骤；

在所述扫描光学元件的偏振角在所述最终偏振角确认步骤中到达所述最终目标点的情况下通过计算针对所述扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数计算针对所述样品的穆勒矩阵的元素的穆勒矩阵计算步骤；以及将在所述穆勒矩阵计算步骤中计算的所述穆勒矩阵的元素作为文件存储在所述计算机中或者在屏幕上输出所述穆勒矩阵的元素的文件存储步骤。

说明书

光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪及用于使用其测量

样品的穆勒矩阵的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光学元件旋转类型的椭圆偏振仪(ellipsometer)，并且特别地涉及一种用于通过测量和分析被样品反射或透射的光的偏振状态中的变化测量样品的穆勒矩阵元素(component)的椭圆偏振仪。

背景技术

[0002] 在与已迅速发展的半导体器件、平板显示器、纳米生物、纳米压印、薄膜光学等相关的工业领域中，在制造工序步骤中能够非破坏性地且非接触地测量和评价例如纳米样品的薄膜的厚度、纳米图案的形状等物理性能的技术的重要性已逐渐增加。

[0003] 按照这些工业领域的不断发展，薄膜的厚度已逐渐下降到几个原子层的级别，并且纳米图案的形状已从现有的二维结构到三维结构变得复杂。

[0004] 因此，在椭圆偏振技术领域中，被用作用于在这些工业领域中的工序的测量设备的穆勒矩阵椭圆偏振仪已经被开发并被使用以更准确地测量如上所述的样品的复杂形状或复杂的物理特征。

[0005] 根据第一示例性实施例的穆勒矩阵椭圆偏振仪中最广泛使用的穆勒矩阵椭圆偏振仪是光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，如图1所示。如图1所示的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪作为纳米测量设备被熟知，在其中入射光10是从光源11中产生的平行光，并通过偏振修改单元12修改为特定的偏振状态，然后被辐射到样品20以成为反射光(或透射光)30，其偏振状态由样品20的反射(或透射)改变，由样品反射的光(或透射的光)30的偏振状态的变化使用偏振分析单元31和光检测器32关于任意波长和入射角被测量，且对测量的数据进行分析，以找到样品的物理性质及形状信息。

[0006] 将描述光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的核心配置。光源11以及为允许从光源11发射的光具有特定的偏振状态的光学系统的偏振修改单元12被设置在入射光10的线上，且为分析反射光(或透射光)的偏振状态的光学系统的偏振分析单元31和测量光穿过偏振分析单元31的总量作为诸如电压或电流的电信号的光检测器32被设置在反射光(或透射光)30的线上。

[0007] 根据现有技术的各种类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中使用最广泛的穆勒矩阵椭圆偏振仪是双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪，在其中两个光学元件以恒定速度以预定的速度比旋转。双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的典型示例包括如图2所示的旋转偏振器(polarizer)旋转分析器椭圆偏振仪、如图3所示的旋转补偿器旋转分析器椭圆偏振仪、如图4所示的旋转偏振器旋转补偿器椭圆偏振仪和如图5所示的双旋转补偿器椭圆偏振仪。

[0008] 根据第二示例性实施例的旋转偏振器旋转分析器椭圆偏振仪的核心组件是由线性偏振器(通常被称为偏振器13)以恒定速度旋转配置的偏振修改单元12和由线性偏振器(通常被称为分析器33)以恒定的速度以不同于偏振器13的预定的比率旋转配置的偏振分析单元31，如图2所示。

[0009] 根据第三示例性实施例的旋转补偿器旋转分析器椭圆偏振仪的核心组件是由偏振器13停在指定的偏振角且第一补偿器14以恒定速度旋转配置的偏振修改单元12和由分析器33以恒定的速度以不同于第一补偿器14的预定的比率旋转配置的偏振分析单元31，如图3所示。

[0010] 根据第四示例性实施例的旋转偏振器旋转补偿器椭圆偏振仪的核心组件是由偏振器13以恒定速度旋转配置的偏振修改单元12和由第二补偿器34以恒定的速度以不同于偏振器13的预定的比率旋转和分析器33停在指定的偏振角配置的偏振分析单元31，如图4所示。

[0011] 根据第五示例性实施例的双旋转补偿器椭圆偏振仪的核心组件是由偏振器13停在指定的偏振角和第一补偿器14以恒定速度旋转配置的偏振修改单元12及由第二补偿器34以恒定的速度以不同于第一补偿器14的预定的比率旋转和分析器33停在指定的偏振角配置的偏振分析单元31，如图5所示。

[0012] 在这些双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪中，傅立叶(Fourier)系数分析方法用以当使用光检测器实时地测量通过光学元件的旋转根据时间t周期性改变的光强度时分析光强度的波形。

[0013] 在假设在该测量设备中不存在错误的情况下，通过光检测器被测量为关于特定波形的诸如电压或电流的电信号的光强度Iex(t)可以由光强度的平均值I'0(或也被称为0次傅立叶系数)、傅立叶系数A'n和B'n、参考角速度ω和表示为不为0的标准化的傅立叶系数中最高次的自然数Ν构造的等式来表示，如在等式1中：

[0014] [等式1]

[0015]

[0016] 由于针对样品20的穆勒矩阵的元素21可以由傅立叶系数I'0、A'n和B'n计算，所以在双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪中非常重要的是如在等式1中从由光检测器测得的光强度的波形更精确地测量傅立叶系数的值。

[0017] 在使用根据现有技术的旋转偏振器旋转分析器椭圆偏振仪测量样品20的4×4穆勒矩阵的元素21中，在偏振修改单元12中偏振器13以恒定速度旋转的角速度被设为ωP、在偏振分析单元31中分析器33以恒定速度旋转的角速度被设为ωA且它们之间的角速度比恒定地保持在ωP：ωA＝1:3的情况中，当在等式1中的参考角速度被确定为ω＝ωP时，N的值变为8，使得全部九个偶数次傅立叶系数可被测量。因此，如图2所示，在针对样品20的穆勒矩阵的全部十六个元素Mij；i,j＝1,2,3,4中只有九个元素Mij；i,j＝1,2,3为可测量的值
21，其余7个元素M14,M24,M34,M41,M42,M43,M44为不可测量的值22。

[0018] 在使用根据现有技术的旋转补偿器旋转分析器椭圆偏振仪测量样品20的4×4的穆勒矩阵的元素21中，在偏振修改单元12中第一补偿器14以恒定速度旋转的角速度被设为在偏振分析单元31中分析器33以恒定速度旋转的角速度被设为ωA且它们之间的角速
度比恒定地保持在 的情况下，当在等式1中的参考角速度被确定为ω＝ωA
时，N的值变为14，使得全部十五个偶数次傅立叶系数可被测量。因此，如图3所示，在针对样品20的穆勒矩阵的全部十六个元素Mij；i,j＝1,2,3,4中只有十二个元素Mij；i＝1,2,3,j＝
1,2,3,4为可测量的值21，其余4个元素M41,M42,M43,M44为不可测量的值22。

[0019] 在使用根据现有技术的旋转偏振器旋转补偿器椭圆偏振仪测量样品20的4×4的穆勒矩阵的元素21中，在偏振修改单元12中偏振器13以恒定速度旋转的角速度被设为ωP、在偏振分析单元31中第二补偿器34以恒定速度旋转的角速度被设为 且它们之间的角速度比恒定地保持在 的情况下，当在等式1中的参考角速度被确定为ω＝ωP
时，N的值变为14，使得全部十五个偶数次傅立叶系数可被测量。因此，如图4所示，在针对样品20的穆勒矩阵的全部十六个元素Mij；i,j＝1,2,3,4中只有十二个元素Mij；i＝1,2,3,4,j＝1,2,3为可测量的值21，其余4个元素M14,M24,M34,M44为不可测量的值22。

[0020] 在使用根据现有技术的双旋转补偿器椭圆偏振仪测量样品20的4×4的穆勒矩阵的元素21中，在偏振修改单元12中第一补偿器14以恒定速度旋转的角速度被设为 在偏振分析单元31中第二补偿器34以恒定速度旋转的角速度被设为 且它们之间的角速度比恒定地保持在 的情况下，当在等式1中的参考角速度被确定为 时，N的
值变为24，使得全部二十五个偶数次傅立叶系数可被测量。因此，从全部二十五个傅立叶系数的测量值中选择的十六个或更多个，如图5所示，针对样品20的穆勒矩阵的所有十六个元素Mij；i,j＝1,2,3,4的全部为可测量的值21。

[0021] 除了根据现有技术的双旋转补偿器椭圆偏振仪外的根据现有技术的双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪存在以下问题：光源的剩余偏振和光检测器的偏振依赖性导致测量的误差。为了完全解决这个问题，在测量时偏振器和分析器33两者都应该以指定的偏振角处于停止状态。

[0022] 在根据现有技术的主要被用于单一光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的单一偏振器旋转类型的椭圆偏振仪和单一分析器旋转类型的椭圆偏振仪的情况下，在等式1中测量的且不为零的傅立叶系数为(I'0,A'2,B'2)，且在单一补偿器旋转类型的椭圆偏振仪的情况下，在等式1中测量的且不为零的傅立叶系数为(I'0,A'2,B'2,A'4,B'4)。因此，将被测量的穆勒矩阵的元素的数比测量的值大，使得通过一般方法不可能从测量的傅立叶系数计算穆勒矩阵的元素。另一方面，在根据现有技术的能够测量穆勒矩阵的一些元素或所有元素的双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪中，由于N的值与单一光学元件旋转类型的椭圆偏振仪相比相对较大，所以应该通过在等式1中以恒定速度旋转的光学元件的偏振角的改变测量高频元素的傅立叶系数。因此，测量等式和校正方法是复杂的。特别地，在根据现有技术的能够测量穆勒矩阵的所有元素的双旋转补偿器椭圆偏振仪的情况下，通常已知的是由于等式1中高次项的偶数傅立叶系数应该被测量，所以测量傅立叶系数的准确度和精度与单一光学元件旋转类型的椭圆偏振仪相比相对较低。另一方面，由于逐渐小型化技术及三维复杂的纳米结构被采用在纳米元件制造技术中，所以在使用根据现有技术的双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪测量纳米图案的形状和物理性质时对测量准确度和测量精度的逐渐提高的要求在纳米元件行业领域已经增加。

[0023] 因此，能解决上述提及的问题的穆勒矩阵椭圆偏振仪的发展已被要求。

[0024] [现有技术文献]

[0025] [专利文献]

[0026] 专利文献1：US 4,306,809

[0027] 专利文献2：US 2007/0229826

[0028] 专利文献3：US 7,277,172

[0029] 专利文献4：US 7,224,471

[0030] 专利文献5：US 7,414,733

[0031] 专利文献6：US 2011/0080585

[0032] 专利文献7：US 7,990,549

[0033] 专利文献8：US 8,446,584

[0034] [纸质文献]

[0035] 纸质文献1：D.E.Aspnes等人的“Rotating-compensator/analyzer fixed-analyzer ellipsometer:Analysis and  comparison  to  other automatic 
ellipsometers(旋转补偿器/分析器固定分析器椭圆偏振仪：与其它自动椭圆偏振仪的分析和比较)”J.Opt.Soc.Am.66,949(1976)。

[0036] 纸质文献2：R.M.A.Azzam的“Photopolarimeter using two modulated optical rotators(使用两个调制的光学旋转器的光偏振仪)”Opt.Lett.5,181(1977)。

[0037] 纸质文献3：R.M.A.Azzam的“Photopolarimetric measurement of the Mueller-matrix by Fourier analysis of a single detected signal(通过单个检测的信号的傅立叶分析的穆勒矩阵的光偏振测量)”Opt.Lett.6,148(1978)。

[0038] 纸质文献4：P.S.Hauge的“Recent development in instrumentation in ellipsometry(椭圆偏振仪中设备的近期发展)”Surf.Sci.96,108(1980)。

发明内容

[0039] 技术问题

[0040] 本发明的目的是提供一种光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪，其能够在根据现有技术的能够测量任意样品的穆勒矩阵的一些或所有元素的双光学元件旋转类型的椭圆偏振仪中通过解决由于光源的剩余偏振、光检测器的偏振依赖性、高次项的傅立叶系数的测量值等引起的测量准确度和测量精度降低的问题更准确地和精确地测量针对样品的穆勒矩阵的元素。

[0041] 技术方案

[0042] 在一个一般方面，光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪包括：光源，朝向样品发射入射光；偏振修改单元，在入射光的移动路径上被设置在光源和样品之间，控制从光源发射的入射光的偏振状态；偏振分析单元，接收反射光(或透射光)，分析反射光(或透射光)的偏振状态的变化反射光(或透射光)的偏振状态由于样品的反射(或透射)从在通过偏振修改单元时偏振的入射光的偏振状态改变；光检测器，接收通过偏振分析单元的反射光(或透射光)并测量所接收的光的强度作为电信号，如电压或电流；计算装置，根据由于光检测器匀速旋转光学元件的偏振角的变化测量和存储光强度的波形的傅立叶系数的值，根据匀速旋转光学元件的偏振角的变化从被测量的傅立叶系数的值计算用于扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数的值，并且从计算的用于扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数的值计算样品的穆勒矩阵的元素；以及计算机，控制扫描光学元件的偏振角、存储由计算装置计算的穆勒矩阵的元素的值作为文件并在屏幕上显示穆勒矩阵的元素的值，其中，多个光学元件被设置在偏振修改单元或偏振分析单元中并包括以恒定速度旋转的匀速旋转光学元件和扫描光学元件。

[0043] 当由光检测器根据匀速旋转光学元件的偏振角的变化测量的光强度的波形[I(θr,θs)]如下：

[0044]

[0045] {θr：匀速旋转光学元件的偏振角，

[0046] θs：扫描光学元件的偏振角，

[0047] I0(θs)：根据匀速旋转光学元件的偏振角中的变化的光强度的平均值或光强度的波形的零次傅立叶系数，

[0048] An(θs)和Bn(θs)：根据匀速旋转光学元件的偏振角中的变化的光强度的波形的傅立叶系数，

[0049]

[0050]

[0051]

[0052] dr，An,r，Bn,r，(r＝0,1,…,2R)：用于扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数，[0053] N：不为0的An(θs)和Bn(θs)的傅立叶系数中最高次的次数，

[0054] R：不为0的dr，An,r，Bn,r的傅立叶系数中最高次的次数}时，

[0055] 针对匀速旋转光学元件的偏振角的变化的光强度的波形的傅立叶系数[I0(θs,j),An(θs,j),Bn(θs,j):n＝1,…,N,j＝1,…,j]可在以下状态中被测量：2π的扫描光学元件的偏振角以相同的间隔被分开J次且扫描光学元件移动到并停在每个偏振角位置[θs,j＝2π(j-1)/J,(j＝1,0,J)]，来自针对匀速旋转光学元件的偏振角的变化的光强度的波形的傅立叶系数的测量的值的针对扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数(dr,An,r,Bn,r:n＝1,…,N,r＝
0,1,…,2R)的值可以使用如下的离散傅立叶变换进行计算：

[0056]

[0057]

[0058]

[0059]

[0060]

[0061]

[0062]

[0063]

[0064] 且

[0065] 针对样品的穆勒矩阵的元素可从计算的针对扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数的值来计算。

[0066] 偏振修改单元可以由一个偏振器配置，偏振分析单元可由一个分析器配置，并且偏振器和分析器在进行测量时可分别被选作匀速旋转光学元件和扫描光学元件。

[0067] 偏振修改单元可以由一个偏振器配置，偏振分析单元可由一个分析器配置，光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪可进一步包括设置在光源和偏振器之间的在入射光的轴线上的第二偏振器，并且偏振器和分析器及第二偏振器中的一个在进行测量时可分别被选作匀速旋转光学元件和扫描光学元件。

[0068] 偏振修改单元可由一个偏振器配置，偏振分析单元可由一个分析器配置，并且分析器和偏振器在进行测量时可分别被选作匀速旋转光学元件和扫描光学元件。

[0069] 偏振修改单元可由一个偏振器配置，偏振分析单元可由一个分析器配置，光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪可以进一步包括设置在在分析器和光检测器之间的在反射光或透射光的轴线上的第二分析器，且分析器和偏振器与第二分析器中的一个在进行测量时可分别被选作匀速旋转光学元件和扫描光学元件。

[0070] 偏振修改单元可由一个偏振器和一个补偿器配置，偏振分析单元可由一个分析器配置，偏振器可在入射光的轴线上被设置在光源和样品之间，补偿器可在入射光的轴线的上被设置在偏振器和样品之间，并且补偿器和偏振器与分析器中的一个在进行测量时可分别被选作匀速旋转光学元件和扫描光学元件。

[0071] 偏振修改单元可由一个偏振器配置，偏振分析单元可由一个补偿器和一个分析器配置，补偿器可在反射光或透射光的轴线上被设置在样品和光检测器之间，分析器可在反射光或透射光的轴线上被设置在补偿器和光检测器之间，补偿器和偏振器与分析器中的一个在进行测量时可分别被选作匀速旋转光学元件和扫描光学元件。

[0072] 偏振修改单元可由一个偏振器和第一补偿器配置，偏振分析单元可由第二补偿器和一个分析器配置，偏振器可在入射光的轴线上被设置在光源和样品之间，第一补偿器可在入射光的轴线上被设置在偏振器和样品之间，第二补偿器可在反射光或透射光的轴线上被设置在样品和光检测器之间，分析器可在反射光或透射光的轴线上被设置在第二补偿器和光检测器之间，在进行测量时，第一补偿器和第二补偿器中的一个可被选作匀速旋转光学元件及除了匀速旋转光学元件之外剩余的光学元件之一可被选作扫描光学元件。

[0073] 光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪可从针对样品的测量的傅立叶系数和测量的穆勒矩阵的元素分析包括接口性质、薄膜的厚度、复杂的折射率、纳米形状、各向异性性质、表面粗糙度、构成比及样品的结晶度的多种物理性质，并且可被用作物理性质测量设备，包括用于半导体装置加工的测量仪器、用于平板显示器工艺的测量仪器、太阳能元件的测量仪器、薄膜光学测量仪器、生物传感器或气体传感器。

[0074] 针对样品的测量的傅立叶系数或测量的穆勒矩阵的元素的测量数据可被得，针对样品的光学理论等式可被建立并且使用用于设置区域的多个未知参数计算的傅立叶系数或穆勒矩阵的元素的数据可关于所建立的理论等式被获得，并且用于未知参数的连续函数可从由计算获得的数据中获得，并且然后使用最小二乘算法关于测量数据被优化以得到样品的物理性能。

[0075] 光源可以在氙灯、钨-卤素灯、氘灯、通过光纤从灯中发出的光的传输、气体激光器和激光二极管中进行选择。

[0076] 为由电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)或光电二极管元件形成并包括设置在线性结构或二维平面结构中的多个像素的光检测器中的一个的分光仪可被选择或由光电倍增管(PMT)和光电二极管构成的光检测器可被选择作为光检测器。

[0077] 光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪可进一步包括：聚焦光学系统，允许入射光被聚焦在样品上；以及瞄准仪，将由样品反射或透射的光再次改变为平行光，其中，聚焦光学系统和瞄准仪由一个或多个反射镜、由非均质材料构成的一个或多个透镜或包括一个或多个反射镜或一个或多个透镜的光学系统形成以便校正针对宽带波长的色差，并且使用透镜或涂覆有单层薄膜或多层薄膜的反射镜。

[0078] 在另一个一般方面，用于使用光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪测量样品的物理性质的方法包括：安装和设置样品的样品设置步骤；设定在测量中所需要的扫描光学元件的偏振角值的偏振角设定步骤；通过计算机中的程序指令将扫描光学元件的偏振角移动到初始值中的初始值移动步骤；测量针对由于光检测器匀速旋转光学元件的偏振角的变化的光强度的波形的傅立叶系数的系数测量步骤；确认扫描光学元件的偏振角是否到达最终目标点的最终偏振角确认步骤；在扫描光学元件的偏振角在最终偏振角确认步骤中未到达最终目标点的情况下，将扫描光学元件移动到和停止在另一个指定偏振角位置及测量针对由于光电检测器的匀速旋转光学元件的偏振角的傅立叶系数的扫描光学元件移动步骤；在扫描光学元件的偏振角在最终偏振角确认步骤中到达最终目标点的情况下，通过计算针对扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数计算针对样品的穆勒矩阵的元素的穆勒矩阵计算步骤；以及将穆勒矩阵计算步骤中计算的穆勒矩阵的元素存储为计算机中的文件或将穆勒矩阵的元素输出在屏幕上的文件存储步骤。

[0079] 本发明的有利效果

[0080] 通过如上所述的配置，在根据本发明的示例性实施例的单光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中，为了克服由于相对高次项元素被包括在根据由在根据现有技术的双光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中的光检测器测量的匀速旋转光学元件的偏振角的变化从光强度的波形获得的傅立叶系数中而发生的测量准确度和测量精度的降低问题，根据扫描光学元件的偏振角的变化针对光强度的波形的低次项的傅立叶系数的元素被测量，及穆勒矩阵的元素值由低次项的傅立叶系数的元素计算，从而使得测量准确度和测量精度的提高成为可能。

[0081] 另外，在根据本发明的单光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中，在单偏振器旋转类型的情况下，第二偏振器被设置在光源和偏振器之间，从而使得解决光源的剩余偏振问题成为可能，以及在单分析器旋转类型的情况下，第二分析器被设置在分析器和光检测器之间，从而使得解决光检测器的偏振依赖性的问题成为可能。因此，测量准确度可被提高。

附图说明

[0082] 本发明的上述以及其它目的、特征和优点将从下列结合附图的优选实施例的描述中变得明显，其中：

[0083] 图1为根据现有技术的第一示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的示意图；

[0084] 图2为根据现有技术的第二示例性实施例的旋转偏振器旋转分析器穆勒矩阵椭圆偏振仪的示意图；

[0085] 图3为根据现有技术的第三示例性实施例的旋转补偿器旋转分析器穆勒矩阵椭圆偏振仪的示意图；

[0086] 图4为根据现有技术的第四示例性实施例的旋转偏振器旋转补偿器穆勒矩阵椭圆偏振仪的示意图；

[0087] 图5为根据现有技术的第五示例性实施例的双旋转补偿器穆勒矩阵椭圆偏振仪的示意图；

[0088] 图6为根据本发明的第一示例性实施例的光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的示意图；

[0089] 图7为根据本发明用于描述在光学元件旋转类型的椭圆偏振仪中使用的主要光学元件的偏振角的概念图；

[0090] 图8为根据本发明的第二示例性实施例的光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的示意图；

[0091] 图9和图10为根据本发明的第三示例性实施例的光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的示意图；

[0092] 图11和图12为根据本发明的第四示例性实施例的光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的示意图；

[0093] 图13和图14为根据本发明的第五示例性实施例的光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的示意图；

[0094] 图15和图16为根据本发明的第六示例性实施例的光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的示意图；

[0095] 图17为根据本发明的第七示例性实施例的光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的示意图；

[0096] 图18为根据本发明的第八示例性实施例的光学元件旋转类型的椭圆偏振仪的示意图；以及

[0097] 图19为示出了用于使用根据本发明的光学元件旋转类型的椭圆偏振仪测量样品的穆勒矩阵的方法的流程图。

[0098] [主要元件的详细说明]

[0099] 100：入射光

[0100] 110：光源

[0101] 130：偏振器

[0102] 140：第一补偿器

[0103] 150：第二偏振器

[0104] 200：样品

[0105] 210：针对可测量的样品的穆勒矩阵的元素

[0106] 220：针对不可测量的样品的穆勒矩阵的元素

[0107] 300：反射光(或透射光)

[0108] 320：光检测器

[0109] 330：分析器

[0110] 340：第二补偿器

[0111] 350：第二分析器

[0112] 500：入射面

[0113] 510：参考轴

[0114] 520：偏振器中的线性偏振器的透射轴

[0115] 530：第一补偿器的相位延迟器的快轴

[0116] 540：第二补偿器的相位延迟器的快轴

[0117] 550：分析器中的线性偏振器的透射轴

[0118] 610：计算装置

[0119] 620：计算机

具体实施方式

[0120] 在下文中，示例性实施例将参照附图进行详细描述，以便它们可以容易地由本发明所属领域的技术人员实施。然而，在描述本发明的示例性实施例的操作原理时，众所周知的功能或构造的详细描述将被省略，以便不会不必要地混淆本发明的要旨。

[0121] 此外，在整个附图中执行类似的功能和动作的部件将用相同的参考数字表示。另外，除非另外明确说明，否则“包括”任何组件将被理解为隐含包含其它组件但不排除任何其它组件。

[0122] 在下文中，根据本发明的示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的配置和功能将被描述。首先，图6和图8至图18为示意性地示出根据用于实现上述目的的本发明的单光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的配置的视图。

[0123] 根据本发明的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪被配置为包括光源、偏振修改单元、样本、偏振分析单元、光检测器、计算装置和计算机。

[0124] 偏振修改单元或偏振分析单元安装有多个光学元件。

[0125] 光学元件是在以恒定速度旋转的匀速光学元件和在测量时停止的剩余光学元件中选择的一种光学元件，并包括移动到在多个指定的偏振角中连续选择的偏振角的扫描光学元件。

[0126] 根据本发明的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪包括：计算装置，从傅立叶系数中计算针对样品的穆勒矩阵的元素，每个傅立叶系数被测量用于针对扫描光学元件的多个偏振角；以及计算机，能够将穆勒矩阵的计算的元素的值存储为数据文件。

[0127] 在假定光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪不存在错误的情况下，针对由光检测器测量为例如电压或者电流的电信号的光强度的关于任何波长及任何入射角的理论等式为下列等式2。

[0128] [等式2]

[0129]

[0130] I0：光强度的平均值(或也被称为0次傅立叶系数)的理论等式

[0131] An,Bn：傅立叶系数的理论等式

[0132] ω：匀速光学元件的角速度

[0133] N：不为零的傅立叶系数中最高次的次数

[0134] 可由根据现有技术的单光学元件旋转类型的椭圆偏振仪测量的傅立叶系数元素的数在单偏振器旋转类型和单分析器旋转类型的情况下为三个，如I0、A2和B2，并且在单补偿器旋转类型的情况下为五个，如I0、A2、B2、A4和B4，当为未知量的最终应该由使用两组椭圆偏振仪的实验获得的穆勒矩阵的元素的数分别为九个和十二个，其大于被测量的值的数。因此，穆勒矩阵的元素的值可能不能使用根据现有技术的单光学元件旋转类型的椭圆偏振仪从针对傅立叶系数的被测量的值中计算。

[0135] 当为了改变偏振角在测量傅立叶系数时在任意偏振角处停止的光学元件中选择的一个光学元件即扫描光学元件的偏振角由θs表示时，傅立叶系数的理论等式可由θs的函数表示如下。

[0136]

[0137]

[0138]

[0139] 在此，(dr,An,r,Bn,r；n＝1,…,N,r＝0,1,…,2R)为针对扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数，被作为针对样品的穆勒矩阵的元素及除了扫描光学元件的其它停止的光学元件的偏振角的函数给出，且为不依赖于θs的函数，且R为不为零的(dr,An,r,Bn,r)的傅立叶系数中最高次的次数。

[0140] 因此，当每个傅立叶系数关于针对扫描光学元件任意选择的多个偏振角θj被测量时，(dr,An,r,Bn,r,n＝1,…,N,r＝0,1,…,2R)的值可以从其计算。

[0141] 例如，当针对匀速旋转的光学元件的偏振角的变化的光强度的波形的傅立叶系数[I0(θs,j),An(θs,j),Bn(θs,j):n＝1,…,N,j＝1,…,J]在以下状态下进行测量时，该状态为2π的扫描光学元件的偏振角以相同间隔被分开J次并且扫描光学元件移动到并停在各偏振角位置[θs,j＝2π(j-1)/J,(j＝1,…,J)]，针对扫描光学元件的方位的傅立叶系数(dr,An,r,Bn,r:n＝1,…,N,r＝0,1,…,2R)的值可使用如下离散傅立叶变换从针对匀速旋转的光学元件的偏振角的变化的光强度的波形的傅立叶系数的测量的值简单地获得。

[0142]

[0143]

[0144]

[0145]

[0146]

[0147]

[0148]

[0149]

[0150]

[0151] 将参照图6描述根据本发明的第一示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的核心组件。

[0152] 偏振修改单元由偏振器130配置，其为具有附着到中空轴匀速旋转马达的线性偏振器的组件。

[0153] 偏振分析单元由分析器330配置，其是具有附着到中空轴步进马达的线性偏振器的组件。

[0154] 偏振器130在测量时可以恒定速度旋转，同时分析器330可在测量时通过使用计算机620远程控制步进马达停在设定偏振角处。

[0155] 根据本发明的第一示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪包括：光源110，设置在入射光100的线上；偏振器130，设置在入射光100的线上，设置在偏振修改单元中，为允许从光源110朝向样品200平行射出的入射光100处于特定偏振状态并且在测量时以恒定速度旋转的光学系统；分析器330，设置在反射光(或透射光)300的线上，设置在偏振分析单元中，为分析反射光(或透射光)300的偏振状态并在测量时以指定偏振角停止的光学系统；光检测器320，设置在反射光(或透射光)300的线上，并测量通过分析器330的光的量作为例如电压或电流的电信号；以及计算装置610，设置在反射光(或透射光)300的线上，且根据来自由光检测器320测量的光强度信号的偏振器130的偏振角的变化测量并存储针对光强度信号波形的傅立叶系数。

[0156] 在此，附着到分析器330的中空轴步进马达使用计算机620远程控制以改变分析器330的偏振角进入另一个位置中，并保持分析器330处在停止状态中。

[0157] 在改变的新的位置处测量针对光强度信号波形的傅立叶系数，并在计算装置610中存储测量的傅立叶系数。

[0158] 将分析器330的偏振角改变为新的位置、测量针对光强度信号波形的傅立叶系数及在计算装置610中存储测量的傅立叶系数的过程重复指定数量。

[0159] 针对样品200的穆勒矩阵的元素210可使用计算装置610从在分析器330的多个预设偏振角处测量的傅立叶系数的数据集计算，作为文件被存储为计算机620中，并在监控器的屏幕上显示为图画，如果必要的话。

[0160] 图7是用于在光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中在测量反射类型时使用的各个主要的光学元件的偏振角的定义的概念图。

[0161] 在其上具有入射角φ的入射光100的路径和具有反射角φ的反射光300的路径呈现在垂直于样品200的表面的表面中的表面将被定义为入射面500，并且垂直于样品200的轴将被定义为参考轴510。

[0162] 在偏振器130中的线性偏振器的偏振器的线性偏振器的透射轴520和分析器330中的线性偏振器的分析器中的线性偏振器的透射轴550的位置在基于入射面500在图7中示出的方向上测量的偏振角将分别由P和A表示。

[0163] 在第一补偿器140中的相位延迟器的快轴530和第二补偿器340中的相位延迟器的快轴540的位置基于入射面500测量的偏振角将分别由C1和C2表示。

[0164] 在根据本发明的第一示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中，等式2的傅立叶系数由三个联立等式表示，其配置有总共十个未知量，即，g0,M11,M21,M31,M12,M22,M32,M13,M23,M33，如以下等式：

[0165] I0＝g0[M11+M21cos(2A)+M31sin(2A)],     (15)

[0166] A2＝g0[M12+M22cos(2A)+M32sin(2A)],     (16)

[0167] B2＝g0[M13+M23cos(2A)+M33sin(2A)],     (17)

[0168] 可被理解为，当在等式3至5中分析器的偏振角A被选为扫描光学元件的偏振角θ时，各个等式的形式被分为dc元素的项、cos(2A)的项和sin(2A)的项。因此，针对扫描光学元件的偏振角A的傅立叶系数的元素由如下九个联立等式给出：

[0169] d0＝g0M11，       (18)

[0170] d1＝g0M21，       (19)

[0171] d2＝g0M31，       (20)

[0172] A2,0＝g0M12，     (21)

[0173] A2,1＝g0M22，     (22)

[0174] A2,2＝g0M32，     (23)

[0175] B2,0＝g0M13，     (21)

[0176] B2,1＝g0M23，     (22)

[0177] B2,2＝g0M33，     (23)

[0178] 因此，当等式18至23关于针对任意样品的穆勒矩阵的元素被重新排列时，给出下面的等式：

[0179]

[0180]

[0181]

[0182]

[0183]

[0184]

[0185]

[0186]

[0187]

[0188] 在此，g0为可在以下状态中使用实验被测量的物理量，在该状态中在样品200从椭圆偏振仪移除之后光源、偏振修改单元、偏振分析单元和光检测器被排列成一行，或任意样品的每一层的结构及反射率值在任意入射角时都是已知的，与样品的光学特性和在测量时使用的测量设备相关联。

[0189] 当g0的值通过如上所述的方法已知时，在针对样品的穆勒矩阵的共十六个元素中的九个元素(Mij；i,j＝1,2,3)可使用等式24到32从测量中获得。

[0190] 此外，当等式25到32中的每一个除以等式24的元素M11时，由于穆勒矩阵的标准化的元素，例如m12＝M12/M11、m13＝M13/M11、m21＝M21/M11、m22＝M22/M11、m23＝M23/M11、m31＝M31/M11、m32＝M32/M11和m33＝M33/M11独立于g0的值，所以它们可以直接从测量中获得。

[0191] 将参照图8描述根据本发明的第二示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的核心组件。

[0192] 偏振修改单元由偏振器130配置，其为具有附着到中空轴步进马达的线性偏振器的组件，偏振分析单元由分析器330配置，其为具有附着到中空轴匀速旋转马达的线性偏振器的组件，并且分析器330在测量时可以恒定速度旋转，同时偏振器130可在测量时通过使用计算机620远程地控制步进马达停以指定的偏振角停止。

[0193] 在根据本发明的第二示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中，等式2的傅立叶系数由三个联立等式表示，其配置有总共十个未知量，即g0,M11,M21,M31,M12,M22,M32,M13,M23,M33，如下所示：

[0194] I0＝g0[M11+M12cos(2P)+M13sin(2P)],     (33)

[0195] A2＝g0[M21+M22cos(2P)+M23sin(2P)],     (34)

[0196] B2＝g0[M31+M32cos(2P)+M33sin(2P)],     (35)

[0197] 可被理解为，当在等式3至5中偏振器的偏振角P被选为扫描光学元件的偏振角θ时，各个等式的形式被分为dc元素的项、cos(2P)的项和sin(2P)的项。因此，针对任何样品的穆勒矩阵的元素由针对扫描光学元件的偏振角P的傅立叶系数的元素给出如下：

[0198]

[0199]

[0200]

[0201]

[0202]

[0203]

[0204]

[0205]

[0206]

[0207] 将参照图9和图10描述根据本发明的第三示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的核心组件。

[0208] 根据本发明的第三示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪进一步包括第二偏振器150，其在入射光100的轴线上设置在光源110和以恒定速度旋转的偏振器130之间，使得它包括三个线性偏振器。

[0209] 在这种情况下，分析器330可被选作扫描光学元件，如图9所示，或新添加的第二偏振器150可被选作扫描光学元件，如图10所示，扫描光学元件具有可由计算机620远程地控制并在测量时在设定位置处停止的偏振角。

[0210] 此外，根据本发明的第三示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪可从当使用等式6到14建立联立等式的求解的方法被使用时的实验获得针对样品200的穆勒矩阵的九个元素的值。为了方便其结果被省略。

[0211] 将参照图11和图12描述根据本发明的第四示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的核心组件。

[0212] 根据本发明的第四示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪进一步包括第二分析器350，其在反射光(或透射光)300的轴线上设置在以恒定速度旋转的分析器330和光检测器320之间，使得它包括三个线性偏振器。

[0213] 在这种情况下，偏振器130可被选作扫描光学元件，如图11所示，或新添加的第二分析器350可被选作扫描光学元件，如图12所示，扫描光学元件具有可由计算机620远程地控制并在测量时在设定位置处停止的偏振角。

[0214] 从当使用等式6到14建立联立等式的求解的方法被使用时的实验可获得针对样品的穆勒矩阵的九个元素的值。为了方便其结果被省略。

[0215] 将参照图13和图14说明根据本发明的第五示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的核心组件。

[0216] 在根据本发明的第五示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中，偏振修改单元包括：偏振器130，其为具有附着到中空轴步进马达的线性偏振器的组件；以及第一补偿器140，其为具有附着到中空轴匀速旋转马达的相位延迟器的组件，且偏振分析单元包括分析器330，其为具有附着到中空轴步进马达的线性偏振器的组件。

[0217] 此外，第一补偿器140可在测量时以恒定速度旋转，同时偏振器130和分析器330可在测量时通过使用计算机620远程地控制步进电机以指定的偏振角停止。

[0218] 在这种情况下，分析器330可被选作扫描光学元件，如图13所示，或偏振器130可被选作扫描光学元件，如图14所示，且可从当使用等式6到14建立联立等式的求解的方法被使用时的实验获得针对样品的穆勒矩阵的十二个元素的值。为了方便其结果被省略。

[0219] 将参照图15和图16说明根据本发明的第六示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的核心组件。

[0220] 在根据本发明的第六示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中，偏振修改单元由偏振器130配置，其为具有附着到中空轴步进马达的线性偏振器的组件，且偏振分析单元由第二补偿器340和分析器330配置，第二补偿器340为具有附着到中空轴匀速旋转马达的相位延迟器的组件，分析器330为具有附着到中空轴步进马达的线性偏振器的组件。

[0221] 此外，第二补偿器340可在测量时以恒定速度旋转，同时偏振器130和分析器330可在测量时通过使用计算机620远程地控制步进电机以指定的偏振角停止。

[0222] 在这种情况下，分析器330可被选作扫描光学元件，如图15所示，或偏振器130可被选作扫描光学元件，如图16所示，且可从当使用等式6到14建立联立等式的求解的方法被使用时的实验获得针对样品的穆勒矩阵的十二个元素的值。为了方便其结果被省略。

[0223] 将参照图17描述根据本发明的第七示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的核心组件。

[0224] 在根据本发明的第七示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中，偏振修改单元由偏振器130和第一补偿器140配置，偏振器130为具有附着到中空轴步进马达的线性偏振器的组件，第一补偿器140为具有附着到中空轴步进马达的相位延迟器的组件，且偏振分析单元由第二补偿器340和分析器330配置，第二补偿器340为具有附着到中空轴匀速旋转马达的相位延迟器的组件，分析器330为具有附着到中空轴步进马达的线性偏振器的组件。

[0225] 此外，第二补偿器340可在测量时以恒定速度旋转，同时偏振器130、第一补偿器140和分析器330可在测量时通过使用计算机620远程地控制步进电机以指定的偏振角停止。

[0226] 在这种情况下，当如图17所示第一补偿器140被选作扫描光学元件时，可利用使用等式6到14建立联立等式的求解的方法获得针对样品的穆勒矩阵的全部十六个元素。然而，当在图17中偏振器130或分析器330被选作扫描光学元件时，为针对样品的穆勒矩阵的一些元素的仅十二个元素可从测量中获得。为了方便其结果被省略。

[0227] 将参照图14描述根据本发明的第八示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪的核心组件。

[0228] 在根据本发明的第八示例性实施例的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中，偏振修改单元由偏振器130和第一补偿器140配置，偏振器130为具有附着到中空轴步进马达的线性偏振器的组件，第一补偿器140为具有附着到中空轴匀速旋转马达的相位延迟器的组件，且偏振分析单元由第二补偿器340和分析器330配置，第二补偿器340为具有附着到中空轴步进马达的相位延迟器的组件，分析器330为具有附着到中空轴步进马达的线性偏振器的组件。

[0229] 此外，第一补偿器140可在测量时以恒定速度旋转，同时偏振器130、第二补偿器340和分析器330可在测量时通过使用计算机620远程地控制步进电机以指定的偏振角停止。

[0230] 在这种情况下，当如图18所示第二补偿器340被选做扫描光学元件时，可利用使用等式6到14建立联立等式的求解的方法获得针对样品的穆勒矩阵的全部十六个元素。然而，当在图18中偏振器130或分析器330被选作扫描光学元件时，为针对样品的穆勒矩阵的一些元素的仅十二个元素可从测量中获得。在图18中的单补偿器旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪中，当第一补偿器140被选作匀速旋转光学元件且第二补偿器340被选作扫描光学元件时，针对由光检测器测量的光强度的等式可被表示为如下：

[0231]

[0232] 在此，针对第一补偿器140的偏振角C1的傅立叶系数可由针对由于为扫描光学元件的第二补偿器340的偏振角的偏振角C2的傅立叶系数表示如下：

[0233]

[0234]

[0235]

[0236] 在此，针对对于扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数如下：

[0237]

[0238] d1＝4g0 sin2A sinδ2[M41+cos(δ1/2)2(M42 cos2P+M43 sin2P)]   (50)

[0239] d2＝-4g0 cos2A sinδ2[M41+cos(δ1/2)2(M42 cos2P+M43 sin2P)]   (51)

[0240]

[0241]

[0242] A2,0＝-2g0 sinδ1 sin2P[2M14+M24cos2A(1+cosδ2)+M34sin2A(1+cosδ2)]  (54)[0243] A2,1＝-4g0M44sinδ1 sinδ2 sin2P sin2A     (55)

[0244] A2,2＝4g0M44sinδ1 sinδ2 sin2P cos2A      (56)

[0245] A2,3＝4g0 sinδ1 sin(δ2/2)2sin2P(M34sin2A-M24cos2A)    (57)

[0246] A2,4＝-4g0 sinδ1 sin(δ2/2)2 sin2P(M34cos2A+M24sin2A)    (58)

[0247] B2,0＝2g0 sinδ1cos2P[2M14+M24cos2A(1+cosδ2)+M34sin2A(1+cosδ2)]    (59)[0248] B2,1＝4g0M44sinδ1 sinδ2cos2P sin2A     (60)

[0249] B2,2＝-4g0M44sinδ1 sinδ2cos2P cos2A     (61)

[0250] B2,3＝4g0 sinδ1 sin(δ2/2)2cos2P(M24cos2A-M34sin2A)     (62)

[0251] B2,4＝4g0 sinδ1 sin(δ2/2)2cos2P(M34cos2A+M24sin2A)     (63)

[0252]

[0253] A4,1＝-2g0 sin2A sinδ2(cosδ1-1)(M42cos2P-M43sin2P)    (65)

[0254] A4,2＝2g0 cos2A sinδ2(cosδ1-1)(M42cos2P-M43sin2P)    (66)

[0255]

[0256]

[0257]

[0258] B4,1＝-2g0 sin2A sinδ2(cosδ1-1)(M43cos2P+M42sin2P)   (70)

[0259] B4,2＝2g0 cos2A sinδ2(cosδ1-1)(M43cos2P+M42sin2P)   (71)

[0260]

[0261]

[0262] 针对第二补偿器340的偏振角的共二十五个傅立叶系数通过针对穆勒矩阵的十六个元素的线性等式提供。

[0263] 因此，当它们中的十六个或更多个线性等式被选择且联立等式的求解被建立时，穆勒矩阵的所有元素可被获得。通过该方法获得的穆勒矩阵的元素的一个求解如下：

[0264]

[0265]

[0266]

[0267]

[0268]

[0269]

[0270]

[0271]

[0272]

[0273]

[0274]

[0275]

[0276]

[0277]

[0278]

[0279]

[0280] 当如上所述的方法被应用到其它示例性实施例时，可分别获得用于针对样品的穆勒矩阵的元素的等式。

[0281] 在根据本发明的椭圆偏振仪中，为由电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、光电二极管元件等形成的并且包括以线性结构或者二维平面结构设置的多个像素的光检测器中的一个的分光仪可被选择或由光电倍增管(PMT)、光电二极管等形成的光检测器可被选择作为光检测器。光检测器可包括选择性地附着和使用到其以根据温度减小测量误差的冷却设备。

[0282] 根据本发明的椭圆偏振仪可包括远程光源屏蔽设备，其在光的移动路径上被设置在光源之后，并且可以通过远程控制屏蔽从光源辐射到样品的光。

[0283] 在根据本发明的椭圆偏振仪中，光源110可以是氙灯、钨卤灯、氘灯、通过光纤从灯中发射的光的传输、气体激光器、激光二极管等。

[0284] 在半导体工业的情况下，由于样品中的待测量的区域的尺寸为非常小的约几十微米，所以允许入射光100被聚焦在样品200的局部区域上的聚焦光学系统可被安装在样品200前面的路径上，并且可选择性地包括由样品200反射或透射的光再次变化为平行光的瞄准仪。在此，聚焦光学系统和瞄准仪可包括一个或多个反射镜，包括由非均质材料构成的一个或多个透镜，或包括含有一个或多个反射镜和一个或多个透镜以便校正针对宽带波长的色差的光学系统，并且可使用涂覆有单层薄膜或多层薄膜以提高透射或反射效率的透镜或反射镜。

[0285] 根据本发明的椭圆偏振仪可包括：样品台，用于设置样品200并改变测量位置；6个自由度(DOF)系统，其中在高度方向和宽度方向上3个DOF的平行移动是可能的，具有2个DOF的倾斜调节是可能的，并且包括旋转功能；以及真空吸盘，用于在测量时在样品支撑部上保持样品处于停止状态。

[0286] 根据本发明的椭圆偏振仪可包括：样品设置系统，其包括用于设置样品的发射光的激光器；光学系统，其允许从激光器发射的光以特定方向入射到样品上；以及光检测器，收集关于入射光的由样品反射的光并且检测所收集的光的位置，以便设置用于测量的样品。

[0287] 为了降低由于测量环境的变化产生的误差，根据本发明的椭圆偏振仪可包括允许光路处于如氮门、氩气等大气状态中的用于测量宽带波形的设备，可安装在阻尼系统上以减小由于系统的振动和测量环境产生的影响，并且可包括用于减少由于关于光源、光学元件、样品及光检测器的温度变化的测量误差的恒温系统。

[0288] 特别地，在半导体工业等情况下，在快速的时间内测量多个晶片样品是很重要的。为此，根据本发明的椭圆偏振仪可包括能够存储样品的样品存储容器和样品运输设备，其连续地将样品一个接一个地从样品存储容器取出并将样品移动到样品台以测量样品的物理性质，并且当针对指定点的测量完成时将位于样品台上的样品再一次运输到样品存储容器。

[0289] 优选的是获得穆勒矩阵的测量的元素的测量数据，建立针对样品的光学理论等式，获得关于建立的理论等式使用针对设定区域的多个未知参数计算的穆勒矩阵的元素的数据，以及使用最小二乘算法从由计算获得的数据执行关于测量数据的优化，以获得样品的物理性质。

[0290] 根据本发明的椭圆偏振仪可从测量的傅立叶系数和测量的穆勒矩阵的元素分析样品的各种物理性质如接口性质、薄膜的厚度、复杂的折射率、纳米形状(nano shape)、各向异性性质、表面粗糙度、成分比例、结晶度等，并可在用于半导体元件加工的测量仪器、用于平板显示器加工的测量仪器、太阳能元件的测量仪器、薄膜光学测量仪器、生物传感器或气体传感器等中使用。

[0291] 特别地，在非常复杂的物理性能分析方法中，诸如在根据本发明的多通道光谱椭圆偏振仪中的纳米图案的形状的测量中，获得要被测量的傅立叶系数的测量数据或针对样品的穆勒矩阵的元素，建立针对样品的光学理论等式，关于建立的理论等式获得使用在设定区域中确定的多个未知参数计算的傅立叶系数的数据或穆勒矩阵的元素，关于计算的数据创建针对未知参数的连续函数，并且关于测量数据使用最小二乘算法优化连续函数，以获得样品的物理性质。在这种情况下，根据本发明的椭圆偏振仪可包括大容量高速计算系统，其配置有高性能并行计算机、基于严格耦合波分析(RCWA)算法的分析软件和大容量的数据存储，以便从傅立叶系数的测量数据或针对样品测量的穆勒矩阵的元素快速得到样品的物理性质。

[0292] 将参照图19描述用于使用根据本发明的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪测量样品的物理性质的方法。

[0293] 用于使用根据本发明的光学元件旋转类型的穆勒矩阵椭圆偏振仪测量样品的物理性质的方法包括样品设置步骤S10、偏振角设定步骤S20、初始值移动步骤S30、系数测量步骤S40、最终偏振角确认步骤S50、扫描光学元件移动步骤S60、穆勒矩阵计算步骤S70和文件存储步骤S80。

[0294] 样品设置步骤S10是安装和设置样品的步骤，其中样品的物理性质将被测量。

[0295] 偏振角设定步骤S20是设定测量中需要的扫描光学元件的偏振角值的步骤。

[0296] 初始值移动步骤S30是通过计算机中的程序指令将扫描光学元件的偏振角移动到初始值中的步骤。

[0297] 系数测量步骤S40为通过光检测器测量针对匀速旋转的光学元件的偏振角的变化的光强度的波形的傅立叶系数的步骤。

[0298] 最终偏振角确认步骤S50是确认扫描光学元件的偏振角是否到达最终目标点的步骤。

[0299] 在扫描光学元件的偏振角到达最终目标点的情况下，最终偏振角确认步骤S50进行到穆勒矩阵计算步骤S70，并且在扫描光学元件的偏振角未到达最终目标点的情况下进行到扫描光学元件移动步骤S60。

[0300] 在扫描光学元件移动步骤S60中，扫描光学元件移动到并停在另一指定偏振角位置，以及用于使用根据本发明的光学元件旋转类型的椭圆偏振仪测量样品的物理性质的方法进行到系数测量步骤S40，使得针对匀速旋转光学元件的偏振角的傅立叶系数由光检测器测量。

[0301] 穆勒矩阵计算步骤S70是当扫描光学元件的偏振角到达最终目标点时通过计算针对扫描光学元件的偏振角的傅立叶系数计算针对样品的穆勒矩阵的元素的步骤。

[0302] 文件存储步骤S80是将穆勒矩阵计算步骤S70中计算的穆勒矩阵的元素作为文件存储在计算机中或在屏幕上输出穆勒矩阵的元素的步骤。