CN116858382A - 偏振光谱的测量方法、***及其应用 - Google Patents

偏振光谱的测量方法、***及其应用 Download PDF

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Abstract

本公开实施例提供的偏振光谱的测量方法、***及其应用，所述测量方法包括：将均匀的待测光源入射至光学超表面阵列，获取透过光学超表面阵列的光的强度，光学超表面阵列由若干超表面单元组成，不同的超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性；根据透过光学超表面阵列的光的强度和光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构待测光源的偏振光谱信息，以此作为测量结果。所述测量***包括：光学超表面阵列；探测器；重构模块。所述应用为对薄膜厚度和折射率的测量。本公开利用具有偏振和光谱响应的光学超表面，可在厘米量级的***结构尺寸上实现偏振光谱的快速、稳定测量，进一步地，可实现对薄膜属性的快速、稳定测量。

Description

偏振光谱的测量方法、***及其应用
技术领域
本公开属于光学测量技术领域，具体涉及一种偏振光谱的测量方法、***及其应用，可被应用于薄膜结构特性检测和表面形貌检测等。
背景技术
光场携带有丰富的信息，包括但不限于振幅，相位，偏振，光谱等等。对光场的探测能够在不同领域有丰富的应用。例如对偏振的探测可以实现对物质表面组成的分析，光谱的探测可以实现对化学物质的成分分析。然而传统的旋光仪和光谱仪通常结构复杂，成本高且难以在便携场景中进行应用。通过将偏振探测和光谱探测级联可以实现偏振和光谱的同时探测，但多路复用导致了探测***更加复杂。
超表面是近年来新兴的一种平面光学元件，可以在亚波长的尺度上对矢量光场的振幅、相位、光谱、偏振等维度进行灵活调控。因此使用超表面可能实现一个紧凑的偏振光谱***。目前已有使用超表面光栅在空间域将不同偏振和光谱衍射到不同方向上实现偏振光谱的同时探测。然而这种方法不可避免地存在光谱分辨率和光路长度的权衡。此外也有通过液晶超表面实现计算重构的偏振光谱探测，然而基于动态调控的组件不允许快照式的测量。
另一方面，在集成电路制造、显示面板、太阳能电池板等领域中薄膜属性(厚度和折射率)的测量对于保证产品的加工质量和效率非常重要。传统进行薄膜厚度测量的方法或仪器主要有白光干涉法、扫描电子束显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等等。其中白光干涉法利用宽谱光干涉手段，具有非接触性探测，精度较高等特点，然而干涉的方式对机械振动敏感，而且不适用于数纳米厚的超薄样品的测量。SEM和AFM等手段能进行高精度的薄膜厚度测量，但这些测量手段操作复杂、测量速度慢、测量环境要求高、仪器成本较高。此外，SEM需要对样品进行复杂的断面过程，会对样品造成一定破坏。
光谱椭偏法(Spectroscopic Ellipsometry)通过测量偏振光经过薄膜样品反射后的偏振和光谱信息来进行薄膜的结构测量，具有非接触式测量、测量速度快、精度高等优点。此外，光谱椭偏法还可以对待测薄膜的折射率进行测量，在薄膜测量领域逐渐成为主流的测量方法之一。光谱椭偏法的核心是对薄膜样品反射光偏振光谱信息的测量。然而，对于偏振测量，传统形式的光谱椭偏仪检测反射光的偏振特性的过程需要机械旋转的偏振片和补偿片，这种方法不是快照式的测量方式而且机械旋转给***带来了不稳定因素。对于光谱探测，传统方法需要波长扫描的光源或者光谱仪，导致***复杂，而且扫描的光源导致较长的测量时间。
发明内容
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本公开第一方面提供的一种偏振光谱的测量方法，该方法利用具有偏振和光谱响应的光学超表面阵列，可在厘米量级的***结构尺寸上实现偏振光谱的快速、稳定测量。本公开第一方面提供的一种偏振光谱的测量方法，包括：
将均匀的待测光源入射至光学超表面阵列，获取透过所述光学超表面阵列的光的强度，所述光学超表面阵列由若干超表面单元组成，不同的所述超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性；
根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所述待测光源的偏振光谱信息，以此作为测量结果。
可选地，通过采用具有不同周期和/或不同几何结构的所述光学超表面单元使不同的所述超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性。
可选地，所述待测光源的偏振光谱信息按照下式重构得到：
式中，为重构得到的入射光源的偏振光谱信息；/>为所述待测光源的偏振光谱信息；k为正则化项的系数，k＞0；M0为光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应。
可选地，将所述待测光源的偏振光谱信息表示为Stokes矢量的形式，按照下式得到光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应M0：
式中，Tx，Ty，T45和Tlcp分别为不同超表面单元在x偏振、y偏振、45°偏振和左旋圆偏振下的光谱透过率。
本公开第二方面提供的一种基于上述测量方法的偏振光谱的测量***，包括：
所述光学超表面阵列，用于对均匀的待测光源进行偏振光谱调制；
探测器，用于获取透过所述光学超表面阵列的光的强度；
重构模块，用于根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所待测光源的偏振光谱信息，作为测量结果。
本公开第三方面提供的一种将上述测量方法在薄膜厚度和折射率测量方面的应用。
可选地，所述应用为薄膜厚度和折射率的测量方法，包括：
将45°线偏振光入射至待测的薄膜样品；
将待测的薄膜样品产生的反射光均匀地入射至超表面阵列，获取透过所述光学超表面阵列的光的强度；
根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所述反射光的偏振光谱信息；
根据重构的所述偏振光谱信息计算所述薄膜样品的椭偏参数，根据所述薄膜样品的椭偏参数得到所述薄膜样品的厚度和折射率。
可选地，根据重构的所述偏振光谱信息按照下式计算所述薄膜样品的椭偏参数：
式中，Ψ和Δ为薄膜样品的椭偏参数，分别对应根据所述反射光中p光和s光的复反射率得到的复反射比的振幅部分和相位部分；为重构的所述偏振光谱信息中光的强度，/>和/>为重构的所述偏振光谱信息中光的偏振态。
可选地，使用数值拟合函数曲线的方式根据所述薄膜样品的椭偏参数得到所述薄膜样品的厚度和折射率。
可选地，所述应用为薄膜厚度和折射率的测量***，包括：
线偏振光产生模块，用于产生45°线偏振光；
均光器件，用于确保所述反射光均匀地入射到所述超表面阵列上；
所述光学超表面阵列，用于对均匀的所述反射光进行偏振光谱调制；
探测器，用于获取透过所述光学超表面阵列的光的强度；
计算模块，用于根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所述反射光的偏振光谱信息，根据重构的所述偏振光谱信息计算所述薄膜样品的椭偏参数，根据所述薄膜样品的椭偏参数得到所述薄膜样品的厚度和折射率。
本公开的特点及有益效果：
本公开实施例的核心部件为具有偏振各向异性和光谱多样性响应的光学超表面阵列，在空间维度上对待测光源或者由薄膜样品产生的反射光进行不同的调制。通过对光学超表面阵列的每个单元进行优化设计以获取较强的偏振和光谱调控能力。待测光源或者经过薄膜样品反射后产生的具有未知偏振态和光谱的光入射到光学超表面阵列后，不同的单元将会产生不同的调制强度，通过优化算法和提前标定的光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应可以重构出待测光源或者薄膜反射光的偏振态和光谱。相比传统光谱椭偏仪，本公开实施例的偏振和光谱探测部分仅有一个单层超表面和探测器，集成度得到了大幅提升，而且测量是快照式的。另一方面，通过重构的方式测量偏振光谱可实现在使用更少单元数的前提下获得更高的分辨率。因此，基于具有偏振和光谱响应的光学超表面阵列可在厘米量级的***结构尺寸上实现对偏振光谱的快速、稳定、快照式测量，进一步地，可实现对薄膜属性的快速、稳定、快照式测量。
附图说明
图1是本公开第一方面实施例提供的偏振光谱的测量方法的流程图。
图2中(a)和(b)分别是本公开第一方面实施例提供的测量方法中采用的超表面阵列及其超表面单元结构示意图。
图3是本公开第二方面实施例提供的偏振光谱的测量***的结构示意图。
图4是本公开第三方面实施例提供的薄膜厚度和折射率测量***的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本申请，并不限定本申请的保护范围。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
参见图1，本公开第一方面实施例提供的一种偏振光谱的测量方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、将均匀的待测光源入射至光学超表面阵列，获取透过光学超表面阵列的光的强度，光学超表面阵列由若干超表面单元组成，不同的超表面单元的光谱透过率响应在偏振维度上具有各向异性；
步骤S2、根据透过光学超表面阵列的光的强度和光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构入射光源的偏振光谱信息，以此作为测量结果。
可选地，步骤S1中，为了保证后续对薄膜反射光进行偏振光谱重构时的准确性，需要保证入射至光学超表面阵列中各超表面单元的光源的均匀性。
可选地，步骤S1中，通过采用具有不同周期和/或不同几何结构的光学超表面单元使不同的超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性。
图2中(a)展示了本申请一个实施例中光学超表面阵列的结构示意图。该光学超表面阵列包括基底和形成于基底之上的20×20个相互独立的超表面单元101，每个超表面单元由具有不同的周期和/或几何结构的光学天线阵列组成，参见图2中(b)所示的102-105，示意性地展示了其中4种不同的超表面单元。均匀的待测光入射到光学超表面阵列上并在各超表面单元上受到不同的强度调制。本实施例中超表面单元是在蓝宝石基底上形成的300nm厚的具有不同几何形状的单晶硅柱阵列，本实施例中超表面单元的周期范围为310nm-410nm，各尺寸范围为80nm-350nm。在本申请的其他实施例中，光学天线阵列和基底可以选用其他材料，光学天线也可以设计为其他厚度的柱或孔，超表面单元的个数也可以根据实际需求灵活选择，本申请均不对此加以限制。每个超表面单元的周期和几何结构可以根据偏振光谱探测的性能要求采用结构参数扫描或者逆向设计等方式进行确定。为了保证后续偏振光谱重建的精度，其设计的主要原则为不同的超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性。
可选地，步骤S1中，由于不同的超表面单元的光谱透过率响应在偏振维度上具有各向异性，因此，光学超表面阵列对透过的光具有不同的调制强度，可以通过黑白CMOS/CCD探测器获取透过光学超表面阵列的光的强度。设透过光学超表面阵列的光的强度为其与光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应之间满足以下关系式：
式中，为入射至光学超表面阵列的待测光源的偏振光谱信息，将该待测光源的偏振光谱信息表示为Stokes矢量的形式，即/>s0表示光的强度，s1，s2，s3表示光的偏振态；M0为标定的光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应。
可选地，步骤S2中，在重构入射光源的偏振光谱信息前，需要先对光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应进行标定，具体标定过程为：使用单色仪和探测器测量不同超表面单元在x方向线偏振光、45°方向线偏振光、y方向线偏振光和左旋圆偏振光下的光谱透过率，并计算M0为：
式中，Tx，Ty，T45和Tlcp分别为不同超表面单元在x偏振、y偏振、45°偏振和左旋圆偏振下的光谱透过率。
可选地，步骤S2中，待获取标定后的光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应M0后，根据M0和透过光学超表面阵列的光的强度利用最小化目标函数的方法重构入射光源的偏振光谱信息，重构公式如下：
式中，为重构的入射光源的偏振光谱信息；/>为入射至光学超表面阵列的待测光元源的偏振光谱信息；k为正则化项的系数，k＞0。
可以理解的是，本公开第一方面实施例提供的偏振光谱的测量方法，利用空间维度上的超表面阵列编码待测光，并通过计算重构的方式进行算法解码，可以在紧凑的平台上实现快照式的偏振光谱测量。
参见图3，本公开第二方面实施例提供的一种基于上述偏振光谱测量方法的偏振光谱测量***，该***包括：
光学超表面阵列301，用于对均匀的待测光源进行偏振光谱调制，光学超表面阵列301由若干超表面单元组成，不同的超表面单元的光谱透过率响应在偏振维度上具有各向异性；
探测器302，用于获取透过光学超表面阵列301的光的强度；
重构模块(该重构模块在图3中未示意出)，用于根据透过光学超表面阵列301的光的强度和光学超表面阵列301在不同偏振态下的光谱透过率响应重构入射光源的偏振光谱信息，以此作为测量结果。
可选地，探测器302根据不同波段针对性选择，如可见光波段选择常见的黑白CMOS或CCD探测器。
可选地，光学超表面阵列301与探测器302通过光学胶带或其他粘连方式进行机械连接，或者使用光学成像***(例如显微***)将光学超表面阵列成像在探测器上。
需要说明的是，前述对一种偏振光谱的测量方法的实施例解释说明也适用于本实施例的一种偏振光谱的测量装置，在此不再赘述。
本公开第三方面实施例提供的上述偏振光谱测量方法在薄膜的厚度和折射率测量方面的应用。
可选地，所述偏振光谱测量方法在薄膜的厚度和折射率测量方面的应用为一种薄膜的厚度和折射率的测量方法，该方法包括以下步骤：
将45°线偏振光入射至待测的薄膜样品；
将待测的薄膜样品产生的反射光均匀地入射至光学超表面阵列，获取透过光学超表面阵列的光的强度，光学超表面阵列由若干超表面单元组成，不同的超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性；
根据透过光学超表面阵列的光的强度和光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构薄膜样品产生的反射光的偏振光谱信息；
根据重构的偏振光谱信息计算薄膜样品的椭偏参数，根据该椭偏参数得到薄膜样品的厚度和折射率。
为进一步说明该方法如何使用重构的偏振光谱信息进行薄膜属性测量，提供了一个具体的测量***实施例。实施例展示了基于光学超表面阵列进行快照式光谱椭偏探测的***构型。参见图4，该测量***包括：
线偏振光产生模块，用于产生入射至待测的薄膜样品403的45°线偏振光；
均光器件404，用于确保由薄膜样品403产生的反射光均匀地入射到光学超表面阵列405上；
光学超表面阵列405，用于对由薄膜样品403产生的均匀的反射光进行偏振光谱调制，光学超表面阵列405由若干超表面单元组成，不同的超表面单元的光谱透过率响应在偏振维度上具有各向异性；
探测器406，用于获取透过光学超表面阵列405的光的强度；
计算模块(该计算模块在图4中未示意出)，用于根据透过光学超表面阵列405的光的强度和光学超表面阵列405在不同偏振态下的光谱透过率响应重构反射光的偏振光谱信息，根据重构的偏振光谱信息计算薄膜样品403的椭偏参数，根据该椭偏参数得到薄膜样品403的厚度和折射率。
可选地，图4所示测量***的光源由线偏振光产生模块产生，该线偏振光产生模块由位于薄膜样品403同侧的宽谱光源401和45°的偏振片402组成，使宽谱光源401变为45°的线偏光入射到薄膜样品403上。
可选地，图4所示测量***中，均光器件404设置在薄膜样品403与光学超表面阵列405之间，由沿薄膜样品403产生的反射光的传输方向依次设置的第一透镜、第一光阑、第二透镜和第二光阑组成，可确保薄膜样品403产生的反射光能均匀地入射到光学超表面阵列405上。
根据菲涅尔公式，经过薄膜样品反射后p光和s光具有不同的复反射率，其复反射比ρ可以表达为：
式中Rp,Rs分别为p光和s光的复反射率；i指虚数单位；ψ和Δ为复反射比的振幅部分和相位部分，在椭偏测量中定义为薄膜样品椭偏参数，在光谱椭偏仪中是随波长变化的函数。
当待测薄膜样品产生的反射光被偏振光谱探测部分接收后，其中的光学超表面阵列405会对光强进行调制，探测器406会检测其各超表面单元调制后的光强，将该光强传输至计算模块中。
计算模块首先根据偏振光谱测量原理中的方法重构薄膜样品产生的反射光的Stokes矢量。经过计算推导，薄膜样品的椭偏参数和重构的薄膜样品产生的反射光的Stokes矢量的关系为：
式中，为重构的偏振光谱信息中光的强度，/>和/>为重构的偏振光谱信息中光的偏振态。
由于复反射比由薄膜样品的厚度和折射率确定，计算模块再根据椭偏参数的值使用数值拟合函数曲线的方式求解薄膜样品的厚度和折射率的值。至此，完成了对薄膜样品厚度和折射率的测量。
综上所述，本公开实施例的核心部件为具有偏振各向异性和光谱多样性响应的光学超表面阵列，在空间维度上对待测光源或者由薄膜样品产生的反射光进行不同的调制。通过对光学超表面阵列的每个单元进行优化设计以获取较强的偏振和光谱调控能力。待测光源或者经过薄膜样品反射后产生的具有未知偏振态和光谱的光入射到光学超表面阵列后，不同的单元将会产生不同的调制强度，通过优化算法和提前标定的光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应可以重构出待测光源或者薄膜反射光的偏振态和光谱。相比传统光谱椭偏仪，本公开实施例的偏振和光谱探测部分仅有一个单层超表面和探测器(偏振光谱测量***尺寸约为3cm×3cm×2cm)，集成度得到了大幅提升，而且测量是快照式的。另一方面，通过重构的方式测量偏振光谱可实现在使用更少单元数的前提下获得更高的分辨率。因此，基于具有偏振和光谱响应的光学超表面阵列可在厘米量级的***结构尺寸上实现对偏振光谱的快速、稳定、快照式测量，进一步地，可实现对薄膜属性的快速、稳定、快照式测量。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种偏振光谱的测量方法，其特征在于，包括：
将均匀的待测光源入射至光学超表面阵列，获取透过所述光学超表面阵列的光的强度，所述光学超表面阵列由若干超表面单元组成，不同的所述超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性；
根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所述待测光源的偏振光谱信息，以此作为测量结果。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，通过采用具有不同周期和/或不同几何结构的所述光学超表面单元使不同的所述超表面单元的光谱透过率响应具有偏振各向异性和多样性。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述待测光源的偏振光谱信息按照下式重构得到：
式中，为重构得到的入射光源的偏振光谱信息；/>为所述待测光源的偏振光谱信息；k为正则化项的系数，k>0；M0为光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，将所述待测光源的偏振光谱信息表示为Stokes矢量的形式，按照下式得到光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应M0：
式中，Tx，Ty，T45和Tlcp分别为不同超表面单元在x偏振、y偏振、45°偏振和左旋圆偏振下的光谱透过率。
5.一种基于权利要求1～4中任一项所述测量方法的偏振光谱的测量***，其特征在于，包括：
所述光学超表面阵列，用于对均匀的待测光源进行偏振光谱调制；
探测器，用于获取透过所述光学超表面阵列的光的强度；
重构模块，用于根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所待测光源的偏振光谱信息，作为测量结果。
6.一种将根据权利要求1～4中任一项所测量方法在薄膜厚度和折射率测量方面的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述应用为薄膜厚度和折射率的测量方法，包括：
将45°线偏振光入射至待测的薄膜样品；
将待测的薄膜样品产生的反射光均匀地入射至超表面阵列，获取透过所述光学超表面阵列的光的强度；
根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所述反射光的偏振光谱信息；
根据重构的所述偏振光谱信息计算所述薄膜样品的椭偏参数，根据所述薄膜样品的椭偏参数得到所述薄膜样品的厚度和折射率。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，根据重构的所述偏振光谱信息按照下式计算所述薄膜样品的椭偏参数：
式中，Ψ和Δ为薄膜样品的椭偏参数，分别对应根据所述反射光中p光和s光的复反射率得到的复反射比的振幅部分和相位部分；为重构的所述偏振光谱信息中光的强度，和/>为重构的所述偏振光谱信息中光的偏振态。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，使用数值拟合函数曲线的方式根据所述薄膜样品的椭偏参数得到所述薄膜样品的厚度和折射率。
10.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述应用为薄膜厚度和折射率的测量***，包括：
线偏振光产生模块，用于产生45°线偏振光；
均光器件，用于确保所述反射光均匀地入射到所述超表面阵列上；
所述光学超表面阵列，用于对均匀的所述反射光进行偏振光谱调制；
探测器，用于获取透过所述光学超表面阵列的光的强度；
计算模块，用于根据透过所述光学超表面阵列的光的强度和所述光学超表面阵列在不同偏振态下的光谱透过率响应重构所述反射光的偏振光谱信息，根据重构的所述偏振光谱信息计算所述薄膜样品的椭偏参数，根据所述薄膜样品的椭偏参数得到所述薄膜样品的厚度和折射率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117848504A (zh) * 2023-12-26 2024-04-09 中国人民解放军军事科学院***工程研究院 一种小型化偏振光谱成像装置及方法

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