偏光检测系统成像分析 - AOIEA 自动光学检测设备联盟.PDF

偏光檢測系統成像分析 ＊ 謝易辰 ，楊富程 工業技術研究院 量測中心－儀器與感測技術發展組－先進光學檢測技術發展部 E-mail: ichhsieh@itri.org.tw＊, FuShiangYang@itri.org.tw 壹、 前言 在自動光學檢測的光學探頭設計中，偏光元件的一般基礎應用例子包含消除影像的雜散光，減 低反射面造成的眩光，增加影像對比，以及分析材料中的應力狀態與折射率的變化等。量測中心應用 偏振光學開發相關的偏光檢測系統，以影像式橢圓偏光檢測系統為例，其主要是利用偏振光學整合成 像系統，達到可量測樣本細微的折射率變異分佈影像 ，進而分析樣本品質的優劣與缺陷。本文將說明 此量測系統原理與分析偏光成像系統以及系統特性。 貳、原理介紹 橢圓偏光儀的基本原理是利用物體的表面反射會改變光極化狀態的特性，例如一包含基板跟鍍膜 的樣本上 ，其整個樣本包含基板跟膜層的反射光訊號都會影響到偏極化的組態(State of Polarization) 。 橢圓偏光儀就是可將量到的樣本反射光微小偏極化組態 ，包含強度（Amplitude ）及相位（Phase ）變 化，轉換成對應的樣本基板與薄膜厚度與折射率，此兩項參數又可稱為材料的光學常數(Optical Constant) 。 橢圓偏光儀的通用系統架構如下圖一所示。 source detector polarizer analyzer compensator compensator sample 圖一、橢圓偏光儀示意圖 入射光線經過線偏振片（Polarizer ）跟相位補償片（Compensator ），會產生一橢圓偏振光或任意型態 的偏振光入射於樣本上，經樣本後改變偏振狀態的反射光再，透過相位補償片（Compensator ）跟檢 偏片（Analyzer ），將偏振光轉換成偵測器可接收的明暗強度變化。一般而言橢圓偏光儀的入射角度選 擇是接近樣本基板布魯斯特角（Brewster angle ）以玻璃基板來說是56 度，但是入射角會選擇以60 度 角入射。選擇近布魯斯特角入射有增加系統訊號強度的優點。 儀器量得訊號跟樣本材料參數可由下式基本的橢偏公式說明 ， 1 ， 其中Rpp 是均向（Isotropic ）材料的P 偏振反射率，Rss 是均向材料的S 偏振反射率。此公式是將樣本 Rpp 及Rss 複數反射率的強度比值跟相位差分別定義為Ψ跟Λ。Ψ跟Λ是橢圓偏光儀可直接量測出的 參數，而Rpp 跟Rss 由材料本身厚度與折射率的光學常數所決定，因此只要橢圓偏光儀量測出Ψ跟Λ 之後，藉由此公式可得到材料的光學常數。另一方面，也因為橢圓偏光儀可以同時得到樣本反射光的 反射率強度比值跟相位差資訊，當薄膜厚度或是折射率變化很小的情況下，橢圓偏光儀比一般只有強 度資訊的反射儀（Reflectometer ）更容易量測出材料的厚度與折射率。 影像式橢圓偏光儀（Imaging Ellipsometer ）是在一般橢圓偏光儀硬體架構上加上了成像系統，包 含成像鏡頭與面型相機，同時為了達到面型的照明視野，投光需要擴束系統以增加投光面積 ，如圖二 所示。除了在硬體上的差異之外，影像式橢圓偏光儀與一般橢圓偏光儀最大差異在於前者是將樣本的 厚度與折射率資訊直接轉換成二維的面型灰階強弱分佈，讓使用者透過相機的影像的就可以直接觀察 到樣本的光學常數變異，無須經過耗時的取樣掃描與繁瑣的計算才能得知差異。換而言之，影像式橢 圓偏光儀適用於樣本的均質定性檢測，而一般的橢圓偏光儀則屬於定量化的樣本參數量測。 圖二、影像式橢圓偏光儀示意圖 （PCSCA 架構）