Das Müller-Matrix-Spektralellipsometer basiert auf dem allgemeineren Müller-Stokes-Formalismus. Es bildet eine 4x4 Müller-Matrix M, indem sie den Polarisationszustand des eingehenden Lichts systematisch verändert (durch einen Polarisator und einen einstellbaren Polarisationsgenerator) und die reflektierte oder transmittierte Polarisation aller vier Stokes-Parameter genau messen (durch einen Polarisator und einen Polarisationsanalysator). Diese Matrix beschreibt alle Änderungen der Probe an dem eingehenden Polarisationslicht (Intensität, Polarität, Polarisationsrichtung, Elliptitätsrate usw.) vollständig und enthält eine Vielzahl von Informationen, die weit über Ψ und Δ hinausgehen, besonders geeignet für die Analyse komplexer Proben mit omnidirectioneller Anogenität, Rauheit, Musterstruktur oder Anwesenheit von Depolarisierungseffekten.
Ein typischer Satz von Müller-Matrix-Spektralellipsometern besteht hauptsächlich aus den folgenden wichtigen Subsystemen, die zusammenarbeiten, um eine präzise optische Messkette zu bilden:
1. Lichtquellen und Spektrogenesise
Dies ist der Ausgangspunkt der Messung und bietet dem gesamten System einen breiten Wellenlängenbereich an einfallendem Licht.
Lichtquelle: In der Regel wird eine hohe Helligkeit, breites Spektrum Halogen-Wolfram-Lampe oder Xenon-Lampe verwendet. Für bestimmte Anwendungen können auch Laser- oder LED-Arrays verwendet werden. Stabilität und spektrale Kontinuität der Lichtquelle sind von entscheidender Bedeutung.
Monochrome/Spektrometer: In Rotationsanalysator-/Kompensator- oder Bildsystemen werden Monochrome häufig verwendet, um breitspektrige Lichtfarben zu streuen und eine bestimmte Wellenlänge für die Messung auszuwählen. In Systemen mit Fourier-Transformation oder Array-Detektoren werden mehrere Wellenlängen gleichzeitig mit einem Spektrometer erfasst. Moderne verwenden letzteres und verwenden Breitbandlichtquellen in Kombination mit hochempfindlichen Array-Detektoren für schnelle Spektralscans.
Direkte und fokussierte Optik: einschließlich Linsen, Spiegel usw., um das Licht von der Lichtquelle in einen parallelen Strahl zu orientieren und genau auf den Messpunkt der Probenoberfläche zu fokussieren, um die Kontrolle der Fleckgröße und des Eintrittswinkels zu gewährleisten.
2. Polarisationsgenerator
Erzeugt eine Reihe bekannter und genau steuerbarer Eingangspolarisierungszustände.
Polarizer: In der Regel ist ein fester linearer Polarizer, der das nicht-polarisierte Licht von der Lichtquelle in eine bestimmte Richtung als Benchmark für die nachfolgende Modulation umwandelt.
Einstellbares Polarisationselement: Dies ist der Kern des PSG, um den gewünschten Polarisationszustand (lineare, runde, elliptische Abweichung) durch Änderung des Orientierungswinkels und / oder der Phasenverzögerung auf der Grundlage des vom Polarisator erzeugten linearen Polarisationslichts zu erzeugen. Zu den gängigen Technologien gehören:
Rotationskompensator: Verwenden Sie eine feste Welle (in der Regel ein Viertel der Welle) und einen Kompensator mit hoher Geschwindigkeit (eine andere Welle).
Rotierbarer Polarizer/Analyzer: Verändert die Polarisationsrichtung, indem Sie den Polarizer und/oder den Polarizer drehen. Die Struktur ist relativ einfach, aber die Messgeschwindigkeit ist langsamer.
Optoelektronische Modulatoren: Schnelle Modulation der Phasenverzögerung der Wellen durch den Einsatz von piezoelektrischen Effekten, um eine hohe Geschwindigkeit und eine polarisierte Modulation ohne bewegliche Komponenten zu erreichen, die jedoch kostengünstig ist und den Spektrumbereich begrenzt sein kann.
Flüssigkristallveränderliche Verzögerung: Änderung der Phasenverzögerung durch Spannungssteuerung der Orientierung von Flüssigkristallmolekülen ermöglicht die Polarisationsregelung statischer, bewegungsfreier Teile mit hoher Flexibilität, aber die Reaktionsgeschwindigkeit und der Spektralbereich müssen optimiert werden.
3. Probentesch und Winkelsteuerung
Der Probenstand ist der Ort, an dem Licht und die Probe interagieren und deren Genauigkeit das Messergebnis direkt beeinflusst.
Präzisionsprobenstand: bietet eine stabile Plattformplatzierung der Probe, in der Regel mit XYZ-dreidimensionaler Verschiebungseinstellung, um sicherzustellen, dass die Messflecken genau in einem bestimmten Bereich der Probe positioniert werden.
Winkelsteuerung: Der Schlüssel ist die Eintrittswinkeleinstellung. Die Messungen werden in der Regel unter mehreren Eingangswinkeln durchgeführt, um die Informationsmenge zu erhöhen und die Passgenauigkeit zu verbessern.
Umgebungssteuerung (optional): Temperatur-, Vakuum- oder Atmosphärenkontrollkammern können integriert werden, um die dynamischen Veränderungen der Probe in verschiedenen Umgebungen zu untersuchen.
4. Polarisationsanalyser
Verantwortlich für die genaue Messung der vollständigen Polarisation des Lichts, das von der Probe reflektiert (oder transmittiert) wird.
Polarisator: Ähnlich wie ein Polarisator ist es in der Regel ein linearer Polarisator.
Einstellbare Polarisationsanalysekomponente: zur Analyse verschiedener Polarisationskomponenten. Durch hohe Drehgeschwindigkeit und synchrone Erkennung können vier Stokes-Parameter des reflektierten Lichts abgestimmt werden.
Bildgebungssystem: Die Polarisationsinformationen der Probenoberfläche werden auf einen 2D-Array-Detektor projiziert, um räumlich auflösende Müller-Matrixmessungen zu ermöglichen.
5. Erkennungssystem
Lichtsignale in verarbeitbare elektrische Signale umwandeln.
Detektor: Auswahl nach Spektralbereich. Es erfordert hohe Empfindlichkeit, geringes Geräuschvermögen, einen breiten Dynamikbereich und eine gute lineare Reaktion.
Signalverarbeitung und -erfassung: einschließlich Verstärker, Modul-Nummer-Wandler (ADC) und Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungskarten. Bei rotierenden Komponentensystemen sind genaue Synchronisationssignale (z. B. Codersignale) erforderlich, um die Datenerfassung auszulösen, um sicherzustellen, dass die Lichtintensität an jeder Winkelposition des Rotationszyklus genau erfasst wird.
6. Steuerungs- und Datenverarbeitungssysteme
Computer- und Steuerungssoftware: Alle Hardware zur Steuerung von Lichtquellen, Rotationsmechanismen (Geschwindigkeit, Position), Detektorerfassung, Bewegung des Probenstands usw. Ausführen von Messsequenzen und Überwachung der Daten in Echtzeit.
Datenverarbeitungs- und Modellierungssoftware: Die erfassten Rohlichtdaten werden durch komplexe Algorithmen die Elemente der Müller-Matrix umgekehrt. Anschließend erstellt der Benutzer ein physikalisch-optisches Modell der Probe, welches die Modellparameter (Dicke, n, k, Rauheit, Achsorientierung usw.) umgekehrt und die Passvorteile bewertet, indem die berechnete Mueller-Matrix an die gemessene Mueller-Matrix angepasst wird.