激光准直镜
1. 几何光学原理
• 激光准直镜主要基于几何光学中的透镜或反射镜对光线的折射和反射规律。当激光束进入准直镜时，对于透镜系统，它利用了不同曲率的透镜组合。
• 例如，凸透镜对光线有汇聚作用，凹透镜对光线有发散作用。通过合理设计凸透镜和凹透镜的焦距、间距等参数，可以使具有一定发散角的激光束在经过透镜组后变成平行光束。
• 在反射镜系统中，抛物面反射镜常被使用。根据抛物线的光学性质，从抛物面焦点发出的光线经抛物面反射后会平行于对称轴射出。因此，将激光源置于抛物面反射镜的焦点处，就能得到平行的激光束。
2. 物理光学原理（考虑激光特性）
• 激光具有相干性、单色性和方向性等特点。在准直过程中，需要考虑激光的波前特性。准直镜的设计要尽量保证激光的波前不发生畸变。
• 利用光波的干涉原理可以对准直镜的性能进行检测和优化。例如，通过干涉仪测量经过准直镜后的激光波前与理想平面波的差异，从而进一步改进准直镜的设计和制造工艺。
二、激光准直镜功能
1. 光束准直
• 最主要的功能是将原本具有一定发散角的激光束转变为平行光束。这使得激光能够在较长的传播距离内保持较小的光斑尺寸和较高的能量密度。
• 例如，在一些远距离激光通信或激光测距应用中，准直后的激光束可以减少能量在传播过程中的损耗，提高信号传输的距离和精度。
2. 光束整形
• 除了准直，还可以对激光束的形状进行一定程度的调整。例如，将圆形的激光光斑整形成方形或椭圆形等特定形状，以满足不同应用场景的需求。
• 在激光加工中，不同形状的光斑可能会带来不同的加工效果，通过准直镜进行光束整形可以优化加工工艺。
3. 能量控制
• 精确控制激光束的能量分布。通过准直镜的设计和优化，可以使激光能量在准直后的光束中均匀分布或按照特定的模式分布。
• 在一些对激光能量均匀性要求较高的应用中，如激光退火、激光薄膜沉积等半导体制造工艺，这种能量控制功能至关重要。
三、在半导体量测上的运用
1. 光刻对准
• 在半导体光刻工艺中，需要将光刻掩膜版上的图案精确地转移到硅片上。激光准直镜可以为光刻设备提供精确的对准光束。
• 例如，通过发射准直的激光束来确定光刻掩膜版和硅片的相对位置，确保图案的高精度转移。由于光刻工艺的精度要求达到纳米级别，激光准直镜能够提供的高精度准直光束对于保证光刻质量至关重要。
2. 晶圆平整度测量
• 用于晶圆表面平整度的测量。在测量过程中，准直的激光束以一定角度照射到晶圆表面，通过测量反射光的角度和强度变化来分析晶圆的平整度。
• 由于激光准直镜能够提供稳定且方向精确的激光束，使得这种测量方法具有较高的准确性和可靠性，有助于筛选出符合质量要求的晶圆，保证半导体芯片的性能和良品率。
3. 芯片缺陷检测
• 在芯片缺陷检测系统中，激光准直镜可以用于提供检测光源。准直的激光束可以聚焦到芯片表面的微小区域，通过分析反射光或散射光的特性来检测芯片表面的缺陷，如划痕、孔洞等。
• 这种高精度的检测技术依赖于激光准直镜提供的高质量激光束，能够实现对芯片缺陷的早期发现和定位，减少不合格产品的产生，提高半导体制造的生产效率和产品质量。
二.分光镜(beam splitter BS)的原理
1. 基本原理
• 分光镜是基于光的折射和反射原理工作的光学元件。它通常由玻璃或其他光学材料制成，表面镀有特殊的光学薄膜。
• 当一束光入射到分光镜上时，根据光的波动理论，光在两种不同介质（分光镜材料和周围介质）的界面上会发生反射和折射现象。
• 对于未镀膜的分光镜，其反射和折射光的比例由两种介质的折射率决定。例如，当光从空气（折射率约为1）进入玻璃（折射率一般在1.5左右）时，会有一部分光反射，一部分光折射进入玻璃。
2. 镀膜原理
• 为了实现特定的分光比（反射光和折射光的比例），分光镜表面会镀上多层光学薄膜。这些薄膜的厚度通常是光波长的四分之一的奇数倍。
• 通过控制薄膜的材料（如氟化镁、二氧化钛等）和厚度，可以改变光在薄膜层间的干涉效果。当光在薄膜层间反射和折射时，特定波长的光会由于干涉相长或相消而被增强或减弱，从而实现对不同波长光的分光功能。
• 例如，在一个50%反射、50%透射的分光镜中，镀膜的设计使得在特定波长下，反射光的强度和折射光的强度大致相等。
分光镜的功能
1. 分光功能
• 分光镜最主要的功能是将一束光分成两束或多束具有特定比例的光。这包括将一束光分成反射光和透射光两部分，或者在更复杂的设计中，将光分成多个不同方向和强度的光束。
• 例如，在光谱分析中，分光镜可以将复合光（如太阳光）分解成不同波长的单色光，便于对光的成分进行分析。
2. 波长选择功能
• 可以根据需要选择特定波长的光。通过设计合适的镀膜，分光镜可以反射或透射特定波长范围的光，而对其他波长的光则有不同的处理方式。
• 这在激光技术中应用广泛，例如在激光谐振腔中，分光镜可以作为输出耦合镜，只允许特定波长和强度的激光输出，同时将其他波长的光反射回腔内继续振荡。
3. 光束转向功能
• 分光镜可以改变光束的传播方向。在一些光学仪器中，通过合理布置分光镜，可以将光束引导到不同的光路中，实现光信号的多路传输或处理。
在半导体量测上的运用
1. 光刻过程中的光强监测
• 在半导体光刻工艺中，精确控制曝光光源的光强至关重要。分光镜可以将光刻光源的光分出一部分到光强监测器。
• 例如，在深紫外光刻（DUV）中，分光镜将DUV光分成两部分，一部分继续用于光刻曝光，另一部分被反射或透射到光探测器上，实时监测光强变化，确保光刻过程的稳定性和准确性。
2. 光学薄膜厚度测量
• 在半导体制造中，会在晶圆表面沉积各种光学薄膜。分光镜可以用于测量这些薄膜的厚度。
• 利用分光镜将测量光分成两束，一束作为参考光，另一束经过晶圆表面反射后与参考光发生干涉。通过分析干涉条纹的变化，可以精确测量薄膜的厚度，因为薄膜厚度的变化会导致反射光的光程差变化，进而影响干涉条纹。
3. 半导体材料的光谱分析
• 用于对半导体材料进行光谱分析。分光镜将光源发出的光分解成不同波长的光，照射到半导体样品上。
• 通过检测半导体样品对不同波长光的吸收、反射或透射情况，可以分析半导体材料的能带结构、杂质含量等特性。例如，在分析硅材料中的掺杂元素时，不同元素会在特定波长下产生吸收峰，通过分光镜分解光和光谱仪检测，可以确定掺杂元素的种类和浓度。
偏振分光镜的
1. 偏振原理
• 光是一种电磁波，其电场矢量和磁场矢量的振动方向与传播方向垂直。光的偏振态是指电场矢量的端点在空间固定点随时间运动的轨迹。常见的偏振态有自然光（无偏振方向）、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
• 偏振分光镜基于光的偏振特性进行分光操作。它利用了某些晶体（如方解石）或人工多层膜结构对不同偏振方向的光具有不同的折射或反射特性。
2. 晶体双折射特性
• 对于基于晶体的偏振分光镜，晶体具有双折射现象。例如方解石晶体，当一束自然光进入方解石时，会被分解成两束线偏振光，即寻常光（o光）和非常光（e光）。
• o光和e光在晶体中的传播速度不同，折射率也不同。通过合理设计晶体的切割方向和光学结构，可以将o光和e光在空间上分开，实现偏振分光。
3. 多层膜结构原理
• 另一种常见的偏振分光镜是基于多层膜结构。在这种结构中，通过在玻璃基底上交替沉积高折射率和低折射率的材料层（如二氧化钛和二氧化硅），形成多层膜。
• 当光入射到多层膜结构时，不同偏振方向的光在薄膜层间的反射和折射情况不同。通过精确控制薄膜的厚度、层数和材料，可以使p偏振光（电场矢量在入射面内）和s偏振光（电场矢量垂直于入射面）分别以不同的比例被反射和透射，从而实现偏振分光。
偏振分光镜的功能
1. 偏振光分离
• 其核心功能是将一束光按照偏振方向分成两束相互垂直偏振态的光。例如，将一束自然光分解成水平偏振光和垂直偏振光，或者将一束部分偏振光分离成不同偏振方向的分量。
• 这种功能在光学实验和光学仪器中非常重要，例如在偏振光显微镜中，偏振分光镜用于分离和控制照明光的偏振态，以观察样品的光学各向异性特性。
2. 光强控制
• 通过精确控制偏振分光镜的反射和透射系数，可以实现对不同偏振态光的光强调节。在一些光学系统中，需要精确控制特定偏振态光的强度，偏振分光镜可以满足这一需求。
• 例如，在激光显示技术中，通过偏振分光镜可以调整不同颜色激光的偏振态和强度，以实现高质量的图像显示。
3. 光束方向控制
• 能够改变不同偏振态光束的传播方向。这在构建复杂的光学光路时非常有用，可以使不同偏振态的光沿着设计好的光路传播，实现特定的光学功能。
在半导体量测上的运用
1. 椭圆偏振测量
• 在半导体薄膜厚度和折射率测量中，椭圆偏振测量技术广泛应用。偏振分光镜是椭圆偏振仪的关键部件。
• 椭圆偏振仪通过将一束已知偏振态的光照射到半导体样品表面，反射光的偏振态会因样品的薄膜厚度和折射率而改变。偏振分光镜用于分离和分析反射光的偏振态变化，进而计算出半导体薄膜的厚度和折射率等参数。
2. 光散射测量
• 在半导体晶圆表面粗糙度和缺陷检测中，光散射测量是一种重要方法。偏振分光镜可以用于控制和分析测量光的偏振态。
• 当偏振光照射到晶圆表面时，表面的粗糙度和缺陷会导致光的散射，散射光的偏振态与表面特性相关。偏振分光镜可以将散射光按照偏振态分离，通过分析不同偏振态散射光的强度和分布，可以评估晶圆表面的质量状况。
3. 光刻对准
• 在半导体光刻工艺中，精确的对准是保证光刻质量的关键。偏振分光镜可以用于光刻对准系统。
• 例如，通过将特定偏振态的光用于对准标记的照明和检测，偏振分光镜可以帮助分离和处理对准光信号，提高对准的精度和稳定性，确保光刻图案能够准确地转移到晶圆上。
波片
的定义和原理
波片也叫相位延迟片，是一种能使互相垂直的两光振动间产生附加光程差（或相位差）的光学器件。它通常由双折射晶体（如石英、云母等）制成。
双折射晶体有两个折射率不同的主轴方向，分别为快轴和慢轴。当一束光垂直入射到波片上时，会分解为沿快轴和慢轴方向的两个偏振分量。由于两个轴方向的折射率不同，这两个偏振分量在晶体中传播速度不一样，从而产生相位差。设波片的厚度为d，快轴和慢轴方向的折射率分别为n_f和n_s，光的波长为λ，那么通过波片后两偏振分量产生的相位差\Delta\varphi = \frac{2\pi}{\lambda}(n_s - n_f)d。
二、波片的功能
• 改变光的偏振态：可以将线偏振光转变为椭圆偏振光或者圆偏振光。例如，当线偏振光的振动方向与波片的快轴或慢轴成45°角入射时，通过适当厚度的波片能使光转变为圆偏振光。如果相位差不是\frac{\pi}{2}的整数倍，则会产生椭圆偏振光。
• 调整光的相位：用于精确地调整光的相位，在光学干涉仪等设备中发挥重要作用，使得两束光在相遇时能够按照需要的相位差进行干涉。
三、在半导体量测上的运用
• 测量半导体材料的双折射特性：半导体材料有些可能会出现双折射现象，波片可用来精确测量这种双折射的程度。通过改变波片的角度，观察光经过半导体样品和波片后的偏振态变化，根据变化规律来计算半导体材料的双折射参数，如双折射率差等。
• 确定半导体器件中的应力分布：在半导体制造过程中，应力会导致材料双折射性质发生改变。利用波片结合偏振光显微镜，可以观察到由于应力引起的偏振态变化，从而间接测量出应力分布情况。例如，在硅基半导体器件中，通过分析光经过波片和器件后的干涉条纹变化，能够定位应力集中区域，有助于评估器件的质量和可靠性。
• 光学薄膜厚度测量：在半导体器件上常常会有光学薄膜，波片可以辅助测量薄膜厚度。利用光在薄膜和波片中的干涉效应，通过改变光的波长或者波片的参数，根据干涉条纹的变化来计算薄膜的厚度。
角锥棱镜
定义与原理
角锥棱镜是一种具有三个相互垂直反射面的光学棱镜。它的工作原理基于光的反射定律。
当光线从任意方向射入角锥棱镜后，会在三个相互垂直的反射面上依次发生反射。由于反射面两两垂直，根据几何光学和反射定律可以知道，无论光线以何种角度入射，经过三次反射后，出射光线将与入射光线平行，并且方向相反。就好像光线沿着原路返回一样，只是传播方向相反。这种特性使得角锥棱镜能够精确地控制光路的折返，并且不受棱镜本身微小的角度偏差和位置变化的影响。
二、角锥棱镜的功能
• 光路折返：主要用于改变光路方向，将入射光准确地沿反方向返回，在激光测距、光学干涉测量等领域广泛应用。例如在激光测距仪中，发射出去的激光脉冲遇到目标物体后反射回来，角锥棱镜可以确保反射光能够按原路返回被探测器接收，这样就能通过测量光往返的时间来计算距离。
• 光束准直和定位：角锥棱镜还可以辅助进行光束的准直和定位。由于其对光路折返的稳定性，在一些需要精确对准光路的光学系统中，它能够帮助确定光束的方向，保持光路的一致性。
三、在半导体量测上的运用
• 光刻对准系统：在半导体光刻技术中，精确的对准是至关重要的。角锥棱镜可以用于对准系统，帮助将光束精确地反射回光源或者探测器方向，从而确定掩膜和硅片之间的相对位置是否准确。通过这种精确的光路控制，可以提高光刻的精度，保证芯片制造过程中图案转移的准确性。
• 光学检测系统的校准：在半导体芯片的光学检测环节，需要精确的光路来检测芯片的表面形貌、缺陷等情况。角锥棱镜可以作为一种校准工具，帮助调整和校准光学检测系统的光路，确保检测光束能够准确地照射到芯片的目标区域并且返回信号能够被有效收集，从而提高检测的可靠性和准确性。
衍射光栅
定义和原理
• 衍射光栅是一种由大量等间距的平行狭缝（或反射面）构成的光学元件。它的原理基于光的衍射现象。
• 当一束光照射到光栅上时，光会在每个狭缝处发生衍射。这些衍射光会相互干涉。根据惠更斯 - 菲涅耳原理，每个狭缝都可看作是新的子波源。在某些特定方向上，这些子波的光程差是波长的整数倍，就会产生相长干涉，形成明亮的条纹；而在光程差不是整数倍波长的方向上，就会产生相消干涉，形成暗条纹。其干涉条件满足光栅方程：d(\sinθ_m - \sinθ_i)=mλ，其中d是光栅常数（相邻狭缝的间距），θ_m是第m级衍射光的衍射角，θ_i是入射角，m是衍射级数，λ是光的波长。
二、衍射光栅的功能
• 分光功能：能够将复合光分解为不同波长的单色光。例如，当一束包含多种波长的白光照射到光栅上时，由于不同波长的光在满足光栅方程的不同衍射角度下出现相长干涉，所以在不同的角度位置可以看到不同颜色（波长）的光，就像三棱镜分光一样，但比三棱镜分光的分辨率更高。
• 波长测量：已知光栅常数和衍射角度，就可以通过光栅方程来测量光的波长。这在光谱学领域有重要应用，用于分析光源的光谱成分。
三、在半导体量测上的运用
• 薄膜厚度测量：在半导体中有许多光学薄膜。利用光照射到薄膜 - 光栅结构后产生的衍射现象，结合一定的理论模型，可以根据衍射光的强度和角度变化来推算薄膜的厚度。例如，通过观察反射光的衍射图样变化，当薄膜厚度改变时，光程差改变，衍射条纹位置和强度也随之改变，从而实现对薄膜厚度的测量。
• 材料成分分析：通过测量半导体材料对不同波长光的吸收和反射情况（其反射光经光栅分光后进行分析），可以推断材料的成分。因为不同的材料成分在不同波长下有不同的吸收和反射特性，光栅分光后的光谱能够提供这些信息。
参考资料：
1.《光学测量原理、技术与应用》
