专利名称：一种用于光学测量仪器样品台校准的系统及其方法
技术领域：
本发明属于精密光学测量仪器的光路系统校准领域，具体涉及一种用于光学测量仪器样品台校准的系统及其方法，它适用于对椭偏仪及其他类似光学测量仪器样品台的倾斜角度及高度进行精确校准。
背景技术：
光谱型椭偏仪是一种用于探测样品薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量设备。将样品放置在椭偏仪或者类似系统的样品台上，将一束偏振光以一个倾斜的入射角投射在样品上，光束经样品反射后进入探测器。为了获得准确的测量结果，一些在实验中可调整的参数(包括椭偏仪与待测样品之间的距离，即样品的“高度”，相对于样品的椭偏仪光束的入射角和入射面)都必须清楚地知道并且调整至最佳点。关于椭偏仪的光路结构及椭偏仪中起偏臂与检偏臂包含的光学元器件美国宾夕法尼亚州立大学的柯林斯等人(R. ff. Collins et al.，]. Opt. Soc. Am. A, Vol. 16, No. 8/Augustl999)做了详细研究。这是基于双旋转补偿器的宽光谱广义椭偏仪的，起偏臂包含的光学元件依次为起偏器和可旋转的补偿器，检偏臂包含的元件与起偏臂相同，只是顺序相反。椭偏仪样品台能够沿“X”、“Y”或“Z”轴方向移动，同时也能绕“X”、“Y”或“Z”轴转动，即样品台有6个自由度。但是在试验中一般只考虑绕“Χ”、“Υ”的转动(S卩X-Y平面的倾斜)和“Ζ”轴方向(即垂直方向)的移动。根据以上分析，样品台的校准包括两个方面俯仰校准(TiltAlignment)和样品高度对准(Sample Height Alignment)。俯仰对准是调节样品的俯仰(倾斜)位置，使得入射到样品上的光束能以正确的角度反射到探测器上。如果系统装有聚焦件，这时常选择跳过俯仰校准，因为这时俯仰调节不灵敏；如果一直测很平整的样品，也可跳过俯仰校准。例如，系统一直测量200_的晶圆，那么不同样品的俯仰角是十分相似的，这时就可跳过俯仰校准。对于不能跳过的测量，系统用一个四象限探测器来判断反射光，通过调节样品俯仰使得在探测器的四个象限上的光强分布相同，这时光束在四象限探测器的中央(同心)，也就是正确的反射光位置。这种方法对于各个样品的俯仰调节都有很高的重复性。样品高度对准是调节样品反射表面高低位置(反射光高低位置随之改变)，对准的目的是让不同厚度样品上的反射光能到达准确地位置(探测器上光强最强)。对于有小光斑的椭偏仪(聚集光斑椭偏仪)，这个调节尤其重要。如果有不同厚度(基底)的样品要在同一台椭偏仪上测试，那么样品高度对准是必不可少的。在校准时在不同“Z”轴高度时的探测器上的反射光光强被记录下来，具有最高光强的“Z”轴位置将被认为是“Z”轴的正确位置(对准位置)。四象限光电探测器是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成(每个二极管一个象限)的光电探测器件，常用于激光制导或激光准直。目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像时，一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。 当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上(也就知道了目标的方位)，若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或角度来。而现在的集成模块可以做到将四象限探测器的光强信号转换为数字信号，并通过USB接口将数据传输至计算机上进行显示、分析或存储，以满足用户对四象限数据处理的要求。并且此信号处理模块具有信号转换精度高、数据处理软件功能强大的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光学测量仪器样品台校准的系统及其方法，本发明可以实现对样品台的倾斜角度及高度进行高精确校准，且响应快速，操作简单。本发明提供的一种用于光学测量仪器样品台校准的系统，该系统包括光源、起偏臂、前置四象限探测器、检偏臂、分光镜、内置四象限探测器、CXD探测器和计算机；在起偏臂上设置有第一镜头调整台和第一调整旋钮，在前置四象限探测器上设置有第二镜头调整台和第二调整旋钮；前置四象限探测器是中空四象限探测器；计算机分别与前置四象限探测器、内置四象限探测器和CCD探测器电信号连接；光源和起偏臂位于同一光路上，并固定封装在一起，作为系统前部；前置四象限探测器、检偏臂、分光镜和CCD探测器依次位于同一光路上,且分光镜与该光路的夹角为45度，内置四象限探测器位于分光镜的反射光路上，前置四象限探测器，检偏臂，分光镜，内置四象限探测器和CCD探测器固定封装在一起，作为系统后部。使用上述系统进行校准的方法，包括光路对准，以样品台倾斜及相对高度校准二个阶段，具体过程为(一)、光路对准(1.1)位置调整首先调整系统如部和系统后部，使_■部分的光路均位于王光路上，并调整系统iu部和系统后部与样品台之间的相对高度使得样品台不会遮挡住光束；(1. 2)位置调整好后将额外的封装好的偏振片放置在前置四象限探测器上镜头调整台的中心孔内，调整起偏臂上的调整旋钮使得十字光标处于中心位置，完成前光路的对准；(1. 3)将额外偏振片取出，调整前置四象限探测器上的调整旋钮使得十字光标处于中心位置，完成后光路的对准；(1. 4)可重复步骤(1. 2)、(1. 3)，直至两个十字光标都近乎处于中心位置；(二)样品台倾斜及相对高度的校准(2.1)微调样品台上的调整旋钮，使表示光束的十字光标出现在中心位置；在调整样品台倾斜角度的过程中，对每个坐标轴进行下述操作逆时针旋转螺钉使十字光标正好超过中心点，然后缓慢顺时针旋转螺钉使十字光标正好处于中心点，对于另一个坐标轴重复以上步骤；(2. 2)以预先设定的步长I令系统前部和系统后部在Z轴方向上进行扫描，并记录在每个高度位置时CCD探测器或内置四象 限探测器接受到的总光强，并绘制出一条光强曲线，选取光强值最大点处为样品台最优相对高度位置；
(2. 3)重复步骤(2.1)、(2. 2)，直到将样品台调整到一个所需的精确位置。与现有样品台校准方法相比，本发明所提供的校准系统和方法以四象限探测器的使用为核心，可以实现对椭偏仪或其他光学测试仪器样品台的高精度校准，在光学仪器设计及光学测量领域中将会有广泛的应用前景。
图1是本发明中进行光路系统对准，即椭偏仪直通式(入射角为90° )时的光路系统结构图；图2是本发明中进行样品台校准，即椭偏仪斜入射式(入射角为Θ )时的光路系统结构图；图3是本发明使用的前置四象限探测器的原理结构示意图；图4是本发明使用的内置四象限探测器的原理结构及照射到中心位置的光束示意图；图5是可调整的样品台简化结构示意图。其中，图(a)为其主视图，图(b)为其俯视图；图6是进行光路对准和样品台倾斜角度调整时四象限探测器在电脑上的软件显示界面；
图7是样品台高度校准时进行高度扫描时软件得到的一条表示光强的曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实例对本发明方法的原理和工作过程作进一步详细说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，是本发明提供的一种用于光学测量仪器样品台校准的系统，该系统包括光源1，起偏臂2，前置四象限探测器7，检偏臂8，分光镜9，内置四象限探测器10，CXD探测器11和计算机14。在起偏臂2上设置有第一镜头调整台4和第一调整旋钮3，在前置四象限探测器7上设置有第二镜头调整台6和第二调整旋钮5，这些主要用来调整起偏臂2和前置四象限探测器7的姿态，即空间倾斜角度。前置四象限探测器7是中空四象限探测器，内置四象限探测器10是非中空的普通四象限探测器。计算机14分别与前置四象限探测器7、内置四象限探测器10和CCD探测器11电信号连接。计算机14主要用于实时显示光斑相对于两个四象限探测器7、10中心的位置以便调整光路，以及处理CXD探测器11接收到的光谱信号以便分析得到样品的表面特征参数。光源I和起偏臂2位于同一光路上，并固定封装在一起，称为系统前部；前置四象限探测器7、检偏臂8、分光镜9和CCD探测器11依次位于同一光路上，且分光镜9与该光路的夹角为45度，内置四象限探测器10位于分光镜9的反射光路上，前置四象限探测器7，检偏臂8，分光镜9，内置四象限探测器10和CCD探测器11固定封装在一起，称为系统后部。系统前部和系统后部通过活动支架安装在固定底座上，可调整空间高度和倾斜度。如图3所示，前置四象限探测器7的一般结构主要由P电极17、扇形光敏区18和通光孔20构成；内置四象限探测器10的常见结构如图4所示，主要由P电极17和直角扇形光敏区21构成，光束22照射在探测器的中心位置如图5所示，样品台15的常见结构主要由支撑螺杆23、调节螺杆24、调节旋钮25、放置样品的台面26和样品台底座27组成。样品台校准包括二个阶段，第一阶段是光路的对准，第二阶段是样品台倾斜及相对高度的校准。下面具体予以说明一、光路对准按照下述步骤进行(1.1)位置调整如图1所示，首先调整系统前部和系统后部，使二部分的光路均位于主光路12上，分光镜9和内置四象限探测器10位于副光路13上(这种方式称之为直通式，其入射角Θ为90。)，并调整系统前部和系统后部与样品台15之间的相对高度使得样品台不会遮挡住光束。(1. 2)位置调整好后将一个另配的封装好的偏振片放置在前置四象限探测器7上镜头调整台6的中心孔内，此时调出前置四象限探测器7在计算机14上的软件显示界面后可看见一个偏离中心位置29的十字光标28 (如图6所示)。调整起偏臂2上的调整旋钮3使得十字光标28处于中 心位置29。这就完成了前光路的对准。在放置额外偏振片时前光路系统相当于一个基于单旋转补偿器的椭偏仪模型，而不放置额外偏振片则会出现表示光束位置的十字光标28随机飘动的现象。(1. 3)将额外偏振片取出，此时调出内置四象限探测器10在计算机14上的软件显示界面同样会出现一个偏离中心位置29的十字光标28。调整前置四象限探测器7上的调整旋钮5使得十字光标28处于中心位置29。这就完成了后光路的对准。(1. 4)可重复步骤(1. 2)、(1. 3)，直至两个十字光标28都近乎处于中心位置29。在完成光路的对准之后，就可以进行样品台倾斜及相对高度的校准。( 二 )校准在这个过程中用到的是内置的四象限探测器10，因此要将额外偏振片取出，并且选择内置四象限探测器的软件界面，并将光路系统调整为如图2所示的斜入射式，即系统前部的光路和系统后部的光路成夹角2 Θ，即入射角为θ (Θ范围一般为0-90°，但要保证系统不发生干涉)。(2.1)调整系统前部和系统后部至设定的入射角度Θ，粗调样品台15上的调整旋钮25，使得检偏臂8的中心孔内能够接受到一部分光束，即表示光束的十字光标28出现在表示内置四象限探测器10的软件界面上(这个粗调步骤一般只在仪器出厂时才进行，在平常的使用过程中默认样品台的倾斜角度不是很大，可直接跳过粗调步骤)。在仪器的调整过程中由于在“Z”轴上的相对高度变化不是很大，可认为样品台15的相对高度不会对倾斜角度的调整造成太大影响，即默认无论样品台处于哪个相对高度，只要倾斜角度调整正确检偏臂8中心孔内都可接受到部分光强。(2. 2)微调样品台上的调整旋钮25，使表示光束的十字光标28出现在内置四象限探测器10的软件界面的中心位置29(如图6所示)。在调整样品台15倾斜角度的过程中，为了减小调整反弹(stage backlash)的影响，可以先选定一个坐标轴，逆时针旋转螺钉使十字光标28正好超过中心点一点，然后缓慢顺时针旋转螺钉使十字光标28正好处于中心点(如图6所示)，对于另一个坐标轴重复以上步骤。(2. 3)以I (约为O. lmm-lmm)为步长令系统前部和系统后部在Z轴方向上进行扫描(本发明中可以通过调整系统前部和系统后部的高度来调整样品台“Z”方向的相对高度)，并记录在每个高度位置时CCD探测器11 (或内置四象限探测器10)接受到的总光强，并绘制出一条光强曲线，系统自动选取光强值最大点处为样品台最优相对高度位置(如图7所示)。(2. 4)可重复步骤(22)、(2. 3)直到将样品台调整到一个比较精确的位置(即在进行完第2. 3步后再进行第2. 2步时十字光标28仍然处于中心位置29)。本发明所提校准系统和方法的关键在于两个四象限探测器的精度，而四象限探测器的精度很大程度上取决于响应度和加工制造精度。目前所使用的中空四象限探测器象限间距19，对特定波长的响应度，光谱响应范围；以及四象限探测器象限间距，响应度，光谱响应范围都能够达到预算精度的要求。所以本发明所提校准方法理论上可以将椭偏仪样品台校准到很高的精度。本发明主要是基于双旋转补偿器的宽光谱广义椭偏仪，其起偏臂包含的光学元件依次为起偏器和可旋转的补偿器，检偏臂包含的元件与起偏臂相同，只是顺序相反。本发明也可应用于起偏臂只包含一个起偏器，检偏臂只包含一个旋转检偏器，或是起偏臂只包含一个起偏器，检偏臂包含一个固定补偿器和一个旋转检偏器等其他起偏臂和检偏臂结构的光学测量仪器。上文在叙述具体的操作步骤时仅以基于双旋转补偿器的广义椭偏仪的光路系统为例。对于其它一些拥有和它类似光路系统的光学仪器此校准方法同样适用。本发明不仅局限于上述具体实施方式
，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式
实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种用于光学测量仪器样品台校准的系统，该系统包括光源、起偏臂、前置四象限探测器、检偏臂、分光镜、内置四象限探测器、CCD探测器和计算机； 在起偏臂上设置有第一镜头调整台和第一调整旋钮，在前置四象限探测器上设置有第二镜头调整台和第二调整旋钮；前置四象限探测器是中空四象限探测器；计算机分别与前置四象限探测器、内置四象限探测器和CCD探测器电信号连接； 光源和起偏臂位于同一光路上，并固定封装在一起，作为系统前部；前置四象限探测器、检偏臂、分光镜和CCD探测器依次位于同一光路上,且分光镜与该光路的夹角为45度，内置四象限探测器位于分光镜的反射光路上，前置四象限探测器，检偏臂，分光镜，内置四象限探测器和CCD探测器固定封装在一起，作为系统后部。
2.根据权利要求1所述的用于光学测量仪器样品台校准的系统，其特征在于，系统前部和系统后部通过活动支架安装在固定底座上。
3.一种使用权利要求1所述的系统进行校准的方法，该方法包括光路对准，以样品台倾斜及相对高度校准二个阶段，具体过程为 一、光路对准 (1.1)位置调整 首先调整系统前部和系统后部，使二部分的光路均位于主光路上，并调整系统前部和系统后部与样品台之间的相对高度使得样品台不会遮挡住光束； (1. 2)位置调整好后将额外的封装好的偏振片放置在前置四象限探测器上镜头调整台的中心孔内，调整起偏臂上的调整旋钮使得十字光标处于中心位置，完成前光路的对准； (1. 3)将额外偏振片取出，调整前置四象限探测器上的调整旋钮使得十字光标处于中心位置，完成后光路的对准； (1. 4)可重复步骤(1. 2)、(1. 3)，直至两个十字光标都近乎处于中心位置； (二)样品台倾斜及相对高度的校准 (2.1)微调样品台上的调整旋钮，使表示光束的十字光标出现在中心位置；在调整样品台倾斜角度的过程中，对每个坐标轴进行下述操作逆时针旋转螺钉使十字光标正好超过中心点,然后缓慢顺时针旋转螺钉使十字光标正好处于中心点，对于另一个坐标轴重复以上步骤； (2. 2)以预先设定的步长I令系统前部和系统后部在Z轴方向上进行扫描，并记录在每个高度位置时CCD探测器或内置四象限探测器接受到的总光强，并绘制出一条光强曲线，选取光强值最大点处为样品台最优相对高度位置； (2. 3)重复步骤(2.1)、(2. 2)，直到将样品台调整到一个所需的精确位置。
4.根据权利要求3所述的校准的方法，其特征在于，在步骤(2.1)之前，调整系统前部和系统后部至设定的入射角度Θ，粗调样品台上的调整旋钮，使得检偏臂8的中心孔内能够接受到一部分光束。
5.根据权利要求3所述的校准的方法,其特征在于,步长I为O.lmm-lmm。
全文摘要
本发明公开了一种用于光学测量仪器样品台校准的系统及方法。在椭偏仪直通式的情况下进行光路系统的对准，包括前光路和后光路的对准；在椭偏仪斜入射式粗调样品台上的旋钮，使得检偏臂光学接收器孔能够接受到一部分光束；微调样品台上的旋钮，使表示光束的十字光标出现在中心位置；以l为步长令系统前部和系统后部在Z轴方向上进行扫描，并记录在每个高度位置时探测器接受到的总光强，绘制出一条光强曲线，系统自动选取光强值最大点处为样品台最优相对高度位置。系统主要包括光源，起偏臂，前置四象限探测器，检偏臂，分光镜，内置四象限探测器，CCD探测器和计算机。该方法可以实现对样品台的倾斜角度及高度进行高精确校准，且响应快速，操作简单。
文档编号G01M11/02GK103063412SQ20121055201
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者刘世元, 李苏斌, 陈修国, 李伟奇, 张传维 申请人:华中科技大学