纳米尺度下大面积散射场的快速测量方法及装置制造方法

纳米尺度下大面积散射场的快速测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，包括：起偏端，用于将光束进行调制得到一定偏振态的光束；检偏端，用于将偏振态光束进行解调以获得样品信息；还包括物镜和第一透镜，待测样品位于物镜的前焦面上，偏振态光束经过该第一透镜聚焦在物镜的后焦面，待测样品散射光被物镜收集并成像于其后焦面，进而成像于图像采集装置上；以及扫描振镜，用于使得所述物镜出射到样品上的光束角度改变，获得待测样品不同入射角下的散射场分布图像，实现对待测样品纳米尺度下的快速精确的形貌测量。本发明还公开了相应的测量方法。本发明可以实现对待测样品多入射角下散射场快速采集，获得待测样品散射场在物镜后焦面上分布。
【专利说明】纳米尺度下大面积散射场的快速测量方法及装置

【技术领域】
[0001] 本发明属于H维形貌参数测量领域，具体涉及一种纳米尺度下的H维结构形貌的 测量装置和方法。

【背景技术】
[0002] 近年来，传统的微电子集成电路（1C)与微机电系统（MEM巧加工从微米量级突破 到纳米量级。随着加工尺寸的不断减小，其H维形貌参数对器件最终性能的影响也越来越 显著。该些H维形貌参数不仅包括特征线宽（即关键尺寸）、周期间距、高度、侧壁角等轮廓 参数，而且包含线宽粗趟度（LWR)、线边粗趟度（LER)等重要特征。H维形貌参数是1C制造 中影响器件性能的主要特征参数，因此对H维形貌参数的测量成为1C制造中的关键环节。 目前针对1C制造中H维形貌参数的测量手段主要有：扫描电子显微镜（SEM)、原子力显微 镜（AFM)、透射电子显微镜（TEM)、传统光学显微镜（0M)、光学散射仪等几种。其中扫描电子 显微镜（SEM)和透射电子显微镜灯EM)为非接触式测量，横向与纵向分辨率都很高，但因为 其在制样过程中需要破坏样件，且由于测量需真空环境的限制，所W无法用于1C制造中的 在线、大批量测量；原子力显微镜（AFM)为表面探针式的接触式测量，测量过程中容易损伤 样件，同时接触式的扫描测量速度较慢；传统光学显微镜（0M)受限于光学分辨率极限只能 用于微米级别的测量，无法适用于纳米结构测量。而光学散射仪也称为光学关键尺寸（0CD) 测量仪，其基本原理是通过起偏器将特殊的楠圆偏振光投射到待测结构（一般为周期性结 构）表面，通过测量待测结构的零级衍射光（散射光）W获得偏振光在反射前后的偏振态 变化（包括振幅比和相位差），进而通过求解逆散射问题来提取出待测结构的关键尺寸等 信息。与前面几种方法相比，光学散射仪具有H个重要优势；采用光学测量手段是非接触式 测量，对样品没有破坏；测量环境要求低、测量速度快适用于在线测量；基于模型的测量方 法，不受限于光学分辨率极限。基于上述的H大优势，光学散射仪目前已成为1C制造工艺 线上不可或缺的一种测量设备，可W实现小至22nm技术节点的关键尺寸测量。
[0003] 如图1所示，传统的光学散射仪只能测量待测样品的零级衍射光，而无法收集其 它级次光，待测样品的信息收集不完整。由于其只利用了周期性结构的零级衍射光反射信 息，根据目前的基于模型求解的测量方法，它只能测量深宽比不大的简单周期性结构（如 一维光栅结构和二维光栅结构）。同时因其测量光斑的限制（目前约为50um)，仅能获得周 期性结构在测量光斑范围内的极少量统计参数，如平均意义下的光栅结构特征线宽（即关 键尺寸）、高度、侧壁角等几何参数。该个局限性极大制约了光学散射仪的更广泛应用，使其 无法胜任复杂H维纳米结构的测量，如1C制造在22nm及W下技术节点中新引入的錯式场 效应晶体管（Fin阳T, Fin Field-Effect Transistor)和叠层高深宽比快闪（NAND Flash) 存储器等复杂H维纳米结构。


【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于提供一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置与方 法，其通过设置扫描振镜w改变光束入射角度同时设置物镜和成像透镜，通过获得待测样 品的大面积散射场的分布，并结合散射场的16个穆勒矩阵元素分布，从而即可待测样品的 H维形貌参数。本发明可W在纳米尺度下快速地获得待测样品的大面积散射场，从而可W 实现复杂H维纳米结构的快速、精确测量。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种纳米尺度下快速大面积海量 散射场测量的装置，其包括：
[0006] 起偏端，其设置在激光光源出射光路上，用于将入射至其上的光束进行调制，W得 到一定偏振态的光束；
[0007] 检偏端，其用于将入射到其上的包含待测样品信息的偏振态光束进行解调，已获 得样品信息；
[0008] 其特征在于，还包括：
[0009] 设置在样品台前的光路上的物镜和第一透镜，其中样品台上的待测样品位于所述 物镜的前焦面上，所述起偏端获得的偏振态光束经过该第一透镜聚焦在所述物镜的后焦 面，进而通过所述物镜平行入射至待测样品上，该待测样品的散射光被物镜收集并成像于 其后焦面，然后通过第一透镜W及所述检偏端后成像于图像采集装置上；W及
[0010] 扫描振镜，其设置于所述起偏端之前或之后的光路上，用于改变入射到所述第一 透镜上的偏振态光束的入射角度，进而改变聚焦到所述物镜后焦面的位置，使得所述物镜 出射到样品上的光束角度改变，从而可W获得待测样品不同入射角下的散射场分布图像， 通过获取不同散射场下的穆勒矩阵，即可实现对待测样品纳米尺度下的快速精确的形貌测 量。
[0011] 作为本发明的改进，所述扫描振镜设置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入 射到起偏端。
[0012] 作为本发明的改进，还包括分光镜，所述偏振态光束经该分光镜反射后入射到所 述第一透镜。
[0013] 作为本发明的改进，所述收集散射光的物镜为所述样品台前的光路上的物镜，其 后焦面和第一透镜的前焦面重合。
[0014] 作为本发明的改进，还包括第二透镜，其设置在第一透镜和检偏端之间的光路上 且第一透镜的后焦面和第二透镜的前焦面重合。
[0015] 作为本发明的改进，还包括设置在样品台相对的另一侧的另一物镜W及位于其后 的第H透镜，所述偏振态光束入射到样品台后其散射光透射过样品后被所述另一物镜收 集，该另一物镜的后焦面与所述第H透镜的焦面重合。
[0016] 作为本发明的改进，还包括第四透镜，其设置在第H透镜和检偏端之间的光路上 且第H透镜的后焦面和第四透镜的前焦面重合。
[0017] 作为本发明的改进，所述起偏端包括沿光路依次设置的起偏器、第一补偿器和伺 服电机，其中，所述起偏器用W将入射光束变为线偏振光，第一补偿器用于调制所述线偏振 光为一定偏振态的光束，所述伺服电机用W负载第一补偿器匀速旋转。
[0018] 作为本发明的改进，所述检偏端包括沿光路依次设置第二补偿器、伺服电机和检 偏器，其中，所述第二补偿器用于将所述偏振态的光束进行解调，所述检偏器用于将解调后 的偏振态光束调制成线偏振光，所述第二伺服电机用W负载第二补偿器匀速旋转。
[0019] 按照本发明的另一方面，提供一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的方 法，其特征在于，包括：
[0020] 将入射至其上的光束进行调制，W得到一定偏振态的光束；
[0021] 用于将入射到其上的包含待测样品信息的偏振态光束进行解调；
[0022] 其特征在于，还包括：
[0023] 将偏振态光束经过第一透镜聚焦在一物镜的后焦面，其中所述第一透镜和物镜设 置在样品台前的光路上，样品台上的待测样品位于所述物镜的前焦面，聚焦在所述后焦面 的光通过所述物镜平行入射至待测样品上，该待测样品的散射光被物镜收集并成像于其后 焦面，然后通过第一透镜W及所述检偏端后成像于图像采集装置上；W及
[0024] 改变入射到所述透镜上的偏振态光束的入射角度，进而改变聚焦到所述物镜后焦 面的位置，使得所述物镜出射到样品上的光束角度改变，从而可W获得待测样品不同入射 角下的散射场分布图像，通过获取不同散射场下的穆勒矩阵，即可实现对待测样品纳米尺 度下的快速精确的形貌测量。
[00巧]作为本发明的改进，在所述第一透镜和检偏端之间的光路上设置一第二透镜，该 第一透镜的后焦面和第二透镜的前焦面重合。
[0026] 作为本发明的改进，所述入射角度的改变通过设置于所述起偏端之前或之后的光 路上的扫描振镜实现。
[0027] 作为本发明的改进，所述扫描振镜设置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入 射到起偏端。
[0028] 作为本发明的改进，所述偏振态光束经一分光镜反射后入射到所述第一透镜。
[0029] 作为本发明的改进，所述收集散射光的物镜为所述样品台前的光路上的物镜，其 后焦面和第一透镜的前焦面重合。
[0030] 作为本发明的改进，所述偏振态光束入射到样品台后其散射光透射过样品后被设 置在样品台相对的另一侧的另一物镜收集，该另一物镜的后焦面与位于该另一物镜后的第 H透镜的焦面重合。
[0031] 作为本发明的改进，在第H透镜和检偏端之间的光路上还设置有第四透镜，该第 H透镜的后焦面和第四透镜的焦面重合。
[0032] 作为本发明的改进，所述调制通过起偏端实现，该起偏端包括沿光路依次设置的 起偏器、第一补偿器和伺服电机，其中，所述起偏器用W将入射光束变为线偏振光，第一补 偿器用于调制所述线偏振光为一定偏振态的光束，所述伺服电机用W负载第一补偿器匀速 旋转。
[0033] 作为本发明的改进，所述解调通过检偏端实现，该检偏端包括沿光路依次设置第 二补偿器、伺服电机和检偏器，其中，所述第二补偿器用于将所述偏振态的光束进行解调， 所述检偏器用于将解调后的偏振态光束调制成线偏振光，所述第二伺服电机用W负载第二 补偿器匀速旋转。
[0034] 本发明提供的装置与方法可W实现对待测样品多入射角下散射场快速采集；提供 的装置与方法可W-次测量中获得待测样件散射场4X4阶穆勒矩阵共16个参数，而不需 要改变测量系统配置；提供的装置与方法可W获得待测样品散射场在物镜后焦面上分布。
[0035] 本发明提供一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置被称为散射场层 析广义楠偏仪，主要包括激光光源，用w提供稳定的相干入射光线；扫描振镜，用w实现入 射光束角度的改变；扩束器，用W将入射光束直径扩大到合理设计直径；起偏器，用W将入 射光束变为线偏振光；第一伺服电机用W负载第一补偿器匀速旋转，其内置第一增量式编 码器用W提供固定的Z向化me信号和伺服反馈；待测样件放置于物镜焦面上；物镜在光束 入射时用W实现多入射角改变，光束出射时用W实现大角度散射场收集并将散射场分布成 像在其后焦面上；透镜，在光束入射时用W将入射平行光汇聚到物镜后焦面上，在光束出射 时用W成像中继；分束器，用W改变入射、出射光束角度；第二伺服电机用W负载第二补偿 器匀速旋转，其内置第一增量式编码器用W提供固定的Z向化me信号和伺服反馈；检偏器， 用W将出射光束偏振态调制成线偏振光；图像采集器，用W采集并存储待测样器散射场图 像信息；控制及数据处理系统，用W整个系统的运动控制及数据处理，包括扫描振镜控制器 用W控制扫描振镜扫描角度、计算机用W完成对整体系统操作并进行数据处理与分析、伺 服电机控制器用W控制两伺服电机旋转及接收两增量式编码器位置信号、同步装置用W捕 捉两增量式编码器Z向信号并完成对图像采集器的触发。
[0036] 本发明中，所述扫描振镜优选为双轴二维扫描振镜；
[0037] 本发明中，所述第一、二伺服电机及其内置增量式编码器为轴中空式或旁轴中空 式结构，保证光束可W从其负载的光学元件中也通过。所述第一、二增量式编码器可W把圆 周等分为若干个等角度间距单元，将位置信号通过编码方式进行输出，并且每转一周向外 输出一个Z向脉冲信号；
[0038] 本发明中，所述第一、二补偿器为可W在两个互相垂直的方向上产生一定相位延 迟差的光学各项异性器件，包括云母波片、石英波片、液晶波片、MgF,波片、菲涅尔棱镜；
[0039] 本发明中，所述起偏器、检偏器为可W将任意光波变换成线偏振光的偏振器件，包 括二色性线偏振器、格兰泰勒偏振棱镜、格兰汤姆森偏振棱镜；
[0040] 本发明中，所述分束器对测量光束偏振态无影响，分离光束比例为0. 5/0. 5 ;
[0041] 本发明中，所述物镜为无限远光学设计无应力平场半复消色差或无应力平场复消 色差物镜；
[0042] 本发明中，所述图像采集器为电荷禪合器件（CCD)或互补金属氧化物半导体 (CM0巧图像传感器；
[0043] 本发明中，所述同步装置主要用W确定散射场层析广义楠偏仪设备中图像采集器 在采集图像初始时刻补偿器光轴的瞬时位置。该是由于系统在测量过程两个补偿器一直是 处于运动状态，图像采集器采集的图像只有与两个补偿器的光轴位置相对应，才能够计算 分析出正确的结果。两个补偿器由两台伺服电机分别负载，电机在测量过程中转速稳定且 不发生改变，所W只要确定图像采集器在采集图像的初始时刻两补偿器光轴的瞬时位置， 即可W确定W后任意时刻补偿器光轴的位置。
[0044] 本发明利用上述一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置进行具体测 量的方法，可W包括如下步骤：
[0045] 第一步，完成对散射场层析广义楠偏仪硬件系统初始设置。
[0046] 第二步，扫描振镜转到设定位置，并通过计算机打开同步装置；
[0047] 第H步，图像采集器W设定积分时间曝光，并对采集图像转换、储存；
[0048] 第四步，重复第二、H步直至扫描振镜转完所有设定位置；
[0049] 第五步，根据图像采集器采集图像中每个像素点光强值，计算出具体的16个穆勒 矩阵元素，通过计算多入射角下图像即可获得样品散射场分布信息。
[0050] 进一步，所述第一步包括：
[0051] (1)，打开激光光源至其输出光线稳定；
[0052] (2)，第一旋转补偿器、第二旋转补偿器分别由第一伺服电机、第二伺服电机负载， 计算机通过伺服驱动器控制两伺服电机W转速度比P:q匀速旋转，在其运行稳定后伺服电 机控制器向扫描振镜控制器发送一脉冲信号；
[0053] (3)，开打图像采集器，设定曝光时间t，设置测量中需要采集图像张数Q，其中Q = NXL N为一个光学周期内采样次数，L为重复采集周期次数，并将图像采集器置于外触发 模式下。
[0054] 进一步，所述（2)步包括：
[00巧]1)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机回到各其化me位置；
[0056] 2)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机同步起动，并让第一、第二伺服电 机分别W P* ?、q* ?匀速旋转，其中《为两电机基频；
[0057] 3)，两伺服电机内置增量式编码器，伺服电机每次转到化me位增量式编码器都向 外发送Z向脉冲信号。
[0058] 4)，两伺服电机运行稳定后，伺服电机控制器向扫描振镜控制器发送一脉冲信 号；
[0059] 进一步，所述第H步包括：
[0060] (4)，同步装置打开后开始分别捕捉第一、二伺服电机的Z向脉冲信号；
[0061] 巧），同步装置同时捕捉到第一、二伺服电机Z向脉冲信号后向图像采集器发送触 发脉冲信号；
[006引 做，图像采集器接收到触发脉冲后，W设定积分时间t开始采样Q张图像，并将图 像转换存储在计算机中。
[0063] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，具有W下有益效 果：
[0064] 第一，在光路入射时，通过扫描振镜改变光束入射角度，从而改变光束在物镜后焦 面位置，进而实现多入射角照明；
[0065] 第二，通过大数值孔径物镜收集散射场，然后经过成像透镜后将物镜的傅里叶空 间像成像在CCD上，而不获取传统的样品实像，既克服了传统光学散射仪只能获取单一散 射场（即零级衍射光）信息的弱点；又利于表征散射场的分布；
[0066] 第H，采用广义楠偏仪的测量手段，仪器获取的是散射场偏振态改变信息，而不是 散射场绝对振幅和相位，避免引入复杂的非共光路的设计，从而使仪器在实现与校准更加 简单；
[0067] 第四，仪器可W通过一次测量获得待测样品16个穆勒矩阵元素，从而获得表征样 品的光学特性和散射场的穆勒矩阵分布，进而通过不同入射角下穆勒矩阵的分布求解出待 测样品的H维形貌参数。

【专利附图】

【附图说明】
[0068] 图1是传统光学散射仪仪器结构示意图；
[0069] 图2是反射式散射场层析广义楠偏仪系统结构图；
[0070] 图3是散射场层析广义楠偏仪控制系统示意图；
[0071] 图4是单片机与外部硬件连接图；
[0072] 图5是单片机程序基本流程图；
[0073] 图6是透射式散射场层析广义楠偏仪系统结构图。

【具体实施方式】
[0074] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于 该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W相互组合。
[0075] 按照本发明的实施例1所提供的一种反射式散射场层析广义楠偏仪设备装置，其 具体结构如图1所示，主要包括激光光源1、扫描振镜2、扫描振镜2、起偏器4、第一增量式 编码器5、第一伺服电机6、第一补偿器7、样品台8、物镜10、第一透镜11、分束器12、第二 透镜13、第二补偿器14、第二伺服电机15、第二增量式编码器16、检偏器17、图像采集器18 和控制及数据处理装置19。
[0076] 其中，激光光源1用W提供稳定的相干入射光线；扫描振镜2用W实现入射光束角 度的改变，为二维扫描振镜；扩束器3用W将入射光束直径扩大到合理设计直径，仅改变光 束直径不改变光束传播方向。扩束器3可W变聚焦，包括滑动透镜式和旋转透镜式结构；起 偏器4用W将入射光束变为线偏振光，是可W将任意光波变换成线偏振光的偏振器件，例 如可W包括二色性线偏振器、格兰泰勒偏振棱镜、或格兰汤姆森偏振棱镜等。
[0077] 第一伺服电机6用W负载第一补偿器7匀速旋转，其内置第一增量式编码器5用 W提供固定的Z向化me信号和伺服反馈。所述第一伺服电机6及其内置第一增量式编码 器5为轴中空式或旁轴中空式结构，保证光束可W从其负载的光学元件中也通过。所述第 一增量式编码器5可W把圆周等分为若干个等角度间距单元，将位置信号通过编码方式进 行输出，并且每转一周向外输出一个Z向脉冲信号。所述第一补偿器7为可W在两个互相 垂直的方向上产生一定相位延迟差的光学各项异性器件，例如优选可W包括云母波片、石 英波片、液晶波片、MgFs波片、或菲涅尔棱镜。其中扩束器3、起偏器4、第一补偿器7为共光 轴安装。
[0078] 样品台8为旋转台，可W 360°旋转，样品9放置在样品台8上，位于物镜10前焦 面上；
[0079] 物镜10,在光束入射时随着扫描振镜改变入射光束角度，可W实现对待测样品多 入射角的测量，光束出射时用W实现大角度散射场收集并将散射场分布成像在其后焦面 上。既可为无限远光学设计无应力平场半复消色差物镜，也可为无限远光学设计无应力平 场复消色差物镜，但应该适用于当前激光光源1波段。
[0080] 第一透镜11在光束入射时用W将入射平行光汇聚到物镜10后焦面上，在光束出 射时用W成像中继其既可W为在宽波段内消色差设计透镜，也可W为针对激光光源1波段 的单波段设计。图2中虚线部分描述是测量过程中，物镜后焦面上光束在二维空间扫描，从 而改变对样品不同入射角的测量。光束通过扫描振镜2的扫描，依次W不同角度入射到透 镜11上。当光束垂直入射透镜11时，光束将汇聚于物镜10后焦面的中也点，经过物镜10 后垂直照射到待测样品上。当光束倾斜入射透镜11时，物镜10后焦面的光束汇聚点将偏 移中也位置，进而光束经过物镜10后W-定入射角照射到待测样品上。
[0081] 分束器12用W改变入射、出射光束角度，其对测量光束偏振态无影响，分离光束 比例为0. 5/0. 5。
[0082] 第二透镜13用W将物镜后焦面上散射场图像中继。其既可W为在宽波段内消色 差设计透镜，也可W为针对激光光源1波段的单波段设计。
[0083] 第二伺服电机15用W负载第二补偿器14匀速旋转，其内置第二增量式编码器16 用W提供固定的Z向化me信号和伺服反馈；所述第二伺服电机15及其内置第二增量式编 码器16为轴中空式或旁轴中空式结构，保证光束可W从其负载的光学元件中也通过。所述 第二增量式编码器16可W把圆周等分为若干个等角度间距单元，将位置信号通过编码方 式进行输出，并且每转一周向外输出一个Z向脉冲信号。所述第二补偿器14为可W在两个 互相垂直的方向上产生一定相位延迟差的光学各项异性器件，其优选可W为云母波片、石 英波片、液晶波片、MgF2波片、或菲涅尔棱镜。
[0084] 检偏器17用W将出射光束偏振态调制成线偏振光，是可W将任意光波变换成线 偏振光的偏振器件，其优选可W为二色性线偏振器、格兰泰勒偏振棱镜、或格兰汤姆森偏振 棱镜等。
[0085] 图像采集器18用W采集并存储待测样器散射场图像信息，其优选可W为电荷禪 合器件（CCD)或互补金属氧化物半导体（CM0巧图像传感器，具有外触发功能等。
[0086] 物镜10、第一透镜11、分束器12、第二补偿器14、第二透镜13、检偏器17、图像采 集器18均为共光轴布置。
[0087] 控制及数据处理装置19用W整个系统的运动控制及数据处理，其包括用W控制 扫描振镜扫描角度的扫描振镜控制器20、用W完成对整体系统操作并进行数据处理与分析 的计算机21、用W控制两伺服电机旋转及接收两增量式编码器位置信号的伺服电机控制器 22、用W捕捉两增量式编码器Z向信号并完成对图像采集器的触发的同步装置23。
[008引散射场层析广义楠偏仪控制及数据处理系统示意图如图3所示，包括；计算机、扫 描振镜控制器、伺服电机控制器、同步装置、第一伺服电机及第一增量式编码器、第二伺服 电机及第二增量式编码器、图像采集器。其中计算机通过USB标准接口与扫描振镜控制器 与图像采集器连接，通过PCI接口与伺服电机控制器与同步装置连接。伺服电机控制器与 第一、二伺服电机及其第一、二增量式编码器连接，接收计算机运动控制命令后驱动控制第 一、二伺服电机先回到化me位后再Wp:q转速比匀速旋转，同时其接收到第一、二增量式编 码器的反馈信号对伺服电机进行闭环控制，保证了运动的精度与稳定性。扫描振镜控制器 与扫描振镜相连，接收到计算机命令后，驱动控制扫描振镜运动到命令位置。同步控制装置 与第一、二增量式编码器及图像采集器相连，当其同时接收到第一、二增量式编码器的Z向 信号后发图像采集器发送一触发脉冲，图像采集器接收到脉冲后开始按照设定参数采集图 片。
[0089] 在本实施例中将W单片机作为同步装置的一种，进行具体的同步功能的描述，图4 即为单片机与外部硬件连接示意图。第一，引出第一增量式编码器和第二增量式编码器的 Z向信号线与参考地线；第二，将第一增量式编码器的Z向信号线和参考地线分别连接到单 片机的PO. 1引脚与GND引脚；第H，将第二增量式编码器的Z向信号线和参考地线分别连 接到单片机的P0. 2引脚与GND引脚；第四，将单片机的P1. 1引脚和GND引脚分别与图像采 集器的Trigger引脚和GND引脚连接；第五，将单片机的RXD、TXD和GND引脚通过串口转换 芯片与计算机标准串口连接。此外上述描述仅W-种单片机的连接方式（P0. 1、P0. 2引角 作为输出端，P1. 1引角作为脉冲输出端）为例，其余同类引角的连接同样适用。
[0090] 为了测量一个样品的散射场分布，比如：錯式场效应晶体管（FinFET，Fin Field-Effect Transistor)，使用本实施例中的散射场层析广义楠偏仪具体操作步骤如 下：
[0091] 步骤1，完成对散射场层析广义楠偏仪硬件系统初始设置。具体包括：
[0092] [1]，完成所有光学元件的安装与调试，确认所有硬件设备连接正常，系统软件连 接成功；
[0093] 巧]，打开激光光源至其输出光线稳定；
[0094] 巧]，第一旋转补偿器7、第二旋转补偿器14分别由第一伺服电机6、第二伺服电机 15负载，计算机通过伺服驱动器控制两伺服电机W转速度比P:q匀速旋转，并在其运行稳 定后伺服电机控制器向扫描振镜控制器发送一脉冲信号；
[0095] [4]，开打图像采集器18,设定曝光时间t，设置测量中需要采集图像张数Q，其中Q = NXL N为一个光学周期内采样次数，L为重复采集周期次数，并将图像采集器置于外触 发模式下。具体步骤包括：
[0096] 1)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机回到各其化me位置；
[0097] 2)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机同步起动，并让第一、第二伺服电 机分别W P* ?、q* ?匀速旋转，其中《为两电机基频；
[009引 3)，两伺服电机内置增量式编码器，伺服电机每次转到化me位增量式编码器都向 外发送Z向脉冲信号；
[0099] 4)，两伺服电机运行稳定后，伺服电机控制器向扫描振镜控制器发送一脉冲信 号；
[0100] 步骤2,扫描振镜转到设定位置，并通过计算机打开单片机。其中单片机中已载入 编写完成的程序，其具体程序流程图如图5所示，共包括7步：
[0101] 第al步，运行单片机，并使其P1. 1引角保持低电平；
[0102] 第a2步，单片机接收到计算机命令，将其内部标识位置1，P0. 1、P0. 2引角开始捕 捉第一、二增量式编码器Z向信号，
[0103] 第a3步，判断单片机P0. 1引角接收到第一增量式编码器Z向信号，若未接收到则 继续捕捉，若接收到则执行第a4步；
[0104] 第a4步，判断单片机P0. 2引角是否接收到第二增量式编码器Z向信号，若未接收 到则返回第a3步，P0. 1引角重新捕捉第一增理式编码器的Z向信号，若接收到则执行第a5 步；
[0105] 第a5步，单片机P1. 1引角保持高电平，并将单片机内部标识位置0;
[010引第a6步，单片机P1. 1引角高电平持续保持时间T后，变为低电平。T的值与图像 采集器可W认别到的最小高电平保持时间有关，只需保证P1. 1角高电平持续时间T大于图 像采集器最小高电平保持时间即可；上述单片机步骤中的高、低电平为TTL电平信号，在室 温下，一般输出高电平是3. 5V，输出低电平是0. 2V。最小输入高电平和低电平；输入高电平 〉=2. 0V，输入低电平< =0. 8V，噪声容限是0. 4V。
[0107] 步骤3,图像采集器接受到单片机发送的触发脉冲，W积分时间曝光，并对采集图 像转换、储存。
[010引步骤4,重复第二、H步直至扫描振镜转完所有设定位置。
[0109] 步骤5,根据图像采集器采集图像中每个像素点光强值，计算出具体的16个穆勒 矩阵元素，通过计算多入射角下图像即可获得样品散射场分布信息。
[0110] 按照本发明另一实施例所提供的一种散射场层析广义楠偏仪测量方法，具体实施 包括如下步骤：
[0111] 步骤1，完成对散射场层析广义楠偏仪硬件系统初始设置。具体包括：
[0112] [1]，打开激光光源至其输出光线稳定；
[0113] 巧]，第一旋转补偿器、第二旋转补偿器分别由第一伺服电机、第二伺服电机负载， 计算机通过伺服驱动器控制两伺服电机W转速度比p:q匀速旋转，并在其运行稳定后向扫 描振镜控制器发送一脉冲；
[0114] 巧]，开打图像采集器，设定曝光时间t，设置测量中需要采集图像张数Q，其中Q = NXL N为一个光学周期内采样次数，L为重复采集周期次数，并将图像采集器置于外触发 模式下。具体步骤包括：
[0115] 1)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机回到各其化me位置；
[0116] 2)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机同步起动，并让第一、第二伺服电 机分别W P* ?、q* ?匀速旋转，其中《为两电机基频；
[0117] 3)，两伺服电机内置增量式编码器，伺服电机每次转到化me位增量式编码器都向 外发送Z向脉冲信号；
[0118] 4)，两伺服电机运行稳定后，伺服电机控制器向扫描振镜控制器发送一脉冲信 号；
[0119] 步骤2,扫描振镜转到设定位置，并通过计算机打开同步装置；
[0120] 步骤3,图像采集器W积分时间曝光，并对采集图像转换、储存。具体包括：
[0121] [4]，同步装置打开后开始分别捕捉第一、二伺服电机的Z向脉冲信号；
[0122] [5]，同步装置同时捕捉到第一、二伺服电机Z向脉冲信号后向图像采集器发送触 发脉冲信号；
[0123] [6]，图像采集器接收到触发脉冲后，W设定积分时间t采集Q张图像，并将图像转 换存储在计算机中。
[0124] 步骤4,重复第二、H步直至扫描振镜转完所有设定位置。
[0125] 步骤5,根据图像采集器采集图像中每个像素点光强值，计算出具体的16个穆勒 矩阵元素，通过计算多入射角下图像即可获得样品散射场分布信息。
[0126] 该步骤具体包括：
[0127] [6. 1]，建立系统测量模型，本实施例中系统模型为式（1)所示的线性方程：
[0128]

【权利要求】
1. 一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，其包括： 起偏端，其设置在激光光源出射光路上，用于将入射至其上的光束进行调制，以得到一 定偏振态的光束； 检偏端，其用于将入射到其上的包含待测样品信息的偏振态光束进行解调，已获得样 品f目息； 其特征在于，还包括： 设置在样品台前的光路上的物镜和第一透镜，其中样品台上的待测样品位于所述物镜 的前焦面上，所述起偏端获得的偏振态光束经过该第一透镜聚焦在所述物镜的后焦面，进 而通过所述物镜入射至待测样品上，该待测样品的散射光被物镜收集并成像于其后焦面， 然后通过第一透镜以及所述检偏端后成像于图像采集装置上；以及 扫描振镜，其设置于所述起偏端之前或之后的光路上，用于改变入射到所述透镜上的 偏振态光束的入射角度，进而改变聚焦到所述物镜后焦面的位置，使得所述物镜出射到样 品上的光束角度改变，从而可以获得待测样品不同入射角下的散射场分布图像，通过获取 不同散射场下的穆勒矩阵，即可实现对待测样品纳米尺度下的快速精确的形貌测量。
2. 根据权利要求1所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，其中， 所述扫描振镜优选设置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入射到起偏端。
3. 根据权利要求1或2所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，其 中，还包括分光镜，所述偏振态光束经该分光镜反射后入射到所述第一透镜。
4. 根据权利要求3所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，其中，所 述收集散射光的物镜为所述样品台前的光路上的物镜，其后焦面和第一透镜的前焦面重合。
5. 根据权利要求4所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，其中， 还包括第二透镜，其设置在第一透镜和检偏端之间的光路上且第一透镜的后焦面和第二透 镜的前焦面重合。
6. 根据权利要求1或2所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，其 中，还包括设置在样品台相对的另一侧的另一物镜以及位于其后的第三透镜，所述偏振态 光束入射到样品台后其散射光透射过样品后被所述另一物镜收集，该另一物镜的后焦面与 所述第三透镜的焦面重合。
7. 根据权利要求6所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，其中， 还包括第四透镜，其设置在第三透镜和检偏端之间的光路上且第三透镜的后焦面和第四透 镜的前焦面重合。
8. 根据权利要求1-7中任一项所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的 装置，其中，所述起偏端包括沿光路依次设置的起偏器、第一补偿器和伺服电机，其中，所述 起偏器用以将入射光束变为线偏振光，第一补偿器用于调制所述线偏振光为一定偏振态的 光束，所述伺服电机用以负载第一补偿器勻速旋转。
9. 根据权利要求1-8中任一项所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的 装置，其中，所述检偏端包括沿光路依次设置第二补偿器、伺服电机和检偏器，其中，所述第 二补偿器用于将所述偏振态的光束进行解调，所述检偏器用于将解调后的偏振态光束调制 成线偏振光，所述第二伺服电机用以负载第二补偿器匀速旋转。
10. -种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的方法，其特征在于，包括： 将入射至其上的光束进行调制，以得到一定偏振态的光束； 用于将入射到其上的包含待测样品信息的偏振态光束进行解调； 其特征在于，还包括： 将偏振态光束经过第一透镜聚焦在一物镜的后焦面，其中所述第一透镜和物镜设置在 样品台前的光路上，样品台上的待测样品位于所述物镜的前焦面，聚焦在所述后焦面的光 通过所述物镜入射至待测样品上，该待测样品的散射光被物镜收集并成像于其后焦面，然 后通过第一透镜以及所述检偏端后成像于图像采集装置上；以及 改变入射到所述透镜上的偏振态光束的入射角度，进而改变聚焦到所述物镜后焦面的 位置，使得所述物镜出射到样品上的光束角度改变，从而可以获得待测样品不同入射角下 的散射场分布图像，通过获取不同散射场下的穆勒矩阵，即可实现对待测样品纳米尺度下 的快速精确的形貌测量。
11. 根据权利要求10所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的方法，其 中，所述入射角度的改变通过设置于所述起偏端之前或之后的光路上的扫描振镜实现。
12. 根据权利要求10或11所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的方法， 其中，所述扫描振镜设置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入射到起偏端。
13. 根据权利要求10-12中任一项所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量 的方法，其中，所述偏振态光束经一分光镜反射后入射到所述第一透镜。
14. 根据权利要求13所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的方法，其 中，所述收集散射光的物镜为所述样品台前的光路上的物镜，其后焦面和第一透镜的前焦 面重合。
15. 根据权利要求14所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的方法，其 中，在所述第一透镜和检偏端之间的光路上设置一第二透镜，该第一透镜的后焦面和第二 透镜的前焦面重合。
16. 根据权利要求10-12中任一项所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量 的方法，其中，所述偏振态光束入射到样品台后其散射光透射过样品后被设置在样品台相 对的另一侧的另一物镜收集，该另一物镜的后焦面与位于该另一物镜后的第三透镜的焦面 重合。
17. 根据权利要求16所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的方法，其 中，在第三透镜和检偏端之间的光路上还设置有第四透镜，该第三透镜的后焦面和第四透 镜的焦面重合。
18. 根据权利要求10-17中任一项所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量 的方法，其中，所述调制通过起偏端实现，该起偏端包括沿光路依次设置的起偏器、第一补 偿器和伺服电机，其中，所述起偏器用以将入射光束变为线偏振光，第一补偿器用于调制所 述线偏振光为一定偏振态的光束，所述伺服电机用以负载第一补偿器勻速旋转。
19. 根据权利要求10-18中任一项所述的一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测 量的方法，其中，所述解调通过检偏端实现，该检偏端包括沿光路依次设置第二补偿器、伺 服电机和检偏器，其中，所述第二补偿器用于将所述偏振态的光束进行解调，所述检偏器用 于将解调后的偏振态光束调制成线偏振光，所述第二伺服电机用以负载第二补偿器匀速旋 转。
【文档编号】G01B11/24GK104501738SQ201410855944
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】刘世元, 杜卫超, 张传维, 谭寅寅 申请人:华中科技大学