一种全穆勒矩阵椭圆偏振仪的校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量仪器技术领域，特别涉及一种全穆勒矩阵椭圆偏振仪的校准 方法。
【背景技术】
[0002] 椭圆偏振仪(简称椭偏仪）是一种利用光的偏振特性获取待测样品信息的光学测 量仪器。其相应的工作原理是将通过起偏器光入射的待测样品表面，通过测定样品表面入 射光和反射光前后偏振态的变化(振幅比和相位差)，从而获得待测样品的信息。旋转偏振 器和旋转单一补偿器的椭偏仪在一次测量中最多获得样品的12个参量；而随着集成电路 工艺的进步和器件结构的复杂化，需要测量的未知量不断增加，使得传统椭偏仪对于超薄 薄膜的膜厚测量、各向异性的材料光学常数测量、表面特征的退偏振分析、集成电路中关键 尺寸及形貌特征测量等都表现出一定的局限性。全穆勒矩阵椭圆偏振测量仪(广义椭偏仪） 可以在一次测量中获得4X4阶穆勒矩阵共16个参数，比传统椭偏仪获得样品的信息更加 丰富。它突破了传统椭偏仪的技术局限，能够实现在宽光谱范围内快速、非破坏性的精确测 量薄膜厚度、光学常数、关键尺寸及三维形貌等。
[0003] 椭圆偏振光谱仪确保测量准确性和维护设备状态的关键环节是仪器的校准。由 于椭圆偏振仪随着使用和时间的推移，会逐渐产生系统偏差，尤其是波片厚度易受温度 和压力的变化及环境潮解的影响；因此，能够快速准确修正椭偏仪的校准方法，是确保设 备有效性和生产效率的关键技术。在现有传统椭偏仪(如图1)中校准过程，如中国专利 201210375771. X中指出对偏振器件的偏振方向进行校准时，一般是固定起偏器在0°附近 的位置Pl，旋转检偏器A，测量光强I1，获得此状态下的I 1 (t)曲线；然后改变起偏器P的角 度，使起偏器P处于位置P2,测量光强I2，得到I2 (t)曲线；重复上述步骤，在起偏器P处于 不同角度时分别测量光强，得到起偏器P处于不同角度时的I (t)曲线。分别对上述I (t) 曲线进行傅里叶级次展开，获得起偏器P处于不同角度时的傅里叶系数；构建与傅里叶系 数相关并且当起偏器P的偏振角度为〇时具有最小值的函数；通过数据分析，找到使该函数 最小的起偏器P的位置，可以认为该位置起偏器P的角度为〇 (具体可参见Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications, Hiroyuki Fujiwara, 2007)。然后，再通过 傅里叶系数计算出检偏器起始位置的偏振方向As的值。在这种校准方法中，不仅需要转 动检偏器，而且需要电动或者手动转动起偏器P，当偏振器的偏振方向确定后还需要手动 或者电动调整偏振器的角度，在这种情况下，由于机械结构的不稳定性和/或人为操作的 误差，都会造成实际角度与需要设定的角度之间的误差，这就容易导致参考样品测量的不 准确性。因此，采用这种方法时，偏振器的角度校准精度比较低，使椭圆偏振仪的测量精度 受到限制。椭圆偏振仪中光入射角度可以通过人工测量方法获得，但是由于人工测量精度 有限，而且有些测量需要在不同的入射角度下对参考样品进行测量，以获得参考样品的更 多信息，人工测量容易因人为调节错误或者读数错误，导致数据分析的结果错误，中国专利 201010137774.0公开了一种用于椭偏测量系统中入射角度自动探测的装置，该装置可以实 现入射角度自动探测，但是该装置需要在系统中多处安装位置探测装置，这就使得该装置 系统结构复杂，而且，位置探测装置的校准本身也是一个比较复杂的过程，因此也限制了该 自动探测装置在椭圆偏振仪中的应用。
[0004] 而现有的全穆勒矩阵椭圆偏振测量仪系统校准中，如美国专利US005956147穆勒 椭偏仪中，使用的光弹调制器（PEM)作为相位补偿器，在对PEM进行校准相位延迟量时，它 是搭建直通式椭偏系统中进行测量，需要把PEM从原有的设备上面取下来进行测量其相应 的相位延时量，校准完成后重新装到设备上，在机械装卸过程，并不能保证与之前装载的位 置相同，从而增加了系统误差，而且重新搭建直通式测量系统，增加工作量。在现有文献 (Harland G. Tompkins, Eugene A. Irene, Handbook of ellipsometry, 7. 3. 3. 4Calibrati 〇n7)中，穆勒椭偏仪使用波片作为相位补偿器，其过程为在实验平台上搭建直通式测量平
【主权项】
1. 一种全穆勒矩阵椭圆偏振仪的校准方法，其特征在于，包括以下步骤： 搭建全穆勒矩阵椭圆偏振仪的实验光路，所述实验光路光源、起偏器、第一相位补偿 器、检偏器、第二相位补偿器、光谱仪、样品台和各向同性且均匀的参考样品，所述各向同性 且均匀的参考样品能够置于所述样品台上； 对所述第一和第二相位补偿器的转速进行设定； 对所述光谱仪测量光强数据的频率进行设定，使所述光谱仪每隔T/N时间测量一次光 强数据，一共采集N组光强数据，其中，N > 25, T为测量周期； 采集所述光谱仪测量到的光强数据； 根据所述光谱仪数据采集模块采集到的光强数据，由所述N次光强数据形成的N个光 强数据一实验傅里叶系数关系式，得到各实验傅里叶系数a ' 2n，0 ' 2n; 根据所述各实验傅里叶系数、已经校准好的第一相位补偿器的初始偏振角Csl、第二相 位补偿器的初始偏振角Cs2，得到各理论傅里叶系数a2n，@2n; 以所述参考样品各向同性且均匀为依据，所述第一相位补偿器相位延迟量运算模块根 据所述各理论傅里叶系数、已经校准好的起偏器的偏振角Ps、检偏器的偏振角As，得到第一 相位补偿器的相位延迟量S i; 以所述参考样品各向同性且均匀为依据，所述第二相位补偿器相位延迟量运算模块根 据所述各理论傅里叶系数、已经校准好的起偏器的偏振角Ps、检偏器的偏振角As，得到第二 相位补偿器的相位延迟量S 2 ; 将已经校准得到的第一相位补偿器的初始偏振角Csl、第二相位补偿器的初始偏振角 Cs2、起偏器的偏振角Ps、检偏器的偏振角As、第一相位补偿器的相位延迟量S i和第二相位 补偿器的相位延迟量S 2作为初始值，通过所述理论傅里叶系数与工作参数之间的关系式， 以（d，0，Ps，A s，Csl，，Cs2, S 2)为变量，运用最小二乘法拟合得到所述全穆勒矩阵椭圆 偏振仪全部工作参数（d，0，Ps，As，Csl，，C s2, S p S 2)的准确值，其中，d为所述参考样品的 厚度，9为光入射到所述参考样品的角度。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤： 根据所述各实验傅里叶系数a ' 2n，P ' 2n得到各e^tarT1 W 2n/a ' 2n); 根据所述各0 2n得到第一相位补偿器的初始偏振角Csl ; 根据所述各0 2n得到第二相位补偿器的初始偏振角Cs2 ; 所述各9 2n得到起偏器的偏振角ps; 根据所述各0 2n得到检偏器的偏振角As。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N=25,所述实验傅里叶系数计算模块 根据所述N次光强数据形成的N个光强数据一实验傅里叶系数关系式，直接得到各实验傅 里叶系数a， 2n，P，2n。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N > 25,所述实验傅里叶系数计算模 块根据所述N次光强数据形成的N光强数据一实验傅里叶系数关系式，通过最小二乘法得 到各实验傅里叶系数a ' 2n，0 ' 2n。
5. 根据权利要求1所述的全穆勒矩阵椭圆偏振仪，其特征在于，所述光源为宽光谱光 源，所述光源能够产生的光的波长的个数为N'，所述理论傅里叶系数与工作参数之间的关 系式的个数为24XN'。
6. 根据权利要求5所述的全穆勒矩阵椭圆偏振仪，其特征在于，所述各向同性且均匀 的参考样品为m个，所述理论傅里叶系数与工作参数之间的关系式的个数为24XN' Xm。
7. 根据权利要求1所述的全穆勒矩阵椭圆偏振仪，其特征在于，所述参考样品为硅衬 底的二氧化硅薄膜。
【专利摘要】本发明公开了一种全穆勒矩阵椭圆偏振仪的校准方法，属于光学测量仪器技术领域。该方法借助各向同性且均匀的参考样品，将已经校准得到第一相位补偿器的初始偏振角Cs1、第二相位补偿器的初始偏振角Cs2、起偏器的偏振角Ps和检偏器的偏振角As，第一相位补偿器的相位延迟量δ1和第二相位补偿器的相位延迟量δ2作为初始值，通过理论傅里叶系数与工作参数之间的关系式，以（d，θ，Ps，As，Cs1，Cs2，δ1，δ2）为变量，通过最小二乘法拟合得到所述全穆勒矩阵椭圆偏振仪全部工作参数（d，θ，Ps，As，Cs1，Cs2，δ1，δ2）的准确值。该方法充分利用了全穆勒矩阵椭圆偏振仪同次测量数据，引入的误差相对较小，校准得到的参数更加准确。
【IPC分类】G01J4-00, G01N21-21, G01B11-00
【公开号】CN104677835
【申请号】CN201310611433
【发明人】刘涛, 崔高增, 李国光, 熊伟, 温朗枫
【申请人】北京智朗芯光科技有限公司, 中国科学院微电子研究所
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年11月26日