一种成像椭偏仪测量系统成像校准方法及系统

本发明属于光学仪器测量相关，更具体地，涉及一种成像椭偏仪测量系统成像校准方法及系统。

背景技术：

1、近年来，由于半导体、芯片产业的飞速发展，纳米制造技术不断提升，微纳材料表面结构日趋复杂，而且微纳结构表面的形貌尺寸等参数是生产线良率的重要指标，因此，针对半导体芯片等微纳产品表面几何结构参数的非破坏性、低成本、快速精确测量具有十分重要的意义。

2、传统的微纳尺度测量方法，例如扫描电子显微镜(sem)、原子力显微镜(afm)和透射电子显微镜(tem)等，其测量精度与测量分辨率十分优越，但是由于上述测量方式均需要与样品有所接触，且会对样品会造成破坏，而且测量效率较低，因此在工业生产环节，对于样品高频率、大范围的无损检测，传统测量方式则力不从心。

3、相比之下，偏振光学测量方法则因其快速、无接触、无损检测的特点在半导体检测过程中突显出其优势。目前成像椭偏仪是测量具有微区样品的主流仪器之一，成像椭偏仪是利用光谱偏振信息对纳米结构几何参数进行测量的仪器，具有测量精度高、无损测量、可视化测量等优点。成像椭偏仪利用显微物镜与筒镜组成显微系统，单通道ccd或cmos探测器作为成像元件，成像椭偏仪显微物镜na受到仪器机械结构限制，其成像分辨率能达到微米级。成像时，由ccd探测器像元接收样品上反射的光线，进行光电转换并实现灰度成像，但实际过程中，由于光路结构对振动非常敏感，轻微的振动在像面上则会十分明显，因为成像椭偏仪光强数据处理的方式是选取ccd探测器拍摄的一个周期内若干tiff格式图片上某一个像素点的灰度值作为探测到的光强，像面上每一个像素点均对应着物面的具体位置，由于成像系统对振动敏感的特性，导致实际选择的像素点对应的物点会发生变化，对实际采集的像素灰度值引入误差。

4、由于ccd探测器的像元本身物理特性影响，导致探测器在不同曝光时间下，其像元的进行光电转换后获得的电子数量并不是随着曝光时间的变化而线性变化，导致其采集的光强值有系统误差，这将在后续成像椭偏仪数据处理中，引入误差。除此之外，ccd探测器进行曝光拍照时，在实际应用时不能做到连续曝光，而是在特定的曝光时间之后有一段数据处理的时间，然后再进行下一次曝光。但成像椭偏仪处理光强时，认为相机是连续曝光，因此相机曝光方式的限制会对成像椭偏仪的数据处理产生影响，带来系统误差。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种成像椭偏仪测量系统成像校准方法及系统，减弱了光路结构振动、相机像元光电转换非线性以及连续曝光模式产生的光强积分时间偏差导致的一系列误差，提高了成像椭偏仪的数据测量精度，实现了成像椭偏仪测量系统的精确校准。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种成像椭偏仪测量系统成像校准方法，包括：s1：设置多组曝光时间，多组曝光时间的曝光时长呈线性增加，获取相机在多组曝光时间下采集的多组第一图像；s2：对多组第一图像进行拟合获得光强关于曝光时间的曲线，获得不同光强对应的非线性因子，采用所述非线性因子对相机进行校正；s3：采用校正后的相机进行拍摄获得第二图像，选取第二图像中的一像素点，以该像素点为中心向周边扩展相同数量的像素点获得多个像素点，对多个像素点的像素求平均，将像素平均值作为该像素点对应的目标光强值；s4：以所述目标光强值为出射光强值，反解成像椭偏仪测量系统的出射光强积分式获得成像椭偏仪测量系统的傅里叶系数，进而实现对所述成像椭偏仪测量系统的成像校准。

3、优选地，步骤s4中出射光强积分式的积分时间减去了数据读取时间。

4、优选地，出射光强积分式为：

5、

6、其中，ii为一个周期t内第i帧图片对应的出射光强值，t为系统光学周期，n为一个周期内相机采集的图片帧数，i00为系统入射光强值，α2n、β2n为傅里叶系数，ω为系统相位延迟器旋转基频。

7、优选地，曝光过程中所用光源的光强波动小于0.3％。

8、优选地，步骤s2中采用高斯多项式、线性回归或最小二乘法对多组第一图像进行拟合。

9、优选地，步骤s2中采用所述非线性因子对相机进行校正具体为：

10、当相机曝光获取光强后，在光强灰度值转换过程中，将光强灰度值除以对应的非线性因子，获得一组新的光强灰度值，并以此灰度值作为相机曝光采集得到的灰度值，完成对相机的非线性校正。

11、本申请第二方面提供了一种成像椭偏仪测量系统成像校准系统，所述系统包括：采集模块：用于设置多组曝光时间，多组曝光时间的曝光时长呈线性增加，获取相机在多组曝光时间下采集的多组第一图像；校正模块：用于对多组第一图像进行拟合获得光强关于曝光时间的曲线，获得不同光强对应的非线性因子，采用所述非线性因子对相机进行校正；平均校正模块：用于采用校正后的相机进行拍摄获得第二图像，选取第二图像中的一像素点，以该像素点为中心向周边扩展相同数量的像素点获得多个像素点，对多个像素点的像素求平均，将像素平均值作为该像素点对应的目标光强值；校准模块：用于以所述目标光强值为出射光强值，反解成像椭偏仪测量系统的出射光强积分式获得成像椭偏仪测量系统的傅里叶系数，进而实现对所述成像椭偏仪测量系统的成像校准。

12、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的成像椭偏仪测量系统成像校准方法及系统主要具有以下有益效果：

13、1.本申请首先进行相机线性校正，利用多项式拟合光强关于曝光时间的曲线，获取光强非线性因子对相机进行线性校正。因此可减小由于ccd相机非线性问题而引入的误差，从而提高成像系统采集光强准确性。

14、2.本申请第二步进行ccd相机像素平均，将目标点周围的像素光强求和平均处理，当作目标像素光强，此方法可减小由于成像椭偏仪光路振动导致选取像素改变而引起的光强误差，提高成像系统采集光强准确性。

15、3.最后进行成像椭偏仪光强积分时间修正，将ccd相机每次曝光时的数据读取时间δt加入到光强积分模型中，修正积分时间，使光强积分模型与实际采集过程中的非连续曝光对应，从而提高成像椭偏仪系统处理光强数据准确性。

技术特征：

1.一种成像椭偏仪测量系统成像校准方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的成像椭偏仪测量系统成像校准方法，其特征在于，步骤s4中出射光强积分式的积分时间减去了数据读取时间。

3.根据权利要求1或2所述的成像椭偏仪测量系统成像校准方法，其特征在于，出射光强积分式为：

4.根据权利要求1所述的成像椭偏仪测量系统成像校准方法，其特征在于，曝光过程中所用光源的光强波动小于0.3％。

5.根据权利要求1所述的成像椭偏仪测量系统成像校准方法，其特征在于，步骤s2中采用高斯多项式、线性回归或最小二乘法对多组第一图像进行拟合。

6.根据权利要求1或5所述的成像椭偏仪测量系统成像校准方法，其特征在于，步骤s2中采用所述非线性因子对相机进行校正具体为：

7.一种成像椭偏仪测量系统成像校准系统，其特征在于，所述系统包括：

技术总结
本发明属于光学仪器测量相关技术领域，其公开了一种成像椭偏仪测量系统成像校准方法，包括：获取相机在多组曝光时间下采集的多组第一图像；对多组第一图像进行拟合获得光强对应的非线性因子，采用非线性因子对相机进行校正；采用校正后的相机进行拍摄获得第二图像，选取第二图像中的一像素点，以该像素点为中心向周边扩展获得多个像素点，对多个像素点的求平均，将像素平均值作为该像素点对应的目标光强值；以目标光强值为出射光强值反解成像椭偏仪测量系统的出射光强积分式获得成像椭偏仪测量系统的傅里叶系数，实现对成像椭偏仪测量系统的成像校准。本申请减弱了光路结构振动、光电转换非线性以光强积分时间偏差导致的误差，提高了校准准确性。

技术研发人员：陈修国,钟海硕,张传维,刘世元
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1