納米尺度下大面積散射場的快速測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置，包括：起偏端，用于將光束進行調(diào)制得到一定偏振態(tài)的光束；檢偏端，用于將偏振態(tài)光束進行解調(diào)以獲得樣品信息；還包括物鏡和第一透鏡，待測樣品位于物鏡的前焦面上，偏振態(tài)光束經(jīng)過該第一透鏡聚焦在物鏡的后焦面，待測樣品散射光被物鏡收集并成像于其后焦面，進而成像于圖像采集裝置上；以及掃描振鏡，用于使得所述物鏡出射到樣品上的光束角度改變，獲得待測樣品不同入射角下的散射場分布圖像，實現(xiàn)對待測樣品納米尺度下的快速精確的形貌測量。本發(fā)明還公開了相應的測量方法。本發(fā)明可以實現(xiàn)對待測樣品多入射角下散射場快速采集，獲得待測樣品散射場在物鏡后焦面上分布。
【專利說明】納米尺度下大面積散射場的快速測量方法及裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于H維形貌參數(shù)測量領域，具體涉及一種納米尺度下的H維結構形貌的 測量裝置和方法。

【背景技術】
[0002] 近年來，傳統(tǒng)的微電子集成電路（1C)與微機電系統(tǒng)（MEM巧加工從微米量級突破 到納米量級。隨著加工尺寸的不斷減小，其H維形貌參數(shù)對器件最終性能的影響也越來越 顯著。該些H維形貌參數(shù)不僅包括特征線寬（即關鍵尺寸）、周期間距、高度、側壁角等輪廓 參數(shù)，而且包含線寬粗趟度（LWR)、線邊粗趟度（LER)等重要特征。H維形貌參數(shù)是1C制造 中影響器件性能的主要特征參數(shù)，因此對H維形貌參數(shù)的測量成為1C制造中的關鍵環(huán)節(jié)。 目前針對1C制造中H維形貌參數(shù)的測量手段主要有：掃描電子顯微鏡（SEM)、原子力顯微 鏡（AFM)、透射電子顯微鏡（TEM)、傳統(tǒng)光學顯微鏡（0M)、光學散射儀等幾種。其中掃描電子 顯微鏡（SEM)和透射電子顯微鏡燈EM)為非接觸式測量，橫向與縱向分辨率都很高，但因為 其在制樣過程中需要破壞樣件，且由于測量需真空環(huán)境的限制，所W無法用于1C制造中的 在線、大批量測量；原子力顯微鏡（AFM)為表面探針式的接觸式測量，測量過程中容易損傷 樣件，同時接觸式的掃描測量速度較慢；傳統(tǒng)光學顯微鏡（0M)受限于光學分辨率極限只能 用于微米級別的測量，無法適用于納米結構測量。而光學散射儀也稱為光學關鍵尺寸（0CD) 測量儀，其基本原理是通過起偏器將特殊的楠圓偏振光投射到待測結構（一般為周期性結 構）表面，通過測量待測結構的零級衍射光（散射光）W獲得偏振光在反射前后的偏振態(tài) 變化（包括振幅比和相位差），進而通過求解逆散射問題來提取出待測結構的關鍵尺寸等 信息。與前面幾種方法相比，光學散射儀具有H個重要優(yōu)勢；采用光學測量手段是非接觸式 測量，對樣品沒有破壞；測量環(huán)境要求低、測量速度快適用于在線測量；基于模型的測量方 法，不受限于光學分辨率極限。基于上述的H大優(yōu)勢，光學散射儀目前已成為1C制造工藝 線上不可或缺的一種測量設備，可W實現(xiàn)小至22nm技術節(jié)點的關鍵尺寸測量。
[0003] 如圖1所示，傳統(tǒng)的光學散射儀只能測量待測樣品的零級衍射光，而無法收集其 它級次光，待測樣品的信息收集不完整。由于其只利用了周期性結構的零級衍射光反射信 息，根據(jù)目前的基于模型求解的測量方法，它只能測量深寬比不大的簡單周期性結構（如 一維光柵結構和二維光柵結構）。同時因其測量光斑的限制（目前約為50um)，僅能獲得周 期性結構在測量光斑范圍內(nèi)的極少量統(tǒng)計參數(shù)，如平均意義下的光柵結構特征線寬（即關 鍵尺寸）、高度、側壁角等幾何參數(shù)。該個局限性極大制約了光學散射儀的更廣泛應用，使其 無法勝任復雜H維納米結構的測量，如1C制造在22nm及W下技術節(jié)點中新引入的錯式場 效應晶體管（Fin陽T, Fin Field-Effect Transistor)和疊層高深寬比快閃（NAND Flash) 存儲器等復雜H維納米結構。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置與方 法，其通過設置掃描振鏡w改變光束入射角度同時設置物鏡和成像透鏡，通過獲得待測樣 品的大面積散射場的分布，并結合散射場的16個穆勒矩陣元素分布，從而即可待測樣品的 H維形貌參數(shù)。本發(fā)明可W在納米尺度下快速地獲得待測樣品的大面積散射場，從而可W 實現(xiàn)復雜H維納米結構的快速、精確測量。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供一種納米尺度下快速大面積海量 散射場測量的裝置，其包括：
[0006] 起偏端，其設置在激光光源出射光路上，用于將入射至其上的光束進行調(diào)制，W得 到一定偏振態(tài)的光束；
[0007] 檢偏端，其用于將入射到其上的包含待測樣品信息的偏振態(tài)光束進行解調(diào)，已獲 得樣品信息；
[0008] 其特征在于，還包括：
[0009] 設置在樣品臺前的光路上的物鏡和第一透鏡，其中樣品臺上的待測樣品位于所述 物鏡的前焦面上，所述起偏端獲得的偏振態(tài)光束經(jīng)過該第一透鏡聚焦在所述物鏡的后焦 面，進而通過所述物鏡平行入射至待測樣品上，該待測樣品的散射光被物鏡收集并成像于 其后焦面，然后通過第一透鏡W及所述檢偏端后成像于圖像采集裝置上；W及
[0010] 掃描振鏡，其設置于所述起偏端之前或之后的光路上，用于改變?nèi)肷涞剿龅谝?透鏡上的偏振態(tài)光束的入射角度，進而改變聚焦到所述物鏡后焦面的位置，使得所述物鏡 出射到樣品上的光束角度改變，從而可W獲得待測樣品不同入射角下的散射場分布圖像， 通過獲取不同散射場下的穆勒矩陣，即可實現(xiàn)對待測樣品納米尺度下的快速精確的形貌測 量。
[0011] 作為本發(fā)明的改進，所述掃描振鏡設置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入 射到起偏端。
[0012] 作為本發(fā)明的改進，還包括分光鏡，所述偏振態(tài)光束經(jīng)該分光鏡反射后入射到所 述第一透鏡。
[0013] 作為本發(fā)明的改進，所述收集散射光的物鏡為所述樣品臺前的光路上的物鏡，其 后焦面和第一透鏡的前焦面重合。
[0014] 作為本發(fā)明的改進，還包括第二透鏡，其設置在第一透鏡和檢偏端之間的光路上 且第一透鏡的后焦面和第二透鏡的前焦面重合。
[0015] 作為本發(fā)明的改進，還包括設置在樣品臺相對的另一側的另一物鏡W及位于其后 的第H透鏡，所述偏振態(tài)光束入射到樣品臺后其散射光透射過樣品后被所述另一物鏡收 集，該另一物鏡的后焦面與所述第H透鏡的焦面重合。
[0016] 作為本發(fā)明的改進，還包括第四透鏡，其設置在第H透鏡和檢偏端之間的光路上 且第H透鏡的后焦面和第四透鏡的前焦面重合。
[0017] 作為本發(fā)明的改進，所述起偏端包括沿光路依次設置的起偏器、第一補償器和伺 服電機，其中，所述起偏器用W將入射光束變?yōu)榫€偏振光，第一補償器用于調(diào)制所述線偏振 光為一定偏振態(tài)的光束，所述伺服電機用W負載第一補償器勻速旋轉(zhuǎn)。
[0018] 作為本發(fā)明的改進，所述檢偏端包括沿光路依次設置第二補償器、伺服電機和檢 偏器，其中，所述第二補償器用于將所述偏振態(tài)的光束進行解調(diào)，所述檢偏器用于將解調(diào)后 的偏振態(tài)光束調(diào)制成線偏振光，所述第二伺服電機用W負載第二補償器勻速旋轉(zhuǎn)。
[0019] 按照本發(fā)明的另一方面，提供一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的方 法，其特征在于，包括：
[0020] 將入射至其上的光束進行調(diào)制，W得到一定偏振態(tài)的光束；
[0021] 用于將入射到其上的包含待測樣品信息的偏振態(tài)光束進行解調(diào)；
[0022] 其特征在于，還包括：
[0023] 將偏振態(tài)光束經(jīng)過第一透鏡聚焦在一物鏡的后焦面，其中所述第一透鏡和物鏡設 置在樣品臺前的光路上，樣品臺上的待測樣品位于所述物鏡的前焦面，聚焦在所述后焦面 的光通過所述物鏡平行入射至待測樣品上，該待測樣品的散射光被物鏡收集并成像于其后 焦面，然后通過第一透鏡W及所述檢偏端后成像于圖像采集裝置上；W及
[0024] 改變?nèi)肷涞剿鐾哥R上的偏振態(tài)光束的入射角度，進而改變聚焦到所述物鏡后焦 面的位置，使得所述物鏡出射到樣品上的光束角度改變，從而可W獲得待測樣品不同入射 角下的散射場分布圖像，通過獲取不同散射場下的穆勒矩陣，即可實現(xiàn)對待測樣品納米尺 度下的快速精確的形貌測量。
[00巧]作為本發(fā)明的改進，在所述第一透鏡和檢偏端之間的光路上設置一第二透鏡，該 第一透鏡的后焦面和第二透鏡的前焦面重合。
[0026] 作為本發(fā)明的改進，所述入射角度的改變通過設置于所述起偏端之前或之后的光 路上的掃描振鏡實現(xiàn)。
[0027] 作為本發(fā)明的改進，所述掃描振鏡設置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入 射到起偏端。
[0028] 作為本發(fā)明的改進，所述偏振態(tài)光束經(jīng)一分光鏡反射后入射到所述第一透鏡。
[0029] 作為本發(fā)明的改進，所述收集散射光的物鏡為所述樣品臺前的光路上的物鏡，其 后焦面和第一透鏡的前焦面重合。
[0030] 作為本發(fā)明的改進，所述偏振態(tài)光束入射到樣品臺后其散射光透射過樣品后被設 置在樣品臺相對的另一側的另一物鏡收集，該另一物鏡的后焦面與位于該另一物鏡后的第 H透鏡的焦面重合。
[0031] 作為本發(fā)明的改進，在第H透鏡和檢偏端之間的光路上還設置有第四透鏡，該第 H透鏡的后焦面和第四透鏡的焦面重合。
[0032] 作為本發(fā)明的改進，所述調(diào)制通過起偏端實現(xiàn)，該起偏端包括沿光路依次設置的 起偏器、第一補償器和伺服電機，其中，所述起偏器用W將入射光束變?yōu)榫€偏振光，第一補 償器用于調(diào)制所述線偏振光為一定偏振態(tài)的光束，所述伺服電機用W負載第一補償器勻速 旋轉(zhuǎn)。
[0033] 作為本發(fā)明的改進，所述解調(diào)通過檢偏端實現(xiàn)，該檢偏端包括沿光路依次設置第 二補償器、伺服電機和檢偏器，其中，所述第二補償器用于將所述偏振態(tài)的光束進行解調(diào)， 所述檢偏器用于將解調(diào)后的偏振態(tài)光束調(diào)制成線偏振光，所述第二伺服電機用W負載第二 補償器勻速旋轉(zhuǎn)。
[0034] 本發(fā)明提供的裝置與方法可W實現(xiàn)對待測樣品多入射角下散射場快速采集；提供 的裝置與方法可W-次測量中獲得待測樣件散射場4X4階穆勒矩陣共16個參數(shù)，而不需 要改變測量系統(tǒng)配置；提供的裝置與方法可W獲得待測樣品散射場在物鏡后焦面上分布。
[0035] 本發(fā)明提供一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置被稱為散射場層 析廣義楠偏儀，主要包括激光光源，用w提供穩(wěn)定的相干入射光線；掃描振鏡，用w實現(xiàn)入 射光束角度的改變；擴束器，用W將入射光束直徑擴大到合理設計直徑；起偏器，用W將入 射光束變?yōu)榫€偏振光；第一伺服電機用W負載第一補償器勻速旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)置第一增量式編 碼器用W提供固定的Z向化me信號和伺服反饋；待測樣件放置于物鏡焦面上；物鏡在光束 入射時用W實現(xiàn)多入射角改變，光束出射時用W實現(xiàn)大角度散射場收集并將散射場分布成 像在其后焦面上；透鏡，在光束入射時用W將入射平行光匯聚到物鏡后焦面上，在光束出射 時用W成像中繼；分束器，用W改變?nèi)肷?、出射光束角度；第二伺服電機用W負載第二補償 器勻速旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)置第一增量式編碼器用W提供固定的Z向化me信號和伺服反饋；檢偏器， 用W將出射光束偏振態(tài)調(diào)制成線偏振光；圖像采集器，用W采集并存儲待測樣器散射場圖 像信息；控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用W整個系統(tǒng)的運動控制及數(shù)據(jù)處理，包括掃描振鏡控制器 用W控制掃描振鏡掃描角度、計算機用W完成對整體系統(tǒng)操作并進行數(shù)據(jù)處理與分析、伺 服電機控制器用W控制兩伺服電機旋轉(zhuǎn)及接收兩增量式編碼器位置信號、同步裝置用W捕 捉兩增量式編碼器Z向信號并完成對圖像采集器的觸發(fā)。
[0036] 本發(fā)明中，所述掃描振鏡優(yōu)選為雙軸二維掃描振鏡；
[0037] 本發(fā)明中，所述第一、二伺服電機及其內(nèi)置增量式編碼器為軸中空式或旁軸中空 式結構，保證光束可W從其負載的光學元件中也通過。所述第一、二增量式編碼器可W把圓 周等分為若干個等角度間距單元，將位置信號通過編碼方式進行輸出，并且每轉(zhuǎn)一周向外 輸出一個Z向脈沖信號；
[0038] 本發(fā)明中，所述第一、二補償器為可W在兩個互相垂直的方向上產(chǎn)生一定相位延 遲差的光學各項異性器件，包括云母波片、石英波片、液晶波片、MgF,波片、菲涅爾棱鏡；
[0039] 本發(fā)明中，所述起偏器、檢偏器為可W將任意光波變換成線偏振光的偏振器件，包 括二色性線偏振器、格蘭泰勒偏振棱鏡、格蘭湯姆森偏振棱鏡；
[0040] 本發(fā)明中，所述分束器對測量光束偏振態(tài)無影響，分離光束比例為0. 5/0. 5 ;
[0041] 本發(fā)明中，所述物鏡為無限遠光學設計無應力平場半復消色差或無應力平場復消 色差物鏡；
[0042] 本發(fā)明中，所述圖像采集器為電荷禪合器件（CCD)或互補金屬氧化物半導體 (CM0巧圖像傳感器；
[0043] 本發(fā)明中，所述同步裝置主要用W確定散射場層析廣義楠偏儀設備中圖像采集器 在采集圖像初始時刻補償器光軸的瞬時位置。該是由于系統(tǒng)在測量過程兩個補償器一直是 處于運動狀態(tài)，圖像采集器采集的圖像只有與兩個補償器的光軸位置相對應，才能夠計算 分析出正確的結果。兩個補償器由兩臺伺服電機分別負載，電機在測量過程中轉(zhuǎn)速穩(wěn)定且 不發(fā)生改變，所W只要確定圖像采集器在采集圖像的初始時刻兩補償器光軸的瞬時位置， 即可W確定W后任意時刻補償器光軸的位置。
[0044] 本發(fā)明利用上述一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置進行具體測 量的方法，可W包括如下步驟：
[0045] 第一步，完成對散射場層析廣義楠偏儀硬件系統(tǒng)初始設置。
[0046] 第二步，掃描振鏡轉(zhuǎn)到設定位置，并通過計算機打開同步裝置；
[0047] 第H步，圖像采集器W設定積分時間曝光，并對采集圖像轉(zhuǎn)換、儲存；
[0048] 第四步，重復第二、H步直至掃描振鏡轉(zhuǎn)完所有設定位置；
[0049] 第五步，根據(jù)圖像采集器采集圖像中每個像素點光強值，計算出具體的16個穆勒 矩陣元素，通過計算多入射角下圖像即可獲得樣品散射場分布信息。
[0050] 進一步，所述第一步包括：
[0051] (1)，打開激光光源至其輸出光線穩(wěn)定；
[0052] (2)，第一旋轉(zhuǎn)補償器、第二旋轉(zhuǎn)補償器分別由第一伺服電機、第二伺服電機負載， 計算機通過伺服驅(qū)動器控制兩伺服電機W轉(zhuǎn)速度比P:q勻速旋轉(zhuǎn)，在其運行穩(wěn)定后伺服電 機控制器向掃描振鏡控制器發(fā)送一脈沖信號；
[0053] (3)，開打圖像采集器，設定曝光時間t，設置測量中需要采集圖像張數(shù)Q，其中Q = NXL N為一個光學周期內(nèi)采樣次數(shù)，L為重復采集周期次數(shù)，并將圖像采集器置于外觸發(fā) 模式下。
[0054] 進一步，所述（2)步包括：
[00巧]1)，計算機通過伺服電機控制器控制兩伺服電機回到各其化me位置；
[0056] 2)，計算機通過伺服電機控制器控制兩伺服電機同步起動，并讓第一、第二伺服電 機分別W P* ?、q* ?勻速旋轉(zhuǎn)，其中《為兩電機基頻；
[0057] 3)，兩伺服電機內(nèi)置增量式編碼器，伺服電機每次轉(zhuǎn)到化me位增量式編碼器都向 外發(fā)送Z向脈沖信號。
[0058] 4)，兩伺服電機運行穩(wěn)定后，伺服電機控制器向掃描振鏡控制器發(fā)送一脈沖信 號；
[0059] 進一步，所述第H步包括：
[0060] (4)，同步裝置打開后開始分別捕捉第一、二伺服電機的Z向脈沖信號；
[0061] 巧），同步裝置同時捕捉到第一、二伺服電機Z向脈沖信號后向圖像采集器發(fā)送觸 發(fā)脈沖信號；
[006引 做，圖像采集器接收到觸發(fā)脈沖后，W設定積分時間t開始采樣Q張圖像，并將圖 像轉(zhuǎn)換存儲在計算機中。
[0063] 總體而言，通過本發(fā)明所構思的W上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有W下有益效 果：
[0064] 第一，在光路入射時，通過掃描振鏡改變光束入射角度，從而改變光束在物鏡后焦 面位置，進而實現(xiàn)多入射角照明；
[0065] 第二，通過大數(shù)值孔徑物鏡收集散射場，然后經(jīng)過成像透鏡后將物鏡的傅里葉空 間像成像在CCD上，而不獲取傳統(tǒng)的樣品實像，既克服了傳統(tǒng)光學散射儀只能獲取單一散 射場（即零級衍射光）信息的弱點；又利于表征散射場的分布；
[0066] 第H，采用廣義楠偏儀的測量手段，儀器獲取的是散射場偏振態(tài)改變信息，而不是 散射場絕對振幅和相位，避免引入復雜的非共光路的設計，從而使儀器在實現(xiàn)與校準更加 簡單；
[0067] 第四，儀器可W通過一次測量獲得待測樣品16個穆勒矩陣元素，從而獲得表征樣 品的光學特性和散射場的穆勒矩陣分布，進而通過不同入射角下穆勒矩陣的分布求解出待 測樣品的H維形貌參數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0068] 圖1是傳統(tǒng)光學散射儀儀器結構示意圖；
[0069] 圖2是反射式散射場層析廣義楠偏儀系統(tǒng)結構圖；
[0070] 圖3是散射場層析廣義楠偏儀控制系統(tǒng)示意圖；
[0071] 圖4是單片機與外部硬件連接圖；
[0072] 圖5是單片機程序基本流程圖；
[0073] 圖6是透射式散射場層析廣義楠偏儀系統(tǒng)結構圖。

【具體實施方式】
[0074] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于 該些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述 的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可W相互組合。
[0075] 按照本發(fā)明的實施例1所提供的一種反射式散射場層析廣義楠偏儀設備裝置，其 具體結構如圖1所示，主要包括激光光源1、掃描振鏡2、掃描振鏡2、起偏器4、第一增量式 編碼器5、第一伺服電機6、第一補償器7、樣品臺8、物鏡10、第一透鏡11、分束器12、第二 透鏡13、第二補償器14、第二伺服電機15、第二增量式編碼器16、檢偏器17、圖像采集器18 和控制及數(shù)據(jù)處理裝置19。
[0076] 其中，激光光源1用W提供穩(wěn)定的相干入射光線；掃描振鏡2用W實現(xiàn)入射光束角 度的改變，為二維掃描振鏡；擴束器3用W將入射光束直徑擴大到合理設計直徑，僅改變光 束直徑不改變光束傳播方向。擴束器3可W變聚焦，包括滑動透鏡式和旋轉(zhuǎn)透鏡式結構；起 偏器4用W將入射光束變?yōu)榫€偏振光，是可W將任意光波變換成線偏振光的偏振器件，例 如可W包括二色性線偏振器、格蘭泰勒偏振棱鏡、或格蘭湯姆森偏振棱鏡等。
[0077] 第一伺服電機6用W負載第一補償器7勻速旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)置第一增量式編碼器5用 W提供固定的Z向化me信號和伺服反饋。所述第一伺服電機6及其內(nèi)置第一增量式編碼 器5為軸中空式或旁軸中空式結構，保證光束可W從其負載的光學元件中也通過。所述第 一增量式編碼器5可W把圓周等分為若干個等角度間距單元，將位置信號通過編碼方式進 行輸出，并且每轉(zhuǎn)一周向外輸出一個Z向脈沖信號。所述第一補償器7為可W在兩個互相 垂直的方向上產(chǎn)生一定相位延遲差的光學各項異性器件，例如優(yōu)選可W包括云母波片、石 英波片、液晶波片、MgFs波片、或菲涅爾棱鏡。其中擴束器3、起偏器4、第一補償器7為共光 軸安裝。
[0078] 樣品臺8為旋轉(zhuǎn)臺，可W 360°旋轉(zhuǎn)，樣品9放置在樣品臺8上，位于物鏡10前焦 面上；
[0079] 物鏡10,在光束入射時隨著掃描振鏡改變?nèi)肷涔馐嵌龋蒞實現(xiàn)對待測樣品多 入射角的測量，光束出射時用W實現(xiàn)大角度散射場收集并將散射場分布成像在其后焦面 上。既可為無限遠光學設計無應力平場半復消色差物鏡，也可為無限遠光學設計無應力平 場復消色差物鏡，但應該適用于當前激光光源1波段。
[0080] 第一透鏡11在光束入射時用W將入射平行光匯聚到物鏡10后焦面上，在光束出 射時用W成像中繼其既可W為在寬波段內(nèi)消色差設計透鏡，也可W為針對激光光源1波段 的單波段設計。圖2中虛線部分描述是測量過程中，物鏡后焦面上光束在二維空間掃描，從 而改變對樣品不同入射角的測量。光束通過掃描振鏡2的掃描，依次W不同角度入射到透 鏡11上。當光束垂直入射透鏡11時，光束將匯聚于物鏡10后焦面的中也點，經(jīng)過物鏡10 后垂直照射到待測樣品上。當光束傾斜入射透鏡11時，物鏡10后焦面的光束匯聚點將偏 移中也位置，進而光束經(jīng)過物鏡10后W-定入射角照射到待測樣品上。
[0081] 分束器12用W改變?nèi)肷?、出射光束角度，其對測量光束偏振態(tài)無影響，分離光束 比例為0. 5/0. 5。
[0082] 第二透鏡13用W將物鏡后焦面上散射場圖像中繼。其既可W為在寬波段內(nèi)消色 差設計透鏡，也可W為針對激光光源1波段的單波段設計。
[0083] 第二伺服電機15用W負載第二補償器14勻速旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)置第二增量式編碼器16 用W提供固定的Z向化me信號和伺服反饋；所述第二伺服電機15及其內(nèi)置第二增量式編 碼器16為軸中空式或旁軸中空式結構，保證光束可W從其負載的光學元件中也通過。所述 第二增量式編碼器16可W把圓周等分為若干個等角度間距單元，將位置信號通過編碼方 式進行輸出，并且每轉(zhuǎn)一周向外輸出一個Z向脈沖信號。所述第二補償器14為可W在兩個 互相垂直的方向上產(chǎn)生一定相位延遲差的光學各項異性器件，其優(yōu)選可W為云母波片、石 英波片、液晶波片、MgF2波片、或菲涅爾棱鏡。
[0084] 檢偏器17用W將出射光束偏振態(tài)調(diào)制成線偏振光，是可W將任意光波變換成線 偏振光的偏振器件，其優(yōu)選可W為二色性線偏振器、格蘭泰勒偏振棱鏡、或格蘭湯姆森偏振 棱鏡等。
[0085] 圖像采集器18用W采集并存儲待測樣器散射場圖像信息，其優(yōu)選可W為電荷禪 合器件（CCD)或互補金屬氧化物半導體（CM0巧圖像傳感器，具有外觸發(fā)功能等。
[0086] 物鏡10、第一透鏡11、分束器12、第二補償器14、第二透鏡13、檢偏器17、圖像采 集器18均為共光軸布置。
[0087] 控制及數(shù)據(jù)處理裝置19用W整個系統(tǒng)的運動控制及數(shù)據(jù)處理，其包括用W控制 掃描振鏡掃描角度的掃描振鏡控制器20、用W完成對整體系統(tǒng)操作并進行數(shù)據(jù)處理與分析 的計算機21、用W控制兩伺服電機旋轉(zhuǎn)及接收兩增量式編碼器位置信號的伺服電機控制器 22、用W捕捉兩增量式編碼器Z向信號并完成對圖像采集器的觸發(fā)的同步裝置23。
[008引散射場層析廣義楠偏儀控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)示意圖如圖3所示，包括；計算機、掃 描振鏡控制器、伺服電機控制器、同步裝置、第一伺服電機及第一增量式編碼器、第二伺服 電機及第二增量式編碼器、圖像采集器。其中計算機通過USB標準接口與掃描振鏡控制器 與圖像采集器連接，通過PCI接口與伺服電機控制器與同步裝置連接。伺服電機控制器與 第一、二伺服電機及其第一、二增量式編碼器連接，接收計算機運動控制命令后驅(qū)動控制第 一、二伺服電機先回到化me位后再Wp:q轉(zhuǎn)速比勻速旋轉(zhuǎn)，同時其接收到第一、二增量式編 碼器的反饋信號對伺服電機進行閉環(huán)控制，保證了運動的精度與穩(wěn)定性。掃描振鏡控制器 與掃描振鏡相連，接收到計算機命令后，驅(qū)動控制掃描振鏡運動到命令位置。同步控制裝置 與第一、二增量式編碼器及圖像采集器相連，當其同時接收到第一、二增量式編碼器的Z向 信號后發(fā)圖像采集器發(fā)送一觸發(fā)脈沖，圖像采集器接收到脈沖后開始按照設定參數(shù)采集圖 片。
[0089] 在本實施例中將W單片機作為同步裝置的一種，進行具體的同步功能的描述，圖4 即為單片機與外部硬件連接示意圖。第一，引出第一增量式編碼器和第二增量式編碼器的 Z向信號線與參考地線；第二，將第一增量式編碼器的Z向信號線和參考地線分別連接到單 片機的PO. 1引腳與GND引腳；第H，將第二增量式編碼器的Z向信號線和參考地線分別連 接到單片機的P0. 2引腳與GND引腳；第四，將單片機的P1. 1引腳和GND引腳分別與圖像采 集器的Trigger引腳和GND引腳連接；第五，將單片機的RXD、TXD和GND引腳通過串口轉(zhuǎn)換 芯片與計算機標準串口連接。此外上述描述僅W-種單片機的連接方式（P0. 1、P0. 2引角 作為輸出端，P1. 1引角作為脈沖輸出端）為例，其余同類引角的連接同樣適用。
[0090] 為了測量一個樣品的散射場分布，比如：錯式場效應晶體管（FinFET，F(xiàn)in Field-Effect Transistor)，使用本實施例中的散射場層析廣義楠偏儀具體操作步驟如 下：
[0091] 步驟1，完成對散射場層析廣義楠偏儀硬件系統(tǒng)初始設置。具體包括：
[0092] [1]，完成所有光學元件的安裝與調(diào)試，確認所有硬件設備連接正常，系統(tǒng)軟件連 接成功；
[0093] 巧]，打開激光光源至其輸出光線穩(wěn)定；
[0094] 巧]，第一旋轉(zhuǎn)補償器7、第二旋轉(zhuǎn)補償器14分別由第一伺服電機6、第二伺服電機 15負載，計算機通過伺服驅(qū)動器控制兩伺服電機W轉(zhuǎn)速度比P:q勻速旋轉(zhuǎn)，并在其運行穩(wěn) 定后伺服電機控制器向掃描振鏡控制器發(fā)送一脈沖信號；
[0095] [4]，開打圖像采集器18,設定曝光時間t，設置測量中需要采集圖像張數(shù)Q，其中Q = NXL N為一個光學周期內(nèi)采樣次數(shù)，L為重復采集周期次數(shù)，并將圖像采集器置于外觸 發(fā)模式下。具體步驟包括：
[0096] 1)，計算機通過伺服電機控制器控制兩伺服電機回到各其化me位置；
[0097] 2)，計算機通過伺服電機控制器控制兩伺服電機同步起動，并讓第一、第二伺服電 機分別W P* ?、q* ?勻速旋轉(zhuǎn)，其中《為兩電機基頻；
[009引 3)，兩伺服電機內(nèi)置增量式編碼器，伺服電機每次轉(zhuǎn)到化me位增量式編碼器都向 外發(fā)送Z向脈沖信號；
[0099] 4)，兩伺服電機運行穩(wěn)定后，伺服電機控制器向掃描振鏡控制器發(fā)送一脈沖信 號；
[0100] 步驟2,掃描振鏡轉(zhuǎn)到設定位置，并通過計算機打開單片機。其中單片機中已載入 編寫完成的程序，其具體程序流程圖如圖5所示，共包括7步：
[0101] 第al步，運行單片機，并使其P1. 1引角保持低電平；
[0102] 第a2步，單片機接收到計算機命令，將其內(nèi)部標識位置1，P0. 1、P0. 2引角開始捕 捉第一、二增量式編碼器Z向信號，
[0103] 第a3步，判斷單片機P0. 1引角接收到第一增量式編碼器Z向信號，若未接收到則 繼續(xù)捕捉，若接收到則執(zhí)行第a4步；
[0104] 第a4步，判斷單片機P0. 2引角是否接收到第二增量式編碼器Z向信號，若未接收 到則返回第a3步，P0. 1引角重新捕捉第一增理式編碼器的Z向信號，若接收到則執(zhí)行第a5 步；
[0105] 第a5步，單片機P1. 1引角保持高電平，并將單片機內(nèi)部標識位置0;
[010引第a6步，單片機P1. 1引角高電平持續(xù)保持時間T后，變?yōu)榈碗娖?。T的值與圖像 采集器可W認別到的最小高電平保持時間有關，只需保證P1. 1角高電平持續(xù)時間T大于圖 像采集器最小高電平保持時間即可；上述單片機步驟中的高、低電平為TTL電平信號，在室 溫下，一般輸出高電平是3. 5V，輸出低電平是0. 2V。最小輸入高電平和低電平；輸入高電平 〉=2. 0V，輸入低電平< =0. 8V，噪聲容限是0. 4V。
[0107] 步驟3,圖像采集器接受到單片機發(fā)送的觸發(fā)脈沖，W積分時間曝光，并對采集圖 像轉(zhuǎn)換、儲存。
[010引步驟4,重復第二、H步直至掃描振鏡轉(zhuǎn)完所有設定位置。
[0109] 步驟5,根據(jù)圖像采集器采集圖像中每個像素點光強值，計算出具體的16個穆勒 矩陣元素，通過計算多入射角下圖像即可獲得樣品散射場分布信息。
[0110] 按照本發(fā)明另一實施例所提供的一種散射場層析廣義楠偏儀測量方法，具體實施 包括如下步驟：
[0111] 步驟1，完成對散射場層析廣義楠偏儀硬件系統(tǒng)初始設置。具體包括：
[0112] [1]，打開激光光源至其輸出光線穩(wěn)定；
[0113] 巧]，第一旋轉(zhuǎn)補償器、第二旋轉(zhuǎn)補償器分別由第一伺服電機、第二伺服電機負載， 計算機通過伺服驅(qū)動器控制兩伺服電機W轉(zhuǎn)速度比p:q勻速旋轉(zhuǎn)，并在其運行穩(wěn)定后向掃 描振鏡控制器發(fā)送一脈沖；
[0114] 巧]，開打圖像采集器，設定曝光時間t，設置測量中需要采集圖像張數(shù)Q，其中Q = NXL N為一個光學周期內(nèi)采樣次數(shù)，L為重復采集周期次數(shù)，并將圖像采集器置于外觸發(fā) 模式下。具體步驟包括：
[0115] 1)，計算機通過伺服電機控制器控制兩伺服電機回到各其化me位置；
[0116] 2)，計算機通過伺服電機控制器控制兩伺服電機同步起動，并讓第一、第二伺服電 機分別W P* ?、q* ?勻速旋轉(zhuǎn)，其中《為兩電機基頻；
[0117] 3)，兩伺服電機內(nèi)置增量式編碼器，伺服電機每次轉(zhuǎn)到化me位增量式編碼器都向 外發(fā)送Z向脈沖信號；
[0118] 4)，兩伺服電機運行穩(wěn)定后，伺服電機控制器向掃描振鏡控制器發(fā)送一脈沖信 號；
[0119] 步驟2,掃描振鏡轉(zhuǎn)到設定位置，并通過計算機打開同步裝置；
[0120] 步驟3,圖像采集器W積分時間曝光，并對采集圖像轉(zhuǎn)換、儲存。具體包括：
[0121] [4]，同步裝置打開后開始分別捕捉第一、二伺服電機的Z向脈沖信號；
[0122] [5]，同步裝置同時捕捉到第一、二伺服電機Z向脈沖信號后向圖像采集器發(fā)送觸 發(fā)脈沖信號；
[0123] [6]，圖像采集器接收到觸發(fā)脈沖后，W設定積分時間t采集Q張圖像，并將圖像轉(zhuǎn) 換存儲在計算機中。
[0124] 步驟4,重復第二、H步直至掃描振鏡轉(zhuǎn)完所有設定位置。
[0125] 步驟5,根據(jù)圖像采集器采集圖像中每個像素點光強值，計算出具體的16個穆勒 矩陣元素，通過計算多入射角下圖像即可獲得樣品散射場分布信息。
[0126] 該步驟具體包括：
[0127] [6. 1]，建立系統(tǒng)測量模型，本實施例中系統(tǒng)模型為式（1)所示的線性方程：
[0128]

【權利要求】
1. 一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置，其包括： 起偏端，其設置在激光光源出射光路上，用于將入射至其上的光束進行調(diào)制，以得到一 定偏振態(tài)的光束； 檢偏端，其用于將入射到其上的包含待測樣品信息的偏振態(tài)光束進行解調(diào)，已獲得樣 品f目息； 其特征在于，還包括： 設置在樣品臺前的光路上的物鏡和第一透鏡，其中樣品臺上的待測樣品位于所述物鏡 的前焦面上，所述起偏端獲得的偏振態(tài)光束經(jīng)過該第一透鏡聚焦在所述物鏡的后焦面，進 而通過所述物鏡入射至待測樣品上，該待測樣品的散射光被物鏡收集并成像于其后焦面， 然后通過第一透鏡以及所述檢偏端后成像于圖像采集裝置上；以及 掃描振鏡，其設置于所述起偏端之前或之后的光路上，用于改變?nèi)肷涞剿鐾哥R上的 偏振態(tài)光束的入射角度，進而改變聚焦到所述物鏡后焦面的位置，使得所述物鏡出射到樣 品上的光束角度改變，從而可以獲得待測樣品不同入射角下的散射場分布圖像，通過獲取 不同散射場下的穆勒矩陣，即可實現(xiàn)對待測樣品納米尺度下的快速精確的形貌測量。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置，其中， 所述掃描振鏡優(yōu)選設置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入射到起偏端。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置，其 中，還包括分光鏡，所述偏振態(tài)光束經(jīng)該分光鏡反射后入射到所述第一透鏡。
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置，其中，所 述收集散射光的物鏡為所述樣品臺前的光路上的物鏡，其后焦面和第一透鏡的前焦面重合。
5. 根據(jù)權利要求4所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置，其中， 還包括第二透鏡，其設置在第一透鏡和檢偏端之間的光路上且第一透鏡的后焦面和第二透 鏡的前焦面重合。
6. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置，其 中，還包括設置在樣品臺相對的另一側的另一物鏡以及位于其后的第三透鏡，所述偏振態(tài) 光束入射到樣品臺后其散射光透射過樣品后被所述另一物鏡收集，該另一物鏡的后焦面與 所述第三透鏡的焦面重合。
7. 根據(jù)權利要求6所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的裝置，其中， 還包括第四透鏡，其設置在第三透鏡和檢偏端之間的光路上且第三透鏡的后焦面和第四透 鏡的前焦面重合。
8. 根據(jù)權利要求1-7中任一項所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的 裝置，其中，所述起偏端包括沿光路依次設置的起偏器、第一補償器和伺服電機，其中，所述 起偏器用以將入射光束變?yōu)榫€偏振光，第一補償器用于調(diào)制所述線偏振光為一定偏振態(tài)的 光束，所述伺服電機用以負載第一補償器勻速旋轉(zhuǎn)。
9. 根據(jù)權利要求1-8中任一項所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的 裝置，其中，所述檢偏端包括沿光路依次設置第二補償器、伺服電機和檢偏器，其中，所述第 二補償器用于將所述偏振態(tài)的光束進行解調(diào)，所述檢偏器用于將解調(diào)后的偏振態(tài)光束調(diào)制 成線偏振光，所述第二伺服電機用以負載第二補償器勻速旋轉(zhuǎn)。
10. -種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的方法，其特征在于，包括： 將入射至其上的光束進行調(diào)制，以得到一定偏振態(tài)的光束； 用于將入射到其上的包含待測樣品信息的偏振態(tài)光束進行解調(diào)； 其特征在于，還包括： 將偏振態(tài)光束經(jīng)過第一透鏡聚焦在一物鏡的后焦面，其中所述第一透鏡和物鏡設置在 樣品臺前的光路上，樣品臺上的待測樣品位于所述物鏡的前焦面，聚焦在所述后焦面的光 通過所述物鏡入射至待測樣品上，該待測樣品的散射光被物鏡收集并成像于其后焦面，然 后通過第一透鏡以及所述檢偏端后成像于圖像采集裝置上；以及 改變?nèi)肷涞剿鐾哥R上的偏振態(tài)光束的入射角度，進而改變聚焦到所述物鏡后焦面的 位置，使得所述物鏡出射到樣品上的光束角度改變，從而可以獲得待測樣品不同入射角下 的散射場分布圖像，通過獲取不同散射場下的穆勒矩陣，即可實現(xiàn)對待測樣品納米尺度下 的快速精確的形貌測量。
11. 根據(jù)權利要求10所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的方法，其 中，所述入射角度的改變通過設置于所述起偏端之前或之后的光路上的掃描振鏡實現(xiàn)。
12. 根據(jù)權利要求10或11所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的方法， 其中，所述掃描振鏡設置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入射到起偏端。
13. 根據(jù)權利要求10-12中任一項所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量 的方法，其中，所述偏振態(tài)光束經(jīng)一分光鏡反射后入射到所述第一透鏡。
14. 根據(jù)權利要求13所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的方法，其 中，所述收集散射光的物鏡為所述樣品臺前的光路上的物鏡，其后焦面和第一透鏡的前焦 面重合。
15. 根據(jù)權利要求14所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的方法，其 中，在所述第一透鏡和檢偏端之間的光路上設置一第二透鏡，該第一透鏡的后焦面和第二 透鏡的前焦面重合。
16. 根據(jù)權利要求10-12中任一項所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量 的方法，其中，所述偏振態(tài)光束入射到樣品臺后其散射光透射過樣品后被設置在樣品臺相 對的另一側的另一物鏡收集，該另一物鏡的后焦面與位于該另一物鏡后的第三透鏡的焦面 重合。
17. 根據(jù)權利要求16所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量的方法，其 中，在第三透鏡和檢偏端之間的光路上還設置有第四透鏡，該第三透鏡的后焦面和第四透 鏡的焦面重合。
18. 根據(jù)權利要求10-17中任一項所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測量 的方法，其中，所述調(diào)制通過起偏端實現(xiàn)，該起偏端包括沿光路依次設置的起偏器、第一補 償器和伺服電機，其中，所述起偏器用以將入射光束變?yōu)榫€偏振光，第一補償器用于調(diào)制所 述線偏振光為一定偏振態(tài)的光束，所述伺服電機用以負載第一補償器勻速旋轉(zhuǎn)。
19. 根據(jù)權利要求10-18中任一項所述的一種納米尺度下快速大面積海量散射場測 量的方法，其中，所述解調(diào)通過檢偏端實現(xiàn)，該檢偏端包括沿光路依次設置第二補償器、伺 服電機和檢偏器，其中，所述第二補償器用于將所述偏振態(tài)的光束進行解調(diào)，所述檢偏器用 于將解調(diào)后的偏振態(tài)光束調(diào)制成線偏振光，所述第二伺服電機用以負載第二補償器勻速旋 轉(zhuǎn)。
【文檔編號】G01B11/24GK104501738SQ201410855944
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月31日 優(yōu)先權日:2014年12月31日
【發(fā)明者】劉世元, 杜衛(wèi)超, 張傳維, 譚寅寅 申請人:華中科技大學