一種利用全穆勒矩陣橢偏儀進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用全穆勒矩陣橢偏儀進(jìn)行光學(xué)測(cè) 量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 橢偏儀(簡(jiǎn)稱橢偏儀）是一種利用光的偏振特性獲取待測(cè)樣品信息的光學(xué)測(cè)量?jī)x 器。其相應(yīng)的工作原理是將通過起偏器光入射的待測(cè)樣品表面，通過測(cè)定樣品表面入射光 和反射光前后偏振態(tài)的變化(振幅比和相位差)，從而獲得待測(cè)樣品的信息。旋轉(zhuǎn)偏振器和 旋轉(zhuǎn)單一補(bǔ)償器的橢偏儀在一次測(cè)量中最多獲得樣品的12個(gè)參量；而隨著集成電路工藝 的進(jìn)步和器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，需要測(cè)量的未知量不斷增加，使得傳統(tǒng)橢偏儀對(duì)于超薄薄膜 的膜厚測(cè)量、各向異性的材料光學(xué)常數(shù)測(cè)量、表面特征的退偏振分析、集成電路中關(guān)鍵尺寸 及形貌特征測(cè)量等都表現(xiàn)出一定的局限性。全穆勒矩陣橢圓偏振測(cè)量?jī)x(廣義橢偏儀）可 以在一次測(cè)量中獲得4X4階穆勒矩陣共16個(gè)參數(shù)，比傳統(tǒng)橢偏儀獲得樣品的信息更加豐 富。它突破了傳統(tǒng)橢偏儀的技術(shù)局限，能夠?qū)崿F(xiàn)在寬光譜范圍內(nèi)快速、非破壞性的精確測(cè)量 薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)、關(guān)鍵尺寸及三維形貌等。
[0003] 橢圓偏振光譜儀確保測(cè)量準(zhǔn)確性和維護(hù)設(shè)備狀態(tài)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是儀器的校準(zhǔn)。由于 橢偏儀隨著使用和時(shí)間的推移，會(huì)逐漸產(chǎn)生系統(tǒng)偏差，尤其是波片厚度易受溫度和壓力的 變化及環(huán)境潮解的影響；因此，能夠快速準(zhǔn)確修正橢偏儀的校準(zhǔn)方法，是確保設(shè)備有效性和 生產(chǎn)效率的關(guān)鍵技術(shù)。在現(xiàn)有傳統(tǒng)橢偏儀(如圖1)中校準(zhǔn)過程，如中國(guó)專利201210375771. X中指出對(duì)偏振器件的偏振方向進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，一般是固定起偏器在0°附近的位置P1，旋轉(zhuǎn) 檢偏器A，測(cè)量光強(qiáng)I 1，獲得此狀態(tài)下的I1 (t)曲線；然后改變起偏器P的角度，使起偏器P 處于位置P2,測(cè)量光強(qiáng)I2，得到I2 (t)曲線；重復(fù)上述步驟，在起偏器P處于不同角度時(shí)分 別測(cè)量光強(qiáng)，得到起偏器P處于不同角度時(shí)的I (t)曲線。分別對(duì)上述I (t)曲線進(jìn)行傅里 葉級(jí)次展開，獲得起偏器P處于不同角度時(shí)的傅里葉系數(shù)；構(gòu)建與傅里葉系數(shù)相關(guān)并且當(dāng) 起偏器P的偏振角度為〇時(shí)具有最小值的函數(shù)；通過數(shù)據(jù)分析，找到使該函數(shù)最小的起偏器 P的位置，可以認(rèn)為該位置起偏器P的角度為〇(具體可參見Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications，Hiroyuki Fujiwara，2007)。然后，再通過傅里葉系數(shù)計(jì)算 出檢偏器起始位置的偏振方向As的值。在這種校準(zhǔn)方法中，不僅需要轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，而且需 要電動(dòng)或者手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器P，當(dāng)偏振器的偏振方向確定后還需要手動(dòng)或者電動(dòng)調(diào)整偏振 器的角度，在這種情況下，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和/或人為操作的誤差，都會(huì)造成實(shí)際 角度與需要設(shè)定的角度之間的誤差，這就容易導(dǎo)致參考樣品測(cè)量的不準(zhǔn)確性。因此，采用這 種方法時(shí)，偏振器的角度校準(zhǔn)精度比較低，使橢偏儀的測(cè)量精度受到了限制。橢偏儀中光入 射角度可以通過人工測(cè)量方法獲得，但是由于人工測(cè)量精度有限，而且有些測(cè)量需要在不 同的入射角度下對(duì)參考樣品進(jìn)行測(cè)量，以獲得參考樣品的更多信息，人工測(cè)量容易因人為 調(diào)節(jié)錯(cuò)誤或者讀數(shù)錯(cuò)誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析的結(jié)果錯(cuò)誤，中國(guó)專利201010137774. 0公開了一種 用于橢偏測(cè)量系統(tǒng)中入射角度自動(dòng)探測(cè)的裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)入射角度自動(dòng)探測(cè)，但是 該裝置需要在系統(tǒng)中多處安裝位置探測(cè)裝置，這就使得該裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且，位置 探測(cè)裝置的校準(zhǔn)本身也是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，因此也限制了該自動(dòng)探測(cè)裝置在橢偏儀中 的應(yīng)用。
[0004] 而現(xiàn)有的全穆勒矩陣橢圓偏振測(cè)量?jī)x系統(tǒng)校準(zhǔn)中，如美國(guó)專利US005956147穆勒 橢偏儀中，使用的光彈調(diào)制器（PEM)作為相位補(bǔ)償器，在對(duì)PEM進(jìn)行校準(zhǔn)相位延遲量時(shí)，它 是搭建直通式橢偏系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量，需要把PEM從原有的設(shè)備上面取下來進(jìn)行測(cè)量其相應(yīng) 的相位延時(shí)量，校準(zhǔn)完成后重新裝到設(shè)備上，在機(jī)械裝卸過程，并不能保證與之前裝載的位 置相同，從而增加了系統(tǒng)誤差，而且重新搭建直通式測(cè)量系統(tǒng)，增加工作量。在現(xiàn)有文獻(xiàn) (Harland G. Tompkins, Eugene A. Irene, Handbook of ellipsometry, 7. 3. 3. 4Calibration 7)中，穆勒橢偏儀使用波片作為相位補(bǔ)償器，其過程為在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建直通式測(cè)量平臺(tái)，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用全穆勒矩陣橢偏儀進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的方法，其特征在于，包括以下步驟： 搭建全穆勒矩陣橢偏儀的實(shí)驗(yàn)光路，所述全穆勒矩陣橢偏儀的實(shí)驗(yàn)光路包括光源、起 偏器、第一相位補(bǔ)償器、檢偏器、第二相位補(bǔ)償器、光譜儀、樣品臺(tái)； 對(duì)所述全穆勒矩陣橢偏儀進(jìn)行局部回歸校準(zhǔn)； 將待測(cè)樣品置于所述樣品臺(tái)上，利用所述全穆勒矩陣橢偏儀，得到所述待測(cè)樣品的實(shí) 驗(yàn)傅里葉系數(shù)； 根據(jù)所述待測(cè)樣品的實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)，得到所述待測(cè)樣品的信息； 其中，對(duì)所述全穆勒矩陣橢偏儀進(jìn)行校準(zhǔn)的方法包括以下步驟： 對(duì)所述第一和第二相位補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定； 對(duì)所述光譜儀測(cè)量光強(qiáng)數(shù)據(jù)的頻率進(jìn)行設(shè)定，使所述光譜儀每隔T/N時(shí)間測(cè)量一次光 強(qiáng)數(shù)據(jù)，一共采集N組光強(qiáng)數(shù)據(jù)，其中，N > 25, T為測(cè)量周期； 采集所述光譜儀測(cè)量到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)； 根據(jù)所述光譜儀數(shù)據(jù)采集模塊采集到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，由所述N次光強(qiáng)數(shù)據(jù)形成的N個(gè)光 強(qiáng)數(shù)據(jù)一實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)關(guān)系式，得到各實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)a ' 2n，0 ' 2n; 根據(jù)所述各實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)、已經(jīng)校準(zhǔn)好的第一相位補(bǔ)償器的初始偏振角Csl、第二相 位補(bǔ)償器的初始偏振角Cs2，得到各理論傅里葉系數(shù)a2n，@2n; 以所述參考樣品各向同性且均勻?yàn)橐罁?jù)，所述第一相位補(bǔ)償器相位延遲量運(yùn)算模塊根 據(jù)所述各理論傅里葉系數(shù)、已經(jīng)校準(zhǔn)好的起偏器的偏振角Ps、檢偏器的偏振角As，得到第一 相位補(bǔ)償器的相位延遲量S i ; 以所述參考樣品各向同性且均勻?yàn)橐罁?jù)，所述第二相位補(bǔ)償器相位延遲量運(yùn)算模塊 根據(jù)所述各理論傅里葉系數(shù)、已經(jīng)校準(zhǔn)好的起偏器的偏振角Ps、檢偏器的偏振角As，得到第 二相位補(bǔ)償器的相位延遲量S 2 ; 將已經(jīng)校準(zhǔn)得到的第一相位補(bǔ)償器的初始偏振角Csl、第二相位補(bǔ)償器的初始偏振角 Cs2、起偏器的偏振角Ps、檢偏器的偏振角As、第一相位補(bǔ)償器的相位延遲量S i和第二相位 補(bǔ)償器的相位延遲量S 2作為準(zhǔn)確值，通過所述理論傅里葉系數(shù)與工作參數(shù)之間的關(guān)系式， 以（d，0)為變量，運(yùn)用最小二乘法擬合得到所述全穆勒矩陣橢偏儀剩余工作參數(shù)（d，0) 的準(zhǔn)確值，其中，d為所述參考樣品的厚度，0為光入射到所述參考樣品的角度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟： 根據(jù)所述各實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)a ' 2n，P ' 2n得到各e^tarT1 W 2n/a ' 2n); 根據(jù)所述各0 2n得到第一相位補(bǔ)償器的初始偏振角Csl ; 根據(jù)所述各0 2n得到第二相位補(bǔ)償器的初始偏振角Cs2 ; 所述各9 2n得到起偏器的偏振角Ps ; 根據(jù)所述各0 2n得到檢偏器的偏振角As。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述N=25,所述實(shí)驗(yàn)傅里葉計(jì)系數(shù)算模塊 根據(jù)所述N次光強(qiáng)數(shù)據(jù)形成的N個(gè)光強(qiáng)數(shù)據(jù)一實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)關(guān)系式，直接得到各實(shí)驗(yàn)傅 里葉系數(shù)a， 2n，P，2n。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述N > 25,所述實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)計(jì)算模 塊根據(jù)所述N次光強(qiáng)數(shù)據(jù)形成的N光強(qiáng)數(shù)據(jù)一實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)關(guān)系式，通過最小二乘法得 到各實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)a ' 2n，0 ' 2n。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源為寬光譜光源，所述光源能夠 產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)為N'，所述理論傅里葉系數(shù)與工作參數(shù)之間的關(guān)系式的個(gè)數(shù)為 24XN，。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述各向同性且均勻的參考樣品為m個(gè)， 所述理論傅里葉系數(shù)與工作參數(shù)之間的關(guān)系式的個(gè)數(shù)為24XN' Xm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述參考樣品為硅襯底的二氧化硅薄膜。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用全穆勒矩陣橢偏儀進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的方法，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。該光學(xué)測(cè)量方法搭建全穆勒矩陣橢偏儀的實(shí)驗(yàn)光路，對(duì)全穆勒矩陣橢偏儀進(jìn)行局部回歸校準(zhǔn)，將待測(cè)樣品置于樣品臺(tái)上，得到待測(cè)樣品的實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)，根據(jù)待測(cè)樣品的實(shí)驗(yàn)傅里葉系數(shù)，得到待測(cè)樣品的信息。由于該全穆勒矩陣橢偏儀的校準(zhǔn)方法不僅操作過程簡(jiǎn)單，而且充分利用了全穆勒矩陣橢偏儀同次測(cè)量數(shù)據(jù)，引入的誤差相對(duì)較小，校準(zhǔn)得到的參數(shù)更加準(zhǔn)確，進(jìn)而，對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。因此，該光學(xué)測(cè)量方法的過程得到簡(jiǎn)化。
【IPC分類】G01N21-21
【公開號(hào)】CN104677833
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310611400
【發(fā)明人】崔高增, 劉濤, 李國(guó)光, 溫朗楓, 熊偉
【申請(qǐng)人】北京智朗芯光科技有限公司, 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2013年11月26日