专利名称：一种包含相位补偿器的椭圆偏振仪的校准方法
技术领域：
本发明涉及光学测量仪器技术领域，特别涉及一种对包含相位补偿器的椭偏测量系统中偏振方向、相位补偿器的快(慢)轴方向、相位补偿器的延迟角度、光入射角度的校准方法。
背景技术：
随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术精确测量晶片上单层或多层薄膜形成的三维结构的临界尺度(Critical Dimension)、空间形貌和材料特性变得十分重要。为了使测量结果有效，所用的测量系统应该能够高精确度地测量膜厚和/或薄膜构成。目前，众所周知的非破坏性检测技术——椭圆偏振测量法，通过测量样品反射的光的偏振来获得样品的特征参数。因其有高敏感性且具有非破坏性和非接触等优点，而得到了从基础研究到工业应用，从半导体物理、微电子学到生物学等方面的广泛应用。基于椭偏法的测量原理如下光源所发射出的光经过第一片偏振器(通常称为起偏器)后，成为偏振光，之后照射在待测表面上。该偏振光经待测表面改变其偏振状态，例如经过反射后，穿过第二片偏振器(通常称为检偏器)，随后进入光探测器，通过分析待测样品反射来的光的光强可以得到待测样品表面的特征信息，即椭偏参数(ψ，Λ)。由于每次测量只能取得一组实验值，通常需要旋转起偏器或者检偏器，使入射光的偏振态具有时间依赖性(使起偏器旋转)，或者分析反射光的方法具有时间依赖性(使检偏器旋转)。此外，在上述椭圆偏振仪中，若样品反射光的偏振态接近于为线偏振光，则椭圆偏振仪的敏感性会降到很低，因此包含相位补偿器的椭圆偏振仪的应用也越来越广泛。此外，由于椭偏参数不仅与样品参数值有关系，而且还是入射角、波长、偏振器件的方位角和位相延迟等参数的函数，因此，为了准确地得到样品的未知参量(比如，薄膜厚度、折射率η、消光系数k等)，在测量之前需要对椭圆偏振仪中偏振器的偏振方向，及相位补偿器的快轴(或慢轴)方向以及位相延迟角度进行比较准确的校准，校准的精度决定了测量的精度。现有技术中，对椭偏仪中偏振器件的偏振方向的校准，一般是通过固定起偏器P在O度附近的某个位置(Pl)，固定检偏器A不动，通过旋转相位补偿器C，测量光强I1,获得此角度下的I1U)曲线；然后，改变起偏器P的角度至P2，测量光强I2，得到I2⑴曲线；重复上述测量，在不同P角度下测量光强，获得不同起偏器P角度下得到I (t)曲线。对上述I(t)曲线进行傅里叶展开，获得不同起偏器P角度下的傅里叶系数；寻找一个与傅里叶系数有关，并且在P=O时具有最小值的函数；通过数据分析，寻找使该函数值最小的起偏器P的位置，即可认为此处为P=O处(具体可参见Joungchel lee, “Rotating-compensator multichannelellipsometry:Applicationsfor real time Stokes vector spectroscopyof thin filmgrowth”， REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS， V0LUME69，NUMBER4，APRIL1998)。然后，再通过反正切校准法，来获得系统的Cs值与A-As值(具体可参见Joungchel lee, “Rotating-compensator multichannel ellipsometry:Applicationsforreal time Stokes vector spectroscopy of thin film growth，，，REVIEW OF SCIENTIFICINSTRUMENTS, V0LUME69, NUMBER4, APRIL1998.以及 Ilsin An, Jaeho Lee, “A Single ZoneAzimuth Calibration for RotatingCompensator Multichannel Ellipsometry”，TheJapan Society of Applied Physics, 2003)。由于上述校准方法中，一般都需要电动或手动转动起偏器P，而且确定偏振器的偏振方向后，还需要手动或者电动将偏振器转动至所需的某个角度，则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，从而导致样品测量的不准确性，因此，现有技术中，偏振器角度的校准方法精度均比较低，从而限制了椭偏仪的测量精度。椭偏仪中入射角度可以通过人工测量方法来获得，但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样品进行测量，以获得样品的更多信息，人工测量容易因人为调节错误或读数错误，导致数据分析的结果错误，申请号为201010137774的中国专利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，可以实现入射角度自动探测，但此装置需要在系统中多处安装位置探测装置，会导致椭偏仪系统结构复杂，而且， 该位置探测装置的位置校准也是一个比较复杂的过程，限制了该自动探测装置在椭偏仪中的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种能够对包含相位补偿器的椭圆偏振仪中包括起偏器、检偏器的偏振方向、相位补偿器的快轴或慢轴方向及延迟角度、以及光入射角度在内的系统参数进行校准，校准过程简单、准确，校准完成后，无需调整系统部件即可直接进行测量，从而简化测量过程、提高测量精度的校准方法。本发明提供的包含相位补偿器的椭圆偏振仪的校准方法包括以下步骤装载已知光学常数的参考样品；采用椭圆偏振法测量参考样品，得到光强曲线Ii(t)；对所述光强曲线Ii (t)进行傅里叶展开或拟合，得到相应的实验傅里叶系数；根据所述实验傅里叶系数，光学常数，以及，推导得到的理论傅里叶系数与椭圆偏振仪的工作参数之间的关系式，通过最小二乘法进行拟合，得到包含相位补偿器的椭圆偏振仪的工作参数的校正值。本发明提供的椭圆偏振仪的校准方法能够对包含相位补偿器的椭圆偏振仪中包括起偏器、检偏器的偏振方向、相位补偿器的快轴或慢轴方向及延迟角度、以及光入射角度在内的系统参数进行校准，校准过程简单、准确，校准完成后，无需调整系统部件即可直接进行测量，从而简化测量过程、提高测量精度。
图I为本发明实施例提供的椭圆偏振仪的系统示意图；图2为计算时所选系统参数与样品类型与表I完全相同，拟合时固定δ在86-94°之间时，使用不同样品个数进行拟合时得到的误差评价函数值示意图；图3为计算时所选系统参数与样品类型与表I完全相同，拟合时固定Θ0在59-61°之间时，使用不同样品个数进行拟合时得到的误差评价函数值示意图；其中，I一光源,2—起偏器，3—第I光圈，4一参考样品，5—第I光圈，6—相位补偿器，7一检偏器，8-光谱计。
具体实施例方式为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。以包含一个相位补偿器的椭圆偏振仪为例，介绍一下椭偏法的测量原理及各个参数间的关系式，以及本发明校准方法的原理。如图I所示为包含相位补偿器的椭圆偏振仪的示意图，包括依次设置的光源I、起偏器2、第I光圈3、参考样品4、第I光圈5、相位补偿器6、检偏器7和光谱计8,以旋转补偿器(PSCkA)的情况为例，系统的光学过程可以用下式来表示Lout = AR (A) R (-C) CR (C) JsR (-P) PLin即
权利要求
1.一种包含相位补偿器的椭圆偏振仪的校准方法，其特征在于，包括以下步骤 装载已知光学常数的参考样品； 采用椭圆偏振法测量参考样品，得到光强曲线Ii(t)； 对所述光强曲线Ii (t)进行傅里叶展开或拟合，得到相应的实验傅里叶系数； 根据所述实验傅里叶系数，光学常数，以及，推导得到的理论傅里叶系数与椭圆偏振仪的工作参数之间的关系式，通过最小二乘法进行拟合，得到包含相位补偿器的椭圆偏振仪的工作参数的校正值。
2.根据权利要求I所述的校准方法，其特征在于，所述最小二乘法拟合过程包括以下步骤 设定拟合参量； 给定所述拟合参量的初始值； 利用所述拟合参量初始值，计算出理论傅里叶系数； 比较所述理论傅里叶系数与所述实验傅里叶系数的差异； 不断改变所述拟合参量的给定值，重新计算所述理论傅里叶系数，并与实验傅里叶系数进行比较，使所述理论傅里叶系数与所述实验傅里叶系数的差异不断减�。� 当所述理论傅里叶系数与所述实验傅里叶系数的差异小于设定的拟合容限时，停止计算，并输出所述拟合参量的给定值，即为椭圆偏振仪的工作参数的校正值。
3.根据权利要求2所述的校准方法，其特征在于，采用椭圆偏振法测量参考样品时， 固定起偏器和检偏器，并匀速旋转相位补偿器；或者， 固定起偏器和相位补偿器，并匀速转动检偏器；或者， 固定检偏器和相位补偿器，并匀速转动起偏器。
4.根据权利要求3所述的校准方法，其特征在于，所述参考样品的厚度已知，所述拟合参量包括起偏器角度，相位补偿器方位角，检偏器角度，以及入射角度。
5.根据权利要求3所述的校准方法，其特征在于，所述参考样品的厚度未知，所述拟合参量包括起偏器角度，相位补偿器方位角，检偏器角度，入射角度，以及参考样品厚度。
6.根据权利要求3所述的校准方法，其特征在于，若椭圆偏振法测量参考样品采用的是在固定起偏器和检偏器，并匀速旋转相位补偿器，所述起偏器的透振方向与光束在参考样品的入射面上的夹角为45°，所述检偏器的透振方向与光束在参考样品的入射面上的夹角为22. 5°。
7.根据权利要求4或5所述的校准方法，其特征在于，相位补偿器的相位延迟角度未知，所述拟合参量还包括相位延迟角度。
8.根据权利要求4或5所述的校准方法，其特征在于，所述椭圆偏振仪为单波长椭圆偏振仪、多波长椭圆偏振仪、宽带椭圆偏振仪中的一种。
9.根据权利要求8所述的校准方法，其特征在于，所述椭圆偏振仪为多波长椭圆偏振仪或者宽带椭圆偏振仪，相位补偿器的相位延迟角度未知时，所述拟合参量还包括相位补偿器的色散系数。
10.根据权利要求I所述的校准方法，其特征在于，所述参考样品至少为2个。
11.根据权利要求10所述的校准方法，其特征在于，所述参考样品为4个。
12.根据权利要求I所述的校准方法，其特征在于，所述参考样品为以硅为衬底的二氧化硅薄膜样 品。
全文摘要
本发明公开了一种对椭偏测量系统中包含相位补偿器的椭圆偏振仪的偏振角度、相位补偿器的相位延迟角度、光入射角度的校准方法，属于光学测量仪器技术领域。该方法根据实验傅里叶系数，光学常数，以及，推导得到的理论傅里叶系数与椭圆偏振仪的工作参数之间的关系式，通过最小二乘法进行拟合，得到包含相位补偿器的椭圆偏振仪的工作参数的校正值。该方法能够对包含相位补偿器的椭圆偏振仪中包括起偏器、检偏器的偏振方向、相位补偿器的延迟角度，以及光入射角度在内的系统参数进行校准，校准过程简单、准确，校准完成后，无需调整系统部件即可直接进行测量，从而简化测量过程、提高测量精度。
文档编号G01J4/00GK102878940SQ201210374589
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者徐鹏, 王林梓, 刘涛, 刘健鹏, 李国光 申请人:中国科学院微电子研究所, 北京智朗芯光科技有限公司
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