一種自校準(zhǔn)的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種自校準(zhǔn)的全穆勒矩陣橢偏儀測 量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 橢偏儀(簡稱橢偏儀）是一種利用光的偏振特性獲取待測樣品信息的光學(xué)測量儀 器。其相應(yīng)的工作原理是將通過起偏器光入射的待測樣品表面，通過測定樣品表面入射光 和反射光前后偏振態(tài)的變化(振幅比和相位差)，從而獲得待測樣品的信息。旋轉(zhuǎn)偏振器和 旋轉(zhuǎn)單一補償器的橢偏儀在一次測量中最多獲得樣品的12個參量；而隨著集成電路工藝 的進步和器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，需要測量的未知量不斷增加，使得傳統(tǒng)橢偏儀對于超薄薄膜 的膜厚測量、各向異性的材料光學(xué)常數(shù)測量、表面特征的退偏振分析、集成電路中關(guān)鍵尺寸 及形貌特征測量等都表現(xiàn)出一定的局限性。全穆勒矩陣橢圓偏振測量儀(廣義橢偏儀）可 以在一次測量中獲得4X4階穆勒矩陣共16個參數(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量準(zhǔn)確性和維護設(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間的推移，會逐漸產(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，如中國專利201210375771. X中指出對偏振器件的偏振方向進行校準(zhǔn)時，一般是固定起偏器在0°附近的位置P1，旋轉(zhuǎn) 檢偏器A，測量光強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,測量光強I2，得到I2 (t)曲線；重復(fù)上述步驟，在起偏器P處于不同角度時分 別測量光強，得到起偏器P處于不同角度時的I (t)曲線。分別對上述I (t)曲線進行傅里 葉級次展開，獲得起偏器P處于不同角度時的傅里葉系數(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)動檢偏器，而且需 要電動或者手動轉(zhuǎn)動起偏器P，當(dāng)偏振器的偏振方向確定后還需要手動或者電動調(diào)整偏振 器的角度，在這種情況下，由于機械結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和/或人為操作的誤差，都會造成實際 角度與需要設(shè)定的角度之間的誤差，這就容易導(dǎo)致參考樣品測量的不準(zhǔn)確性。因此，采用這 種方法時，偏振器的角度校準(zhǔn)精度比較低，使橢偏儀的測量精度受到了限制。橢偏儀中光入 射角度可以通過人工測量方法獲得，但是由于人工測量精度有限，而且有些測量需要在不 同的入射角度下對參考樣品進行測量，以獲得參考樣品的更多信息，人工測量容易因人為 調(diào)節(jié)錯誤或者讀數(shù)錯誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析的結(jié)果錯誤，中國專利201010137774. 0公開了一種 用于橢偏測量系統(tǒng)中入射角度自動探測的裝置，該裝置可以實現(xiàn)入射角度自動探測，但是 該裝置需要在系統(tǒng)中多處安裝位置探測裝置，這就使得該裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且，位置 探測裝置的校準(zhǔn)本身也是一個比較復(fù)雜的過程，因此也限制了該自動探測裝置在橢偏儀中 的應(yīng)用。
[0004] 而現(xiàn)有的全穆勒矩陣橢圓偏振測量儀系統(tǒng)校準(zhǔn)中，如美國專利US005956147穆 勒橢偏儀中，使用的光彈調(diào)制器（PEM)作為相位補償器，在對PEM進行校準(zhǔn)相位延遲量 時，它是搭建直通式橢偏系統(tǒng)中進行測量，需要把PEM從原有的設(shè)備上面取下來進行測 量其相應(yīng)的相位延時量，校準(zhǔn)完成后重新裝到設(shè)備上，在機械裝卸過程，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量系統(tǒng)，增加工作 量° 在現(xiàn)有文獻（Harland G. Tompkins, Eugene A. Irene, Handbook of ellipsometry ,7.3.3.4 Calibration 7)中，穆勒橢偏儀使用波片作為相位補償器，其過程為在實驗平
【主權(quán)項】
1. 一種自校準(zhǔn)的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，包括光源、起偏器、第一相位補償器、檢 偏器、第二相位補償器、光譜儀、樣品臺和各向同性且均勻的參考樣品，所述各向同性且均 勻的參考樣品能夠置于所述樣品臺上，其特征在于，還包括光譜儀數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定模塊、 光強數(shù)據(jù)采集模塊、實驗傅里葉系數(shù)運算模塊、理論傅里葉系數(shù)運算模塊、第一相位補償器 相位延遲量運算模塊、第二相位補償器相位延遲量運算模塊和所述全穆勒矩陣橢偏儀全部 工作參數(shù)運算模塊； 所述光譜儀數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定模塊用于對所述光譜儀測量光強數(shù)據(jù)的頻率進行設(shè)定， 使所述光譜儀每隔T/N時間測量一次光強數(shù)據(jù)，一共采集N組光強數(shù)據(jù)，其中，N > 25,T為 測量周期； 所述光譜儀數(shù)據(jù)采集模塊用于采集所述光譜儀測量到的光強數(shù)據(jù)； 所述實驗傅里葉系數(shù)運算模塊根據(jù)由所述光譜儀數(shù)據(jù)采集模塊采集到的光強數(shù)據(jù)，由 所述N次光強數(shù)據(jù)形成的N個光強數(shù)據(jù)一實驗傅里葉系數(shù)關(guān)系式，得到各實驗傅里葉系數(shù) ° 2n，@ 2n ; 所述理論傅里葉系數(shù)運算模塊根據(jù)所述各實驗傅里葉系數(shù)、已經(jīng)校準(zhǔn)好的第一相位 補償器的初始偏振角csl、第二相位補償器的初始偏振角Cs2，得到各理論傅里葉系數(shù)a 2n， 旦2n; 以所述參考樣品各向同性且均勻為依據(jù)，所述第一相位補償器相位延遲量運算模塊根 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 相位補償器的相位延遲量s i; 以所述參考樣品各向同性且均勻為依據(jù)，所述第二相位補償器相位延遲量運算模塊根 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 相位補償器的相位延遲量S 2 ; 所述全穆勒矩陣橢偏儀全部工作參數(shù)運算模塊將已經(jīng)校準(zhǔn)得到的第一相位補償器的 初始偏振角csl、第二相位補償器的初始偏振角Cs2、起偏器的偏振角Ps、檢偏器的偏振角A s、 第一相位補償器的相位延遲量\和第二相位補償器的相位延遲量S2作為準(zhǔn)確值，通過理 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所述的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括 0 hitarT1 ( 0 ' 2n/ a ' 2n)運算模塊、第一相位補償器的初始偏振角Csl運算模塊、第二相位 補償器的初始偏振角C s2運算模塊、起偏器的偏振角Ps運算模塊和檢偏器的偏振角As運算 模塊； 所述2n/a' 2n)運算模塊根據(jù)所述各實驗傅里葉系數(shù)a' 2n，P' 2n 得到各9 2n ; 所述第一相位補償器的初始偏振角Csl運算模塊根據(jù)所述各0 2n得到第一相位補償器 的初始偏振角Csl ; 所述第二相位補償器的初始偏振角cs2運算模塊根據(jù)所述各0 2n得到第二相位補償器 的初始偏振角cs2; 所述起偏器的偏振角ps運算模塊根據(jù)所述各e 2n得到起偏器的偏振角ps; 所述檢偏器的偏振角As運算模塊根據(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所述的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括相位補償 器轉(zhuǎn)速設(shè)定模塊，所述相位補償器轉(zhuǎn)速設(shè)定模塊用于對所述第一和第二相位補償器的轉(zhuǎn)速 進行設(shè)定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述N=25,所述實 驗傅里葉計系數(shù)算模塊根據(jù)所述N次光強數(shù)據(jù)形成的N個光強數(shù)據(jù)一實驗傅里葉系數(shù)關(guān)系 式，直接得到各實驗傅里葉系數(shù)a' 2n，P' 2n。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述N > 25,所述 實驗傅里葉系數(shù)計算模塊根據(jù)所述N次光強數(shù)據(jù)形成的N光強數(shù)據(jù)一實驗傅里葉系數(shù)關(guān)系 式，通過最小二乘法得到各實驗傅里葉系數(shù)a' 2n，0' 2n。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光源為寬光 譜光源，所述光源能夠產(chǎn)生的光的波長的個數(shù)為N'，所述理論傅里葉系數(shù)與工作參數(shù)之間 的關(guān)系式的個數(shù)為24XN'。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，其特征在于，所述各向同 性且均勻的參考樣品為m個，所述理論傅里葉系數(shù)與工作參數(shù)之間的關(guān)系式的個數(shù)為 24XN J Xm〇〇
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括機械手，所 述機械手用于將所述各向同性且均勻的參考樣品置于所述樣品臺上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括輸出終端， 所述輸出終端用于輸出所述全穆勒矩陣橢偏儀的各工作參數(shù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全穆勒矩陣橢偏儀，其特征在于，所述參考樣品為硅襯底的 二氧化硅薄膜。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括待測樣品 參數(shù)運算模塊，所述待測樣品參數(shù)運算模塊根據(jù)得到的待測樣品的實驗傅里葉系數(shù)，得到 所述待測樣品的信息。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自校準(zhǔn)的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)，屬于光學(xué)測量儀器技術(shù)領(lǐng)域。其包括光源、起偏器、第一相位補償器、檢偏器、第二相位補償器、光譜儀、樣品臺和各向同性且均勻的參考樣品，各向同性且均勻的參考樣品能夠置于樣品臺上，還包括光譜儀數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定模塊、光強數(shù)據(jù)采集模塊、實驗傅里葉系數(shù)運算模塊、理論傅里葉系數(shù)運算模塊、第一相位補償器相位延遲量運算模塊、第二相位補償器相位延遲量運算模塊和全穆勒矩陣橢偏儀剩余工作參數(shù)運算模塊。應(yīng)用該自校準(zhǔn)的全穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)對待測樣品進行測量時，測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。
【IPC分類】G01N21-21
【公開號】CN104677838
【申請?zhí)枴緾N201310624769
【發(fā)明人】崔高增, 劉濤, 李國光, 溫朗楓, 熊偉
【申請人】北京智朗芯光科技有限公司, 中國科學(xué)院微電子研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2013年11月26日