专利名称：一种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，特别涉及一种对椭偏测量系统中椭圆偏振仪的偏振角度、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、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。现有技术中应用的椭圆偏振测量法通过测量参考样品反射的光的偏振来获得参考样品的特征参数，由于椭圆偏振测量法具有高敏感性、非破坏性和非接触性等优点，在基础研究和工业应用上都得到了应用，涉及的领域包括半导体物理、微电子学和生物学等。 基于椭圆偏振测量法的原理如下光源发射出的光经过起偏器后，成为偏振光，偏振光照射到待测表面，偏振光经过待测表面后偏振状态改变，例如，偏振光经过待测表面反射后，穿过检偏器，随后进入光探测器，通过分析待测参考样品反射来的光的光强，可以得到待测参考样品表面的特征信息，即椭偏参数(Ψ，Δ)0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，旋转起偏器能够使入射光的偏振态具有时间依赖性，旋转检偏器能够使分析反射光的方法具有时间依赖性。此外，由于椭偏参数不仅与参考样品参数有关，还是入射角、波长、偏振器件的方位角等参数的函数，因此，为了准确地得到参考样品的未知参量(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，以及入射角进行比较准确的校准，校准的精度能够决定测量精度。现有技术中，对椭偏仪中偏振器件的偏振方向进行校准时，一般是固定起偏器P在0°附近的位置P1，旋转检偏器A，测量光强I1，获得此状态下的I1U)曲线；然后改变起偏器P的角度，使起偏器P处于位置己，测量光强I2，得到I2(t)曲线；重复上述步骤，在起偏器P处于不同角度时分别测量光强，得到起偏器P处于不同角度时的I(t)曲线。分别对上述I (t)曲线进行傅里叶展开，获得起偏器P处于不同角度时的傅里叶系数；构建与傅里叶系数相关并且当起偏器P的偏振角度为O时具有最小值的函数；通过数据分析，找到使该函数最小的起偏器P的位置，可以认为该位置起偏器P的角度为0(具体可参见SpectroscopicEllipsometry Principles and Applications,Hiroyuki Fujiwara, 2007)。然后，再通过傅里叶系数计算出检偏器起始位置的偏振方向As的值。在这种校准方法中，不仅需要转动检偏器，而且需要电动或者手动转动起偏器P，当偏振器的偏振方向确定后还需要手动或者电动调整偏振器的角度，在这种情况下，由于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，这就容易导致参考样品测量的不准确性。因此，采用这种方法时，偏振器的角度校准精度比较低，使椭圆偏振仪的测量精度受到了限制。
椭圆偏振仪中光入射角度可以通过人工测量方法获得，但是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参考样品进行测量，以获得参考样品的更多信息，人工测量容易因人为调节错误或者读数错误，导致数据分析的结果错误，申请号为201010137774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，该装置可以实现入射角度自动探测，但是该装置需要在系统中多处安装位置探测装置，这就使得该装置系统结构复杂，而且，位置探测装置的校准本身也是一个比较复杂的过程，因此也限制了该自动探测装置在椭圆偏振仪中的应用。

发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种能够对椭圆偏振仪中包括起偏器、检偏器的偏振方向，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； 固定检偏器的透振方向，并匀速旋转起偏器，或者，固定起偏器的透振方向，并匀速旋转检偏器，采用椭圆偏振法测量参考样品，得到光强曲线Mt)；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，和推导得到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，得到椭圆偏振仪的工作参数的校正值。作为优选，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，利用所述光学常数和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小，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。作为优选，若所述参考样品的厚度Cli已知，则固定检偏器的透振方向，并匀速旋转起偏器时，所述拟合参量包括起偏器角度P，检偏器初始角度As，以及入射角度Gtl，或者，固定起偏器的透振方向，并匀速旋转检偏器时，所述拟合参量包括起偏器初始角度Ps，检偏器角度A，以及入射角度Θ(Ι。作为优选，若所述参考样品的厚度未知，则固定检偏器的透振方向，并匀速旋转起偏器时，所述拟合参量包括起偏器角度P，检偏器初始角度As，入射角度θ 0,以及参考样品厚度Cli，或者，固定起偏器的透振方向，并匀速旋转检偏器时，所述拟合参量包括起偏器初始角度Ps，检偏器角度A，入射角度Qtl，以及参考样品厚度屯。作为优选，测量参考样品之前，固定检偏器的透振方向，并匀速旋转起偏器时，所述检偏器的透振方向是使椭圆偏振仪的测量精度高的方向；或者，固定起偏器的透振方向，并匀速旋转检偏器时，所述起偏器的透振方向是使椭圆偏振仪的测量精度高的方向。 作为优选，固定检偏器的透振方向，并匀速旋转起偏器时，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° ,或者，固定起偏器的透振方向，并匀速旋转检偏器时，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°。作为优选，所述参考样品至少为2个。作为优选，所述参考样品至少为3个。作为优选，所述参考样品为以硅为衬底的二氧化硅薄膜参考样品。作为优选，所述椭圆偏振仪可以为单波长椭圆偏振仪，或多波长椭圆偏振仪。本发明提供的椭圆偏振仪的校准方法能够对椭圆偏振仪中包括起偏器、检偏器的偏振方向，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；其中，I一光源,2—起偏器，3—第I光圈，4一参考样品，5—第II光圈，6—检偏器，7—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。如图I所示为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II光圈5、检偏器6和光谱计7。以旋转检偏器(PSAk)的情况为例,系统的光学过程可以用下式来表示Lout = AR(A) JsR (-P) PLin即
权利要求
1.一种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； 固定检偏器的透振方向，并匀速旋转起偏器，或者， 固定起偏器的透振方向，并匀速旋转检偏器，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，和推导得到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， 利用所述光学常数和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小， 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， 若所述参考样品的厚度Cli已知，则固定检偏器的透振方向，并匀速旋转起偏器时，所述拟合参量包括起偏器角度P，检偏器初始角度As，以及入射角度Gtl，或者，固定起偏器的透振方向，并匀速旋转检偏器时，所述拟合参量包括起偏器初始角度Ps，检偏器角度A，以及入射角度θο。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于， 若所述参考样品的厚度未知，则固定检偏器的透振方向，并匀速旋转起偏器时，所述拟合参量包括起偏器角度P，检偏器初始角度As，入射角度θ 0,以及参考样品厚度屯，或者，固定起偏器的透振方向，并匀速旋转检偏器时，所述拟合参量包括起偏器初始角度Ps，检偏器角度A，入射角度Gtl，以及参考样品厚度Cli。
5.根据权利要求I所述的校准方法，其特征在于，测量参考样品之前， 固定检偏器的透振方向，并匀速旋转起偏器时，所述检偏器的透振方向是使椭圆偏振仪的测量精度高的方向；或者， 固定起偏器的透振方向，并匀速旋转检偏器时，所述起偏器的透振方向是使椭圆偏振仪的测量精度高的方向。
6.根据权利要求5所述的校准方法，其特征在于， 固定检偏器的透振方向，并勻速旋转起偏器时，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°，或者， 固定起偏器的透振方向，并匀速旋转检偏器时，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°。
7.根据权利要求3所述的校准方法，其特征在于，所述参考样品至少为2个。
8.根据权利要求4所述的校准方法，其特征在于，所述参考样品至少为3个。
9.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。
10.根据权利要求I所述的校准方法，其特征在于，所述椭圆偏振仪可以为单波长椭圆偏振仪，或多波长椭圆偏振仪。
全文摘要
本发明公开了一种对椭偏测量系统中椭圆偏振仪的偏振角度、光入射角度的校准方法，属于光学测量仪器技术领域。该方法根据傅里叶系数，参考样品光学常数，椭圆偏振仪的工作参数的关系式，通过最小二乘法进行拟合，得到椭圆偏振仪的工作参数的校正值。该方法能够对椭圆偏振仪中包括起偏器、检偏器的偏振方向，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G01N21/21GK102879337SQ20121037577
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, 刘涛, 王林梓, 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