[發明專利]一種全穆勒矩陣橢圓偏振儀的校準方法

在審

• 申請號: 201310611433.6
• 申請日: 2013-11-26
• 公開（公告）號: CN104677835A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 劉濤;崔高增;李國光;熊偉;溫朗楓
• 申請（專利權）人: 北京智朗芯光科技有限公司;中國科學院微電子研究所
• 主分類號: G01N21/21
• 分類號: G01N21/21;G01J4/00;G01B11/00
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 劉杰

技術領域

本發明涉及光學測量儀器技術領域，特別涉及一種全穆勒矩陣橢圓偏振儀的校準方法。

背景技術

橢圓偏振儀（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測量儀器。其相應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的變化（振幅比和相位差），從而獲得待測樣品的信息。旋轉偏振器和旋轉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構的復雜化，需要測量的未知量不斷增加，使得傳統橢偏儀對于超薄薄膜的膜厚測量、各向異性的材料光學常數測量、表面特征的退偏振分析、集成電路中關鍵尺寸及形貌特征測量等都表現出一定的局限性。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4×4階穆勒矩陣共16個參數，比傳統橢偏儀獲得樣品的信息更加豐富。它突破了傳統橢偏儀的技術局限，能夠實現在寬光譜范圍內快速、非破壞性的精確測量薄膜厚度、光學常數、關鍵尺寸及三維形貌等。

橢圓偏振光譜儀確保測量準確性和維護設備狀態的關鍵環節是儀器的校準。由于橢圓偏振儀隨著使用和時間的推移，會逐漸產生系統偏差，尤其是波片厚度易受溫度和壓力的變化及環境潮解的影響；因此，能夠快速準確修正橢偏儀的校準方法，是確保設備有效性和生產效率的關鍵技術。在現有傳統橢偏儀（如圖1）中校準過程，如中國專利201210375771.X中指出對偏振器件的偏振方向進行校準時，一般是固定起偏器在0°附近的位置P1，旋轉檢偏器A，測量光強I₁，獲得此狀態下的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；構建與傅里葉系數相關并且當起偏器P的偏振角度為0時具有最小值的函數；通過數據分析，找到使該函數最小的起偏器P的位置，可以認為該位置起偏器P的角度為0（具體可參見Spectroscopic?Ellipsometry?Principles?and?Applications，Hiroyuki?Fujiwara，2007）。然后，再通過傅里葉系數計算出檢偏器起始位置的偏振方向As的值。在這種校準方法中，不僅需要轉動檢偏器，而且需要電動或者手動轉動起偏器P，當偏振器的偏振方向確定后還需要手動或者電動調整偏振器的角度，在這種情況下，由于機械結構的不穩定性和/或人為操作的誤差，都會造成實際角度與需要設定的角度之間的誤差，這就容易導致參考樣品測量的不準確性。因此，采用這種方法時，偏振器的角度校準精度比較低，使橢圓偏振儀的測量精度受到限制。橢圓偏振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節錯誤或者讀數錯誤，導致數據分析的結果錯誤，中國專利201010137774.0公開了一種用于橢偏測量系統中入射角度自動探測的裝置，該裝置可以實現入射角度自動探測，但是該裝置需要在系統中多處安裝位置探測裝置,這就使得該裝置系統結構復雜，而且，位置探測裝置的校準本身也是一個比較復雜的過程，因此也限制了該自動探測裝置在橢圓偏振儀中的應用。

而現有的全穆勒矩陣橢圓偏振測量儀系統校準中，如美國專利US005956147穆勒橢偏儀中，使用的光彈調制器（PEM）作為相位補償器，在對PEM進行校準相位延遲量時，它是搭建直通式橢偏系統中進行測量，需要把PEM從原有的設備上面取下來進行測量其相應的相位延時量，校準完成后重新裝到設備上，在機械裝卸過程，并不能保證與之前裝載的位置相同，從而增加了系統誤差，而且重新搭建直通式測量系統，增加工作量。在現有文獻(Harland?G.Tompkins,Eugene?A.Irene,Handbook?of?ellipsometry,7.3.3.4Calibration7)中，穆勒橢偏儀使用波片作為相位補償器，其過程為在實驗平臺上搭建直通式測量平臺，測量出實驗上得到的傅里葉系數，利用和其中進行校準，校準時需要將兩個相位補償器取下，然后在放回去，增加系統誤差。如果不取下來進行校準時，必須讓樣品兩側的斜入射測量臂旋轉至水平位置（例如Woollam的橢偏儀如圖3，校準時入射臂從位置1旋轉到位置3，出射臂從位置2旋轉到位置4），增加了系統的復雜性。