[发明专利]一种自校准的全穆勒矩阵椭圆偏振仪测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量仪器技术领域，特别涉及一种可以全部回归自校准的全穆勒矩阵椭圆偏振仪测量系统。

背景技术

椭圆偏振仪（简称椭偏仪）是一种利用光的偏振特性获取待测样品信息的光学测量仪器。其相应的工作原理是将通过起偏器光入射的待测样品表面，通过测定样品表面入射光和反射光前后偏振态的变化（振幅比和相位差），从而获得待测样品的信息。旋转偏振器和旋转单一补偿器的椭偏仪在一次测量中最多获得样品的12个参量；而随着集成电路工艺的进步和器件结构的复杂化，需要测量的未知量不断增加，使得传统椭偏仪对于超薄薄膜的膜厚测量、各向异性的材料光学常数测量、表面特征的退偏振分析、集成电路中关键尺寸及形貌特征测量等都表现出一定的局限性。全穆勒矩阵椭圆偏振测量仪（广义椭偏仪）可以在一次测量中获得4×4阶穆勒矩阵共16个参数，比传统椭偏仪获得样品的信息更加丰富。它突破了传统椭偏仪的技术局限，能够实现在宽光谱范围内快速、非破坏性的精确测量薄膜厚度、光学常数、关键尺寸及三维形貌等。

椭圆偏振光谱仪确保测量准确性和维护设备状态的关键环节是仪器的校准。由于椭圆偏振仪随着使用和时间的推移，会逐渐产生系统偏差，尤其是波片厚度易受温度和压力的变化及环境潮解的影响；因此，能够快速准确修正椭偏仪的校准方法，是确保设备有效性和生产效率的关键技术。在现有传统椭偏仪（如图1）中校准过程，如中国专利201210375771.X中指出对偏振器件的偏振方向进行校准时，一般是固定起偏器在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I₁(t)曲线；然后改变起偏器P的角度，使起偏器P处于位置P2,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)曲线进行傅里叶级次展开，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0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Spectroscopic Ellipsometry 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，中国专利201010137774.0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。