CN101520413A - 一种外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法 - Google Patents
一种外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101520413A CN101520413A CN200910105389A CN200910105389A CN101520413A CN 101520413 A CN101520413 A CN 101520413A CN 200910105389 A CN200910105389 A CN 200910105389A CN 200910105389 A CN200910105389 A CN 200910105389A CN 101520413 A CN101520413 A CN 101520413A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- elliptic
- heterodyne interference
- deviation measurement
- nonlinear error
- compensation method
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供一种基于神经网络的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其包括以下步骤：A.提供一系列不同厚度的薄膜样品并采用外差干涉椭偏测量系统测量薄膜样品；B.将以上获得的椭偏参数实验数据、测量时的环境温度和入射光束的偏振态畸变、以及椭偏参数理论数据作为学习样本，用来训练神经网络；C.训练成功后的神经网络权值控制非线性误差在线补偿。本发明的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法采用神经网络补偿系统综合非线性误差，而不限于某一种或某些类型的非线性误差；将环境温度作为神经网络的一个输入，可以有效抑制非线性误差的漂移；观测入射光束偏振态的畸变，并作为神经网络的一个输入，可以提高非线性误差模型的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学精密测量领域，特别是关于一种基于神经网络的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法。
背景技术
椭偏法是一种利用偏振光测量和研究材料表面、薄膜特性的先进光学技术，特别适用于纳米级薄膜测量。由于具有非接触无损检测、测量精度高、可以同时测出膜厚和折射率等优点，广泛应用于微电子、材料、光学、化学化工等诸多领域。
外差干涉椭偏测量技术综合了激光外差干涉法与椭偏测量基本原理的优点，测量速度快、抗干扰能力强，可以用于生产过程中大批量薄膜的在线测量。(文献1：Wind M.M，Hemmes K.New Ultra-fast Interferometric Ellip-sometry System Based on Zeeman two-frequency Laser[J].Meas.Sci.Technol.1994，5：37-46；文献2：Chin-hua，Chien Chou.etal，Real timeinterferometric ellipsometry with optical heterodyne and phase lock-intechniques，Apll.Opt；文献3：K.Hemmes，M.A.Hamsrta.et al.，Evaluation ofinterferometric ellipsometer systems with a time resolution of one microsecondand faster，Thin solid films，1998，40-46：313-314.)
一个采用塞曼激光器反射式外差干涉椭偏测量系统的具体实施方案的结构如图1所示，横向塞曼双频激光器输出两路垂直正交的线偏振光，角频率分别为ω1、ω2，频差约为200KHz。经过偏振分光镜(PBS1)分成测量光束和参考光束，半波片(HWP)用来调整线偏振光的偏振方向，使入射的垂直分量(s分量)和平行分量(p分量)强度近似相等。测量光经过被测薄膜两次反射后，在分光镜(BS2)处与参考光束合光，其中测量光束和参考光束中的p、s分量分别干涉合成，由偏振分光镜(PBS2)分成两路外差信号，光电探测器将其转换为频率约为200KHz的正弦交流电信号。采用电路比较这两个正弦交流电信号的幅值和相位，即可得到椭偏参数(ψ，Δ)并由计算机采集，从而推导出薄膜厚度和折射率。
激光外差干涉法虽然具有测量精度高、测量速度快、溯源性强等优点，广泛应用于纳米级精度测量，但是其固有的非线性误差严重制约了其有效分辨率。(文献4：Deng Yuanlong，Li Xuejin，etal.Analysis of frequencymixing error on heterodyne interferometric ellipsometry[J].Meas.Sci.Technol.2007，Vol.18：3339-3343；文献5：Deng Yuan-long，Chai Jin-long，Li Xue-jin，etal，Polarization mixing error in transmission ellipsometry with twoacousto-optical modulators，Optical Enigneering，2008.7，47(7)：075601)。优质激光干涉仪中往往存在几个纳米的非线性误差，而在一般的激光干涉仪中甚至达到10～20nm。非线性误差源主要包括：
偏振分光镜、λ/4波片、半分光镜、反射镜在内的光学器件，其性能非理想、安装定位误差、以及环境温度的漂移引起的偏振特性变化；
激光源偏振特性不理想及不稳定所产生的入射光束初始偏振误差；
自Quenelle首次提出激光外差干涉非线性误差的概念以来，国内外学者对激光外差干涉仪非线性误差来源及其影响进行了大量研究。Wenmei
Hou等人提出双相位检测方法可消除一次谐波非线性误差；Badami等人利用包含速率计和频谱仪的移动系统直接测量一次谐波和二次谐波非线性误差的大小并进行补偿；T.B.Eom等人用锁相放大器对参考信号和测量信号的相位信号进行积分并进行椭圆拟和的方法补偿非线性误差。谭久彬等人提出的减少非线性误差一次谐波的方法(文献6：减少外差干涉非线性误差一次谐波分量的方法与装置，发明专利号：ZL200610010189.8)；美国安捷伦公司的低非线性误差的位移测量干涉仪(文献7：低非线性误差的位移测量干涉仪，发明专利申请号：200610066827.8)。
目前的激光外差干涉测量非线性误差补偿方法具有较大的局限性，都集中于动态位移测量系统中的非线性误差分析，而且所研究的对象均为迈克尔逊式干涉仪结构，同时这些误差补偿方法还有以下问题：
只能补偿一种或某些类型的非线性误差；
某些方法需要使用额外的光电误差补偿系统，会增加测量系统的复杂性，影响工作稳定性的同时还会引入其它误差。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种可以实现快速、在线测量的基于神经网络的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于神经网络的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其包括以下步骤：A提供一系列不同厚度的薄膜样品并采用外差干涉椭偏测量系统测量薄膜样品；B将以上获得的椭偏参数实验数据、测量时的环境温度和入射光束的偏振态畸变、以及椭偏参数理论数据作为学习样本，用来训练神经网络；C训练成功后的神经网络权值控制非线性误差在线补偿。
本发明解决进一步技术问题的方案是：在上述步骤A中，对于所述的薄膜样品，从50纳米～500纳米覆盖整个测量范围。
本发明解决进一步技术问题的方案是：薄膜样品的厚度间距相等。
本发明解决进一步技术问题的方案是：薄膜样品的厚度间距不相等。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的步骤A中，环境温度测量不确定度在0.1°以内。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的步骤A中，测量每个薄膜样品的同时，测量并记录环境温度和入射光束偏振态的畸变。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的神经网络是采用3层结构的BP或RBF神经网络。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的步骤B中，椭偏参数实验数据作为输入，椭偏参数理论数据作为输出期望值，温度和入射光束偏振态的畸变作为非目标干扰量。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的步骤C中，在线补偿前，使用没有学习过的样本数据再学习一次，细调神经网络权值参数。
相较于现有技术，本发明的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法采用神经网络补偿系统综合非线性误差，而不限于某一种或某些类型的非线性误差；将环境温度作为神经网络的一个输入，可以有效抑制非线性误差的漂移；观测入射光束偏振态的畸变，并作为神经网络的一个输入，可以提高误差模型的准确度。
附图说明
图1是现有技术的采用塞曼激光器外差干涉椭偏测量系统的结构示意图。
图2是本发明的基于神经网络的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法的神经网络训练示意图。
图3是本发明的基于神经网络的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法的非线性误差在线补偿的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2以及图3，本发明提供一种基于神经网络的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其包括以下步骤：A提供一系列不同厚度的薄膜样品并采用外差干涉椭偏测量系统测量薄膜样品；B将以上获得的椭偏参数实验数据、测量时的环境温度和入射光束的偏振态畸变、以及椭偏参数理论数据作为学习样本，用来训练神经网络；C训练成功后的神经网络权值控制非线性误差在线补偿。
本发明的基于神经网络的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，根据被测膜系结构，采用同样材料制作(或挑选)一系列不同厚度的薄膜样品，从50纳米～500纳米覆盖整个测量范围，厚度间距可以相等或不相等，然后采用标准椭偏仪进行标定，获得这些薄膜样品的准确厚度和折射率，从而计算出椭偏参数理论数据；再使用外差干涉椭偏测量系统分别测量这些薄膜样品的椭偏参数，并同时测量和记录：
本发明的特征在于：
1.采用神经网络，补偿外差干涉椭偏测量系统中的非线性误差；
2.神经网络类型可以是BP或RBF神经网络；
3.对于每一个学习样本，测量并记录工作环境温度、入射光束偏振态的畸变，并作为训练神经网络的非目标干扰量；
4.为了避免“遗忘效应”，采用“粗调+细调”的工作方式，即在线补偿前，使用没有学习过的样本再学习一次，细调神经网络权值参数，可以进一步提高误差补偿系统的泛化能力。
5.可以使用计算机软件实现神经网络误差补偿系统，也可以采用神经网络芯片硬件实现。
本发明的基于神经网络的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法采用神经网络补偿系统综合非线性误差，而不限于某一种或某些类型的非线性误差；将工作环境温度作为神经网络的一个输入，可以有效抑制非线性误差的漂移；观测入射光束偏振态的畸变，并作为神经网络的一个输入，可以提高误差模型的准确度。
Claims (9)
1.一种外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其包括以下步骤：A提供一系列不同厚度的薄膜样品并采用外差干涉椭偏测量系统测量薄膜样品；B将以上获得的椭偏参数实验数据、测量时的环境温度和入射光束的偏振态畸变、以及椭偏参数理论数据作为学习样本，用来训练神经网络；C训练成功后的神经网络权值控制非线性误差在线补偿。
2.根据权利要求1所述的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其特征在于：在上述步骤A中，对于所述的薄膜样品，从50纳米～500纳米覆盖整个测量范围。
3.根据权利要求2所述的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其特征在于：薄膜样品的厚度间距相等。
4.根据权利要求2所述的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其特征在于：薄膜样品的厚度间距不相等。
5.根据权利要求1所述的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其特征在于：所述的步骤A中，环境温度测量不确定度在0.1°以内。
6.根据权利要求1所述的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其特征在于：所述的步骤A中，测量每个薄膜样品的同时，测量并记录环境温度和入射光束偏振态的畸变。
7.根据权利要求1所述的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其特征在于：所述的神经网络是采用3层结构的BP或RBF神经网络。
8.根据权利要求1所述的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其特征在于：所述的步骤B中，椭偏参数实验数据作为输入，椭偏参数理论数据作为输出期望值，温度和入射光束偏振态的畸变作为非目标干扰量。
9.根据权利要求1所述的外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法，其特征在于：所述的步骤C中，在线补偿前，使用没有学习过的样本数据再学习一次，细调神经网络权值参数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009101053895A CN101520413B (zh) | 2009-02-18 | 2009-02-18 | 一种外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009101053895A CN101520413B (zh) | 2009-02-18 | 2009-02-18 | 一种外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101520413A true CN101520413A (zh) | 2009-09-02 |
| CN101520413B CN101520413B (zh) | 2011-09-21 |
Family
ID=41081118
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2009101053895A Expired - Fee Related CN101520413B (zh) | 2009-02-18 | 2009-02-18 | 一种外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101520413B (zh) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101672631B (zh) * | 2009-09-29 | 2011-06-22 | 上海第二工业大学 | 平面光学元件的面形偏差测量方法 |
| CN102507875A (zh) * | 2011-11-09 | 2012-06-20 | 复旦大学 | 一种快速无损测量石墨烯薄膜厚度与能带结构的方法 |
| CN103217385A (zh) * | 2013-03-22 | 2013-07-24 | 华中科技大学 | 椭偏仪测量系统的随机误差评估方法 |
| CN103322907A (zh) * | 2013-06-09 | 2013-09-25 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于内积法消除非线性误差的光外差干涉法 |
| CN103426031A (zh) * | 2013-07-18 | 2013-12-04 | 华中科技大学 | 一种椭偏仪系统参数的优化方法 |
| CN104613882A (zh) * | 2015-02-12 | 2015-05-13 | 江苏宇迪光学股份有限公司 | 一种基于光学相位解调的透镜中心厚度测量装置及利用其的测量方法 |
| CN105806236A (zh) * | 2016-05-11 | 2016-07-27 | 天津大学 | Linnik型干涉光谱测量薄膜的非线性相位补偿方法 |
| CN108680099A (zh) * | 2018-03-24 | 2018-10-19 | 北京工业大学 | 一种分析激光束振幅波动对外差干涉非线性误差影响的方法 |
| CN109444107A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-03-08 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于支持向量机的sf6气体检测定量分析方法 |
| CN110231360A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-13 | 华南农业大学 | 电镜像差的确定方法、消除方法及装置 |
| CN110646100A (zh) * | 2019-09-30 | 2020-01-03 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于bp神经网络的倍频波前探测方法 |
| WO2020248447A1 (zh) * | 2019-06-11 | 2020-12-17 | 南开大学 | 材料光学常数的确定方法、材料数据库的扩展方法及装置 |
| CN112985308A (zh) * | 2021-05-12 | 2021-06-18 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种局部大面形误差智能补偿干涉检测系统和方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9610471D0 (en) * | 1996-05-18 | 1996-07-24 | Univ Nottingham | Optical measurement |
| JP3659575B2 (ja) * | 2001-05-01 | 2005-06-15 | 三菱電機株式会社 | 目標追尾装置 |
-
2009
- 2009-02-18 CN CN2009101053895A patent/CN101520413B/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101672631B (zh) * | 2009-09-29 | 2011-06-22 | 上海第二工业大学 | 平面光学元件的面形偏差测量方法 |
| CN102507875A (zh) * | 2011-11-09 | 2012-06-20 | 复旦大学 | 一种快速无损测量石墨烯薄膜厚度与能带结构的方法 |
| CN103217385A (zh) * | 2013-03-22 | 2013-07-24 | 华中科技大学 | 椭偏仪测量系统的随机误差评估方法 |
| CN103322907A (zh) * | 2013-06-09 | 2013-09-25 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于内积法消除非线性误差的光外差干涉法 |
| CN103426031A (zh) * | 2013-07-18 | 2013-12-04 | 华中科技大学 | 一种椭偏仪系统参数的优化方法 |
| CN103426031B (zh) * | 2013-07-18 | 2016-04-13 | 华中科技大学 | 一种椭偏仪系统参数的优化方法 |
| CN104613882A (zh) * | 2015-02-12 | 2015-05-13 | 江苏宇迪光学股份有限公司 | 一种基于光学相位解调的透镜中心厚度测量装置及利用其的测量方法 |
| CN105806236A (zh) * | 2016-05-11 | 2016-07-27 | 天津大学 | Linnik型干涉光谱测量薄膜的非线性相位补偿方法 |
| CN105806236B (zh) * | 2016-05-11 | 2018-08-28 | 天津大学 | Linnik型干涉光谱测量薄膜的非线性相位补偿方法 |
| CN108680099B (zh) * | 2018-03-24 | 2019-08-23 | 北京工业大学 | 一种分析激光束振幅波动对外差干涉非线性误差影响的方法 |
| CN108680099A (zh) * | 2018-03-24 | 2018-10-19 | 北京工业大学 | 一种分析激光束振幅波动对外差干涉非线性误差影响的方法 |
| CN109444107A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-03-08 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于支持向量机的sf6气体检测定量分析方法 |
| CN110231360A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-13 | 华南农业大学 | 电镜像差的确定方法、消除方法及装置 |
| WO2020239115A1 (zh) * | 2019-05-31 | 2020-12-03 | 华南农业大学 | 电镜像差的确定方法、消除方法及装置 |
| US11971368B2 (en) | 2019-05-31 | 2024-04-30 | South China Agricultural University | Determination method, elimination method and apparatus for electron microscope aberration |
| WO2020248447A1 (zh) * | 2019-06-11 | 2020-12-17 | 南开大学 | 材料光学常数的确定方法、材料数据库的扩展方法及装置 |
| JP2021529935A (ja) * | 2019-06-11 | 2021-11-04 | 南▲開▼大学Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ | 材料光学定数の確定方法、材料データベースの拡張方法及び装置 |
| JP7072924B2 (ja) | 2019-06-11 | 2022-05-23 | 南▲開▼大学 | 材料光学定数の確定方法、材料データベースの拡張方法及び装置 |
| CN110646100A (zh) * | 2019-09-30 | 2020-01-03 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于bp神经网络的倍频波前探测方法 |
| CN112985308A (zh) * | 2021-05-12 | 2021-06-18 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种局部大面形误差智能补偿干涉检测系统和方法 |
| CN112985308B (zh) * | 2021-05-12 | 2021-11-19 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种局部大面形误差智能补偿干涉检测系统和方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101520413B (zh) | 2011-09-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101520413B (zh) | 一种外差干涉椭偏测量非线性误差补偿方法 | |
| CN103163077B (zh) | 旋转器件型光谱椭偏仪系统参数校准方法 | |
| CN100429475C (zh) | 减小外差干涉非线性误差一次谐波分量的方法与装置 | |
| Pisani et al. | Comparison of the performance of the next generation of optical interferometers | |
| CA2368272C (en) | Apparatus for measuring physical properties of a sample | |
| CN104748835A (zh) | 干涉量分离激光干涉测振仪非线性误差修正方法及装置 | |
| WO1998012500A1 (en) | Interferometer with air turbulence compensation | |
| CN106017333B (zh) | 基于相位调制的双激光单频干涉纳米位移测量装置及方法 | |
| CN101839686A (zh) | 激光干涉仪非线性误差修正方法、装置及应用其的干涉仪 | |
| CN109539975A (zh) | 单频激光干涉仪非线性误差修正方法与装置 | |
| Lin et al. | Measurement of small displacement based on surface plasmon resonance heterodyne interferometry | |
| Xu et al. | Simultaneous measurement of refractive-index and thickness for optical materials by laser feedback interferometry | |
| CN105716756A (zh) | 一种光学材料微观应力空间分布的精确测量装置 | |
| Straube et al. | A heterodyne interferometer with separated beam paths for high-precision displacement and angular measurements | |
| CN101520323B (zh) | 傅立叶光谱仪中平面动镜倾斜角的大范围测角方法 | |
| CN206300612U (zh) | 一种基于合成干涉信号偏振态检测技术的纳米测量装置 | |
| CA2368320C (en) | Instrument for measuring physical property of sample | |
| CN109579995A (zh) | 一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的方法及其装置 | |
| CA2368278C (en) | Apparatus for measuring physical properties of a sample | |
| CN103849850A (zh) | 光学薄膜的膜厚监控方法及非规整膜系光学膜厚仪 | |
| CN109974576A (zh) | 单频激光干涉仪非线性误差修正方法与装置 | |
| CN204612666U (zh) | 一种位相增强型薄膜厚度测量系统 | |
| CN106383000B (zh) | 一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置 | |
| Shamir | Compact interferometer for accurate determination of optical constants of thin films | |
| CN109539976A (zh) | 基于螺旋相位板的零差干涉仪非线性误差修正方法与装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110921 Termination date: 20140218 |