CN101666626B - 一种椭偏测量的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

为了解决目前椭偏测量需要转动起偏器和检偏器，测量复杂度高、过程繁复等问题，本发明提出，固定方位角地起偏入射光，将起偏后的偏振光照射在待测表面，对经待测表面极化的特征光进行固定方位角的检偏，并获取与待测表面相对应的光强与相位信息，继而基于待测表面的电磁波探测到的特性信息与光强信息的关系，获得待测表面的特性信息。测量中，由于起偏方位角、入射角、检偏方位角可能存在误差，本发明提出使用参考表面对这些角度进行定标，在定标之后，再根据实际的各个角度及与待测表面相对应的光强和相位信息，由基于待测表面的电磁波探测到的特性信息与光强信息的关系，确定待测表面的特性信息。

Description

一种椭偏测量的方法及其装置

技术领域

本发明涉及光学测量，尤其涉及采用椭圆偏振技术对半导体器件和硅片等材料的表面特性进行测量的方法和装置。

背景技术

椭圆偏振技术(以下简称椭偏或椭偏技术)是一种强大的多功能光学技术，可用于取得表面的可由电磁波探测到的特性信息，如表面或表面上薄膜的反射率、厚度、折射率、消光系数、偏振特性、表面微结构、颗粒、缺陷和粗糙度等等。因其有高敏感性且具有非破坏性和非接触等优点，而得到了从基础研究到工业应用，从半导体物理、微电子学到生物学等方面的广泛应用。

现有技术中基于椭偏技术的测量(下称椭偏测量)原理如下，光源所发射出的光经过第一片偏光镜(通常称为起偏器)后，极化为偏振光，之后照射在待测表面上。该偏振光经待测表面改变其偏振状态，例如经过反射后，穿过第二片偏光镜(通常称为检偏器)，随后进入检测器。通过分析待测样品反射来的光的光强、相位及极化状态，椭偏技术可得到厚度比探测光波长更短(小至一个单原子层甚至更小)的待测表面的由电磁波探测到的特性信息。一般而言，椭偏是一门基于光学镜面反射的技术，其中，入射角等于反射角且入射光与反射光的光路在同一平面上(称为入射平面)，下文中，将光线经起偏器偏振而得到的偏振光与此平面平行及垂直的电场分量，分别称为光线的p分量和s分量。当然，待测表面可以通过多种手段改变该偏振光的偏振状态，包括反射、透射、光栅衍射等等。在本文中，不失一般性地，主要针对反射情形进行介绍。

现有的基于椭偏技术的测量中，每次测量只能取得一组实验值。因此，在其测量过程中，一般使用旋转椭偏测量方法，即，起偏器由电机带动旋转，从而变化起偏方位角；同样，检偏器也由电机带动旋转，使得检偏方位角也不断变化，根据该多个起偏、检偏方位角进行测量，获得多组数据，再根据该多组数据来获取待测表面的特性。因此，由于需要在多个方位角上进行测量，现有的椭偏测量方法存在需要的测量时间长、测量复杂度高和设备价格昂贵等缺点。

发明内容

为了解决现有技术中由于必须旋转起偏器和检偏器而导致的设备价格昂贵、测量复杂度高和测量时间长的缺点，本发明提出在椭偏测量中，使用固定方位角对光源发射出的光线进行起偏，将起偏后的偏振光照射在待测表面后，对经待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的特征光进行固定方位角的检偏及相应的光强检测，并获取相位关系信息，最后，基于所得到的与待测表面相对应的一组光强信息，来确定待测表面的由电磁波探测到的特性信息。在进行测量时，由于起偏方位角、入射角、检偏方位角均存在误差，为定标起偏方位角、入射角和检偏方位角，本发明提出使用参考表面对这些角度进行定标，在定标之后，再对待测表面的特性进行测量。

根据本发明的第一个方面，提供了一种基于椭圆偏振技术的对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的方法，其中，包括如下步骤：i.根据固定起偏方位角来对光线进行起偏，以得到偏振光；ii.将所述偏振光照射在所述待测表面上，以得到所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射来的特征光；iv.根据固定检偏方位角来对所述特征光中的一个或多个进行检偏，分离出所述一个或多个特征光各自的p分量和s分量；v.分别检测所述特征光的p分量和s分量的光强，以得到与所述待测表面相对应的一组光强信息，并获取其之间的相位关系信息；还包括：基于所得到的与所述待测表面相对应的一组光强信息，来根据预定方式确定所述待测表面的所述特性信息。

可选地，在利用固定方位角对入射光进行起偏并将其照射在待测表面上后，对之后得到的特征光使用分光镜进行分光，而后对多束分光分别进行固定方位角的检偏及相应的光强检测，并获取相位关系信息，下文中，将这种使用分光镜的测量称为分光椭偏测量。通过分光椭偏测量，可以比不分光的测量方式获得更多的实验数据，即有以下根据本发明的第二个方面：

根据本发明的第二个方面，提供了一种基于椭圆偏振技术的对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的方法，其中，包括如下步骤：i.根据固定起偏方位角来对光线进行起偏，以得到偏振光；ii.将所述偏振光照射在所述待测表面上，以得到经所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的特征光；iii.将经所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的所述特征光进行分光，以生成预定数量个与所述待测表面相对应的分光；iv.根据预定数量个固定检偏方位角来对所述预定数量个与所述待测表面相对应的分光分别进行检偏，分离出各个与所述待测表面相对应的分光各自的p分量和s分量；v.分别检测与所述待测表面相对应的各个分光的p分量和s分量的光强，以得到与所述待测表面相对应的一组光强信息，并获取对应p分量和s分量之间的相位关系信息；还包括：基于所得到的与所述待测表面相对应的一组光强信息，来根据预定方式确定所述待测表面的所述特性信息。

根据本发明的第三个方面，提供了一种基于椭圆偏振技术的对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的装置，其中，包括：起偏器，用于根据固定起偏方位角来对光线进行起偏，以得到偏振光，并将该偏振光照射在所述待测表面上，以得到经所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的特征光；检偏器，用于根据固定检偏方位角来对经所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的特征光进行检偏，分离出所述一个或多个特征光各自的p分量和s分量；检测处理装置，用于分别检测所述特征光的p分量和s分量的光强，以得到与所述待测表面相对应的一组光强信息，并获取其之间的相位关系信息；还包括：计算装置，用于基于所得到的与所述待测表面相对应的一组光强信息，来根据预定方式确定所述待测表面的所述特性信息。

根据本发明的第四个方面，提供了一种基于椭圆偏振技术的对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的装置，其中，包括：起偏器，用于根据固定起偏方位角来对光线进行起偏，以得到偏振光，并将该偏振光照射在所述待测表面上，以得到经所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的特征光；分光器，用于将经所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的所述特征光进行分光，以生成预定数量个与所述待测表面相对应的分光；检偏器，根据预定数量个固定检偏方位角来对所述预定数量个与所述待测表面相对应的分光分别进行检偏，分离出各个与所述待测表面相对应的分光各自的p分量和s分量；检测处理装置，分别检测与所述待测表面相对应的各个分光各自的p分量和s分量的光强，以得到与所述待测表面相对应的一组光强信息，并获取对应p分量和s分量之间的相位关系信息；还包括：计算装置，用于基于所得到的与所述待测表面相对应的一组光强信息，来根据预定方式确定所述待测表面的所述特性信息。

采用本发明提供的椭偏测量方法和装置，可以使用固定的起偏方位角与固定的检偏方位角进行测量，而不必使用机械转动装置来转动起偏器和检偏器进行多次测量，降低了设备成本，减少了测量次数，降低了测量的复杂程度；同时，根据本发明的方法和装置，对实际测量中的方位角进行定标过程也比较简单，继而也简化了对待测表面的由电磁波探测到的特性信息的测量过程。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。在附图中，相同或相似的附图标记代表相同或相似的步骤或装置(模块)。

图1为根据本发明一个具体实施例的采用表面反射对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的椭偏测量光路图；

图2为根据本发明一个具体实施例的根据图1所示的光路对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的椭偏测量方法流程图；

图3a示出了在入射光波长为632.8nm，入射角为75.55度的条件下，当表面的厚度在0～500nm间变化时，傅立叶系数随之变化的曲线图；

图3b示出了在入射光波长为632.8nm，入射角为75.55度的条件下，当表面的厚度在0～50nm间变化时，傅立叶系数随之变化的曲线图；

图4a示出了在入射光波长为632.8nm，入射角为75.55度的条件下，当表面的厚度在0～500nm间变化时，椭偏系数随之变化的曲线图；

图4b示出了在入射光波长为632.8nm，入射角为75.55度的条件下，当表面的厚度在0～50nm间变化时，椭偏系数随之变化的曲线图；

图5示出了根据本发明一个具体实施例的对图1所示的光路中的角度进行定标，并根据定标的角度对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的椭偏测量方法流程图；

图6为根据本发明一个具体实施例的采用表面反射和分光技术对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的分光椭偏测量方法的光路图；

图7为根据本发明一个具体实施例的采用表面反射和分光技术根据图6所示的光路对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的分光椭偏测量方法流程图；

图8为根据本发明一个具体实施例的采用表面反射和分光技术对图6所示的光路中的角度进行定标的方法的流程图；

图9为根据本发明一个具体实施例的采用表面透射和分光技术对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的椭偏测量光路图；

图10为根据本发明一个具体实施例的采用表面衍射和分光技术对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的椭偏测量光路图。

具体实施方式

下面将参照图1至图10，从方法的角度对本发明的多个具体实施例进行详述。

第一实施例

图1给出了根据本发明的一个具体实施例的采用表面反射对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的椭偏测量光路图。为更好地进行说明，先对图中的附图标记与光学器件的对应关系介绍如下：1为光源，2为聚光用的小孔，3为起偏器(方位角为45度)，4为聚光用的小孔，5为待测表面样本，优选的为待测的SiO₂薄膜，7为检偏器(方位角为0度)，8为检测处理装置，可接收检偏器7输出的偏振光的p分量和s分量并检测其光强信息，并获取p分量和s分量之间的相位关系信息。偏振光的入射角θ在待测表面的布儒斯特角(Brewster)附近。此外，图中未示出与检测处理装置8相连的一个计算装置9，以及一个与检测处理装置8相连的定标装置10。

其中，使用输出光线波长为632.8nm(纳米)的氦氖激光器作为光源1，此外，本领域技术人员可以理解，光源1并不限于这一种，而也可以为大功率红光LED等其他光源。小孔2的作用为：使入射光线更好地集中，本领域技术人员理解，小孔2并非本发明所必需。小孔4的作用包括避免起偏器输出的另一束偏振光进入测量光路，以免其对测量结果造成影响，同样，本领域技术人员理解，小孔4也不是本发明必需的。通常，使用小孔2、4有助于提高待测表面的由电磁波探测到的特性信息的测量精度。

图2为根据本发明一个具体实施例的，根据图1所示光路对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的椭偏测量方法流程图。下面将根据图2并结合图1详细说明对待测表面(如，SiO₂薄膜)的厚度进行确定的椭偏测量方法的步骤。也即，在本实施例中，需要测量的待测表面的特征信息为该待测表面的厚度。

首先，光源1发出的光线通过小孔2，被小孔2集中后照射在起偏器3上。

在步骤S11中，起偏器3根据固定的起偏方位角P来对单波长光线进行起偏，生成单波长偏振光。

然后，该偏振光经过小孔4，小孔4只允许起偏器3射出的一束偏振光通过，而阻挡住另一束偏振光，以避免其对测量造成影响。于是，在步骤S12中，通过的一束偏振光按入射角θ照射在待测表面5上。本领域技术人员理解，即使没有小孔4，起偏器3射出的另一束偏振光的光路也很可能与图1所示的通过小孔4的那束偏振光的光路有较大差异，而不会在经待测表面5反射后进入检偏器7，从而不会对测量结果造成影响或影响可以忽略不计，因此，正如上文中提及的，小孔4可以省略。

待测表面5将入射的偏振光反射至检偏器7，其中，该偏振光的偏振性质由于受待测表面5反射而发生了改变，得到了反映待测表面特征信息的特征光。继而，在步骤S13中，检偏器7根据固定检偏方位角A来对待测表面反射来的特征光进行检偏，分离出特征光的p分量和s分量并提供给检测处理装置8。

而后，在步骤S14中，检测处理装置8分别接收并检测特征光的p分量和s分量的光强，得到与待测表面5相对应的一组光强信息，并获取p分量和s分量之间的相位差信息，将光强信息提供给图1中未示出的与检测处理装置8间具有电连接的计算装置9。具体的，检测处理装置8可以包括光强检测器和处理器，其中，该光强检测器用于检测特征光的p分量和s分量的光强；该处理器用于获取p分量和s分量之间的相位差信息，其可以是一个微处理器，通过执行适当编程的程序来计算上述相位差信息，也可是相应的固件、专用集成电路或DSP器件。光强检测的具体方法，及计算p分量和s分量的相位差的具体算法是本领域技术人员所熟知的，本文对此不作详细说明。

最后，在步骤S15中，计算装置9根据特征光的p分量和s分量的光强，采用预定方式确定待测表面5的厚度。本领域技术人员应能理解，可以用来确定该表面厚度等特征信息的预定方式可能有多种，并不受本实施例所限。在本实施例中，该预定方式具体原理如下：

通过起偏器3和检偏器7后的输出光强的基本公式为：

$I_{\mathrm{out}}(P,A)=\left(\begin{array}{c}1+\\ \frac{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}-{\tan }^{2}P}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^{2}P}\cos 2A+\\ \frac{2\tan \mathrm{\Ψ}\tan P\cos \mathrm{\Δ}}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^{2}P}\sin 2A\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，P＝π/4，A＝0，π/2，tanΨ为光线p分量和s分量的振幅比，Δ为特征光的p分量与s分量之间的相位差。检测处理装置得到的采集光强I_out(π/4，0)，I_out(π/4，π/2)，可计算傅立叶(Fourier)系数 $\mathrm{\α}=\frac{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}-1}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+1},$ 并可计算出椭偏系数tanΨ，即：

$\mathrm{\α}=\frac{I{(\mathrm{\π}/\mathrm{4,0})}_{\mathrm{out}}-I{(\mathrm{\π}/4,\mathrm{\π}/2)}_{\mathrm{out}}}{I{(\mathrm{\π}/\mathrm{4,0})}_{\mathrm{out}}+I{(\mathrm{\π}/4,\mathrm{\π}/2)}_{\mathrm{out}}}$ (2)

$\tan \mathrm{\Ψ}=\frac{I{(\mathrm{\π}/\mathrm{4,0})}_{\mathrm{out}}}{I{(\mathrm{\π}/4,\mathrm{\π}/2)}_{\mathrm{out}}}$

此外，再令 $\mathrm{\β}=\frac{2\tan \mathrm{\Ψ}\cos \mathrm{\Δ}}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+1},$ 表示输出光强的一阶傅立叶系数。

本发明中，可以事先测量不同傅立叶系数α，β的变化情况。其中，偏振光的入射角θ为75.55度，光源1(氦氖激光器)输出波长632.8nm的光线，当表面的厚度在0～500nm范围内变化时，傅立叶系数的变化曲线如图3a所示。可以看出，傅立叶系数α，β均为表面厚度的周期性函数。

图3b示出了在入射光波长为632.8nm，偏振光的入射角为75.55度的条件下，当表面厚度在0～50nm间变化时，傅立叶系数随之变化的曲线图。可以看出，当表面厚度在50nm以内时，傅立叶系数α，β是厚度的单调函数。

图4a示出了在入射光波长为632.8nm，偏振光的入射角为75.55度的条件下，当表面厚度在0～500nm间变化时，椭偏系数随之变化的曲线图。从中可以明显看出，椭偏系数也是厚度的周期性函数。

图4b示出了在入射光波长为632.8nm，偏振光的入射角为75.55度的条件下，当表面厚度在0～50nm间变化时，椭偏系数随之变化的曲线图。从图4b中也可以明显看出，当表面厚度在50nm以下时，其椭偏系数也是厚度的单调函数。

在进行测量时，根据公式(2)可以算出其傅立叶系数。当各角度(起偏角、检偏角以及偏振光在待测表面上的入射角)固定，激光器的波长已知，同时知道表面折射率的时候，厚度范围在0～50nm区间内的傅立叶系数α，β都是已知的，可以利用对照法，从已知的数值范围内找出与测量傅立叶系数误差最小的傅立叶系数，与这个傅立叶系数所对应的厚度即待测表面的厚度。

理论上，傅立叶系数α，β受待测表面厚度、入射角θ、波长、待测表面的材料光学常数、起偏器方位角P以及检偏器的方位角A的影响。其中，待测表面厚度、入射角θ、波长、待测表面的材料光学常数影响测量出的椭偏系数，而椭偏系数的大小则会对傅立叶系数产生影响。采用波长固定的光源，由于材料光学常数固定，其对测量结果的影响可以消除。因此，待测表面的厚度独自决定傅立叶系数α，β的大小。根据这个原理，在一个单调区间中，不同的厚度与傅立叶系数是一一对应的。因此，根据这个一一对应关系即可求出厚度。

本实施例仅示例举出当光源1波长为632.8nm，偏振光的入射角θ为75.55度时的傅立叶系数α，β及椭偏系数与厚度的函数关系，本领域技术人员可以理解，在使用其他波长的光线和入射角的情况下，傅立叶系数α，β及椭偏系数与与厚度的函数关系可能将发生变化，而本发明同样适用实际的函数关系。

由于傅立叶系数或椭偏系数可以与待测表面的厚度之外的，例如反射率、折射率、消光系数、偏振特性、表面微结构、颗粒、缺陷和粗糙度等等其他表面特性信息相对应，所以，本发明所提供的方法并不限于测量表面厚度，而可以用于测量其他特性信息，并且，通过本申请文件的教导，本领域技术人员应可理解本发明同样可适用于测量其它类型的表面及其特性信息。基于上述事实，为简明起见，本说明书将不对本发明在测量其他表面特性信息中的应用进行赘述。

以上详述了在固定起偏角P和固定检偏角A处于理想状态下即P＝π/4，A＝0，π/2，且θ＝75.55度时，根据本发明一个实施例对待测表面的厚度进行测量的方法。在实际测量过程中，因为测量装置及光路存在的误差，比较难以保证固定起偏角P、固定检偏角A以及入射角θ精确地满足P＝π/4，A＝0，π/2且θ＝75.55度的严格条件。因而在固定起偏角P、入射角θ和固定检偏角A中的一个或多个有误差时，必须对存在误差的方位角进行定标处理，以确定实际的固定起偏角P、入射角θ和固定检偏角A，并根据已确定的实际的固定起偏角P、入射角θ和固定检偏角A获取待测表面的实际厚度。

在这种情况下，基于本发明的表面厚度测量方法还包括步骤S20，如图5中右半部所示，其中，对固定起偏方位角、入射角和固定检偏方位角中需要定标的未知项进行定标，以得到固定起偏方位角、入射角以及固定检偏方位角在实际测量时的确切取值。当然，也应执行与以上步骤S11至S14类似的步骤，测量对应于待测表面的特征光的p分量和s分量的光强信息。而后在步骤S15’中，根据获得的对应于待测表面的p分量和s分量的光强信息，和经确定的固定起偏方位角、入射角和固定检偏方位角，来确定待测表面的厚度。

以下将参照图5，结合图1与图2具体描述根据本发明一个实施例对起偏方位角、检偏方位角和入射角进行定标，并根据确定的各角度和获得的与待测表面相对应的特征光的p分量和s分量的光强，进行表面厚度测量的方法。

在定标开始之前，首先将图1中的待测表面5更换为用于定标的参考表面5’，优选地，该参考表面也可以是SiO₂薄膜。

定标过程的原理如下，假设起偏器3和检偏器7的方位角有误差，分别假设其为P+δP，A+δA，其中δP代表实际起偏方位角P与当前理论值(如，π/4)之间的误差，δA代表实际检偏方位角A与当前理论值(如，0和π/2)的误差。在此情形下，通过起偏器3和检偏器7后的输出光强如下式所示：

$I_{\mathrm{out}}(P+\mathrm{\δP},A+\mathrm{\δA})=I_0\left(\begin{array}{c}1+\\ \frac{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}-{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}\cos 2(A+\mathrm{\δA})+\\ \frac{2\tan \mathrm{\Ψ}\tan (P+\mathrm{\δP})\cos \mathrm{\Δ}}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}\sin 2(A+\mathrm{\δA})\end{array}\right)---\left(3\right)$

$=\left(\begin{array}{c}1+\\ \mathrm{\α}\′\cos 2(A+\mathrm{\δA})+\\ \mathrm{\β}\′\sin 2(A+\mathrm{\δA})\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}1+\\ (\mathrm{\α}\′\cos 2\mathrm{\δA}+\mathrm{\β}\′\sin 2\mathrm{\δA})\cos 2A+\\ (-\mathrm{\α}\′\sin 2\mathrm{\δA}+\mathrm{\β}\′\cos 2\mathrm{\δA})\sin 2A\end{array}\right)$

其中： $\mathrm{\α}\′=\frac{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}-{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}$ 表示理论的傅立叶系数，Δ为特征 $\mathrm{\β}\′=\frac{2\tan \mathrm{\Ψ}\tan (P+\mathrm{\δP})\cos \mathrm{\Δ}}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}$ 光的p分量与s分量之间的相位差。

起偏方位角理论值为P＝π/4，误差为δP，检偏方位角理论值为A＝0，π/2，误差为δA，则可得两组光强为：

I₁＝I(0)＝I₀₁(1+α′cos2δA+β′sin2δA)      (4)

I₂＝I(π/2)＝I₀₁(1-α′cos2δA-β′sin2δA)

根据式(4)可以计算出输出光强：

I₀₁＝(I₁+I₂)/2

进行归一化后有：

I₁′＝1+α′cos2δA+β′sin2δA(5)

I₂′＝1-α′cos2δA-β′sin2δA

根据以上条件建立目标函数：

$X(\stackrel{\→}{t},\mathrm{\δP},\mathrm{\θ},\mathrm{\δA},\stackrel{\→}{n},\stackrel{\→}{k},\mathrm{\λ})=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(I_{\mathrm{ij}}^{\′}-I_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{theory}})}^2---\left(6\right)$

其中，

为表面厚度，θ为入射角，δP为起偏器3的起偏方位角误差，δA检偏器7的检偏方位角误差，

为参考表面折射率，为参考表面的消光系数，λ为波长。右边

为归一化后的测量光强，

为理论计算的光强。其中，i代表p分量和s分量，j代表参考表面的更换。

定标时，假设使用m个不同厚度的且厚度已知的同一种类的参考表面，所使用的光的波长保持不变，因此

也不变，则X有2m项，从中去除线性相关项后，有m项可用。未知参数有3个(起偏方位角δP，入射角θ与检偏方位角δA)，根据数值计算的基本原理可知，只要m>3即可求解出全部未知参数。

本领域技术人员理解，若起偏器3方位角P+δP、入射角θ和检偏器7方位角A+δA中的一个或多个已经确定，那么在该定标步骤中，将对剩余的角度进行定标。由于需要求解的未知数较少，需要的非线性方程的个数，及相应地对参考表面的测量次数可能会相应减少。

上面从理论角度对本发明提供的定标方法的原理进行了说明和支持，下面对定标过程中的各项具体步骤介绍如下，参照图5并结合图1：

首先，在步骤S201中，起偏器3根据固定起偏方位角P+δP来对光线进行起偏，以得到偏振光。

而后，在步骤S202中，偏振光按入射角θ照射在特性信息已知的参考表面5’上。

继而，在步骤S203中，检偏器7根据固定检偏方位角A+δA来对参考表面5’反射来的特征光进行检偏，分离出特征光的p分量和s分量。

然后，在步骤S204中，检测处理装置8检测特征光的p分量和s分量的光强，得到与参考表面5’相对应的一组光强信息。

其中，根据方程(6)，以参考表面5’的厚度、固定起偏方位角误差δP、入射角θ、固定检偏方位角误差δA，以及参考表面5’的折射率

、参考表面5’的消光系数

和光的波长λ为变量，用数值计算的逼近原理，以检测到的p分量和s分量的光强与其对应理论光强差的平方和为目标函数，为该参考表面5’建立非线性方程。

接着，在步骤S205中，系统根据上文中描述的方程数量与未知量个数的关系，判断根据与参考表面5’对应的非线性方程，是否能够求解出该固定起偏方位角P+δP、该入射角θ和该固定检偏方位角A+δA中的所有未知参量。如果尚不能解出，则将参考表面5’更换为另一个参考表面5’’，重复步骤S201至S205。直至根据与多个参考表面对应的多个非线性方程，能够求解出固定起偏方位角P+δP、该入射角θ和该固定检偏方位角A+δA中的所有未知的角度参数。

当根据与一个或多个参考表面5’(及5’’等)对应的一个或多个非线性方程能够解出所有未知的角度参数时，该方法进入步骤S206，根据与一个或多个参考表面对应的一个或多个非线性方程，用非线性优化方法拟合理论的光强和表面特性信息的关系曲线，求解出固定起偏方位角P+δP、入射角θ和固定检偏方位角A+δA中的未知项。计算方法可以采用L-M非线性优化方法，也可以采用其他任何求解非线性方程的方法求解，具体求解过程依赖现有技术即可实现，不再赘述。求解计算可以由定标装置10完成，该定标装置可以是一个微处理器，通过执行适当编程的程序来完成上述定标计算过程，也可是相应的固件、专用集成电路或DSP器件。

与以上步骤S201至S205不相关地，进行类似于上述步骤S11至S14的步骤S11’至S14’，如图5所示。其中，测量对应于待测表面的p分量和s分量的光强，以得到与待测表面5相对应的一组光强信息，并获取p分量和s分量之间的相位关系信息。其中，值得注意的是，进行测量时的各个角度与定标过程中所用角度相同，即起偏方位角为P+δP，入射角为θ，固定检偏方位角为A+δA。

在确定了固定起偏方位角P+δP、入射角θ、固定检偏方位角A+δA后，在步骤S15’中，即可以根据待测表面5的光学常数(

和

必须已知)及已确定好的角度参数，将其代入到等式(6)中，利用L-M方法求解厚度。当然，也可用其他非线性方程求解方法，具体求解方法并不是本发明所关注的。求解计算可以由计算装置9完成，该计算装置可以是一个微处理器，通过执行适当编程的程序来完成上述求解计算过程，也可是相应的固件、专用集成电路或DSP器件。

第二实施例

作为以上第一实施例的改进，在光路中的表面和检偏器之间，加入一个或多个分光镜，对表面反射的特征光进行分光，而后对分成的预定数量个分光分别进行固定方位角的检偏，及相应的光强检测。根据各个分光的p分量和s分量的光强，来确定待测表面的由电磁波探测到的特性信息。

图6给出了根据本发明的一个具体实施例的采用分光技术对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的分光椭偏测量方法的光路图。为更好地进行说明，先对图中的附图标记与光学器件的对应关系介绍如下：1为光源，2为聚光用的小孔，3为起偏器(方位角为45度)，4为聚光用的小孔，5为待测表面样本，优选的为待测的SiO₂薄膜，6为分光镜，7a为检偏器(其方位角为0度)，8a为检测处理装置，可接收检偏器7a输出的p₁分量和s₁分量并检测其光强信息，并获取其之间的相位关系信息，其可以包括光强检测器和处理器，光强检测器用于检测特征光的p₁分量和s₁分量的光强；处理器用于获取p₁分量和s₁分量之间的相位差信息。7b为检偏器(其方位角为45度)，8b为检测处理装置，可接收检偏器7b输出的p₂分量和s₂分量并检测其光强信息，并获取其之间的相位关系信息，其可以包括光强检测器和处理器。光学部件的入射角θ在测量样本的布儒斯特角(Brewster)角附近。此外，图中未示出与检测处理装置8相连的一个计算装置9，以及一个与检测处理装置8相连的定标装置11。

其中，光源1可以为波长632.8nm(纳米)的氦氖激光器，此外，也可以为大功率红光LED等其他光源；小孔2的作用为：使入射光线更好地集中，本领域技术人员理解，其并不是本发明所必需的；小孔4的作用为：包括避免起偏器输出的另一束偏振光进入测量光路，以减少其对测量结果的影响，本领域技术人员理解，其并不是本发明必需的。

图7是根据本发明另一个具体实施例的，采用表面反射和分光技术根据图6所示的光路对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的分光椭偏测量方法的流程图。下面将根据图7并结合图6详细说明对待测表面(如，薄膜)的厚度进行确定的椭偏测量方法的步骤。也即，在本实施例中，需要测量的待测表面的特征信息为该待测表面的厚度。

根据图6所示的光路图，工作原理如下：

首先，光源1发出的光线通过小孔2集中后，照射在起偏器3上；

在步骤S31中，起偏器3根据固定的起偏方位角P来对光线进行起偏，生成偏振光；

然后，偏振光经过小孔4，小孔4只允许起偏器3射出的一束偏振光通过，而阻挡住另一束偏振光，以避免其对测量造成影响。于是，在步骤S32中，通过的一束偏振光按入射角θ照射在待测表面5上。本领域技术人员理解，即使没有小孔4，起偏器3射出的另一束偏振光的光路也很可能与图6所示的通过小孔4的那束偏振光的光路有较大差异，而不会在经待测表面5反射后进入检偏器7，从而不会对测量结果造成影响或影响可以忽略不计，因此，正如上文中提及的，小孔4可以省略。

随后，待测表面5将入射的偏振光反射至分光镜。在该反射过程中，该偏振光的偏振性质发生了改变。在步骤S33中，分光镜6来对待测表面反射来的特征光进行分光，以生成两个与待测表面相对应的分光L₁和L2，并分别提供给两个检偏器7a和7b；

继而，在步骤S34中，检偏器7a根据固定检偏方位角A₁来对待测表面反射来的特征光L₁进行检偏，分离出L₁的p分量和s分量p₁和s₁，并提供给检测处理装置8a；检偏器7b根据固定检偏方位角A₂来对待测表面反射来的特征光L₂进行检偏，分离出L₂的p分量和s分量p₂和s₂，并提供给检测处理装置8b；

而后，在步骤S35中，检测处理装置8a和8b分别检测p₁和s₁分量，p₂和s₂分量的光强，以得到与待测表面5相对应的一组光强信息，并获取p₁和s₁之间的相位差信息，与p₂和s₂之间的相位差信息，并将其提供给图6中未示出的与检测处理装置8间具有电连接的计算装置9。具体的，检测处理装置8a与8b可以包括各自的光强检测器和处理器，其中，该光强检测器用于检测特征光的p分量和s分量的光强；处理器用于获取p分量和s分量之间的相位差信息。

最后，在步骤S36中，计算装置9根据获得到的p₁分量和s₁分量，和p₂分量和s₂分量的光强，采用预定方式确定待测表面5的厚度。本领域技术人员应能理解，可以用来确定该表面厚度等特征信息的预定方式可能有多种，并不受本实施例所限。在本实施例中，所使用预定方式具体如下：

通过起偏器和检偏器后，光强的基本公式为：

$I_{\mathrm{out}}(P,A)=I_0(1+\frac{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}-{\tan }^{2}P}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^{2}P}\cos 2A+\frac{2\tan \mathrm{\Ψ}\tan P\cos \mathrm{\Δ}}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^{2}P}\sin 2A)---\left(7\right)$

光通过检偏器7a时，P＝π/4，A＝A₁＝0，π/2，tanΨ为光线p分量和s分量的振幅比，Δ为p分量与s分量的相位差。检测处理装置得到的采集光强I(π/4，0)_out，I(π/4，π/2)_out，可计算傅立叶系数α，并可计算出椭偏系数tanΨ，即：

$\mathrm{\α}=\frac{I{(\mathrm{\π}/\mathrm{4,0})}_{\mathrm{out}}-I{(\mathrm{\π}/4,\mathrm{\π}/2)}_{\mathrm{out}}}{I{(\mathrm{\π}/\mathrm{4,0})}_{\mathrm{out}}+I{(\mathrm{\π}/4,\mathrm{\π}/2)}_{\mathrm{out}}},$ $\tan \mathrm{\Ψ}=\frac{I{(\mathrm{\π}/\mathrm{4,0})}_{\mathrm{out}}}{I{(\mathrm{\π}/4,\mathrm{\π}/2)}_{\mathrm{out}}}---\left(8\right)$

光通过检偏器7b时P＝π/4，A＝A₂＝±π/4，得到检测处理装置采集光强I(π/4，π/4)_out、I(π/4，-π/4)_out。此外，再令 $\mathrm{\β}=\frac{2\tan \mathrm{\Ψ}\cos \mathrm{\Δ}}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+1},$ 表示光强的一阶傅立叶系数。可得

$\mathrm{\β}=\frac{I{(\frac{\mathrm{\π}}{4},\frac{\mathrm{\π}}{4})}_{\mathrm{out}}-I{(\frac{\mathrm{\π}}{4},-\frac{\mathrm{\π}}{4})}_{\mathrm{out}}}{I{(\frac{\mathrm{\π}}{4},\frac{\mathrm{\π}}{4})}_{\mathrm{out}}+I{(\frac{\mathrm{\π}}{4},-\frac{\mathrm{\π}}{4})}_{\mathrm{out}}}---\left(9\right)$

本发明中，可以事先测量不同傅立叶系数α，β的变化情况。不同厚度时的傅立叶系数α，β的变化情况与上述第一实施例中类似，当入射角θ为75.55度时，氦氖激光器输出波长为632.8nm的入射光，当表面的厚度在0～500nm范围内变化时，傅立叶系数的变化如图3a。

图3b示出了在入射光波长为632.8nm，入射角为75.55度的条件下，当表面厚度在0～50nm间变化时，傅立叶系数随之变化的曲线图。可以看出，当表面厚度在50nm以内时，傅立叶系数α，β是厚度的单调函数。

图4a示出了在入射光波长为632.8nm，入射角为75.55度的条件下，当表面厚度在0～500nm间变化时，椭偏系数随之变化的曲线图。从中可以明显看出，椭偏系数也是厚度的周期性函数。

图4b示出了在入射光波长为632.8nm，入射角为75.55度的条件下，当表面厚度在0～50nm间变化时，椭偏系数随之变化的曲线图。从图4b中也可以明显看出，当表面厚度在50nm以下时，其椭偏系数也是厚度的单调函数。

在进行测量时，根据公式(8)可以算出其傅立叶系数。当各角度(起偏角、检偏角以及光线在待测表面上的入射角)固定，激光器的波长已知，同时知道表面折射率的时候，厚度范围在0～50nm区间内的傅立叶系数α，β都是已知的，可以利用对照法，从已知的数值范围内找出与测量傅立叶系数误差最小的傅立叶系数，与这个傅立叶系数所对应的厚度即待测表面的厚度。

理论上，傅立叶系数α，β受待测表面厚度、入射角θ、波长、待测表面的材料光学常数、起偏器方位角P以及检偏器的方位角A的影响。其中，待测表面厚度、入射角θ、波长、待测表面的材料光学常数影响测量出的椭偏系数，而椭偏系数的大小则会对傅立叶系数产生影响。采用波长固定的光源，由于波长和材料光学常数固定，其对测量结果的影响可以消除。因此，待测表面的厚度独自决定傅立叶系数的大小。根据这个原理，在一个单调区间中，不同的厚度与傅立叶系数是一一对应的。因此，根据这个一一对应关系即可求出厚度。

本实施例仅示例举出当光源1输出光波长为632.8nm，偏振光的入射角θ为75.55度时的傅立叶系数α，β及椭偏系数与厚度的函数关系。本领域技术人员可以理解，在使用其他光线波长和入射角的情况下，傅立叶系数α，β及椭偏系数与厚度的对应的函数关系可能将发生变化，本发明也同样适用当时实际的函数关系。

本领域技术人员可以理解，由于傅立叶系数或椭偏系数可以与待测表面的厚度之外的，例如反射率、折射率、消光系数、偏振特性、表面微结构、颗粒、缺陷和粗糙度等等其他表面特性信息相对应，所以，本发明所提供的方法并不限于测量表面厚度，而可以用于测量表面的其他特性信息，并且，通过本申请文件的教导，本领域技术人员应可理解本发明可适用于测量其它特性信息。基于上述事实，为简明起见，本说明书将不对本发明在测量其他表面特性信息中的应用进行赘述。

以上详述了在固定起偏角P和固定检偏角A₁和A₂处于理想状态下，即P＝π/4，A₁＝0，π/2，A₂＝±π/4，且θ＝75.55°状态下时，根据本发明一个实施例对表面的厚度进行测量的方法。在实际测量过程中，较难保证该固定起偏角P、入射角θ以及固定检偏角A₁和A₂精确地满足P＝π/4，θ＝75.55°，A₁＝0，π/2，A₂＝±π/4的严格条件。因而在该固定检偏角A₁和A₂、固定起偏角P和入射角θ中的一个或多个都有误差时，必须对其进行定标处理以确定固定起偏角P、入射角θ和固定检偏角A₁和A₂，根据已确定的固定起偏角P、入射角θ和固定检偏角A₁和A₂获取表面厚度。

在这种情况下，基于本发明的表面厚度测量方法还包括步骤S40，如图8中右半部所示，其中，对固定起偏方位角P，入射角θ，和固定检偏方位角A₁和A₂中需要定标的未知项进行定标，以得到固定起偏方位角、入射角以及固定检偏方位角在实际测量时的确切取值。同时，当然，也应执行与以上步骤S31至S35类似的步骤，测量对应于待测表面5的偏振光p₁分量和s₁分量的光强信息，并获取其之间的相位关系信息，和偏振光的p₂分量和s₂分量的光强信息，并获取其之间的相位关系信息。在步骤S36’中，根据获得到的对应于待测表面的特征光的p₁分量和s₁分量的光强信息，和p₂分量和s₂分量的光强信息，和经确定的固定起偏方位角、入射角和固定检偏方位角，来根据预定方式确定待测表面的厚度。

具体地，以下将描述根据本发明一个实施例对起偏方位角、检偏方位角和入射角进行定标，及根据确定的方位角和获得到的与待测表面的p分量和s分量的光强，进行厚度测量的方法。

图8是根据本发明另一个方面的，采用表面反射和分光技术对图6所示的光路的起偏方位角、检偏方位角和入射角进行定标的方法的流程图。以下将根据图6与图8，对根据本发明一个实施例的定标方法进行详述。

在定标开始之前，首先将图6中的待测表面样本5更换为用于定标的参考表面5’。

定标过程的原理如下，假设起偏器3和检偏器7a与7b的方位角有误差，分别假设其为P+δP，A₁+δA₁和A₂+δA₂，其中δP代表实际起偏方位角P与当前理论值(如，π/4)之间的误差，δA₁和δA₂代表实际检偏方位角A与当前理论值(如，0和π/2与π/4和-π/4)的误差。输出光强如下所示：

$I_{\mathrm{out}}(P+\mathrm{\δP},A+\mathrm{\δA})=I_0\left(\begin{array}{c}1+\\ \frac{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}-{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}\cos 2(A+\mathrm{\δA})+\\ \frac{2\tan \mathrm{\Ψ}\tan (P+\mathrm{\δP})\cos \mathrm{\Δ}}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}\sin 2(A+\mathrm{\δA})\end{array}\right)---\left(10\right)$

$=\left(\begin{array}{c}1+\\ \mathrm{\α}\′\cos 2(A+\mathrm{\δA})+\\ \mathrm{\β}\′\sin 2(A+\mathrm{\δA})\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}1+\\ (\mathrm{\α}\′\cos 2\mathrm{\δA}+\mathrm{\β}\′\sin 2\mathrm{\δA})\cos 2A+\\ (-\mathrm{\α}\′\sin 2\mathrm{\δA}+\mathrm{\β}\′\cos 2\mathrm{\δA})\sin 2A\end{array}\right)$

其中， $\mathrm{\α}\′=\frac{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}-{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}$ 表示理论的傅立叶系数，Δ为特征 $\mathrm{\β}\′=\frac{2\tan \mathrm{\Ψ}\tan (P+\mathrm{\δP})\cos \mathrm{\Δ}}{{\tan }^2\mathrm{\Ψ}+{\tan }^2(P+\mathrm{\δP})}$ 光的p分量与s分量之间的相位差。

装置起偏器方位角理论值P为π/4，误差为δP，检偏器7a的方位角理论值A₁为0°/90°，误差为δA₁，检偏器7b的方位角理论值A₂为45°/-45°，误差为δA₂，则可得四组光强为：

I₁＝I(0)＝I₀₁(1+α′cos2δA₁+β′sin2δA₁)

I₂＝I(π/2)＝I₀₁(1-α′cos2δA₁-β′sin2δA₁)(11)

I₃＝I(π/4)＝I₀₂(1-α′sin2δA₂+β′cos2δA₂)

I₄＝I(-π/4)＝I₀₂(1+α′sin2δA₂-β′cos2δA₂)

进行归一化后有：

$I_1^{\′}=\frac{I_1}{I_{01}}=1+\mathrm{\α}\′\cos 2\mathrm{\δ}{A}_1+\mathrm{\β}\′\sin 2\mathrm{\δ}{A}_1$

$I_2^{\′}=\frac{I_2}{I_{01}}=1-\mathrm{\α}\′\cos 2\mathrm{\δ}{A}_1-\mathrm{\β}\′\sin 2\mathrm{\δ}{A}_1$               (12)

$I_3^{\′}=\frac{I_3}{I_{02}}=1-\mathrm{\α}\′\sin 2\mathrm{\δ}{A}_1+\mathrm{\β}\′\cos 2\mathrm{\δ}{A}_1$

$I_4^{\′}=\frac{I_4}{I_{02}}=1+\mathrm{\α}\′\sin 2\mathrm{\δ}{A}_1-\mathrm{\β}\′\cos 2\mathrm{\δ}{A}_1$

根据以上条件建立目标函数：

$X(\stackrel{\→}{t},\mathrm{\δ}{A}_1,\mathrm{\δ}{A}_2,\mathrm{\δP},\stackrel{\→}{n},\stackrel{\→}{k},\mathrm{\λ})=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(I_{\mathrm{ij}}^{\′}-I_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{theory}})}^2---\left(13\right)$

其中，为表面厚度，θ为入射角，δP为起偏器3的起偏方位角误差，δA₁为检偏器7a的检偏方位角误差，δA₂为检偏器7b的检偏方位角误差，

为参考表面折射率，为参考表面的消光系数，λ为波长。右边

为归一化后的测量光强，

为理论计算的光强。其中，i代表四束偏振光p₁和s₁与p₂和s₂，j代表参考表面的更换。

定标时，假设使用m个不同厚度的且厚度可以未知的同一种类的参考表面，所使用的光的波长保持不变，因此，

也不变，则X有4m项，从中去除线性相关项后，有2m项可用。未知参数有m+4个(入射角θ个，方位角δP、δA₁、δA₂，m个未知的参考表面的厚度)，根据数值计算的基本原理可知，只要2m>m+4，即m>4时就可求解出全部未知参数。

本领域技术人员理解，若起偏器3方位角P+δP、入射角θ和检偏器7a与7b的方位角A₁+δA₁与A₂+δA₂中的一个或多个已经确定，那么在该定标步骤中，将对剩余的角度进行定标。由于需要求解的未知数较少，需要的非线性方程的个数及相应的对不同参考表面的测量次数可能会相应减少。

上面从理论角度对本发明提供的定标方法的原理进行了说明和支持，下面对定标过程中的各项具体步骤介绍如下，参照图8并结合图6具体的定标步骤如下：

首先，在步骤S401中，起偏器3根据固定起偏方位角P+δP来对光线进行起偏，以得到偏振光；

而后，在步骤S402中，偏振光按入射角θ照射在特性信息已知的参考表面5’上；

继而，在步骤S403中，分光器6将参考表面5’反射来的特征光进行分光，分成两束光线L₁和L₂；

随后，在步骤S404中，检偏器7a与7b分别根据固定检偏方位角A₁+δA₁与A₂+δA₂来对表面反射来的特征光进行检偏，分离出其中的p₁分量与s₁分量，和p₂分量与s₂分量；

然后，在步骤S405中，检测处理装置8a和8b分别检测p₁分量与s₁分量，和p₂分量与s₂分量的光强信息，以得到与参考表面5’相对应的一组光强信息；

其中，根据方程(13)，以参考表面5’的厚度、固定起偏方位角P+δP、入射角θ、固定检偏方位角A₁+δA₁与A₂+δA₂，以及参考表面5’的折射率

、参考表面5’的消光系数

和光的波长λ为变量，用数值计算的逼近原理，以检测到的各个p分量和s分量的光强与其对应理论光强差的平方和为目标函数，为该参考表面5’建立对应的非线性方程；

接着，在步骤S406中，根据上述方程个数和未知数个数的关系，判断根据与一个或多个参考表面5’对应的一个或多个非线性方程，是否能够求解出该固定起偏方位角P+δP、该入射角θ和该固定检偏方位角A+δA中的所有未知项。如果尚不能解出，则将参考表面5’更换为另一个参考表面5’’，重复步骤S401至S406，直至根据与多个参考表面对应的多个非线性方程，能够求解出该固定起偏方位角P+δP、该入射角θ和该固定检偏方位角A₁+δA₁与A₂+δA₂中的未知项。

当根据与一个或多个参考表面5’(及5’’等)对应的一个或多个非线性方程(13)能够解出所有未知的角度参数时，该方法进入步骤S407。其中，根据与一个或多个参考表面对应的一个或多个非线性方程，用非线性优化方法拟合理论的光强和表面特性信息的关系曲线，求解出固定起偏方位角P+δP、入射角θ和固定检偏方位角A₁+δA₁(与A₂+δA₂中的未知项。计算方法可以采用L-M非线性优化方法，也可以采用其他任何求解非线性方程的方法求解。具体求解过程依赖现有技术即可实现，不再赘述。该求解计算可以由定标装置11完成。

与以上步骤S401至S407不相关地，进行类似于上述步骤S31至S35的步骤S31’至S35’，如图8所示。其中，测量对应于待测表面的特征光的p分量和s分量的光强，以得到与待测表面5相对应的一组光强信息。其中，值得注意的是，进行测量时的方位角与定标过程中所用角度相同，即起偏方位角为P+δP，入射角为θ，固定检偏方位角分别为A₁+δA₁与A₂+δA₂。

在确定了固定起偏方位角P+δP、入射角θ、固定检偏方位角A₁+δA₁与A₂+δA₂后，在步骤S36’中即可以根据待测表面5的光学常数(和必须已知)及已确定好的角度参数，代入到等式(13)中，利用L-M方法求解厚度，该求解计算过程可以由计算装置9完成。当然，也可用其他非线性方程求解方法。具体求解方法并不是本发明所关注的。

在一个变化的实施例中，根据本发明的椭偏测量装置预先将一组或多组表面的特性信息与该表面的椭偏系数，例如tanΨ与Δ，存储于测量数据库中。具体的，可以在采用上述方法进行系统定标后，获取在相同条件下的多个待测表面的特性信息，将其与对应的椭偏系数按映射关系一并保存。在另一种情况下，该映射关系也可以由外部导入。而后，在对当前待测表面的同种由电磁波探测到的特性信息进行椭偏测量时，仍然保持椭偏测量各方位角不变，采用前述方法获取到与该当前待测表面对应的椭偏系数，根据测量数据库中预存的椭偏系数与特性信息的映射关系，将测得的椭偏系数按照映射关系(例如插值等)获取该当前待测表面的由电磁波探测到的特性信息。

以上详述了根据本发明的，采用表面反射改变入射光的偏振状态后，对反射的特征光的特性进行测量后，确定表面的特性信息的方法。本发明并不限于通过使用表面反射使得偏振光的极化状态发生改变获得表面特性信息，而也可以使用透射或衍射改变偏振光的极化状态，测量相应的特征光信息后获取表面特性。

图9是根据本发明的另一个变化的实施例，采用表面透射和分光技术对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的椭偏测量方法的光路图。对图中的附图标记与光学器件的对应关系介绍如下：1为光源，2为聚光用的小孔，3为起偏器(方位角为45度)，4为聚光用的小孔，5为待测表面样本，6为分光镜，7a为检偏器a(其方位角为0度)，8a为检测处理装置a，可接收检偏器7a输出的p₁分量和s₁分量并检测其光强信息，并获取其之间的相位关系信息。7b为检偏器b(其方位角为45度)，8b为检测处理装置b，可接收并检测其光强信息检偏器7b输出的p₂分量和s₂分量并检测其光强信息，并获取其之间的相位关系信息。光学部件的入射角θ在测量样本的布儒斯特角(Brewster)角附近。此外，图中未示出与检测处理装置8相连的一个计算装置9。根据图9对待测表面的厚度进行确定的椭偏测量方法的步骤，以及固定起偏方位角、入射角或固定检偏方位角与理论值之间存在误差时必须进行的定标及测量步骤与上述的第二实施例采用反射与分光技术中的类似，在此不再赘述。本领域技术人员可以明白，图9中的分光镜6以及检偏器7b与检测处理装置8b是可以省略的，在省略的情况下，对待测表面的厚度进行确定的椭偏测量方法的步骤，以及定标及测量步骤与上述第一实施例中的类似，在此不再赘述。

图10是根据本发明的另一个变化的实施例，采用表面衍射和分光技术对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的椭偏测量方法的光路图。其中，各光学器件如下：1为光源，2为聚光用的小孔，3为起偏器(方位角为45度)，4为聚光用的小孔，5为待测表面样本，6为分光镜，7a为检偏器1(其方位角为0度)，8a为检测处理装置1，可接收检偏器7a输出的p₁分量和s₁分量并检测其光强信息，并获取其之间的相位关系信息。7b为检偏器2(其方位角为45度)，8b为检测处理装置2，可接以及检偏器7b输出的p₂分量和s₂分量并检测其光强信息，并获取其之间的相位关系信息。10为光栅。光学部件的入射角θ在测量样本的布儒斯特角(Brewster)角附近。此外，图中未示出与检测处理装置8相连的一个计算装置9。根据图10对待测表面的厚度进行确定的椭偏测量方法的步骤，以及固定起偏方位角、入射角或固定检偏方位角与理论值之间存在误差时必须进行的定标及测量步骤与上述的第二实施例采用反射与分光技术中的类似，在此不再赘述。本领域技术人员可以理解，图10中的分光镜6以及检偏器7b与检测处理装置8b是可以省略的，在省略的情况下，对待测表面的厚度进行确定的椭偏测量方法的步骤，以及定标及测量步骤与上述第一实施例中的类似，在此不再赘述。

本领域技术人员可以理解，本发明并不限于仅使用反射，或仅使用透射，或仅适用衍射的情形。本领域技术人员应可理解本发明同样可适用于，获取经反射、透射和衍射中的一种以上的方式极化的特征光，根据该多个特征光确定待测表面的由电磁波探测到的特性信息。可以根据本说明书的教导，得到这种情形下的椭偏测量方法的定标及测量步骤，为简明起见，本说明书将不对本发明在这种情形下的应用进行赘述。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (29)

1.一种基于椭圆偏振技术的对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的方法，其中，包括如下步骤：

i.根据固定起偏方位角来对光线进行起偏，以得到偏振光；

ii.将所述偏振光照射在所述待测表面上，以得到经所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的特征光；

iv.根据固定检偏方位角来对所述特征光中的一个或多个进行检偏，分离出所述一个或多个特征光各自的p分量和s分量；

v.分别检测所述特征光的p分量和s分量的光强，以得到与所述待测表面相对应的一组p分量和s分量的光强信息，并获取其之间的相位关系信息；

还包括：

I.对所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角和所述固定检偏方位角中的未知项进行定标，以得到经确定的所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角和所述固定检偏方位角；

a.基于所得到的与所述待测表面相对应的一组光强信息，以及所述经确定的所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角和所述固定检偏方位角，来根据预定方式确定所述待测表面的由电磁波探测到的所述特性信息；

其中，所述步骤I包括：

I1.根据所述固定起偏方位角来对所述光线进行起偏，以得到偏振光；

I2.将所述偏振光照射在特性信息已知的参考表面上；

I3.根据所述固定检偏方位角来对所述表面反射、和/或透射、和/或衍射来的特征光进行检偏，分离出所述特征光的p分量和s分量；

I4.分别检测所述特征光的p分量和s分量的光强，以得到与所述参考表面相对应的一组光强信息；

I5.将所述参考表面更换为另一个参考表面，重复步骤I1至I4，直至已获得一组或多组与各个参考表面相对应的光强信息满足第一预定条件；

其中，所述步骤I还包括：

-根据所述已获得的一组或多组与各个参考表面相对应的光强信息，利用预定的定标方法来对所述固定起偏方位角，所述偏振光的入射角，和所述固定检偏方位角中的未知项进行定标，以得到经确定的所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角、所述固定检偏方位角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤ii之后，步骤iv之前，还包括：

iii.将经所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的所述特征光进行分光，以生成预定数量个与所述待测表面相对应的分光；

其中，所述步骤iv还包括：

-根据预定数量个固定检偏方位角来对所述预定数量个与所述待测表面相对应的分光分别进行检偏，分离出各个与所述待测表面相对应的分光各自的p分量和s分量；

其中，所述步骤v还包括：

-分别检测与所述待测表面相对应的各个分光的p分量和s分量的光强，以得到与所述待测表面相对应的一组光强信息，并获取各个对应p分量和s分量之间的相位关系信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a之前还包括：

O.对所述预定数量个固定检偏方位角，所述固定起偏方位角，和所述偏振光的入射角中的未知项进行定标，以得到经确定的所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角以及所述预定数量个固定检偏方位角；

所述步骤a还包括：

a1.根据所述经确定的所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角和所述预定数量个固定检偏方位角，根据所述预定方式确定所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤O包括：

O1.根据所述固定起偏方位角来对所述光线进行起偏，以得到偏振光；

O2.将所述偏振光照射在一个参考表面上，以得到经所述参考表面反射、和/或透射、和/或衍射后的特征光；

O3.将所述参考表面的特征光进行分光，以生成与所述参考表面相对应的预定数量个分光；

O4.根据所述预定数量个固定检偏方位角来对与所述参考表面相对应的预定数量个分光进行检偏，分离各个与所述待测表面相对应的分光的p分量和s分量；

O5.分别检测与所述参考表面相对应的各个分光的p分量和s分量的光强，以得到与所述参考表面相对应的一组光强信息；

O6.更换参考表面并重复所述步骤O1至O5，直至已获得的一组或多组与参考表面相对应的光强信息满足第二预定条件；

O7.根据已获得的一组或多组光强信息，利用预定的定标方法确定所述预定数量个固定检偏方位角，所述固定起偏方位角，和所述偏振光的入射角中的未知项，以得到经确定的固定起偏方位角、所述偏振光的入射角以及所述预定数量个固定检偏方位角。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定方式包括：

-基于所述的光强信息，计算光强的傅立叶系数和/或椭偏系数；

-基于所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息与光强的傅立叶系数和/或椭偏系数的单调关系，根据计算得到的光强的傅立叶系数和/或椭偏系数，获取所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预定方式包括：

使用数值计算的逼近原理，拟合逼近理论的所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息与光强的傅立叶系数的单调关系，从而求解出所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预定方式具体包括：

以所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息、所述固定起偏方位 角、所述偏振光的入射角、所述固定检偏方位角为变量，用数值计算的逼近原理，以检测到的所述p分量和s分量的光强与其对应理论光强差的平方和为目标函数，建立非线性方程，用非线性优化方法拟合理论光强和表面特性信息的关系曲线，求解出所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的定标方法包括使用数值计算的逼近原理，拟合逼近理论曲线，从而求解出所述待定标的所述固定起偏方位角，所述偏振光的入射角，和所述固定检偏方位角中的未知项。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定的定标方法包括：

以所述参考表面的特性信息、所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角、所述固定检偏方位角为变量，用数值计算的逼近原理，以检测到的所述p分量和s分量的光强与其对应理论光强差的平方和为目标函数，为一个或多个所述参考表面分别建立对应的非线性方程；根据与一个或多个所述参考表面对应的一个或多个非线性方程，用非线性优化方法拟合理论的光强和表面特性信息的关系曲线，求解出所述固定起偏方位角，所述偏振光的入射角，和所述固定检偏方位角中的未知项。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一预定条件包括：

根据所述与一个或多个所述参考表面对应的一个或多个非线性方程，能够求解出所述固定起偏方位角，所述偏振光的入射角，和所述固定检偏方位角中的未知项。

11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预定的定标方法包括使用数值计算的逼近原理，拟合逼近理论曲线，从而求解出所述待定标的所述预定数量个固定检偏方位角、所述固定起偏方位角，和所述偏振光的入射角中的未知项。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述预定的定标方法包括： 

-以所述参考表面的特性信息、所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角、所述预定数量个固定检偏方位角为变量，用数值计算的逼近原理，以检测到的所述p分量和s分量的光强与其对应理论光强差的平方和为目标函数，为一个或多个所述参考表面分别建立对应的非线性方程；

-根据与一个或多个所述参考表面对应的一个或多个非线性方程，用非线性优化方法拟合理论光强和表面特性信息的关系曲线，求解出所述预定数量个固定检偏方位角，所述固定起偏方位角，和所述偏振光的入射角中的未知项。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二预定条件包括：

根据所述与一个或多个所述参考表面对应的一个或多个非线性方程，能够求解出所述预定数量个固定检偏方位角，所述固定起偏方位角，和所述偏振光的入射角中的未知项。

14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预定方式包括：

-根据所得到的与所述待测表面相对应的一组光强信息，获取与所述待测表面相对应的椭偏系数；

-基于预存的一组或多组表面的特性信息与椭偏系数的映射关系，根据与所述待测表面相对应的椭偏系数，获取所述待侧表面的特性信息。

15.一种基于椭圆偏振技术的对待测表面的由电磁波探测到的特性信息进行确定的装置，其中，包括：

起偏器，用于根据固定起偏方位角来对光线进行起偏，以得到偏振光，并将该偏振光照射在所述待测表面上，以得到经所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射后的特征光；

检偏器，用于根据固定检偏方位角来对所述特征光中的一个或多个进行检偏，分离出所述一个或多个特征光各自的p分量和s分量；

检测处理装置，分别检测所述特征光的p分量和s分量的光强，以 得到与所述待测表面相对应的一组p分量和s分量的光强信息，并获取其之间的相位关系信息；

还包括：

第一定标装置，用于对所述固定起偏方位角，所述偏振光的入射角，和所述固定检偏方位角中的未知项进行定标，以得到经确定的所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角、所述固定检偏方位角；

计算装置，用于基于所得到的与所述待测表面相对应的一组光强信息以及所述经确定的所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角、所述固定检偏方位角，来根据预定方式确定所述待测表面的所述特性信息。

其中，

所述起偏器还用于，根据所述固定起偏方位角来对所述光线进行起偏，以得到偏振光，并将所述偏振光照射在特性信息已知的参考表面上；

所述检偏器还用于，根据所述固定检偏方位角来对经所述参考表面反射、和/或透射、和/或衍射后的特征光进行检偏，分离出所述特征光的p分量和s分量；

所述检测处理装置还用于，分别检测所述特征光的p分量和s分量的光强，以得到与所述参考表面相对应的一组光强信息；

其中，还包括：

第一判断装置，用于判断已获得一组或多组与各个参考表面相对应的光强信息是否满足第一预定条件；

当所述预定条件不满足时，将所述参考表面更换为另一个参考表面，所述起偏器、所述检偏器和所述检测处理装置重复操作，直至所述预定条件满足；

其中，所述第一定标装置还用于：

-根据所述已获得的一组或多组与各个参考表面相对应的光强信息，利用预定的定标方法来对所述固定起偏方位角，所述偏振光的入射角，和所述固定检偏方位角中的未知项进行定标，以得到经确定的所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角、所述固定检偏方位角。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括：分光器，用于将所述待测表面反射、和/或透射、和/或衍射来的所述特征光进行 分光，以生成预定数量个与所述待测表面相对应的分光；

其中，所述检偏器还用于，根据预定数量个固定检偏方位角来对所述预定数量个与所述待测表面相对应的分光分别进行检偏，分离出各个与所述待测表面相对应的分光各自的p分量和s分量；

其中，所述检测处理装置还用于，分别检测与所述待测表面相对应的各个分光各自的p分量和s分量的光强，以得到与所述待测表面相对应的一组光强信息，并获取各个对应p分量和s分量之间的相位关系信息。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括：

第二定标装置，用于对所述预定数量个固定检偏方位角，所述固定起偏方位角，和所述偏振光的入射角中的未知项进行定标，以得到经确定的所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角以及所述预定数量个固定检偏方位角；

所述计算装置还用于，基于所述经确定的所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角，以及所述预定数量个固定检偏方位角，来根据所述预定方式确定所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于：

所述起偏器还用于，根据所述固定起偏方位角来对所述光线进行起偏，以得到偏振光，并将所述偏振光照射在一个参考表面上，以得到所述参考表面反射、和/或透射、和/或衍射来的特征光；

所述分光器还用于，将所述参考表面反射、和/或透射、和/或衍射来的所述特征光进行分光，以生成与所述参考表面相对应的预定数量个分光；

所述检偏器还用于，根据所述预定数量个固定检偏方位角来对与所述参考表面相对应的预定数量个分光进行检偏，分离各个与所述待测表面相对应的分光的p分量和s分量；

所述检测处理装置还用于，分别检测与所述参考表面相对应的各个分光中的的p分量和s分量的光强，以得到与所述参考表面相对应的一组光强信息； 

其中，还包括：

第二判断装置，用于判断已获得的一组或多组与参考表面相对应的光强信息是否满足第二预定条件；

当所述预定条件不满足时，将所述参考表面更换为另一个参考表面，所述起偏器、所述分光器、所述检偏器和所述检测处理装置重复操作，直至所述预定条件满足；

其中，所述第二定标装置还用于，根据已获得的一组或多组与各个参考表面相对应的光强信息，利用预定的定标方法确定所述预定数量个固定检偏方位角，所述固定起偏方位角，和所述偏振光的入射角中的未知项，以得到经确定的固定起偏方位角、所述偏振光的入射角以及所述预定数量个固定检偏方位角。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的装置，其特征在于，所述预定方式包括：

-基于所述的光强信息，计算光强的傅立叶系数和/或椭偏系数；

-基于所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息与光强的傅立叶系数和/或椭偏系数的单调关系，根据计算得到的光强的傅立叶系数和/或椭偏系数，获取所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息。

20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述预定方式包括：

使用数值计算的逼近原理，拟合逼近理论曲线的所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息与光强的傅立叶系数的单调关系，从而求解出所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息。

21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述预定方式包括：

以所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息、所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角、所述固定检偏方位角为变量，用数值计算的逼近原理，以检测到的所述p分量和s分量的光强与其对应理论光强差的平方和为目标函数，建立非线性方程，用非线性优化方法拟合理论光强和表面特性信息的关系曲线，求解出所述待测表面的由电磁波探测到的特性信息。

22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述预定的定标方 法包括：

使用数值计算的逼近原理，拟合逼近理论曲线，从而求解出所述待定标的所述固定起偏方位角，所述偏振光入射角，和所述固定检偏方位角中的未知项。

23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述预定的定标方法包括：

以所述参考表面的特性信息、所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角、所述固定检偏方位角为变量，用数值计算的逼近原理，以检测到的所述p分量和s分量的光强与其对应理论光强差的平方和为目标函数，为一个或多个所述参考表面分别建立相应的非线性方程；根据与所述一个或多个参考表面对应的一个或多个非线性方程，用非线性优化方法拟合理论光强和表面特性信息的关系曲线，求解出所述固定起偏方位角，所述偏振光的入射角，和所述固定检偏方位角中的未知项。

24.根据权利要求23所述的装置，其特征在于，所述第一预定条件包括：

根据所述与一个或多个所述参考表面对应的一个或多个非线性方程，能够求解出所述固定起偏方位角，所述偏振光的入射角，和所述固定检偏方位角中的未知项。

25.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述预定的定标方法包括：

使用数值计算的逼近原理，拟合逼近理论曲线，从而求解出所述预定数量个固定检偏方位角，所述待定标的所述固定起偏方位角，和所述偏振光的入射角中的未知项。

26.根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述预定的定标方法包括：

以所述参考表面的特性信息、所述固定起偏方位角、所述偏振光的入射角、所述预定数量个固定检偏方位角为变量，用数值计算的逼近原理，以检测到的所述p分量和s分量的光强与其对应理论光强差的平方和为目标函数，为一个或多个所述参考表面分别建立相应的非线性方 程；根据与一个或多个所述参考表面对应的一个或多个非线性方程，用非线性优化方法拟合理论的光强和表面特性信息的关系曲线，求解出所述预定数量个固定检偏方位角，所述固定起偏方位角，和所述偏振光的入射角中的未知项。

27.根据权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第二预定条件包括：根据所述与一个或多个所述参考表面对应的一个或多个非线性方程，能够求解出所述预定数量个固定检偏方位角，所述固定起偏方位角，和所述偏振光的入射角中的未知项。

28.根据权利要求15或16所述的装置，其特征在于，所述预定方式包括：

-根据所得到的与所述待测表面相对应的一组光强信息，获取与所述待测表面相对应的椭偏系数；

-基于预存的一组或多组表面的特性信息与椭偏系数的映射关系，根据与所述待测表面相对应的椭偏系数，获取所述待侧表面的特性信息。

29.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述检测处理装置包括：

光强检测器，用于分别检测所述特征光的p分量和s分量的光强，以得到与所述待测表面相对应的一组p分量和s分量的光强信息；

处理器，用于获取所述p分量和s分量之间的相位关系信息。 

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