CN111122460A - 单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法和装置 - Google Patents

单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法和装置，将任意厚度的标准样件作为待测样件，使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪进行测量，对测量获得的光强谐波信号进行傅里叶分析，采用全局拟合算法，通过拟合测量光强信号和理论光强信号的傅里叶系数，获得首个波长点系统参数的校准结果。并以上一个波长点系统参数的校准结果作为下一个波长点系统参数的校准初值，采用逐波长拟合算法，获得每一个波长点的系统参数校准值，进而获得全光谱范围的系统参数。本发明中的基于全局拟合时由于参与拟合的全光谱内有几百上千个波长，因此计算得到的单波长系统参数已经非常接近系统参数真实值。

Description

单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法和装置
技术领域
本发明实施例涉及精密光学测量仪器系统参数校准领域，尤其涉及一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法和装置。
背景技术
单旋转补偿器型光谱椭偏仪作为光谱椭偏仪的一种，利用旋转补偿器结合偏振器件获得特定的椭圆偏振光投射到待测样品表面，通过测量待测样品的反射光(或者透射光)，以获得偏振光在反射(或者透射)前后的偏振态变化(包括振幅比和相位差)，进而从中提取出待测样品的信息。
单旋转补偿器型光谱椭偏仪可用于金属、薄膜材料、电光材料、二维材料、各向同性材料和器件的光学常数分析，还可用于薄膜材料的表面、界面及厚度分析。特别是在大规模纳米制造领域，成为纳米结构薄膜的光学常数、膜厚、纳米结构特征线宽、线高、侧壁角等几何参数进行大面积、快速、低成本、非破坏性的精确测量的重要手段。
使用单旋转补偿器型光谱椭偏仪对样品进行测量前，需要对系统参数进行校准，以获得准确的系统参数值。一般的单旋转补偿器型光谱椭偏仪的系统参数主要包括：1)起偏器的初始方位角P，即起偏器光轴方向与入射面的夹角；2)检偏器的初始方位角A，即检偏器光轴方向与入射面的夹角；3)补偿器的方位角C，定义C＝ωt-Cs，为补偿器光轴，亦称为快轴，与入射面的夹角，其中Cs为补偿器的初始方位角；4)补偿器的相位延迟量δ。
单旋转补偿器型光谱椭偏仪在实际校准过程中除了需要校准系统参数中的P，A，C，δ四个参数外还同时需要校准仪器校准测量过程中的入射角和标准样品膜层厚度以及复折射率函数。标准样品的复折射率函数一般认为是已知的。所以需要校准的系统参数共有6个。但是单旋转补偿器在单次校准过程中仅能获取4个有效的傅里叶系数。获得的数据量不足，无法进行精确校准，因此必须要增加校准过程中的数据量。
目前常规的方法主要包括以下几种：第一种是在系统校准之前离线测量复合波片的相位延迟量δ，提前获取补偿器的相关参数，但是这种方式的测量准确性无法得到保证。第二种是在校准过程中使用电机旋转起偏器或检偏器，获取不同P或A下的校准数据，但是电机会增加仪器控制系统和光路结构的复杂性。第三是通过在起偏器方位角P和检偏器方位角A校准之后，将椭偏仪测量模式调整为直通模式校准其他系统参数，但是校准过程发生变动也会影响校准的精度。上述校准方法均无法在单次测量后校准所有的系统参数。
发明内容
本发明实施例提供一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法和装置，用以解决现有技术无法在单次测量后校准所有的系统参数，且测量准确性无法保证的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法，包括：
S1，获取标准样件的测量光强信号，对所述测量光强信号进行傅里叶分析，计算所述测量光强信号的测量傅里叶系数；其中，所述测量光强信号是使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪以设定入射角度对标准样件进行测量得到的；
S2，对所述待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪系统进行建模，计算理论光强信号的理论傅里叶系数，采用全局拟合方式，通过拟合所述测量傅里叶系数和理论傅里叶系数，获取单个波长下的系统参数值；
S3，将所述单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数。
进一步，步骤S1中，对所述测量光强信号进行傅里叶分析，包括：
在设定的光强积分时间π/Nω内，测量第j个采集点得到的光强谐波信号Sj，表示为：
Figure BDA0002350756900000031
在单旋转补偿器型光谱椭偏仪中，谐波信号的光强测量值I(t)只包含0倍频，2倍频和4倍频的谐波分量；
I(t)＝I0[1+α2cos(2ωt-2CS)+β2sin(2ωt-2CS)+
α4cos(4ωt-4CS)+β4sin(4ωt-4CS)]
其中，I(t)为谐波信号的光强测量值，I0表示光强谐波信号Sj的直流分量，t表示光谱仪开始采集后补偿器旋转的时间，N为采样点数，采样点数N大于等于5，α2n、β2n表示测量光强信号归一化的傅里叶系数；
由于单旋转补偿器型光谱椭偏仪的电机转动初始时刻，安装在所述电机上的补偿器的初始位置无法准确得知，在对所述测量光强信号进行傅里叶分析时，补偿器的初始方位角是无法得知的，因此对于探测器的测量光强信号α’2n、β’2n具有如下形式:
I(t)＝I0[1+α'2(2ωt)+β'2sin(2ωt)+α'4cos(4ωt)+β'4sin(4ωt)]
对所述测量光强信号进行傅里叶分析，可以得到测量傅里叶系数和归一化的傅里叶系数存在如下关系：
Figure BDA0002350756900000032
进一步，步骤S2中，采用全局拟合方式，通过拟合所述测量傅里叶系数和理论傅里叶系数，获取单个波长下的系统参数值，包括：
采用全局拟合方式，通过拟合全光谱下每个波长的测量信号和理论信号的傅里叶系数，获得单旋转补偿器型光谱椭偏仪校准系统参数在全光谱内的系数，包括起偏器的初始方位角P，检偏器的初始方位角A，补偿器的初始方位角Cs，以及补偿器的相位延迟量δ关于波长的多项式系数P0，P1。
进一步，步骤S3中，将所述单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数，具体包括：
S31，将薄膜厚度和入射角、检偏器方位角或起偏器的方位角设置为S2中单个波长下的系统参数值；计算首波长的补偿器相位延迟量δ，则波长λ。的系统参数的校准初值b0(λ0)＝b(P,C,δ)或b0(λ0)＝b(A,C,δ)；将其作为下一个波长点系统参数的校准初值；
S32，利用LM迭代算法对第i个波长点系统参数进行校准，获得并储存第i个波长点下的系统参数校准值b(λi)；
S33，令i＝i+1，b0(λi+1)＝b(λi)，将第i个波长点的系统参数校准值b(λi)作为第i+1波长点系统参数校准初值。
S34，重复S32和S33，直到校准完成全光谱范围内的系统参数。
进一步，在S34校准完成全光谱范围内的系统参数后，所述方法还包括：
存储全光谱范围内的校准参数。
进一步，所述标准样件为光学常数稳定并且已知的任意厚度的薄膜。
第二方面，本发明实施例提供一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准装置，包括：
测量模块，用于获取标准样件的测量光强信号，计算所述测量光强信号的测量傅里叶系数；其中，所述测量光强信号是使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪以设定入射角度对标准样件进行测量得到的；
全局拟合模块，用于对所述待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪系统进行建模，计算理论光强信号的理论傅里叶系数，采用全局拟合方式，通过拟合所述测量傅里叶系数和理论傅里叶系数，获取单个波长下的系统参数值；
逐点拟合模块，用于将所述单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面实施例所述方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面实施例所述方法的步骤。
本发明实施例提供一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法和装置，将任意厚度的标准样件作为待测样件，使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪进行测量，对测量获得的光强谐波信号进行傅里叶分析，采用全局拟合算法，通过拟合测量光强信号和理论光强信号的傅里叶系数，获得首个波长点系统参数的校准结果。并以上一个波长点系统参数的校准结果作为下一个波长点系统参数的校准初值，采用逐波长拟合算法，获得每一个波长点的系统参数校准值，进而获得全光谱范围的系统参数。本发明中的基于全局拟合时由于参与拟合的全光谱内有几百上千个波长，因此计算得到的单波长系统参数已经非常接近系统参数真实值。一般各类光谱椭偏仪的光谱分辨率均小于1nm，所以由于色差的影响光谱椭偏仪的系统参数和标准样件的光学常数在两个相邻的波长点上的差异是非常小的。因此，本发明中校准方法的初值具有足够的精度，进而校准获得的全光谱范围的系统参数具有很高的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法流程示意图；
图2为单旋转补偿器型光谱椭偏仪的结构示意图；
图3是本发明实施实例中单旋转补偿器型光谱椭偏仪的旋转补偿器初始方位角Cs全光谱范围的校准曲线图；
图4为本发明实施例中单旋转补偿器型光谱椭偏仪的旋转补偿器相位延迟量δ全光谱范围的校准曲线图；
图5为本发明实施例中单旋转补偿器型光谱椭偏仪的起偏器初始方位角P全光谱范围的校准曲线图；
图6是本发明实施例中单旋转补偿器型光谱椭偏仪的检偏器初始方位角A全光谱范围的校准曲线图；
图7为本发明实施例提供的单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准装置的结构框图；
图8为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、光源，2、准直透镜，3、起偏器，4、电机，5、补偿器，6、样品台，7、检偏器，8、汇聚透镜，9、光谱仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
使用单旋转补偿器型光谱椭偏仪对样品进行测量前，需要对系统参数进行校准，以获得准确的系统参数值。一般的单旋转补偿器型光谱椭偏仪的系统参数主要包括：1)起偏器的初始方位角P，即起偏器光轴方向与入射面的夹角；2)检偏器的初始方位角A，即检偏器光轴方向与入射面的夹角；3)补偿器的方位角C，定义C＝ωt-Cs，为补偿器光轴，亦称为快轴，与入射面的夹角，其中Cs为补偿器的初始方位角；4)补偿器的相位延迟量δ。本实施例中，补偿器即是指单旋转补偿器型光谱椭偏仪的旋转补偿器。
现有的单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法，无法在单次测量后校准所有的系统参数，且测量准确性无法保证。针对这一问题，本发明实施例提供一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。
图1为本发明实施例提供的单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法的结构示意图，本发明的目的在于提供一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪的系统参数校准方法，该方法可以实现通过单次测量快速准确地获取单旋转补偿器型光谱椭偏仪全光谱范围的系统参数。如图1所示，该方法包括：
S1，获取标准样件的测量光强信号，对所述测量光强信号进行傅里叶分析，计算所述测量光强信号的测量傅里叶系数；其中，所述测量光强信号是使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪以设定入射角度对标准样件进行测量得到的。
S2，对所述待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪系统进行建模，计算理论光强信号的理论傅里叶系数，采用全局拟合方式，通过拟合所述测量傅里叶系数和理论傅里叶系数，获取单个波长下的系统参数值；
S3，将所述单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数。
具体地，在执行步骤S1之前，首先需要使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪以设定入射角度对标准样件进行测量。
图2为单旋转补偿器型光谱椭偏仪的结构示意图。首先，将单旋转补偿器型光谱椭偏仪的起偏臂和检偏臂调整至设定的入射角度；此处，设定的入射角度优选为60°～65°。本实例中以设定的入射角度为65°为例，起偏臂的电机4带动补偿器5以恒定转速进行旋转，光源1和光谱仪9的光谱范围为400nm-800nm。
然后，将标准样件放置于样品台6上；此处，标准样件可以是任何光学常数稳定并且已知的任意厚度的薄膜，如硅基底二氧化硅薄膜或者硅基底氮化硅薄膜。本实例中使用的标准样件为薄膜厚度为25nm的硅基底二氧化硅薄膜。
接着，使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪对标准样件进行测量，由于光谱椭偏仪的补偿器5以恒定转速进行旋转，结合起偏器3，本质就是对光束的偏振态进行调制，因此经过样件反射后的测量光强信号是一个光强谐波信号。可以通过测量多个光学周期的光强谐波信号进行平均处理，以获得更加准确的光强谐波信号。光源1依次经过准直透镜2、起偏器3和补偿器5至样品台6上的标准样件，经标准样件反射的椭圆偏振光依次经过检偏器7和汇聚透镜8，最后进入光谱仪9中。
进一步地，在光谱椭偏仪对标准样件的测量完成后，执行步骤S1，获取标准样件的测量光强信号，对所述测量光强信号进行傅里叶分析，计算所述测量光强信号的测量傅里叶系数。
对测量光强信号进行傅里叶分析的过程可以包括：在设定的光强积分时间π/Nω内，测量第j个采集点得到的光强谐波信号Sj，表示为：
Figure BDA0002350756900000091
其中N表示对光学周期进行N等分，光强积分时间为π/Nω。
在单旋转补偿器型光谱椭偏仪中，谐波信号的光强测量值I(t)只包含0倍频，2倍频和4倍频的谐波分量；对单旋转补偿器型椭偏仪探测器采集的光强谐波信号进行傅里叶分析，其光强信号可以写成傅里叶级数展开式的形式：
Figure BDA0002350756900000092
其中，I(t)为谐波信号的光强测量值，I0表示光强谐波信号Sj的直流分量，t表示光谱仪开始采集后补偿器旋转的时间，N为采样点数，采样点数N大于等于5，α2n、β2n表示测量光强信号归一化的傅里叶系数，α2n、β2n同时是指光强谐波信号2n倍频的傅里叶系数。
由于单旋转补偿器型光谱椭偏仪的电机转动初始时刻，安装在所述电机上的补偿器的初始位置无法准确得知，在对所述测量光强信号进行傅里叶分析时，补偿器的初始方位角是无法得知的，因此对于探测器的测量光强信号α’2n、β’2n具有如下形式；此处，探测器即是指单旋转补偿器型光谱椭偏仪探测器。
I(t)＝I0[1+α'2(2ωt)+β'2sin(2ωt)+α'4cos(4ωt)+β'4sin(4ωt)] (3)
对所述测量光强信号进行傅里叶分析，可以得到测量傅里叶系数和归一化的傅里叶系数存在如下关系：
Figure BDA0002350756900000101
将式(2)与式(3)进行对比，可以得到单旋转补器型椭偏仪测量信号的傅里叶系数表达式，包括：
I0＝(1+T3 cos2A')-(T3+cos2A')cos2ψ+T4 sin2A'sin2ψcosΔ (5)
Figure BDA0002350756900000102
Figure BDA0002350756900000103
Figure BDA0002350756900000104
Figure BDA0002350756900000105
在实际的测量过程中，单旋转补偿器型椭偏仪探测器对探测到的光强会进行多次的积分得到光强谐波信号Sj的直流分量的表达式(10)，这个过程称为Hadamard分析。其中N表示对光学周期进行N等分，光强积分时间为π/Nω。从式子中可以看出，共有五个傅里叶系数，所以只需要N≥5便可以通过直接解方程或最小二乘法的方式解出光强谐波信号Sj的五个傅里叶系数。
Figure BDA0002350756900000106
式中，I'0表示实际测量后经过多次积分后得到的光强信号。
S2中，对所述待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪系统进行建模，具体包括：
用斯托克斯向量和穆勒矩阵来描述偏振光、样件和偏振光学元件，则PCrSA单旋转补偿器型椭偏系统的出射偏振光的斯托克斯向量可以表示为穆勒矩阵按偏振元件顺序相乘的形式。下式为检偏器出射的偏振光向量Sout的表达式。其中，检偏器出射的偏振光向量Sout即是本发明实施例中的理论光强信号。
Sout＝MAR(A)MSR(-C)MCR(C)R(-P)MPSin (11)
其中Sout＝[S0 S1 S2 S3]T，Sin＝[1 0 0 0]T为完全非偏振光的斯托克斯向量，上标T表示转置矩阵。MA、MS、MC、MP分别为检偏器、样品、补偿器、起偏器的穆勒矩阵。而A'、P'、C'分别为检偏器、起偏器和补偿器的快轴方位角，是各光学元件快轴偏离入射平面的角度。定义角度C'＝ωt-Cs，其中ω为带动补偿器旋转的电机连续转动的角频率，Cs为补偿器的初始方位角。R(A’)、R(C’)和R(P’)分别为检偏器、补偿器和起偏器的旋转矩阵。各穆勒矩阵如下：
Figure BDA0002350756900000111
Figure BDA0002350756900000112
Figure BDA0002350756900000113
Figure BDA0002350756900000114
Figure BDA0002350756900000115
Figure BDA0002350756900000121
将式(12)～(17)代入式(11)可得出射光光强：
Figure BDA0002350756900000122
其中：
Figure BDA0002350756900000123
以上各式中，I'(t)表示谐波信号的光强理论值；ψ表示样品的振幅比角，Δ表示样品的相位差；
Figure BDA0002350756900000124
表示补偿器在光谱带宽和锥形入射的影响下的振幅比比角，在理想情况下，
Figure BDA0002350756900000125
T1～T4表示上述公式。本实施例中，样品即是指标准样件。
根据式(18)可以得到理论傅里叶系数。此处，理论傅里叶系数即是指理论光强信号的傅里叶系数。
在单旋转补偿器型椭偏仪对未知样件的测量过程中，P、A、Cs、δ等系统参数为已知量，所以在测量之前这些系统参数必须得到准确的校准。其中，P为起偏器的初始方位角，即起偏器光轴方向与入射面的夹角；A为检偏器的初始方位角，Cs为补偿器的初始方位角；δ为补偿器的相位延迟量。通过回归迭代算法，对测量傅里叶系数与系统模型计算得到的理论傅里叶系数进行拟合来校准系统参数。从式(4)可知测量傅里叶系数(α'2n,β'2n)是归一化的傅里叶系数(α2n,β2n)以及补偿器的初始方位角Cs的函数。通过式(11)和式(5)～式(9)可知，归一化的傅里叶系数(α2n,β2n)是通过系统参数(P、A、C、δ)用穆勒矩阵相乘的方式获得。而标准样件的椭偏参数是入射角θ、薄膜样品的厚度d及光学常数的函数。通常光学常数为已知量。所以测量傅里叶系数(α'2n,β'2n)实际上可以看作是系统参数(P、A、Cs、δ)、入射角θ和膜厚d函数，即Π(b)＝Π(P,A,Cs,δ,θ,d)。其中，Π(b)为通过系统模型计算得到的傅里叶系数向量，b表示待校准的系统参数。此处，系统模型是S2中对所述待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪系统进行建模得到的。
每个波长下的光强数据信号经过归一化处理后，仅能获得4个有效傅里叶系数α2,β2,α4,β4。无法通过逐波长拟合方式获得6个系统参数。由于起偏器的初始方位角P，检偏器的初始方位角A，补偿器的初始方位角Cs，入射角θ、薄膜样品的厚度d在全光谱范围内的数值基本保持不变，随着波长的变化仅会发生微小的变化。补偿器的相位延迟量δ关于随波长的变化而变化，可以表示为公式：
δ＝P0*90*(1+P1/λ2)/λ (20)
其中P0,P1为补偿器的相位延迟量δ关于波长的多项式系数，P0，P1也即需要校准的多项式系数；λ为波长值。
单旋转补偿器型光谱椭偏仪的所有系统参数在全光谱范围内可以表示成波长的函数，即：
Figure BDA0002350756900000131
采用全局拟合方式，通过拟合全光谱内所有波长点的测量信号和理论信号的傅里叶系数，在单旋转补偿器型光谱椭偏仪的校准过程中可以采用如Levenberg-Marquardt方法(L-M方法)之类的非线性回归迭代算法对系统参数进行快速的校准。获得单个波长下的系统参数值P,A,CS,P0,P1,θ,d。
步骤S3中，将单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数，具体包括：
S31，将薄膜厚度和入射角、检偏器方位角或起偏器的方位角设置为S2中单个波长下的系统参数值；计算首波长的补偿器相位延迟量δ，则波长λ。的系统参数的校准初值b0(λ0)＝b(P,C,δ)或b0(λ0)＝b(A,C,δ)；将其作为下一个波长点系统参数的校准初值。
具体地，利用校准获得的6个系数为初值。固定薄膜厚度和入射角、检偏器方位角或起偏器的方位角。并将第一个波长λ0和需要校准的多项式系数P0,P1代入公式(10)，计算得到首波长的补偿器相位延迟量δ。
在单旋转补偿器型光谱椭偏仪中采用的补偿器可能会产生旋光效应，旋光效应随着波长的不同而发生变化。旋光效应会耦合到与补偿器相邻的偏振光学器件中，使相邻偏振光学器件的方位角随着波长的变化而改变，同时也使补偿器自身的初始方位角CS随波长λ变化。
因此系统参数中的P或A,CS会随着波长λ的不同发生微小的变化，由于波长具有连续性，且在系统校准的过程中两相邻波长之间的差值很小，所以两相邻波长点系统参数之间的差异也较小，因此可以将上一个波长点系统参数的校准结果作为下一个波长点系统参数的校准初值。波长λ。的系统参数的校准初值b0(λ0)＝b(P,C,δ)或b0(λ0)＝b(A,C,δ)。
S32，利用LM迭代算法对第i个波长点系统参数进行校准，获得并储存第i个波长点下的系统参数校准值b(λi)；
S33，令i＝i+1，b0(λi+1)＝b(λi)，将第i个波长点的系统参数校准值b(λi)作为第i+1波长点系统参数校准初值。
S34，重复S32和S33，直到校准完成全光谱范围内的系统参数。
在S34校准完成全光谱范围内的系统参数后，存储全光谱范围内的校准参数。全光谱范围内的系统参数校准结果如图3～图6所示。其中，图3是本发明实施实例中单旋转补偿器型光谱椭偏仪的旋转补偿器初始方位角Cs全光谱范围的校准曲线图；图4为本发明实施例中单旋转补偿器型光谱椭偏仪的旋转补偿器相位延迟量δ全光谱范围的校准曲线图；图5为本发明实施例中单旋转补偿器型光谱椭偏仪的起偏器初始方位角P全光谱范围的校准曲线图；图6是本发明实施例中单旋转补偿器型光谱椭偏仪的检偏器初始方位角A全光谱范围的校准曲线图。
本发明实施例提供的单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法，将任意厚度的标准样件作为待测样件，使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪进行测量，对测量获得的光强谐波信号进行傅里叶分析，采用全局拟合算法，通过拟合测量光强信号和理论光强信号的傅里叶系数，获得首个波长点系统参数的校准结果。并以上一个波长点系统参数的校准结果作为下一个波长点系统参数的校准初值，采用逐波长拟合算法，获得每一个波长点的系统参数校准值，进而获得全光谱范围的系统参数。
本发明中的基于全局拟合时由于参与拟合的全光谱内有几百上千个波长，因此计算得到的单波长系统参数已经非常接近系统参数真实值。一般各类光谱椭偏仪的光谱分辨率均小于1nm，所以由于色差的影响光谱椭偏仪的系统参数和标准样件的光学常数在两个相邻的波长点上的差异是非常小的。因此，本发明中校准方法的初值具有足够的精度，进而校准获得的全光谱范围的系统参数具有很高的精度。
上述实施案例中叙述的操作步骤时仅以单旋转补偿器型光谱椭偏仪，400nm到800nm光谱范围，补偿器以一定转速的转速进行匀速旋转为例。对于其它配置的单旋转器件型光谱椭偏仪，或者不同的光谱范围，本发明中的校准方法同样适用。
图7为本发明实施例提供的单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准装置的结构框图，参照图1～图7，该装置包括：
测量模块701，用于获取标准样件的测量光强信号，计算所述测量光强信号的测量傅里叶系数；其中，所述测量光强信号是使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪以设定入射角度对标准样件进行测量得到的；
全局拟合模块702，用于对所述待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪系统进行建模，计算理论光强信号的理论傅里叶系数，采用全局拟合方式，通过拟合所述测量傅里叶系数和理论傅里叶系数，获取单个波长下的系统参数值；
逐点拟合模块703，用于将所述单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数。
具体地，本发明实施例提供的单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准装置，具体用于执行上述方法实施例中的单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法的步骤，由于上述实施例中已对单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法进行详细介绍，此处不对单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准装置的功能模块进行赘述。
图8示例了一种电子设备结构示意图，如图8所示，该服务器可以包括：处理器(processor)801、通信接口(Communications Interface)802、存储器(memory)803和通信总线804，其中，处理器801，通信接口802，存储器803通过通信总线804完成相互间的通信。处理器801可以调用存储器803中的逻辑指令，以执行如下方法：获取标准样件的测量光强信号，对所述测量光强信号进行傅里叶分析，计算所述测量光强信号的测量傅里叶系数；其中，所述测量光强信号是使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪以设定入射角度对标准样件进行测量得到的；对所述待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪系统进行建模，计算理论光强信号的理论傅里叶系数，采用全局拟合方式，通过拟合所述测量傅里叶系数和理论傅里叶系数，获取单个波长下的系统参数值；将所述单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数。。
本实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如上述各实施例中所述方法的步骤。例如包括：获取标准样件的测量光强信号，对所述测量光强信号进行傅里叶分析，计算所述测量光强信号的测量傅里叶系数；其中，所述测量光强信号是使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪以设定入射角度对标准样件进行测量得到的；对所述待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪系统进行建模，计算理论光强信号的理论傅里叶系数，采用全局拟合方式，通过拟合所述测量傅里叶系数和理论傅里叶系数，获取单个波长下的系统参数值；将所述单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数。
综上所述，本发明实施例提供一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法和装置，将任意厚度的标准样件作为待测样件，使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪进行测量，对测量获得的光强谐波信号进行傅里叶分析，采用全局拟合算法，通过拟合测量光强信号和理论光强信号的傅里叶系数，获得首个波长点系统参数的校准结果。并以上一个波长点系统参数的校准结果作为下一个波长点系统参数的校准初值，采用逐波长拟合算法，获得每一个波长点的系统参数校准值，进而获得全光谱范围的系统参数。本发明中的基于全局拟合时由于参与拟合的全光谱内有几百上千个波长，因此计算得到的单波长系统参数已经非常接近系统参数真实值。一般各类光谱椭偏仪的光谱分辨率均小于1nm，所以由于色差的影响光谱椭偏仪的系统参数和标准样件的光学常数在两个相邻的波长点上的差异是非常小的。因此，本发明中校准方法的初值具有足够的精度，进而校准获得的全光谱范围的系统参数具有很高的精度。
以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准方法，其特征在于，包括：
S1，获取标准样件的测量光强信号，对所述测量光强信号进行傅里叶分析，计算所述测量光强信号的测量傅里叶系数；其中，所述测量光强信号是使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪以设定入射角度对标准样件进行测量得到的；
S2，对所述待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪系统进行建模，计算理论光强信号的理论傅里叶系数，采用全局拟合方式，通过拟合所述测量傅里叶系数和理论傅里叶系数，获取单个波长下的系统参数值；
S3，将所述单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，对所述测量光强信号进行傅里叶分析，包括：
在设定的光强积分时间π/Nω内，测量第j个采集点得到的光强谐波信号Sj，表示为：
Figure FDA0002350756890000011
在单旋转补偿器型光谱椭偏仪中，谐波信号的光强测量值I(t)只包含0倍频，2倍频和4倍频的谐波分量；
I(t)＝I0[1+α2cos(2ωt-2CS)+β2sin(2ωt-2CS)+α4cos(4ωt-4CS)+β4sin(4ωt-4CS)]
其中，I(t)为谐波信号的光强测量值，I0表示光强谐波信号Sj的直流分量，t表示光谱仪开始采集后补偿器旋转的时间，N为采样点数，采样点数N大于等于5，α2n、β2n表示测量光强信号归一化的傅里叶系数；Cs为补偿器的初始方位角；ω为带动补偿器旋转的中空电机连续转动的角频率；
由于单旋转补偿器型光谱椭偏仪的电机转动初始时刻，安装在所述电机上的补偿器的初始位置无法准确得知，在对所述测量光强信号进行傅里叶分析时，补偿器的初始方位角是无法得知的，因此对于探测器的测量光强信号α’2n、β’2n具有如下形式:
I(t)＝I0[1+α′2(2ωt)+β′2sin(2ωt)+α′4cos(4ωt)+β′4sin(4ωt)]
对所述测量光强信号进行傅里叶分析，可以得到测量傅里叶系数和归一化的傅里叶系数存在如下关系：
Figure FDA0002350756890000021
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，采用全局拟合方式，通过拟合所述测量傅里叶系数和理论傅里叶系数，获取单个波长下的系统参数值，包括：
采用全局拟合方式，通过拟合全光谱下每个波长的测量信号和理论信号的傅里叶系数，获得单旋转补偿器型光谱椭偏仪校准系统参数在全光谱内的系数，包括起偏器的初始方位角P，检偏器的初始方位角A，补偿器的初始方位角Cs，以及补偿器的相位延迟量δ关于波长的多项式系数P0，P1。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3中，将所述单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数，具体包括：
S31，将薄膜厚度和入射角、检偏器方位角或起偏器的方位角设置为S2中单个波长下的系统参数值；并将第一个波长λ0和系数P0,P1代入公式，计算得到首波长的补偿器相位延迟量δ，则波长λ。的系统参数的校准初值b0(λ0)＝b(P,C,δ)或b0(λ0)＝b(A,C,δ)；将其作为下一个波长点系统参数的校准初值；
S32，利用LM迭代算法对第i个波长点系统参数进行校准，获得并储存第i个波长点下的系统参数校准值b(λi)；
S33，令i＝i+1，b0(λi+1)＝b(λi)，将第i个波长点的系统参数校准值b(λi)作为第i+1波长点系统参数校准初值；
S34，重复S32和S33，直到校准完成全光谱范围内的系统参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在S34校准完成全光谱范围内的系统参数后，所述方法还包括：
存储全光谱范围内的校准参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标准样件为光学常数稳定并且已知的任意厚度的薄膜。
7.一种单旋转补偿器型光谱椭偏仪参数校准装置，其特征在于，包括：
测量模块，用于获取标准样件的测量光强信号，计算所述测量光强信号的测量傅里叶系数；其中，所述测量光强信号是使用待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪以设定入射角度对标准样件进行测量得到的；
全局拟合模块，用于对所述待校准的单旋转补偿器型光谱椭偏仪系统进行建模，计算理论光强信号的理论傅里叶系数，采用全局拟合方式，通过拟合所述测量傅里叶系数和理论傅里叶系数，获取单个波长下的系统参数值；
逐点拟合模块，用于将所述单个波长下的系统参数值作为初值，采用逐点拟合的方式获得仪器每一个波长点的系统参数，进而获得全光谱的系统参数。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～6任一项所述方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～6任一项所述方法的步骤。
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