CN113777049A - 一种角分辨快照椭偏仪及其测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量相关技术领域，并公开了一种角分辨快照椭偏仪及其测量系统与方法。该椭偏仪包括照明光路单元和光谱采集单元，照明光路单元中设置有第一透镜和物镜，光线经过第一透镜汇聚在物镜的后焦面上，在物镜的作用下形成多束不同入射角的光束照射在待测样品表面；光谱采集模块包括多象限分析器、第二透镜和成像光谱仪，入射光线照射在待测样品表面后被待测样品反射，然后依次经过物镜、多象限分析器和第二透镜，最终在成像光谱仪中获得角分辨光谱，利用该角分辨光谱计算获得到达成像光谱仪反射光的偏振参数，进而获得待测样品的厚度和光学常数。通过本发明，解决现有技术难以解决的超薄膜高精度与高速在线测量的技术问题。

Description

一种角分辨快照椭偏仪及其测量系统与方法

技术领域

本发明属于光学测量相关技术领域，更具体地，涉及一种角分辨快照椭偏仪及其测量系统与方法。

背景技术

薄膜是实现器件小型化和系统集成化的有效手段，近年来，随着薄膜技术和薄膜材料的迅猛发展，各类新型薄膜材料大量涌现，薄膜制备和微细加工工艺不断创新，促使薄膜在集成电路、光电器件、平板显示、新型光伏太阳能电池、柔性电子等国家战略产业得到了更加广泛的应用。在上述领域中，纳米薄膜的厚度、材料的光学常数等参数会极大地影响最终产品的性能指标，因此，在生产过程中如何快速、准确、无损地检测上述参数，对提高IC制造、平板显示、光伏太阳能电池等产业的生产效率、产品良率以及降低成本具有十分重要的意义。伴随着学科交叉与融合，出现了以原子层沉积技术为代表的基于物理、化学原理的超薄膜制备新工艺与新技术，由于超薄膜极薄的厚度、复杂的色散关系和尺寸效应的存在，使得对薄膜特征参数的研究变得更具挑战性。

目前常用的薄膜测量技术主要有反射光谱技术和光谱椭偏技术。反射光谱测量技术测量纳米薄膜多层间的多光路干涉引起的反射率变化并利用光学模型对膜厚、光学常数等参数进行分析，由于典型的反射光谱测量系统以单光路的光谱信号测量为主，本质上是对光的绝对强度进行表征，因而测量反射光强度极易受到仪器、校准和样品缺陷的影响，测量信号随光强的漂移非常明显，严重影响测量的精度，使得该技术难以用于100nm以下薄膜的精确测量。典型的光谱椭偏技术通过测量反射光的偏振态变化来反演薄膜的厚度和光学常数，由于测量仪器中含有旋转运动部件或相位调制设备，因而限制了仪器的测量速度和稳定性；此外，典型的光谱椭偏仪结构光路包括倾斜的起偏臂和检偏臂，该光路结构采用的倾斜照明方式造成测量空间分辨率较低且易受薄膜振动影响使得测量光轴发生偏移造成显著测量误差；同时，典型的光谱椭偏仪在单次测量中无法获得偏振参数随光入射角度的变化关系，如果要获得反射光的偏振变化随入射角度的变化关系，还需要依次改变起偏臂的角度进行配置和测量，过程繁琐，操作复杂，难以满足工业生产中的高速在线测量需求。

因此，本领域亟待提出一种兼具高测量精度与高测量速度的薄膜测量技术，使得对100nm以下超薄膜的高可靠性在线测量得以实现。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种角分辨快照椭偏仪及其测量系统与方法，解决现有技术难以解决的超薄膜高精度与高速在线测量的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种角分辨快照椭偏仪，该椭偏仪包括照明光路单元和光谱采集单元，其中：

所述照明光路单元中设置有第一透镜和物镜，该第一透镜的焦平面与所述物镜的后焦面重合，所述物镜设置在待测样品的上方，该物镜的前焦面与待测样品的表面重合；光线经过所述第一透镜汇聚在所述物镜的后焦面上，在所述物镜的作用下形成多束不同入射角的光线照射在待测样品表面；

所述光谱采集单元包括多象限分析器、第二透镜和成像光谱仪，所述多象限分析器设置在所述第一透镜的后方，用于将入射光转换成包含两种偏振态的出射光，所述第二透镜的焦平面与第一透镜的焦平面重合，其与所述第一透镜形成中继镜组，将所述物镜后焦面上的像二次成像到所述成像光谱仪的狭缝平面，所述成像光谱仪的狭缝设置在第二透镜的焦平面处，该成像光谱仪将从所述狭缝采集的线型光信号进行光谱分散得到角分辨光谱；入射光线照射在待测样品表面后被待测样品反射，然后依次经过所述物镜、多象限分析器和第二透镜，最终在所述成像光谱仪中成像获得角分辨光谱，利用该角分辨光谱计算获得到达所述成像光谱仪反射光的偏振参数，进而获得待测样品的厚度和光学常数。

进一步优选地，所述光谱采集单元中还设置有第二非偏振分束镜，该第二非偏振分束镜设置在所述多象限分析器和第二透镜之间，该第二非偏振分束镜用于将所述多象限分析器的光分为两束。

进一步优选地，所述光谱采集单元中还包括第三透镜和面阵相机，该第三透镜设置在所述第二非偏振分束镜后方，用于将光束会聚在所述面阵相机像元平面，所述面阵相机设置在第三透镜的后方，与所述第二非偏振分束镜和第三透镜组成成像观察模块，用于所述起偏器和多象限分析器方位角的标定以及观察物镜后焦面成像质量并判断待测样品的对焦情况。

进一步优选地，所述照明光路单元还包括第一非偏振分束镜，该第一非偏振分束镜设置在所述第一透镜和多象限分析器之间，所述第一非偏振分束镜不仅在照明光路中实现光束的反射式传播，也在反射光路中实现光束的透射式传播。

进一步优选地，所述照明光路单元还包括光源、光纤、准直透镜、起偏镜和光阑，所述光源发出源光束，所述光纤用于将所述光源发出的源光束，所述准直透镜设置在所述光线后方，用于将发散光束进行准直，所述起偏器设置在所述准直镜后方，用于将光束变为具有特定偏振状态的线偏振光，所述光阑设置在所述第一非偏振分束镜的前方，用于限制光束的孔径。

进一步优选地，所述起偏器是线偏振镜。

进一步优选地，所述多象限分析器由具有不同偏振方向的偏振器件拼接组成，以此实现对反射光束的多象限偏振调制。

进一步优选地，该测量系统还包括样品调节单元，所述样品调节模块包括样品夹具和位移台，用于调整样品与所述物镜之间的相对位置。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的一种角分辨快照椭偏仪的测量系统，该测量系统还设置有控制器，该控制器同时与所述面阵相机和成像光谱仪连接，所述面阵相机拍摄的偏振光的图像传输给所述控制器，在该控制器中进行分析，以此获得物镜后焦面图像，所述成像光谱仪获得的角分辨光谱传递给所述控制器，通过该控制器的分析获得待测样品的厚度和光学特性参数。

按照本发明的又一个方面，提供了一种上述所述的测量系统的测量方法，该测量方法包括下列步骤：

S1、打开光源，调整准直透镜确保光束的平行度，之后光束经过起偏器后产生偏振态已知的入射偏振光；将待测样品放置于样品台上，利用样品调节单元调整样品与所述物镜的距离，直至通过面阵相机进行观测时能看到具有清晰边界的图像；

S2、打开所述成像光谱仪，待测样品反射的入射偏振光经所述物镜收集依次经过第一透镜、第一非偏振分束镜、多象限分析器和第二透镜在成像光谱仪狭缝处进行成像，成像光谱仪接收该反射偏振光中选定的线信号并将其转化为同时包含光谱维度和角谱维度光强信息的角分辨光谱；

S3、对所述的角分辨光谱进行处理，得到待测薄膜的厚度和光学特性参数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明将物镜后焦面成像技术同成像光谱技术相结合，并利用多象限分析器，可以实现对输入光束不同空间位置的同时检偏，完全避免了在光路中设置旋转偏振器件、光学相位调制器件、双折射液晶系统等时域偏振调制装置，结合成像光谱仪，能够通过单帧光谱实时的测量反射光的偏振态参数，因此，本发明结合以上优点能够实现微秒量级的待测样品的厚度和光学特性参数高速测量；

2.本发明通过高数值孔径物镜结合科勒照明方式实现角分辨测量，在单次测量中能够同时获得包含入射光照射待测样品的入射角度对应反射光偏振态参数改变量和入射光波长对应反射光偏振态参数改变量的测量数据，相较于传统测量仪器只通过单一维度信息进行参数求解，利用该测量数据对待测样品信息进行反演求解，可以显著提高测量精度，实现对待测样品的高精度测量；

3.本发明采用垂直物镜成像的光路结构设计，达到了光学显微镜接近光学极限的横向分辨率，从根本上避免了普通倾斜布置的椭偏测量系统光斑尺寸大、倾斜照明易受振动影响的现象，实现对纳米薄膜厚度和光学特性参数的高分辨率测量；

4.本发明提供的测量仪器及其系统与方法，其本质上仍属于利用偏振信息进行测量的光学测量方法，在测量超薄膜时具有比传统基于强度的反射测量方法具有更高的测量灵敏度，同时具有无接触、高分辨率、宽视场、快速、非破坏性精确测量的优势，从而可以应用于对大面积模块生产的超薄薄膜进行实时在线测量；

5.本发明所提出的装置，结构简单、紧凑，易于调试。同时具有极大的可扩展性，能够结合不同的测量对象进行配置优化。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的角分辨快照椭偏仪的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的物镜的后焦面示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的待检测物品反射面示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的角分辨快照椭偏仪的多象限分析器的结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的角分辨光谱图像。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-光源，2-光纤，3-准直透镜，4-起偏器，5-光阑，6-第一非偏振分束镜，7-第一透镜，8-物镜，9-待测样品，10-样品调节单元，11-多象限分析器，12-第二非偏振分束镜，13-第二透镜，14-成像光谱仪，15-第三透镜，16-面阵相机，17-控制器，20-多象限分析器的一四象限，30-多象限分析器的二三象限。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例涉及的角分辨快照椭偏仪的组成结构示意图。如图1所示，本发明实施例的角分辨快照椭偏仪，包括照明光路单元和光谱采集单元；

照明光路单元包括依次设置的宽带光源1、光纤2、准直透镜3、起偏器4、光阑5、第一非偏振分束镜6、第一透镜7以及物镜8，照明光路单元采用科勒照明系统；宽带光源1产生的光束从光纤2出射后由准直透镜3进行准直并进入起偏器4，起偏器4出射的光束经过第一非偏振分束镜6，改变传播方向后依次经过第一透镜7和物镜8照射在待测样品表面。

光谱采集单元包括多象限分析器11、第二非偏振分束镜12、第二透镜13、成像光谱仪14以及成像观察模块，光谱采集单元用于采集从待测样品反射的偏振光，通过对物镜后焦平面进行成像并利用成像光谱仪得到待测样品的角分辨反射光谱。成像观察模块包括第三透镜15和面阵相机16，用于观察所述物镜后焦平面成像质量并判断所述物镜的对焦情况。

进一步地，起偏器4由线偏振镜组成，优选地，选择格兰泰勒偏振镜作为起偏器，从而获得高纯度的线偏振光。

进一步地，第一非偏振分束镜6和第二非偏振分束镜12，均用于将偏振光分成两束等光强的子光束，同时改变光束的传播方向，使仪器结构更加紧凑。

进一步地，第一透镜7的前焦面与物镜8的后焦面重合，从而实现科勒照明方式。

进一步地，物镜8采用NA＝0.9的显微物镜，能够收集从样品表面反射的大入射角度区域的光线，并在其后焦平面不同位置进行成像。

进一步地，多象限分析器11由左右两侧具有不同偏振方向的偏振片拼接而成，其两侧具有不同的检偏角度，二者的夹角为90度；在一定配置下，利用该多象限分析器11可以同时获得在45度和135度方位角下的偏振光。

进一步地，成像光谱仪14用来对光信号进行光谱解析得到物镜8后焦面反射图像的角分辨光谱。

一种角分辨快照椭偏仪的测量系统，还包括控制器17和样品调节单元，控制器与成像光谱仪进行连接，从而获取后焦面角分辨光谱图像并据此进行反演求得待测薄膜的相关参数。

样品调节单元10包括样品夹具和位移台，待测样品通过样品夹具安装在线性位移台上，所述样品调节单元，用于调节样品到物镜的距离，使的待测薄膜样品表面与物镜前焦面重合，实现测量区域的对焦，从而保证测量精度。

优选地，上述器件的工作流程可如下所示：

宽带光源1发出光束，经光纤2和准直透镜3变为为平行光束进入起偏器4。其中，光纤2的出射端口固定在准直透镜3的后焦点上。

起偏器4出射的光束经光阑5进入第一非偏振分束镜6后改变传播方向，随后依次经过第一透镜7和物镜8照射在待测样品9上。其中，第一透镜的焦平面与物镜的后焦面重合。在本发明中，平行光束经起偏器4成为线偏光，所述线偏振光经第一透镜7汇聚在物镜8的后焦面上。待测样品9通过样品夹固定在样品调节单元10上，通过样品调节单元10将待测样品9调整到物镜8的前焦面上，实现测量区域的对焦。

待测样品9反射的光束返回光路，依次经过物镜8、第一透镜7、第一非偏振分束镜6、第二非偏振分束镜12、多象限分析器11和第二透镜13在成像光谱仪14狭缝处会聚成像，成像光谱仪14对选定的线信号进行光谱解析得到角分辨光谱，从而利用所述角分辨光谱确定到达成像光谱仪反射光的偏振参数。

图2是起偏器4偏振方向为45°时待测样品9反射光在物镜8后焦面形成的光束轮廓像，该光束轮廓在45°方位角处为由纯p光反射形成的线偏振光，在135°方位角处为纯s光反射形成的线偏光，在其它方位角处为由不同振幅与相位角的p/s光合成的椭圆偏振光。

在本发明中，光束经物镜8后变成平行光以不同入射角照射到待测样品9表面，照明入射角θ与物镜8后焦面上聚焦点离轴线距离d的关系如图3所示。所述照明入射角为物镜出射光束与样品法线的夹角，根据阿贝正弦条件，具体关系可以描述为

其中f为物镜8的焦距。从待测样品9反射的大角度范围的光束通过物镜8收集并返回光路中，该物镜可收集的最大照明入射角度θ_max取决于物镜8的数值孔径，具体关系可以描述为θ_max＝sin^-1(NA)，NA为物镜的数值孔径值。

图4是本发明实施例涉及的多象限分析器11的结构示意图，具体地，该多象限分析器由两片偏振方向垂直布置的偏振片组成，在本发明优选地实施例中，多象限分析器11的左右两半部分的薄膜偏振片的偏振方向分别为45°和135°。

本发明还提供了一种角分辨快照椭偏仪的测量方法，包括以下步骤：

(1)系统开机，将待测样品9放置于样品调节单元10上，并调整样品调节单元，使待测样品9位于物镜8的前焦面中央；具体地，在调整过程中观察样品调节单元中CDD相机16回传的图像，直至观测时能看到具有清晰边界的图像；

(2)调整起偏器4和多象限分析器11至设定角度，打开成像高光谱仪14获取角分辨反射光谱，通过对所述角分辨反射光谱进行处理即可得到对应入射角和波长下的偏振参数；具体地，在此实施例中偏振参数即为斯托克斯参量S2。

以下将介绍根据待测样品9的偏振角分辨反射光谱求得偏振参数斯托克斯参量S2的原理和步骤：

(1)宽带光源1发出的光束可以用琼斯向量表示为E_in＝[E_x E_y]^T，所述光束经过上述光路之后到达成像光谱仪13输出偏振光的琼斯向量可以表示为：

其中，R为坐标旋转矩阵，具体地，

J_P/J_A分别为起偏器4和多象限分析器11的琼斯矩阵

J_S为待测样品9的琼斯矩阵，具体地，

J_M为由反射引起的纯几何因素附加矩阵，具体地，

更优选地，上述步骤中所述起偏器的偏振方向P＝45°,多象限分析器的一、四象限偏振方向为45°，即A₁₄＝45°；二、三象限的偏振方向为135°，即A₂₃＝135°；

(2)成像光谱仪13选取中心线缝位置处的线信号进行光谱解析，所选取的线信号的光强大小可以表示为：

进一步地，该线信号中心位置左侧光强表示为I₄₅，该线信号中心位置右侧光强为I₁₃₅。

(3)由成像光谱仪13得到该线信号左右两侧的角分辨反射光谱的数值矩阵表示为M₄₅(θ,λ)和M₁₃₅(θ,λ)。则斯托克斯参量S2的角分辨矩阵M_S2(θ,λ)即可由式(M₄₅(θ,λ)-M₁₃₅(θ,λ))/(M₄₅(θ,λ)+M₁₃₅(θ,λ))给出，该矩阵中同时包含光束入射角对应S2和波长对应S2的相关信息。根据该矩阵结合薄膜光学特性前向建模得到的理论偏振参数模型，最终利用非线性拟合算法反演求得薄膜的光学参数值，该问题是一个典型的逆问题求解过程，该逆问题的求解目标是找到一组参数值p使得通过光学特性前向建模计算得到的理论S2模型

能够最佳匹配实际测得的S2矩阵

该参数值p即为薄膜的光学参数，用数学语言可以描述为：

总体而言，与现有技术相比，本发明所提出的以上技术方案，基于物镜后焦平面成像以及成像光谱技术原理，能够实现在宽入射角范围和宽波长范围下超薄膜反射偏振特性、光谱吸收特性的同步实时测量；其测量速度可以达到微秒量级，因而在对超薄膜高灵敏度、在线测量方面具有显著优势。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种角分辨快照椭偏仪，其特征在于，该椭偏仪包括照明光路单元和光谱采集单元，其中：

所述照明光路单元中设置有第一透镜和物镜，该第一透镜的焦平面与所述物镜的后焦面重合，所述物镜设置在待测样品的上方，该物镜的前焦面与待测样品的表面重合；光线经过所述第一透镜汇聚在所述物镜的后焦面上，在所述物镜的作用下形成多束不同入射角的光线照射在待测样品表面；

所述光谱采集单元包括多象限分析器、第二透镜和成像光谱仪，所述多象限分析器设置在所述第一透镜的后方，用于将入射光转换成包含两种偏振态的出射光，所述第二透镜的焦平面与第一透镜的焦平面重合，其与所述第一透镜形成中继镜组，将所述物镜后焦面上的像二次成像到所述成像光谱仪的狭缝平面，所述成像光谱仪的狭缝设置在第二透镜的焦平面处，该成像光谱仪将从所述狭缝采集的线型光信号进行光谱分散得到角分辨光谱；入射光线照射在待测样品表面后被待测样品反射，然后依次经过所述物镜、多象限分析器和第二透镜，最终在所述成像光谱仪中成像获得角分辨光谱，利用该角分辨光谱计算获得到达所述成像光谱仪反射光的偏振参数，进而获得待测样品的厚度和光学常数。

2.如权利要求1所述的一种角分辨快照椭偏仪，其特征在于，所述光谱采集单元中还设置有第二非偏振分束镜，该第二非偏振分束镜设置在所述多象限分析器和第二透镜之间，该第二非偏振分束镜用于将所述多象限分析器的光分为两束。

3.如权利要求2所述的一种角分辨快照椭偏仪，其特征在于，所述光谱采集单元中还包括第三透镜和面阵相机，该第三透镜设置在所述第二非偏振分束镜后方，用于将光束会聚在所述面阵相机像元平面，所述面阵相机设置在第三透镜的后方，与所述第二非偏振分束镜和第三透镜组成成像观察模块，用于所述起偏器和多象限分析器方位角的标定以及观察物镜后焦面成像质量并判断待测样品的对焦情况。

4.如权利要求1所述的一种角分辨快照椭偏仪，其特征在于，所述照明光路单元还包括第一非偏振分束镜，该第一非偏振分束镜设置在所述第一透镜和多象限分析器之间，所述第一非偏振分束镜不仅在照明光路中实现光束的反射式传播，也在反射光路中实现光束的透射式传播。

5.如权利要求1所述的一种角分辨快照椭偏仪，其特征在于，所述照明光路单元还包括光源、光纤、准直透镜、起偏镜和光阑，所述光源发出源光束，所述光纤用于将所述光源发出的源光束，所述准直透镜设置在所述光线后方，用于将发散光束进行准直，所述起偏器设置在所述准直镜后方，用于将光束变为具有特定偏振状态的线偏振光，所述光阑设置在所述第一非偏振分束镜的前方，用于限制光束的孔径。

6.如权利要求1所述的一种角分辨快照椭偏仪，其特征在于，所述起偏器是线偏振镜。

7.如权利要求1所述的一种角分辨快照椭偏仪，其特征在于，所述多象限分析器由具有不同偏振方向的偏振器件拼接组成，以此实现对反射光束的多象限偏振调制。

8.如权利要求1-7任一项所述的一种角分辨快照椭偏仪的测量系统，其特征在于，该测量系统还包括样品调节单元，所述样品调节模块包括样品夹具和位移台，用于调整样品与所述物镜之间的相对位置。

9.如权利要求8所述的一种角分辨快照椭偏仪的测量系统，其特征在于，所述测量系统还设置有控制器，该控制器同时与所述面阵相机和成像光谱仪连接，所述面阵相机拍摄的偏振光的图像传输给所述控制器，在该控制器中进行分析，以此获得物镜后焦面图像，所述成像光谱仪获得的角分辨光谱传递给所述控制器，通过该控制器的分析获得待测样品的厚度和光学特性参数。

10.如权利要求8-9任一项所述的测量系统的测量方法，其特征在于，该测量方法包括下列步骤：

S1、打开光源，调整准直透镜确保光束的平行度，之后光束经过起偏器后产生偏振态已知的入射偏振光；将待测样品放置于样品台上，利用样品调节单元调整样品与所述物镜的距离，直至通过面阵相机进行观测时能看到具有清晰边界的图像；

S2、打开所述成像光谱仪，待测样品反射的入射偏振光经所述物镜收集依次经过第一透镜、第一非偏振分束镜、多象限分析器和第二透镜在成像光谱仪狭缝处进行成像，成像光谱仪接收该反射偏振光中选定的线信号并将其转化为同时包含光谱维度和角谱维度光强信息的角分辨光谱；

S3、对所述的角分辨光谱进行处理，得到待测薄膜的厚度和光学特性参数。

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