CN115753628A - 一种光学测量系统全局校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学测量系统全局校准方法，针对复合波片可能存在的正反装，设计了各种不同安装方式的系统模型，并通过不同系统模型的迭代求解出正确的全局系统参数以及光学测量系统的当前安装方式，进而能够迭代求解出待测样件的参数，对于存在波片反装的情况，也能实现光学测量系统参数的全局校准，增加了光学测量系统的全局校准的鲁棒性。

Description

一种光学测量系统全局校准方法

技术领域

本发明涉及光学测量系统领域，更具体地，涉及一种光学测量系统全局校准方法。

背景技术

在半导体行业中，对光学关键尺度(OCD)的测量以及精细结构膜厚的测量，直接关系到生产样品的精度以及良率。椭偏仪等光学测量系统因其非接触、无破坏、快速、高精度等优点，被广泛应用于半导体工艺监测。

椭偏仪的基本配置包括(图2)：光源1，起偏片2，第一旋转电机3，起偏复合波片4，待测样品5，检偏复合波片6，第二旋转电机7，检偏片8以及光谱仪9。椭偏仪的全局系统校准与测量的基本原理过程为：

1、自然光通过偏振片以及(旋转)波片后得到偏振光；

2、偏振光经过标准样品材料的反射或者透射得到的新的偏振光；

3、新的偏振光经过检偏臂的(旋转)波片、检偏片后得到变化的光强信息；

4、对测量光强变化信息进行处理，得到全局系统参数。

5、测量待测样件的光强信息，对测量光强进行傅里叶变换得到傅里叶系数。

6、利用全局系统参数与待测样件的傅里叶系数计算得到样件参数。

第4步骤中，对测量光强信息进行傅里叶变换，得到实测傅里叶系数，通过起偏复合波片和检偏复合波片都正装的系统模型，迭代求解出光学测量系统的全局系统参数。当起偏复合波片或检偏复合波片出现反装时，此种方式求解出来的光学测量系统的全局系统参数是不准确的。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种光学测量系统全局校准方法，包括：

获取标准样件在光学测量系统的全波段光强信息，将所述光强信息进行傅里叶变换，计算出标准样件的实测傅里叶系数；

根据所述实测傅里叶系数和通过与光学测量系统中复合波片的不同安装方式对应的多个系统模型计算出的理论傅里叶系数，迭代求解出光学测量系统的全局系统参数，并确定出光学测量系统的当前安装方式；

获取待测样件在光学测量系统的全波段光强信息，将所述光强信息进行傅里叶变换，计算出待测样件的实测傅里叶系数；

根据所述待测样件的实测傅里叶系数和全局系统参数，通过与光学测量系统的当前安装方式对应的系统模型，迭代求解出待测样件参数。

本发明提供的一种光学测量系统全局校准方法，针对复合波片可能存在的正反装，设计了各种不同安装方式的系统模型，并通过不同系统模型的迭代求解出正确的全局系统参数以及光学测量系统的当前安装方式，进而能够迭代求解出待测样件的参数，对于存在波片反装的情况，也能实现光学测量系统参数的全局校准，增加了光学测量系统的全局校准的鲁棒性。

附图说明

图1为光学测量系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种光学测量系统全局校准方法的流程图；

附图中，各标号所代表的光学器件名称包括：

1、光源，2、起偏片，3、旋转电机，4、起偏复合波片，5、待测样品，6、检偏复合波片，7、第二旋转电机，8、检偏片，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做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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图2为本发明提供的一种光学测量系统全局校准方法流程图，如图2所示，方法包括：

S1，获取标准样件在光学测量系统的全波段光强信息，将所述光强信息进行傅里叶变换，计算出标准样件的实测傅里叶系数。

其中，可以利用光谱仪等测量设备，获得标准样品的全波段光强变化信息，通过光强信息的傅里叶变换可以计算出傅里叶系数，称为标准样件的实测傅里叶系数。

S2，根据实测傅里叶系数和通过与光学测量系统中复合波片的不同安装方式对应的多个系统模型计算出的理论傅里叶系数，迭代求解出光学测量系统的全局系统参数，并确定出光学测量系统的当前安装方式。

可理解的是，光学测量系统中复合波片包括起偏复合波片和检偏复合波片，在对光学测量系统的复合波片进行安装时，起偏复合波片和检偏复合波片均可能会被反装，这个时候，基于起偏复合波片和检偏复合波片均正装时的系统模型来求解光学测量系统的全局系统参数，无疑是不准确的。因此，本发明针对起偏复合波片和检偏复合波片不同的安装方式，设计对应不同的系统模型。

其中，光学测量系统中复合波片的不同安装方式包括起偏复合波片正装-检偏复合波片正装、起偏复合波片正装-检偏复合波片反装、起偏复合波片反装-检偏复合波片正装和起偏复合波片反装-检偏复合波片反装。针对四种不同的安装方式，分别设计对应的系统模型。

其中，当起偏复合波片正装-检偏复合波片正装时，系统模型为：

S_out＝[M_AR(A+ρ₂)]×[R(-ω₂t-C₂-θ₂)M(δ₂)R(ω₂t+C₂+θ₂)]×Ms×[R(-ω₁t-C₁-θ₁+ρ₁)M(δ₁)R(ω₁t+C₁+θ₁-ρ₁)]×[R(-P+ρ₁)M_P]×S_in (1)；

系统参数ρ₁，θ₁，δ₁与起偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

系统参数ρ₂，θ₂，δ₂与检偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

当起偏复合波片反装-检偏复合波片反装时，系统模型为：

S_out＝[M_AR(A+ρ₂)]×[R(-ω₂t+C₂+θ₂-ρ₂)M(δ₂)R(ω₂t-C₂-θ₂+ρ₂)]×Ms×[R(-ω₁t+C₁+θ₁)M(δ₁)R(ω₁t-C₁-θ₁)]×[R(-P+ρ₁)M_P]×S_in (4)；

系统参数ρ₁，θ₁，δ₁与起偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

系统参数ρ₂，θ₂，δ₂与检偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

当起偏复合波片正装-检偏复合波片反装时，系统模型为：

S_out＝[M_AR(A+ρ₂)]×[R(-ω₂t+C₂+θ₂-ρ₂)M(δ₂)R(ω₂t-C₂-θ₂+ρ₂)]×Ms×[R(-ω₁t-C₁-θ₁+ρ₁)M(δ₁)R(ω₁t+C₁+θ₁-ρ₁)]×[R(-P+ρ₁)M_P]×S_in (7)；

系统参数ρ₁，θ₁，δ₁与起偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

系统参数ρ₂，θ₂，δ₂与检偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

当起偏复合波片反装-检偏复合波片正装时，系统模型为：

S_out＝[M_AR(A+ρ₂)]×[R(-ω₂t-C₂-θ₂)M(δ₂)R(ω₂t+C₂+θ₂)]×Ms×[R(-ω₁t+C₁+θ₁)M(δ₁)R(ω₁t-C₁-θ₁)]×[R(-P+ρ₁)M_P]×S_in (10)；

系统参数ρ₁，θ₁，δ₁与起偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

系统参数ρ₂，θ₂，δ₂与检偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

其中，M_s为测量样件参数，M_P、M_A为起偏臂以及检偏臂的偏振片穆勒矩阵，ρ₁、ρ₂为起偏复合波片1与检偏复合波片2的旋光角，θ₁、θ₂为起偏复合波片1与检偏复合波片2的光轴方位角，ω₁、ω₂为电机1与电机2的转速,M(δ₁)以及M(δ₂)为起偏复合波片和检偏复合波片的相位延迟量穆勒矩阵，R为旋转矩阵，P、A、C₁、C₂为起偏片、检偏片、起偏复合波片以及检偏复合波片的初始方位角，S_in为归一化自然光的Stokes向量，wvl为波长，λ_i为复合波片模型的第i个波片的中心波长，

为复合波片模型的中第i+1个波片与第一个波片的光轴夹角，M_wp为复合波片的等效穆勒矩阵。

作为实施例，根据所述实测傅里叶系数和通过与光学测量系统中复合波片的不同安装方式对应的多个系统模型计算出的理论傅里叶系数，迭代求解出光学测量系统的全局系统参数，包括：对于复合波片的每一种安装方式对应的系统模型，确定一组全局系统参数，并基于系统模型计算出对应的理论光强信息，对所述理论光强信息进行傅里叶变换，得到理论傅里叶系数；通过不断调整全局系统参数，迭代计算理论傅里叶系数，直到计算出的理论傅里叶系数与标准样件的实测傅里叶系数接近为止，获取光学测量系统的全局系统参数。

可理解的是，针对复合波片可能存在的四种安装方式，分别设计了对应的系统模型，基于每一个系统模型进行迭代求解，迭代求解出对应的全局系统参数。具体的迭代求解过程为：其它的参数为已知，全局系统参数为未知，全局系统参数包括检偏复合波片的中心波长、检偏复合波片的光轴方位角、起偏复合波片的中心波长、起偏复合波片的光轴方位角、检偏复合波片的初始方位角、检偏片的初始方位角、起偏复合波片的初始方位角以及起偏片的初始方位角。

确定一组初始的全局系统参数，具体包括起偏复合波片模型的全局系统参数中心波长λ₁,λ₂...λ_n、光轴夹角

检偏复合波片模型的全局系统参数中心波长λ₁,λ₂...λ_m、光轴夹角

检偏复合波片与检偏片的初始方位角C₂、A,起偏复合波片与起偏片的初始方位角C₁以及A和P，基于系统模型计算出对应的理论光强信息，对理论光强信息进行傅里叶变换，得到理论傅里叶系数。通过不断调整全局系统参数，迭代计算理论傅里叶系数，直到计算出的理论傅里叶系数与标准样件的实测傅里叶系数接近为止，获取光学测量系统的全局系统参数。其中，拟合迭代方法包括但不限Levenberg-Marquardt方法、牛顿法、梯度下降法、共轭梯度法等。

其中，可以通过计算理论傅里叶系数与标准样件的实测傅里叶系数的差异评价值，确定理论傅里叶系数与标准样件的实测傅里叶系数是否接近。

基于每一种安装方式对应的系统模型，均采用相同的迭代求解方式得到全局系统系统，得到四组全局系统参数，其中，只有一组全局系统参数是与当前安装方式对应的正确的全局系统参数。

具体的确定正确的全局系统参数的方法为，对于通过四种系统模型迭代求解出的全局系统参数，通过均方误差MSE阈值方式或者拟合优度GOF阈值方式或者复合波片的拟合参数与设计参数的差异比例阈值方式确定正确的全局系统参数和光学测量系统对应的当前安装方式。

具体的，通过均方误差MSE阈值方式或者拟合优度GOF阈值方式或者复合波片的拟合参数与设计参数的差异比例阈值方式确定正确的全局系统参数，包括：获取四种系统模型迭代求解的理论傅里叶系统，计算理论傅里叶系数与标准样件的实测傅里叶系数之间的均方误差MSE，确定最小均方误差MSE对应的全局系统参数为正确的全局系统参数；或者，获取四种系统模型迭代求解的复合波片的理论系统参数与设计参数之间的差异比例，确定最小差异比例对应的全局系统参数为正确的全局系统参数，确定出与光学测量系统的当前安装方式对应的系统模型和全局系统参数。

S3，获取待测样件在光学测量系统的全波段光强信息，将所述光强信息进行傅里叶变换，计算出待测样件的实测傅里叶系数。

可理解的是，可以利用光谱仪等测量设备，获得待测样品的全波段光强变化信息，通过光强信息的傅里叶变换可以计算出傅里叶系数，称为待测样件的实测傅里叶系数。

S4，根据待测样件的实测傅里叶系数和全局系统参数，通过与光学测量系统的当前安装方式对应的系统模型，迭代求解出待测样件参数。

作为实施例，根据待测样件的实测傅里叶系数和全局系统参数，通过与光学测量系统的当前安装方式对应的系统模型，迭代求解出待测样件参数，包括：根据确定的全局系统参数，确定初始待测样件参数，通过与光学测量系统的当前安装方式对应的系统模型，计算理论光强信息，对理论光强信息进行傅里叶变换，得到理论傅里叶系数；不断调整待测样件参数，通过系统模型计算对应的理论傅里叶系数，直到计算出的理论傅里叶系数与待测样件的实测傅里叶系数接近为止，获取待测样件参数Ms。

可以理解的是，步骤S2中求解出光学测量系统的全局系统参数，以及光学测量系统的当前安装方式和系统模型，基于系统模型，调整待测样件参数Ms，求解出理论光强信息，然后对理论光强信息进行傅里叶变换，得到对应的傅里叶系数。通过不断调整待测样件参数Ms，计算出对应的理论傅里叶系数，直到求解出的理论傅里叶系数与待测样件的实测傅里叶系数接近为止，获取待测样件参数Ms，其中，单侧样件参数为待测样件的穆勒矩阵光谱。

本发明实施例提供的一种光学测量系统全局校准方法，针对复合波片可能存在的正反装，设计了各种不同安装方式的系统模型，并通过不同系统模型的迭代求解出正确的全局系统参数以及光学测量系统的当前安装方式，进而能够迭代求解出待测样件的参数，对于存在波片反装的情况，也能实现光学测量系统参数的全局校准，增加了光学测量系统的全局校准的鲁棒性。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种光学测量系统的全局校准方法，其特征在于，包括：

获取标准样件在光学测量系统的全波段光强信息，将所述光强信息进行傅里叶变换，计算出标准样件的实测傅里叶系数；

根据所述实测傅里叶系数和通过与光学测量系统中复合波片的不同安装方式对应的多个系统模型计算出的理论傅里叶系数，迭代求解出光学测量系统的全局系统参数，并确定出光学测量系统的当前安装方式；

获取待测样件在光学测量系统的全波段光强信息，将所述光强信息进行傅里叶变换，计算出待测样件的实测傅里叶系数；

根据所述待测样件的实测傅里叶系数和全局系统参数，通过与光学测量系统的当前安装方式对应的系统模型，迭代求解出待测样件参数。

2.根据权利要求1所述的光学测量系统的全局校准方法，其特征在于，所述光学测量系统中复合波片包括起偏复合波片和检偏复合波片，所述光学测量系统中复合波片的不同安装方式包括起偏复合波片正装-检偏复合波片正装、起偏复合波片正装-检偏复合波片反装、起偏复合波片反装-检偏复合波片正装和起偏复合波片反装-检偏复合波片反装。

3.根据权利要求2所述的光学测量系统的全局校准方法，其特征在于，当起偏复合波片正装-检偏复合波片正装时，系统模型为：

S_out＝[M_AR(A+ρ₂)]×[R(-ω₂t-C₂-θ₂)M(δ₂)R(ω₂t+C₂+θ₂)]×Ms×[R(-ω₁t-C₁-θ₁+ρ₁)M(δ₁)R(ω₁t+C₁+θ₁-ρ₁)]×[R(-P+ρ₁)M_P]×S_in (1)；

系统参数ρ₁，θ₁，δ₁与起偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

系统参数ρ₂，θ₂，δ₂与检偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系

当起偏复合波片反装-检偏复合波片反装时，系统模型为：

S_out＝[M_AR(A+ρ₂)]×[R(-ω₂t+C₂+θ₂-ρ₂)M(δ₂)R(ω₂t-C₂-θ₂+ρ₂)]×Ms×[R(-ω₁t+C₁+θ₁)M(δ₁)R(ω₁t-C₁-θ₁)]×[R(-P+ρ₁)M_P]×S_in (4)；

系统参数ρ₁，θ₁，δ₁与起偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

系统参数ρ₂，θ₂，δ₂与检偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

当起偏复合波片正装-检偏复合波片反装时，系统模型为：

S_out＝[M_AR(A+ρ₂)]×[R(-ω₂t+C₂+θ₂-ρ₂)M(δ₂)R(ω₂t-C₂-θ₂+ρ₂)]×Ms×[R(-ω₁t-C₁-θ₁+ρ₁)M(δ₁)R(ω₁t+C₁+θ₁-ρ₁)]×[R(-P+ρ₁)M_P]×S_in (7)；

系统参数ρ₁，θ₁，δ₁与起偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

系统参数ρ₂，θ₂，δ₂与检偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

当起偏复合波片反装-检偏复合波片正装时，系统模型为：

S_out＝[M_AR(A+ρ₂)]×[R(-ω₂t-C₂-θ₂)M(δ₂)R(ω₂t+C₂+θ₂)]×Ms×[R(-ω₁t+C₁+θ₁)M(δ₁)R(ω₁t-C₁-θ₁)]×[R(-P+ρ₁)M_P]×S_in (10)；

系统参数ρ₁，θ₁，δ₁与起偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

系统参数ρ₂，θ₂，δ₂与检偏复合波片模型的全局系统参数有以下关系：

其中，M_s为测量样件参数，M_P、M_A为起偏臂以及检偏臂的偏振片穆勒矩阵，ρ₁、ρ₂为起偏复合波片与检偏复合波片的旋光角，θ₁、θ₂为起偏复合波片与检偏复合波片的光轴方位角，ω₁、ω₂为第一电机与第二电机的转速，M(δ₁)以及M(δ₂)为起偏复合波片和检偏复合波片的相位延迟量穆勒矩阵，R为旋转矩阵，P、A、C₁、C₂为起偏片、检偏片、起偏复合波片以及检偏复合波片的初始方位角，S_in为归一化自然光的Stokes向量，wvl为波长，λ_i为复合波片模型的第i个波片的中心波长，

为复合波片模型的中第i+1个波片与第一个波片的光轴夹角，M_wp为复合波片的等效穆勒矩阵。

4.根据权利要求3所述的光学测量系统全局校准方法，其特征在于，所述根据所述实测傅里叶系数和通过与光学测量系统中复合波片的不同安装方式对应的多个系统模型计算出的理论傅里叶系数，迭代求解出光学测量系统的全局系统参数，包括：

对于复合波片的每一种安装方式对应的系统模型，确定一组全局系统参数，并基于系统模型计算出对应的理论光强信息，对所述理论光强信息进行傅里叶变换，得到理论傅里叶系数；

通过不断调整全局系统参数，迭代计算理论傅里叶系数，直到计算出的理论傅里叶系数与标准样件的实测傅里叶系数接近为止，获取光学测量系统的全局系统参数。

5.根据权利要求4所述的光学测量系统全局校准方法，其特征在于，所述确定出光学测量系统的当前安装方式，包括：

对于通过四种系统模型迭代求解出的全局系统参数，通过均方误差MSE阈值方式或者拟合优度GOF阈值方式或者复合波片的拟合参数与设计参数的差异比例阈值方式确定正确的全局系统参数和光学测量系统对应的当前安装方式。

6.根据权利要求5所述的光学测量系统全局校准方法，其特征在于，所述通过均方误差MSE阈值方式或者拟合优度GOF阈值方式或者复合波片的拟合参数与设计参数的差异比例阈值方式确定正确的全局系统参数，包括：

获取四种系统模型迭代求解的理论傅里叶系统，计算理论傅里叶系数与标准样件的实测傅里叶系数之间的均方误差MSE，确定最小均方误差MSE对应的全局系统参数为正确的全局系统参数；

或者，获取四种系统模型迭代求解的复合波片的理论系统参数与设计参数之间的差异比例，确定最小差异比例对应的全局系统参数为正确的全局系统参数。

7.根据权利要求1所述的光学测量系统的全局校准方法，其特征在于，根据所述待测样件的实测傅里叶系数和全局系统参数，通过与光学测量系统的当前安装方式对应的系统模型，迭代求解出待测样件参数，包括：

根据确定的全局系统参数，确定初始待测样件参数，通过与光学测量系统的当前安装方式对应的系统模型，计算理论光强信息，对理论光强信息进行傅里叶变换，得到理论傅里叶系数；

不断调整待测样件参数，通过系统模型计算对应的理论傅里叶系数，直到计算出的理论傅里叶系数与待测样件的实测傅里叶系数接近为止，获取待测样件参数Ms。

8.根据权利要求1或7所述的光学测量系统全局校准方法，其特征在于，所述待测样件参数为待测样件的穆勒矩阵光谱。

Images