CN116817768A - 一种单旋转椭偏系统的校准方法 - Google Patents

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杨成
陈军
何勇
薛小汝
陶泽
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李伟奇
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Abstract

本发明涉及一种单旋转椭偏系统的校准方法，包括：获取双旋转系统的第一系统参数，并利用双旋转系统测量多个标准样件的拟合厚度；将所述双旋转系统切换为单旋转系统，测量多个标准样件的光强信息，并将所述光强信息进行傅里叶变换处理得到第二傅里叶系数；利用第二傅里叶系数、第一系统参数以及拟合厚度，对第一系统参数进行逐一拟合迭代替换，直到除厚度和入射角以外的第一系统参数全部更新为止，得到单旋转系统参数；利用更新后的单旋转系统测量待测样件的光强信息，对待测样件的光强信息进行傅里叶变换得到第三傅里叶系数；利用单旋转系统参数与第三傅里叶系数计算得到待测样件的穆勒矩阵。该方法能够使得测量结果更加精确。

Description

一种单旋转椭偏系统的校准方法
技术领域
本发明涉及光谱测量技术领域，具体涉及一种单旋转椭偏系统的校准方法。
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，起偏器2，一号旋转电机(慢速电机)3，补偿器4，待测样品5，补偿器6，二号旋转电机(快速电机)7，检偏器8以及光谱仪9。在实际量产过程中，由于电机的自身速度上限以及两个电机的转速比要求，导致测量速度以慢速电机为准。为了提高测量速度，传统的做法如下：
1、双旋转系统下，测量标准样件在测量系统的光强信息，将光强信息进行傅里叶变换处理得到傅里叶系数。
2、利用步骤1的傅里叶系数，拟合迭代得到双旋转系统的系统参数。
3、切换成单旋转系统，停止二号电机旋转，并将一号电机的进行提速。
4、单旋转系统下，测量标准样件在测量系统的光强信息，将光强信息进行傅里叶变换处理得到傅里叶系数。
5、利用步骤4的傅里叶系数，拟合迭代得到单旋转系统的系统参数，其中只需要迭代两个波片的初始方位角即可，其余系统参数与双旋转系统参数一致。
6、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。
7、利用单旋转系统参数与待测样件的傅里叶系数计算得到样件的穆勒矩阵。
虽然传统方法能够实现较为快速的测量校准，但是该校准方法精度不够，并不能满足高精度测量场景的需求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种单旋转椭偏系统的校准方法，该方法对原测量校准方法进行了相应的改进，能够使得测量结果更加精确。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种单旋转椭偏系统的校准方法，包括以下步骤：
获取双旋转系统的第一系统参数，并利用双旋转系统测量多个标准样件的拟合厚度；
将所述双旋转系统切换为单旋转系统，测量多个标准样件的光强信息，并将所述光强信息进行傅里叶变换处理得到第二傅里叶系数；
利用第二傅里叶系数、第一系统参数以及拟合厚度，对第一系统参数进行逐一拟合迭代替换，直到除厚度和入射角以外的第一系统参数全部更新为止，得到单旋转系统参数；
利用更新后的单旋转系统测量待测样件的光强信息，对待测样件的光强信息进行傅里叶变换得到第三傅里叶系数；
利用单旋转系统参数与第三傅里叶系数计算得到待测样件的穆勒矩阵。
进一步的，所述的获取双旋转系统的第一系统参数，并利用双旋转系统测量多个标准样件的拟合厚度，包括：
利用双旋转系统测量标准样件的光强信息，将标准样件的光强信息进行傅里叶变换处理得到第一傅里叶系数；
利用第一傅里叶系数，通过拟合迭代得到双旋转系统的第一系统参数；
利用更新后的双旋转系统测量多个标准样件的拟合厚度。
进一步的，所述拟合迭代的实现方法包括遍历法、全局优化方法和局部优化算法。
进一步的，所述局部优化算法包括：Levenberg-Marquardt方法、牛顿法、梯度下降法、共轭梯度法。
进一步的，利用第二傅里叶系数、第一系统参数以及拟合厚度，对第一系统参数进行逐一拟合迭代替换，包括：
将双旋转系统的系统参数固定为第一系统参数，其中标准样件的穆勒矩阵通过双旋转系统测量的多个标准样件的厚度以及入射角固定；
依次放开第一系统参数中的两个参数参与拟合，并拟合后得到的参数替换原参数。
本发明的有益效果是：通过双旋转系统校准后，测量多个标准样件的厚度。再将多个样件厚度用于单旋转系统校准，并且重新校准除厚度和入射角以外的所有系统参数，使用两两校准替换的方式避免系统参数校准耦合，使结果更加精确。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种单旋转椭偏系统的校准方法流程示意图；
图2为本发明实施例中双旋转椭偏系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，术语“例如”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“例如”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。
图1所示为本发明公开方法流程图。
在步骤1中，可以利用光谱仪等测量设备，获得标准样品的光强变化信息。将光强信息进行傅里叶变换处理得到傅里叶系数。
在步骤2中，利用步骤1中的傅里叶系数与理论样件的测量傅里叶系数进行拟合迭代，可以得出检偏波片的相位延迟量、检偏波片的方位角、起偏波片的相位延迟量、起偏波片的方位角、检偏片的方位角以及起偏片的方位角。拟合迭代参数的实现方法包括但不限Levenberg-Marquardt方法、牛顿法、梯度下降法、共轭梯度法等。
在步骤3中，利用双旋转系统测量多个标准样件厚度。
在步骤4中，切换单旋转模式，将二号旋转电机停止，并提速一号旋转电机。
在步骤5中，利用光谱仪等测量设备，获得单旋转系统下的多个标准样品的光强变化信息。将光强信息进行傅里叶变换处理得到傅里叶系数。
在步骤6中，利用步骤5中的傅里叶系数与理论样件的测量傅里叶系数进行两两拟合迭代替换，得出检偏波片的相位延迟量、检偏波片的方位角、起偏波片的相位延迟量、起偏波片的方位角、检偏片的方位角以及起偏片的方位角，其中拟合厚度以及入射角固定。拟合迭代参数的实现方法包括但不限Levenberg-Marquardt方法、牛顿法、梯度下降法、共轭梯度法等。
在步骤7中，测量单旋转系统下的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。
在步骤8中，利用步骤6中的系统参数与步骤7中的傅里叶系数，计算待测样件的穆勒矩阵。
具体原理如下：
双旋转的系统模型为：
Sout＝[MAR(A)]×[R(-ω2t-C2)M(δ2)R(ω2t+C2)]×
MS×[R(-ω1t-C1)M(δ1)R(ω1t+C1)]×[R(-P)MP]×Sin
其中MS为样件穆勒矩阵，MP、MA为起偏臂以及检偏臂的偏振片穆勒矩阵，ω1、ω2为一号电机与二号电机的转速，M(δ1)以及M(δ2)为起偏波片和检偏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、起偏波片以及检偏波片的方位角，Sin为归一化自然光的Stokes向量。
单旋转的系统模型为：
Sout1＝[MA'R(A')]×[R(-C02)M(δ02)R(C02)]×
MS×[R(-ω01t-C01)M(δ01)R(ω01t+C01)]×[R(-P')MP']×Sin
其中ω01为单旋转系统的一号电机的转速，C01、C02为单旋转下的起偏波片以及检偏波片的方位角。
首先，在双旋转模式下，利用标准样件的测量Sout的光强信息S0进行傅里叶变化处理，得到傅里叶系数，然后，根据实测傅里叶系数与理论傅里叶系数进行迭代，得出检偏波片的相位延迟量δ2、检偏波片的方位角C2、起偏波片的相位延迟量δ1、起偏波片的方位角C1、检偏片的方位角A以及起偏片的方位角P。下一步利用旋转系统参数测量多个标准样件的厚度。然后将系统切换成单旋转模式，停止二号电机旋转，并提速一号电机。利用多个标准样件的测量的光强信息进行傅里叶变化处理，得到傅里叶系数，然后，根据实测傅里叶系数与理论傅里叶系数进行两两迭代替换，例如：先将系统参数固定为双旋转系统参数，Ms通过双旋转测量的多个样件厚度以及入射角固定，然后将C1、C2放开参与拟合，将新得到的C01、C02替换C1、C2；再将δ2与A放开参与拟合，将新得到的δ02以及A’替换δ2与A；最后将δ1与P放开参与拟合，将新得到的δ01以及P’替换δ1与P。最后将单旋转系统下的待测样件的光强信息进行傅里叶变换得到傅里叶系数，通过傅里叶系数与单旋转系统参数计算出样件的穆勒矩阵。
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 (5)

1.一种单旋转椭偏系统的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取双旋转系统的第一系统参数，并利用双旋转系统测量多个标准样件的拟合厚度；
将所述双旋转系统切换为单旋转系统，测量多个标准样件的光强信息，并将所述光强信息进行傅里叶变换处理得到第二傅里叶系数；
利用第二傅里叶系数、第一系统参数以及拟合厚度，对第一系统参数进行逐一拟合迭代替换，直到除厚度和入射角以外的第一系统参数全部更新为止，得到单旋转系统参数；
利用更新后的单旋转系统测量待测样件的光强信息，对待测样件的光强信息进行傅里叶变换得到第三傅里叶系数；
利用单旋转系统参数与第三傅里叶系数计算得到待测样件的穆勒矩阵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的获取双旋转系统的第一系统参数，并利用双旋转系统测量多个标准样件的拟合厚度，包括：
利用双旋转系统测量标准样件的光强信息，将标准样件的光强信息进行傅里叶变换处理得到第一傅里叶系数；
利用第一傅里叶系数，通过拟合迭代得到双旋转系统的第一系统参数；
利用更新后的双旋转系统测量多个标准样件的拟合厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拟合迭代的实现方法包括遍历法、全局优化方法和局部优化算法。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述局部优化算法包括：Levenberg-Marquardt方法、牛顿法、梯度下降法、共轭梯度法。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用第二傅里叶系数、第一系统参数以及拟合厚度，对第一系统参数进行逐一拟合迭代替换，包括：
将双旋转系统的系统参数固定为第一系统参数，其中标准样件的穆勒矩阵通过双旋转系统测量的多个标准样件的厚度以及入射角固定；
依次放开第一系统参数中的两个参数参与拟合，并拟合后得到的参数替换原参数。
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