一種基於磁光效應的成像橢偏儀的製作方法

2023-06-12 00:28:56 1

專利名稱：一種基於磁光效應的成像橢偏儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜厚度的測量方法和裝置，特別涉及應用於對樣品表面納米尺 度薄膜厚度分布進行觀測的方法和裝置。
背景技術：
橢圓偏振測量法是利用偏振光測量薄膜或界面參數的測量技術，通過測量經被測 樣品反射(或透射)光線的偏振態變化來獲得樣品的厚度和折射率等參數。橢偏儀廣泛應 用於薄膜厚度和光學常數的測定，能同時測量多層薄膜，膜厚測量範圍大，可以從幾納米到 1微米。橢偏儀是一種快速、高精度、非接觸式光學測量儀器，能夠在各種複雜環境下應用， 可以對各種半導體及其氧化物成分、化合物半導體成分的梯度膜層和透明薄膜的折射率和 厚度以及微結構等物理結構特性進行分析。目前應用比較廣泛的橢偏儀有單波長橢偏儀，光譜橢偏儀和紅外橢偏儀。但上述 橢偏儀都是基於單點測量，即把光斑所覆蓋的樣品區域認為是一個點的信息。由於光斑尺 寸一般為毫米量級，為了提高橢偏儀的橫向解析度，將橢偏儀與成像系統相結合，就形成了 成像橢偏儀，其利用成像系統得到樣品表面薄膜的橢偏圖像，從而得到薄膜的形貌信息和 厚度分布，以獲得比普通單點橢偏儀更高的空間細節信息。但是，現有的成像橢偏儀裝置通常採用步進電機改變起偏器、補償器或檢偏器的 光軸方向來實現測量，測量精度受到機械機構控制精度的限制，測量重複性和穩定性均有 限。另外機械機構的控制速度也大大限制了橢偏儀的測量速度，無法滿足實時、在線式的測
量要求。

發明內容
本發明的目的在於提出一種新的基於磁光效應的成像橢偏方法和裝置，有效解決 現有方法的不足，可對樣品表面薄膜形貌進行精確測量，同時可提高了測量穩定性和速度。本發明提出了一種新型的基於磁光效應的成像橢偏儀。基於磁光效應可改變光束 偏振態的原理，利用磁光調製器取代傳統步進電機轉動起偏器、補償器或檢偏器光軸的方 法來實現橢偏儀的測量。由於磁光調製器通過電路系統控制，調製速度快，調製精度高，而 且整個測量過程中沒有機械轉動。從而可提高成像橢偏儀的測量精度、穩定性和速度。根據本發明的一個方面，提供了一種基於磁光效應的成像橢偏儀，包括沿著一條 光路依次設置的光源，用於發出照射待測對象的單頻率光；準直擴束裝置，用於對所述光源發出的光進行準直和擴束；起偏器，用於把所述準直擴束裝置輸出的任意偏振態的光轉變成線偏振光；檢偏器，用於改變所接收的來自所述待測對象的光的偏振方向，並輸出線偏振 光；其特徵在於所述成像橢偏儀進一步包括
一個磁光調製器，所述磁光調製器被設置在所述光路位於所述起偏器與所述檢偏 器之間的部分上，用於將入射所述磁光調製器的光的偏振方向旋轉一定的角度。根據本發明的另一個方面，提供了一種基於磁光效應的成像橢偏儀測量方法，包 括利用一個準直擴束裝置對一個光源發出的光進行準直和擴束；利用一個起偏器把所述準直擴束裝置輸出的任意偏振態的光轉變成線偏振光；利用一個檢偏器改變所接收的來自所述待測對象的光的偏振方向，並輸出線偏振 光；其特徵在於進一步包括利用設置在所述光路位於所述起偏器與所述檢偏器之間的部分上的一個磁光調 制器，將沿著所述光路入射所述磁光調製器的光的偏振方向旋轉一定的角度。


圖1是根據本發明的一個實施例的一種基於磁光效應的成像橢偏儀裝置示意圖。圖2是如圖1中採用的磁光調製器的工作原理示意圖。圖3是根據本發明的一個實施例的一種基於磁光效應的成像橢偏儀工作流程示 意圖。圖4是根據本發明的一個實施例的一種基於磁光效應成像橢偏儀裝置示意圖，磁 光調製器置於起偏器之後位置。圖5是根據本發明的一個實施例的一種基於磁光效應成像橢偏儀裝置示意圖，磁 光調製器置於補償器之後位置。
具體實施例方式如圖1、4和5所示，本發明的特徵在於，含有帶有偏振態和光斑尺寸控制部件的 入射臂，帶有偏振態和光斑尺寸控制部件的接收臂以及控制系統，其中帶有偏振態和光斑尺寸控制部件的入射臂(1)，含有光源(3)、準直擴束裝置 (4)、起偏器(5)、旋轉控制臺(6)，補償器(7)，旋轉控制臺(8)，入射光闌(10)，其中光源(3)，用於發出照射待測對象的單頻率光；準直擴束裝置(4)，用於將雷射器(3)發出的雷射光束準直並擴束，使得出射光變 成平行光；起偏器(6)，用於將任意偏振態的平行光變成線偏振的平行光；旋轉控制臺(7)，用於轉動起偏器(6)使其光軸在與平行光傳播方向垂直平面內 轉動；起偏器(6)固定在該旋轉控制臺(7)上，旋轉控制臺(7)由第二驅動器(19)控制；補償器(8)，通常是一個波片，如石英或雲母，用於在相互垂直的兩個偏振方向上 產生一定相位延遲，將線偏振光變成橢圓偏振光；補償器⑶的光軸方向與起偏器(6)的光 軸方向夾角為a度，0° < a <90° ；旋轉控制臺(9)，用於轉動補償器(7)使其光軸在與線偏振平行光傳播方向垂直 平面內轉動；補償器(8)固定在該旋轉控制臺(9)上，旋轉控制臺(9)由第二驅動器(19) 控制；
入射光闌(10)，用於改變光束尺寸大小；光闌(10)中心與光束中心重合，可通過 調節光闌(10)的孔徑來改變出射光束的尺寸；帶有偏振態和光斑尺寸控制部件的接收臂(2)，含有出射光闌(11)，磁光調製器 (12)，檢偏器(13)，旋轉控制臺(14)，成像系統(15)，面陣探測器(16)，其中出射光闌(11)，用於改變光束尺寸大小；出射光闌(11)中心與光束中心重合，可 通過調節光闌(11)的孔徑來改變出射光束的尺寸；磁光調製器(12)，用於將其入射光的偏振方向旋轉一定的角度；通過磁光調製器 (12)的出射光偏振方向旋轉角度由第一驅動器(18)控制；檢偏器(13)，用於改變接收光的偏振方向，經過檢偏器(13)後的出射光為線偏振 光；旋轉控制臺(14)，用於轉動檢偏器(13)使其光軸在與平行光傳播方向垂直平面 內轉動；檢偏器(13)固定在該旋轉控制臺(14)上，旋轉控制臺(14)由第二驅動器(19)控 制；成像系統(15)，用於將光斑無畸變的會聚在面陣探測器(16)的感光面上；面陣探測器(16)，用於將接收到的二維空間光信號轉化為電信號輸出，如面陣矽 光電池或電荷耦合器(CCD)或CMOS ；控制系統(3)，含有計算機(17)，第一驅動器(18)，第二驅動器(19)，圖像採集卡 (20)，其中計算機(17)，用於控制第一驅動器(18)和第二驅動器(19)的驅動信號以及圖像 採集卡(20)完成圖像採集，接收第一驅動器(18)和第二驅動器(19)的反饋信號以及圖像 採集卡(20)的圖像信號；第一驅動器(18)，用於產生控制磁光調製器(12)的驅動信號；第二驅動器(19)，用於產生控制旋轉控制臺(7)，旋轉控制臺(8)以及旋轉控制臺 (9)的驅動信號；圖像採集卡(20)，用於將面陣探測器(16)的輸出的模擬電信號轉換成數字電信 號並將該信號傳輸至計算機(17)。根據本發明的一個實施例的薄膜厚度測量裝置如圖1所示。該裝置包括三個部 分帶有偏振態和光斑尺寸控制部件的入射臂(1)，帶有偏振態和光斑尺寸控制部件的接 收臂(2)以及控制系統(3)。其中，諸如雷射器的光源(4)，準直擴束裝置(5)，起偏器(6)， 旋轉控制臺(7)，補償器(8)，旋轉控制臺(9)以及光闌(10)被包括在帶有偏振態和光斑尺 寸控制部件的入射臂(1)中；光闌(11)，磁光調製器(12)，檢偏器(13)，旋轉控制臺(14)， 成像系統(15)以及面陣探測器(16)包括在帶有偏振態和光斑尺寸控制部件的接收臂(2)
中；計算機(17)，第一驅動器(18)，第二驅動器(19)以及圖像採集卡(20)組成控制系統 ⑶。根據本發明的一個實施例的薄膜厚度測量裝置的工作流程如圖3所示。其中N表 示磁光調製器(12)將入射光的偏振方向等角度旋轉一周所需要的旋轉次數，則經過磁光 調製器(12)之後的出射光偏振方向每次旋轉角度為360/N度；I表示經過磁光調製器(12) 之後的出射光偏振方向發生第I次等角度旋轉，而經過磁光調製器(12)之後的出射光偏振 方向相對於入射光的偏振方向的旋轉角度為360I/N度。N的值為正整數，I的值為非負整
如圖3所示，首先，初始化實驗裝置(步驟S301)，包括由計算機(17)控制第二 驅動器(19)分別轉動起偏器旋轉控制臺(7)、補償器旋轉控制臺(9)、檢偏器旋轉控制臺 (14)，從而改變起偏器(6)、補償器(8)、檢偏器(13)的光軸方向，使得起偏器(6)與補償器 ⑶的光軸方向夾角為a度，起偏器⑶與檢偏器(13)的光軸夾角為3度。當初始化校正完成後，設定I = 0以及N的值(步驟S302)。隨後，計算機(17)通過圖像採集卡(20)記錄面陣探測器(16)的橢偏圖像信號 (步驟 S303)。計算機(17)控制第一驅動器(18)使得磁光調製器(12)出射光偏振方向相對於 當前偏振方向旋轉360/N度，並設定I = 1+1(步驟S304)。然後，判斷當前磁光調製器(12)的旋轉出射光偏振方向次數I是否小於N(步驟 S305)若「是」，則返回到步驟S303，計算機(17)通過圖像採集卡(20)記錄面陣探測器 (16)的橢偏圖像信號，並控制第一驅動器(18)使得磁光調製器(12)出射光偏振方向相 對於當前偏振方向旋轉360/N度，並設定I = 1+1 (步驟S304)，繼續判斷I是否小於N ；若 「否」，則計算機(17)控制第一驅動器(18)停止驅動磁光調製器(12)(步驟S306)。然後， 整個測量過程結束。在測量完成後，採用橢偏測量數據處理的擬合算法對測得的N張橢偏圖像進行處 理，即可得到樣品表面薄膜厚度分布的形貌圖。本實驗裝置的測量原理如下橢圓偏振測量法的基本原理為
& ==t ejA其中，RP和Rs為經樣品表面反射後反射係數的p分量和s分量的復振幅；tanp表 示反射係數P分量和s分量的振幅之比；△表示兩分量的相位差少和△被稱為橢偏參量， 是橢偏儀直接測得的參數；P為樣品的橢圓函數。對於圖1所示的單層薄膜待測樣品，測量基底(22)上的薄膜(21)的厚度和折射 率。橢圓函數P與薄膜的折射率、消光係數和膜層厚度滿足如下關係p = f(n0，n」 n2，k0，k2，d」 入，0)(2)其中，n0,叫，n2分別為入射空氣層、薄膜層(21)和基底層(22)的折射率，k0, k」 k2分別為入射空氣層、薄膜層(21)和基底層(22)的消光係數，屯為薄膜層(21)的膜層厚 度，、為入射光波長，e為入射角度。橢偏儀測得橢偏參量^和A後，通過數值反演計算 可以求出待測樣品的厚度、折射率等參數。磁光調製器的工作原理如圖2所示。若有一束線偏振光沿磁光晶體(25)的軸線 方向傳播，利用調製電源(26)在纏繞於磁光晶體(25)的線圈上加載電流，從而在垂直於光 的傳播方向上產生直流磁場，出射光的偏振方向將會旋轉一個角度Y度，這種現象稱為磁 光效應。實驗表明，磁光效應滿足如下規律y = V1B(3)其中，Y為光波偏振方向旋轉的角度，V是韋爾代(Verdet)常量，1是磁光晶體(25)長度，B是磁感應強度。通過調製電源(26)改變線圈上的電流來改變磁感應強度B， 從而可以改變光波偏振方向旋轉的角度Y。本發明實驗裝置測量時，固定起偏器(6)，補償器(8)，檢偏器(13)的光軸方向， 其中起偏器與補償器光軸夾角為a度，起偏器與檢偏器光軸夾角為3度。經磁光調製器 (12)對接收光進行I次旋轉偏振方向調製後，其偏振方向變化= 0，1，L，N_1)度，對 應的面陣探測器接收到的光強信號為IJ^y) (I = 0，1，L，N_1)，其中(x，y)為面陣探測器 所對應的像元坐標。由此可以得到IJx，y)的表達式的形式為 其中，G為系統光強增益，G，a和0均為常數，Ij^y)和Y工均為可測量量，tanp 和A均為待測量。測量前首先建立待測樣品表面薄膜的物理模型，包括薄膜層數、材料和縱向分布 信息，根據公式(4)採用迭代算法計算tanp和△，建立評價函數為 其中，<和A*為根據已建立的待測樣品表面薄膜相關參數的模型的計算值，仍和 Ai*單次測量值。當RSS取最小值時，迭代算法停止，即得到了 ^和A的最優解，再通過公 式(1)和(2)即可得到薄膜的厚度和折射率信息。本發明裝置入射光和接收光的光斑尺寸可調，面陣探測器(16)的每個像元(x，y) 均可檢測到光強信號IJx，y)並以電信號形式輸出。面陣探測器(16)的感光面與待測樣 品的被探測區域相對應，由於面陣探測器(16)的像元數量多、尺寸小並以陣列形式排列， 所以可以獲得比傳統單點測量橢偏儀更高的細節分辨能力。此外，本發明裝置採用步進電 機旋轉起偏器、補償器和檢偏器的光軸在測量開始前對裝置參數進行校正。測量時，固定起 偏器、補償器和檢偏器的光軸位置，第一驅動器(18)通過控制磁光調製器(12)的調製電源
(26)的輸出電流值，而控制磁光調製器(12)的出射光的偏振方向，面陣探測器(16)記錄光 強信號lAy)。本發明裝置採用磁光調製器取代傳統步進電機轉動起偏器、補償器或檢偏器光軸 的方法來實現橢偏圖像的採集，步進電機轉動起偏器、補償器或檢偏器光軸只作為測量開 始前的裝置校正。採用磁光調製器改變接收光的偏振方向可以得到比機械式旋轉起偏器、 補償器或檢偏器光軸更高的偏振方向控制精度和重複精度，而且磁光調製器的調製速度快 提高了測量速度。本發明裝置的校準、測量和計算過程都由計算機控制，可以對待測樣品進 行自動測量，直接生成待測樣品厚度分布圖。圖4顯示了根據本發明的一個進一步的實施例的薄膜厚度測量裝置；本實施例與 圖1所示實施例的不同之處在於磁光調製器(12)位於起偏器(6)與補償器(7)之間的光 路中。圖5顯示了根據本發明的又一個實施例的薄膜厚度測量裝置；本實施例與圖所示 的實施例的不同之處在於磁光調製器(12)位於補償器(7)與被測對象(薄膜(21))之間 的光路中。應當理解的是，在以上敘述和說明中對本發明所進行的描述只是說明而非限定性的，且在不脫離如所附權利要求書所限定的本發明的前提下，可以對上述實施例進行各種 改變、變形、和/或修正。
權利要求
一種基於磁光效應的成像橢偏儀，包括沿著一條光路依次設置的光源(4)，用於發出照射待測對象的單頻率光；準直擴束裝置(5)，用於對所述光源(4)發出的光進行準直和擴束；起偏器(6)，用於把所述準直擴束裝置(5)輸出的任意偏振態的光轉變成線偏振光；檢偏器(13)，用於改變所接收的來自所述待測對象的光的偏振方向，並輸出線偏振光；其特徵在於所述成像橢偏儀進一步包括一個磁光調製器(12)，所述磁光調製器(12)被設置在所述光路位於所述起偏器(6)與所述檢偏器(13)之間的部分上，用於將入射所述磁光調製器(12)的光的偏振方向旋轉一定的角度。
2.根據權利要求1所述的橢偏儀，其特徵在於 所述磁光調製器(12)進一步包括一個磁光晶體(25)，所述磁光晶體(25)被設置在所述光路位於所述起偏器(6)與所述 檢偏器(13)之間的部分上，磁光晶體(25)的軸線沿著所述光路， 圍繞所述磁光晶體(25)的一個線圈，以及 一個調製電源(26)，用於給所述線圈加載電流， 所述橢偏儀進一步包括一個第一驅動器(18)，用於控制所述調製電源(26)加載到所述線圈上的所述電流的大小。
3.根據權利要求1或2所述的成像橢偏儀，其特徵在於進一步包括 一個成像系統(15)，其被設置在所述檢偏器(13)下遊的所述光路上，一個面陣探測器(16)，其被設置在所述成像系統(15)下遊的所述光路上， 一個起偏器旋轉控制臺(7)，用於使所述起偏器(6)的光軸在與所述光路垂直的一個 平面內轉動；一個補償器(8)，用於在相互垂直的兩個偏振方向上產生一個相位延遲，從而將線偏振 光變成橢圓偏振光，其中所述補償器(8)的光軸方向與所述起偏器(6)的光軸方向有一個 夾角 a 且 0° < a < 90°，一個補償器旋轉控制臺(9)，用於使所述補償器(7)的光軸在與所述光路垂直的一個 平面內轉動；一個檢偏器旋轉控制臺(14)，用於使所述檢偏器(13)的光軸在與所述光路垂直的一 個平面內轉動；一個第二驅動器(19)，用於控制所述起偏器旋轉控制臺(7)、補償器旋轉控制臺(9)和 檢偏器旋轉控制臺(14)的轉動。
4.根據權利要求3所述的橢偏儀，其特徵在於所述磁光調製器(12)被設置在以下兩個 位置之一所述光路從所述起偏器(6)到所述補償器(8)的部分， 所述光路從所述所述補償器(8)到所述檢偏器(13)的部分。
5.根據權利要求4所述的橢偏儀，其中所述光源(4)包括一個雷射器，其特徵在於進一 步包括一個入射光闌(10)，用於改變沿著所述光路照向所述待測對象的光束的尺寸； 一個出射光闌(11)，用於改變沿著所述光路來自所述待測對象的光束的尺寸； 一個圖像採集卡(20)，用於將所述面陣探測器(16)的輸出的模擬電信號轉換成數字 電信號；一個計算機(17)，用於控制所述第一驅動器(18)和所述第二驅動器(19)並接收和處 理來自所述圖像採集卡(20)的所述數字電信號。
6.一種基於磁光效應的成像橢偏儀測量方法，包括利用一個準直擴束裝置(5)對一個光源(4)發出的光進行準直和擴束； 利用一個起偏器(6)把所述準直擴束裝置(5)輸出的任意偏振態的光轉變成線偏振光；利用一個檢偏器(13)改變所接收的來自所述待測對象的光的偏振方向，並輸出線偏 振光；其特徵在於進一步包括利用設置在所述光路位於所述起偏器(6)與所述檢偏器(13)之間的部分上的一個磁 光調製器(12)，將沿著所述光路入射所述磁光調製器(12)的光的偏振方向旋轉一定的角度。
7.根據權利要求6所述的測量方法，其中所述磁光調製器(12)包括一個磁光晶體 (25)，且其特徵在於所述將沿著所述光路入射所述磁光調製器(12)的光的偏振方向旋轉一定的角度的步 驟包括把所述磁光晶體(25)設置在所述光路位於所述起偏器(6)與所述檢偏器(13)之間的 部分上，使所述磁光晶體(25)的軸線沿著所述光路，以及利用一個調製電源(26)給圍繞所述磁光晶體(25)的一個線圈加載電流， 且所述測量方法進一步包括利用一個第一驅動器(18)控制所述調製電源(26)加載到所述線圈上的所述電流的大
8.根據權利要求7所述的測量方法，其特徵在於進一步包括 用一個成像系統(15)對所述檢偏器(13)下遊的所述光路上的光束進行成像， 利用一個面陣探測器(16)接收所述成像系統(15)所成的像，並將接收到的像的二維 空間光信號轉化為電信號輸出；利用一個起偏器旋轉控制臺(7)使所述起偏器(6)的光軸在與所述光路垂直的一個平 面內轉動；利用一個補償器(8)在相互垂直的兩個偏振方向上產生一個相位延遲，從而將線偏振 光變成橢圓偏振光，其中所述補償器(8)的光軸方向與所述起偏器(6)的光軸方向有一個 夾角a且0° < a <90°，利用補償器旋轉控制臺(9)使所述補償器(7)的光軸在與所 述光路垂直的一個平面內轉動；利用一個檢偏器旋轉控制臺(14)使所述檢偏器(13)的光軸在與所述光路垂直的一個 平面內轉動；利用一個第二驅動器(19)控制所述起偏器旋轉控制臺(7)、補償器旋轉控制臺(9)和檢偏器旋轉控制臺(14)的轉動。
9.根據權利要求8所述的測量方法，其特徵在於所述磁光調製器(12)被設置在以下兩 個位置之一所述光路從所述起偏器(6)到所述補償器(8)的部分， 所述光路從所述補償器(8)到所述檢偏器(13)的部分， 且所述測量方法進一步包括利用一個入射光闌(10)改變沿著所述光路照向所述待測對象的光束的尺寸； 利用一個出射光闌(11)改變沿著所述光路來自所述待測對象的光束的尺寸； 利用一個圖像採集卡(20)將所述面陣探測器(16)的輸出的模擬電信號轉換成數字電信號；利用一個計算機(17)控制所述第一驅動器(18)和所述第二驅動器(19)並接收和處 理來自所述圖像採集卡(20)的所述數字電信號。
10.根據權利要求5-9中任何一項所述的測量方法，其中所述光源(4)包括一個雷射 器，其特徵在於進一步包括初始化實驗裝置(步驟S301)，包括由所述計算機(17)控制第二驅動器(19)分別轉 動起偏器旋轉控制臺(7)、補償器旋轉控制臺(9)、檢偏器旋轉控制臺(14)，從而改變起偏 器(6)、補償器(8)、檢偏器(13)的光軸方向，使得起偏器(6)與補償器(8)的光軸方向夾 角為a度，起偏器(8)與檢偏器(13)的光軸夾角為0度； 設定I = 0以及N的值(步驟S302)；用所述計算機(17)通過所述圖像採集卡(20)記錄面陣探測器(16)的橢偏圖像信號 (步驟 S303)；用所述計算機(17)控制第一驅動器(18)，使得磁光調製器(12)出射光偏振方向相對 於當前偏振方向旋轉360/N度，並設定I = 1+1(步驟S304)；判斷當前磁光調製器(12)的旋轉出射光偏振方向次數I是否小於N(步驟S305)，且 若「是」，則返回到步驟S303，計算機(17)通過圖像採集卡(20)記錄面陣探測器(16) 的橢偏圖像信號，並控制第一驅動器(18)使得磁光調製器(12)出射光偏振方向相對於當 前偏振方向旋轉360/N度，並設定I = 1+1 (步驟S304)；若「否」，則計算機(17)控制第一驅動器(18)停止驅動磁光調製器(12)(步驟S306)。
全文摘要
一種基於磁光效應的成像橢偏儀涉及一種薄膜厚度的測量方法和裝置，特別涉及應用於對樣品表面納米尺度薄膜厚度分布進行觀測的方法和裝置。其特徵在於採用透光軸方向可旋轉的起偏器、補償器和檢偏器對系統進行校正，採用磁光調製技術改變接收光的偏振方向，採用面陣探測器記錄樣品表面薄膜的橢偏圖像，採用迭代算法對數據進行處理，精確測量樣品表面薄膜形貌參數。它有效解決了現有方法的不足，提高了接收光偏振態檢測精度，提高了測量速度。
文檔編號G01N13/00GK101852591SQ201010033720
公開日2010年10月6日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者吳學健, 張繼濤, 李巖 申請人:清華大學