一种成像椭偏仪测量系统及系统参数校准方法

1.本发明属于光学仪器测量领域，更具体地，涉及一种成像椭偏仪测量系统及系统参数校准方法。


背景技术：

2.近年来，由于半导体、芯片产业的飞速发展，纳米制造技术不断提升，微纳材料表面结构日趋复杂，而且微纳产品表面的形貌尺寸等参数是生产线良率的重要指标。因此，针对半导体芯片等微纳产品表面几何结构参数的非破坏性、低成本、快速精确测量具有十分重要的意义。
3.传统的纳米结构几何参数的测量方式主要是扫描电子显微镜(sem)、原子力显微镜(afm)和透射电子显微镜(tem)等，上述测量方式有非常高的测量分辨率，但是针对半导体芯片产品的测量却有不足之处，例如原子力显微镜(afm)为表面探针接触式测量，测量过程中会损伤样品，而且其属于扫描式测量，测量效率低下。扫描电子显微镜与透射式电子显微镜虽然是非接触式测量，但它们在测量的过程中同样会对样品造成损伤，相比之下，利用光谱偏振信息的非接触式测量方法具有快速、准确、高效的特点，在半导体芯片领域则具有先天优势。
4.椭偏仪是利用光谱偏振信息对纳米结构几何参数进行测量的仪器，具有调制简单，测量精度高、无损测量等优点，其测量结果通常通过穆勒矩阵进行表示。椭偏仪的测量精度依赖于系统内部的偏振片方位角、相位延迟器方位角、相位延迟量等系统参数，为了保证测量精度，椭偏仪在进行实际测量之前，需要进行对这些偏振进行校准。椭偏仪可分为光谱型椭偏仪与成像型椭偏仪，光谱型椭偏仪以光谱仪作为光谱信号探测器，其可一次性获取工作光谱范围内的所有光谱信号，因此光谱型椭偏仪具有测量与校准速度快、便捷的特点。但是由于光谱型椭偏仪的横向分辨率取决于照射光斑的大小，而照射光斑几何尺寸有所限制，一般直径最小为160微米，这导致光谱型椭偏仪横向分辨率最高为160微米，一般适用于测量表面均匀的样品，当样品具有几何尺寸小于160微米的微区时，光谱型椭偏仪则难以测量。
5.成像型椭偏仪结合显微成像系统，将光学显微镜所具有的可视化测量能力结合到椭偏测量当中，由于光学显微镜的横向分辨率最高可达亚微米级，在普通椭偏仪上也能够达到微米级的横向分辨率，所以成像型椭偏仪具有较高的横向分辨率，因此其不仅适用于均匀表面样品测量，而且对于具有几何尺寸小于160微米的微区样品同样能够测量。但是成像型椭偏仪的光谱信息探测器，如ccd或cmos工业相机等，在单次测量中仅能获得单个波长对应的光强信息，因此，需要采用遍历工作波段内所有波长获取光强信息并计算校准出系统参数的系统参数校准方式，尽管在单个波长下系统参数校准速度快，能达到毫秒量级，但是在整个工作波长范围内，需要遍历每个波长，导致系统参数校准时间长。并且，由于光强信号采集的时间则随着遍历波长的数目增长而呈线性增加，在工作波段较宽的情况下，光强信息采集的时间可达到几分钟甚至十几分钟，严重降低系统参数校准速度。因此，成像型
椭偏仪尽管具有横向分辨率高的特点，但是由于遍历波长获取光强信息方式的限制，导致系统参数校准时间长，仪器测量速度较慢，不适用于宽光谱范围内的测量。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种成像椭偏仪测量系统及系统参数校准方法，其目的在于，加快成像椭偏仪系统参数校准的速度，使成像椭偏仪同时具有高横向分辨率的能力和快速校准的能力，从而提高成像椭偏仪整体的测量速度。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种成像椭偏仪，包括：
8.样品台，用于放置样品；
9.设置于样品台一侧且沿光路依次设置的入射光生成模块、起偏模块和第一会聚透镜；入射光生成模块，用于生成工作波长范围内的平行的入射光；起偏模块，用于调制入射光的偏振态，得到偏振入射光；第一会聚透镜，用于将偏振入射光聚焦于放置于样品台上的样品，产生反射光；
10.以及设置于样品台另一侧且沿反射光的光路依次设置的第二会聚透镜、检偏模块、光束调整模块以图像信息探测模块；第二会聚透镜，用于将反射光转换为平行光；检偏模块，用于调制平行光的偏振态，得到偏振平行光；光束调整模块，用于对偏振平行光进行空间或时间上的分割，得到第一出射光束和第二出射光束；图像信息探测模块，用于将第一出射光束调节为单色光后对样品进行成像，得到样品的二维图像；
11.其中，第二出射光束在系统参数校准过程中作为光谱检测模块的输入。
12.进一步地，图像信息探测模块包括：滤波单元、筒镜和探测单元；
13.滤波单元，用于将第一出射光束调节为单色光；
14.筒镜，用于将单色光会聚到探测单元；
15.探测单元，用于根据接收的单色光对样品进行成像，得到样品的二维图像及光强信息。
16.进一步地，筒镜为消色差筒镜。
17.进一步地，滤波单元包括：滤波片轮，以及安装于滤波片轮上的具有不同中心波长的滤波片。
18.进一步地，第一会聚透镜和第二会聚透镜均为微光斑会聚透镜。
19.进一步地，入射光生成模块包括依次设置的光源、入射光纤转接口和入射光准直器；
20.光源，用于发出工作波长范围内的非偏振光；
21.入射光纤转接口，用于将非偏振光转接至入射光准直器；
22.入射光准直器，用于将非偏振光准直为平行的入射光。
23.进一步地，入射光准直器包括沿光路依次设置的光束准直透镜和第一圆形光阑。
24.进一步地，起偏模块和检偏模块所依据的偏振调制为双旋转相位延迟器调制、单旋转相位延迟器调制、光弹调制器调制或相干调制器调制。
25.进一步地，起偏模块包括沿光路依次设置的第一偏振片和第一相位延迟器；
26.检偏模块包括沿光路依次设置的第二相位延迟器和第二偏振片。
27.按照本发明的另一个方面，提供了上述成像椭偏仪的系统参数校准系统，该系统
参数校准系统包括：上述成像椭偏仪以及光谱检测模块；
28.光谱检测模块，设置于第二出射光束的传播光路上，用于获取第二出射光束的光谱信息。
29.进一步地，光谱检测模块，包括：出射光会聚器、出射光纤转接口和光谱仪；
30.出射光会聚器，用于将第二出射光束会聚到出射光转接口；
31.出射光纤转接口，用于将会聚后的第二出射光束转接到光谱仪；
32.光谱仪，用于获取第二出射光束的光谱信息。
33.进一步地，出射光会聚器包括沿光路依次设置的第二圆形光阑和第三会聚透镜。
34.按照本发明的又一个方面，提供了基于上述系统参数校准系统的系统参数校准方法，包括：
35.预处理步骤：将穆勒矩阵已知的标准样品放置于样品台上，并使入射光生成模块发出工作波长范围内的平行的入射光；
36.光谱检测步骤：通过光谱检测模块获取标准样品的光谱信息，从光谱信息中提取工作波长范围内各波长的光强值，记为第一光强值；
37.光谱拟合步骤：根据第一光强值求解各系统参数随波长变化的拟合曲线，记为第一拟合曲线；系统参数为起偏模块和检偏模块中影响偏振的器件参数；
38.成像检测步骤：通过图像信息探测模块获取工作波长范围内的n个不同波长下标准样品的二维图像，并根据二维图像计算不同波长下的光强值，记为第二光强值；n为正整数；
39.校准步骤：根据第二光强值求解n个不同波长下各系统参数的离散值，并拟各系统参数随波长变化的拟合曲线，记为第二拟合曲线，完成对成像椭偏仪的校准；第二拟合曲线与第一拟合曲线具有相同的变化趋势。
40.按照本发明的又一个方面，提供了一种基于上述成像椭偏仪的微纳产品表面测量方法，包括：
41.将待测微纳产品放置于样品台上，并调整图像信息探测模块，使其过滤得到的单色光的波长为目标工作波长，并根据第二拟合曲线确定目标工作波长下的系统参数；第二拟合曲线由本发明提供的上述校准方法校准得到；
42.使入射光生成模块发出工作波长范围内的平行的入射光后，通过图像信息探测模块获得目标工作波长下待测微纳产品的二维图像；
43.根据二维图像计算目标工作波长下的光强信息；
44.根据目标工作波长下的系统参数以及光强信息计算待测微纳产品的穆勒矩阵。
45.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
46.(1)本发明所提供的成像椭偏仪，其在成像过程中，会产生额外的光束，即第二出射光束，该光束在椭偏仪的校准过程中，会输入光谱图像信息探测模块，从而通过单次光谱测量即可得到系统系统参数的拟合曲线；由于该拟合曲线携带了系统系统参数随波长的变化趋势，因此，在该拟合参数的辅助下，仅利用图像信息探测模块遍历特定的离散波长，即可校准整个工作波长范围的系统参数拟合曲线，有效减少了遍历波长所需的时间，在保证高横向分辨率的情况下，有效提高了系统参数校准的效率，从而能够有效提高成像椭偏仪的测量速度。
47.(2)本发明所提供的成像椭偏仪，其具有高横向分辨率能力，既能实现均匀样品的测量，也可以实现具有微区分布的样品的测量；本发明提供的成像椭偏仪同时具有快速参数校准的能力，在宽光谱范围内也可以快速完成系统参数校准，因此，本发明的适用范围广，实用性强。
48.(3)本发明提供的成像椭偏仪，其图像信息探测模块中的筒镜具体为消色差筒镜，可在成像过程中降低工作波长范围内的色差，有效提高成像质量，从而进一步提高测量精度，同时，可有效减少成像过程中筒镜、探测器等器件的调节幅度。
49.(4)本发明提供的成像椭偏仪，其中的滤波单元具体包括滤波片轮，以及安装于所述滤波片轮上的具有不同中心波长的滤波片，从而通过旋转滤波片轮即可方便地切换不同中心波长的滤波片。
50.(5)本发明提供的成像椭偏仪，其中的两个会聚透镜，即第一会聚透镜和第二会聚透镜均为微光斑会聚透镜，由于经微光斑会聚透镜会聚得到的光斑尺寸较小(通常为160微米)，会聚透镜的直径可在保证不与样品台干涉的前提下设置为较大值，从而进一步提高系统的分辨能力。
附图说明
51.图1为本发明实施例提供的成像椭偏仪结构框图；
52.图2为本发明实施例提供的成像椭偏仪的具体结构示意图；
53.图3为本发明实施例提供的具有微区的待测mos2样品二维图片；
54.图4为本发明实施例提供的成像椭偏仪的校准系统结构框图；
55.图5为本发明实施例提供的成像椭偏仪的校准系统的具体结构示意图；
56.图6为本发明实施例提供的校准方法流程图；
57.图7为本发明实施例提供的校准结果示意图；
58.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
59.1-光源，3-入射光纤转接口，4-入射光准直器；4-1-光束准直透镜，4-2-第一圆形光阑；
60.5-起偏模块，5-1-第一偏振片，5-2-第一相位延迟器；
61.6-第一会聚透镜，7-第二会聚透镜；
62.8-检偏模块，8-1-第二相位延迟器，8-2-第二偏振片；
63.9-光束调整模块；
64.10-出射光会聚器，10-1-第二圆形光阑，10-2
–
第三会聚透镜；
65.11-出射光纤转接口，12-光谱仪；
66.13-滤波单元，14-筒镜，15-探测单元；
67.2-光纤，16-数据线。
具体实施方式
68.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。
69.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
70.为了解决现有的成像椭偏仪的系统参数校准时间长、测量效率低的技术问题，本发明提供了一种成像椭偏仪测量系统及系统参数校准方法，其整体思路在于：对成像椭偏仪的结构进行改进，使其在校准过程中可与光谱检测模块相结合，从而利用光谱测量校准得到的系统参数拟合曲线辅助完成对成像椭偏仪的系统校准，仅遍历特定的离散波长，即可校准目标波长范围内完整的系统参数拟合曲线，避免了全光谱范围内的波长遍历，在保证高横向分辨率的情况下，有效提高了系统参数校准的效率，从而提高成像椭偏仪整体的测量速度。
71.以下为实施例。
72.实施例1：
73.一种成像椭偏仪，如图1所示，包括：
74.样品台，用于放置样品；
75.设置于样品台一侧且沿光路依次设置的入射光生成模块、起偏模块5和第一会聚透镜6；入射光生成模块，用于生成工作波长范围内的平行的入射光；起偏模块5，用于调制入射光的偏振态，得到偏振入射光；第一会聚透镜6，用于将偏振入射光聚焦于放置于样品台上的样品，产生反射光；
76.以及设置于样品台另一侧且沿反射光的光路依次设置的第二会聚透镜7、检偏模块8、光束调整模块9以图像信息探测模块；第二会聚透镜7，用于将反射光转换为平行光；检偏模块8，用于调制平行光的偏振态，得到偏振平行光；光束调整模块9，用于对偏振平行光进行空间或时间上的分割，得到第一出射光束和第二出射光束；图像信息探测模块，用于将第一出射光束调节为单色光后对样品进行成像，得到样品的二维图像；
77.其中，第二出射光束在系统参数校准过程中作为光谱检测模块的输入。
78.本实施例提供的成像椭偏仪，可对放置于样品台上的样品进行成像测量，最终计算得到样品的穆勒矩阵。
79.本实施例中，图像信息探测模块与第二会聚透镜7相互配合完成成像，如图2所示，图像信息探测模块具体包括：滤波单元13、筒镜14和探测单元15；
80.滤波单元13，用于将第一出射光束调节为单色光，该单色光的波长可根据实际的成像需求灵活调整；滤波单元13可采用任意一种不影响成像与偏振的方式实现，为便于调整单色光的波长，作为一种优选的实施方式，本实施例中，滤波单元13包括：滤波片轮，以及安装于滤波片轮上的具有不同中心波长的滤波片，在实际测量时，旋转滤波片轮即可切换不同中心波长的滤波片；
81.筒镜14，用于将单色光会聚到探测单元15；作为一种优选的实施方式，本实施例中，筒镜14具体为消色差筒镜，由此能够降低工作波长范围内的色差，提高成像质量，同时，在成像过程中，由于光线存在折射，不同波长光线产生的焦移不可消除，因此在不同波长光线成像时，像面的位置会随波长变化而变化，测量时根据波长变化调整像面位置，可调整消色差筒镜或者ccd探测器，本实施例中，筒镜具体为消色差筒镜，色差得到了有效的消除，成像过程中筒镜、探测器等器件的调节幅度可有效减小；
82.探测单元15，用于根据接收的单色光对样品进行成像，得到样品的二维图像及光强信息；可选地，本实施例中探测单元15具体为ccd探测器，其拍摄的样品图片包含了样品各个区域的光强信息，在实际测量中，可选择ccd探测器拍摄的图片不同像素位置的光强信息，获取特定区域信息。
83.在实际测量中，为了提高成像分辨率，可增加第一会聚透镜6和第二会聚透镜7的直径，以获得更大的数值孔径na，但同时需要避免这两个会聚透镜与样品台发生干涉；优选地，本实施例中，第一会聚透镜6和第二会聚透镜7均为微光斑会聚透镜，经过微光斑透镜会聚的光束，可以在样品上形成一个直径为160微米的光斑，由于光斑尺寸较小，会聚透镜的直径可在保证不与样品台干涉的前提下设置为较大值，从而进一步提高系统的分辨能力。图3所示，为本实施例在具有微区的mos2样品上形成的光斑示例。
84.本实施例中，起偏模块5和检偏模块8均可用于调制光束偏振态，通过偏振态调制，光束会被调制为随着时间变化的椭圆偏振光，起偏模块5和检偏模块8的偏振调制的方法与器件并不受限，具体地，起偏模块5和检偏模块8所依据的偏振调制可以是双旋转相位延迟器调制、单旋转相位延迟器调制、光弹调制器调制、相干调制器调制等；起偏模块5和检偏模块8所采用的调制原理需要保持一致，起偏模块5和检偏模块8的具体器件构成、薄膜传输矩阵系统模型，以及参数校准过程中需要校准的系统参数，依据所采用的偏振调制原理相应确定即可。
85.可选地，本实施例中，起偏模块5和检偏模块8所采用的偏振调制原理具体为双旋转相位延迟器调制原理，具体地，如图2所示，本实施例中，起偏模块5包括沿光路依次设置的第一偏振片5-1和第一相位延迟器5-2；相应地，检偏模块8包括沿光路依次设置的第二相位延迟器8-1和第二偏振片8-2。
86.基于图2所示的偏振模块和检偏模块，本实施例中，薄膜传输矩阵系统模型如下：
87.s
out
＝mar(a')r(-c2)m
c2
(δ2)r(c2)
88.×ms
r(-c1)m
c1
(δ1)r(c1)r(-p')m
p
r(p')s
in
89.其中，s
out
为出射光斯托克斯向量，ma表示第二偏振片穆勒矩阵，a'表示第二偏振片方位角，r(*)表示旋转角为“*”时的穆勒旋转矩阵，m
c2
表示第二相位延迟器穆勒矩阵，c2表示第二相位延迟器方位角，δ2表示其相位延迟量，m
c1
表示第一相位延迟器穆勒矩阵，c1表示第一相位延迟器方位角，δ1表示其相位延迟量，m
p
表示第一偏振片穆勒矩阵，p'表示第一偏振片方位角，s
in
为入射光斯托克斯向量；ms表示样品的穆勒矩阵。
90.本实施例提供的成像椭偏仪在系统参数校准过程中，需要校准的系统参数包括：第一偏振片方位角p'、第二偏振片方位角a'、第一相位延迟器方位角c1、第二相位延迟器方位角c2、第一相位延迟器的相位延迟量δ1以及第二相位延迟器的相位延迟量δ2。
91.如图2所示，本实施例中，入射光生成模块包括依次设置的光源1、入射光纤转接口3和入射光准直器4；
92.光源1，用于发出工作波长范围内的非偏振光；光源1通过光纤2与入射光纤转接口3连接；
93.入射光纤转接口3，用于将非偏振光转接至入射光准直器4；
94.入射光准直器4，用于将非偏振光准直为平行的入射光；可选地，本实施例中，入射光准直器4具体包括沿光路依次设置的光束准直透镜4-1和第一圆形光阑4-2，其中，光束准
直透镜4-1用于将所述非偏振光准直为平行的入射光，第一圆形光阑4-2用于调整入射光的光瞳直径。
95.本实施例中，通过光束调整模块的调节，从检偏模块输出的偏振平行光可被分为第一出射光束和第二出射光束，其中的第一出射光束将输入图像信息探测模块完成成像测量，第二出射光束在实际测量过程中不起作用，但在校准过程中，作为光谱检测模块的输入，完成对样品的光谱测量，从而辅助成像椭偏仪的参数校准。可选地，本实施例中，光束调整模块具体为分束器，其通过对检偏模块输出的偏振平行光进行空间上的分割，将偏振平行光分为了第一出射光束和第二出射光束。在本发明其他的一些实施例中，也可采用反射镜(例如金属反射镜)作为光束调整模块，通过该反射镜对平行偏振光的传播光路进行调整，实现时间上的分割，得到第一出射光束和第二出射光束，在光强不够时也能得到有效的第一出射光束和第二出射光束。
96.本实施例对成像椭偏仪的结构进行了改进，其在成像过程中，会产生额外的光束，即第二出射光束，并且在第二出射光束的传播光路上设置光谱检测模块即可与成像椭偏仪中的结构组成光谱椭偏仪，从而通过单次光谱测量即可得到系统系统参数的拟合曲线；由于该拟合曲线携带了系统系统参数随波长的变化趋势，因此，在该拟合参数的辅助下，仅利用图像信息探测模块遍历特定的离散波长，即可校准整个工作波长范围的系统参数拟合曲线，有效减少了遍历波长所需的时间，在保证高横向分辨率的情况下，有效提高了系统参数校准的效率，从而能够有效提高成像椭偏仪的测量速度。
97.如图2所示，本实施例所提供的成像椭偏仪，整体为一个立式变角机构，可以根据测量需求变换光束入射角度，样品台水平放置，以满足不同样品的测量需求，比如液体样品等。
98.可选地，本实施例中，工作波长范围为380-1100nm。起偏模块和检偏模块中的相位延迟器以1:5或3:5的转速比旋转，由此可以经过一次测量求出16个穆勒矩阵元素。消色差筒镜与第二会聚透镜7焦距比为10：1，第二会聚透镜7的焦距为20mm，消色差筒镜的焦距为200mm，按照放大倍率关系，本实施例中的成像放大倍率为10倍；在10倍放大下，物面直径为160微米的光斑，在ccd像面上则为1.6(mm)；ccd探测器像面感光尺寸为4.76
×
6.32mm，在10倍放大倍率下，能更方便地观察微区样品的图案细节，以及能够充分利用ccd探测器像素。
99.实施例2：
100.一种成像椭偏仪的系统参数校准系统，本实施例中，成像椭偏仪即为上述实施例1提供的成像椭偏仪；如图4、图5所示，本实施例提供的校准系统包括：上述成像椭偏仪以及光谱检测模块；光谱检测模块，设置于第二出射光束的传播光路上，用于获取第二出射光束的光谱信息。
101.如图5所示，本时实施例中，光谱检测模块具体包括：出射光会聚器10、出射光纤转接口11和光谱仪12；
102.出射光会聚器10，用于将第二出射光束会聚到出射光转接口；
103.出射光纤转接口11，用于将会聚后的第二出射光束转接到光谱仪；
104.光谱仪12，用于获取第二出射光束的光谱信息；
105.可选地，如图5所示，本实施例中，出射光会聚器10包括沿光路依次设置的第二圆形光阑10-1和第三会聚透镜10-2，其中的第二圆形光阑10-1用于调节光瞳直径。
106.本实施例所提供的校准系统，光谱检测模块与成像椭偏仪中的起偏模块和检偏模块一起构成光谱椭偏仪，可配合完成光谱测量工作，也即是说，本实施例提供的校准系统，包含成像椭偏仪和光谱椭偏仪，且光谱椭偏仪复用了成像椭偏仪中的偏振结构；因此，本实施例所提供的校准系统，即可实现对样品的光谱测量，也可实现对样品的成像测量。
107.光谱测量过程如下：
108.光源1发出的非偏振光束经过光纤2进入入射光纤转接口3，随后发散光进入光束准直透镜4-1，将发散光准直，经过第一圆形光阑4-2，调整光瞳直径，经过第一偏振片5-1，第一相位延迟器5-2，调制光束偏振态，经过第一微光斑透镜6，将偏振光会聚到样品上形成一个照明区域，反射光进入第二微光透镜7，第二相位延迟器8-1，第二偏振片8-2，调制光束偏振态，经过分束器，将光束分为两束光，即第一出射光束和第二出射光束，第二出射光束沿原传播方向，第一出射光束垂直于原传播方向，沿原传播方向的光束进入第二圆形光阑10-1调整入瞳直径，经过第三会聚透镜10-2，会聚到出射光纤转接口11，然后由光谱仪12接收，获取光谱信息，然后经过数据线16连入电脑，进行数据处理。
109.第一相位延迟器5-2，第二相位延迟器8-1的旋转速度由中空轴电机控制，光束照射样品的角度由变角机械结构控制。第一圆形光阑4-2、第二圆形光阑调整光瞳直径，使光谱汇聚透镜前的平行光束能够满足光瞳直径需求。光谱仪12可以同时获取380-1100nm波长的光强数据。
110.与上述实施例1类似，本实施例中，成像过程如下：
111.光源1发出的非偏振光束经过光纤2进入入射光纤转接口3，随后发散光进入光束准直透镜4-1，将发散光准直，经过第一圆形光阑4-2，调整光瞳直径，经过第一偏振片5-1，第一相位延迟器5-2，调制光束偏振态，经过第一微光斑透镜6，将偏振光会聚到样品上形成一个照明区域，反射光进入第二微光透镜7，第二相位延迟器8-1，第二偏振片8-2，调制光束偏振态，经过分束器，将光束分为两束光，一束沿原传播方向，一束垂直于原传播方向，垂直于原传播方向的光进入滤波片13，将复色光变为特定波长单色光，消色差筒镜14，将平行单色光会聚到ccd探测器15对样品二维图案成像并获取光强信息，ccd探测器获取的信息经过数据线16连入电脑，进行数据处理。
112.可选地，本实施例中，第三会聚透镜与第二会聚透镜的焦距比为3:1，由于第二会聚透镜的焦距为20mm，因此，第三会聚透镜的焦距为60mm，小焦距可使第三会聚透镜到光谱仪整体结构更为紧凑。
113.本实施例所提供的校准系统，由于光谱测量和成像测量的光路传播存在一定的差异，因此两个校准结果在实际测量中会存在一定的偏差，但实验分析发现，由于光谱椭偏仪复用了成像椭偏仪中的偏振结构，偏振过程相同，光谱椭偏仪和成像椭偏仪校准得到的系统参数随波长的变化趋势保持一致，并且光谱检测模块的引入，对于成像椭偏仪的内部结构没有任何影响，因此，通过光谱测量校准相关系统参数后，该校准结果可辅助完成成像椭偏仪中系统参数的校准。
114.本实施例中，进行光谱测量时，光源为钨灯光源，光强满足测试要求，当成像测量时，由于相机快门时间按照光谱仪测量设置，其曝光时间可能较短，导致ccd探测器采集光强不够，因此可以在成像测量时选用强度更高光源，如氘灯等；分束器选用立方体棱镜式分束器，可以将偏振平行光分为两束光强为50％的光束，分别进入光谱检测模块与图像信息
探测模块。
115.如上述实施例1所述，当光强不够时也可以将分束器替换为金属反射镜，即在光谱测量过程结束后，将金属反射镜安装上，再进行成像测试。
116.本实施例所提供的校准系统，同时也可作为椭偏仪使用，可实现光谱测量与成像可视化测量，提高了仪器的适用性，可单机多用，降低了仪器的使用成本。
117.实施例3：
118.基于上述实施例2的系统参数校准系统的系统参数校准方法，如图6所示，包括：
119.预处理步骤：将穆勒矩阵已知的标准样品放置于样品台上，并使入射光生成模块发出工作波长范围内的平行的入射光；
120.光谱检测步骤：通过光谱检测模块获取标准样品的光谱信息，从光谱信息中提取工作波长范围内各波长的光强值，记为第一光强值；
121.光谱拟合步骤：根据第一光强值求解各系统参数随波长变化的拟合曲线，记为第一拟合曲线；系统参数为起偏模块5和检偏模块8中影响偏振的器件参数；
122.成像检测步骤：通过图像信息探测模块获取工作波长范围内的n个不同波长下标准样品的二维图像，并根据二维图像计算不同波长下的光强值，记为第二光强值；n为正整数；
123.校准步骤：根据第二光强值求解n个不同波长下各系统参数的离散值，并拟各系统参数随波长变化的拟合曲线，记为第二拟合曲线，完成对成像椭偏仪的校准；第二拟合曲线与第一拟合曲线具有相同的变化趋势；根据第二光强值求解各系统参数随波长变化的离散值，由于光谱拟合得到的第一拟合曲线的变化趋势与第二光强值求解出的各系统参数离散值随波长变化的趋势相同，因此利用第一拟合曲线去拟合成像检测系统获得的系统参数离散值，即可获得成像椭偏仪整个工作波段下的系统参数拟合曲线。
124.可选地，本实施例中，选用的标准样品具体为标准sio2样品，且在光谱测量和成像测量过程中，入射光束角设置为布儒斯特角。
125.在测量过程中，采集到的光强i
(t)
可通过光强傅里叶级数表示如下：
[0126][0127]
其中，i0表示光源出射光强值，ω表示第一第二相位延迟器旋转角速度最大公约数，φ
2n
表示第一相位延迟器和第二相位延迟器的初始方位角的差值；
[0128]
由于起偏模块和检偏模块均采用双旋转相位延迟器调制原理，其薄膜传输矩阵系统模型如下：
[0129]sout
＝mar(a')r(-c2)m
c2
(δ2)r(c2)
[0130]
×ms
r(-c1)m
c1
(δ1)r(c1)r(-p')m
p
r(p')s
in
[0131]
其中，s
out
为出射光斯托克斯向量，i(t)就是不同时刻的s
out
；ma表示第二偏振片穆勒矩阵，a'表示第二偏振片方位角，r(*)表示旋转角为“*”时的穆勒旋转矩阵，m
c2
表示第二相位延迟器穆勒矩阵，c2表示第二相位延迟器方位角，δ2表示其相位延迟量，m
c1
表示第一相位延迟器穆勒矩阵，c1表示第一相位延迟器方位角，δ1表示其相位延迟量，m
p
表示第一偏振片穆勒矩阵，p'表示第一偏振片方位角；s
in
为入射光斯托克斯向量，可表示为s
in
＝[i
in
,0,
0,0]
t
，i
in
为入射光强，上标“t”表示矩阵转置；ms表示样品的穆勒矩阵。
[0132]
第一偏振片m
p
与第二偏振片ma穆勒矩阵表达式相同，均为：
[0133][0134]
穆勒旋转矩阵r(*)表达式为：
[0135][0136]
第一相位延迟器m
c1
与第二相位延迟m
c2
穆勒矩阵形式为：
[0137][0138]
样品的穆勒矩阵表达式为：
[0139][0140]
由于标准sio2样品的穆勒矩阵已知，利用以上光强傅里叶级数表示以及系统薄膜传输矩阵模型，即可反解出系统参数，即a'、p'、c1、c2、δ1、δ2；可选地，本实施例中在求解过程中，利用了levenberg-marquardt梯度下降算法，梯度下降算法需给定一个较好的初值才能迭代，因此在求解中先利用一个波长光强值，计算出一组系统参数值作为迭代初值，然后再进行迭代求解，最终求解不同波长下对应的系统参数，即可得到各系统参数随波长变化的拟合曲线。
[0141]
在光谱测量过程中，单次测量即可得到全光谱范围内各波长下的拟合曲线，如图7中的实线所示。
[0142]
由于成像测量过程中，单次测量仅能获得单个波长对应的光强信息，为了加速校准，本实施例利用图像信息探测模块获取的标准sio2样品在特定波长下的图案信息，选取图片上目标像素位置的光强值，与上述光谱检测模块求解系统参数方法一样，再求解出一组离散波长下系统参数值，利用光谱检测模块获取的系统参数拟合曲线所携带的变化趋势对图像信息探测模块校准的系统参数值对进行标定，标定目的在于，使成像椭偏仪校准得
到的各系统参数与光谱椭偏仪校准得到的各系统参数具有相同的变化趋势。如图7所示，系统参数光谱测量结果为实线，成像测量结果为黑点；其中光谱和成像测量的偏振片方位角数值基本相同，可采用光谱椭偏仪对于这两个参数的校准结果作为成像椭偏仪的校准结果；相位延迟器方位角相差一个常量，因此，可相应将光谱椭偏仪对于这两个参数的校准结果相应地增加一个常量，作为成像椭偏仪的校准结果；相位延迟量变化趋势相同，相差值很小，因此只需要利用成像测量方法测量出的系统参数数值按照光谱测量方法测量出的系统参数拟合曲线拟合，最终则可获取成像椭偏仪在工作波段内准确的系统参数拟合曲线。
[0143]
同样需要说明的是，当椭偏仪所采用的偏振调制原理发生变化时，相应确定薄膜传输模型以及具体需要校准的系统参数即可，具体的校准过程与上述过程相同。
[0144]
基于该校准方法，本实施例中，成像椭偏仪仅利用图像信息探测模块遍历特定的n个离散波长，即可校准整个工作波长范围的系统参数拟合曲线，有效减少了遍历波长所需的时间，在保证高横向分辨率的情况下，有效提高了系统参数校准的效率，从而能够有效提高成像椭偏仪的测量速度。
[0145]
实施例4：
[0146]
一种基于上述实施例1提供的成像椭偏仪的微纳产品表面测量方法，包括：
[0147]
将待测微纳产品放置于样品台上，并调整图像信息探测模块，使其过滤得到的单色光的波长为目标工作波长，并根据第二拟合曲线确定目标工作波长下的系统参数；第二拟合曲线由上述实施例3提供的校准方法校准得到；
[0148]
使入射光生成模块发出工作波长范围内的平行的入射光后，通过图像信息探测模块获得目标工作波长下待测微纳产品的二维图像；
[0149]
根据二维图像计算目标工作波长下的光强信息；
[0150]
根据目标工作波长下的系统参数以及光强信息计算待测微纳产品的穆勒矩阵。
[0151]
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。

技术特征：
1.一种成像椭偏仪，其特征在于，包括：样品台，用于放置样品；设置于所述样品台一侧且沿光路依次设置的入射光生成模块、起偏模块和第一会聚透镜；所述入射光生成模块，用于生成工作波长范围内的平行的入射光；所述起偏模块，用于调制所述入射光的偏振态，得到偏振入射光；所述第一会聚透镜，用于将所述偏振入射光聚焦于放置于所述样品台上的样品，产生反射光；以及设置于所述样品台另一侧且沿所述反射光的光路依次设置的第二会聚透镜、检偏模块、光束调整模块以图像信息探测模块；所述第二会聚透镜，用于将所述反射光转换为平行光；所述检偏模块，用于调制所述平行光的偏振态，得到偏振平行光；所述光束调整模块，用于对所述偏振平行光进行空间或时间上的分割，得到第一出射光束和第二出射光束；所述图像信息探测模块，用于将所述第一出射光束调节为单色光后对所述样品进行成像，得到所述样品的二维图像；其中，所述第二出射光束在系统参数校准过程中作为光谱检测模块的输入。2.如权利要求1所述的成像椭偏仪，其特征在于，所述图像信息探测模块包括：滤波单元、筒镜和探测单元；所述滤波单元，用于将所述第一出射光束调节为单色光；所述筒镜，用于将所述单色光会聚到所述探测单元；所述探测单元，用于根据接收的单色光对所述样品进行成像，得到所述样品的二维图像及光强信息。3.如权利要求2所述的成像椭偏仪，其特征在于，所述筒镜为消色差筒镜。4.如权利要求2所述的成像椭偏仪，其特征在于，所述滤波单元包括：滤波片轮，以及安装于所述滤波片轮上的具有不同中心波长的滤波片。5.如权利要求1～4任一项所述的成像椭偏仪，其特征在于，所述第一会聚透镜和所述第二会聚透镜均为微光斑会聚透镜。6.如权利要求1～4任一项所述的成像椭偏仪，其特征在于，所述起偏模块和所述检偏模块所依据的偏振调制为双旋转相位延迟器调制、单旋转相位延迟器调制、光弹调制器调制或相干调制器调制。7.如权利要求6所述的成像椭偏仪，其特征在于，所述起偏模块包括沿光路依次设置的第一偏振片和第一相位延迟器；所述检偏模块包括沿光路依次设置的第二相位延迟器和第二偏振片。8.如权利要求1～7任一项所述的成像椭偏仪的系统参数校准系统，其特征在于，包括：权利要求1～7任一项所述的成像椭偏仪以及光谱检测模块；所述光谱检测模块，设置于所述第二出射光束的传播光路上，用于获取所述第二出射光束的光谱信息。9.基于权利要求8所述的系统参数校准系统的系统参数校准方法，其特征在于，包括：预处理步骤：将穆勒矩阵已知的标准样品放置于所述样品台上，并使所述入射光生成模块发出工作波长范围内的平行的入射光；光谱检测步骤：通过所述光谱检测模块获取所述标准样品的光谱信息，从所述光谱信息中提取所述工作波长范围内各波长的光强值，记为第一光强值；
光谱拟合步骤：根据所述第一光强值求解各系统参数随波长变化的拟合曲线，记为第一拟合曲线；所述系统参数为所述起偏模块和所述检偏模块中影响偏振的器件参数；成像检测步骤：通过所述图像信息探测模块获取所述工作波长范围内的n个不同波长下所述标准样品的二维图像，并根据所述二维图像计算不同波长下的光强值，记为第二光强值；n为正整数；校准步骤：根据所述第二光强值求解n个不同波长下各系统参数的离散值，并拟各系统参数随波长变化的拟合曲线，记为第二拟合曲线，完成对所述成像椭偏仪的校准；所述第二拟合曲线与所述第一拟合曲线具有相同的变化趋势。10.一种基于权利要求1～7任一项所述的成像椭偏仪的微纳产品表面测量方法，其特征在于，包括：将待测微纳产品放置于所述样品台上，并调整所述图像信息探测模块，使其过滤得到的单色光的波长为目标工作波长，并根据第二拟合曲线确定所述目标工作波长下的系统参数；所述第二拟合曲线由权利要求9所述的校准方法校准得到；使所述入射光生成模块发出工作波长范围内的平行的入射光后，通过所述图像信息探测模块获得所述目标工作波长下所述待测微纳产品的二维图像；根据所述二维图像计算所述目标工作波长下的光强信息；根据所述目标工作波长下的系统参数以及光强信息计算所述待测微纳产品的穆勒矩阵。

技术总结
本发明公开了一种成像椭偏仪测量系统及系统参数校准方法，属于光学仪器测量领域，包括：样品台，用于放置样品；入射光生成模块，用于生成工作波长范围内的平行的入射光；起偏模块，用于调制入射光的偏振态；第一会聚透镜，用于将偏振入射光聚焦于放置于样品，产生反射光；第二会聚透镜，用于将反射光转换为平行光；检偏模块，用于调制平行光的偏振态；光束调整模块，用于将偏振平行光转换为第一出射光束和第二出射光束；图像信息探测模块，用于将第一出射光束调节为单色光后对样品进行成像。本发明能够加快成像椭偏仪系统参数校准的速度，使成像椭偏仪同时具有高横向分辨率的能力和快速校准的能力，从而提高成像椭偏仪整体的测量速度。速度。速度。


技术研发人员：陈修国 钟海硕 张传维 刘世元
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/9/14