纳米尺度下大面积散射场的快速测量方法及装置 |
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| 申请号 | CN201410855944.7 | 申请日 | 2014-12-31 | 公开(公告)号 | CN104501738B | 公开(公告)日 | 2017-08-11 |
| 申请人 | 华中科技大学; | 发明人 | 刘世元; 杜卫超; 张传维; 谭寅寅; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，包括：起偏端，用于将光束进行调制得到一定偏振态的光束；检偏端，用于将偏振态光束进行解调以获得样品信息；还包括物镜和第一透镜，待测样品位于物镜的前焦面上，偏振态光束经过该第一透镜聚焦在物镜的后焦面，待测样品散射光被物镜收集并成像于其后焦面，进而成像于 图像采集 装置上；以及扫描振镜，用于使得所述物镜出射到样品上的光束 角 度改变，获得待测样品不同入射角下的散射场分布图像，实现对待测样品纳米尺度下的快速精确的形貌测量。本发明还公开了相应的测量方法。本发明可以实现对待测样品多入射角下散射场快速采集，获得待测样品散射场在物镜后焦面上分布。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，其包括： |
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| 说明书全文 | 纳米尺度下大面积散射场的快速测量方法及装置技术领域[0001] 本发明属于三维形貌参数测量领域，具体涉及一种纳米尺度下的三维结构形貌的测量装置和方法。 背景技术[0002] 近年来，传统的微电子集成电路(IC)与微机电系统(MEMS)加工从微米量级突破到纳米量级。随着加工尺寸的不断减小，其三维形貌参数对器件最终性能的影响也越来越显著。这些三维形貌参数不仅包括特征线宽(即关键尺寸)、周期间距、高度、侧壁角等轮廓参数，而且包含线宽粗糙度(LWR)、线边粗糙度(LER)等重要特征。三维形貌参数是IC制造中影响器件性能的主要特征参数，因此对三维形貌参数的测量成为IC制造中的关键环节。目前针对IC制造中三维形貌参数的测量手段主要有：扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、传统光学显微镜(OM)、光学散射仪等几种。其中扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)为非接触式测量，横向与纵向分辨率都很高，但因为其在制样过程中需要破坏样件，且由于测量需真空环境的限制，所以无法用于IC制造中的在线、大批量测量；原子力显微镜(AFM)为表面探针式的接触式测量，测量过程中容易损伤样件，同时接触式的扫描测量速度较慢；传统光学显微镜(OM)受限于光学分辨率极限只能用于微米级别的测量，无法适用于纳米结构测量。而光学散射仪也称为光学关键尺寸(OCD)测量仪，其基本原理是通过起偏器将特殊的椭圆偏振光投射到待测结构(一般为周期性结构)表面，通过测量待测结构的零级衍射光(散射光)以获得偏振光在反射前后的偏振态变化(包括振幅比和相位差)，进而通过求解逆散射问题来提取出待测结构的关键尺寸等信息。与前面几种方法相比，光学散射仪具有三个重要优势：采用光学测量手段是非接触式测量，对样品没有破坏；测量环境要求低、测量速度快适用于在线测量；基于模型的测量方法，不受限于光学分辨率极限。基于上述的三大优势，光学散射仪目前已成为IC制造工艺线上不可或缺的一种测量设备，可以实现小至22nm技术节点的关键尺寸测量。 [0003] 如图1所示，传统的光学散射仪只能测量待测样品的零级衍射光，而无法收集其它级次光，待测样品的信息收集不完整。由于其只利用了周期性结构的零级衍射光反射信息，根据目前的基于模型求解的测量方法，它只能测量深宽比不大的简单周期性结构(如一维光栅结构和二维光栅结构)。同时因其测量光斑的限制(目前约为50um)，仅能获得周期性结构在测量光斑范围内的极少量统计参数，如平均意义下的光栅结构特征线宽(即关键尺寸)、高度、侧壁角等几何参数。这个局限性极大制约了光学散射仪的更广泛应用，使其无法胜任复杂三维纳米结构的测量，如IC制造在22nm及以下技术节点中新引入的鳍式场效应晶体管(FinFET,Fin Field-Effect Transistor)和叠层高深宽比快闪(NAND Flash)存储器等复杂三维纳米结构。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置与方法，其通过设置扫描振镜以改变光束入射角度同时设置物镜和成像透镜，通过获得待测样品的大面积散射场的分布，并结合散射场的16个穆勒矩阵元素分布，从而即可待测样品的三维形貌参数。本发明可以在纳米尺度下快速地获得待测样品的大面积散射场，从而可以实现复杂三维纳米结构的快速、精确测量。 [0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置，其包括： [0007] 检偏端，其用于将入射到其上的包含待测样品信息的偏振态光束进行解调，已获得样品信息； [0008] 其特征在于，还包括： [0009] 设置在样品台前的光路上的物镜和第一透镜，其中样品台上的待测样品位于所述物镜的前焦面上，所述起偏端获得的偏振态光束经过该第一透镜聚焦在所述物镜的后焦面，进而通过所述物镜平行入射至待测样品上，该待测样品的散射光被物镜收集并成像于其后焦面，然后通过第一透镜以及所述检偏端后成像于图像采集装置上；以及[0010] 扫描振镜，其设置于所述起偏端之前或之后的光路上，用于改变入射到所述第一透镜上的偏振态光束的入射角度，进而改变聚焦到所述物镜后焦面的位置，使得所述物镜出射到样品上的光束角度改变，从而可以获得待测样品不同入射角下的散射场分布图像，通过获取不同散射场下的穆勒矩阵，即可实现对待测样品纳米尺度下的快速精确的形貌测量。 [0011] 作为本发明的改进，所述扫描振镜设置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入射到起偏端。 [0012] 作为本发明的改进，还包括分光镜，所述偏振态光束经该分光镜反射后入射到所述第一透镜。 [0013] 作为本发明的改进，所述收集散射光的物镜为所述样品台前的光路上的物镜，其后焦面和第一透镜的前焦面重合。 [0014] 作为本发明的改进，还包括第二透镜，其设置在第一透镜和检偏端之间的光路上且第一透镜的后焦面和第二透镜的前焦面重合。 [0015] 作为本发明的改进，还包括设置在样品台相对的另一侧的另一物镜以及位于其后的第三透镜，所述偏振态光束入射到样品台后其散射光透射过样品后被所述另一物镜收集，该另一物镜的后焦面与所述第三透镜的焦面重合。 [0016] 作为本发明的改进，还包括第四透镜，其设置在第三透镜和检偏端之间的光路上且第三透镜的后焦面和第四透镜的前焦面重合。 [0017] 作为本发明的改进，所述起偏端包括沿光路依次设置的起偏器、第一补偿器和伺服电机，其中，所述起偏器用以将入射光束变为线偏振光，第一补偿器用于调制所述线偏振光为一定偏振态的光束，所述伺服电机用以负载第一补偿器匀速旋转。 [0018] 作为本发明的改进，所述检偏端包括沿光路依次设置第二补偿器、伺服电机和检偏器，其中，所述第二补偿器用于将所述偏振态的光束进行解调，所述检偏器用于将解调后的偏振态光束调制成线偏振光，所述第二伺服电机用以负载第二补偿器匀速旋转。 [0019] 按照本发明的另一方面，提供一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的方法，其特征在于，包括： [0020] 将入射至其上的光束进行调制，以得到一定偏振态的光束； [0021] 用于将入射到其上的包含待测样品信息的偏振态光束进行解调； [0022] 其特征在于，还包括： [0023] 将偏振态光束经过第一透镜聚焦在一物镜的后焦面，其中所述第一透镜和物镜设置在样品台前的光路上，样品台上的待测样品位于所述物镜的前焦面，聚焦在所述后焦面的光通过所述物镜平行入射至待测样品上，该待测样品的散射光被物镜收集并成像于其后焦面，然后通过第一透镜以及所述检偏端后成像于图像采集装置上；以及 [0024] 改变入射到所述透镜上的偏振态光束的入射角度，进而改变聚焦到所述物镜后焦面的位置，使得所述物镜出射到样品上的光束角度改变，从而可以获得待测样品不同入射角下的散射场分布图像，通过获取不同散射场下的穆勒矩阵，即可实现对待测样品纳米尺度下的快速精确的形貌测量。 [0025] 作为本发明的改进，在所述第一透镜和检偏端之间的光路上设置一第二透镜，该第一透镜的后焦面和第二透镜的前焦面重合。 [0026] 作为本发明的改进，所述入射角度的改变通过设置于所述起偏端之前或之后的光路上的扫描振镜实现。 [0027] 作为本发明的改进，所述扫描振镜设置于所述起偏端之后，使得入射光可垂直入射到起偏端。 [0028] 作为本发明的改进，所述偏振态光束经一分光镜反射后入射到所述第一透镜。 [0029] 作为本发明的改进，所述收集散射光的物镜为所述样品台前的光路上的物镜，其后焦面和第一透镜的前焦面重合。 [0030] 作为本发明的改进，所述偏振态光束入射到样品台后其散射光透射过样品后被设置在样品台相对的另一侧的另一物镜收集，该另一物镜的后焦面与位于该另一物镜后的第三透镜的焦面重合。 [0031] 作为本发明的改进，在第三透镜和检偏端之间的光路上还设置有第四透镜，该第三透镜的后焦面和第四透镜的焦面重合。 [0032] 作为本发明的改进，所述调制通过起偏端实现，该起偏端包括沿光路依次设置的起偏器、第一补偿器和伺服电机，其中，所述起偏器用以将入射光束变为线偏振光，第一补偿器用于调制所述线偏振光为一定偏振态的光束，所述伺服电机用以负载第一补偿器匀速旋转。 [0033] 作为本发明的改进，所述解调通过检偏端实现，该检偏端包括沿光路依次设置第二补偿器、伺服电机和检偏器，其中，所述第二补偿器用于将所述偏振态的光束进行解调，所述检偏器用于将解调后的偏振态光束调制成线偏振光，所述第二伺服电机用以负载第二补偿器匀速旋转。 [0034] 本发明提供的装置与方法可以实现对待测样品多入射角下散射场快速采集；提供的装置与方法可以一次测量中获得待测样件散射场4×4阶穆勒矩阵共16个参数，而不需要改变测量系统配置；提供的装置与方法可以获得待测样品散射场在物镜后焦面上分布。 [0035] 本发明提供一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置被称为散射场层析广义椭偏仪，主要包括激光光源，用以提供稳定的相干入射光线；扫描振镜，用以实现入射光束角度的改变；扩束器，用以将入射光束直径扩大到合理设计直径；起偏器，用以将入射光束变为线偏振光；第一伺服电机用以负载第一补偿器匀速旋转，其内置第一增量式编码器用以提供固定的Z向Home信号和伺服反馈；待测样件放置于物镜焦面上；物镜在光束入射时用以实现多入射角改变，光束出射时用以实现大角度散射场收集并将散射场分布成像在其后焦面上；透镜，在光束入射时用以将入射平行光汇聚到物镜后焦面上，在光束出射时用以成像中继；分束器，用以改变入射、出射光束角度；第二伺服电机用以负载第二补偿器匀速旋转，其内置第一增量式编码器用以提供固定的Z向Home信号和伺服反馈；检偏器，用以将出射光束偏振态调制成线偏振光；图像采集器，用以采集并存储待测样器散射场图像信息；控制及数据处理系统，用以整个系统的运动控制及数据处理，包括扫描振镜控制器用以控制扫描振镜扫描角度、计算机用以完成对整体系统操作并进行数据处理与分析、伺服电机控制器用以控制两伺服电机旋转及接收两增量式编码器位置信号、同步装置用以捕捉两增量式编码器Z向信号并完成对图像采集器的触发。 [0036] 本发明中，所述扫描振镜优选为双轴二维扫描振镜； [0037] 本发明中，所述第一、二伺服电机及其内置增量式编码器为轴中空式或旁轴中空式结构，保证光束可以从其负载的光学元件中心通过。所述第一、二增量式编码器可以把圆周等分为若干个等角度间距单元，将位置信号通过编码方式进行输出，并且每转一周向外输出一个Z向脉冲信号； [0039] 本发明中，所述起偏器、检偏器为可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件，包括二色性线偏振器、格兰泰勒偏振棱镜、格兰汤姆森偏振棱镜； [0040] 本发明中，所述分束器对测量光束偏振态无影响，分离光束比例为0.5/0.5； [0041] 本发明中，所述物镜为无限远光学设计无应力平场半复消色差或无应力平场复消色差物镜； [0043] 本发明中，所述同步装置主要用以确定散射场层析广义椭偏仪设备中图像采集器在采集图像初始时刻补偿器光轴的瞬时位置。这是由于系统在测量过程两个补偿器一直是处于运动状态，图像采集器采集的图像只有与两个补偿器的光轴位置相对应，才能够计算分析出正确的结果。两个补偿器由两台伺服电机分别负载，电机在测量过程中转速稳定且不发生改变，所以只要确定图像采集器在采集图像的初始时刻两补偿器光轴的瞬时位置，即可以确定以后任意时刻补偿器光轴的位置。 [0044] 本发明利用上述一种纳米尺度下快速大面积海量散射场测量的装置进行具体测量的方法，可以包括如下步骤： [0046] 第二步，扫描振镜转到设定位置，并通过计算机打开同步装置； [0047] 第三步，图像采集器以设定积分时间曝光，并对采集图像转换、储存； [0048] 第四步，重复第二、三步直至扫描振镜转完所有设定位置； [0050] 进一步，所述第一步包括： [0051] (1)，打开激光光源至其输出光线稳定； [0052] (2)，第一旋转补偿器、第二旋转补偿器分别由第一伺服电机、第二伺服电机负载，计算机通过伺服驱动器控制两伺服电机以转速度比p:q匀速旋转，在其运行稳定后伺服电机控制器向扫描振镜控制器发送一脉冲信号； [0053] (3)，开打图像采集器，设定曝光时间t，设置测量中需要采集图像张数Q，其中Q＝N×L，N为一个光学周期内采样次数，L为重复采集周期次数，并将图像采集器置于外触发模式下。 [0054] 进一步，所述(2)步包括： [0055] 1)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机回到各其Home位置； [0056] 2)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机同步起动，并让第一、第二伺服电机分别以p*ω、q*ω匀速旋转，其中ω为两电机基频； [0057] 3)，两伺服电机内置增量式编码器，伺服电机每次转到Home位增量式编码器都向外发送Z向脉冲信号。 [0058] 4)，两伺服电机运行稳定后，伺服电机控制器向扫描振镜控制器发送一脉冲信号； [0059] 进一步，所述第三步包括： [0060] (4)，同步装置打开后开始分别捕捉第一、二伺服电机的Z向脉冲信号； [0061] (5)，同步装置同时捕捉到第一、二伺服电机Z向脉冲信号后向图像采集器发送触发脉冲信号； [0062] (6)，图像采集器接收到触发脉冲后，以设定积分时间t开始采样Q张图像，并将图像转换存储在计算机中。 [0063] 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，具有以下有益效果： [0064] 第一，在光路入射时，通过扫描振镜改变光束入射角度，从而改变光束在物镜后焦面位置，进而实现多入射角照明； [0065] 第二，通过大数值孔径物镜收集散射场，然后经过成像透镜后将物镜的傅里叶空间像成像在CCD上，而不获取传统的样品实像，既克服了传统光学散射仪只能获取单一散射场(即零级衍射光)信息的弱点；又利于表征散射场的分布； [0066] 第三，采用广义椭偏仪的测量手段，仪器获取的是散射场偏振态改变信息，而不是散射场绝对振幅和相位，避免引入复杂的非共光路的设计，从而使仪器在实现与校准更加简单； [0068] 图1是传统光学散射仪仪器结构示意图； [0069] 图2是反射式散射场层析广义椭偏仪系统结构图； [0070] 图3是散射场层析广义椭偏仪控制系统示意图； [0071] 图4是单片机与外部硬件连接图； [0072] 图5是单片机程序基本流程图； [0073] 图6是透射式散射场层析广义椭偏仪系统结构图。 具体实施方式[0074] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。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。 [0075] 按照本发明的实施例1所提供的一种反射式散射场层析广义椭偏仪设备装置，其具体结构如图1所示，主要包括激光光源1、扫描振镜2、扫描振镜2、起偏器4、第一增量式编码器5、第一伺服电机6、第一补偿器7、样品台8、物镜10、第一透镜11、分束器12、第二透镜13、第二补偿器14、第二伺服电机15、第二增量式编码器16、检偏器17、图像采集器18和控制及数据处理装置19。 [0076] 其中，激光光源1用以提供稳定的相干入射光线；扫描振镜2用以实现入射光束角度的改变，为二维扫描振镜；扩束器3用以将入射光束直径扩大到合理设计直径，仅改变光束直径不改变光束传播方向。扩束器3可以变聚焦，包括滑动透镜式和旋转透镜式结构；起偏器4用以将入射光束变为线偏振光，是可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件，例如可以包括二色性线偏振器、格兰泰勒偏振棱镜、或格兰汤姆森偏振棱镜等。 [0077] 第一伺服电机6用以负载第一补偿器7匀速旋转，其内置第一增量式编码器5用以提供固定的Z向Home信号和伺服反馈。所述第一伺服电机6及其内置第一增量式编码器5为轴中空式或旁轴中空式结构，保证光束可以从其负载的光学元件中心通过。所述第一增量式编码器5可以把圆周等分为若干个等角度间距单元，将位置信号通过编码方式进行输出，并且每转一周向外输出一个Z向脉冲信号。所述第一补偿器7为可以在两个互相垂直的方向上产生一定相位延迟差的光学各项异性器件，例如优选可以包括云母波片、石英波片、液晶波片、MgF2波片、或菲涅尔棱镜。其中扩束器3、起偏器4、第一补偿器7为共光轴安装。 [0078] 样品台8为旋转台，可以360°旋转，样品9放置在样品台8上，位于物镜10前焦面上； [0079] 物镜10，在光束入射时随着扫描振镜改变入射光束角度，可以实现对待测样品多入射角的测量，光束出射时用以实现大角度散射场收集并将散射场分布成像在其后焦面上。既可为无限远光学设计无应力平场半复消色差物镜，也可为无限远光学设计无应力平场复消色差物镜，但应该适用于当前激光光源1波段。 [0080] 第一透镜11在光束入射时用以将入射平行光汇聚到物镜10后焦面上，在光束出射时用以成像中继其既可以为在宽波段内消色差设计透镜，也可以为针对激光光源1波段的单波段设计。图2中虚线部分描述是测量过程中，物镜后焦面上光束在二维空间扫描，从而改变对样品不同入射角的测量。光束通过扫描振镜2的扫描，依次以不同角度入射到透镜11上。当光束垂直入射透镜11时，光束将汇聚于物镜10后焦面的中心点，经过物镜10后垂直照射到待测样品上。当光束倾斜入射透镜11时，物镜10后焦面的光束汇聚点将偏移中心位置，进而光束经过物镜10后以一定入射角照射到待测样品上。 [0081] 分束器12用以改变入射、出射光束角度，其对测量光束偏振态无影响，分离光束比例为0.5/0.5。 [0082] 第二透镜13用以将物镜后焦面上散射场图像中继。其既可以为在宽波段内消色差设计透镜，也可以为针对激光光源1波段的单波段设计。 [0083] 第二伺服电机15用以负载第二补偿器14匀速旋转，其内置第二增量式编码器16用以提供固定的Z向Home信号和伺服反馈；所述第二伺服电机15及其内置第二增量式编码器16为轴中空式或旁轴中空式结构，保证光束可以从其负载的光学元件中心通过。所述第二增量式编码器16可以把圆周等分为若干个等角度间距单元，将位置信号通过编码方式进行输出，并且每转一周向外输出一个Z向脉冲信号。所述第二补偿器14为可以在两个互相垂直的方向上产生一定相位延迟差的光学各项异性器件，其优选可以为云母波片、石英波片、液晶波片、MgF2波片、或菲涅尔棱镜。 [0084] 检偏器17用以将出射光束偏振态调制成线偏振光，是可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件，其优选可以为二色性线偏振器、格兰泰勒偏振棱镜、或格兰汤姆森偏振棱镜等。 [0085] 图像采集器18用以采集并存储待测样器散射场图像信息，其优选可以为电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，具有外触发功能等。 [0086] 物镜10、第一透镜11、分束器12、第二补偿器14、第二透镜13、检偏器17、图像采集器18均为共光轴布置。 [0087] 控制及数据处理装置19用以整个系统的运动控制及数据处理，其包括用以控制扫描振镜扫描角度的扫描振镜控制器20、用以完成对整体系统操作并进行数据处理与分析的计算机21、用以控制两伺服电机旋转及接收两增量式编码器位置信号的伺服电机控制器22、用以捕捉两增量式编码器Z向信号并完成对图像采集器的触发的同步装置23。 [0088] 散射场层析广义椭偏仪控制及数据处理系统示意图如图3所示，包括：计算机、扫描振镜控制器、伺服电机控制器、同步装置、第一伺服电机及第一增量式编码器、第二伺服电机及第二增量式编码器、图像采集器。其中计算机通过USB标准接口与扫描振镜控制器与图像采集器连接，通过PCI接口与伺服电机控制器与同步装置连接。伺服电机控制器与第一、二伺服电机及其第一、二增量式编码器连接，接收计算机运动控制命令后驱动控制第一、二伺服电机先回到Home位后再以p:q转速比匀速旋转，同时其接收到第一、二增量式编码器的反馈信号对伺服电机进行闭环控制，保证了运动的精度与稳定性。扫描振镜控制器与扫描振镜相连，接收到计算机命令后，驱动控制扫描振镜运动到命令位置。同步控制装置与第一、二增量式编码器及图像采集器相连，当其同时接收到第一、二增量式编码器的Z向信号后发图像采集器发送一触发脉冲，图像采集器接收到脉冲后开始按照设定参数采集图片。 [0089] 在本实施例中将以单片机作为同步装置的一种，进行具体的同步功能的描述，图4即为单片机与外部硬件连接示意图。第一，引出第一增量式编码器和第二增量式编码器的Z向信号线与参考地线；第二，将第一增量式编码器的Z向信号线和参考地线分别连接到单片机的P0.1引脚与GND引脚；第三，将第二增量式编码器的Z向信号线和参考地线分别连接到单片机的P0.2引脚与GND引脚；第四，将单片机的P1.1引脚和GND引脚分别与图像采集器的Trigger引脚和GND引脚连接；第五，将单片机的RXD、TXD和GND引脚通过串口转换芯片与计算机标准串口连接。此外上述描述仅以一种单片机的连接方式(P0.1、P0.2引角作为输出端，P1.1引角作为脉冲输出端)为例，其余同类引角的连接同样适用。 [0090] 为了测量一个样品的散射场分布，比如：鳍式场效应晶体管(FinFET,Fin Field-Effect Transistor)，使用本实施例中的散射场层析广义椭偏仪具体操作步骤如下： [0091] 步骤1，完成对散射场层析广义椭偏仪硬件系统初始设置。具体包括： [0093] [2]，打开激光光源至其输出光线稳定； [0094] [3]，第一旋转补偿器7、第二旋转补偿器14分别由第一伺服电机6、第二伺服电机15负载，计算机通过伺服驱动器控制两伺服电机以转速度比p:q匀速旋转，并在其运行稳定后伺服电机控制器向扫描振镜控制器发送一脉冲信号； [0095] [4]，开打图像采集器18，设定曝光时间t，设置测量中需要采集图像张数Q，其中Q＝N×L，N为一个光学周期内采样次数，L为重复采集周期次数，并将图像采集器置于外触发模式下。具体步骤包括： [0096] 1)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机回到各其Home位置； [0097] 2)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机同步起动，并让第一、第二伺服电机分别以p*ω、q*ω匀速旋转，其中ω为两电机基频； [0098] 3)，两伺服电机内置增量式编码器，伺服电机每次转到Home位增量式编码器都向外发送Z向脉冲信号； [0099] 4)，两伺服电机运行稳定后，伺服电机控制器向扫描振镜控制器发送一脉冲信号； [0100] 步骤2，扫描振镜转到设定位置，并通过计算机打开单片机。其中单片机中已载入编写完成的程序，其具体程序流程图如图5所示，共包括7步： [0101] 第a1步，运行单片机，并使其P1.1引角保持低电平； [0102] 第a2步，单片机接收到计算机命令，将其内部标识位置1，P0.1、P0.2引角开始捕捉第一、二增量式编码器Z向信号， [0103] 第a3步，判断单片机P0.1引角接收到第一增量式编码器Z向信号，若未接收到则继续捕捉，若接收到则执行第a4步； [0104] 第a4步，判断单片机P0.2引角是否接收到第二增量式编码器Z向信号，若未接收到则返回第a3步，P0.1引角重新捕捉第一增理式编码器的Z向信号，若接收到则执行第a5步； [0105] 第a5步，单片机P1.1引角保持高电平，并将单片机内部标识位置0； [0106] 第a6步，单片机P1.1引角高电平持续保持时间T后，变为低电平。T的值与图像采集器可以认别到的最小高电平保持时间有关，只需保证P1.1角高电平持续时间T大于图像采集器最小高电平保持时间即可；上述单片机步骤中的高、低电平为TTL电平信号，在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>＝2.0V，输入低电平<＝0.8V，噪声容限是0.4V。 [0107] 步骤3，图像采集器接受到单片机发送的触发脉冲，以积分时间曝光，并对采集图像转换、储存。 [0108] 步骤4，重复第二、三步直至扫描振镜转完所有设定位置。 [0109] 步骤5，根据图像采集器采集图像中每个像素点光强值，计算出具体的16个穆勒矩阵元素，通过计算多入射角下图像即可获得样品散射场分布信息。 [0110] 按照本发明另一实施例所提供的一种散射场层析广义椭偏仪测量方法，具体实施包括如下步骤： [0111] 步骤1，完成对散射场层析广义椭偏仪硬件系统初始设置。具体包括： [0112] [1]，打开激光光源至其输出光线稳定； [0113] [2]，第一旋转补偿器、第二旋转补偿器分别由第一伺服电机、第二伺服电机负载，计算机通过伺服驱动器控制两伺服电机以转速度比p:q匀速旋转，并在其运行稳定后向扫描振镜控制器发送一脉冲； [0114] [3]，开打图像采集器，设定曝光时间t，设置测量中需要采集图像张数Q，其中Q＝N×L，N为一个光学周期内采样次数，L为重复采集周期次数，并将图像采集器置于外触发模式下。具体步骤包括： [0115] 1)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机回到各其Home位置； [0116] 2)，计算机通过伺服电机控制器控制两伺服电机同步起动，并让第一、第二伺服电机分别以p*ω、q*ω匀速旋转，其中ω为两电机基频； [0117] 3)，两伺服电机内置增量式编码器，伺服电机每次转到Home位增量式编码器都向外发送Z向脉冲信号； [0118] 4)，两伺服电机运行稳定后，伺服电机控制器向扫描振镜控制器发送一脉冲信号； [0119] 步骤2，扫描振镜转到设定位置，并通过计算机打开同步装置； [0120] 步骤3，图像采集器以积分时间曝光，并对采集图像转换、储存。具体包括： [0121] [4]，同步装置打开后开始分别捕捉第一、二伺服电机的Z向脉冲信号； [0122] [5]，同步装置同时捕捉到第一、二伺服电机Z向脉冲信号后向图像采集器发送触发脉冲信号； [0123] [6]，图像采集器接收到触发脉冲后，以设定积分时间t采集Q张图像，并将图像转换存储在计算机中。 [0124] 步骤4，重复第二、三步直至扫描振镜转完所有设定位置。 [0125] 步骤5，根据图像采集器采集图像中每个像素点光强值，计算出具体的16个穆勒矩阵元素，通过计算多入射角下图像即可获得样品散射场分布信息。 [0126] 该步骤具体包括： [0127] [6.1]，建立系统测量模型，本实施例中系统模型为式(1)所示的线性方程： [0128] [0129] 其中： [0130] AA＝(aq,0 aq,1 aq,2 aq,3) (2) [0131] [0132] [0133] wq,j,k＝aq,jsq,k (5) [0134] 其中，Iq为图像采集器单个像素点的光强信号，Aq为检偏臂向量，Sq为起偏臂向量，下标q＝0,1,…,Q-1表示仪器第q个测量分量，Q为测量次数即图像采集器采集张数，M为待测样品的穆勒矩阵，其中元素由mj,k表示，aq,j,sq,k分别对应Aq和Sq向量中元素，wq,j,k表示第q次的测量分量Iq关于第j行k列的待测元素mj,k的系数，即为椭偏仪测量系统的传递特性，下标j＝0,1,2,3和k＝0,1,2,3分别表示向量中的第几个元素。 [0135] [6.2]，将式(1)中4×4的待测样品矩阵M变16×1的列向量的形式表示 整理后可以得： [0136] [0137] 而全部的Q次测量可以表示为Q×16椭偏仪系统矩阵W，其中Wq表示矩阵W的第q行，探测器Q次测量结果可以表示为一个测量向量I，其中Iq为向量I的第q行，即可得式(7)所示方程，求解式(7)即可以图像采集品单个像素点的16个穆勒元素，从而得到待测样品对应区域的穆勒矩阵元素。 [0138] [0139] 实施例3： [0140] 按照本发明又一实施例所提供的一种透射式散射场层析广义椭偏仪设备装置，其具体结构如图6所示，主要包括激光光源1、扫描振镜2、扩束器3、起偏器4、第一增量式编码器5、第一伺服电机6、第一补偿器7、第一透镜8、物镜9、样品台11、物镜12、第二透镜13、第三透镜14、第二补偿器15、第二伺服电机16、第二增量式编码器17、检偏器18、图像采集器19和控制及数据处理装置20。 [0141] 激光光源1用以提供稳定的相干入射光线；扫描振镜2用以实现入射光束角度的改变，优选为二维扫描振镜；扩束器3用以将入射光束直径扩大到合理设计直径，仅改变光束直径不改变光束传播方向。扩束器3可变聚焦，优选为滑动透镜式或旋转透镜式结构；起偏器4用以将入射光束变为线偏振光，是可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件，优选可以为二色性线偏振器、格兰泰勒偏振棱镜、格兰汤姆森偏振棱镜等。第一伺服电机6用以负载第一补偿器7匀速旋转，其内置第一增量式编码器5用以提供固定的Z向Home信号和伺服反馈。所述第一伺服电机6及其内置第一增量式编码器5为轴中空式或旁轴中空式结构，保证光束可以从其负载的光学元件中心通过。所述第一增量式编码器5可以把圆周等分为若干个等角度间距单元，将位置信号通过编码方式进行输出，并且每转一周向外输出一个Z向脉冲信号。所述第一补偿器7为可以在两个互相垂直的方向上产生一定相位延迟差的光学各项异性器件，优选可以为云母波片、石英波片、液晶波片、MgF2波片、菲涅尔棱镜。 [0142] 第一透镜8用以将入射平行光束汇聚到物镜9的后焦面上，其到物镜9后焦面的距离即为其焦距。既可以为在宽波段内消色差设计透镜，也可以为针对激光光源1波段的单波段设计； [0143] 物镜9随着后焦面上光斑位置的变化，其出射光束的角度也会变化，从而实现对待测样品多入射角的测量。既可为无限远光学设计无应力平场半复消色差物镜，也可为无限远光学设计无应力平场复消色差物镜，且必须适用于当前激光光源1波段。 [0144] 样品台11为旋转台，可以360°旋转，样品10放置在样品台11上，位于物镜9前焦面上。 [0145] 物镜12用以收集待测样品大角度散射场收集并将散射场分布成像在其后焦面上。既可为无限远光学设计无应力平场半复消色差物镜，也可为无限远光学设计无应力平场复消色差物镜，且必须适用于当前激光光源1波段； [0146] 第二透镜13用以成像中继，其到物镜12后焦面的距离即为其焦距。既可以为在宽波段内消色差设计透镜，也可以为针对激光光源1波段的单波段设计。 [0147] 第三透镜14用以成像中继，其焦距必须等于其到图像采集器像敏元件的距离。既可以为在宽波段内消色差设计透镜，也可以为针对激光光源1波段的单波段设计。 [0148] 第二伺服电机16用以负载第二补偿器15匀速旋转，其内置第二增量式编码器17用以提供固定的Z向Home信号和伺服反馈；所述第二伺服电机16及其内置第二增量式编码器17为轴中空式或旁轴中空式结构，保证光束可以从其负载的光学元件中心通过。所述第二增量式编码器17可以把圆周等分为若干个等角度间距单元，将位置信号通过编码方式进行输出，并且每转一周向外输出一个Z向脉冲信号。所述第二补偿器15为可以在两个互相垂直的方向上产生一定相位延迟差的光学各项异性器件，包括云母波片、石英波片、液晶波片、MgF2波片、菲涅尔棱镜。 [0149] 检偏器18用以将出射光束偏振态调制成线偏振光，是可以将任意光波变换成线偏振光的偏振器件，包括二色性线偏振器、格兰泰勒偏振棱镜、格兰汤姆森偏振棱镜等。 [0150] 图像采集器19用以采集并存储待测样器散射场图像信息，包括电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，具有外触发功能等。 [0151] 其中扩束器3、起偏器4、第一补偿器5、第一透镜8、物镜9、物镜12、第二透镜14、第三透镜14、第二补偿器15、检偏器18、图像采集器19均为共光轴安装。 [0152] 控制及数据处理装置20用以整个系统的运动控制及数据处理，包括扫描振镜控制器21用以控制扫描振镜扫描角度、计算机22用以完成对整体系统操作并进行数据处理与分析、伺服电机控制器23用以控制两伺服电机旋转及接收两增量式编码器位置信号、同步装置24用以捕捉两增量式编码器Z向信号并完成对扫描振镜与图像采集器的触发。 [0153] 为了测量一个样品的散射场分布，比如：鳍式场效应晶体管(FinFET,Fin Field-Effect Transistor)，使用本实施实例中的散射场层析广义椭偏仪具体操作步骤与前述实施例中步骤相同，其中的散射场层析广义椭偏仪控制及数据处理系统、同步装置的接线方式及内部程序流程图均与实施实例1中一致。 [0154] 本发明以基于传统椭偏仪的光学散射仪为基础，通过借鉴光学衍射层析成像技术，将采用大数值孔径(NA)物镜并利用扫描振镜在其后焦面实现照明光束的快速二维扫描，使该仪器具有快速收集多入射角下样品散射场信息的能力，从而克服传统椭偏仪只能获取单一散射场(即零级衍射光)信息的弱点。对比传统的光学衍射层析成像技术，该仪器获取的是散射场偏振态改变信息，而不是散射场绝对振幅和相位，避免了引入复杂的非共光路干涉设计，从而使仪器在实现与校准等方面都得到极大简化。通过引入广义椭偏仪(GE,Generalized Ellipsometry)技术，该仪器获得的每一处散射场偏振态改变信息都包含一个4×4阶的Mueller矩阵共16个参数，因而比传统光学散射仪可以获得丰富得多的测量信息，从而可望实现更为灵敏、更为完整的纳米结构三维形貌测量。同时，该仪器从本质上来说仍是一种光学远场测量方法，满足纳米结构测量所需的快速、低成本、非破坏等技术要求，并且易于操作及实现全自动化的集成测量。 [0155] 本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。 |
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