光谱椭偏测量中厚度不均匀致退偏效应的修正方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种光谱椭偏测量厚度不均匀源退偏效应修正建模方法及装置，通过穆勒矩阵椭偏仪测量，一次获得待测样品的全部穆勒矩阵元素，进而获得样品的退偏信息。接着，通过合理假设厚度不均匀的分布函数，充分考虑每层厚度的不均匀，选择合理的节点和权重累加得到样品正向建模平均穆勒矩阵。当样品每层厚度分布随机，均采用高斯分布的节点和权重，将多维计算简化成一维计算，大大提高计算效率。最后通过非线性回归算法拟合提取待测样品参数的光学常数和厚度值等信息。本发明专利技术可以实现光谱椭偏测量厚度不均匀退偏效应的修正，对各种光学薄膜器件，以及各种纳米制造过程中在线测量的快速数据分析，提取纳米材料光学和集合参数。

Correction method and device of depolarization caused by thickness inhomogeneity in spectroscopic ellipsometry

【技术实现步骤摘要】
光谱椭偏测量中厚度不均匀致退偏效应的修正方法及装置
本专利技术实施例涉及椭偏测量
，尤其涉及一种光谱椭偏测量厚度不均匀源退偏效应修正建模方法及装置。
技术介绍
椭偏测量法是一种利用光的偏振特性进行纳米参数测量的方法，其测量过程简单，快速，可以有效表征薄膜材料的几何和光学参数，具有快速、准确和无损等优点，是柔性电子、平板显示、太阳能电池等产业不可或缺的技术手段。其基本原理是将一束已知偏振态的光束入射到待测样品表面，通过样品的反射或者透射前后的偏振态的改变(振幅比和相位差)来获取薄膜的光学常数和厚度。沿着薄膜衬底的不均匀区域是在实践中经常遇到的缺陷。例如，各种等离子体化学技术产生表现出这种缺陷的薄膜。加上工艺参数的可能变化，如输入功率，气体流量，工作压力，衬底温度稳定性等，以及其他基本效应，以及基板边缘和角落附近的电场色散都会导致薄膜在生长过程中厚度不均匀。对于透明和弱吸收的薄膜，从光学角度来看，这种不均匀区域是一个重要的缺陷。与薄膜非均匀性区域相关的主要影响在于光的相干性，即测量光学量的最大值和最小值之间的差异。如果基板上的照射点的尺寸很小，则减小了不均匀区域对测量的光学量的影响。然而，在实践中采用的商业光学装置中，照射点相对较大。另外，为了实现可接受的信噪比，减小光点尺寸可能需要增加探测器采集光强积分时间，这通常是不希望的。现有方法一般对楔形厚度不均匀性的特殊情况下进行分析，例如美国ShakilPittal等人对硅基底上的生长的氧化锌(ZnO)利用楔形厚度分布模型分析。一般厚度较大的薄膜在生长过程中，厚度度不均匀是不可避免的。因此在复杂的厚度不均匀和工业大面积快速测量的情况下，使用上述特殊假设是不合理的。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种光谱椭偏测量厚度不均匀源退偏效应修正建模方法及装置，用以解决现有的椭偏分析方法对楔形厚度不均匀性的特殊情况下进行分析，在复杂的厚度不均匀和工业大面积快速测量的情况下，使用上述特殊假设不合理的问题。第一方面，本专利技术实施例提供一种光谱椭偏测量厚度不均匀源退偏效应修正建模方法，包括：Step1，利用穆勒光谱椭偏仪测量待测样品，获得待测样品的反射穆勒矩阵。Step2，根据待测样品的反射穆勒矩阵，推导不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵；Step3，基于不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵，建立多层薄膜堆栈厚度不均匀光学模型，获得厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵；Step4，针对所述厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵进行高斯数值积分，获得厚度不均匀光学模型穆勒矩阵数值解。Step5，基于所述厚度不均匀光学模型穆勒矩阵数值解，利用4×4传输矩阵方法正向建模，计算厚度不均匀光学模型每个节点琼斯矩阵，进而转化为样品正向建模平均穆勒矩阵；Step6，利用非线性回归算法对分离散射退偏效应后的测量光谱与建模光谱进行匹配，提取待测样品的光学参数和几何参数。进一步，Step1中，利用穆勒光谱椭偏仪测量待测样品，获得待测样品的反射穆勒矩阵，具体包括：通过双旋转穆勒矩阵椭偏仪测量所述待测样品，获得待测样品的反射穆勒矩阵，从而获得待测样品的退偏信息。进一步，Step2中，所述根据待测样品的反射穆勒矩阵，推导不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵，具体包括：假设穆勒光谱椭偏仪的入射光是完全偏振光，在椭圆光斑下的薄膜的纵向高度起伏特征尺寸差异明显，经样品反射出不同偏振态的光束，最后穆勒光谱椭偏仪的检偏端收集得到样品的平均穆勒矩阵为：式中，<R>为平均光强反射率；<ψ>为平均偏振比角；<Δ>为平均相位差角。进一步，Step3中，基于不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵，建立多层薄膜堆栈厚度不均匀光学模型，具体包括：假设待测样品为m层薄膜堆栈结构，其每一层的厚度都有一个平均厚度和不均匀标准差σi(i＝1,2…m)；假设其分布密度函数为w(t)，则其厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵为：式中，S为椭圆光斑区域，M(t)为理想厚度堆栈t的穆勒矩阵；为第i层薄膜厚度ti关于第i层薄膜平均厚度分布标准差为σi的分布密度函数；σi％为第i层薄膜厚度分布标准差占第i层薄膜平均厚度的百分比；进一步，Step4中，所述针对所述厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵进行高斯数值积分，得到的高斯型积分公式为：式中，S为椭圆光斑区域；N1为第一层薄膜的厚度的积分节点个数；N2为第二层薄膜的厚度的积分节点个数；Nm为第m层薄膜的厚度的积分节点个数；当m层厚度选择相同的节点个数和分布形式时，N为简化后的积分节点个数；M(Ti)为第i个节点对应厚度向量Ti下的理想样品穆勒矩阵；wi为第i个节点的权重；为m层薄膜平均厚度向量；σ％为m层薄膜厚度分布的标准差百分比的向量。进一步，Step5中，利用4×4传输矩阵方法正向建模，计算厚度不均匀光学模型每个节点琼斯矩阵，进而转化为样品正向建模平均穆勒矩阵，具体包括：式中，T为薄膜传输矩阵；m为薄膜堆栈的层数；Jones为琼斯矩阵；p为平行入射面的偏振光振动方向，s为垂直入射面的偏振光振动方向；rpp为pp方向的菲涅尔反射系数；rps为ps方向的菲涅尔反射系数；rsp为sp方向的菲涅尔反射系数；rss为ss方向的菲涅尔反射系数；为环境层入射矩阵；Tjp(-dj)为第j层薄膜部分传输矩阵；Lt为基底初设矩阵；为克罗内克积；J*为琼斯矩阵J的复共轭矩阵，A-1为矩阵A的逆矩阵；M为样品正向建模平均穆勒矩阵；矩阵A为：第二方面，本专利技术实施例提供一种光谱椭偏测量厚度不均匀源退偏效应修正建模装置，包括：测量模块，用于利用穆勒光谱椭偏仪测量待测样品，获得待测样品的反射穆勒矩阵。平均穆勒矩阵推导模块，用于根据待测样品的反射穆勒矩阵，推导不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵；模型建立模块，用于基于不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵，建立多层薄膜堆栈厚度不均匀光学模型，获得厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵；高斯数值积分模块，用于针对所述厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵进行高斯数值积分，获得厚度不均匀光学模型穆勒矩阵数值解。椭偏参数计算模块，用于基于所述厚度不均匀光学模型穆勒矩阵数值解，利用4×4传输矩阵方法正向建模，计算厚度不均匀光学模型每个节点琼斯矩阵，进而转化为样品正向建模平均穆勒矩阵；参数提取模块，用于利用非线性回归算法对分离散射退偏效应后的测量光谱与建模光谱进行匹配，提取待测样品的光学参数和几何参数。第三方面，本专利技术实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本专利技术第二方面实施例所述多源数据传输方法的步骤。第四方面，本专利技术实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光谱椭偏测量厚度不均匀源退偏效应修正建模方法，其特征在于，包括：/nStep1，利用穆勒光谱椭偏仪测量待测样品，获得待测样品的反射穆勒矩阵；/nStep2，根据待测样品的反射穆勒矩阵，推导不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵；/nStep3，基于不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵，建立多层薄膜堆栈厚度不均匀光学模型，获得厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵；/nStep4，针对所述厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵进行高斯数值积分，获得厚度不均匀光学模型穆勒矩阵数值解；/nStep5，基于所述厚度不均匀光学模型穆勒矩阵数值解，利用4×4传输矩阵方法正向建模，计算厚度不均匀光学模型每个节点琼斯矩阵，进而转化为样品正向建模平均穆勒矩阵；/nStep6，利用非线性回归算法对分离散射退偏效应后的测量光谱与建模光谱进行匹配，提取待测样品的光学参数和几何参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种光谱椭偏测量厚度不均匀源退偏效应修正建模方法，其特征在于，包括：
Step1，利用穆勒光谱椭偏仪测量待测样品，获得待测样品的反射穆勒矩阵；
Step2，根据待测样品的反射穆勒矩阵，推导不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵；
Step3，基于不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵，建立多层薄膜堆栈厚度不均匀光学模型，获得厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵；
Step4，针对所述厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵进行高斯数值积分，获得厚度不均匀光学模型穆勒矩阵数值解；
Step5，基于所述厚度不均匀光学模型穆勒矩阵数值解，利用4×4传输矩阵方法正向建模，计算厚度不均匀光学模型每个节点琼斯矩阵，进而转化为样品正向建模平均穆勒矩阵；
Step6，利用非线性回归算法对分离散射退偏效应后的测量光谱与建模光谱进行匹配，提取待测样品的光学参数和几何参数。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Step1中，利用穆勒光谱椭偏仪测量待测样品，获得待测样品的反射穆勒矩阵，具体包括：
通过双旋转穆勒矩阵椭偏仪测量所述待测样品，获得待测样品的反射穆勒矩阵，从而获得待测样品的退偏信息。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Step2中，所述根据待测样品的反射穆勒矩阵，推导不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵，具体包括：
假设穆勒光谱椭偏仪的入射光是完全偏振光，在椭圆光斑下的薄膜的纵向高度起伏特征尺寸差异明显，经样品反射出不同偏振态的光束，最后穆勒光谱椭偏仪的检偏端收集得到样品的平均穆勒矩阵为：



式中，<R>为平均光强反射率；<ψ>为平均振幅比角；<Δ>为平均相位差角。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，Step3中，基于不同厚度待测样品反射的平均穆勒矩阵，建立多层薄膜堆栈厚度不均匀光学模型，具体包括：
假设待测样品为m层薄膜堆栈结构，其每一层的厚度都有一个平均厚度和不均匀标准差σi(i＝1,2…m)；假设其分布密度函数为w(t)，则其厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵为：






式中，S为椭圆光斑区域，M(t)为理想厚度堆栈t的穆勒矩阵；为第i层薄膜厚度ti关于第i层薄膜平均厚度分布标准差为σi的分布密度函数；σi％为第i层薄膜厚度分布标准差占第i层薄膜平均厚度的百分比。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，Step4中，所述针对所述厚度不均匀光学模型对应的穆勒矩阵进行高斯数值积分，得到的高斯型积分公式为：





...

【专利技术属性】
技术研发人员：张传维，刘贤熠，郭春付，李伟奇，刘世元，
申请(专利权)人：武汉颐光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42