全反射式宽光谱成像椭偏仪

姜春光，谌雅琴，刘　涛，熊　伟，李国光，纪　峰

( 1. 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥 230009；

2. 中国科学院微电子研究所 微电子器件与集成技术重点实验室，北京 100029 )



全反射式宽光谱成像椭偏仪

姜春光1,2，谌雅琴2，刘涛2，熊伟2，李国光2，纪峰1

( 1. 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥 230009；

2. 中国科学院微电子研究所 微电子器件与集成技术重点实验室，北京 100029 )

摘要：本论文采用全反射式光学聚焦结构，通过独特的偏振控制技术，实现宽光谱、无色差成像椭偏仪的研制。在系统校准过程中采用多样品校准方法，利用校准得到的系统参数对待测样品进行成像椭偏分析，确定样品椭偏角ψ和σ及薄膜厚度的空间分布。为测试自制成像椭偏仪的准确性，本文对3 nm～300 nm的SiO2/Si样品在200 nm～1 000 nm内多波长下进行成像椭偏测量。实验结果表明，SiO2薄膜厚度最大相对测量误差小于6%。

关键词：成像椭偏仪；薄膜；椭偏测量

0　引言

光谱椭偏仪具有低成本、高效率、无损伤、非接触等优点，已成为半导体工业检测薄膜材料特征和厚度的重要仪器，为新材料和新工艺的快速研发发挥着日益关键的作用[1]。成像椭偏仪是在光学成像系统和传统椭偏仪共同基础上发展而来的以CCD或CMOS阵列为探测器实现高横向分辨率的椭偏测量系统[2]，其特点在于具有与光学成像系统相同的成像分辨率，能同时对样品表面光学成像的每个像元进行椭偏测量，进而获得薄膜材料物理参数及其空间分布[3]。目前，已研发的成像椭偏仪聚焦成像系统都采用透射式光学系统设计[4]，在窄光谱范围内由色差引起的误差可忽略，但在包含深紫外的宽光谱情况下会出现明显的问题。因此，本文研制的成像椭偏仪将采用基于离轴抛物面镜和平面反射镜的全反射式光学系统来实现宽光谱(200 nm～1 000 nm)成像，同时采用快速的旋转补偿器PSCRA式椭偏结构来完成椭偏测量。

1　仪器设计与理论

图1给出了本文设计的成像椭偏仪的系统结构原理图，其工作原理为：光源1发出的光经离轴抛物面镜(OAP1)准直为平行光，通过起偏器3产生一定方向的线偏振光，再经离轴抛物面镜(OAP2)聚焦、平面反射镜(M1)偏折入射至样品表面，经样品反射的光由与OAP2和M1组合结构对称的平面反射镜(M2)和离轴抛物面镜(OAP3)重新准直为平行光束，先后经过补偿器9调节p光和s光之间相位以及检偏器10检测固定方向线偏振光之后，最后由离轴抛物面镜(OAP4)聚焦成像到CCD或CMOS相机上，由计算机采集光强分布图像进行分析处理。补偿器由电机控制单步旋转，以获得一系列随补偿器角度变化的光强分布图像用于成像椭偏数据分析。其中，光线在具有相同镀膜材料的离轴抛物面镜(OAP2、OAP3)和平面反射镜(M1、M2)间采用等角入射且入射平面正交，以保证偏振态的不变性。

图1　成像椭偏系统结构原理图Fig.1　Schematic diagram of our imaging ellipsometer

在数学上，PSCRA式成像椭偏系统可用穆勒矩阵推导得到探测器所测光强表达式[5]

式中：I0为平均光强；C(t)表示t时刻补偿器方位角；α2，β2，α4，β4为归一化傅里叶系数，分别有：

式中：ψ和σ为椭偏参数(也称椭偏角)，P、A分别表示起偏器、检偏器的方位角，δ为补偿器的相位延迟。由于补偿器总会存在一定的初始角Cs，实际计算得到的归一化实验傅里叶系数α2'，β2'，α4'，β4'为

2　多样品校准法

由式(1)～式(3)可知，成像椭偏仪实际测得的是一系列随补偿器角度变化的光强分布图像。若对视场范围内每个像素i(i = 1，2，…，N)处各波长的光强变化进行傅里叶分析，将得到四条归一化实验傅里叶系数谱线(α2'，β2'，α4'，β4')i，它们分别是样品对应于像素i位置处椭偏参数(ψi，σi)以及系统待校准参数(P，A，Cs，δ，θi)的函数。根据椭偏基本测量原理可知，椭偏参数(ψi，σi)是对应于像素i位置处系统入射角θi和待测样品薄膜厚度di的函数。而补偿器的相位延迟δ=2πΔn·dc/λ，其中，Δn是波片的双折射率，dc为波片的厚度。因此，归一化实验傅里叶系数谱线(α2'，β2'，α4'，β4')i最终取决于系统校准参数(起偏器方位角P，检偏器方位角A，波片初始角Cs，波片厚度dc)、入射角θi以及薄膜厚度di。

与传统椭偏仪相似，成像椭偏仪也可采用多样品校准法[6]对系统参数进行精密校准。若采用已知分层结构、薄膜厚度(假设厚度均一，即di为常数d)和光学特性的标准样品来校准成像椭偏系统，则理论上至少需要两种不同薄膜厚度的标准样品对其测得随补偿器角度变化的光强分布图像。由视场范围内任选的某一像素i处光强变化，通过傅里叶分析得到两组对应不同厚度d的归一化实验傅里叶系数谱线(α2'，β2'，α4'，β4')i，再采用最小二乘拟合即可确定所有待校准系统参数(P，A，Cs，dc，θi)。在成像椭偏系统校准之后，利用已校准的系统参数，由测得图像中每个像素i(i = 1，2，…，N)处随补偿器角度变化的多组波长光强计算得到的四条归一化实验傅里叶系数谱线(α2'，β2'，α4'，β4')i，根据式(2)和式(3)，即可确定未知薄膜样品的椭偏角ψ和σ的空间分布，再通过反演数值算法求出薄膜厚度的空间分布。

3　实验结果与分析

基于图1的系统结构原理图，本文在实验平台上搭建了成像椭偏仪，如图2所示。图中，1为宽光谱氙灯(200 nm～1 000 nm)经不同波长滤光片后单色光输出进耦合光纤(芯径600 μm)；2、6、8、12为15°离轴抛物面镜；3为光阑；4、11分别为MgF2起偏器和检偏器；5、9为平面反射镜；7为SiO2/Si样品；10为MgF2胶合零级波片，由电机控制单步旋转；13为CMOS相机，像素大小为3.2 μm×3.2 μm。

图2　PSCRA式成像椭偏实验平台Fig.2　Experimental platform of PSCRA imaging ellipsometer

3.1 横向分辨率

根据系统光路结构设计，入射角约为60°，样品表面入射光斑为1 200 μm×600 μm的椭圆光斑，进而相机上亦是相同大小的椭圆光斑图像，如图3所示。将标准USAF 1951分辨率板置于样品平台，则相机上获得图像如图3(a)所示。由图可知，水平方向可清晰分辨至第5组第6级(57.02 lp/mm)，垂直方向可清晰分辨至第6组第5级(101.59 lp/mm)，这说明本文搭建的成像椭偏系统横向分辨力约为8.77 μm×4.92 μm。

3.2 系统校准

为实现成像椭偏系统校准，对五个已知结构(由J.A. Woollam公司RC2椭偏仪测得)的标准SiO2/Si样品分别测量不同波长下的36幅光强分布图像，波片每旋转10°采集一幅图像，选取视场范围内亮度均匀区域I(在此为20×20个像素点或0.064 mm×0.064 mm，见图3(b))取平均进行多样品校准分析。表1给出了系统校准参数(P，A，Cs，dc)和区域I平均入射角θ。

表1　成像椭偏仪的多样品校准结果Table 1　The calibration parameters of our imaging ellipsometer obtained by multiple-standard-samples calibration method

3.3 样品测量

为测试校准后成像椭偏系统的测量准确性，本文对六个SiO2/Si标准样品进行了成像椭偏测量，测量分析区域为视场范围内较干净区域II(150 pixels×100 pixels个像素点或0.48 mm×0.32 mm，见图3(b))。为消除测量随机误差，以每6个像素(水平方向相邻3个像素、垂直方向相邻2个像素)进行合并，得到50×50个测量点(分辨率为9.6 μm×6.4 μm)的合并光强分布。

图3　不同样品测量图像 (a) 分辨率板；(b) SiO2/Si样品Fig.3　The measured images of different samples (a) Resolution target; (b) SiO2/Si sample

图4给出了样品1在区域II测得的SiO2薄膜厚度d(图4(a))、椭偏角ψ和σ(波长420 nm)空间分布图(图4(b)、(c)))，以及单点位置处的ψ和σ测量数据及拟合谱线(图4(d))，其中拟合谱线是已知厚度后通过模型仿真计算得到。图中，x、y分别表示区域II在水平、垂直方向上的相对空间位置坐标。由测量结果可知，椭偏参数ψ随SiO2薄膜厚度d的增加呈缓慢增长趋势，相比而言，σ具有更灵敏的变化，随d的增加快速减小。直观比对σ和d的空间分布图，二者近似线性相关。此外，样品在区域II内偶尔也会出现明显超出正常值范围的异常点，这表明成像椭偏仪具有快速、准确定位样品表面异常或缺陷的能力。

图4　样品1的成像椭偏测量结果(a) SiO2薄膜厚度；(b)椭偏角ψ空间分布图；(c) σ (波长420 nm)空间分布图；(d) 单点位置处的ψ和σ测量数据及拟合谱线Fig.4　The imaging ellipsometry results for sample 1(a) SiO2film thickness, ellipsometric angles; (b) ψ and (c) σ at the wavelength of 420 nm; (d) The measured data and fitting spectra of ψ and σ at single position

为更直观地评价成像椭偏仪测量结果的准确性，本文将六个标准样品在区域II内测得的薄膜厚度分布进行统计分析给出平均值和标准差(采用3σ准则剔除异常点)，并与J.A. Woollam公司RC2椭偏仪的13点测量统计结果进行比较，结果列于表2。由表中数据可知，利用多样品校准法校准的成像椭偏仪测得各SiO2/Si样品的SiO2薄膜厚度平均值均与RC2测量结果接近，较薄样品(薄膜厚度50 nm以下)的绝对偏差小于0.3 nm，相对误差小于6%；较厚样品(薄膜厚度50 nm及以上)的绝对偏差小于2.8 nm，相对误差小于3%。在现有技术中，成像椭偏测量SiO2/Si样品的误差一般在7%以上[7]。另外，各样品测得的标准差都在0.10 nm～0.16 nm之间，这说明各SiO2/Si样品在选定区域II内的SiO2薄膜具有很好的厚度均匀性。

表2　成像椭偏仪测得不同SiO2/Si样品在区域II上SiO2薄膜厚度的评估结果Table 2　The evaluation results of the SiO2film thicknesses over the region II for the different SiO2/Si samples measured by our imaging ellipsometer

4　结论

本文介绍了自主开发研制的全反射式宽光谱PSCRA成像椭偏仪。首先，采用多样品校准方法，选取200 nm～1 000 nm内的12个波长对五个已知薄膜厚度和光学特性的SiO2/Si标准样品进行逐一测量，得到整个成像椭偏系统的校准参数。然后，对厚度为3 nm～300 nm的六个SiO2/Si标准样品在0.48 mm×0.32 mm区域内进行了成像椭偏测量，最终得到SiO2/Si样品在该区域内分辨力为9.6 μm×6.4 μm的椭偏角ψ和σ及薄膜厚度的空间分布图像。结果表明，薄膜厚度的最大绝对测量偏差小于2.8 nm，最大相对测量误差小于6%。

参考文献：

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All-reflective Broadband Spectroscopic Imaging Ellipsometer

JIANG Chunguang1,2，CHEN Yaqin2，LIU Tao2，XIONG Wei2，LI Guoguang2，JI Feng1
( 1. School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Key Laboratory of Microelectronics Devices and Integrated Technology,
Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China )

Abstract:We developed a broadband spectroscopic imaging ellipsometer, which is free of chromatic aberration, by using an all-reflective focusing optical structure with special polarization control. A calibration method by measuring multiple standard samples was employed in the system calibration procedure. By applying the obtained system calibration parameters, we can determine the test sample’s spatial distributions of ellipsometric angles ψ and σ, and the film thickness after the imaging ellipsometric analysis. To test the accuracy of our home-made imaging ellipsometer, we have measured the SiO2/Si samples with the thicknesses of 3 nm～300 nm at multiple wavelengths between 200 nm and 1 000 nm. The experimental result shows that the SiO2film thickness can be determined within the maximum relative measurement error of 6%.

Key words:imaging ellipsometer; thin film; ellipsometry

通信作者：谌雅琴(1978-)，女(汉族)，江西吉安人。副研究员，主要研究工作是光电检测技术。E-mail：chenyaqin@ime.ac.cn。

作者简介：姜春光(1990-)，男(汉族)，浙江嘉兴人。硕士研究生，主要研究工作是椭偏测量技术。E-mail：chunguangj@163.com。

基金项目：中国科学院科研装备研制项目(28Y3YZ018001)

收稿日期：2015-01-28； 收到修改稿日期：2015-04-23

文章编号：1003-501X(2016)01-0055-05

中图分类号：O436.3

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2016.01.010