一种低应力镜头配对形成镜头组的方法及光学测量设备

技术领域

本发明涉及光学测量领域，具体涉及一种低应力镜头配对形成镜头组的方法及光学测量设备。

背景技术

光谱型椭偏仪是检测半导体晶元膜厚的重要工具，为了检测更小的区域，椭偏仪中需要有一对镜头组对样品进行聚焦，经过样品反射后再进行准直。镜头或镜头组是椭偏仪上常用光学器件，镜头和镜头组的应力对测量结果会有一定的影响，尤其是在紫外波段，影响更大。

镜头中由于镜头材料本身有应力，镜片之间胶合可能产生应力，镜片安装在镜筒内也可能产生应力，因此，新生产的镜头需要放置一段时间以消除或减少应力。但是即便放置一段时间，镜头仍然无法避免会有残余应力。为了使椭偏仪测量效果达到最佳，需要挑选应力较小的镜头。此外，还需要将两个镜头按照一定的角度进行匹配，使得镜头组总Mueller矩阵接近单位矩阵。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种低应力镜头配对形成镜头组的方法及光学测量设备，该方法采用直通Mueller矩阵椭偏仪测量镜头的Mueller矩阵以及快轴方向，并根据测量结果对镜头进行配对得到镜头组，减小了镜头的应力对椭偏仪测量效果的影响。

本发明的技术方案包括一种低应力镜头配对形成镜头组的方法，其特征在于包括：测量各候选镜头的应力大小以及快轴方向，从中选择两个应力接近的候选镜头进行配对组成镜头组；镜头组安装在椭偏仪上的过程中，入射镜头的快轴方向角度为a，将出射镜头快轴方向调整为90°+a或90°-a。

本发明的进一步改进在于：采用直通Mueller矩阵椭偏仪测量镜头的Mueller矩阵以及快轴方向，并采用镜头的快轴与参考方向相同时的Mueller矩阵中的M34元素或M43元素表征镜头的应力大小。

本发明的进一步改进在于：两个镜头应力接近，指的是两个镜头的Mueller矩阵的M34元素或M43元素的差异小于低应力标准所对应的阈值。

本发明的进一步改进在于：将配对的两个镜头的一个作为入射镜头另一个作为出射镜头，当入射镜头的快轴方向与参考方向相同且出射镜头的快轴方向与入射镜头的慢轴方向平行时，测量镜头组整体的Mueller矩阵，并判断该矩阵是否为单位矩阵。

本发明的进一步改进在于：采用直通Mueller矩阵椭偏仪测量镜头的快轴指向某个角度时的Mueller矩阵具体包括：平行光入射依次经起偏器、玻片C1、待测的所述镜头、单透镜、玻片C2、检偏器后入射到探测器中，测量过程中玻片C1、玻片C2按照预定的转速比旋转；所述探测器为光谱仪，其通过测量玻片C1、玻片C2在不同角度下的光谱仪求出各阶傅里叶系数，并根据各阶傅里叶系数得到所述镜头在快轴指向当前角度时的Mueller矩阵。

本发明的进一步改进在于：通过旋转镜头，测量镜头快轴指向不同方向时的Mueller矩阵；当镜头的Mueller矩阵的M24元素在各测量波段均接近0时，此时镜头的快轴方向与参考方向相同。

本发明的进一步改进在于：所述参考方向为测量过程中采用的起偏器的偏振方向。

本发明的进一步改进在于：所述起偏器的入射光的波长在紫外波段。

本发明的进一步改进在于：镜头组安装在椭偏仪上时，以平行于入射面的方向为参考方向，所述入射镜头的快轴方向与起偏器方向平行。

本发明还提供一种光学测量设备，其包括采用上述的低应力镜头配对形成镜头组的方法得到的镜头组。

本发明的有益技术效果：采用本发明的该方法得到的镜头组可以基本将镜头应力消除，镜头组的Mueller矩阵接近单位矩阵，使其对测量的影响最小。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1是本发明的实施例中单个镜头应力检测结构示意图；

图2是本发明的实施例中镜头组应力检测结构示意图；

图3是本发明的实施例中单个镜头测量m34测量曲线；

图4是本发明的实施例中单个镜头m24测量曲线；

图5是本发明的实施例中配对后镜头组m24和m34；

图6是本发明的实施例中配对后镜头组m42和m43。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于对本发明解释，而非对本发明限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图和具体实施例仅示出了本发明相关的部分而非全部内容。

本发明的实施例具体包括一种低应力镜头配对形成镜头组的方法，该方法具体包括：测量各候选镜头的应力大小以及快轴方向，从中选择两个应力接近的候选镜头进行配对组成镜头组；镜头组安装在椭偏仪上的过程中，入射镜头的快轴方向角度为a，将出射镜头快轴方向调整为90°+a或90°-a。

本发明的实施例中，采用直通Mueller矩阵椭偏仪测量镜头的Mueller矩阵以及快轴方向，并采用镜头的快轴与参考方向相同时的Mueller矩阵中的M34元素或M43元素表征镜头的应力大小。镜头可以用一个Mueller矩阵来描述，理想的镜头的Mueller矩阵应当是一个单位矩阵，对于有应力的镜头，可以用玻片模型的Mueller矩阵来描述，当镜头快轴沿参考方向时，其Mueller矩阵可以表示为：

其中，δ为快慢轴相位延迟，一般而言，镜头的应力较小(δ较小)，cosδ在全波段都很接近1，sinδ是一个较小的数。

两个镜头应力接近，指的是两个镜头的Mueller矩阵的M34元素或M43元素差异小于低应力标准所对应的阈值。

为了配对形成镜头组，首先测量各候选镜头的快轴与参考方向相同时的Mueller矩阵。此时的Mueller矩阵的元素m34(sinδ)可用于表示该镜头的应力大小。为了测量单个镜头快轴方向及应力大小，可以采用如图1所示的直通Mueller矩阵椭偏仪结构，平行光入射依次经起偏器P，玻片C1，待测镜头L1，单透镜L2，玻片C2，检偏器A后入射到探测器(光谱仪)中，玻片C1和C2按照一定的转速比旋转，由光谱仪测量出C1和C2在不同角度下的光谱可以求出各阶傅里叶系数(a

将单个镜头的快轴方向检测出来后，需要将两个镜头配对组成镜头组。两个镜头的选择应当选取应力大小相同(或者很接近，也就是当镜头快轴在参考方向时，m34曲线形状大小都很接近)的两个镜头来进行配对，否则无法得到较佳的配对结果(即得到的镜头组的总Mueller矩阵接近单位矩阵，其元素m24、m34、m42、m43都接近0)。

两镜头配对检测结构如图2所示：平行光入射依次经起偏器P，玻片C1，镜头L1，镜头L2，玻片C2，检偏器A后入射到探测器(光谱仪)中，玻片C1和C2按照一定的转速比旋转，由光谱仪测量出C1和C2在不同角度下的光谱可以求出各阶傅里叶系数(a

以上选取的镜头组合是在不含样品的情况下配对的，当镜头组安装在椭偏仪上进行测量时，需要镜头L1+样品+镜头L2组合的总的Mueller矩阵等于(或者很接近)样品本身的Mueller矩阵，这样测量出来的样品参数(n、k及厚度)更接近真实样品参数。镜头组安装在椭偏仪工装上的角度应当满足如下规则，假设镜头L1快轴方向与参考方向的夹角为a，那么镜头L2与参考方向的夹角应当为90°±a，优选的应当为90°-a。此外，为了更好的消除镜头组应力的影响，镜头L1的快轴方向角度a可以与起偏器偏振角度P0一样。例如当P0＝20°时，镜头L1角度可以取20°，镜头L2角度可以取90°-20°＝70°。

本发明的实施例还包括一种光学测量设备，该设备包括采用上述的低应力镜头配对形成镜头组的方法得到的镜头组。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。