发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单且精度高的在PSCA布局下椭偏仪中延迟器的坐标系与系统坐标的偏差角度以及延迟相位量的定标方法，很好地改善椭偏仪的误差修正。

本发明提供的在PSCA布局下椭偏仪中延迟器的坐标系与系统坐标的偏差角度以及延迟相位量的定标方法，简称PSCA椭偏仪中延迟器偏差角度及延迟相位量的定标方法；这里PSCA椭偏仪，是指由起偏器P、样品S、相位延迟器C、检偏器A布局搭建的椭偏仪(Rotate Compensator Ellipsometer，RCE)；系统坐标系规定将光线传播的方向定义为系统的z轴正方向；平行于样品表面并垂直与入射平面，即入射光的s光偏振方向为X轴，正方向为垂直于光学平台向上。以入射光的p光偏振方向为Y轴，正方向为Z×X，如图1 所示。

对于整个系统，取下相位延迟器C，此时PSCA椭偏测量系统退化为PSA椭偏测量系统。在PSA椭偏测量系统中，利用布儒斯特角法和马吕斯定律分别将起偏器P、检偏器A 调整到系统坐标系中的45°和0°方向。对于旋转器件延迟器C，单独对其设定了坐标系 x_c×y_c＝z_c，如图1所示。在光路中将经延迟器C表面的反射光调整到与入射光平行，延迟器坐标系的z_c轴与系统坐标系的Z轴重合。x_c坐标轴与X轴的偏差角使用符号θ_mc表示。延迟器C的方位角θ_c定义为延迟器快轴与x_c轴的夹角。

当θ_mc＝0°时，旋转延迟器输出光强随θ_c变化的理论推导结果为：

I(θ_C)＝I₀+I₁sin 2θ_C+I₂sin 4θ_C+I₃cos 4θ_c+I₄cos 2θ_c, (1)

其中，

其中，η、σ为中间量，分别为:

β为延迟器的实际延迟相位量。

在实际的组装过程中，θ_mc不严格为0°，此时输出的光强信号与理论信号关系为：

I′(θ_c)＝I(θ_c+θ_mc)＝I₀′+I₁′sin 2θ_C+I₂′sin 4θ_C+I₃′cos 4θ_C+I₄′cos 2θ_C, (9)

其中，

I′₁＝I₁cos 2θ_mc-I4 sin 2θ_mc, (10)

I′₂＝I₂ cos 4θ_mc-I₃ sin 4θ_mc, (11)

I′₃＝I₂ sin 4θ_mc+I₃cos 4θ_mc, (12)

I′₄＝I₁ sin 2θ_mc+I₄cos 2θ_mc, (13)

将上述系统，撤除样品S。光源发出的激光经过起偏器P直接进入延迟器C及后续测量系统，如图2所示。调整起偏器的方位角θ_p。此时旋转延迟器等间距采样(如采集1600 个点)，记录其光强值与延迟器方位角的关系I′(θ_c)，该过程等效于椭偏系统在测量一组样品，该样品的椭偏参数值Δ＝0°(Δ为探测光束的s偏振方向与p偏振方向反射系数的相位差)，Ψ＝θ_P(Ψ为探测光束的s光分量偏振方向与p光分量偏振方向样品反射系数模的比值，θ_P为起偏器在系统坐标系中的方位角)。等效样品s偏振方向的反射系数(为s光偏振分量的反射系数，Γ为光源在θ_P方向上的偏振分量大小)，如图3所示。

对光强分量表达式中I₂′、I₃′项，根据等效样品的参数进行等效参数的替换，Ψ＝θ_P，得到：

引入关系：

通过旋转起偏器的角度θ_p，产生一组不同Ψ值的等效样品，做出函数图像。从具体表达式中看到，该函数为正切函数初始相位项中包含了需要定标的量θ_mc，使用数学拟合该正切函数，求出初始相位其中完成θ_mc的求解。求出θ_mc后，将延迟器旋转-θ_mc，此时延迟器的坐标系与系统坐标系重合。

延迟器坐标修正后，整个系统只剩下延迟器的延迟相位β影响最终的椭偏参数。从光强分量中计算椭偏参数Ψ的形式为：

已知实际等效过程的等效椭偏参数值中Ψ_i＝θ_P(Ψ_i为改变不同方位角θ_P时的一组等效样品的椭偏参数值)。微调延迟器来改变β值，至系统测量的结果与已知的等效结果一致，即Ψ_o＝Ψ_i(Ψ_o为使用PSCA布局RCE椭偏仪对Ψ_i的测量值)，此时的β值即为实际的延迟器延迟相位。

基于以上分析，本发明提出的PSCA布局下的椭偏仪中延迟器的坐标系与系统坐标偏差角度以及延迟相位量的定标方法，首先将入射到样品的探测光束的s偏振方向与p偏振方向分别作为系统的X/Y坐标轴，取下延迟器C，系统退化为PSA型椭偏测量系统，利用布儒斯特角法将检偏器A调整到系统坐标系的0°方向，再利用马吕斯定律定标起偏器P 定标、并调整到系统坐标系的45°方向；加入延迟器C，取下样品S，调节起偏器方位角，使用该系统进行测量。上述过程等效于椭偏系统在测量一组等效的样品，这组样品的椭偏参数中Δ＝0°，Ψ＝θ_p，改变θ_p产生一组不同Ψ值的等效样品；使用RCE型椭偏系统测量这组等效样品时，坐标偏差角θ_mc出现在光强分量的比值关系中，可以求出坐标偏差角θ_mc；最后将修正好延迟器C坐标偏差的系统，从计算等效椭偏参数的结果中，得到相位延迟器的实际延迟量β。

具体步骤包括：

(一)PSCA布局的椭偏系统中，相位延迟器C的方位角调节，具体为：除去样品，入射光经过起偏器P、延迟器C、检偏器A，出射光进入硅光电探测器，旋转延迟器C一周，等间距采样(如：采集1600个光强值)；使用离散傅里叶变换求出光强信号的频率分量，其中I′₂sin 4θ_C、I′₃cos 4θ_C频率分量中的I′₂、I′₃分量，求比值关系，所得结果满足的函数关系；调整起偏器P坐标方位角θ_P，绘制出的函数图像，函数初始相位量中包含延迟器C的坐标轴与整个系统坐标轴的偏差角θ_mc；通过对该函数的数学形式进行拟合，得到相位量最终求出包含在相位量中的偏差角θ_mc的具体值；

(二)PSCA布局的椭偏系统中，相位延迟器C的实际相位量的求解；具体为：将(一)中得出的θ_mc带入系统修正计算结果，此时系统中的坐标偏差修正完成；在(一)的系统中，旋转θ_P，在不同θ_P值下测量，该系统等效于测量一组样品，这组样品的椭偏参数Ψ_i＝θ_P，Δ＝0°；修正坐标偏差θ_mc后，系统测量结果Ψ_o与等效样品的真实Ψ_i值的偏差，仅受延迟器C具体相位值β的影响；微调相位值β，使得Ψ_o＝Ψ_i的结果时，此时的β值即为实际的相位延迟量。

本发明方法，操作简单且精度高，能很好地改善对椭偏仪的误差修正。