一种快照式穆勒矩阵光谱椭偏测量系统和方法

本发明可应用于光学精密测量和微纳结构关键尺寸量测，具体涉及一种快照式穆勒矩阵光谱椭偏测量系统和方法。

背景技术：

1、在集成电路制造、显示面板、太阳能电池、集成光子器件和精密薄膜加工等领域，薄膜性质、微纳结构尺寸等关键参数直接影响器件性能和制造良率。因此，能够在不破坏样品的条件下进行快速、稳定、高精度量测，是先进制造在线过程控制的重要需求。

2、扫描电子显微镜（sem）和原子力显微镜（afm）能够提供较高空间分辨率，但通常存在测量速度慢、样品制备复杂、视场有限或难以直接获得完整三维参数等问题。sem还可能要求断面制样或真空环境，难以直接用于高通量在线检测。光谱反射法具有非接触特点，但仅仅测量光谱信息，对部分超薄结构和复杂微纳结构的适用性有限。光谱椭偏测量技术通过分析偏振光与样品作用前后的偏振态和光谱变化，对样品参数进行反演。常规光谱椭偏仪通常获取两个椭偏参数振幅角（用于描述p、s偏振振幅衰减比值）和相位差角（用于描述p、s偏振相位偏移差值），能够满足较简单薄膜结构的测量需求。然而，对于高精度和复杂三维纳米结构，两个椭偏参数的信息维度仍然有限，难以进行准确测量。

3、穆勒矩阵光谱椭偏测量能够在宽光谱范围内获取4×4穆勒矩阵的16个元素，包含更丰富的偏振传输信息，因而更适合复杂微纳结构量测。但是，传统穆勒矩阵光谱椭偏系统通常需要在样品前后配置完整的偏振态产生器和偏振态分析器，并依赖机械旋转或动态调制的偏振器件。与此同时，光谱分辨通常依赖光栅光谱仪、可调谐光源或波长扫描。上述结构使系统硬件复杂、体积较大、成本较高，并且机械运动会限制测量速度和稳定性。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本发明针对现有穆勒矩阵光谱椭偏探测技术难以实现无运动部件的快照式测量，以及依赖光谱仪和旋转电机而导致的系统体积大、成本高等问题，基于偏振相位延迟元件与空间色散元件的角度调制特性，提出一种实现快照式测量样品结构尺寸和穆勒矩阵光谱的系统和方法。

3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、本发明第一方面提供的一种快照式穆勒矩阵光谱椭偏测量系统，包括：

5、偏振产生单元，用于将入射宽谱光束转换为空间上具有不同偏振态分布的结构照明光并作用于待测对象；

6、偏振光谱分析单元，用于捕获经过所述待测对象后的出射光束所携带的穆勒矩阵偏振信息与光谱信息；

7、光电探测单元，用于将所述偏振光谱分析单元捕获的穆勒矩阵偏振信息与光谱信息转换成强度信号；

8、计算单元，用于根据所述强度信号解算出待测对象的结构参数并计算出随波长变化的穆勒矩阵；

9、测量过程中，所述偏振产生单元和所述偏振光谱分析单元均保持静止。

10、在一些实施例中，所述偏振产生单元中的第一偏振相位延迟元件包括至少两个第一单轴晶体片，所述偏振光谱分析单元中的第二偏振相位延迟元件包括与所述第一偏振相位延迟元件内所含第一单轴晶体片个数相同的若干第二单轴晶体片。

11、在一些实施例中，相邻的两单轴晶体片叠层设置或者彼此分离设置。

12、在一些实施例中，所述第一单轴晶体片和所述第二单轴晶体片选用x切石英片。

13、在一些实施例中，所述第一偏振相位延迟元件和所述第二偏振相位延迟元件内各单轴晶体片的光轴方位角应分别设计，包括：以目标波段内偏振分析的条件数作为评价指标或目标函数，对各偏振相位延迟元件所含单轴晶体片的光轴方位角组合进行计算和筛选，使得所述评价指标或目标函数收敛到最小值；

14、所述偏振产生单元中位于所述第一偏振相位延迟元件的入射光路一侧还设有第一偏振片；

15、所述偏振光谱分析单元中位于所述第二偏振相位延迟元件的出射光路一侧还设有第二偏振片。

16、在一些实施例中，所述偏振光谱分析单元中的光谱分析模块采用非局域平面光学元件。

17、在一些实施例中，所述光电探测单元采用图像传感器；

18、所述计算单元根据经标定的系统传输矩阵和待测对象的物理模型对所述图像传感器采集的实测二维强度图像进行反演，得到所述待测对象随波长变化的穆勒矩阵和结构参数。

19、在一些实施例中，所述反演采用基于物理约束的神经网络实现，所述神经网络包括参数估计模块和物理模型模块；

20、所述参数估计模块以所述实测二维强度图像作为输入，提取其特征，并输出待测对象的候选结构参数向量；所述物理模型模块首先根据所述参数估计模块输出的候选物理参数向量计算待测对象随波长变化的穆勒矩阵，再结合预先标定的由偏振编码矩阵和偏振光谱分析单元的穆勒矩阵的第一行所构成的系统传输矩阵生成模拟二维强度分布图像；最小化所述实测二维强度分布图像与模拟二维强度分布图像之间的损失函数，利用所述损失函数进行反向传播更新所述参数估计模块的权重参数并迭代优化，使模拟二维强度分布图像逐渐逼近实测二维强度图像；迭代收敛后，将所述参数估计模块的输出及对应的随波长变化的穆勒矩阵作为最终的测量结果。

21、在一些实施例中，所述反演包括全局粗估计阶段和高精度微调阶段；

22、所述全局粗估计阶段，在预设参数范围内均匀采样多个离散的候选结构参数，将各候选结构参数输入所述物理模型模块，以生成相应的模拟二维强度分布图像，并分别计算各模拟二维强度分布图像与实测二维强度分布图像之间的平均绝对误差，选取平均绝对误差最小的候选结构参数作为初始估计值；或者预先建立模拟二维强度库，将实测二维强度分布图像与该模拟二维强度库中的模拟二维强度图像进行匹配，将匹配结果作为初值估计值；

23、所述高精度微调阶段，以实测二维强度分布图像与模拟二维强度分布图像之间的均方误差作为目标函数，利用可微样品模型和可微光学传播模型计算所述目标函数相对于候选结构参数的梯度，并根据所述梯度对所述初始估计值附近的候选结构参数进行连续迭代优化，直至满足预设收敛条件。

24、本发明第二方面提供的一种快照式穆勒矩阵光谱椭偏测量方法，包括：

25、利用宽谱光源提供目标波段光束；

26、利用偏振产生单元将所述目标波段光束转换为在空间上具有不同偏振态分布的结构照明光，并将该结构照明光作用于待测对象；

27、利用设置于所述待测对象的出射光路一侧的偏振光谱分析单元捕获经过所述待测对象后的出射光束所携带的穆勒矩阵偏振信息与光谱信息；

28、将捕获的所述穆勒矩阵偏振信息与光谱信息转换成强度信号；

29、根据所述强度信号解算出待测对象的结构参数并计算出随波长变化的穆勒矩阵；

30、测量过程中，所述偏振产生单元和所述偏振光谱分析单元均保持静止。

31、相较于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：该系统由偏振产生模块、偏振分析模块以及光谱解码模块三个部分组成。其中偏振产生部分的核心部件为偏振片以及光轴方向不同的偏振相位调制元件。当光束经过偏振片并以不同的入射角度入射到偏振相位延迟元件后，将会在空间不同位置产生不同的偏振态，实现偏振产生的功能。偏振分析模块的核心部件为与偏振产生模块对称放置的偏振相位调制元件和偏振片，同样通过不同的入射光束角度实现偏振的解码。光谱解码模块由空间色散元件组成，通过空间角度实现光谱解码。相比传统穆勒矩阵光谱椭偏仪，该系统的偏振态产生以及偏振光谱分析部分均只需要固定的偏振相位延迟元件、偏振片和空间色散元件，无需任何运动部件，系统体积明显降低而且测量是快照式的。因此可以实现一个结构简单、快照式、低成本的结构尺寸测量和穆勒矩阵光谱测量的系统和方法。