一种二次谐波测量方法及测量仪器

1.本技术涉及材料测试技术领域，尤其涉及一种二次谐波测量方法及测量仪器。


背景技术：

2.在大量的研究中发现，二次谐波(second harmonic generation，shg)在测量电介质材料的缺陷上具有独特的优势，例如，可以利用二次谐波对硅si(硅)上的sio2(二氧化硅)/hfo2(二氧化铪)叠层介质膜进行无损测试，对缺陷光谱和电荷俘获动力学进行表征；还可以利用二次谐波对硅si上的sio2/hfo2叠层介质膜中存在的电荷密度、电荷极性和电荷物理位置进行表征；还可以利用二次谐波对硅si上的al2o3(三氧化二铝)退火前后固定氧化物密度进行表征；还可以利用二次谐波对硅si上的zro2(二氧化锆)等高节点常熟电介质的光学粗糙度进行表征。
3.然而，在利用二次谐波对si上电介质进行缺陷表征时，由于现有待测样品上电介质膜厚存在一定的波动，所以，电介质膜厚的波动会影响二次谐波，从而影响二次谐波对于电介质材料缺陷的表征，降低缺陷参数提取的精度。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种二次谐波测量方法及测量仪器，能够解决膜厚的波动影响二次谐波，从而影响二次谐波对于电介质材料缺陷的表征，降低缺陷参数提取的精度的问题。
5.第一方面，一种二次谐波测量方法，包括：
6.获取第一光信号，所述第一光信号通过滤掉经过待测样品反射回来的反射基波光信号获得；
7.获取第二光信号，所述第二光信号保留经过所述待测样品反射回来的所述反射基波光信号；
8.根据所述第二光信号，提取膜厚信息光信号，所述膜厚信息光信号包括带有所述待测样品对应位置处的膜厚信息的光信号；
9.将所述第一光信号去除掉所述膜厚信息光信号，得到所述待测样品对应位置处的缺陷二次谐波信号；
10.对所述缺陷二次谐波信号进行缺陷参数提取，得到所述待测样品对应位置处的缺陷参数。
11.在一种可行的实施方式中，所述根据所述第二光信号，提取膜厚信息光信号，所述膜厚信息光信号为带有所述待测样品对应位置处的膜厚信息的光信号的步骤，包括：
12.根据所述第二光信号，进行光学建模仿真，得到所述待测样品对应位置处的所述膜厚信息光信号。
13.在一种可行的实施方式中，所述将所述第一光信号去除掉所述膜厚信息光信号，得到所述待测样品对应位置处的缺陷二次谐波信号的步骤，包括：
14.对所述第一光信号进行归一化处理，得到第一归一化光信号；
15.对所述膜厚信息光信号进行归一化处理，得到第二归一化光信号；
16.将所述第一归一化光信号减去所述第二归一化光信号，得到所述待测样品对应位置处的所述缺陷二次谐波信号。
17.在一种可行的实施方式中，所述根据所述第二光信号，进行光学建模仿真，得到所述待测样品对应位置处的所述膜厚信息光信号的步骤，包括：
18.对所述第二光信号依次进行傅里叶分析和最小二乘法拟合，得到所述待测样品对应位置处的所述膜厚相关参数，其中，所述膜厚相关参数包括电介质层厚度、电介质层折射率、电介质层折射率和电介质层消光系数；
19.根据所述膜厚相关参数，进行光学建模仿真，得到所述待测样品对应位置处的所述膜厚信息光信号。
20.在一种可行的实施方式中，在所述根据所述膜厚相关参数，进行光学建模仿真，得到所述待测样品对应位置处的所述膜厚信息光信号的步骤之前，包括：
21.获取入射条件参数，所述入射条件参数包括所述待测样品的衬底层厚度、照射在所述待测样品上的光学功率和照射在所述待测样品上的光偏振态；
22.所述根据所述膜厚相关参数，进行光学建模仿真，得到所述待测样品对应位置处的所述膜厚信息光信号的步骤，包括：
23.根据所述入射条件参数和所述膜厚相关参数，进行光学建模仿真，得到所述待测样品对应位置处的所述膜厚信息光信号。
24.第二方面，一种二次谐波测量仪器，包括：激光发射组件、入射光路光学组件、探测光路光学组件、探测组件和滤波控制组件；
25.所述入射光路光学组件用于将所述激光发射组件发出的激光束形成入射激光束并射向待测样品，所述探测光路光学组件用于接收所述待测样品反射回来的光信号至所述探测组件；
26.所述探测光路光学组件包括滤波单元，所述滤波单元用于滤掉经所述待测样品反射回来的反射基波光信号；
27.所述滤波控制组件用于控制所述滤波单元移出所述探测光路光学组件，以使所述探测组件接收到带有所述待测样品对应位置处的膜厚信息的光信号。
28.在一种可行的实施方式中，所述滤波控制组件还用于控制所述滤波单元移入所述探测光路光学组件，以使所述探测组件接收到带有所述待测样品对应位置处的缺陷信息的光信号。
29.在一种可行的实施方式中，还包括传动电机；
30.所述滤波控制组件用于控制所述传动电机带动所述滤波单元的移动。
31.在一种可行的实施方式中，所述入射光路光学组件包括起偏单元；
32.所述起偏单元设置在所述激光发射组件的出光侧；
33.所述探测光路光学组件包括检偏单元；
34.所述检偏单元设置在所述滤波单元远离所述探测组件的一侧。
35.在一种可行的实施方式中，所述入射光路光学组件包括聚焦物镜；
36.所述聚焦物镜设置在所述起偏单元远离所述激光发射组件的一侧；
37.所述探测光路光学组件包括准直物镜；
38.所述检偏单元设置在所述准直物镜与所述滤波单元之间。
39.本技术实施例提供的二次谐波测量方法及测量仪器，通过去除膜厚信息光信号的方式去除膜厚相关信息对待测样品的缺陷信息的干扰，得到只带有缺陷信息的缺陷二次谐波信号，在测量待测样品的每个对应位置处的缺陷情况时均去除膜厚相关信息对待测样品的缺陷信息的干扰，则每个测试点位都能够得到只带有缺陷信息的缺陷二次谐波信号，则能够克服现有待测样品的电介质膜厚存在一定的波动，膜厚的波动会影响二次谐波，从而影响二次谐波对于待测样品缺陷的表征，降低缺陷参数提取的精度的问题，通过去除膜厚波动影响的因素，能够提高二次谐波对于待测样品缺陷表征的精度，提高缺陷参数提取的精度。
附图说明
40.图1为本技术实施例提供的一种二次谐波测量方法的示意性流程图；
41.图2为本技术实施例提供的一种二次谐波测量仪器的结构示意图；
42.图3为本技术实施例提供的另一种二次谐波测量仪器的结构示意图。
具体实施方式
43.为了更好的理解本说明书实施例提供的技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本说明书实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本说明书实施例以及实施例中的具体特征是对本说明书实施例技术方案的详细的说明，而不是对本说明书技术方案的限定，在不冲突的情况下，本说明书实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
44.在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“两个以上”包括两个或大于两个的情况。
45.在大量的研究中发现，二次谐波在测量电介质材料的缺陷上具有独特的优势，例如，可以利用二次谐波对硅si上的sio2/hfo2叠层介质膜进行无损测试，对缺陷光谱和电荷俘获动力学进行表征；还可以利用二次谐波对硅si上的sio2/hfo2叠层介质膜中存在的电荷密度、电荷极性和电荷物理位置进行表征；还可以利用二次谐波对硅si上的al2o3退火前后固定氧化物密度进行表征；还可以利用二次谐波对硅si上的zro2等高节点常熟电介质的光学粗糙度进行表征。然而，在利用二次谐波对si上电介质进行缺陷表征时，由于现有电介质膜厚存在一定的波动，所以，电介质膜厚的波动会影响二次谐波，从而影响二次谐波对于电介质材料缺陷的表征，降低缺陷参数提取的精度。
46.有鉴于此，第一方面，图1为本技术实施例提供的一种二次谐波测量方法的示意性流程图。如图1所示，本技术实施例提供一种二次谐波测量方法，包括：
47.s100：获取第一光信号，第一光信号通过滤掉经过待测样品反射回来的反射基波光信号获得。在二次谐波测量方法中，入射激光束照射在待测样品上，会产生反射光，由于待测样品的膜层的光学性质以及膜层上的或者膜层内的缺陷，在入射激光束发生反射的过程中会发生倍频，从而产生二次谐波，产生二次谐波的基波则为照射在待测样品上的入射激光束。在反射光束中反射基波所占比例较大，二次谐波所占比例较小。对于获取待测样品的膜层的光学性质以及膜层上的或者膜层内的缺陷相关信息，主要依赖于二次谐波，基波的存在会给二次谐波的分析带来较大负担，并且容易导致测量误差较大，测量精度较低的问题。因此，在测量待测样品的膜层的光学性质以及膜层上的或者膜层内的缺陷时，需要滤掉反射回来的基波光信号，即滤掉反射基波光信号。
48.s200：获取第二光信号，第二光信号包括经过待测样品反射回来的反射基波光信号。虽然反射基波光信号的存在会给二次谐波的分析带来较大负担，并且容易导致测量误差较大，测量精度较低的问题。但是，反射基波光信号中携带有较多待测样品膜层厚度相关的信息，因此，为消除待测样品厚度相关参数的影响，需要保留反射基波光信号，用以对待测样品的膜厚相关参数进行分析。所以，获取第二光信号的目的是分析膜厚信息。
49.s300：根据第二光信号，提取膜厚信息光信号，膜厚信息光信号包括带有待测样品对应位置处的膜厚信息的光信号。由于第二光信号中还会有带有待测样品的缺陷信息等的光信号，所以需要对第二光信号进行信号提取，将带有膜厚信息的光信号提取出来。
50.s400：将第一光信号去除掉膜厚信息光信号，得到待测样品对应位置处的缺陷二次谐波信号。由于第一光信号中既有带有缺陷信息的光信号，又有带有膜厚信息的光信号，为去除膜厚信息的干扰，需要将带有膜厚信息的膜厚信息光信号从第一光信号中去除掉，从而得到只带有缺陷信息的缺陷二次谐波信号。
51.s500：对缺陷二次谐波信号进行缺陷参数提取，得到待测样品对应位置处的缺陷参数。缺陷二次谐波信号只是原始的光信号，想要得到待测样品的缺陷参数，还需要进行缺陷参数提取的处理。
52.可以理解的是，在测量待测样品上的任意对应位置处的缺陷信息时，均需经过步骤s100-s500，即待测样品的每个测量位置的测量流程均需重新获取该位置处的膜厚信息光信号，最后得到缺陷二次谐波信号。
53.本技术实施例提供的二次谐波测量方法，通过去除膜厚信息光信号的方式去除膜厚相关信息对待测样品的缺陷信息的干扰，得到只带有缺陷信息的缺陷二次谐波信号，在测量待测样品的每个对应位置处(测试点位)的缺陷情况时均去除膜厚相关信息对待测样品的缺陷信息的干扰，则每个测试点位都能够得到只带有缺陷信息的缺陷二次谐波信号，则能够克服现有待测样品的电介质膜厚存在一定的波动，膜厚的波动会影响二次谐波，从而影响二次谐波对于待测样品缺陷的表征，降低缺陷参数提取的精度的问题，通过去除膜厚波动影响的因素，能够提高二次谐波对于待测样品缺陷表征的精度，提高缺陷参数提取的精度。
54.在一种可行的实施方式中，步骤s300：根据第二光信号，提取膜厚信息光信号，膜厚信息光信号包括带有待测样品对应位置处的膜厚信息的光信号，可以包括：
55.根据第二光信号，进行光学建模仿真，得到待测样品对应位置处的膜厚信息光信号。光学建模仿真可以采用传输矩阵法，还可以采用其他方式，本技术不作具体限定。
56.本技术实施例提供的二次谐波测量方法，通过光学建模仿真的方式，可以将带有膜厚信息的光信号提取出来，去掉了带有待测样品缺陷信息的光信号。
57.在一种可行的实施方式中，步骤s400：将第一光信号去除掉膜厚信息光信号，得到待测样品对应位置处的缺陷二次谐波信号，可以包括：
58.对第一光信号进行归一化处理，得到第一归一化光信号；
59.对膜厚信息光信号进行归一化处理，得到第二归一化光信号；
60.将第一归一化光信号减去第二归一化光信号，得到待测样品对应位置处的缺陷二次谐波信号。
61.容易理解的是，相减即是两组光信号数据各自归一化后作差，最后输出的数据为ishg＝i
1-i2，其中，i1为第一归一化光信号数据，i2为第二归一化光信号数据。第一归一化光信号数据属于实测的得到的数据，第二归一化光信号数据属于仿真得到的数据。
62.本技术实施例提供的二次谐波测量方法，分别对第一光信号和膜厚信息光信号进行归一化处理，利于两种归一化信号的相减，是将膜厚光信号在第一光信号中去除的过程，归一化处理能够方便做相减的操作，能够提高相减操作的精准度。
63.在一种可行的实施方式中，根据第二光信号，进行光学建模仿真，得到待测样品对应位置处的膜厚信息光信号的步骤，可以包括：
64.对第二光信号依次进行傅里叶分析和最小二乘法拟合，得到待测样品对应位置处的膜厚相关参数，其中，膜厚相关参数包括电介质层厚度、电介质层折射率、电介质层折射率和电介质层消光系数；
65.根据膜厚相关参数，进行光学建模仿真，得到待测样品对应位置处的膜厚信息光信号。
66.本技术实施例提供的二次谐波测量方法，光学建模仿真需要使用光学参数，通过傅里叶分析和最小二乘法拟合可以将光信号转换为光学参数，利于光学建模仿真进而得到膜厚信息光信号。
67.在一种可行的实施方式中，在根据膜厚相关参数，进行光学建模仿真，得到待测样品对应位置处的膜厚信息光信号的步骤之前，可以包括：
68.获取入射条件参数，入射条件参数包括待测样品的衬底层厚度、照射在所述待测样品上的光学功率和照射在待测样品上的光偏振态；待测样品上的衬底材料可以是硅，衬底材料上的电介质层可以是sio2/hfo2叠层介质膜、al2o3和zro2等，本技术不作具体限定。
69.根据膜厚相关参数，进行光学建模仿真，得到待测样品对应位置处的膜厚信息光信号的步骤，包括：
70.根据入射条件参数和膜厚相关参数，进行光学建模仿真，得到待测样品对应位置处的膜厚信息光信号。
71.本技术实施例提供的二次谐波测量方法，当待测样品具有衬底层时，在进行光学建模仿真时还需要加入衬底层厚度。另外可以加入照射在所述待测样品上的光学功率和照射在待测样品上的光偏振态，能够提高仿真精确度。
72.第二方面，图2为本技术实施例提供的一种二次谐波测量仪器的结构示意图。如图2所示，本技术实施例提供一种二次谐波测量仪器，包括：激光发射组件100、入射光路光学组件200、探测光路光学组件300、探测组件400和滤波控制组件500。激光发射组件100发射
的激光束可以依次通过光纤和耦合组件入射到入射光路光学组件200内，探测光路光学组件300探测的光信号可以依次通过耦合组件和光纤射入探测组件400。耦合组件主要是用于衔接光学组件与光纤，图2未示出光纤和耦合组件。待测样品a可以置于样品载台600上。
73.继续参考图2，入射光路光学组件200可以用于将激光发射组件100发出的激光束形成入射激光束并射向待测样品a，探测光路光学组件300用于接收待测样品a反射回来的光信号至探测组件400。探测光路光学组件300包括滤波单元310，滤波单元310可以用于滤掉经待测样品a反射回来的反射基波光信号。滤波控制组件500可以用于控制滤波单元310移出探测光路光学组件300，以使探测组件400接收到带有待测样品a对应位置处的膜厚信息的光信号。
74.本技术实施例提供的二次谐波测量仪器，由于第一光信号中既有带有缺陷信息的光信号，又有带有膜厚信息的光信号，为去除膜厚信息的干扰，需要将带有膜厚信息的膜厚信息光信号从第一光信号中去除掉，从而得到只带有缺陷信息的缺陷二次谐波信号。虽然反射基波光信号的存在会给二次谐波的分析带来较大负担，并且容易导致测量误差较大，测量精度较低的问题。但是，反射基波光信号中携带有较多待测样品膜层厚度相关的信息，因此，为消除待测样品厚度相关参数的影响，需要保留反射基波光信号，用以对待测样品的膜厚相关参数进行分析。可以利用滤波控制组件500控制滤波单元310移出探测光路光学组件300，探测光路光学组件300则将接收到的待测样品a反射回来的光信号所有光信号传送至探测组件400，这其中包括带有缺陷信息的二次谐波信号和带有膜厚信息的反射基波光信号。
75.在一种可行的实施方式中，滤波控制组件500还用于控制滤波单元310移入探测光路光学组件300，以使探测组件400接收到带有待测样品a对应位置处的缺陷信息的光信号。
76.本技术实施例提供的二次谐波测量仪器，对于获取待测样品的膜层的光学性质以及膜层上的或者膜层内的缺陷相关信息，主要依赖于二次谐波，反射基波光信号的存在会给二次谐波的分析带来较大负担，并且容易导致测量误差较大，测量精度较低的问题。因此，在测量待测样品的膜层的光学性质以及膜层上的或者膜层内的缺陷时，需要滤掉反射基波光信号。可以利用滤波控制组件500控制滤波单元310移入探测光路光学组件300，滤波单元310对反射光进行滤波，去除掉反射基波光信号。
77.在一种可行的实施方式中，图3为本技术实施例提供的另一种二次谐波测量仪器的结构示意图。如图3所示，本技术实施例提供的二次谐波测量仪器，还可以包括传动电机305；滤波控制组件500可以用于控制传动电机305带动滤波单元310的移动。滤波控制组件500可以根据接收到的指令控制滤波单元310的移入和移出。传动电机305只是一种可行方式，还可以是伸缩组件等等，滤波单元310可以采用滤波片，本技术均不作具体限定。
78.在一种可行的实施方式中，继续参考图3，入射光路光学组件200包括起偏单元210；起偏单元210设置在激光发射组件100的出光侧；探测光路光学组件300包括检偏单元320；检偏单元320设置在滤波单元310远离探测组件400的一侧。
79.本技术实施例提供的二次谐波测量仪器，起偏单元210可以将激光发射组件100发出的激光束进行偏振化处理，得到偏振光，可以产生高斯光束，检偏单元320可以将反射光进行偏振化处理，利于得到二次谐波。
80.在一种可行的实施方式中，继续参考图3，入射光路光学组件200包括聚焦物镜
220；聚焦物镜220设置在起偏单元210远离激光发射组件100的一侧；探测光路光学组件300包括准直物镜330；检偏单元320设置在准直物镜330与滤波单元310之间。
81.本技术实施例提供的二次谐波测量仪器，聚焦物镜220可以用于聚焦入射激光束，准直物镜330可以用于对反射光束的准直。
82.需要说明的是，在二次谐波测量仪器的内部或外部还可以设置控制组件或者控制器，用于控制激光发射组件100、探测组件400和滤波控制组件500等的开启或关闭，控制入射光路光学组件200、探测光路光学组件300和样品载台600的移动，例如入射光路光学组件200和探测光路光学组件300内光学镜片的移动等。还可以包括计算模块或者具有计算和数据处理能力的计算机类组件进行光学建模仿真、缺陷参数提取、膜厚信息光信号提取、归一化处理以及光信号相减等相关计算或数据处理，本技术不作赘述。
83.本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的设备。
84.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令设备的制造品，该指令设备实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
85.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
86.尽管已描述了本说明书的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本说明书范围的所有变更和修改。
87.显然，本领域的技术人员可以对本说明书进行各种改动和变型而不脱离本说明书的精神和范围。这样，倘若本说明书的这些修改和变型属于本说明书权利要求及其等同技术的范围之内，则本说明书也意图包含这些改动和变型在内。