CN102589452B - 测量薄膜厚度和折射率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量薄膜厚度和折射率的方法及装置与应用。该方法为采用至少三束光束同时以不同入射角投射到薄膜样品表面同一点或位置，反射光束的强度由阵列光电探测器接收，再与入射光束光强比较，计算出各光束的反射率，最后与理论公式拟合得到待测薄膜的厚度和折射率。装置如下：沿着光轴，光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏振器和样品旋转台依次排列；样品旋转台的轴心和光电探测器旋转平台的轴心重合，后者的直径大于前者的直径；位于光电探测器旋转平台上的光电探测器、信号采样放大和AD转换电路、计算机依次连接。本发明具有测量速度快及空间分辨率高的特点，可大规模对集成电路IC和/或功能薄膜器件进行检测。

Description

测量薄膜厚度和折射率的方法及装置

技术领域

本发明属于光电精密测量技术领域，涉及一种测量薄膜厚度和折射率的方法及装置。

背景技术

测量薄膜厚度及折射率等参数的光学方法有多种，主要有椭圆偏振法、干涉法、棱镜耦合法、光谱法等。这些方法或技术都存在各自的优点及不足之处，测量薄膜的类型和参数测量范围有一定的限制：如棱镜耦合法(也称光波导法)尽管测量薄膜的折射率精度很高，但有一定的测量薄膜折射率的范围，一般小于棱镜的折射率，且对于200nm以下厚度的薄膜难以适用；干涉法的测量精度不高，光谱法需要至少两次测量、结果不稳定等；也有人提出采用测量多角度偏振光反射率来确定薄膜参数的方法，如Tami Kihara等的文章“Simultaneousmeasurement of refrative index and thickness of thin film by polarized reflectances”(Appl.Opt.1990，29，5069-5073)and“Simultaneous measurement of the refrativeindex and thickness of thin films by S-polarized reflectances”(Appl.Opt.1992，31，4482-4487)”所提供的方法为依次同步转动样品及探测器分别测量不同入射角偏振光的反射率，通过理论拟合求出薄膜的厚度及折射率等参数，从而该方法获取反射率的实验时间较长，入射到样品表面的光斑面积大，空间分辨率率小，难以检测表面微小结构的参数。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种测量薄膜厚度和折射率的方法。

本发明的另一目的在于提供实现所述的测量薄膜厚度和折射率的方法的装置。

本发明的再一目的在于提供所述的装置的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种测量薄膜厚度和折射率的方法，包括以下步骤：采用至少三束光束同时以不同入射角投射到薄膜样品表面同一点或位置，反射光束的强度由阵列光电探测器接收，再与入射光束光强比较，计算出各光束的反射率，最后与理论公式拟合得到待测薄膜的光学参数；

所述的光学参数包括厚度、折射率和消光系数等；

所述的阵列光电探测器为光电探测器线性排列得到；

所述的理论公式为 $d_1=\frac{\mathrm{\λ}[F_{\mathrm{\δ}}(n_0,n_1,n_2,{\mathrm{\θ}}_{0i},\mathrm{\λ})\±{\cos }^{-1}{G}_{\mathrm{\δ}}(n_0,n_1,n_2,{\mathrm{\θ}}_{0i},\mathrm{\λ},R_{\mathrm{\δ}})+2\mathrm{m\π}]}{4\mathrm{\π}{(n_1^2-n_0^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{0i})}^{1/2}},$ 其中：d₁为薄膜的厚度；λ为入射光束波长；n₀、n₁、n₂分别为空气、薄膜、衬底的折射率；δ为P偏振光或S偏振光；θ_0i为入射角，i为入射角的序数；m为膜序数，如1，2，3……；

本发明所述测量薄膜厚度和折射率的方法具有测量速度快及空间分辨率高的特点。

实现所述测量薄膜厚度和折射率的方法的装置，包括光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏振器、样品旋转台、光电探测器旋转平台、信号采样放大和AD转换电路、以及计算机；沿着光轴，光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏振器和样品旋转台依次排列，样品旋转台的轴心和光电探测器旋转平台的轴心重合，光电探测器旋转平台的直径大于样品旋转台的直径，从而位于光电探测器旋转平台上的光电探测器能探测到被位于样品旋转台上的样品反射出来的光束；位于光电探测器旋转平台上的光电探测器、信号采样放大和AD转换电路、计算机依次连接；

所述的装置还包含分光镜和用于接收被分光镜反射的光束的光电探测器B；分光镜位于光源和透射光栅之间；光电探测器B、信号采样放大和AD转换电路、计算机依次连接；

所述的光源为单色光源或是激光光源；

所述的光源优选为He-Ne激光器或半导体激光器；

所述的透射光栅为全息光栅、刻画光栅或镀膜光栅，光栅常数d满足下式：

D为聚光透镜的直径，λ为激光波长，Z为透射光栅和聚光透镜之间的距离；

所述的光栏由塑料或金属片钻孔再喷涂黑色油墨制作得到；

所述的光栏具有至少三个孔，该孔位于光栏与光轴交汇的垂直线上；从而可让至少3束光透过光栏；

所述的孔为等间距排列；

所述的聚光透镜为普通玻璃或纤维透镜；

所述的偏振器为人造偏振片或格林棱镜偏振器；

所述的光电探测器为线性阵列光电探测器，优选为至少三单元的光电池组或光电二极管构成，或为CCD线阵探测器、SSPD线阵探测器；

所述的信号采样放大和AD转换电路主要由电源电路、模拟信号放大电路、模数转换电路与单片机电路组成；

所述的样品旋转台还设置角度标尺；

所述的样品旋转台还设有样品夹持装置和用于调节样品位置的三维调节螺母；三维调节螺母能用于样品平台底座水平及样品的垂直调整；

所述的光电探测器旋转平台还设置角度标尺，角度标尺有利于调整光电探测器的位置；

所述的样品旋转台与所述的探测器旋转平台优选通过传动机构耦合连接；

所述的探测器旋转平台的转角始终为所述的样品旋转台的转角二倍，以保证样品的反射光在任何角度都能被光电探测器各单元准确探测，方便及快速测量样品反射光强与入射角的关系；

所述的分光镜为普通镀膜平板分光镜或立方体镀膜分光棱镜，优选透反比为10∶1～20∶1的分光镜；

所述的光电探测器B为单元探测器，优选为硅光电二极管或光电池；

所述的装置在薄膜样品检测中的应用，特别适合用于对集成电路IC和/或功能薄膜器件进行检测。

本发明方法的工作原理为：采用三束或三束以上光束以不同入射角同时投射到薄膜的同一点，经薄膜反射后的光束由线阵列光电探测器接收并测量其光强，计算出不同入射角所对应的薄膜反射率，由多光束干涉原理及菲涅尔公式等对所得到的反射率数据进行反演或拟合，求出待测薄膜厚度、折射率及消光系数等光学参数。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明(包括方法和装置)不但比现有相关技术测量时间短，而且具有较高的空间分辨率。具体而言，即由于光束通过光栅衍射及透镜聚焦，不但使三束光或多束光同时入射样品表面同一位置，测量速度加快，测量时间大大减少，而且入射到样品表面的光斑直径小于20μm，提高了测量薄膜空间分辨率。若配合两维样品微调或扫描装置，容易得到薄膜样品表面形貌(厚度、折射率或消光系数等)的分布图。这对检测大规模集成电路IC及功能薄膜器件的表面特性或质量很有帮助，也是现有相关技术难以达到的。

(2)本发明适用于多层膜及消光膜的测量，特别适用于各向异性膜。

(3)本发明测量过程无损样品表面，速度快。

(4)本发明易于实现薄膜样品的自动测量。

(5)本发明测量精度高，范围大。

(6)本发明所提供的测量装置光路简单，所需元件少，调节方便，成本低。

附图说明

图1是实施例1所提供的装置的示意图。

图2是本发明方法测量原理示意图。

图3是入射光束在薄膜样品上的反射及折射示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(一)装置的构成

一种测量薄膜厚度和折射率的装置，如图1所示：包括包括光源1、透射光栅2、光栏3、聚光透镜4、偏振器5、光电探测器7、样品旋转台8、光电探测器旋转平台9、分光镜10和用于接收被分光镜反射的光束的光电探测器B11、信号采样放大和AD转换电路12、以及计算机13；沿着光前进的方向，光源1、分光镜10、透射光栅2、光栏3、聚光透镜4、偏振器5和样品旋转台8依次排列，样品旋转台8的轴心和光电探测器旋转平台9的轴心重合，光电探测器旋转平台9的直径大于样品旋转台的直径，从而位于光电探测器旋转平台9上的光电探测器7能探测到被位于样品旋转台上的待测薄膜样品6反射出来的光束；位于光电探测器旋转平台9上的光电探测器7(为线性阵列光电探测器)、信号采样放大和AD转换电路12与计算机13依次连接；光电探测器B 11、信号采样放大和AD转换电路12与计算机13依次连接。

光源1为单色光源，可以选择各种小功率连续波激光器，如He-Ne激光器及半导体激光器等。分光镜10可为普通镀膜平板分光镜或立方体镀膜分光棱镜等，其透反比在10∶1～20∶1为宜。透射光栅2为各种振幅型或相位型透射光栅，如全息光栅、刻画光栅或镀膜光栅等，其光栅常数d应满足下式：

$1/d\≤\frac{D}{2\mathrm{\λZ}}$

上式中D为聚光透镜4的直径，λ为激光波长，Z为透射光栅2和聚光透镜4之间的距离。

聚光透镜4为普通玻璃或纤维透镜。偏振器5可选用人造偏振片或格林棱镜偏振器。光栏3由塑料或金属片钻孔再喷涂黑色油墨制作。光电探测器7为线性阵列光电探测器，可为三单元或以上的光电池组或光电二极管构成，也可选用CCD或SSPD线阵探测器。光电探测器11为补偿探测器，是单元探测器，如硅光电二极管、光电池等。样品旋转台8设有薄膜样品夹持装置及三维调节螺母，用于样品平台底座水平及样品的垂直调整，并带有角度标尺，其转角定位精度优于0.1°，角度调节范围：0～360°。光电探测器旋转平台9也带有角度标尺，转动角度范围：0～360°，可以夹持及紧固光电探测器7。样品旋转台8的转轴与光电探测器旋转平台9的转轴同轴，两者可以手动调节角度，也可设计成电控自动旋转方式。这时，样品旋转台8与探测器旋转平台9转动及传动机构耦合连接，使后者的转角始终为前者的二倍，以保证样品的反射光在任何角度都能被光电探测器7各单元准确探测，方便及快速测量样品反射光强与入射角的关系。信号采样放大和AD转换电路12主要由电源电路、模拟信号放大电路、模数转换电路与单片机电路组成，其输出信号连接到计算机13并通过软件进行数据处理。

(二)装置的调整过程

先调节光源1发射的光束通过样品旋转台8的转轴中心并与其垂直，即与样品旋转台8平面平行。放置分光镜10，调节其反射光进入光电探测器B11，再放置透射光栅2和聚光透镜4，调节透射光栅2和聚光透镜4的位置，使通过聚光透镜4的入射光束聚焦于样品旋转台8的转轴中心，即样品旋转台8的转轴中心与光栅2处于共轭位置。接着放入光栏3和偏振器5，再将光电探测器B 11和位于光电探测器旋转平台9上的光电探测器7分别通过信号采样放大和AD转换电路12与计算机连接，得到如图1所示的装置。

(三)装置的使用方法

将待测薄膜样品6置于样品旋转台8的转轴轴心，使其薄膜表面通过样品旋转台8的转轴中心并调整其表面与入射光垂直，即沿光轴入射的光经样品反射后沿原路返回。转动样品旋转台8，选择合适的入射角(如30°～70°之间较好)同时反射三束光。转动并调节光电探测器7的位置，使其各单元分别探测三束反射光的光强。转动光电探测器7位于入射光光轴附近，调整其位置，使其各单元分别探测三束入射光的光强，然后算出三个不同入射角所对应的薄膜样品的反射率。同时测量光电探测器B 11得到的光强，可补偿入射光功率变化对测量结果的影响，提高反射率的测量精确度。光电探测器7和光电探测器B 11将采集到的光信号转化为电信号，分别传输到信号采样放大和AD转换电路12，最后由计算机13分析，得到待测薄膜样品6的光学参数。

(四)原理和数据分析：

本发明测量原理如图2所示：光电探测器7位于光电探测器旋转平台9上，与其一起同步转动。先旋转光电探测器旋转平台9，光电探测器7与入射光共轴，分别测出三束或三束以上入射光的光强，装上样品，调节待测薄膜样品6表面与入射光轴垂直，选择合适的入射角，使三束或三束以上反射光从待测薄膜样品6表面同一点反射出去，转动光电探测器7分别接收三束或三束以上的反射光束，并测量它们的光强，即可得到样品同一点不同入射角的反射率。根据实际样品的数学模型，利用实验数据进行反演或拟合，求出待测薄膜样品的厚度和折射率等参数。

在数据处理过程中，对于不同类型的薄膜样品，其反射率的数学模型或公式是不同的，能测量的未知薄膜参数也不一样。如单层透明膜、单层消光膜、双层透明或消光膜、多层膜、各向异性膜等。以单层透明膜为例，本发明的方法及装置的理论模型分析如下：如图3所示，设n₀、n₁、n₂分别为空气、薄膜、衬底的折射率，d₁为薄膜的厚度。入射光束波长为λ，入射角为θ₀，在薄膜及衬底中的折射角分别为θ₁、θ₂。根据折射定律和菲涅尔反射公式，P分量和S分量总反射系数如下：

$r_p=\frac{r_{01p}+r_{12p}\exp \left({-2\mathrm{i\β}}_1\right)}{1+r_{01p}{r}_{12p}\exp \left({-2\mathrm{i\β}}_1\right)}---\left(1\right)$

$r_s=\frac{r_{01s}+r_{12s}\exp \left({-2\mathrm{i\β}}_1\right)}{1+r_{01s}{r}_{12s}\exp \left({-2\mathrm{i\β}}_1\right)}---\left(2\right)$

其中

${2\mathrm{\β}}_1=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_1{(n_1^2-n_0^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0)}^{1/2}---\left(3\right)$

是相邻反射光束之间的相位差。

P光和S光在第一界面和第二界面处的复振幅反射率分别为

$r_{01p}=\frac{n_1\cos {\mathrm{\θ}}_0-n_0{\cos \mathrm{\θ}}_1}{n_1{\cos \mathrm{\θ}}_0+n_0{\cos \mathrm{\θ}}_1}---\left(4\right)$

$r_{01s}=\frac{n_0\cos {\mathrm{\θ}}_0-n_1{\cos \mathrm{\θ}}_1}{n_0{\cos \mathrm{\θ}}_0+n_1{\cos \mathrm{\θ}}_1}---\left(5\right)$

$r_{12p}=\frac{n_2\cos {\mathrm{\θ}}_1-n_1{\cos \mathrm{\θ}}_2}{n_2{\cos \mathrm{\θ}}_1+n_1{\cos \mathrm{\θ}}_2}---\left(6\right)$

$r_{12s}=\frac{n_1\cos {\mathrm{\θ}}_1-n_2{\cos \mathrm{\θ}}_2}{n_1{\cos \mathrm{\θ}}_1+n_2{\cos \mathrm{\θ}}_2}---\left(7\right)$

总反射率为

R_p＝|r_P|²                                (8)

R_s＝|r_s|²                                (9)

由(1)至(9)式可知，R_s和R_p是θ₀，λ，n₀，n₁，n₂和d₁的函数，若n₀，n₂及λ已知，则R_s、R_p、θ₀与n₁和d₁有关，若实验测量得到多组入射角的反射率，即R_p(θ_0j)或R_s(θ_0j)其中j＝1，2，3……。则可通过实验数值与理论曲线的拟合方法求出薄膜样品的折射率n₁与厚度d₁。以S偏振光为例，说明一种典型拟合方法。由上述公式可得到薄膜厚度为：

$d_1=\frac{\mathrm{\λ}[F_s(n_0,n_1,n_2,{\mathrm{\θ}}_{0i},\mathrm{\λ})\±{\cos }^{-1}{G}_s(n_0,n_1,n_2,{\mathrm{\θ}}_{0i},\mathrm{\λ},R_s)+2\mathrm{m\π}]}{4\mathrm{\π}{(n_1^2-n_0^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{0i})}^{1/2}}---\left(10\right)$

其中m＝1，2，3……为膜序数，i为入射角度序数。如实验得到两个角度的反射率(R_s1，θ₀₁)、(R_s2，θ₀₂)，设定膜序数范围(如m取0、1、2、3、4、5)，把参量(λ，n₀，n₂，m，θ₀₂，R_s2)、(λ，n₀，n₂，m，θ₀₁，R_s1)分别代入等式(10)，联立求解两个方程组。由不同的m值，可求出几组(n₁，d₁)解。在一定角度范围内(如20°～70°范围，间隔20°)再由公式(10)计算出其反射率R_s′(θ_0j)。根据公式

${\mathrm{\χ}}^2=\frac{1}{J^2}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{[R_s^{,}\left({\mathrm{\θ}}_{0j}\right)-R_s\left({\mathrm{\θ}}_{0j}\right)]}^2(j=\mathrm{1,2,3,4})---\left(11\right)$

求x²取最小值的一组解(n₁，d₁)，即为方程的近似解。进一步拓展(n₁，d₁)范围为(n₁-Δn₁～n₁+Δn₁，d₁-Δd₁～d₁+Δd₁)，设定步长(如n₁步进步长：0.001，d₁步进步长：0.01nm)，根据公式(11)采用最小二乘法逼近拟合，可得出精确解(n₁，d₁)。

实验表明：所选择的入射角越多，测量反射率的精确度越高，拟合得到的待测薄膜参数越精确。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量薄膜厚度和折射率的方法，其特征在于包括以下步骤：采用至少三束光束同时以不同入射角投射到薄膜样品表面同一点或位置，反射光束的强度由阵列光电探测器接收，再与入射光束光强比较，计算出各光束的反射率，最后与理论公式拟合得到待测薄膜的厚度和折射率。

2.根据权利要求1所述的测量薄膜厚度和折射率的方法，其特征在于：

所述的理论公式为 $d_1=\frac{\mathrm{\λ}[F_{\mathrm{\δ}}(n_0,n_1,n_2,{\mathrm{\θ}}_{0i},\mathrm{\λ})\±{\cos }^{-1}{G}_{\mathrm{\δ}}(n_0,n_1,n_2,{\mathrm{\θ}}_{0i},\mathrm{\λ},R_{\mathrm{\δ}})+2\mathrm{m\π}]}{4\mathrm{\π}{(n_1^2-n_0^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{0i})}^{1/2}},$ 其中：d₁为薄膜的厚度；λ为入射光束波长；δ为P偏振光或S偏振光；n₀、n₁、n₂分别为空气、薄膜、衬底的折射率；θ_0i为入射角，i为入射角的序数；m为膜序数。

3.实现权利要求1或2所述测量薄膜厚度和折射率的方法的装置，其特征在于：包括光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏振器、样品旋转台、光电探测器旋转平台、信号采样放大和AD转换电路、以及计算机；沿着光轴，光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏振器和样品旋转台依次排列，样品旋转台的轴心和光电探测器旋转平台的轴心重合，光电探测器旋转平台的直径大于样品旋转台的直径；位于光电探测器旋转平台上的光电探测器、信号采样放大和AD转换电路、计算机依次连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的装置还包含分光镜和用于接收被分光镜反射的光束的光电探测器B；分光镜位于光源和透射光栅之间；光电探测器B、信号采样放大和AD转换电路、计算机依次连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述的分光镜为普通镀膜平板分光镜或立方体镀膜分光棱镜；

所述的光电探测器B为单元探测器。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的分光镜为透反比10∶1～20∶1的分光镜；

所述的光电探测器B为硅光电二极管或光电池。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：

所述的光源为单色光源或是激光光源；

所述的透射光栅为全息光栅、刻画光栅或镀膜光栅，光栅常数d满足下式：

D为聚光透镜的直径，λ为激光波长，Z为透射光栅和聚光透镜之间的距离；

所述的光栏由塑料或金属片钻孔再喷涂黑色油墨制作得到；

所述的聚光透镜为普通玻璃或纤维透镜；

所述的偏振器为人造偏振片或格林棱镜偏振器；

所述的光电探测器为线性阵列光电探测器；

所述的信号采样放大和AD转换电路由电源电路、模拟信号放大电路、模数转换电路与单片机电路组成；

所述的样品旋转台还设置角度标尺；

所述的光电探测器旋转平台还设置角度标尺。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述的光源为He-Ne激光器或半导体激光器；

所述的光栏具有至少三个孔，该孔位于光栏与光轴交汇的垂直线上；所述的孔为等间距排列；

所述的光电探测器为至少三单元的光电池组或光电二极管构成，或为CCD线阵探测器、SSPD线阵探测器；

所述的样品旋转台还设有样品夹持装置和用于调节样品位置的三维调节螺母；

所述的样品旋转台与所述的探测器旋转平台通过传动机构耦合连接；

所述的探测器旋转平台的转角始终为所述的样品旋转台的转角二倍。

9.权利要求4～8任一项所述的装置在薄膜样品检测中的应用。

10.根据权利要求9所述的装置在薄膜样品检测中的应用，其特征在于：所述的薄膜样品为集成电路IC和/或功能薄膜器件。