CN111426275B - 一种薄膜的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种薄膜的测量方法，通过将黑样件放在样品台上，测量反射率谱为0的黑样件反射光强谱；将厚度已知的测量样件放在样品台上进行测量，利用光谱仪获取标准样件的反射光强谱；测量标准样件时对应的黑样光强；找到局部测量区域后关闭照明光源，利用光谱仪获取待测样件的反射光强谱；计算待测样件的实际测量反射率谱；假定待测样件的膜厚序列，通过计算获取相对应的反射率谱序列；通过表达拟合程度，拟合程度最佳时所对应的厚度d为待测样件膜厚。本发明提供的薄膜的测量方法，可实现对样品的局部区域精确测量。

Description

一种薄膜的测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种薄膜的测量方法。

背景技术

伴随着光学薄膜近年来在空间遥感、精密光学等领域的不断深入，以及光学薄膜具备成本低、质量轻且光学性质稳定的特点，能够设计并批量制造出高精度，高性能光学薄膜已成为众多研究机构与光学企业的共同追求。对于在工作波段的光学薄膜来说，其本身厚度是制约薄膜光学性能的一项重要因素，因此在光学薄膜研制过程中，如何能够快速准确测量其实际各膜层的厚度，对于优化膜系结构以及改进制备工艺都产生着极为重要的作用。

随着近年来科学技术的不断发展，各种特殊应用也对光学薄膜提出了各式各样的要求，尺寸上从纳米级到微米级，因为光学薄膜的厚度控制着其本身光学、力学以及电磁性能，所以现在很多领域与应用都要求严格控制材料厚度。现如今在半导体产业中，多数半导体器件与集成电路主体结构都已经由各种不同的薄膜层构成，所以对于任何一个国家来说能够准确掌握光学薄膜的厚度已经成为了一项国家战略性关键技术。

常规的薄膜厚度检测大致分为两种，即非光学测量方法和光学测量方法，非光学测量方法包括石英晶体法、微量天平法、电阻法、电容法、涡流法、超声波法和探针测量法等，在此次不做赘述。而光学方法主要分为光电极值法、椭偏测量法、光谱法等。其中光电极值法只能对整个膜系进行一个整体监控，且其测量精度不够高，对于监控膜系的厚度也有局限性。而椭偏测量法虽然能够表征多个参数，例如膜厚、退偏系数以及吸收系数等，但其测量依赖于椭偏仪，而椭偏仪价格比较昂贵且对测量环境有很高的要求，一般仅用于科研工作中。而光谱法是以光的干涉为理论基础，通过测量薄膜的光谱特性来对膜厚进行计算，该方法原理成熟，硬件实现简单且易集成、使用环境广泛，大多数膜厚测量均采用此方法。

目前常见的光谱反射式膜厚仪是利用光的干涉原理，具体为:当膜厚仪向待测薄膜发射已知的光谱范围内的测量光时，薄膜和空气界面的反射光会与从薄膜和基底界面的反射光相干涉，而此时的干涉发生与薄膜厚度有关，可以通过一系列计算获取待测样品的薄膜厚度。其存在以下问题：一、装置不能针对局部测量，测量误差与准确度不高。二、目前各种膜厚测量方法主要是改善通过反射率逆向求取薄膜厚度过程的时间来降低计算时间，但是目前这种方法处理过程繁琐且准确性不能获取保证。三、一般膜厚测量主过程需要两次测量(测量黑样件与待测样件)，每一次测量过程中需要测量两次样件，并获取三组光强测量值，第一组为环境中的杂散光光强值和光谱仪自身的暗噪声，第二组为标准样件在可见光波长下的反射光强值，第三组为待测样件在可见光波长下的反射光强值。其并没有真正节省测量时间。四、测量时始终采用同一校正结果，然后校正光强是和积分时间有一定的关系，会随时间变化，不考虑这个变化会使得测量结果可靠性降低。

发明内容

本发明实施例针对现有技术中存在的对薄膜厚度测量的精度以及准确度低的技术问题，提供了一种薄膜的测量方法。

本发明实施例解决上述技术问题的技术方案如下：

一种薄膜的测量方法，所述方法基于可实现局部测量的光学显微膜厚仪实现，所述方法包括：

打开测量光源，关闭照明光源，将黑样件放在样品台上，测量反射率谱为0的黑样件反射光强谱，标记为I_b(λ)；

打开测量光源，将厚度已知的测量样件放在样品台上进行测量，利用光谱仪获取标准样件的反射光强谱，标记为I_r(λ)；测量标准样件时对应的黑样光强为I_b-c(λ)，厚度已知的标准样件的反射率为R_r(λ)；

打开测量光源及照明光源，找到局部测量区域后关闭照明光源，利用光谱仪获取待测样件的反射光强谱，标记为I_s(λ)；

根据公式

计算待测样件的实际测量反射率谱；其中，T_s为待测样件测量所对应的积分时间，T_r为标样测量所对应的积分时间；

假定d＝[d₁,d₂,d₃...d_n]为待测样件的膜厚序列，通过计算获取相对应的反射率谱序列；

通过

表达拟合程度，n为波长点数量，R_cale为计算反射率谱，R_meas为测量反射率谱；MSE求得最小值时获取最佳R_cale与R_meas，这时R_cale所对应的厚度d为待测样件膜厚。

其优选方案中，还包括：结合单层薄膜结构模型，采用LM算法拟合计算薄膜结构膜厚值。

其优选方案中，所述结合单层薄膜结构模型，采用LM算法拟合计算薄膜结构膜厚值，包括：

给定薄膜厚度初值d₀，然后求解两反射率拟合偏差ε，满足：

将R_cale对d求导，然后结合泰勒展开，满足：

找到δ_d使得如下关系取最小值，满足：

控制δ_d必须满足如下关系：

其中μ＞0，为阻尼项；当给定μ值后，通过求解该增广法方程即可得到迭代步长，得到下一次迭代厚度值，即：

以及d₁＝δ_d+d₀；

通过利用LM算法将计算反射率谱与模拟测量反射率谱进行反演拟合，从而得到最佳拟合状态下对应的膜厚值。

其优选方案中，还包括：通过仿真验证所建立数据处理方法的正确性。

其优选方案中，所述通过仿真验证所建立数据处理方法的正确性，包括：

给定膜厚值，利用薄膜传输矩阵得到相应计算反射率谱；

在计算反射率谱上，附加给定信噪比的随机噪声，得到模拟测量反射率谱；

利用LM算法，将计算反射率谱与模拟测量反射率谱进行反演拟合，求得模拟样件的膜厚值。

其优选方案中，在仿真过程中，确定信噪比为27dB，功率比为500:1。

本发明实施例提供的薄膜的测量方法至少具备以下有益效果或优点：

本发明实施例提供的薄膜的测量方法，通过将黑样件放在样品台上，测量反射率谱为0的黑样件反射光强谱；将厚度已知的测量样件放在样品台上进行测量，利用光谱仪获取标准样件的反射光强谱；测量标准样件时对应的黑样光强；找到局部测量区域后关闭照明光源，利用光谱仪获取待测样件的反射光强谱；计算待测样件的实际测量反射率谱；假定待测样件的膜厚序列，通过计算获取相对应的反射率谱序列；通过表达拟合程度，拟合程度最佳时所对应的厚度d为待测样件膜厚。本发明提供的薄膜的测量方法，可实现对样品的局部区域精确测量。

进一步，本发明实施例提供的薄膜的测量方法，在仪器中采用LM算法，LM算法的实质是综合最速下降法与高斯牛顿法而建立的，当迭代膜厚值远离正确膜厚值时，LM算法表现为最速下降法，以较快的速度收敛于正确膜厚值；当迭代膜厚值接近于正确膜厚值，LM算法表现为高斯牛顿法，从而收敛于正确膜厚值，能够高效求解薄膜厚度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的可实现局部测量的光学显微膜厚仪结构示意图；

图2为本发明实施例提供的可实现局部测量的光学显微膜厚仪局部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的反射率随膜厚及波长的变化关系；

图4为本发明实施例提供的数据拟合优化效果图(50nm)；

图5为本发明实施例提供的数据拟合优化效果图(1000nm)；

图6为本发明实施例提供的模拟反射率谱与拟合反射率谱的拟合效果。

具体实施方式

本发明针对现有技术中存在的本发明实施例针对现有技术中存在的对薄膜厚度测量的精度以及准确度低的技术问题，提供了一种薄膜的测量方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种薄膜的测量方法，该方法基于可实现局部测量的光学显微膜厚仪实现，本实施例首先对可实现局部测量的光学显微膜厚仪的结构进行介绍：

参见图1及图2，本发明实施例提供的可实现局部测量的光学显微膜厚仪，包括：机架组件及光路组件；光路组件固定在机架组件上。光路组件包括：图像传感器1、第一连接件、第一管镜2、测量光源3、同轴照明器4、第二连接件、分光镜5、第三连接件、第二管镜12、光纤17、光谱仪15、物镜转换器6及物镜7。图像传感器1通过第一连接件固定在第一管镜2的一端，第一管镜2的另一端固定在同轴照明器4上。测量光源3与同轴照明器4连接。同轴照明器4通过第二连接件与分光镜5的一端连接，分光镜5另一端通过第三连接件与物镜转换器6；物镜7与物镜转换器6连接。光谱仪15通过光纤17与第二管镜12的一端连接，第二管镜12的另一端与分光镜5连接；同轴照明器4与机架组件固定连接；样品放置在机架组件上。本实施例中，图像传感器1为工业照相机。物镜7的放大倍数为50倍；第一管镜2及第二管镜12的焦距为200mm。光纤17的芯径为200-500μm。光纤17提供照明光源，光束通过第二管镜12准直，通过分光镜5反射将光束打到物镜7上，最后物镜7将照明光束打到样品上，经过样品的光沿着原光路经过物镜7、分光镜5、同轴照明器4与管镜后被图像传感器1收集。测量光源3通过同轴照明器4变成平行光形成照明光束，同轴照明器4提供测量光源，该测量光源经过分光镜5，然后光束打到物镜7后，聚焦到样品上，经过样品后的光沿着原光路返回，经过物镜7，到达分光镜5，然后光束被分光镜5反射到第二管镜12，光束经过第二管镜12准直后被光纤7接受。

参见图1及图2，该可实现局部测量的光学显微膜厚仪还包括：光纤俯仰调节机构16。第二管镜12通过光纤俯仰调节机构16与分光镜5连接；因为光纤17孔径的大小就是我们测量区域的大小，光纤俯仰调节机构16用于在测量调节光纤17孔径照明区域；此外，因为光谱仪15是通过光纤孔来收集待测样品光强，但是如果光纤孔径和收集得到的光束不是平行的，而是有一定的倾斜角，这样会影响光强的收集，进而影响测量精度，所以通过调节光纤俯仰调节机构16来改变光纤17的俯仰角度，进而保证光纤孔径可以收集得到最大光强和。具体的，参见图2，光纤俯仰调节机构16包括：光纤调节顶板162、光纤调节底板161、调节弹簧及调节螺栓。光纤调节顶板162和光纤调节底板161竖直设置；光纤调节底板161的一侧与分光镜5固定连接，光纤调节顶板162设置在光纤调节底板161外侧。调节螺栓设置在光纤调节顶板162外侧，调节螺栓螺纹端穿过光纤调节顶板162及光纤调节底板161；光纤调节顶板162外侧上下左右四个方位分别设置有调节螺栓。调节弹簧设置在光纤调节顶板162与光纤调节底板161之间，调节弹簧的一端与光纤调节顶板162的内侧相接，调节弹簧的另一端与光纤调节底板161的内侧相接。通过对调节螺栓的松紧可以实现对光纤俯仰角度进行调节。

参见图1，机架组件包括：机架底座14、机架竖板10、机架横梁11、三轴运动机构9、样品台8、吸附结构、气泵及加强筋13。机架竖板10的下端与机架底座14的上端固定连接；机架横梁11设置在机架底座14上方，机架横梁11的一端与机架竖板10固定连接。三轴运动机构9固定在机架底座14上，样品台8固定在三轴运动机构9上；三轴运动机构9可实现X轴、Y轴及Z轴方向的调节。吸附结构与样品台8上开设的吸附孔连接；吸附结构与气泵连接，吸附结构与气泵之间的管路上设置有开关阀，吸附结构用于将样品吸附紧固在样品台8上。加强筋13分别与机架底座14及机架竖板10固定连接，加强筋13用于增加机架组件的机械强度。

本发明实施例提供了一种薄膜的测量方法包括如下步骤：

步骤S10、打开测量光源，关闭照明光源，将黑样件放在样品台上，测量反射率谱为0的黑样件反射光强谱，标记为I_b(λ)。

步骤S20、打开测量光源，将厚度已知的测量样件放在样品台上进行测量，利用光谱仪获取标准样件的反射光强谱，标记为I_r(λ)；测量标准样件时对应的黑样光强为I_b-c(λ)，厚度已知的标准样件的反射率为R_r(λ)。

步骤S30、打开测量光源及照明光源，找到局部测量区域后关闭照明光源，利用光谱仪获取待测样件的反射光强谱，标记为I_s(λ)。

步骤S40、根据公式

计算待测样件的实际测量反射率谱；其中，T_s为待测样件测量所对应的积分时间，T_r为标样测量所对应的积分时间。

步骤S50、假定d＝[d₁,d₂,d₃...d_n]为待测样件的膜厚序列，通过计算获取相对应的反射率谱序列。

步骤S60、通过

表达拟合程度，n为波长点数量，R_cale为计算反射率谱，R_meas为测量反射率谱；MSE求得最小值时获取最佳R_cale与R_meas，这时R_cale所对应的厚度d为待测样件膜厚。MSE最小时获取最佳的R_cale，R_meas是一个测量值，它是一个固定值。

本发明实施例提供的优选方案中，为提高计算速率，得到全局最优解，还包括：

步骤S70、结合单层薄膜结构模型，采用LM算法拟合计算薄膜结构膜厚值，快速求得模拟样件的膜厚值，保证测量准确性，避免得到局部最优解而不是全局最优解。

具体的，步骤S70，包括：

步骤S701、给定薄膜厚度初值d₀，然后求解两反射率拟合偏差ε，满足：

其中，在测量薄膜时，会事先给定一个真实膜厚值的大致范围。在这个范围中随机取一个膜厚值d0进行开始迭代。因为给定了范围，在这个范围内随机取一个膜厚值会节省很多计算时间，并且会大大提高膜厚计算值的准确性。两个反射率分别是指实际测量得到的发射率以及上述取得膜厚值d0所对应的反射率，两者的反射率越小，说明两者越接近，该d0也就越接近真实膜厚值。

步骤S702、将R_cale对d求导，然后结合泰勒展开，满足：

步骤S703、找到δ_d使得如下关系取最小值，满足：

步骤S704、控制δ_d必须满足如下关系：

其中μ＞0，为阻尼项；当给定μ值后，通过求解该增广法方程即可得到迭代步长，得到下一次迭代厚度值，即：

以及d₁＝δ_d+d₀；

通过利用LM算法将计算反射率谱与模拟测量反射率谱进行反演拟合，从而得到最佳拟合状态下对应的膜厚值。

本发明实施例提供的优选方案中，为验证数据结果，还包括：

步骤S80、通过仿真验证所建立数据处理方法的正确性。

其中，步骤S80包括：

步骤S801、给定膜厚值，利用薄膜传输矩阵得到相应计算反射率谱。

步骤S802、在计算反射率谱上，附加给定信噪比的随机噪声，得到模拟测量反射率谱。

步骤S803、利用LM算法，将计算反射率谱与模拟测量反射率谱进行反演拟合，求得模拟样件的膜厚值。

在上述仿真过程中，确定信噪比为27dB，功率比为500:1。

本发明实施例中，反射率随膜厚及波长的变化关系如图3所示，50nm厚度的样品数据拟合优化效果如图4所示，100nm厚度的样品数据拟合优化效果如图5所示，模拟反射率谱与拟合反射率谱的拟合效如图6所示。本发明实施例提供的薄膜的测量方法在不同仪器中的测量精度参见表1：

表1

最终将该测量系统应用在显微膜厚仪中，利用该膜厚仪与ME-L椭偏仪(测量精度高于膜厚仪)对相同样品进行测量，通过比对两者的测量结果，观察该测量系统的测量绝对精度与重复性精度。根据显微膜厚仪与ME-L椭偏仪的测量数据，发现该测量方系统得到的测量结果比较准确，测量偏差值小于1nm，重复精度控制在了0.02nm以内，尽管在测量B样品时的其整体偏差值达到了0.3％，但对于样品A显微膜厚仪的测量整体偏差值在0.8％，具有很好的重复性精度。

本发明实施例提供的薄膜的测量方法至少具备以下有益效果或优点：

本发明实施例提供的薄膜的测量方法，通过将黑样件放在样品台上，测量反射率谱为0的黑样件反射光强谱；将厚度已知的测量样件放在样品台上进行测量，利用光谱仪获取标准样件的反射光强谱；测量标准样件时对应的黑样光强；找到局部测量区域后关闭照明光源，利用光谱仪获取待测样件的反射光强谱；计算待测样件的实际测量反射率谱；假定待测样件的膜厚序列，通过计算获取相对应的反射率谱序列；通过表达拟合程度，拟合程度最佳时所对应的厚度d为待测样件膜厚。本发明提供的薄膜的测量方法，可实现对样品的局部区域精确测量。

本发明实施例提供的薄膜的测量方法，在仪器中采用LM算法，LM算法的实质是综合最速下降法与高斯牛顿法而建立的，当迭代膜厚值远离正确膜厚值时，LM算法表现为最速下降法，以较快的速度收敛于正确膜厚值；当迭代膜厚值接近于正确膜厚值，LM算法表现为高斯牛顿法，从而收敛于正确膜厚值，能够高效求解薄膜厚度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种薄膜的测量方法，所述方法基于可实现局部测量的光学显微膜厚仪实现，其特征在于，所述方法包括：

打开测量光源，关闭照明光源，将黑样件放在样品台上，测量反射率谱为0的黑样件反射光强谱，标记为I_b(λ)；

打开测量光源，将厚度已知的测量样件放在样品台上进行测量，利用光谱仪获取标准样件的反射光强谱，标记为I_r(λ)；测量标准样件时对应的黑样光强为I_b-c(λ)，厚度已知的标准样件的反射率为R_r(λ)；

打开测量光源及照明光源，找到局部测量区域后关闭照明光源，利用光谱仪获取待测样件的反射光强谱，标记为I_s(λ)；

根据公式

计算待测样件的实际测量反射率谱；其中，T_s为待测样件测量所对应的积分时间，T_r为标样测量所对应的积分时间；

假定d＝[d₁,d₂,d₃...d_n]为待测样件的膜厚序列，通过计算获取相对应的反射率谱序列；

通过

表达拟合程度，n为波长点数量，R_cale为计算反射率谱，R_meas为测量反射率谱；MSE求得最小值时获取最佳R_cale与R_meas，这时R_cale所对应的厚度d为待测样件膜厚。

2.根据权利要求1所述的薄膜的测量方法，其特征在于，还包括：结合单层薄膜结构模型，采用LM算法拟合计算薄膜结构膜厚值。

3.根据权利要求2所述的薄膜的测量方法，其特征在于，所述结合单层薄膜结构模型，采用LM算法拟合计算薄膜结构膜厚值，包括：

给定薄膜厚度初值d₀，然后求解两反射率拟合偏差ε，满足：

将R_cale对d求导，然后结合泰勒展开，满足：

找到δ_d使得如下关系取最小值，满足：

控制δ_d必须满足如下关系：

其中μ＞0，为阻尼项；当给定μ值后，通过求解增广法方程即可得到迭代步长，得到下一次迭代厚度值，即：

以及d₁＝δ_d+d₀；

通过利用LM算法将计算反射率谱与模拟测量反射率谱进行反演拟合，从而得到最佳拟合状态下对应的膜厚值。

4.根据权利要求3所述的薄膜的测量方法，其特征在于，还包括：通过仿真验证所建立数据处理方法的正确性。

5.根据权利要求4所述的薄膜的测量方法，其特征在于，所述通过仿真验证所建立数据处理方法的正确性，包括：

给定膜厚值，利用薄膜传输矩阵得到相应计算反射率谱；

在计算反射率谱上，附加给定信噪比的随机噪声，得到模拟测量反射率谱；

利用LM算法，将计算反射率谱与模拟测量反射率谱进行反演拟合，求得模拟样件的膜厚值。

6.根据权利要求5所述的薄膜的测量方法，其特征在于，在仿真过程中，确定信噪比为27dB，功率比为500:1。

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