CN113405486A - 基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测系统及方法 - Google Patents

基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测方法及系统，通过彩色相机与黑白相机分别获取薄膜单帧彩色图像以及薄膜白光干涉扫描信号；使用彩色相机薄膜反射成像模型拟合获取薄膜厚度初值；将白光干涉垂直扫描信号序列的归一化傅里叶变换幅值与由白光薄膜干涉模型得到的理论归一化傅里叶幅值进行拟合，得到薄膜厚度值；将薄膜厚度值带入薄膜白光干涉模型得到理论时域信号，与干涉信号进行拟合得到薄膜上表面高度；将上表面高度减去薄膜厚度得到薄膜下表面高度。本发明能够在单次垂直扫描后获取全视场内薄膜的厚度以及上表面高度，进而可以重建薄膜结构的上下表面形貌，具有较好的测量重复性。

Description

基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测系统及方法
技术领域
本发明属于薄膜形貌检测领域，涉及白光垂直扫描干涉技术。尤其是一种基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测系统及方法。
背景技术
在半导体产品的制造工艺中，硅晶圆表面的器件结构层绝大多数都是通过薄膜生长的方式完成的。器件的性能主要取决于薄膜的材料与结构等，因此在薄膜的制备过程中需要精确控制各参数。薄膜制备过程中的实时反馈以及成膜后的性能测试等，都离不开薄膜检测技术。薄膜厚度以及表面形貌是薄膜检测中最为重要的参数及信息。
目前测量薄膜形貌的方法主要有相干峰探测法、全光谱拟合法以及干涉光谱法等方法。相干峰探测法通过分离白光垂直扫描信号中薄膜上下表面的相干峰的距离可以获得薄膜厚度以及表面高度，但相干峰探测算法可测得的最薄厚度受限于光源相干长度；全光谱拟合法对薄膜待测样品与参考样品的反射光谱的对比获得反射率，通过反射率拟合薄膜的厚度，但全光谱拟合法只能获取薄膜厚度而无法获得表面高度信息；干涉光谱法通过干涉光谱信号的相位信息可以获得薄膜厚度以及表面高度信息，但干涉光谱法由于分光元件的限制水平分辨力较低，无法进行全视场测试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以在单次白光垂直扫描信号中获取全视场下薄膜微纳结构的厚度以及表面形貌。
实现本发明目的的技术方案：
一种基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测系统，包括有用于放置样品的载物台，所述载物台上方由下至上沿光路依次设置有干涉物镜、压电陶瓷定位器、第一分光棱镜、第二透镜、第二分光棱镜和彩色/黑白CMOS相机，所述第一分光棱镜的入射光路上由内向外设置有第一透镜和白光宽谱光源，所述第二分光棱镜的出射光路由内向外设置有第三透镜和光谱仪，所述CMOS相机的信号输入输出端、光谱仪的信号输入输出端和压电陶瓷定位器的信号输入输出端分别连接计算机。
一种基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测方法，包括如下步骤：
1)通过光谱仪对系统参数进行标定；
2)通过彩色CMOS相机与黑白CMOS相机分别获取薄膜单帧彩色图像Esample，C以及薄膜白光干涉扫描信号；
3)使用彩色相机薄膜反射成像模型拟合获取薄膜厚度初值；
4)将白光干涉垂直扫描信号序列的归一化傅里叶变换幅值与由白光薄膜干涉模型得到的理论归一化傅里叶幅值进行拟合，得到薄膜准确厚度。
5)将薄膜厚度值带入薄膜白光干涉模型得到理论时域信号与干涉信号进行拟合得到薄膜上表面高度。
6)将上表面高度减去薄膜厚度得到薄膜下表面高度，重建薄膜上下表面形貌。
步骤1)包括：
(1.1)打开白光宽谱光源，在干涉物镜测量端放置裸硅；
(1.2)关闭参考端，在无干涉位置光谱仪采集测量端光强Is0；
(1.3)保持关闭参考端，撤去裸硅，光谱仪采集挡光片的反射光强Ib；
(1.4)打开参考端，光谱仪采集参考端反射光强Ir，彩色相机拍摄参考端单帧彩色图像Er,C(C＝R,G,B表示R、G、B三个通道)；
(1.5)由Is0减去挡光片的反射光强Ib得到测量端裸硅光强Is1，Is1除以裸硅反射率得到测量端光强Is。
(1.6)计算不同波长处的分光比r＝Is/Ir。
步骤2)所述薄膜彩色图像需要在工作距离内而无干涉位置采集，白光干涉扫描从干涉条纹出现位置开始，干涉条纹消失位置结束。根据采样定理扫描步长应小于光源光谱最小波长的四分之一。
步骤3)包括：
(3.1)计算实验三通道反射率：
Figure BDA0003084497400000021
式中：C为R、G、B三个彩色通道，
(3.2)计算理论三通道反射率：
Figure BDA0003084497400000022
式中：FC(λ)为三个通道的光谱响应，RTh(d；λ)为根据菲涅尔反射模型所得的不同厚度下的理论反射率。
(3.3)拟合薄膜初值d0:
Figure BDA0003084497400000023
步骤4)包括：
(4.1)对白光干涉信号去直流分量并补零得到序列I(n)；
(4.2)计算I(n)的傅里叶变换幅值：
QExp(k)＝|FFT{I(n)}|
(4.3)对QExp(k)归一化处理：
Figure BDA0003084497400000024
(4.4)计算随膜厚变化的理论白光干涉信号序列
Figure BDA0003084497400000025
Figure BDA0003084497400000031
式中：Δz为扫描步长。
(4.5)对
Figure BDA0003084497400000032
去直流分量并取归一化傅里叶变换幅值
Figure BDA0003084497400000033
(4.6)以d0作为薄膜初值，由非线性拟合得到薄膜厚度dfilm：
Figure BDA0003084497400000034
步骤5)包括：
(5.1)将薄膜厚度值dfilm带入菲涅尔反射公式中得到薄膜反射率Rfilm(λ)；
(5.2)计算随薄膜上表面高度h变化的理论白光干涉信号序列
Figure BDA0003084497400000035
Figure BDA0003084497400000036
(5.3)由信号互相关操作快速确定薄膜上表面高度h0:
Figure BDA0003084497400000037
(5.4)在区间[h0-Δz，h0+Δz]内，由非线性拟合得到薄膜上表面高度h：
Figure BDA0003084497400000038
本发明的优点和有益效果：
本发明使用彩色相机在无干涉位置获取全视场内薄膜厚度的初值；提出利用归一化傅里叶变换幅值在频域内拟合测量薄膜厚度；提出互相关操作在时域内快速拟合薄膜上表面高度的方法；最终能够在单次垂直扫描后获取全视场内薄膜的厚度以及上表面高度，进而可以重建薄膜结构的上下表面形貌，具有较好的测量重复性。
附图说明
图1是本发明一种基于白光干涉的薄膜形貌检测系统；
图2是本发明的薄膜形貌测量方法流程图；
图3是本发明的系统参数标定流程图；
图4是本发明的薄膜厚度提取流程图；
图5是本发明的薄膜上表面高度的提取流程图。
图中
1：CMOS相机 2：第二透镜
3：第二分光棱镜 4：第一分光棱镜
5：压电陶瓷定位器 6：干涉物镜
7：载物台 8：白光宽谱光源
9：第一透镜 10：第三透镜
11：光谱仪 12：计算机
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测系统及方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测系统，包括有用于放置样品的载物台7，所述载物台7上方由下至上沿光路依次设置有干涉物镜6、压电陶瓷定位器5、第一分光棱镜4、第二分光棱镜3、第二透镜2和彩色/黑白CMOS相机1，所述第一分光棱镜4的入射光路上由内向外设置有第一透镜9和白光宽谱光源8，所述第二分光棱镜3的出射光路由内向外设置有第三透镜10和光谱仪11，所述CMOS相机1的信号输入输出端、光谱仪11的信号输入输出端和压电陶瓷定位器5的信号输入输出端分别连接计算机12。
如图2、图3和图4所示，本发明的基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测方法，包括如下步骤：
1)通过光谱仪对系统参数进行标定，包括：
(1.1)打开白光宽谱光源，在干涉物镜测量端放置裸硅；
(1.2)关闭参考端，在无干涉位置，光谱仪采集测量端光强Is0(λ)；
(1.3)保持关闭参考端，撤去裸硅，光谱仪采集挡光片的反射光强Ib(λ)；
(1.4)打开参考端，光谱仪采集参考端反射光强Ir(λ)，彩色相机拍摄参考端单帧彩色图像Er,C(C＝R,G,B表示R、G、B三个通道)；
(1.5)由Is0(λ)减去挡光片的反射光强Ib(λ)得到测量端裸硅光强Is1，Is1除以裸硅反射率得到测量端光强Is(λ)。
(1.6)计算不同波长处的分光比r(λ)＝Is(λ)/Ir(λ)。
2)通过彩色CMOS相机与黑白CMOS相机分别获取薄膜单帧彩色图像以及薄膜白光干涉扫描信号；所述薄膜彩色图像需要在工作距离内而无干涉位置采集，白光干涉扫描从干涉条纹出现位置开始，干涉条纹消失位置结束。根据采样定理扫描步长应小于光源光谱最小波长的四分之一。
3)使用彩色相机薄膜反射成像模型拟合获取薄膜厚度初值，包括：
(3.1)计算实验三通道反射率：
Figure BDA0003084497400000041
式中：C为R、G、B三个彩色通道，Er,C为彩色相机拍摄参考端单帧彩色图像，Esample,C为彩色相机拍摄参考端单帧彩色图像。
(3.2)计算理论三通道反射率：
Figure BDA0003084497400000042
式中：FC(λ)为三个通道的光谱响应，RTh(d；λ)为根据菲涅尔反射模型所得的不同厚度下的理论反射率，Ir(λ)为参考端反射光强。
(3.3)拟合薄膜厚度初值d0:
Figure BDA0003084497400000051
Figure BDA0003084497400000052
为三通道上理论反射率，
Figure BDA0003084497400000053
为三通道上实验反射率。
4)将白光干涉垂直扫描信号序列的归一化傅里叶变换幅值与由白光薄膜干涉模型得到的理论归一化傅里叶幅值进行拟合，得到薄膜准确厚度，包括：
(4.1)对白光干涉信号去直流分量并补零得到序列I(n)；
(4.2)计算I(n)的傅里叶变换幅值：
QExp(k)＝|FFT{I(n)}|
(4.3)对QExp(k)归一化处理：
Figure BDA0003084497400000054
(4.4)计算随膜厚变化的理论白光干涉信号序列
Figure BDA0003084497400000055
Figure BDA0003084497400000056
式中：Δz为扫描步长，Ir(λ)为参考端反射光强，r(λ)为不同波长处的分光比，RTh(d；λ)为根据菲涅尔反射模型所得的不同厚度下的理论反射率。
(4.5)对
Figure BDA0003084497400000057
去直流分量并取归一化傅里叶变换幅值
Figure BDA0003084497400000058
(4.6)以d0作为薄膜初值，由非线性拟合得到薄膜厚度dfilm：
Figure BDA0003084497400000059
5)将薄膜厚度值带入薄膜白光干涉模型得到理论时域信号与干涉信号进行拟合得到薄膜上表面高度，包括：
(5.1)将薄膜厚度值dfilm带入菲涅尔反射公式中得到薄膜反射率Rfilm(λ)；
(5.2)计算随薄膜上表面高度h变化的理论白光干涉信号序列
Figure BDA00030844974000000510
Figure BDA00030844974000000511
(5.3)由信号互相关操作快速确定薄膜上表面高度h0:
Figure BDA00030844974000000512
(5.4)在区间[h0-Δz，h0+Δz]内，由非线性拟合得到薄膜上表面高度h：
Figure BDA00030844974000000513
6)将上表面高度减去薄膜厚度得到薄膜下表面高度：
hbottom＝htop-dfilm
重建薄膜上下表面形貌。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)通过光谱仪对系统参数进行标定；
2)通过彩色相机与黑白相机分别获取薄膜单帧彩色图像以及薄膜白光干涉扫描信号；
3)使用彩色相机薄膜反射成像模型拟合获取薄膜厚度初值；
4)将白光干涉垂直扫描信号序列的归一化傅里叶变换幅值与由白光薄膜干涉模型得到的理论归一化傅里叶幅值进行拟合，得到薄膜厚度值；
5)将薄膜厚度值带入薄膜白光干涉模型得到理论时域信号，与干涉信号进行拟合得到薄膜上表面高度；
6)将上表面高度减去薄膜厚度得到薄膜下表面高度，重建薄膜上下表面形貌。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述通过光谱仪对系统参数进行标定包括：
(1.1)打开白光宽谱光源，在干涉物镜测量端放置裸硅；
(1.2)关闭参考端，在无干涉位置，光谱仪采集测量端光强Is0；
(1.3)保持关闭参考端，撤去裸硅，光谱仪采集挡光片的反射光强Ib；
(1.4)打开参考端，光谱仪采集参考端反射光强Ir，彩色相机拍摄参考端单帧彩色图像Er，C；
(1.5)由Is0减去挡光片的反射光强Ib得到测量端裸硅光强Is1，Is1除以裸硅反射率得到测量端光强Is；
(1.6)计算不同波长处的分光比r＝Is/Ir。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)薄膜单帧彩色图像需要在工作距离内而无干涉位置采集，薄膜白光干涉扫描信号的采集从干涉条纹出现位置开始，干涉条纹消失位置结束，扫描步长应小于光源光谱最小波长的四分之一。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)彩色相机薄膜反射成像模型是使用干涉分光模型、菲涅尔反射模型以及彩色相机成像模型所结合的，由下式得到薄膜厚度初值d0：
Figure FDA0003084497390000011
式中：
Figure FDA0003084497390000012
为三通道上理论反射率，
Figure FDA0003084497390000013
为三通道上实验反射率，C为R、G、B三个彩色通道。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)薄膜厚度值dfilm由下式得到：
Figure FDA0003084497390000014
式中：
Figure FDA0003084497390000015
为理论归一化幅值，
Figure FDA0003084497390000016
为实验归一化幅值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)理论时域信号与干涉信号进行拟合前先利用信号互相关操作，快速获取薄膜上表面高度初值h0，在区间[h0-Δz，h0+Δz]内，由非线性拟合得到薄膜上表面高度htop：
Figure FDA0003084497390000021
h0＝h1+mp·Δz
Figure FDA0003084497390000022
式中：
Figure FDA0003084497390000023
为随薄膜上表面高度h变化的理论白光干涉信号序列，I(n)为对白光干涉信号去直流分量并补零得到的序列，R(m)为理论信号与实际信号的相关系数，Δz为扫描步长。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6)薄膜下表面高度以下公式得到：
hbottom＝htop-dfilm
式中：hbottom为薄膜下表面高度，htop为薄膜上表面高度，dfilm为薄膜厚度。
8.一种基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测系统，其特征在于：包括有用于放置样品的载物台(7)，所述载物台(7)上方由下至上沿光路依次设置有干涉物镜(6)、压电陶瓷定位器(5)、第一分光棱镜(4)、第二分光棱镜(3)、第二透镜(2)和彩色/黑白CMOS相机(1)，所述第一分光棱镜(4)的入射光路上由内向外设置有第一透镜(9)和白光宽谱光源(8)，所述第二分光棱镜(3)的出射光路由内向外设置有第三透镜(10)和光谱仪(11)，所述彩色/黑白CMOS相机(1)的信号输入输出端、光谱仪(11)的信号输入输出端和压电陶瓷定位器(5)的信号输入输出端分别连接计算机(12)。
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