CN114754705B - 垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量系统和方法，垂直扫描白光干涉模块既可以辅助穆勒矩阵椭偏仪高精度调平，又可以实现衬底表面粗糙度的纳米级测量。穆勒矩阵椭偏测量模块实现衬底光学特性高精度、快速测量；数据处理模块包括表面形貌参数提取单元和光学特性参数提取单元；表面形貌参数提取单元包括所属垂直扫描白光干涉模块所采集的单帧图像和层析图像；基于单帧图像对样品台进行高精度调平，以保证椭偏测量数据精度，基于层析图像对表面形貌进行恢复和参数提取，提供对应测量点椭偏光学模型中粗糙层的初值，为椭偏参数解耦提供基础。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏高精度测量系统和方法。
背景技术
在属于5G、AI、大数据的时代下，以及消费端需求及技术进步的双重驱动下，更多的应用趋势正在推动半导体行业的进一步发展。随着半导体技术的发展，以SiC、GaN、金刚石为代表的第三代半导体材料，相比于第一、二代半导体，其具有更优异的光、机、电、热等特性，是成为新一代的半导体器件的关键材料。因其具有宽禁带、高击穿场强、高热导率、高电子饱和漂移速度，抗辐射能力强和良好化学稳定性等特性，非常适用于研制高频、大功率微波毫米波器件及电路，在5G通讯、航天、国防等领域具有极高的应用价值，在国际上引起了广泛关注。
衬底材料作为半导体器件的核心基材，其表面质量和光学特性直接影响后段外延加工和芯片的良率及最终器件的性能。特别是在电子级衬底，器件对其表面质量提出超光滑、无损伤的超高表面质量需求。表面粗糙度是衡量衬底表面质量以及加工质量的关键参数之一。在实际加工中难免产生损伤，残留的损伤层会和粗糙度一起影响衬底的性能，同时还会影响外延的性能和质量乃至器件使用的稳定性。因此，对衬底表面粗糙度和光学特性的测量十分重要。
目前在高精度光学特性检测应用较多的是光谱椭偏仪，其拟合分析需要先验知识来建立准确的正向光学模型，并结合振子模型拟合光谱曲线来得到光学特性参数。椭偏模型中粗糙度层的建立是符合实际物理意义，且会对衬底光学特性参数的结果产生一定影响的，特别是对于超薄膜的影响，如亚表面损伤层可能与粗糙度是同等量级，均为几个纳米。所以，粗糙度的准确表征可以提高光学特性参数求解的准确性以及精度。且光谱椭偏仪对样品进行测量时，为了保证测量结果的准确性，需要对样品的方位进行校准和调节，使得其位置关系满足两个条件：(1)样品表面经过起偏臂光轴和检偏臂光轴的交点；(2)样品表面垂直于起偏臂光轴和检偏臂光轴形成的入射面。当这两个基本条件无法满足时，测量结果就会产生严重的偏差。对于第一个位置(第一条件)关系目前可以很好保证，但是，对于第二个位置关系(第二条件)---样品台的调节，大多采用十字光斑调节法。目前对于提高光学常数求解的准确性多以优化算法来解决，如专利CN110118754A一种超薄膜光学常数快速测量方法，通过对幅值反射系数比进行二阶泰勒展开近似，并通过对近似公式进行计算求解实现对超薄膜光学常数的快速测量，具有测量快速、测量准确等优点，适用于任意超薄膜的光学常数的快速测量表征。该方法无需对材料的电子跃迁情况有深入了解，也无需在求解过程中对光学常数的初值进行估计。但是其在光学模型建立以及参数拟合时并未探讨粗糙度层的影响。或者在拟合分析中，使用AFM的测试结果将粗糙度层进行固定，但是很难保证在切换不同仪器测量时，两次测量的区域相同，分析结果不具有一致性，势必会引入较大的误差。
发明内容
本发明提供了垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量系统和方法，其克服了背景技术中所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量系统，包括垂直扫描白光干涉模块、穆勒矩阵椭偏测量模块和数据处理模块；
所述垂直扫描白光干涉模块包括第一光源、分束镜、干涉物镜和相机，所述第一光源发出的光依序经分束镜和干涉物镜到达样品之衬底表面，经衬底表面反射后依序经干涉物镜和分束镜到达相机；
所述穆勒矩阵椭偏测量模块包括第二光源、起偏器、第一旋转补偿器、检偏器、第二旋转补偿器和探测器，所述第二光源发出的光依序经起偏器和第一旋转补偿器后入射至衬底表面，经衬底表面反射后再依序经检偏器和第二旋转补偿器到达探测器；
所述数据处理模块包括表面粗糙度参数提取单元和光学特性参数提取单元；所述表面粗糙度参数提取单元连接相机且依据相机采集的干涉图像获得衬底表面粗糙度参数Sa、Sq；所述光学特性参数提取单元连接表面粗糙度参数提取单元以获取粗糙度参数Sa、Sq，所述光学特性参数提取单元连接探测器以测量光谱信息，所述光学特性参数提取单元以表面粗糙度参数Sa、Sq为基准，根据衬底材料特性及提取粗糙度参数建立衬底的光学模型和振子模型，并结合测量光谱信息进行拟合分析，得到衬底光学特性参数平。
一实施例之中：所述第一光源发出的光线垂直衬底表面，所述第二光源发出的光线斜入射至衬底表面；所述光学特性参数包括折射率和消光系数。
一实施例之中：所述垂直扫描白光干涉模块还包括驱动机构，所述驱动机构连接干涉物镜以控制干涉物镜沿垂直衬底表面方向移动。
一实施例之中：所述驱动机构包括压电陶瓷；所述第一光源为白光光源，所述第二光源为氘灯或钨灯。
一实施例之中：所述垂直扫描白光干涉模块的第一光源发出的光线、穆勒矩阵椭偏测量模块的第二光源发出的光线照射在衬底表面的光斑重合。
一实施例之中：还包括能相对俯仰调节的样品台，所述样品安装在样品台之上，该垂直扫描白光干涉模块既利用该相机的干涉条纹实现样品台高精度调平，又实现表面粗糙度的同位测量。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量方法，包括：
(1)选择样品之表面测量区域，垂直扫描白光干涉模块的第一光源发出的光经分束镜和干涉物镜垂直照射在表面，经表面反射后依序经干涉物镜和分束镜到达相机，相机采集获得表面干涉图像；
(2)依据表面单张干涉条纹图像表面干涉条纹状态，调节样品台俯仰，直至干涉条纹清晰、均匀和明亮，则认为样品台调平，表面与干涉物镜入射面垂直；
(3)样品位置不动，切换至穆勒矩阵椭偏测量模块，第二光源发出的光线经起偏器和第一旋转补偿器后入射至表面，经表面反射后再依序经检偏器和第二旋转补偿器到达探测器，探测器采集表面光谱信息，其中：所述垂直扫描白光干涉模块的第一光源发出的光线、穆勒矩阵椭偏测量模块的第二光源发出的光线照射在样品表面的光斑重合；
(4)根据采集的表面干涉序列图像，提取表面粗糙度参数Sa或Sq；
(5)根据材料特性及提取粗糙度参数Sa或Sq建立样品的光学模型和振子模型，并结合探测器测量的光谱信息进行拟合分析，得到样品光学特性参数。
一实施例之中：当所述样品为透明无吸收衬底，模型为Cauchy模型，其计算公式为：
当所述样品为有吸收衬底，模型为Lorentz振子，其计算公式为：
一实施例之中：所述步骤(1)包括：
(11)选择待测样品表面的测量区域，垂直扫描白光干涉模块的第一光源发出的光经分束镜和干涉物镜垂直照射在表面，经表面反射后依序经干涉物镜和分束镜到达相机，第二光源以设定角度斜入射到待测样品表面；
(12)确保斜入射角度不变，驱动干涉物镜移动以调焦，直至相机显示的待测样品表面开始出现干涉条纹；
(13)驱动干涉物镜移动，直至探测器的光强信号值达到最大，此时接近最终焦平面，相机采集获得表面干涉图像。
一实施例之中：所述样品为衬底晶片或薄膜。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
通过垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏高精度测量系统，实现衬底光学特性的高精度测量。利用垂直扫描白光干涉单帧图谱可实现样品台的高精度调平，保证椭偏测量的准确性。通过垂直扫描白光干涉层析图谱可提供表面粗糙度参数为相同测量点下椭偏模型中的粗糙层提供更为精准的初值，实现衬底光学特性参数的精确求解。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏高精度测量系统示意图；
图2为本发明垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏高精度测量系统结构示意图；
图3为本发明垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏高精度测量系统的测量区域示意图；
图4为本发明样品台调平系统调平后干涉图像示意图。
图中标号说明：1-垂直扫描白光干涉模块；2-穆勒矩阵椭偏测量模块；3-数据处理模块；11-第一光源；12-分束镜；13-干涉物镜；14-样品；15-CCD相机；16-压电陶瓷；21-第二光源；22-起偏器；23-第一旋转补偿器；24-检偏器；25-第二旋转补偿器；26-探测器。
具体实施方式
垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏高精度测量系统，请查阅图1和图2，包括样品台、垂直扫描白光干涉模块1、穆勒矩阵椭偏测量模块2和数据处理模块3，所述样品14安装在样品台之上，且样品台能相对俯仰调节，如样品台通过水平枢轴连接在机架上以能进行摆动调节，或，通过万向关节连接在机架上以能进行万向摆动调节，以实现俯仰调节。
请查阅图1和图2，所述垂直扫描白光干涉模块1包括第一光源11、分束镜12、干涉物镜13、CCD相机15和压电陶瓷16，所述第一光源11如为白光光源。所述第一光源11发出的光，经过分束镜12、干涉物镜13到达样品14表面，由样品14表面反射后再经过分束镜12、干涉物镜13、最后达到CCD相机15，所述压电陶瓷16连接干涉物镜13以带动干涉物镜13移动，所述移动方向垂直样品14表面，且本具体实施方式中为上下方向。具体结构中，还包括散光透镜和聚焦透镜，所述第一光源11发出的光经散光透镜后平行射入分束镜12，经样品14表面反射后的光经过分束镜12、干涉物镜13后再经聚焦透镜聚焦后达到CCD相机15，而且，所述CCD相机15、聚焦透镜、分束镜12、干涉物镜13和样品14正向上下布置，所述第一光源11、散光透镜和分束镜12正向水平布置，粗糙度测量效果佳。
请查阅图1和图2，所述穆勒矩阵椭偏测量模块2包括第二光源21、起偏器22、第一旋转补偿器23、检偏器24、第二旋转补偿器25和探测器26，所述第二光源21可根据测量光谱范围的需求选择氘灯或钨灯，所述第二光源21的光斜入射。所述第二光源21、起偏器22、第一旋转补偿器23位于样品14一侧，所述检偏器24、第二旋转补偿器25和探测器26位于样品另一侧，所述第二光源21发出的光，经过起偏器22、第一旋转补偿器23后入射至样品14表面，由样品14表面反射的光经过检偏器24、第二旋转补偿器25，最后到达探测器26，位于样品14两侧的光方向轴向对称且光方向倾斜布置。
所述穆勒矩阵椭偏测量模块2中设定的斜入射角度与所述表面垂直扫描白光干涉模块1的光源光斑的大小相关，请查阅图1和图2，通过第二光源21设定的斜入射角度的调节以使所述垂直扫描白光干涉模块1的第一光源11发出的光线、穆勒矩阵椭偏测量模块2的第二光源21发出的光线照射在样品14表面的光斑重合，即，位置相同和测量区域大小相同，如图3所示，测量区域大小为同一测量点。
所述数据处理模块3包括表面粗糙度参数提取单元(表面形貌参数提取单元)和光学特性参数提取单元；表面形貌参数提取单元包括所属垂直扫描白光干涉模块所采集的单帧图像和层析图像；利用单帧图像对样品台进行调平，以保证穆勒矩阵椭偏测量的测量数据精度，利用层析图像对表面形貌进行恢复和参数提取，并为椭偏光学模型提供初值(Sq或Sa)。所述表面粗糙度参数提取单元用于对所述表面垂直扫描白光干涉模块采集的干涉图像进行图像处理以提取表面粗糙度参数Sq(根均方高度)或Sa(算术平均高度)；所述光学特性参数提取单元以所述表面粗糙度参数Sq或Sa为基准，对所述穆勒矩阵椭偏测量模块采集到的光谱信息进行分析，结合样品14之衬底晶片材料特性和建立的光学模型，与光谱数据进行拟合，分析得到样品14之衬底晶片的光学特性参数，所述光学特性参数包含折射率和消光系数等。根据材料特性，该粗糙层模型不仅局限于Sa等参数，还可根据需要对占空比等进行调整。
垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏高精度测量方法，包括：
(1)选择样品14之衬底晶片衬底表面测量区域，垂直扫描白光干涉模块1的第一光源11发出的光经分束镜12和干涉物镜13垂直照射在衬底表面，经衬底表面反射后依序经干涉物镜13和分束镜12到达相机15，相机采集获得衬底表面干涉图像，如图4所示；
(2)依据衬底表面单张干涉条纹图像表面干涉条纹状态，调节样品台俯仰，直至干涉条纹清晰、均匀和明亮，则认为样品台调平，认为样品14表面2与干涉物镜13入射面垂直，样品14表面水平布置；所述垂直扫描白光干涉模块1的单帧干涉图像可用于样品台调平，且在实际测量中可依此直接快速判断是否调平，无需等待算法计算，快速、准确；
(3)样品14位置不动，切换至穆勒矩阵椭偏测量模块2，第二光源21发出的光线经起偏器22和第一旋转补偿器23后入射至衬底表面，经衬底表面反射后再依序经检偏器24和第二旋转补偿器25到达探测器26，探测器26采集衬底表面光谱信息，其中：所述垂直扫描白光干涉模块1的第一光源11发出的光线、穆勒矩阵椭偏测量模块2的第二光源21发出的光线照射在样品14表面的光斑重合，以实现实现高精度测量；
(4)根据采集的表面干涉序列图像(层析图像)，提取衬底表面粗糙度参数Sq或Sa，并作为光学特性测量的基础；
(5)根据衬底材料特性及提取粗糙度参数Sq或Sa建立衬底的光学模型和振子模型，并结合测量光谱信息进行拟合分析，得到衬底光学特性参数，所述光学特性参数包含折射率和消光系数等。
所述衬底模型的被测样品不局限于衬底，也适用于薄膜等固体样品，根据样品的材料特性，选择相应的模型。
所述的振子模型可根据材料特性选择，若衬底为透明无吸收，则选择Cauchy模型，其计算公式为：
若衬底为有吸收，则可选择Lorentz振子，其计算公式为：
进一步，根据需要步骤(1)可包括：(11)选择待测样品14表面的测量区域，垂直扫描白光干涉模块1的第一光源11发出的光经分束镜12和干涉物镜13垂直照射在衬底表面，经衬底表面反射后依序经干涉物镜13和分束镜12到达相机15，第二光源12以设定角度斜入射到待测样品14表面；(12)确保斜入射角度不变，采用压电陶瓷驱动进行调焦，直至相机15显示的待测样品表面12开始出现干涉条纹；(13)调整压电陶瓷上下位移，直至探测器16的光强信号值达到最大，此时接近最终焦平面，相机14采集获得衬底表面干涉图像，如图4所示，以实现高精度测量。
上述的垂直扫描白光干涉模块既可以辅助穆勒矩阵椭偏椭偏仪高精度调平，又可以实现衬底表面粗糙度的纳米级测量。穆勒矩阵椭偏测量模块实现衬底光学特性高精度、快速测量；数据处理模块包括表面形貌参数提取单元和光学特性参数提取单元；表面形貌参数提取单元包括所属垂直扫描白光干涉模块所采集的单帧图像和层析图像；基于单帧图像对样品台进行高精度调平，以保证椭偏测量数据精度，基于层析图像对表面形貌进行恢复和参数提取，提供对应测量点椭偏光学模型中粗糙层的初值，为椭偏参数解耦提供基础。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (9)
1.垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量系统，其特征在于：包括垂直扫描白光干涉模块、穆勒矩阵椭偏测量模块和数据处理模块；
所述垂直扫描白光干涉模块包括第一光源、分束镜、干涉物镜和相机，所述第一光源发出的光依序经分束镜和干涉物镜到达样品之衬底表面，所述第一光源发出的光线垂直衬底表面，经衬底表面反射后依序经干涉物镜和分束镜到达相机；
所述穆勒矩阵椭偏测量模块包括第二光源、起偏器、第一旋转补偿器、检偏器、第二旋转补偿器和探测器，所述第二光源发出的光依序经起偏器和第一旋转补偿器后入射至衬底表面，所述第二光源发出的光线斜入射至衬底表面，经衬底表面反射后再依序经检偏器和第二旋转补偿器到达探测器；
所述数据处理模块包括表面粗糙度参数提取单元和光学特性参数提取单元；所述表面粗糙度参数提取单元连接相机且依据相机采集的干涉图像获得衬底表面粗糙度参数Sa、Sq，所述Sq为根均方高度，所述Sa为算术平均高度；所述光学特性参数提取单元连接表面粗糙度参数提取单元以获取粗糙度参数Sa、Sq，所述光学特性参数提取单元连接探测器以测量光谱信息，所述光学特性参数提取单元以表面粗糙度参数Sa、Sq为基准，根据衬底材料特性及提取粗糙度参数建立衬底的光学模型和振子模型，并结合测量光谱信息进行拟合分析，得到衬底光学特性参数，所述光学特性参数包括折射率和消光系数。
2.根据权利要求1所述的垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量系统，其特征在于：所述垂直扫描白光干涉模块还包括驱动机构，所述驱动机构连接干涉物镜以控制干涉物镜沿垂直衬底表面方向移动。
3.根据权利要求2所述的垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量系统，其特征在于：所述驱动机构包括压电陶瓷；所述第一光源为白光光源，所述第二光源为氘灯或钨灯。
4.根据权利要求1所述的垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量系统，其特征在于：所述垂直扫描白光干涉模块的第一光源发出的光线、穆勒矩阵椭偏测量模块的第二光源发出的光线照射在衬底表面的光斑重合。
5.根据权利要求1所述的垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量系统，其特征在于：还包括能相对俯仰调节的样品台，所述样品安装在样品台之上，该垂直扫描白光干涉模块既利用该相机的干涉条纹实现样品台高精度调平，又实现表面粗糙度的同位测量。
6.垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量方法，其特征在于：包括：
（1）选择样品之表面测量区域，垂直扫描白光干涉模块的第一光源发出的光经分束镜和干涉物镜垂直照射在表面，所述第一光源发出的光线垂直衬底表面，经表面反射后依序经干涉物镜和分束镜到达相机，相机采集获得表面干涉图像；
（2）依据表面单张干涉条纹图像表面干涉条纹状态，调节样品台俯仰，直至干涉条纹清晰、均匀和明亮，则认为样品台调平，表面与干涉物镜入射面垂直；
（3）样品位置不动，切换至穆勒矩阵椭偏测量模块，第二光源发出的光线经起偏器和第一旋转补偿器后入射至表面，所述第二光源发出的光线斜入射至衬底表面，经表面反射后再依序经检偏器和第二旋转补偿器到达探测器，探测器采集表面光谱信息，其中：所述垂直扫描白光干涉模块的第一光源发出的光线、穆勒矩阵椭偏测量模块的第二光源发出的光线照射在样品表面的光斑重合；
（4）根据采集的表面干涉序列图像，提取表面粗糙度参数Sa或Sq，所述Sq为根均方高度，所述Sa为算术平均高度；
（5）根据材料特性及提取粗糙度参数Sa或Sq建立样品的光学模型和振子模型，并结合探测器测量的光谱信息进行拟合分析，得到样品光学特性参数，所述光学特性参数包括折射率和消光系数。
7.根据权利要求6所述的垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量方法，其特征在于：当所述样品为透明无吸收衬底，模型为Cauchy模型，其计算公式为：
（1）；
当所述样品为有吸收衬底，模型为Lorentz振子，其计算公式为：
（2）。
8.根据权利要求6所述的垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量方法，其特征在于：所述步骤（1）包括：
（11）选择待测样品表面的测量区域，垂直扫描白光干涉模块的第一光源发出的光经分束镜和干涉物镜垂直照射在表面，经表面反射后依序经干涉物镜和分束镜到达相机，第二光源以设定角度斜入射到待测样品表面；
（12）确保斜入射角度不变，驱动干涉物镜移动以调焦，直至相机显示的待测样品表面开始出现干涉条纹；
（13）驱动干涉物镜移动，直至探测器的光强信号值达到最大，此时接近最终焦平面，相机采集获得表面干涉图像。
9.根据权利要求6所述的垂直扫描白光干涉谱辅助穆勒矩阵椭偏测量方法，其特征在于：所述样品为衬底晶片或薄膜。
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