測量薄膜厚度和折射率的方法及裝置與應(yīng)用20120113

1、測量薄膜厚度和折射率的方法及裝置與應(yīng)用請確定全文的描述是否正確技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于光電精密測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測量薄膜厚度和折射率的方法及裝置與應(yīng)用。背景技術(shù)測量薄膜厚度及折射率等參數(shù)的光學(xué)方法有多種，主要有橢圓偏振法、干涉法、棱鏡耦合法、光譜法等。這些方法或技術(shù)都存在各自的優(yōu)點及不足之處，測量薄膜的類型和參數(shù)測量范圍有一定的限制：如棱鏡耦合法(也稱光波導(dǎo)法)盡管測量薄膜的折射率精度很高，但有一定的測量薄膜折射率的范圍，一般小于棱鏡的折射率，且對于200nm以下厚度的薄膜難以適用；干涉法的測量精度不高，光譜法需要至少兩次測量、結(jié)果不穩(wěn)定等；也有人提出采用測量多角度偏振光反射率來確定薄膜參數(shù)的方

2、法，如TamiKihara等的文章“SimultaneousmeasurementofrefrativeindexandthicknessofthinfilmbypolarizedreflectanceS(Appl.Opt.1990,29,5069-5073)and“SimultaneousmeasurementoftherefrativeindexandthicknessofthinfilmsbyS-polarizedreflectances”(Appl.Opt.1992,31,4482-4487”所提供的方法為依次同步轉(zhuǎn)動樣品及探測器分別測量不同入射角偏振光的反射率，通過理論擬合求出薄膜的

3、厚度及折射率等參數(shù)，從而該方法獲取反射率的實驗時間較長，入射到樣品表面的光斑面積大，空間分辨率率小，難以檢測表面微小結(jié)構(gòu)的參數(shù)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種測量薄膜厚度和折射率的方法。本發(fā)明的另一目的在于提供實現(xiàn)所述的測量薄膜厚度和折射率的方法的裝置。本發(fā)明的再一目的在于提供所述的裝置的應(yīng)用。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：一種測量薄膜厚度和折射率的方法，包括以下步驟：采用至少三束光束同時以不同入射角投射到薄膜樣品表面同一點或位置，反射光束的強度由陣列光電探測器接收，再與入射光束光強比較，計算出各光束的反射率，最后與理論公式擬合得到待測薄膜的光學(xué)參數(shù)；所述的

4、光學(xué)參數(shù)包括厚度、折射率和消光系數(shù)等；所述的陣列光電探測器為光電探測器線性排列得到；其中.-Fsno,ni,門2,%,一cosGs山川1川2,九，2m二所述的理論公式為4：22.2.乙4兀(qn°sin6oi)2di為薄膜的厚度；，為入射光束波長；no、ni、n2分別為空氣、薄膜、襯底的折射率；九為入射角，i為入射角的序數(shù)；m為膜序數(shù)，如1,2,3；本發(fā)明所述測量薄膜厚度和折射率的方法具有測量速度快及空間分辨率高的特點。實現(xiàn)所述測量薄膜厚度和折射率的方法的裝置，包括光源、透射光柵、光欄、聚光透鏡、偏正器、樣品旋轉(zhuǎn)臺、光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺、信號采樣放大和AD轉(zhuǎn)換電路、以及計算機；沿著光軸

5、，光源、透射光柵、光欄、聚光透鏡、偏正器和樣品旋轉(zhuǎn)臺依次排列，樣品旋轉(zhuǎn)臺的軸心和光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺的軸心重合，光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺的直徑大于樣品旋轉(zhuǎn)臺的直徑，從而位于光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺上的光電探測器能探測到被位于樣品旋轉(zhuǎn)臺上的樣品反射出來的光束；位于光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺上的光電探測器、信號采樣放大和AD轉(zhuǎn)換電路、計算機依次連接；所述的裝置還包含分光鏡和用于接收被分光鏡反射的光束的光電探測器B；分光鏡位于光源和透射光柵之間；光電探測器B、信號采樣放大和AD轉(zhuǎn)換電路、計算機依次連接；所述的光源為單色光源或是激光光源；所述的光源優(yōu)選為He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器；所述的透射光柵為全息光柵、刻畫光柵或鍍

6、膜光柵，光柵常數(shù)d滿足下式：1d；D為聚光透鏡的直徑，為激光波長，Z為透射光柵和聚d2Z光透鏡之間的距離；所述的光欄由塑料或金屬片鉆孔再噴涂黑色油墨制作得到；所述的光欄具有至少三個孔，該孔位于光欄與光軸交匯的垂直線上；從而可讓至少3束光透過光欄；所述的孔為等間距排列；所述的聚光透鏡為普通玻璃或纖維透鏡；所述的偏振器為人造偏振片或格林棱鏡偏振器；所述的光電探測器為線性陣列光電探測器，優(yōu)選為至少三單元的光電池組或光電二極管構(gòu)成，或為CCD線陣探測器、SSPD線陣探測器；所述的信號采樣放大和AD轉(zhuǎn)換電路主要由電源電路、模擬信號放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與單片機電路組成；所述的樣品旋轉(zhuǎn)臺還設(shè)置角度標(biāo)尺；所

7、述的樣品旋轉(zhuǎn)臺還設(shè)有樣品夾持裝置和用于調(diào)節(jié)樣品位置的三維調(diào)節(jié)螺母；三維調(diào)節(jié)螺母能用于樣品平臺底座水平及樣品的垂直調(diào)整；所述的光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺還設(shè)置角度標(biāo)尺，角度標(biāo)尺有利于調(diào)整光電探測器的位置；所述的樣品旋轉(zhuǎn)臺與所述的探測器旋轉(zhuǎn)平臺優(yōu)選通過傳動機構(gòu)耦合連接；所述的探測器旋轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)角始終為所述樣品旋轉(zhuǎn)臺的的二倍，以保證樣品的反射光在任何角度都能被光電探測器各單元準(zhǔn)確探測，方便及快速測量樣品反射光強與入射角的關(guān)系；所述的分光鏡為普通鍍膜平板分光鏡或立方體鍍膜分光棱鏡，優(yōu)選透反比為10:120:1的分光鏡；所述的光電探測器B為單元探測器，優(yōu)選為硅光電二極管或光電池；所述的裝置在薄膜樣品檢測中的應(yīng)用

8、，特別適合用于對集成電路IC和/或功能薄膜器件進(jìn)行檢測。本發(fā)明方法的工作原理為：采用三束或三束以上光束以不同入射角同時投射到薄膜的同一點，經(jīng)薄膜反射后的光束由線陣列光電探測器接收并測量其光強，計算出不同入射角所對應(yīng)的薄膜反射率，由多光束干涉原理及菲涅爾公式等對所得到的反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演或擬合，求出待測薄膜厚度、折射率及消光系數(shù)等光學(xué)參數(shù)。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：（1）本發(fā)明（包括方法和裝置）不但比現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)測量時間短，而且具有較高的空間分辨率。具體而言，即由于光束通過光柵衍射及透鏡聚焦，不但使三束光或多束光同時入射樣品表面同一位置，測量速度加快，測量時間大大減少，而且入射到

9、樣品表面的光斑直徑小于205,提高了測量薄膜空間分辨率。若配合兩維樣品微調(diào)或掃描裝置，容易得到薄膜樣品表面形貌（厚度、折射率或消光系數(shù)等）的分布圖。這對檢測大規(guī)模集成電路IC及功能薄膜器件的表面特性或質(zhì)量很有幫助，也是現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)難以達(dá)到的。（2）本發(fā)明適用于多層膜及消光膜的測量，特別適用于各向異性膜。（3）本發(fā)明測量過程無損樣品表面，速度快。（4）本發(fā)明易于實現(xiàn)薄膜樣品的自動測量。（5）本發(fā)明測量精度高，范圍大。（6）本發(fā)明所提供的測量裝置光路簡單，所需元件少，調(diào)節(jié)方便，成本低。附圖說明圖不要改，我是根據(jù)實施例的描述順序來編排的圖1是實施例1所提供的裝置的示意圖。圖2是本發(fā)明方法測量原理示意

10、圖。圖3是入射光束在薄膜樣品上的反射及折射示意圖。具體實施方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1（一）裝置的構(gòu)成一種測量薄膜厚度和折射率的裝置，如圖1所示：包括包括光源1、透射光柵2、光欄3、聚光透鏡4、偏正器5、光電探測器7、樣品旋轉(zhuǎn)臺8、光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺9、分光鏡10和用于接收被分光鏡反射的光束的光電探測器B11、信號采樣放大和AD轉(zhuǎn)換電路12、以及計算機13；沿著光前進(jìn)的方向，光源1、分光鏡10、透射光柵2、光欄3、聚光透鏡4、偏正器5和樣品旋轉(zhuǎn)臺8依次排列，樣品旋轉(zhuǎn)臺8的軸心和光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺9的軸心重合，光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺9的直徑

11、大于樣品旋轉(zhuǎn)臺的直徑，從而位于光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺9上的光電探測器7能探測到被位于樣品旋轉(zhuǎn)臺上的待測薄膜樣品6反射出來的光束；位于光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺9上的光電探測器7（為線性陣列光電探測器）、信號采樣放大和AD轉(zhuǎn)換電路12與計算機13依次連接；光電探測器B11、信號采樣放大和AD轉(zhuǎn)換電路12與計算機13依次連接。光源1為單色光源，可以選擇各種小功率連續(xù)波激光器，如He-Ne激光器及半導(dǎo)體激光器等。分光鏡10可為普通鍍膜平板分光鏡或立方體鍍膜分光棱鏡等，其透反比在10:120:1為宜。透射光柵2為各種振幅型或相位型透射光柵，如全息光柵、刻畫光柵或鍍膜光柵等，其光柵常數(shù)d應(yīng)滿足下式：1宀DZ上式中D

12、為聚光透鏡4的直徑，為激光波長，Z為透射光柵2和聚光透鏡4之間的距離。聚光透鏡4為普通玻璃或纖維透鏡。偏振器5可選用人造偏振片或格林棱鏡偏振器。光欄3由塑料或金屬片鉆孔再噴涂黑色油墨制作。光電探測器7為線性陣列光電探測器，可為三單元或以上的光電池組或光電二極管構(gòu)成，也可選用CCD或SSPD線陣探測器。光電探測器11為補償探測器，是單元探測器，如硅光電二極管、光電池等。樣品旋轉(zhuǎn)臺8設(shè)有薄膜樣品夾持裝置及三維調(diào)節(jié)螺母，用于樣品平臺底座水平及樣品的垂直調(diào)整，并帶有角度標(biāo)尺，其轉(zhuǎn)角定位精度優(yōu)于0.1,角度調(diào)節(jié)范圍：0360。光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺9也帶有角度標(biāo)尺，轉(zhuǎn)動角度范圍：0360，可以夾持及緊固光電

13、探測器7。樣品旋轉(zhuǎn)臺8的轉(zhuǎn)軸與光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺9的轉(zhuǎn)軸同軸，兩者可以手動調(diào)節(jié)角度，也可設(shè)計成電控自動旋轉(zhuǎn)方式。這時，樣品旋轉(zhuǎn)臺8與探測器旋轉(zhuǎn)平臺9轉(zhuǎn)動及傳動機構(gòu)耦合連接，使后者的轉(zhuǎn)角始終為前者的二倍，以保證樣品的反射光在任何角度都能被光電探測器7各單元準(zhǔn)確探測，方便及快速測量樣品反射光強與入射角的關(guān)系。信號采樣放大和AD轉(zhuǎn)換電路12主要由電源電路、模擬信號放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與單片機電路組成，其輸出信號連接到計算機13并通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。（二）裝置的制備過程先調(diào)節(jié)光源1發(fā)射的光束通過樣品旋轉(zhuǎn)臺8的轉(zhuǎn)軸中心并與其垂直，即與樣品旋轉(zhuǎn)臺8平面平行。先放置分光鏡10,調(diào)節(jié)其反射光進(jìn)入光電探測器

14、B11,再放置透射光柵2和聚光透鏡4,調(diào)節(jié)透射光柵2和聚光透鏡4的位置，使通過聚光透鏡4的入射光束聚焦于樣品旋轉(zhuǎn)臺8的轉(zhuǎn)軸中心，即樣品旋轉(zhuǎn)臺8的轉(zhuǎn)軸中心與光柵2處于共軛位置。接著放入光欄3和偏正器5,再將光電探測器B11和位于光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺9上的光電探測器7分別通過信號采樣放大和AD轉(zhuǎn)換電路12與計算機連接，得到如圖1所示的裝置。（三）裝置的使用方法將待測薄膜樣品6置于樣品旋轉(zhuǎn)臺8的轉(zhuǎn)軸軸心，使其薄膜表面通過樣品旋轉(zhuǎn)臺8的轉(zhuǎn)軸中心并調(diào)整其表面與入射光垂直，即沿光軸入射的光經(jīng)樣品反射后沿原路返回。轉(zhuǎn)動樣品旋轉(zhuǎn)臺8,選擇合適的入射角（如30°70。之間較好）同時反射三束光。轉(zhuǎn)動并調(diào)節(jié)

15、光電探測器7的位置，使其各單元分別探測三束反射光的光強。轉(zhuǎn)動光電探測器7位于入射光光軸附近，調(diào)整其位置，使其各單元分別探測三束入射光的光強，然后算出三個不同入射角所對應(yīng)的薄膜樣品的反射率。同時測量光電探測器B11得到的光強，可補償入射光功率變化對測量結(jié)果的影響，提高反射率的測量精確度。光電探測器7和光電探測器B11將采集到的光信號專程電信號，分別傳輸?shù)叫盘柌蓸臃糯蠛虯D轉(zhuǎn)換電路12,最后由計算機13分析，得到待測薄膜樣品6的光學(xué)參數(shù)。（四）原理和數(shù)據(jù)分析：本發(fā)明測量原理如圖2所示：光電探測器7位于光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺9上，與其一起同步轉(zhuǎn)動。先旋轉(zhuǎn)光電探測器旋轉(zhuǎn)平臺9,光電探測器7與入射光共軸，分

16、別測出三束或三束以上入射光的光強，裝上樣品，調(diào)節(jié)待測薄膜樣品6表面與入射光軸垂直，選擇合適的入射角，使三束或三束以上反射光從待測薄膜樣品6表面同一點反射出去，轉(zhuǎn)動光電探測器7分別接收三束或三束以上的反射光束，并測量它們的光強，即可得到樣品同一點不同入射角的反射率。根據(jù)實際樣品的數(shù)學(xué)模型，利用實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行反演或擬合，求出待測薄膜樣品的厚度和折射率等參數(shù)。在數(shù)據(jù)處理過程中，對于不同類型的薄膜樣品，其反射率的數(shù)學(xué)模型或公式是不同的，能測量的未知薄膜參數(shù)也不一樣。如單層透明膜、單層消光膜、雙層透明或消光膜、多層膜、各向異性膜等。以單層透明膜為例，本發(fā)明的方法及裝置的理論模型分析如下：如圖3所示，設(shè)no

17、、n1、n2分別為空氣、薄膜、襯底的折射率，d1為薄膜的厚度。入射光束波長為，入射角為6，在薄膜及襯底中的折射角分別為哥、/2。根據(jù)折射定律和菲涅爾反射公式，P分量和S分量總反射系數(shù)如下:(1)(2)bprhpexp(-2i,)1'r()1pr)2pexp(-2iJbsGsexp(2i1ro1sr12sexp(-2i其中2d1（n：-nfsin22（3）/u是相鄰反射光束之間的相位差。P光和S光在第一界面和第二界面處的復(fù)振幅反射率分別為qcos%_n0cosq/八ro1p-0o-（4）ncos%十n0cosqri2pn0cos®-njcosynocosonjcosyn2cos

18、j-njcosrn2cos刁njcosrnjcos可-n2cosr2njcoskn2cos*總反射率為(5)(6)(7)(8)(9)由至（9）式可知，Rs和Rp是二o,-,n°,n仆吐和dj的函數(shù)，若n°,馬及，已知，則Rs、Rp、卞與m和dj有關(guān)，若實驗測量得到多組入射角的反射率，即Rp（Hj）或Rs（j），其中j=j,2,3。則可通過實驗數(shù)值與理論曲線的擬合方法求出薄膜樣品的折射率與厚度dj。以S偏振光為例，說明一種典型擬合方法。由上述公式可得到薄膜厚度為：j14二(n：-rsin2和)2公式中是00j還是0i,_L(Fsn0,rj,口2門0,】二cosGsn0,n!,ri2j0,R2m-dj口和前面公式不符合，上面的Rs為00j，請前后文一致（j0）其中m=j,2,3為膜序數(shù)。如實驗得到兩個角度的反射率Rsj,%、Rs?,%,設(shè)定膜序數(shù)范圍（如m取0、j、2、3、4、5），把參量（丸,山,比口,尺2）、0，n°,比口思尺）分別代入等式（j0）,聯(lián)立求解兩個方程組。由不同的m值，可求出幾組nj,dj解。在一定角度范圍內(nèi)（如200700范圍，間隔20）再由公式（j0）計算出其反射率Rs%。根據(jù)公式步長：0.0jnm）,根據(jù)公式（jj）米用最小二乘法逼近擬合，可得出精確解ni,dj實驗表明：所選擇的入射角越多，測量反射率的精確度越