[发明专利]基于白光干涉时频域分析的薄膜形貌检测系统及方法

权利要求书

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，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；

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，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；

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，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h_top；

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I_s0；

(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I_b；

(1.4)打开参考端，光谱仪采集参考端反射光强I_r，彩色相机拍摄参考端单帧彩色图像E_r，C；

(1.5)由I_s0减去挡光片的反射光强I_b得到测量端裸硅光强I_s1，I_s1除以裸硅反射率得到测量端光强I_s；

(1.6)计算不同波长处的分光比r＝I_s/I_r。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中薄膜厚度初值d₀由下式得到：

式中：为三通道上理论反射率，为三通道上实验反射率，C为R、G、B三个彩色通道。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)中薄膜厚度值d_film由下式得到：

式中：为理论归一化幅值，为实验归一化幅值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)薄膜上表面高度初值h₀由下式得出：

h₀＝h₁+mp·Δz

薄膜上表面高度h_top由下式得出：

式中：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。

6.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：

h_bottom＝h_top-d_film

式中：h_bottom为薄膜下表面高度，h_top为薄膜上表面高度，d_film为薄膜厚度。

7.一种根据权利要求1所述方法的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)。