[发明专利]一种测量薄膜厚度和折射率的方法

权利要求书

1.一种测量薄膜厚度和折射率的方法，其特征在于：通过白光光谱相移测量，获得仅与薄膜自身相关的测量非线性相位，通过对薄膜进行垂直扫描，将所记录的白光光谱信号对波长积分，重建出白光垂直扫描数据，获得非线性拟合的约束条件，对根据反射系数的理论模型得到的理论非线性相位和测量非线性相位进行带有约束条件的非线性拟合，得到薄膜的厚度和折射率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)调节系统至参考光和测量光发生干涉，光谱信号对比度达到最大值；

2)设置对薄膜进行垂直扫描的扫描范围和扫描步长，驱动扫描器移动，并记录每一步的光谱信号，光谱信号对波长积分，重建出白光垂直扫描数据，计算得到拟合约束条件1和约束条件2；

3)驱动扫描器至白光光谱相移的相移位置，设置相移步长，驱动扫描器进行五步相移，并记录相移光谱信号，通过五步相移公式，得到测量非线性相位；

4)根据菲涅尔公式，建立反射系数的理论模型，得到的理论非线性相位；

5)理论非线性相位和测量非线性相位在折射率循环区间内进行非线性拟合，获得多组拟合结果，拟合残差最小值对应的拟合结果即为最终测量结果。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中的系统与白光垂直扫描方法的系统共用光路，可在同一系统中实现薄膜样品三维表面形貌的测量和薄膜厚度、折射率的测量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)包括：

(1.1)预先测量标准硅片，修正光谱强度，并应用修正数值修正对薄膜进行垂直扫描所记录的白光光谱信号；

(1.2)对薄膜进行垂直扫描的扫描范围覆盖薄膜上表面和下表面，且上表面和下表面附近的扫描步长小于等于10nm；

(1.3)使用重心法分别计算重建的白光垂直扫描数据中的上表面扫描位置H₁和下表面扫描位置H₂，得到测得的薄膜的光学厚度：

T＝n*d＝|H₁-H₂|

T即为非线性拟合约束条件1；

(1.4)使用高斯拟合分别计算重建的白光垂直扫描数据中的上表面包络峰值强度P₂和下表面包络峰值强度P₃，记录重建的白光垂直扫描数据背景光强P₁，三者之间的比值T₁＝P₂/P₁，T₂＝(P₃-P₁)/(P₂-P₁)，为非线性拟合约束条件2。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(1.3)所述重心法的公式为：

其中，N为垂直扫描的总步数，I_i为重建的白光垂直扫描数据，ΔZ为垂直扫描的扫描步长。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(1.4)所述非线性拟合约束条件2，是采用如下公式：

非线性方程组1：

非线性方程组2：

其中，r₀₁，r₁₂为薄膜上表面和下表面的反射系数，t₀₁，t₁₀为薄膜上表面两个方向的透射系数，R为薄膜反射系数，δ为下表面相对于上表面的相位延迟，λ为波长，λ₁至λ₂是所选取的波段。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中的白光光谱相移的相移位置是系统零光程差位于薄膜上表面和下表面中间时的位置。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)中的非线性拟合过程中带入的折射率和消光系数为所选取波段的等效值。