[发明专利]一种测量薄膜厚度和折射率的方法

说明书

本发明属于光学精密测量领域，涉及一种测量薄膜厚度和折射率的方法，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。本发明无需已知薄膜材料的色散模型、薄膜厚度和折射率的初值，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。

技术领域

本发明属于光学精密测量领域，涉及到一种测量薄膜厚度和折射率的方法。

背景技术

薄膜在光电和半导体工业等领域中有着越来越重要的应用，实现对其厚度和折射率的测量，是保证加工质量的必要条件，光学检测具有无损、快速、高精度等优点，因此相关的高精度测量方法被广泛研究。椭圆偏振法和反射光谱法是目前最常用、商业化最普及的方法，椭圆偏振法的精度极高，但系统结构复杂，难以和其他方法集成，且只适用于测量较薄的薄膜；反射光谱法的系统结构简单，精度较高，通过调节测量波段可以扩展薄膜厚度的测量范围；但这两种方法都要已知较精确的厚度和折射率初值，且都根据薄膜材料的色散模型进行拟合，即无法测量一些未知材料或混合材料薄膜的厚度和折射率，且系统难以和表面形貌测量方法相结合。

新型薄膜材料，如晶圆的封装层使用混合聚合物材料代替传统材料，有着更出色的稳定性。但新型材料的测量问题是色散模型未知或不属于目前已知的任何一种色散模型，因此，传统需要已知色散模型拟合的测量方法不再适用，这也对薄膜厚度和折射率的测量方法提出了更高的要求。同时，由于薄膜厚度、折射率和消光系数的相互耦合关系，往往需要特殊的系统结构、多种测量方法或多个测量步骤的结合才能实现测量，例如透射式方法的测量过程包含在光路中插入和移除薄膜的步骤，以及使用其他测量设备来得到厚度或测量信号的干涉级次等参数，这无疑增加了测量的复杂程度和不确定性。

发明内容

为克服技术的不足，提出了一种测量薄膜厚度和折射率的方法，所要解决的技术问题是，提供低开发成本，能够有效测量薄膜厚度和折射率的方法，且无需已知薄膜材料的色散模型、薄膜厚度和折射率的初值。

实现本发明目的的技术方案为：

一种测量薄膜厚度和折射率的方法，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。

包括如下测量步骤：

步骤1.放置薄膜样品至样品台，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；薄膜样品的光学厚度需大于光源的相干长度，测量区域内薄膜上表面和下表面平行，测量区域内薄膜上表面无结构且表面较光滑；

步骤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S_i(λ)，光谱信号对波长积分，重建出白光垂直扫描数据I_i：

其中，N为垂直扫描的总步数，λ为波长，λ₁至λ₂是所选取的波段。根据重建的白光垂直扫描数据，计算得到拟合约束条件1和约束条件2；

步骤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：