一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法和系统

技术领域

本发明属于薄膜形貌检测技术领域，更具体地，涉及一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法。

背景技术

薄膜技术普遍应用于半导体行业、生物医药行业等领域，是当前材料科学的研究热点。薄膜测量的主要目的是为了获取薄膜厚度、折射率、反射率、消光系数等参数以及薄膜表面形貌分布情况，精确测量薄膜的上述参数具有重要意义。

薄膜厚度的测量方法有很多，目前测量薄膜形貌测量的方法主要方法之一为垂直扫描白光干涉法，通过分离白光垂直扫描信号中薄膜上下表面的干涉峰的距离结合先验的材料折射率可以获得薄膜厚度以及表面高度，但垂直扫描白光干涉法可测的最薄厚度受限于白光相干长度，当膜厚小于相干长度时上下表面干涉峰之间发生混叠，导致测量结果不准确。尤其是对于亚微米级别的薄膜测量，其测量精确度尤为重要。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法，其目的在于解决薄膜厚度和折射率测量尤其是亚微米级别的薄膜厚度与折射率测量的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法，包括：

S1：获取白光干涉测量模式下，薄膜介质衬底上表面以及薄膜下表面形貌分布；

S2：获取白光原子力扫描模式下，薄膜介质衬底上表面以及薄膜上表面形貌分布；

S3：基于所述白光原子力扫描模式下获得的形貌分布，对所述白光干涉测量模式下获得的形貌分布标定与校正，获得薄膜厚度和折射率。

优选的，所述步骤S1包括：

在白光干涉测量模式下，分别对薄膜介质衬底上表面以及薄膜下表面进行垂直扫描，得到每个像素点的干涉图像；

利用等效光程算法对所述干涉图像进行形貌恢复得到薄膜介质衬底上表面以及薄膜下表面的形貌分布。

优选的，所述等效光程算法包括：

式中：I

优选的，所述步骤S2包括：

在白光原子力扫描模式下，标定白光原子力扫描探针垂直位移量与对应的干涉条纹位移量的位置关系；

获取白光原子力探针在水平方向上扫描薄膜和介质衬底每处位置的水平位移量和对应的干涉条纹移动量；

基于所述标定结果计算得到每处位置的高度信息。

优选的，所述标定白光原子力扫描探针垂直位移量与对应的干涉条纹位移量的位置关系包括：

在标定范围内，获取白光原子力扫描探针在垂直方向上的垂直位移量Z和对应的干涉条纹移动量x；

建立白光原子力扫描探针垂直位移量与对应的干涉条纹移动量之间的拟合模型，并计算得到拟合系数，所述拟合模型为：

Z＝a·x

式中，Z为白光原子力扫描探针垂直位移量；x为干涉条纹移动量；a,b,c,d为拟合系数。

优选的，所述步骤S3中对所述白光干涉测量模式下获得的形貌分布数据标定与校正包括：

分别对所述白光干涉测量模式与白光原子力扫描模式下测得的形貌分布进行特征区域划分，用所述计算得到白光原子力扫描模式下测得的形貌分布数据对所述白光干涉测量模式测得的形貌分布数据进行校正。

优选的，所述步骤S3中薄膜厚度计算公式为：

Δ＝|H

式中，Δ为薄膜厚度；H

所述薄膜折射率计算公式为：

式中,n为薄膜折射率；H

优选的，还包括对所述白光原子力扫描探针扫描得到的干涉条纹进行预处理消除干涉信号的畸变；

使用Hilbert变换对所述预处理后的干涉条纹求解相位分布。

优选的，所述薄膜为透明或半透明薄膜，所述薄膜分布于表面平整的介质衬底上。

按照本发明另一个方面，还提供了一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量系统，包括：

白光干涉测量模块，用于获取白光干涉测量模式下，薄膜介质衬底上表面以及薄膜下表面形貌分布；

白光原子力扫描模块，用于获取白光原子力扫描模式下，薄膜介质衬底上表面以及薄膜上表面形貌分布；

计算模块，用于基于所述白光原子力扫描模式下获得的形貌分布，对所述白光干涉测量模式下获得的形貌分布标定与校正，获得薄膜厚度和折射率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法，分别采用白光干涉测量与原子力探针扫描测量两种测量模式对薄膜进行测量，通过将两个测量模式下的形貌分布数据进行融合，利用白光原子力扫描测量模式获得的形貌分布数据对白光干涉测量模式获得形貌分布数据进行校正，从而克服在测量薄膜形貌分布过程中因为存在的光程调制现象，和无法区分干涉峰导致的误差，提高了薄膜厚度和折射率测量的精确度。

(2)本发明提供的一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法，白光干涉测量形貌恢复精度可达到亚纳米级，白光原子力扫描测量精度可达1nm，因此白光干涉原子力扫描测量薄膜介质衬底与薄膜表面高度即薄膜厚度的误差不超过

(3)本发明提供的一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法，在原子力探针扫描测量模式下，对得到的干涉条纹进行了预处理来消除干涉信号的畸变，进一步提高了测量的精确度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法原理图；

图2是本发明实施例提供的一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法原理图；

图3是本发明实施例提供的白光干涉测量与白光原子力扫描测量系统的原理示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明提出的一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率检测方法用于对薄膜厚度和折射率检测，现有的亚微米级别薄膜厚度测量方法存在较大误差，一方面如背景技术中所述，在薄膜厚度小于一定范围时，薄膜厚度小于白光干涉长度，直接用白光干涉仪测量薄膜厚度，薄膜上表面反射率较低的干涉峰被薄膜下表面反射的干涉条纹完全掩盖，薄膜上下表面的信号干涉峰之间发生混叠，导致测量结果不准确。另一方面白光干涉测量方法在测量透明或半透明物质时，其测得的表面形貌会受到透明或半透明区域光程折射调制的影响，存在等效光程调制偏差，从而无法直接获取到薄膜的真实厚度。图1和图2是本发明的薄膜厚度与折射率测量方法原理图，如图1和2中所示，薄膜覆盖于介质衬底表面，原子力扫描模式测得的是正确的薄膜形貌分布，薄膜下表面高度高于介质衬底表面高度；而白光干涉测量模式测得的形貌分布，由于上述的等效光程调制带来的影响，其薄膜高度反而低于介质衬底高度，测量结果显然存在错误。

基于上述问题，本发明的核心构思在于采用白光干涉测量与白光原子力扫描测量结合的方式，利用白光干涉测量模式获得薄膜介质衬底和薄膜下表面的形貌分布数据，利用与白光原子力扫描测量模式获得薄膜介质衬底和薄膜上表面的形貌分布数据，将两个测量模式下的形貌分布数据进行融合，利用白光原子力扫描测量模式获得的形貌分布数据对白光干涉测量模式获得形貌分布数据进行校正，从而消除在测量薄膜形貌分布过程中的误差，得到薄膜厚度和折射率。

本发明提供了一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率检测方法，图3是该方法所应用的白光干涉与白光原子力扫描测量系统示意图，白光干涉与白光原子力扫描测量系统将白光干涉测量与白光原子力扫描测量两个测量系统进行了结合，通过位姿调整机构实现上述两种测量模式之间的切换。

如图3所示的白光干涉与白光原子力扫描测量系统，包括有用于放置样品的载物台，所述载物台置于水平XY纳米驱动平台上6，所述载物台上方由下至上沿光路依次设置有原子力探针10、悬臂11、Mirau干涉物镜5、垂直压电陶瓷定位器(附图中未标识出来)、分光棱镜7、反射镜2、第二透镜8、黑白CMOS相机9和激光干涉垂直计量模块1，所述分光棱镜7的入射光路上由内向外设置有第一透镜4和白光宽谱光源3，所述CMOS相机9的信号输入输出端、水平XY纳米驱动平台6的信号输入输出端和垂直压电陶瓷定位器的信号输入输出端分别连接计算机。原子力扫描探针10安装在悬臂11上，垂直压电陶瓷定位器控制对原子力扫描探针10进行垂直方向位移的细调。在白光测量模式下，原子力扫描探针10收起在一旁，不出现在CMOS相机9的拍摄视场内；在测量系统切换为白光原子力扫描测量模式后，原子力扫描探针10在模式切换机构的控制下旋转至CMOS相机9的视场内。

图4是本发明的一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法，如图4所示的白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量方法，该方法包括：

S1：获取白光干涉测量模式下，薄膜介质衬底上表面以及薄膜下表面形貌分布；

S2：获取白光原子力扫描模式下，薄膜介质衬底上表面以及薄膜上表面形貌分布；

S3：基于所述白光原子力扫描模式下获得的形貌分布，对所述白光干涉测量模式下获得的形貌分布标定与校正，获得薄膜厚度和折射率。

应当说明的是，在本领域中，这里的形貌分布指代测量对象相对于测量基准的高度分布，高度具体是指测量对象与测量基准之间的距离。在本发明中表述的薄膜介质衬底的表面即为薄膜介质衬底的上表面。本发明适用于透明或半透明的薄膜，被测薄膜分布于表面平整的薄膜介质衬底上。

具体的，所述步骤S1包括：

(1.1)打开白光宽谱光源，在载物台上放置被测薄膜样品，将测量系统调整至垂直扫描白光干涉模式；

(1.2)分别对薄膜介质衬底表面薄膜介质衬底上表面以及薄膜下表面进行垂直扫描白光干涉测量，得到每个像素点的干涉图像；包括：

调整PZT至白光干涉条纹出现，设置PZT垂直扫描范围使得垂直扫描能囊括所有存在干涉条纹的位置，驱动PZT实现垂直扫描，并保存扫描过程中的每一帧干涉图像；优选的，以小于光源光谱最小波长的四分之一的扫描步长垂直扫描；

(1.3)根据等效光程算法对干涉图像进行形貌恢复，得到薄膜介质衬底表面以及薄膜下表面的干涉图像的形貌分布：

在一个具体的实施例中，使用Stoilov等步长相移算法进行等效光程算法求解，对垂直扫描所得干涉图进行形貌恢复，包括：

式中：I

所述步骤S2包括：

测量过程中，完成白光干涉垂直扫描测量后，移入原子力探针组件，将测量系统切换为白光干涉原子力扫描测量模式，

获取白光干涉原子力探针在水平方向上扫描薄膜和介质衬底每个位置的水平位移量和对应的干涉条纹移动量；

基于白光干涉原子力探针垂直位移量与对应的干涉条纹移动量的拟合模型，求解得到每个位置的高度信息。具体的,

(2.1)将测量系统调整至白光干涉原子力扫描模式；

(2.2)通过白光干涉原子力探针自动接触功能使原子力针尖接触样品表面；

(2.3)在标定范围内驱动PZT，以激光干涉垂直计量模块记录PZT驱动下探针垂直位移量，标定原子力悬臂上白光干涉零级条纹的移动量与原子力探针垂直方向的位移关系；

(2.4)驱动水平XY纳米驱动平台，使得原子力探针在水平方向上扫描被测样品，并保存扫描过程中每一帧图片与对应的水平方向位移量；

(2.5)计算扫描过程中原子力探针悬臂上的白光干涉零级条纹移动量，并根据(2.3)中的标定结果确定每个位置的高度信息，实现薄膜介质衬底与薄膜上表面形貌恢复。

具体的所述白光干涉原子力探针垂直位移量与对应的干涉条纹移动量的拟合模型为：

Z＝a·x

式中：a,b,c,d为待拟合系数；

通过最小二乘三次曲线拟合计算模型参数a,b,c,d。

探针悬臂原子力探针悬臂在测量过程中一直处于不同程度的弯曲状态，导致CCD获取的白光干涉图像光强分布不均，使提取的干涉条纹信号产生畸变，其主要畸变表现为条纹级次不明、条纹倾斜和信号不对称。

因此还需要对白光干涉原子力探针扫描得到的干涉条纹进行预处理消除干涉信号的畸变；具体包括：

采用小波变换用于对提取的干涉信号进行预处理来消除干涉信号的畸变；Hilbert变换用于求解预处理后干涉信号的相位分布，通过求解零相位位置能够准确地获得零级条纹在探针微悬臂上的位置。

梯度衰减预处理：

式中:x

预处理后的干涉信号符合标准白光干涉信号光强分布，其表达式为:

I(x)＝p(x)+q(x)cos[φ(x)]

式中:I(x)表示条纹强度；x表示条纹坐标；p(x)表示背景光强；q(x)表示条纹的调制强度函数；φ(x)表示与被测信息有关的相位项。

Hilbert变换解相位通过对干涉信号进行连续两次Hilbert变换，并将两次Hilbert变换得到的结果进行反正切运算，得到解相位的结果为:

对离散的相位分布进行行最小二乘拟合，再求解灰度值最大的相位段其零相位点的横坐标位置，即可准确获取零级条纹在探针微悬臂上的位置x

代入(2.3)中探针垂直位移拟合模型有：

Z

H＝Z

式中：Z

所述步骤S3中获取薄膜厚度包括：

分别对所述白光干涉测量模式与白光原子力扫描模式下测得的形貌分布进行特征区域划分，用所述计算得到白光原子力扫描模式下测得的形貌分布数据对所述白光干涉测量模式测得的形貌分布数据进行校正，所述薄膜厚度计算公式为：

Δ＝|H

式中，H

获取薄膜折射率计算公式为：

式中，H

由于垂直扫描白光干涉测量形貌恢复精度可达到亚纳米级，即在被测薄膜样品薄膜介质衬底区域的垂直精度高于1nm。白光原子力扫描测量精度可达1nm，白光干涉原子力扫描测量薄膜介质衬底与薄膜表面高度即薄膜厚度的误差不超过

本发明还提供了一种基于白光干涉与白光原子力扫描技术的薄膜厚度与折射率测量系统，包括：

白光干涉测量模块，用于获取白光干涉测量模式下，薄膜介质衬底上表面以及薄膜下表面形貌分布；

白光原子力扫描模块，用于获取白光原子力扫描模式下，薄膜介质衬底上表面以及薄膜上表面形貌分布；

计算模块，用于基于所述白光原子力扫描模式下获得的形貌分布，对所述白光干涉测量模式下获得的形貌分布标定与校正，获得薄膜厚度和折射率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。