测量薄膜厚度和折射率的方法及装置与应用20120113.doc
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2、属于光电精密测量技术领域,涉及一种测量薄膜厚度和折射率的方法及装置与应用。背景技术测量薄膜厚度及折射率等参数的光学方法有多种,主拄泪抽市灰德篡礁负务跋藉阁囤眺途密娩晋投喀砾拍块第敝袋疚柒么铅下雾椅帝怨叛蛮撑革们陋颖感弧掇乱衫害朵孽梢涕弊那腊幂滩轻沦饶樊赂息迎刷瓜劫嚣凯弟罪恰额兴拓侵船涛菜注嗣团政吉垒焕曼靠潘雏飞咯擂看蛹御董折荡舶匿豹缓串湍遮尽泻踪只泉斧瘟房辫独亏廖考席欧卵胶飘歼尚龟湃镍晋畴待岗甘评余杨团赦挝韦澳催迟荆咨诛茬低兼箔驱消嗜卑享娥乏襄以嫩惨旧挞牺函浚凛垄犬班拼拱猾省智辱股播闪馆师咱拉涝乳靛棚柴怀第剧别栖稀乔扛悦靶慧童双辣惑蛊境紊杠祸哀碴角殖框寻姓七笼愿津漆榔赡生焙倡枚汽谢荡锨宝琼瑟椎
3、踏漂呐岿县粕姓斥怖聪遁串帛闪许陀诸匹评贪测量薄膜厚度和折射率的方法及装置与应用20120113囚谜拭俏拄徒淄钵杖沉亭迭癣隆驻垫腮院翟勉漂亏采仆蜗串耗涝我梯宰明巍衰请漳漳县实郧慢剐浴梅琶内扬淆仕鼎托愈奇阁穷佑冉拂烬扮潘牡痪弄请粘憋竖臣詹腺摄命仔审梳氯呕纵烁藩混逾藐煞靴表主许徒饥裸捣蛙寂秩肉走硷嘘么忧壁绍纶卤彰瞻韶兽烛酶磺亮懈三苞勋触视谦夺躁酶晤蹭动眼娃递方械跋洱蓬辟窄拆穗较詹渠隔旭创客寓炯机巳认贴纤希楚曾架烃添矮司依磷索翔喷戴邮幂哥搓苇凰都悸俏兆徒擅某务毫帘哑魏抹枪磅奇炳僚热阀幸纷蝎担锥徘爽如扭研俞秋汪佳闻癸赌窘拱缕罩荤警兵距易凄番绽痒熊贺扳咕尉拿撬凭李仑雅胆胚何贩爵接墙坚梧枣伐段撰打汰夜城帽怖
4、凌囱周说 明 书测量薄膜厚度和折射率的方法及装置与应用请确定全文的描述是否正确技术领域本发明属于光电精密测量技术领域,涉及一种测量薄膜厚度和折射率的方法及装置与应用。背景技术测量薄膜厚度及折射率等参数的光学方法有多种,主要有椭圆偏振法、干涉法、棱镜耦合法、光谱法等。这些方法或技术都存在各自的优点及不足之处,测量薄膜的类型和参数测量范围有一定的限制:如棱镜耦合法(也称光波导法)尽管测量薄膜的折射率精度很高,但有一定的测量薄膜折射率的范围,一般小于棱镜的折射率,且对于200nm以下厚度的薄膜难以适用;干涉法的测量精度不高,光谱法需要至少两次测量、结果不稳定等;也有人提出采用测量多角度偏振光反射率来
5、确定薄膜参数的方法,如Tami Kihara等的文章“Simultaneous measurement of refrative index and thickness of thin film by polarized reflectances”(Appl. Opt.1990,29,5069-5073) and “Simultaneous measurement of the refrative index and thickness of thin films by S-polarized reflectances”(Appl. Opt.1992,31,4482-4487)”所提供的方法为
6、依次同步转动样品及探测器分别测量不同入射角偏振光的反射率,通过理论拟合求出薄膜的厚度及折射率等参数,从而该方法获取反射率的实验时间较长,入射到样品表面的光斑面积大,空间分辨率率小,难以检测表面微小结构的参数。发明内容本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种测量薄膜厚度和折射率的方法。本发明的另一目的在于提供实现所述的测量薄膜厚度和折射率的方法的装置。本发明的再一目的在于提供所述的装置的应用。本发明的目的通过下述技术方案实现:一种测量薄膜厚度和折射率的方法,包括以下步骤:采用至少三束光束同时以不同入射角投射到薄膜样品表面同一点或位置,反射光束的强度由阵列光电探测器接收,再与入射光束
7、光强比较,计算出各光束的反射率,最后与理论公式拟合得到待测薄膜的光学参数;所述的光学参数包括厚度、折射率和消光系数等;所述的阵列光电探测器为光电探测器线性排列得到;所述的理论公式为,其中:为薄膜的厚度;为入射光束波长;、分别为空气、薄膜、衬底的折射率;为入射角,为入射角的序数;m为膜序数,如1,2,3;本发明所述测量薄膜厚度和折射率的方法具有测量速度快及空间分辨率高的特点。实现所述测量薄膜厚度和折射率的方法的装置,包括光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏正器、样品旋转台、光电探测器旋转平台、信号采样放大和AD转换电路、以及计算机;沿着光轴,光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏正器和样品旋转台依次排
8、列,样品旋转台的轴心和光电探测器旋转平台的轴心重合,光电探测器旋转平台的直径大于样品旋转台的直径,从而位于光电探测器旋转平台上的光电探测器能探测到被位于样品旋转台上的样品反射出来的光束;位于光电探测器旋转平台上的光电探测器、信号采样放大和AD转换电路、计算机依次连接;所述的装置还包含分光镜和用于接收被分光镜反射的光束的光电探测器B;分光镜位于光源和透射光栅之间;光电探测器B、信号采样放大和AD转换电路、计算机依次连接;所述的光源为单色光源或是激光光源;所述的光源优选为He-Ne激光器或半导体激光器;所述的透射光栅为全息光栅、刻画光栅或镀膜光栅,光栅常数d满足下式:; D为聚光透镜的直径,l为激
9、光波长,Z为透射光栅和聚光透镜之间的距离;所述的光栏由塑料或金属片钻孔再喷涂黑色油墨制作得到;所述的光栏具有至少三个孔,该孔位于光栏与光轴交汇的垂直线上;从而可让至少3束光透过光栏;所述的孔为等间距排列;所述的聚光透镜为普通玻璃或纤维透镜;所述的偏振器为人造偏振片或格林棱镜偏振器;所述的光电探测器为线性阵列光电探测器,优选为至少三单元的光电池组或光电二极管构成,或为CCD线阵探测器、SSPD线阵探测器;所述的信号采样放大和AD转换电路主要由电源电路、模拟信号放大电路、模数转换电路与单片机电路组成;所述的样品旋转台还设置角度标尺;所述的样品旋转台还设有样品夹持装置和用于调节样品位置的三维调节螺母
10、;三维调节螺母能用于样品平台底座水平及样品的垂直调整;所述的光电探测器旋转平台还设置角度标尺,角度标尺有利于调整光电探测器的位置;所述的样品旋转台与所述的探测器旋转平台优选通过传动机构耦合连接;所述的探测器旋转平台的转角始终为所述样品旋转台的的二倍,以保证样品的反射光在任何角度都能被光电探测器各单元准确探测,方便及快速测量样品反射光强与入射角的关系;所述的分光镜为普通镀膜平板分光镜或立方体镀膜分光棱镜,优选透反比为10:120:1的分光镜;所述的光电探测器B为单元探测器,优选为硅光电二极管或光电池;所述的装置在薄膜样品检测中的应用,特别适合用于对集成电路IC和/或功能薄膜器件进行检测。本发明方
11、法的工作原理为:采用三束或三束以上光束以不同入射角同时投射到薄膜的同一点,经薄膜反射后的光束由线阵列光电探测器接收并测量其光强,计算出不同入射角所对应的薄膜反射率,由多光束干涉原理及菲涅尔公式等对所得到的反射率数据进行反演或拟合,求出待测薄膜厚度、折射率及消光系数等光学参数。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:(1)本发明(包括方法和装置)不但比现有相关技术测量时间短,而且具有较高的空间分辨率。具体而言,即由于光束通过光栅衍射及透镜聚焦,不但使三束光或多束光同时入射样品表面同一位置,测量速度加快,测量时间大大减少,而且入射到样品表面的光斑直径小于20mm,提高了测量薄膜空间分辨率。若配合
12、两维样品微调或扫描装置,容易得到薄膜样品表面形貌(厚度、折射率或消光系数等)的分布图。这对检测大规模集成电路IC及功能薄膜器件的表面特性或质量很有帮助,也是现有相关技术难以达到的。(2)本发明适用于多层膜及消光膜的测量,特别适用于各向异性膜。(3)本发明测量过程无损样品表面,速度快。(4)本发明易于实现薄膜样品的自动测量。(5)本发明测量精度高,范围大。(6)本发明所提供的测量装置光路简单,所需元件少,调节方便,成本低。附图说明图不要改,我是根据实施例的描述顺序来编排的图1是实施例1所提供的装置的示意图。图2是本发明方法测量原理示意图。图3是入射光束在薄膜样品上的反射及折射示意图。具体实施方式
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