用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法及系统

本发明涉及光谱测量，特别涉及一种用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法及系统。

背景技术：

1、目前，半导体和集成电路行业正在迅速发展，推动了许多创新的堆叠结构的涌现。与此同时，对二维材料的深入研究不断加深，特别是在理化性质的表征方面取得了重要进展。这促使人们对复合薄膜的表征进行更深入的研究，为半导体产业、集成电路技术、光学表征以及二维材料科学的交叉领域带来了新的机遇和挑战。在半导体产业中，光学类表征方法因为其无损性、耗时短等特点已经得到了广泛的应用，在半导体产线的工艺监测中发挥着举足轻重的作用。光学手段包括光谱共聚焦技术、椭圆偏振光谱技术、可见光扫描干涉技术、反射光谱技术等。

2、(1)光谱共聚焦技术

3、光谱共聚焦技术是根据共轭成像的原理和光谱分析，利用不同波长光线在焦点处的光谱分析实现对薄膜厚度的测量。其测量量程在微米到毫米量级，但仅能测量透明薄膜的厚度。

4、(2)椭圆偏振技术

5、椭圆偏振技术是一种用来表征和分析材料光学性质的方法，它基于光的椭圆偏振状态的变化来获取材料的光学特性。利用椭圆偏振光与薄膜相互作用后偏振态发生变化的原理来测量膜厚：使用正交偏振的线偏振光通过延迟元件得到椭圆偏振光，椭圆偏振光入射到薄膜表面时会发生反射和透射，反射光和透射光在经过薄膜后，使用检偏器检测测量光的偏振态变化，进而得到薄膜的厚度信息。椭圆偏振技术具有灵敏度高、非接触式测量等优点。但目前椭圆偏振技术不适用于测量过厚的薄膜。

6、(3)可见光扫描干涉技术

7、可见光扫描干涉技术是基于干涉现象进行厚度解析被测样品放置于由pzt控制载物台之上，pzt控制载物台在光轴方向上下移动来改变测量路的光程，由样品表面反射的光与参考路参考镜r反射的光被透镜聚焦于ccd形成干涉图像。该技术用于薄膜厚度测量的优势在于pzt的行程较大，能够测量到毫米级的薄膜，有着较大的量程；劣势在于由于pzt的精度限制导致可见光扫描干涉技术无法测量过薄的纳米薄膜，且易受外界振动的影响。

8、(4)反射光谱法

9、将反射光谱技术用于薄膜厚度测量，对反射光谱的处理方式通常由两种，一种是基于干涉原理的离散傅里叶变换(discrete fourier transform，dft)算法提取厚度，另一种则是基于光学模型的拟合。反射光谱法易受光源稳定性的影响，难以测量纳米级薄膜，但在表征厚度在百微米级薄膜时，受光源稳定性的影响大大降低。

10、在薄膜器件当中，薄膜厚度范围从几纳米到几微米，而衬底的厚度范围在几百微米，薄膜厚度与衬底厚度差异大。目前尚没有一种测量技术可以涵盖如此大的厚度范围，而且mems器件中，存在典型高深宽比结构的槽深，膜厚存在着厚度差异大、材质不同等情况，使得测量困难或测量精度较低。

技术实现思路

1、本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法及系统。

2、本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

3、一种用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法，包括以下步骤：

4、步骤1，待测样品为包含n层薄膜及硅基底的多层介质材料；设；zi为第i层介质厚度，ni为第i层介质折射率，i为介质层编号，其中薄膜介质层编号为1～n，硅基底的介质层编号为n+1；其中ni为已知参数；配置反射率已知的标准样品、参考样品；

5、步骤2，设置复合光谱测量结构，复合光谱测量结构设置可见光谱差分反射测量模块和近红外反射光谱测量模块；可见光谱差分反射测量模块用于测量多层材料中各层薄膜厚度；近红外反射光谱测量模块用于测量多层材料的复合光学厚度；

6、可见光谱差分反射测量模块设置测量光路和参考光路双光路，在测量光路中设置用于耦合可见光测量光束和近红外测量光束的二向色镜；

7、可见光谱差分反射测量模块，其设置第一分束器，其输出非偏振平行可见光测量光束，经第一分束器分为两束，一束进入测量光路，另一束进入参考光路；

8、在测量光路末端放置标准样品，在参考光路末端放置参考样品；可见光谱差分反射测量模块输出可见光测量光束，分别经过测量光路及参考光路对应入射至标准样品及参考样品，可见光谱差分反射测量模块分别采集来自标准样品和参考样品的可见光差分反射光谱数据，对测量光路和参考光路两光路的通光系数比进行标定；设t为测量光路、参考光路两者光路通光系数比；

9、将测量光路末端的标准样品更换为待测样品，可见光谱差分反射测量模块输出可见光测量光束，并分别采集来自待测样品和参考样品的可见光差分反射光谱数据；

10、测量光路中设有二向色镜；使用二向色镜将可见光与近红外光耦合于测量光路；近红外反射光谱测量模块输出近红外测量光束，近红外测量光束通过二向色镜进入测量光路，入射至待测样品；近红外反射光谱测量模块经由二向色镜采集待测样品的近红外反射光谱数据；

11、步骤3，建立待测样品的包含n层薄膜的分层介质堆叠模型，每层介质模型用关于介质厚度与对应介质折射率乘积的特性矩阵表示；由测量光路和参考光路两光路的通光系数比来校正待测样品的可见光差分反射光谱数据；由待测样品的可见光差分反射光谱数据，获得待测样品的可见光差分反射光谱曲线；利用可见光差分反射光谱曲线拟合算法对各层薄膜的厚度进行拟合运算，获得待测样品的各层薄膜厚度值z1～zn；

12、步骤4，由近红外反射光谱测量模块采集的待测样品的近红外反射光谱数据，采用傅里叶算法得到

13、步骤5，设：则硅基底厚度zn+1由下式求得：

14、

15、其中，z1～zn由步骤3得到；a由步骤4得到。

16、进一步地，步骤2中，对测量光路和参考光路两光路的通光系数比进行标定的方法包括如下分步骤：

17、步骤2a-1，可见光谱差分反射测量模块设置可见光光谱仪，使可见光光源输出非偏振平行可见光光束，经第一分束器分为两束，一束进入测量光路，另一束进入参考光路；在测量光路和参考光路中设置用于通断光路的挡光板；

18、步骤2a-2，打开测量光路的挡光板，关闭参考光路的挡光板，进入测量光路的可见光光束通过二向色镜后照射至标准样品表面；由可见光光谱仪采集标准样品的可见光差分反射光谱数据；

19、步骤2a-3，打开参考光路的挡光板，关闭测量光路的挡光板，进入参考光路的可见光光束照射至参考样品表面；由可见光光谱仪采集参考样品的可见光差分反射光谱数据；

20、步骤2a-4，将参考光路与测量光路的光学挡板均关闭，由可见光光谱接收模块采集光路系统的暗噪声光路光谱信号。

21、进一步地，对测量光路和参考光路两光路的通光系数比进行标定时，设：参考光路中参考样品的反射光强为ir0，测量光路中标准样品的反射光强为is0，系统暗噪声光强为id0，参考样品的反射率为rr，标准样品的反射率为rs，则测量光路、参考光路两者光路通光系数比t的计算公式如下：

22、

23、进一步地，步骤3包括如下方法步骤：

24、步骤3-1，确定待测样品的n层薄膜结构，逐层建立各层薄膜的介质模型，其中每层介质模型用关于介质厚度与对应介质折射率乘积的特性矩阵表示，整体堆叠模型由各层介质模型的特性矩阵相乘得到；

25、设mi(zi)表示关于第i层介质厚度的特性矩阵；

26、mi(zi)的计算公式如下：

27、

28、其中：k0＝2π/λ；

29、式中：

30、λ表示平面入射光波的波长；

31、θ表示平面入射光波的等相面的法线与介质堆叠方向的夹角；

32、εi为第i层介质介电常数；

33、μi为第i层介质磁导率；

34、设m(zw)表示由n层薄膜分层堆叠的整体堆叠模型，则有：

35、m(zw)＝m1(z1)m2(z2)…mn(zn)；

36、步骤3-2，由m(zw)按照下式计算理论待测样品的可见光差分反射光谱数据：

37、

38、式中：

39、drc为理论待测样品的可见光差分反射光谱数据；

40、muv为m(zw)的第u行第v列元素；

41、u为m(zw)的矩阵元素的行编号；

42、v为m(zw)的矩阵元素的列编号；

43、ne为最后一层介质折射率；

44、n1为第一层介质折射率；

45、r0为参考样品反射率；

46、步骤3-3，设：参考光路中参考样品的反射光强为ir，测量光路中待测样品的反射光强为it，系统暗噪声光强为id，由测量光路和参考光路两光路的通光系数比t，按照下式来校正实测待测样品的可见光差分反射光谱数据：

47、

48、drm为实测待测样品的可见光差分反射光谱数据；

49、步骤3-4，根据在不同可见光波段下各分界面反射率确定各分界面处反射光强，进而确定反射光束中的最强干涉项，来确定傅里叶变换提取的峰值所对应的介质厚度；使用drc对drm进行拟合，依次求解中间层介质的厚度z1～zn。

50、进一步地，步骤3-4中，根据在不同波段下各分界面反射率确定各分界面处反射光强的方法包括如下方法步骤：

51、设入射光强为i0，第i层介质上表面处反射光强为ii，ii与入射光强i0的关系如下所示：

52、

53、其中：

54、式中：

55、tij表示第i层介质和第j层介质的分界面处的透射率；

56、rij表示第i层介质和第j层介质的分界面处的反射率；

57、为第i层介质的复折射率；

58、ki为第i层介质上表面处反射光强的系数。

59、进一步地，步骤4中，根据在不同近红外光波段下各分界面反射率确定各分界面处反射光强，进而确定反射光束中的最强干涉项，来确定傅里叶变换提取的峰值所对应的介质厚度；采用如下傅里叶算法得到a：

60、设反射光束中的最强干涉项频率为f，f的计算公式如下：

61、

62、使用傅里叶变换由f的值得到a的值。

63、本发明还提供了一种实现上述的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量系统，包括可见光谱差分反射测量模块、近红外反射光谱测量模块及二向色镜；

64、可见光谱差分反射测量模块包括：可见光光源模块、可见光光谱接收模块、第一分束器、测量光路、参考光路；其中：

65、可见光光源模块，用于输出宽波段的准直非偏振的可见光测量光束；

66、可见光光谱接收模块，用于采集可见光波段下的可见光测量光束反射光谱信号或者差分反射光谱信号；

67、测量光路，用于将测量光束聚焦至待测样品或标准样品表面形成微区域光斑；

68、参考光路，用于将测量光束聚焦至参考样品表面形成微区域光斑；

69、可见光光源模块输出的可见光测量光束，经第一分束器分为两束，一束进入测量光路，照射至待测样品或标准样品表面；另一束进入参考光路，照射至参考样品表面；

70、可见光光谱接收模块包括可见光接收光路和可见光光谱仪；可见光接收光路接收待测样品、参考样品或标准样品对可见光测量光束的反射光，并输入至可见光光谱仪；

71、近红外反射光谱测量模块包括近红外光源模块及近红外光谱仪，近红外光源模块用于输出平行近红外光测量光束，近红外光测量光束照射于待测样品；近红外光谱仪采集待测样品对近红外光测量光束反射后输出的近红外反射光谱；

72、二向色镜设置在测量光路中；可见光光源模块输出的可见光光束与近红外光源模块输出的近红外光光束通过二向色镜汇聚后照射于待测样品。

73、进一步地，测量光路和参考光路中均设有用于通断光路的挡光板；测量光路和参考光路两者均通过舵机控制挡光板实现光路通断。

74、进一步地，还包括照明模块及显微图像采集模块；照明模块用于采用临界照明的方式照亮样品的待测区域；显微图像采集模块用于采集样品待测区域的显微图像。

75、本发明具有的优点和积极效果是：本发明结合宽波段可见光和窄波段近红外光两类光源，采用复合光谱测量方法测量薄膜和硅基底厚度。可通过一次测量，获得全光谱的差分反射光谱和反射光谱，测量速度快，稳定性高。

76、其具有如下优点：

77、(1)可实现可见光宽波段下同时采集差分反射光谱和反射光谱，并采集近红外窄波段下的反射光谱。两种测量模式和波段的组合，保证了系统的测量能力能够完成纳米级到百微米级别膜层厚度的测量。

78、(2)可以使用参考光路降低系统及环境引起的噪声干扰。

79、(3)丰富的波段下的光谱信息，结合傅里叶变换或光学模型拟合算法，可以完成多层膜厚度的解算。

80、(4)配备显微图像采集模块，可以使用系统强大的测量能力完成一些微纳结构(如刻蚀的槽/孔)的特征参数的测量。

技术特征：

1.一种用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法，其特征在于，步骤2中，对测量光路和参考光路两光路的通光系数比进行标定的方法包括如下分步骤：

3.根据权利要求2所述的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法，其特征在于，对测量光路和参考光路两光路的通光系数比进行标定时，设：参考光路中参考样品的反射光强为ir0，测量光路中标准样品的反射光强为is0，系统暗噪声光强为id0，参考样品的反射率为rr，标准样品的反射率为rs，则测量光路、参考光路两者光路通光系数比t的计算公式如下：

4.根据权利要求2所述的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法，其特征在于，步骤3包括如下方法步骤：

5.根据权利要求4所述的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法，其特征在于，步骤3-4中，根据在不同波段下各分界面反射率确定各分界面处反射光强的方法包括如下方法步骤：

6.根据权利要求1所述的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法，其特征在于，步骤4中，根据在不同近红外光波段下各分界面反射率确定各分界面处反射光强，进而确定反射光束中的最强干涉项，来确定傅里叶变换提取的峰值所对应的介质厚度；采用如下傅里叶算法得到a：

7.一种实现权利要求1至6任一所述的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量系统，其特征在于，包括可见光谱差分反射测量模块、近红外反射光谱测量模块及二向色镜；

8.根据权利要求7所述的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量系统，其特征在于，测量光路和参考光路中均设有用于通断光路的挡光板；测量光路和参考光路两者均通过舵机控制挡光板实现光路通断。

9.根据权利要求7所述的用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量系统，其特征在于，还包括照明模块及显微图像采集模块；照明模块用于采用临界照明的方式照亮样品的待测区域；显微图像采集模块用于采集样品待测区域的显微图像。

技术总结
本发明公开了一种用于测量薄膜和硅基底厚度的复合光谱测量方法及系统，该方法设置测量光路和参考光路双光路，使待测样品放在测量光路末端，使参考样品放在参考光路末端，使白光光源输出非偏振平行白光光束，经分束器分为两束，一束进入测量光路，另一束进入参考光路；分别入射在待测样品及参考样品上；收集待测样品及参考样品两者对白光光束的反射光，得到差分反射光谱信号；利用光谱数据曲线拟合算法获得待测样品的各层膜厚度值；使用二向色镜将可见光与近红外光耦合于同一系统，采集待测样品在近红外光波段下的反射光谱，采用傅里叶算法计算待测样品复合光学厚度；由各层膜厚度值和复合光学厚度求得硅基底厚度。本发明测量速度快，稳定性高。

技术研发人员：胡春光,孙新磊,白承沛,王子政,姚程源,沈万福
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23