一种薄膜厚度测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种薄膜厚度测量方法及系统，该系统包括：照明光学装置，用于产生一锥状光束投射至样品的薄膜表面上一点；成像光学装置，包括聚焦透镜和图像采集模块；所述聚焦透镜将从样品表面反射的光按照入射角从小到大的顺序投射到所述图像采集模块上，所述图像采集模块探测得到样品表面光束的反射强度信息，并根据反射强度信息建立反射率与入射角度之间的关系曲线；薄膜厚度解析装置，利用反射率与入射角度之间的关系曲线和斯涅耳定律构建反射率与折射角度余弦值的函数，并通过对所述函数进行傅里叶变换解析得到样品的薄膜厚度。本发明专利技术不仅测量精度高，而且光路简单、紧凑稳定，成本低，易于实现在线测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电精密测量领域，具体涉及薄膜厚度测量方法及系统。
技术介绍
在膜厚测量方法中，光学方法是应用最为广泛的方法之一，具有非接触性、高灵敏度性和高精度性等优点，主要包括椭圆偏振法（椭偏法）、光谱法和反射角度分布法。其中，椭偏法具有很高的测试灵敏度和精度，但是很容易受到各种参数影响，系统的各种误差、环境噪声、样品表面粗糙度、待测薄膜与数学色散模型的差异等会导致测量结果的稳定性变差；光谱法以光的干涉理论为基础，通过测量反射率R（或透过率T）随波长变化的曲线，计算薄膜的厚度和光学常数，该方法计算过程简单，测量精度也较高，但却存在以下缺点：（1）放置样品不妥，会改变照明光束的角度分布，导致测量结果不稳定；（2）为了增加测量精度，需要针对不同的基底材料进行参数校正，导致测量过程繁琐，测量时间过长。为了克服以上两种方法存在的缺陷，提出了一种利用单色光干涉效应测量薄膜厚度的方法，该方法利用样品的薄膜表面反射光束的强度和入射角之间的关系曲线（R(θ)函数），通过“条纹计数”获取条纹周期，进而结合相关公式计算获得膜厚参数；然而当薄膜反射率较低、所取得反射率信号的信噪比比较小时，很难通过条纹计数方式正确获得条纹的周期信息，从而降低整个膜厚测量精度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有利用单色光干涉效应测量薄膜厚度的方法，在薄膜反射率较低、所取得反射率信号的信噪比比较小时，很难通过条纹计数方式正确获得条纹的周期信息，从而降低整个膜厚测量精度的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是提供一种薄膜厚度测量系统，包括：照明光学装置，用于产生一锥状光束投射至样品的薄膜表面上一点；成像光学装置，包括聚焦透镜和图像采集模块；所述聚焦透镜将从样品表面反射的光按照入射角从小到大的顺序投射到所述图像采集模块上，所述图像采集模块探测得到样品表面光束的反射强度信息，并根据反射强度信息建立反射率与入射角度之间的关系曲线；薄膜厚度解析装置，利用反射率与入射角度之间的关系曲线和斯涅耳定律构建反射率与折射角度余弦值的函数，并通过对所述函数进行傅里叶变换解析得到样品的薄膜厚度。在上述系统中，所述照明光学装置包括光源、偏振片、第一显微物镜、针孔、准直透镜和第二显微物镜，其中，所述针孔位于所述准直透镜的焦平面上；所述光源发射的适合波长的光通过所述偏振片得到偏振光，并由所述第一显微物镜进行汇聚经过所述针孔滤除杂散光，再由所述准直透镜进行准直输出平行光束，入射至所述第二显微物镜，将平行光束汇聚为锥状光束，入射至样品的薄膜表面上一点。在上述系统中，所述图像采集模块为线阵相机。在上述系统中，所述光源为单色光源或是激光光源。在上述系统中，所述准直透镜和聚焦透镜为平凸透镜。在上述系统中，所述第二显微物镜的选取准则为：长工作距离、大数值孔径物镜。本专利技术还提供了一种薄膜厚度测量方法，包括以下步骤：步骤S10、选取合适波长的偏振光源，进行扩束、准直、聚焦处理得到一锥状光束，并投射到样品的薄膜表面同一位置；步骤S20、将从样品表面反射的光按照入射角从小到大的顺序投射到图像采集模块上，探测得到样品表面光束的反射强度信息，并根据反射强度信息建立反射率与入射角度之间的关系曲线；步骤S30、利用反射率与入射角度之间的关系曲线和斯涅耳定律构建反射率与折射角度余弦值的函数，并通过对所述函数进行傅里叶变换解析得到样品的薄膜厚度。在上述方法中，在步骤S20中，根据反射强度信息建立的曲线为样品表面S分量光波的反射率与入射角度之间的关系曲线；相应的，在步骤S30中，利用所述S分量光波的反射率与入射角度之间的关系曲线和斯涅耳定律构建的函数为样品表面S分量光波的反射率与折射角度余弦值的函数。在上述方法中，步骤S30具体包括以下步骤：步骤S31、利用斯涅耳定律，变换样品表面S分量光波的反射率与入射角度之间的关系曲线对应函数的入射角度变量，得到S分量光波的反射率和折射角余弦值的函数Rs～cosθ2，步骤S32、采集样品的基底材料表面反射强度信息，得到基底材料表面S分量光波的反射率与入射角度之间的关系曲线，并采用步骤S31同样的原理得到基底材料表面S分量光波的反射率与折射角余弦值的函数R0s～cosθ2；步骤S33、通过使步骤S31与S32中得到的两个函数做差，得到薄膜表面S分量光波的反射率与折射角余弦值的函数R1s～cosθ2；步骤S34、根据已知参数，计算得到薄膜厚度与基频位置的关系函数；步骤S35、对薄膜表面S分量光波的反射率与折射角余弦值的函数R1s～cosθ2进行傅里叶变换，获得归一化频谱信息，确定零频与基频之间距离；步骤S36、将步骤S35中得出的基频与零频之间的距离作为横坐标代入步骤S34得到的关系函数，计算得到薄膜厚度值。在上述方法中，步骤S34中所述已知参数包括空气折射率n1、薄膜折射率n2和基底材料折射率n3以及入射光波长λ。本专利技术提出傅里叶变换解析方法，利用空域与频域的对应关系，通过频域信息获取空域的条纹周期，解析获得薄膜厚度，与现有技术相比，具有以下优点：（1）提出了一种新的膜厚解析算法，采用傅里叶变换，通过分析反射光强曲线的频谱，解析薄膜的膜厚，避免了传统方法中的条纹计数及峰值定位过程，提高了测量精度；（2）利用一束汇聚光束即可实现多个角度入射，避免了传统方法中的机械转动过程，结合图像采集模块（线阵相机）可以极大缩短测量时间，提高测量效率，拓展应用范围；（3）本专利技术测量过程属于非接触式测量，不会对样品表面造成损伤；（4）本专利技术采用的光路简单，调节方便，紧凑稳定，成本低，易于实现在线测量。附图说明图1为光束在样品的薄膜上反射及折射的示意图；图2为样品表面S分量光波的反射率Rs随薄膜层中折射角θ2余弦值变化的曲线示意图；图3为同一坐标内，样品表面S分量光波的反射率Rs随薄膜层中折射角θ2余弦值变化的曲线（实线）与基底材料表面S分量光波的反射率R0s随薄膜层中折射角θ2余弦值变化的曲线（虚线）示意图；图4为R1s（R0s-Rs）随薄膜层中折射角θ2的余弦值变化曲线示意图，其中，薄膜厚度d=5μm，空气折射率n1=1，单层薄膜折射率n2=1.47，基底材料折射率n3=1.6，入射光波长λ=635nm；图5为与图4相比，薄膜厚度增加后，R1s随薄膜层中折射角θ2的余弦值变化曲线示意图，其中，薄膜厚度d=10μm，空气折射率n1=1，单层薄膜折射率n2=1.47，基底材料折射率n3=1.6，入射光波长λ=635nm；图6为图4中曲线的归一化频谱图；图7为图5中曲线的归一化频谱图；图8为本专利技术提供的一种薄膜厚度测量系统的结构框图；图9为本专利技术提供的一种薄膜厚度测量系统的反射式结构示意图；图10为本专利技术提供的一种薄膜厚度测量方法的流程图；图11为本专利技术步骤30中构建的样品表面S分量光波的反射率Rs与入射角度之间的关系曲线Rs～θ1图，入射角变化范围为10°～83°；图12为本专利技术步骤30中构建的基底材料表面S分量光波的反射率R0s与入射角度之间的关系曲线R0s～θ1图，入射角变化范围为10°～83°；图13为本专利技术中步骤30的具体流程图；图14为本专利技术中样品表面S分量光波的反射率与入射角度之间的关系曲线（实线）以及基底材料表面S分量光波的反射率与入射角度之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜厚度测量系统，其特征在于，包括：照明光学装置，用于产生一锥状光束投射至样品的薄膜表面上一点；成像光学装置，包括聚焦透镜和图像采集模块；所述聚焦透镜将从样品表面反射的光按照入射角从小到大的顺序投射到所述图像采集模块上，所述图像采集模块探测得到样品表面光束的反射强度信息，并根据反射强度信息建立反射率与入射角度之间的关系曲线；薄膜厚度解析装置，利用反射率与入射角度之间的关系曲线和斯涅耳定律构建反射率与折射角度余弦值的函数，并通过对所述函数进行傅里叶变换解析得到样品的薄膜厚度。

【技术特征摘要】
1.一种薄膜厚度测量系统，其特征在于，包括：照明光学装置，用于产生一锥状光束投射至样品的薄膜表面上一点；成像光学装置，包括聚焦透镜和图像采集模块；所述聚焦透镜将从样品表面反射的光按照入射角从小到大的顺序投射到所述图像采集模块上，所述图像采集模块探测得到样品表面光束的反射强度信息，并根据反射强度信息建立反射率与入射角度之间的关系曲线；薄膜厚度解析装置，利用反射率与入射角度之间的关系曲线和斯涅耳定律构建反射率与折射角度余弦值的函数，并通过对所述函数进行傅里叶变换解析得到样品的薄膜厚度。2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述照明光学装置包括光源、偏振片、第一显微物镜、针孔、准直透镜和第二显微物镜，其中，所述针孔位于所述准直透镜的焦平面上；所述光源发射的适合波长的光通过所述偏振片得到偏振光，并由所述第一显微物镜进行汇聚经过所述针孔滤除杂散光，再由所述准直透镜进行准直输出平行光束，入射至所述第二显微物镜，将平行光束汇聚为锥状光束，入射至样品的薄膜表面上一点。3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述图像采集模块为线阵相机。4.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述光源为单色光源或是激光光源。5.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述准直透镜和聚焦透镜为平凸透镜。6.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述第二显微物镜的选取准则为：长工作距离、大数值孔径物镜。7.一种薄膜厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S10、选取合适波长的偏振光源，进行扩束、准直、聚焦处理得到一锥状光束，并投射到样品的薄膜表面同一位置；步骤S20、将从样品表面反射的光按照入射角从小到大的顺序投射到图像采集模块上，探测得到样品表面光束的反射强度信息，并根据反射强度信...

【专利技术属性】
技术研发人员：程菊，边心田，雷枫，
申请(专利权)人：淮阴师范学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32