薄膜厚度的测量装置的制作方法

本实用新型涉及测量技术领域，尤其涉及一种薄膜厚度的测量装置。

背景技术：

薄膜技术在各个高科技领域，发挥着越来越重要的作用。在近代科学技术的许多部门中对各种薄膜的研究和应用日益广泛。对于薄膜，膜厚和折射率是重要的参数，在一定的程度上决定着薄膜的力学性能、电磁性能、光电性能以及光学性能。因而准确地测量薄膜的厚度和折射率已变得非常迫切和重要。

椭圆偏振法是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法，它能够在高真空、空气、水气等各种环境下使用。椭圆偏振法具有灵敏度高(可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化)、精度高(比一般的干涉法高一至二个数量级)、非破坏性的特点。目前椭圆偏振法测量已在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用。但是，椭圆偏振法的缺点在于，对于厚度较薄的超薄薄膜，例如栅氧化物层，其厚度仅为2～5nm，椭圆偏振法的测量不准确；对于多层薄膜层交叠设置的结构，例如，sin/oxide/sin薄膜结构或者sin/oxide薄膜结构，薄膜层之间会干涉，导致椭圆偏振法的测量不准确。

因此，亟需一种上述厚度较薄的超薄薄膜及多层薄膜层交叠设置的结构的厚度的测量方法。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种薄膜厚度的测量装置，其能够实现对超薄单层薄膜的厚度及多层薄膜层交叠设置的结构的薄膜层的厚度的准确测量。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种薄膜厚度的测量装置，其包括：样品承载台，参考样品及待测样品能够放置在所述样品承载台上；第一测量组件，能够实现第一测量方法；第二测量组件，能够实现第二测量方法；比较模块，用于将所述第一测量组件的测量结果与第二测量组件的测量结果进行比较，以得到校准参数；校准模块，利用所述校准参数对所述第一测量组件的测量结果进行校准。

在一实施例中，所述第一测量方法是椭圆偏振法，所述第一测量组件包括：光源，设置在所述样品承载台上方，能够产生一线偏振光；探测器，能够接收并检测所述参考样品或所述待测样品的反射光的光强；处理器，与所述探测器电连接，接收所述探测器的信号并转换为所述参考样品或所述待测样品的薄膜层的厚度，所述参考样品或所述待测样品的薄膜层的厚度为所述第一测量组件的测量结果。

在一实施例中，所述第二测量方法是x射线光电子能谱分析方法，所述第二测量组件包括：x射线源，设置在所述样品承载台上方，能够产生预设波段的x射线；磁谱仪，设置在所述参考样品下方，用于汇聚x射线产生的光电子；分析仪，能够获取所述光电子，并根据所述光电子信息得到所述参考样品的薄膜层的厚度，所述参考样品的薄膜层的厚度为所述第二测量组件的测量结果。

本实用新型的优点在于，在大大节省测量时间的情况下，实现对超薄单层薄膜的厚度及多层薄膜层交叠设置的结构的薄膜层的厚度的准确测量。

附图说明

图1是本实用新型薄膜厚度的测量方法的第一具体实施方式的步骤示意图；

图2是薄膜厚度的测量方法的第二具体实施方式的步骤示意图；

图3是测量装置的一个具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型提供的薄膜厚度的测量装置的具体实施方式做详细说明。

所述薄膜厚度的测量方法可测量超薄单层薄膜的厚度及多层薄膜层交叠设置的结构的某一层薄膜层的厚度。

图1是本实用新型薄膜厚度的测量方法的第一具体实施方式的步骤示意图。在本具体实施方式中，以测量超薄单层薄膜的厚度为例进行说明，所述超薄单层薄膜的厚度小于10nm。请参阅图1，薄膜厚度的测量方法包括如下步骤：

首先，获得校准参数。具体步骤如下：

步骤s10，采用第一测量方法测量参考样品的薄膜层的厚度，得到所述参考样品的薄膜层的第一厚度。

所述参考样品与需要测量薄膜厚度的待测样品为同类型的样品，即所述参考样品与所述待测样品为相同的产品。例如，所述待测样品的结构为衬底上设置一层氧化物薄膜层，则所述参考样品的结构也为衬底上设置一层氧化物薄膜，且参考样品与待测样品的氧化物薄膜的厚度基本相同。进一步，可在待测样品中选取一个样品作为所述参考样品，以使所述参考样品具有可参考性。

在本具体实施方式中，所述第一测量方法为椭圆偏振法。所述椭圆偏振法为现有的较为常用的测量薄膜厚度的一种方法，其测量薄膜厚度的原理是通过测量经被测物体反射后光线的偏振态的强度和相位变化(即椭偏参数ψ和δ)，来获得样品的厚度信息。

步骤s11，采用第二测量方法测量所述参考样品的薄膜层的厚度，得到所述参考样品的薄膜层的第二厚度。

在该步骤中，采用第二测量方法再次测量所述参考样品的薄膜层的厚度。所述第二测量方法与所述第一测量方法为不同的测量方法，由于两种测量方法的测量精度或者灵敏度不同，可能会使得所述参考样品的薄膜层的第一厚度与第二厚度不同。

在本具体实施方式中，所述第二测量方法是x射线光电子能谱分析方法。x射线光电子能谱分析(x-rayphotoelectronspectroscopy,xps)方法是用x射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子，可以测量光电子的能量，以光电子的动能为横坐标，相对强度(脉冲/s)为纵坐标可做出光电子能谱图，从而获得待测物的组成及厚度。

步骤s12，将所述第一厚度与所述第二厚度进行比较，得到所述校准参数。

在该步骤中，可将所述第一厚度与所述第二厚度作差，将得到的差值作为所述校准参数。例如，采用第一测量方法得到参考样品的薄膜层的第一厚度为2.3673nm，采用第二测量方法得到的参考样品的薄膜层的第二厚度为4.1454nm，则将所述第二厚度与所述第一厚度的差值1.7781nm作为所述校准参数。

其次，获得待测样品的薄膜层的厚度。具体步骤如下：

步骤s13，采用所述第一测量方法测量待测样品的薄膜层的初始厚度。

所述待测样品与所述参考样品为同类型样品，且在测量步骤中测量的薄膜层也为相同薄膜层。即在该步骤中测量的所述待测样品的薄膜层与在获取校准参数的步骤中测量的所述参考样品的薄膜层为相同薄膜层。例如，在本具体实施方式中，在获取校准参数的步骤中所述参考样品作为测量物的薄膜层为设置在衬底上的氧化物层，则在该步骤中，所述待测样品作为测量物的薄膜层也为设置在衬底上的氧化物层。

在本具体实施方式中，所述第一测量方法与测量所述参考样品的薄膜层的厚度的第一测量方法相同，也为椭圆偏振法。

步骤s14，采用所述校准参数对所述初始厚度进行校准，得到该待测样品的薄膜层的厚度。在该步骤中，可将初始厚度与所述校准参数进行求和，得到所述待测样品的薄膜层的厚度。例如，所述初始厚度为2.2732nm，所述校准参数为1.7781nm，则所述待测样品的薄膜层的厚度为4.0513nm。

进一步，在本具体实施方式中，重复步骤s13及步骤s14，对同一批次的多个待测样品进行测量，以得到该批次的多个待测样品的准确厚度。

现有的所述椭圆偏振法对厚度较薄的超薄薄膜的厚度及多层薄膜层交叠设置的结构的薄膜层的厚度的测量准确度不高，而x射线光电子能谱分析方法的测量速度慢，会浪费大量的测量时间，因此，本实用新型采用x射线光电子能谱分析方法对所述椭圆偏振法进行校准并获得校准参数，再采用椭圆偏振法测量待测样品的薄膜层的厚度，并采用校准参数对测量结果进行校准，从而能够在保证测量准确度的同时大大节省测量时间。另外，由于x射线光电子能谱分析方法的灵敏度小于10nm，其对厚度较厚的薄膜层的测量准确度不高，则在采用同一个测量装置测量薄膜层厚度时，对厚度较厚的待测样品不采用所述x射线光电子能谱分析方法进行校准，直接采用椭圆偏振法测量薄膜层的厚度即可；对厚度较薄或者具有多层薄膜层交叠设置的结构的待测样品可采用本实用新型的测量方法进行测量。

本实用新型还提供薄膜厚度的测量方法的第二具体实施方式。所述第二具体实施方式与所述第一具体实施方式的区别在于获得校准参数的方法不同。图2是薄膜厚度的测量方法的第二具体实施方式的步骤示意图。请参阅图2，所述第二具体实施方式包括如下步骤：

步骤s20，在参考样品上选取多个测量点，采用第一测量方法测量所述参考样品的薄膜层在测量点处的厚度，得到所述参考样品的薄膜层在测量点处的第一厚度。在该步骤中，可将在后续步骤中待测样品需要进行测量的测量点作为所述参考样品的测量点。由于在参考样品上选取多个测量点，则该步骤可得到多个测量点的第一厚度。

步骤s21，采用第二测量方法测量所述参考样品的薄膜层在测量点处的厚度，得到所述参考样品的薄膜层在测量点处的第二厚度。在该步骤可得到多个测量点的第二厚度。

步骤s22，将每一个测量点的所述第一厚度与所述第二厚度进行比较，得到初始参数。在该步骤中，每一个测量点对应一个初始参数，则可得到多个初始参数。

步骤s23，将多个初始参数进行标准化，得到所述校准参数。在本具体实施方式中，将多个初始参数进行标准化的方法为取多个初始参数的平均值，并将该平均值作为所述校准参数，进而进一步提高所述校准参数的准确性。

步骤s24，采用所述第一测量方法测量所述待测样品的薄膜层在测量点处的初始厚度。在该步骤中，所述待测样品的测量点的选择与所述参考样品的测量点的选择相同，以进一步提高所述校准参数的可参考性。

步骤s25，采用所述校准参数对所述初始厚度进行校准，得到该待测样品的薄膜层在测量点处的厚度。

在本具体实施方式中，对参考样品的多个测量点进行测量而获得一校准参数，其准确度更高。

本实用新型还提供一种实现上述的测量方法的测量装置的具体实施方式。图3是测量装置的一具体实施方式的结构示意图。请参阅图3，所述测量装置包括样品承载台30、第一测量组件31、第二测量组件32、比较模块33及校准模块34。在图3中采用实线箭头示意性地绘示所述第一测量组件31的测量路径，采用虚线箭头示意性地绘示第二测量组件32的测量路径。

当需要进行测量时，样品40能够放置在所述样品承载台30上。其中，所述样品为参考样品或待测样品。

所述第一测量组件31能够实现第一测量方法。在本具体实施方式中，所述第一测量组件31为能够实现椭圆偏振法测量薄膜厚度的装置。所述第一测量组件31包括光源310、探测器311及处理器312。

所述光源310设置在所述样品承载台30上方，能够产生一线偏振光。所述光源310可经过一起偏器313而产生所述线偏振光。所述光源发射的线偏振光经所述样品40反射后形成一反射光。在本具体实施方式中，所述光源310设置在所述样品40的布鲁斯特角的方向，以使得所述反射光为线偏振光，且其振动方向与入射面垂直。

所述探测器311能够接收并检测所述样品40的反射光的光强。进一步，所述探测器311之前还包括一检测仪314，所述检测仪314能够确定反射光的偏振状态。

所述处理器312与所述探测器311电连接，接收所述探测器311的信号并转换为所述样品的薄膜层的厚度，所述样品的薄膜层的厚度为所述第一测量组件的测量结果。

所述第二测量组件32能够实现第二测量方法。在本具体实施方式中，所述第二测量组件32为能够实现x射线光电子能谱分析方法测量薄膜厚度的装置，其需要置于真空环境中。所述第二测量组件32包括x射线源321、磁谱仪322及分析仪323。

所述x射线源321设置在所述样品承载台30上方，能够产生预设波段的x射线。进一步，所述x射线源321包括高能电子枪321a、阳极靶材321b及巨型单色仪321c。所述高能电子枪321a产生高能电子流，高能电子流轰击所述阳极靶材321b，所述阳极靶材321b产生荧光x射线，所述巨型单色仪321c筛选出特定波段荧光x射线并将其聚焦至所述样品40。在采用第二测量组件32进行测量时，所述样品40为参考样品。

所述磁谱仪322设置在所述样品40下方，用于汇聚所述x射线源321产生的光电子。

所述分析仪323能够获取逸出的所述光电子，并根据所述光电子信息得到所述样品的薄膜层的厚度，所述样品的薄膜层的厚度为所述第二测量组件的测量结果。在本具体实施方式中，所述分析仪323为半球分析仪。

其中，所述比较模块33及所述校准模块34可集中在一控制器中，所述比较模块33可为比较器，所述校准模块34可为加法器。

所述比较模块33用于将所述第一测量组件31的测量结果与第二测量组件32的测量结果进行比较，以得到校准参数。当所述第一测量组件31的测量结果为参考样品的第一厚度、所述第二测量组件32的测量结果为所述参考样品的第二厚度时，所述比较模块33将两个测量结果进行比较，得到校准参数。

校准模块34利用所述校准参数对所述第一测量组件31的测量结果进行校准。获得校准参数后，所述第一测量组件31对待测样品进行测量，得到一待测样品的测量结果，则所述校准模块34利用校准参数对该待测样品的测量结果进行校准，以得到所述待测样品的薄膜层的厚度的准确值。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。