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

本发明属于薄膜形貌检测，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、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；

5、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。

6、优选的，所述步骤s1包括：

7、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；

8、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。

9、优选的，所述等效光程算法包括：

10、

11、

12、

13、式中：i1,i2,i3,i4,i5分别为等间隔采样五帧干涉图像的光强；step为采样步距；v2表示调制度，n、s分别代表调制度最大的帧数与相位，h为待测薄膜高度。

14、优选的，所述步骤s2包括：

15、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；

16、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；

17、基于所述标定结果计算得到每处位置的高度信息。

18、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：

19、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；

20、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：

21、z＝a·x3+b·x2+c·x+d

22、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。

23、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：

24、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。

25、优选的，所述步骤s3中薄膜厚度计算公式为：

26、δ＝|h0-h1|；

27、式中，δ为薄膜厚度；h1为白光原子力扫描模式下测得的薄膜上表面高度；h0为白光原子力扫描模式下测得的薄膜介质衬底上表面高度。

28、所述薄膜折射率计算公式为：

29、

30、式中,n为薄膜折射率；h1为白光原子力扫描模式下测得的薄膜上表面高度；h0为白光原子力扫描模式下测得薄膜介质衬底表面高度；h0为白光干涉测量模式下测得的薄膜介质衬底上表面高度；h2为白光干涉测量模式下测得的薄膜下表面等光程调制高度。

31、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；

32、使用hilbert变换对所述预处理后的干涉条纹求解相位分布。

33、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。

34、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：

35、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；

36、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；

37、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。

38、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：

39、(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。

40、(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具有极高的精度，可用于测量亚微米级的薄膜厚度和折射率。

41、(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。

技术特征：

1.一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，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的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，其特征在于，所述步骤s1包括：

3.如权利要求2所述的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，其特征在于，所述等效光程算法包括：

4.如权利要求1所述的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，其特征在于，所述步骤s2包括：

5.如权利要求4所述的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，其特征在于，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：

6.如权利要求1所述的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，其特征在于，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：

7.如权利要求6所述的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，其特征在于，所述步骤s3中薄膜厚度计算公式为：

8.如权利要求7所述的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，其特征在于，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；

9.如权利要求1所述的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，其特征在于，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。

10.一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，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开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。本发明的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，通过结合扫描白光干涉技术测量原理与等效光程原理，完成扫描白光干涉数据标定与校正，得出薄膜材料折射率N。

技术研发人员：卢文龙,周庆,常素萍
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17