一种薄膜厚度测量方法技术

本发明专利技术提供一种薄膜厚度测量方法，包括：选取样品薄膜的多个数据点，利用椭偏仪测量得到样品薄膜的每一个数据点对应的椭偏参数；根据菲涅尔反射定律得到样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式；根据样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式，计算样品薄膜的每一个数据点对应的第一厚度初值；根据样品薄膜的多个数据点对应的多个第一厚度初值，确定样品薄膜的最终厚度初值。本发明专利技术克服了现有技术中计算量大，薄膜较薄时难以求解，以及波长范围较短时无法求解等情况，通过数个数据点的计算即可得到样品薄膜准确的厚度初值。

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜厚度测量方法
本专利技术涉及精密光学领域，更具体地，涉及一种薄膜厚度测量方法。
技术介绍
薄膜测量普遍应用于半导体行业、生物医药行业等领域，测量的主要目的是为了获取薄膜的厚度和光学常数等信息。在半导体制造行业中，常常需要较快的测量速度以及精确的测量结果，以反射率、椭偏等是目前常用的无损测量手段。椭偏仪是一种用于测量薄膜厚度和光学常数的光学设备，通常来说，椭偏仪的整个测量过程分为两个部分：(1)椭偏光谱测量，它的测量原理是利用非偏振光源通过偏振态发生器产生偏振光，当光入射到样品表面后，反射光发生偏振态改变，通过检偏器探测样品的椭偏光谱，它可以用振幅比角Ψ和相位差角Δ表示，从而获得相应样品的数据信息。当然，椭偏光谱也可通过Stokes参量NCS来表示：N＝cos2Ψ；C＝sin2ΨcosΔ；S＝sin2ΨsinΔ。由于它是一种间接量测的技术，一般测得的光谱数据信息并不能直接转换为样品的膜厚和光学常数，因此常需要建立合适的模型拟合分析。(2)数据分析和计算，得到椭偏光谱数据后，通常会采用一定的分析和计算手段，来得到样品的厚度和光学常数等信息。常用的分析计算手段是迭代算法，通常为信赖阈算法，其大概过程是从给定的厚度初值出发，逐步迭代寻求最优解，每次迭代会计算一个信赖域半径Δ0，然后结合当前厚度初值计算结果和实验值的差距，来计算初值更新的步长，直到计算结果与实验值差距小到一定程度，此时得到的厚度初值更新值就是要得到的结果。但迭代算法非常依赖第一步给定的厚度初值，如果厚度初值不合适，则会导致严重错误，无法得到正确解，要解决该问题需要采用全局优化算法，但全局算法计算时间过长，不具备实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种薄膜厚度测量方法，包括：选取样品薄膜的多个数据点，利用椭偏仪测量得到样品薄膜的每一个数据点对应的椭偏参数；根据菲涅尔反射定律得到样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式；根据样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式，计算样品薄膜的每一个数据点对应的第一厚度初值；根据样品薄膜的多个数据点对应的多个第一厚度初值，确定样品薄膜的最终厚度初值。在上述技术方案的基础上，本专利技术实施例还可以作出如下改进。可选的，多个数据点为多个入射光波长或多个入射角度。可选的，根据菲涅尔反射定律得到样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式为：其中，ρ是椭偏参数，λ是入射光波长，n1是样品薄膜的折射率，θ1为入射光在样品薄膜中的折射角，X是中间参数，A、B、C、E、F、G均为由反射定律得到的中间变量。可选的，根据样品薄膜的多个数据点对应的多个第一厚度初值，确定样品薄膜的最终厚度初值之前还包括：计算样品薄膜的每一个数据点对应的厚度周期值，其计算公式为：其中，λ是入射光波长，θ1是入射光在样品厚度薄膜中的折射角，n1是样品薄膜的折射率，D为厚度周期值。可选的，根据样品薄膜的多个数据点对应的多个第一厚度初值，确定样品薄膜的最终厚度初值包括：根据每两个数据点对应的第一厚度初值和厚度周期值，计算对应的一个第二厚度初值；基于计算出的多个第二厚度初值，采用聚类方法，确定样品薄膜的最终厚度初值。可选的，根据每两个数据点对应的第一厚度初值和厚度周期值，计算对应的一个第二厚度初值包括：建立如下等式：m1D1+d1＝m2D2+d2＝d’；其中，m1和m2是正整数，d1和d2是对应的两个第一厚度初值，D1和D2分别对应各自的厚度周期值；根据上述公式求解m1、m2和d’，其中，d为第二厚度初值。可选的，基于计算出的多个第二厚度初值，采用聚类方法，确定样品薄膜的最终厚度初值包括：对求解出的多个第二厚度初值进行聚类，清除异常的第二厚度初值；对聚类后保留下来的至少一个第二厚度初值求取平均值，将平均值确定为样品薄膜的最终厚度初值。可选的，样品薄膜为单层或多层样品薄膜。可选的，样品薄膜的椭偏参数为样品薄膜的斯托克斯参量。可选的，样品薄膜的椭偏参数为样品薄膜的振幅比角Ψ和相位差角Δ。本专利技术实施例提供一种薄膜厚度测量方法，针对现有的厚度求解方案厚度初值求解不准确，计算量大，薄膜较薄时无法求解等问题，通过菲涅尔反射定律，求出厚度解析解，在折射率都精确知道的情况下，以及表面粗糙度较低的情况下，可以非常精确的解出真实解，并且仅仅需要数个波长的数据即可，大大简化的计算过程。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种薄膜厚度测量方法流程图；图2为椭偏仪对样品薄膜的检测示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。图1为本专利技术实施例提供的一种薄膜厚度测量方法流程图，如图1所示，方法包括：101、选取样品薄膜的多个数据点，利用椭偏仪测量得到样品薄膜的每一个数据点对应的椭偏参数；102、根据菲涅尔反射定律得到样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式；103、根据样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式，计算样品薄膜的每一个数据点对应的第一厚度初值；104、根据样品薄膜的多个数据点对应的多个第一厚度初值，确定样品薄膜的最终厚度初值。可以理解的是，针对
技术介绍
中的缺陷，本专利技术实施例提出了一种可根据多个数据点的椭偏参数即可计算得到样品薄膜的厚度初值。其中，多个数据点可以选取n个入射光波长，或者n个入射角度，可统称为n个数据点，n≥3，通过椭偏仪计算每一个数据点对应的椭偏参数，本专利技术实施例以n个不同的波长来计算样品薄膜的n个椭偏参数。其中，样品薄膜的椭偏参数包括样品薄膜的斯托克斯参量，或者振幅比角Ψ和相位差角Δ，本专利技术实施例以样品薄膜的振幅比角Ψ和相位差角Δ为例进行说明，其中，样品薄膜可以为单层样品薄膜，也可以为多层样品薄膜。参见图2，为利用椭偏仪对样品薄膜进行检测的示意图，其中，已知的参数有：空气到薄膜的入射角θ0，空气折射率n0，样品薄膜折射率n1，基底折射率的实部N和虚部K，其中θ1和θ2间接已知，入射波长λ；此外还有实验所得反射光的椭偏光谱数据。本专利技术实施例中，采用复数形式的椭偏参数ρ表示反射光的椭偏光谱数据，反射光的振幅比角Ψ和相位差角Δ分别为椭偏参数ρ的实部和虚部，共计10个参数已知，一个厚度d未知。根据菲涅尔反射定律可以得到单次反射系数：其中，下标01，s表示入射光垂直反射面方向分量从介质0到介质1的反射系数，01，p表示入射光平行反射面方向分量的反射系数，其他类推。入射光照射至样品后，一般会经过多次折射反射的过程，因此需要求出总的反射系数：下标s和p仍然对应垂直和平行反射面的方向。实验中得到的椭偏参数ρ的公式如下：该公式给出了ρ、ψ、Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄膜厚度测量方法，其特征在于，包括：/n选取样品薄膜的多个数据点，利用椭偏仪测量得到样品薄膜的每一个数据点对应的椭偏参数；/n根据菲涅尔反射定律得到样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式；/n根据样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式，计算样品薄膜的每一个数据点对应的第一厚度初值；/n根据样品薄膜的多个数据点对应的多个第一厚度初值，确定样品薄膜的最终厚度初值。/n

【技术特征摘要】
1.一种薄膜厚度测量方法，其特征在于，包括：
选取样品薄膜的多个数据点，利用椭偏仪测量得到样品薄膜的每一个数据点对应的椭偏参数；
根据菲涅尔反射定律得到样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式；
根据样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式，计算样品薄膜的每一个数据点对应的第一厚度初值；
根据样品薄膜的多个数据点对应的多个第一厚度初值，确定样品薄膜的最终厚度初值。


2.根据权利要求1所述的薄膜厚度测量方法，其特征在于，所述多个数据点为多个入射光波长或多个入射角度。


3.根据权利要求1或2所述的薄膜厚度测量方法，其特征在于，所述根据菲涅尔反射定律得到样品薄膜的厚度初值和椭偏参数之间的关系式为：






其中，ρ是椭偏参数，λ是入射光波长，n1是样品薄膜的折射率，θ1为入射光在样品薄膜中的折射角，X是中间参数，A、B、C、E、F、G均为由反射定律得到的中间变量。


4.根据权利要求1或2所述的薄膜厚度测量方法，其特征在于，所述根据样品薄膜的多个数据点对应的多个第一厚度初值，确定样品薄膜的最终厚度初值之前还包括：
计算样品薄膜的每一个数据点对应的厚度周期值，其计算公式为：



其中，λ是入射光波长，θ1为入射光在样品薄膜中的折射角，n1是样品薄膜的折射率，D为厚度周期值。


5.根据权利要求4所述的薄膜厚度测量方法，其特征在于，所述根据样品薄膜的多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：马骏，李江辉，石雅婷，张传维，李伟奇，郭春付，
申请(专利权)人：上海精测半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31