专利名称：测量薄膜厚度和折射率的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光电精密测量技术领域，涉及一种测量薄膜厚度和折射率的方法及装置。
背景技术：
测量薄膜厚度及折射率等参数的光学方法有多种，主要有椭圆偏振法、干涉法、 棱镜耦合法、光谱法等。这些方法或技术都存在各自的优点及不足之处，测量薄膜的类型和参数测量范围有一定的限制如棱镜耦合法(也称光波导法)尽管测量薄膜的折射率精度很高，但有一定的测量薄膜折射率的范围，一般小于棱镜的折射率，且对于200nm以下厚度的薄膜难以适用；干涉法的测量精度不高，光谱法需要至少两次测量、结果不稳定等；也有人提出采用测量多角度偏振光反射率来确定薄膜参数的方法，如Tami Kihara 等的文章“Simultaneous measurement of refrative index and thickness of thin film by polarized reflectances”(Appl. Opt. 1990, 29, 5069-5073) and “Simultaneous measurement of the refrative index and thickness of thin films by S-polarized reflectances” (Appl. Opt. 1992,31,4482-4487) ”所提供的方法为依次同步转动样品及探测器分别测量不同入射角偏振光的反射率，通过理论拟合求出薄膜的厚度及折射率等参数，从而该方法获取反射率的实验时间较长，入射到样品表面的光斑面积大，空间分辨率率小,难以检测表面微小结构的参数。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种测量薄膜厚度和折射率的方法。本发明的另一目的在于提供实现所述的测量薄膜厚度和折射率的方法的装置。本发明的再一目的在于提供所述的装置的应用。本发明的目的通过下述技术方案实现一种测量薄膜厚度和折射率的方法，包括以下步骤采用至少三束光束同时以不同入射角投射到薄膜样品表面同一点或位置，反射光束的强度由阵列光电探测器接收，再与入射光束光强比较，计算出各光束的反射率，最后与理论公式拟合得到待测薄膜的光学参数；所述的光学参数包括厚度、折射率和消光系数等；所述的阵列光电探测器为光电探测器线性排列得到；所述的理论公式为
权利要求
1.一种测量薄膜厚度和折射率的方法，其特征在于包括以下步骤采用至少三束光束同时以不同入射角投射到薄膜样品表面同一点或位置，反射光束的强度由阵列光电探测器接收，再与入射光束光强比较，计算出各光束的反射率，最后与理论公式拟合得到待测薄膜的厚度和折射率。
2.根据权利要求I所述的测量薄膜厚度和折射率的方法，其特征在于一λA [Fs {η^η2β^λ)± cos-1 Gs (Ti0^n2, θ0ι, A, Rs) + 2m π]所述的理论公式为4- 9 9 97i，其中4^-( -n0 sin Θ^ 2Ci1为薄膜的厚度；λ为入射光束波长；δ为P偏振光或S偏振光！rid、Iipn2分别为空气、薄膜、衬底的折射率；Θ Oi为入射角，i为入射角的序数;m为膜序数。
3.实现权利要求I或2所述测量薄膜厚度和折射率的方法的装置，其特征在于包括光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏振器、样品旋转台、光电探测器旋转平台、信号采样放大和AD转换电路、以及计算机；沿着光轴，光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏振器和样品旋转台依次排列，样品旋转台的轴心和光电探测器旋转平台的轴心重合，光电探测器旋转平台的直径大于样品旋转台的直径；位于光电探测器旋转平台上的光电探测器、信号采样放大和AD转换电路、计算机依次连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述的装置还包含分光镜和用于接收被分光镜反射的光束的光电探测器B ;分光镜位于光源和透射光栅之间；光电探测器B、信号采样放大和AD转换电路、计算机依次连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的分光镜为普通镀膜平板分光镜或立方体镀膜分光棱镜；所述的光电探测器B为单元探测器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述的分光镜为透反比10: I 20 : I 的分光镜；所述的光电探测器B为硅光电二极管或光电池。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述的光源为单色光源或是激光光源；所述的透射光栅为全息光栅、刻画光栅或镀膜光栅，光栅常数d满足下式为聚光透镜的直径，λ为激光波长，Z为透射光栅和聚光透镜之间的距离；所述的光栏由塑料或金属片钻孔再喷涂黑色油墨制作得到；所述的聚光透镜为普通玻璃或纤维透镜；所述的偏振器为人造偏振片或格林棱镜偏振器；所述的光电探测器为线性阵列光电探测器；所述的信号米样放大和AD转换电路由电源电路、模拟信号放大电路、模数转换电路与单片机电路组成；所述的样品旋转台还设置角度标尺；所述的光电探测器旋转平台还设置角度标尺。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述的光源为He-Ne激光器或半导体激光器；所述的光栏具有至少三个孔，该孔位于光栏与光轴交汇的垂直线上；所述的孔为等间距排列；所述的光电探测器为至少三单元的光电池组或光电二极管构成，或为CCD线阵探测器、ssro线阵探测器；所述的样品旋转台还设有样品夹持装置和用于调节样品位置的三维调节螺母；所述的样品旋转台与所述的探测器旋转平台通过传动机构耦合连接；所述的探测器旋转平台的转角始终为所述的样品旋转台的转角二倍。
9.权利要求4 8任一项所述的装置在薄膜样品检测中的应用。
10.根据权利要求9所述的装置在薄膜样品检测中的应用，其特征在于所述的薄膜样品为集成电路IC和/或功能薄膜器件。
全文摘要
本发明公开一种测量薄膜厚度和折射率的方法及装置与应用。该方法为采用至少三束光束同时以不同入射角投射到薄膜样品表面同一点或位置，反射光束的强度由阵列光电探测器接收，再与入射光束光强比较，计算出各光束的反射率，最后与理论公式拟合得到待测薄膜的厚度和折射率。装置如下沿着光轴，光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏振器和样品旋转台依次排列；样品旋转台的轴心和光电探测器旋转平台的轴心重合，后者的直径大于前者的直径；位于光电探测器旋转平台上的光电探测器、信号采样放大和AD转换电路、计算机依次连接。本发明具有测量速度快及空间分辨率高的特点，可大规模对集成电路IC和/或功能薄膜器件进行检测。
文档编号G01N21/45GK102589452SQ20121001669
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者宋亚杰, 黄佐华 申请人:华南师范大学