基于单次测量的薄膜参数计算方法、干涉测量装置和系统

本发明属于微纳结构探测领域，更具体地，涉及基于单次测量的薄膜参数计算方法、干涉测量装置和系统。

背景技术：

1、薄膜厚度和表面形貌是影响薄膜光电性质的重要参数。光学薄膜厚度通常在一微米左右，通常镀在各种光学材料表面，以实现增透、增反、带通等多个功能，而由于其光学特性大多由光的干涉原理实现，膜厚的偏差会直接对其反射率产生巨大影响。在半导体制程中，需要进行多次薄膜沉积，每一步都需要膜厚准确以确保下一步工艺的精准定位，例如用于硅微型电路的介质层的厚度和成分，对半导体工业具有很大的重要性，这些膜层的厚度将决定集成电路器件的性能和可靠性。另外由于制造工艺的进步，产品的集成度越来越高，功能愈发全面，薄膜表面形貌变得愈发复杂。现在许多沉积在图案化表面上的薄膜之类的复杂表面正在成为满足器件性能和封装要求的重要和关键部件。

2、傅里叶域干涉测量(傅里叶域光学相干层析，fdoct)是一种非接触三维成像技术，可以在不损伤样品的情况下获得样品内部结构信息。自诞生以来，这一技术便被广泛应用于医学领域，如视网膜下病变成像。由于高速无损探测属性，这一技术逐步应用于半导体的表面形貌测量和薄膜厚度，具体方法是通过傅里叶变换后得到频域信息。但将其应用于薄膜厚度探测时会出现问题：若薄膜的光学厚度小于一微米时，上下表面的频域信息会相互重叠无法分离。反射率谱拟合法是一种常见的薄膜厚度探测手法。其原理是通过测量薄膜对于宽光谱的反射率谱，通过对该模型拟合得到薄膜厚度。但该方法无法得到薄膜表面形貌。

3、因此，傅里叶域干涉测量法与反射率谱拟合法通常被组合起来，分别获得薄膜的表面形貌以及厚度信息。但这一方法仍有缺点：两种方法所需光谱信息不同。傅里叶域干涉测量法需要薄膜样品与参考镜之间的干涉谱，此时参考臂开启；而反射率谱拟合法需要薄膜样品自身的反射率谱，此时参考臂关闭。因此需要对样品测量两次，打开参考臂测量一次干涉谱，关闭参考臂测量一次反射率谱。在工业生产中，由于测量环境未知，两次测量会极大地增加不确定性，降低测量精度。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供基于单次测量的薄膜参数计算方法、干涉测量装置和系统，旨在解决现有方法两次测量增加不确定性，降低测量精度的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于单次测量的单扫描点的薄膜厚度计算方法，包括：

3、获取单次测量得到的薄膜样品目标点与参考镜间反射光在不同波长下的干涉光谱，将其转换为傅里叶变换谱后，确定傅里叶变换谱的峰值位置，所述薄膜样品由薄膜和衬底构成；

4、将薄膜样品测量干涉光谱的傅里叶变换谱的峰值位置作为光程差，代入至薄膜干涉光谱模拟模型，其转换为傅里叶变换谱后，确定模拟干涉光谱的傅里叶变换谱的峰值位置，进一步确定峰值位置偏移补偿量；

5、综合薄膜样品测量干涉光谱的傅里叶变换谱的峰值位置和峰值位置偏移补偿量，计算实际衬底距参考镜光程差；

6、将实际衬底距参考镜光程差、薄膜不同厚度和不同零阶相位差代入至薄膜干涉光谱模拟模型，确定干涉模拟模型拟合度最高时对应的薄膜厚度d，作为单扫描点的薄膜厚度。

7、优选地，所述薄膜干涉光谱模拟模型ia具体如下：

8、

9、其中，d为薄膜的绝对厚度，为薄膜样品反射光与参考镜反射光之间的零阶相位差，k为波数，z为参考镜反射光与样品反射光之间的光程差，eref为参考镜反射光振幅，ewafer为晶圆标准件反射光振幅，efilm(d)为薄膜反射光振幅，n1(k)为薄膜在波数为k时的折射率，为非线性相位，获取测量到的晶圆标准件目标点与参考镜间反射光在不同波长下的干涉光谱，通过对晶圆标准件测量干涉光谱的傅里叶变换谱做希尔伯特变换，得到相位项后去除一阶项得到，||为复数的模，iupper envelope和ilower envelope为干涉光谱的上下包络谱，通过对测量到的晶圆标准件测量干涉光谱插值得到，rfilm(d)为薄膜样品整体的反射率谱，rwafer为晶圆标准件的反射率谱。

10、需要说明的是，本发明基于常见的薄膜反射率谱模型，首次建立了光谱干涉模型。新模型的建立，测量精度更高，能够对200nm以上薄膜的厚度及表面形貌准确测量。

11、优选地，实际的衬底距参考镜光程差zsub(d)为：

12、zsub(d)＝zm+zcompe(d)

13、zcompe(d)＝zm-za(d)

14、其中，zm为薄膜样品测量干涉光谱的傅里叶变换谱的峰值位置，zcompe(d)为峰值位置偏移补偿量，za(d)为模拟干涉光谱的傅里叶变换谱的峰值位置。

15、需要说明的是，本发明首次得到了干涉光谱的傅里叶变换谱中，由于膜厚过薄所导致的偏移所对应的补偿量函数。考虑到不同膜厚导致的偏差量不同，本发明采用膜厚的函数作为峰值位置偏移补偿量，使得测量的准确度更高。

16、优选地，该实际衬底距参考镜光程差下干涉模拟模型拟合度最高的判据为r2最大，

17、干涉光谱以及傅里叶变换谱的联合判定模型其中，

18、

19、

20、其中，为干涉光谱判定模型，为傅里叶变换谱判定模型，γ为权重因子；为光谱干涉模型的傅里叶变换，d为薄膜的绝对厚度，为薄膜样品反射光与参考镜反射光之间的零阶相位差，k为波数，z为z轴位置，这两个值互为傅里叶变换对，zsub(d)为实际的衬底距参考镜光程差；im(k1)～im(kn)为测量干涉光谱在离散的不同波数处的光强值；γm(z1)～γm(zn)为由测量干涉光谱计算得到的傅里叶变换谱在离散的不同z轴位置处的强度值。

21、需要说明的是，本发明首次建立了干涉光谱以及傅里叶变换谱的联合判定模型，可以综合两种判定模型的优势，准确度更高。

22、为实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种基于单次测量的单扫描点的薄膜距参考镜的相对高度计算方法，包括：

23、t1.采用如第一方面项所述的方法，计算出对应的薄膜厚度d；

24、t2.计算该扫描点的薄膜距参考镜的相对高度zfilm(d)：

25、zfilm(d)＝2zm-za(d)+n1(k0)d

26、其中，d为薄膜的绝对厚度，zm为薄膜样品测量干涉光谱的傅里叶变换谱的峰值位置，za(d)为模拟干涉光谱的傅里叶变换谱的峰值位置，n1(k)为薄膜在波数为k时的折射率，k0为光源中心波长对应的波数。

27、为实现上述目的，第三方面，本发明提供了一种基于单次测量的薄膜厚度计算方法，包括：

28、采用如第一方面所述的方法，计算每个扫描点的薄膜厚度，将其组合得到薄膜样品的厚度。

29、为实现上述目的，第四方面，本发明提供了一种基于单次测量的薄膜表面形貌计算方法，包括：

30、采用如第二方面所述的方法，计算每个扫描点的光程差信息，将其组合得到薄膜样品的表面形貌。

31、为实现上述目的，第五方面，本发明提供了一种薄膜参数的干涉测量装置，包括：处理器和存储器；

32、所述存储器，用于存储计算机执行指令；

33、所述处理器，用于执行所述计算机执行指令，使得上述方法被执行。

34、为实现上述目的，第六方面，本发明提供了一种薄膜参数的干涉测量系统，包括：

35、干涉光谱信息测量装置，用于测量薄膜样品完整干涉光谱信息，并发送给如第五方面所述的干涉测量装置，所述薄膜样品由薄膜和衬底构成；

36、所述干涉测量装置，用于根据实际需求，计算单扫描点的薄膜厚度、薄膜距参考镜的相对高度、薄膜样品厚度和/或者表面形貌。

37、优选地，所述干涉光谱信息测量装置为使用宽光谱光源的linnik型干涉结构、使用宽光谱光源的mirau型干涉结构、使用扫频光源的linnik型干涉结构或者使用扫频光源的mirau型干涉结构。

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，具有以下有益效果：

39、(1)本发明提供一种基于单次测量的单扫描点的薄膜厚度计算方法，提供一种新思路计算膜厚，通过linnik型干涉结构或mirau型干涉结构获取到的干涉光谱，计算薄膜厚度，以便于同时测量膜厚和形貌。计算每个扫描点的薄膜厚度，将其组合得到薄膜样品的厚度。

40、(2)本发明提供了一种基于单次测量的单扫描点的薄膜距参考镜的相对高度计算方法，只需单次测量就可以同时获得薄膜厚度分布及表面形貌，避免了多次测量带来的测量误差，更适用于实际工业环境。对每个扫描点执行上述计算方法，得到每个扫描点的光程差信息，将其组合得到薄膜样品的表面形貌，由于薄膜厚度计算中引入补偿量函数，使一微米以下的薄膜表面形貌准确度更高。

41、(3)本发明提供了一种薄膜参数的干涉测量装置和系统，不仅可使用最广泛应用于薄膜厚度探测领域的linnik型干涉结构，也可以使用其他薄膜厚度探测方法无法使用的mirau型干涉结构。因此本系统可以具备mirau型干涉结构带来的独特优势：系统稳定性更好，参考臂与样品臂间的色散匹配度更好，体积更小。既可使用宽光谱光源，也可使用扫频光源，可根据工业场景灵活调整。