本發(fā)明涉及光電精密測量領(lǐng)域，具體涉及薄膜厚度測量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在膜厚測量方法中，光學(xué)方法是應(yīng)用最為廣泛的方法之一，具有非接觸性、高靈敏度性和高精度性等優(yōu)點(diǎn)，主要包括橢圓偏振法（橢偏法）、光譜法和反射角度分布法。其中，橢偏法具有很高的測試靈敏度和精度，但是很容易受到各種參數(shù)影響，系統(tǒng)的各種誤差、環(huán)境噪聲、樣品表面粗糙度、待測薄膜與數(shù)學(xué)色散模型的差異等會導(dǎo)致測量結(jié)果的穩(wěn)定性變差；光譜法以光的干涉理論為基礎(chǔ)，通過測量反射率R（或透過率T）隨波長變化的曲線，計算薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)，該方法計算過程簡單，測量精度也較高，但卻存在以下缺點(diǎn)：

（1）放置樣品不妥，會改變照明光束的角度分布，導(dǎo)致測量結(jié)果不穩(wěn)定；

（2）為了增加測量精度，需要針對不同的基底材料進(jìn)行參數(shù)校正，導(dǎo)致測量過程繁瑣，測量時間過長。

為了克服以上兩種方法存在的缺陷，提出了一種利用單色光干涉效應(yīng)測量薄膜厚度的方法，該方法利用樣品的薄膜表面反射光束的強(qiáng)度和入射角之間的關(guān)系曲線（R(θ)函數(shù)），通過“條紋計數(shù)”獲取條紋周期，進(jìn)而結(jié)合相關(guān)公式計算獲得膜厚參數(shù)；然而當(dāng)薄膜反射率較低、所取得反射率信號的信噪比比較小時，很難通過條紋計數(shù)方式正確獲得條紋的周期信息，從而降低整個膜厚測量精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有利用單色光干涉效應(yīng)測量薄膜厚度的方法，在薄膜反射率較低、所取得反射率信號的信噪比比較小時，很難通過條紋計數(shù)方式正確獲得條紋的周期信息，從而降低整個膜厚測量精度的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種薄膜厚度測量系統(tǒng)，包括：

照明光學(xué)裝置，用于產(chǎn)生一錐狀光束投射至樣品的薄膜表面上一點(diǎn)；

成像光學(xué)裝置，包括聚焦透鏡和圖像采集模塊；所述聚焦透鏡將從樣品表面反射的光按照入射角從小到大的順序投射到所述圖像采集模塊上，所述圖像采集模塊探測得到樣品表面光束的反射強(qiáng)度信息，并根據(jù)反射強(qiáng)度信息建立反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線；

薄膜厚度解析裝置，利用反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線和斯涅耳定律構(gòu)建反射率與折射角度余弦值的函數(shù)，并通過對所述函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換解析得到樣品的薄膜厚度。

在上述系統(tǒng)中，所述照明光學(xué)裝置包括光源、偏振片、第一顯微物鏡、針孔、準(zhǔn)直透鏡和第二顯微物鏡，其中，所述針孔位于所述準(zhǔn)直透鏡的焦平面上；

所述光源發(fā)射的適合波長的光通過所述偏振片得到偏振光，并由所述第一顯微物鏡進(jìn)行匯聚經(jīng)過所述針孔濾除雜散光，再由所述準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直輸出平行光束，入射至所述第二顯微物鏡，將平行光束匯聚為錐狀光束，入射至樣品的薄膜表面上一點(diǎn)。

在上述系統(tǒng)中，所述圖像采集模塊為線陣相機(jī)。

在上述系統(tǒng)中，所述光源為單色光源或是激光光源。

在上述系統(tǒng)中，所述準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡為平凸透鏡。

在上述系統(tǒng)中，所述第二顯微物鏡的選取準(zhǔn)則為：長工作距離、大數(shù)值孔徑物鏡。

本發(fā)明還提供了一種薄膜厚度測量方法，包括以下步驟：

步驟S10、選取合適波長的偏振光源，進(jìn)行擴(kuò)束、準(zhǔn)直、聚焦處理得到一錐狀光束，并投射到樣品的薄膜表面同一位置；

步驟S20、將從樣品表面反射的光按照入射角從小到大的順序投射到圖像采集模塊上，探測得到樣品表面光束的反射強(qiáng)度信息，并根據(jù)反射強(qiáng)度信息建立反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線；

步驟S30、利用反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線和斯涅耳定律構(gòu)建反射率與折射角度余弦值的函數(shù)，并通過對所述函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換解析得到樣品的薄膜厚度。

在上述方法中，

在步驟S20中，根據(jù)反射強(qiáng)度信息建立的曲線為樣品表面S分量光波的反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線；

相應(yīng)的，在步驟S30中，利用所述S分量光波的反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線和斯涅耳定律構(gòu)建的函數(shù)為樣品表面S分量光波的反射率與折射角度余弦值的函數(shù)。

在上述方法中，步驟S30具體包括以下步驟：

步驟S31、利用斯涅耳定律，變換樣品表面S分量光波的反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線對應(yīng)函數(shù)的入射角度變量，得到S分量光波的反射率和折射角余弦值的函數(shù)Rs～cosθ₂，

步驟S32、采集樣品的基底材料表面反射強(qiáng)度信息，得到基底材料表面S分量光波的反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線，并采用步驟S31同樣的原理得到基底材料表面S分量光波的反射率與折射角余弦值的函數(shù)R0s～cosθ₂；

步驟S33、通過使步驟S31與S32中得到的兩個函數(shù)做差，得到薄膜表面S分量光波的反射率與折射角余弦值的函數(shù)R1s～cosθ₂；

步驟S34、根據(jù)已知參數(shù)，計算得到薄膜厚度與基頻位置的關(guān)系函數(shù)；

步驟S35、對薄膜表面S分量光波的反射率與折射角余弦值的函數(shù)R1s～cosθ₂進(jìn)行傅里葉變換，獲得歸一化頻譜信息，確定零頻與基頻之間距離；

步驟S36、將步驟S35中得出的基頻與零頻之間的距離作為橫坐標(biāo)代入步驟S34得到的關(guān)系函數(shù)，計算得到薄膜厚度值。

在上述方法中，步驟S34中所述已知參數(shù)包括空氣折射率n1、薄膜折射率n2和基底材料折射率n3以及入射光波長λ。

本發(fā)明提出傅里葉變換解析方法，利用空域與頻域的對應(yīng)關(guān)系，通過頻域信息獲取空域的條紋周期，解析獲得薄膜厚度，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）提出了一種新的膜厚解析算法，采用傅里葉變換，通過分析反射光強(qiáng)曲線的頻譜，解析薄膜的膜厚，避免了傳統(tǒng)方法中的條紋計數(shù)及峰值定位過程，提高了測量精度；

（2）利用一束匯聚光束即可實現(xiàn)多個角度入射，避免了傳統(tǒng)方法中的機(jī)械轉(zhuǎn)動過程，結(jié)合圖像采集模塊（線陣相機(jī)）可以極大縮短測量時間，提高測量效率，拓展應(yīng)用范圍；

（3）本發(fā)明測量過程屬于非接觸式測量，不會對樣品表面造成損傷；

（4）本發(fā)明采用的光路簡單，調(diào)節(jié)方便，緊湊穩(wěn)定，成本低，易于實現(xiàn)在線測量。

附圖說明

圖1為光束在樣品的薄膜上反射及折射的示意圖；

圖2為樣品表面S分量光波的反射率Rs隨薄膜層中折射角θ₂余弦值變化的曲線示意圖；

圖3為同一坐標(biāo)內(nèi)，樣品表面S分量光波的反射率Rs隨薄膜層中折射角θ₂余弦值變化的曲線（實線）與基底材料表面S分量光波的反射率R0s隨薄膜層中折射角θ₂余弦值變化的曲線（虛線）示意圖；

圖4為R1s（R0s-Rs）隨薄膜層中折射角θ₂的余弦值變化曲線示意圖，其中，薄膜厚度d=5μm，空氣折射率n1=1，單層薄膜折射率n2=1.47，基底材料折射率n3=1.6，入射光波長λ=635nm；

圖5為與圖4相比，薄膜厚度增加后，R1s隨薄膜層中折射角θ₂的余弦值變化曲線示意圖，其中，薄膜厚度d=10μm，空氣折射率n1=1，單層薄膜折射率n2=1.47，基底材料折射率n3=1.6，入射光波長λ=635nm；

圖6為圖4中曲線的歸一化頻譜圖；

圖7為圖5中曲線的歸一化頻譜圖；

圖8為本發(fā)明提供的一種薄膜厚度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖9為本發(fā)明提供的一種薄膜厚度測量系統(tǒng)的反射式結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明提供的一種薄膜厚度測量方法的流程圖；

圖11為本發(fā)明步驟30中構(gòu)建的樣品表面S分量光波的反射率Rs與入射角度之間的關(guān)系曲線Rs～θ1圖，入射角變化范圍為10°～83°；

圖12為本發(fā)明步驟30中構(gòu)建的基底材料表面S分量光波的反射率R0s與入射角度之間的關(guān)系曲線R0s～θ1圖，入射角變化范圍為10°～83°；

圖13為本發(fā)明中步驟30的具體流程圖；

圖14為本發(fā)明中樣品表面S分量光波的反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線（實線）以及基底材料表面S分量光波的反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線（虛線）；

圖15為本發(fā)明步驟S33中得到的R1s（R0s-Rs）隨cosθ2變化曲線圖；

圖16為本發(fā)明中圖15的歸一化頻譜圖；

圖17為本發(fā)明步驟S34中得到的薄膜厚度與R1s～cosθ2函數(shù)頻譜中基頻位置關(guān)系圖，該圖空域采樣268點(diǎn)。

具體實施方式

本發(fā)明采用樣品表面反射光束的強(qiáng)度和入射角之間的關(guān)系，也就是R(θ)函數(shù)曲線，結(jié)合傅里葉變換建立R(θ)曲線的頻譜位置與薄膜厚度之間的關(guān)系，并利用空域與頻域的對應(yīng)關(guān)系，通過頻域信息獲取空域的條紋周期，解析待測薄膜的厚度，不僅結(jié)構(gòu)簡單、成本低、薄膜厚度測量速度快，而且沒有入射角或者反射角的掃描裝置及機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置，可最大限度減少測量誤差來源，測量裝置的穩(wěn)定性較高。

下面結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做出詳細(xì)的說明。

圖1為光束在樣品表面上反射及折射的示意圖，下面以單層各向同性均勻透明薄膜為例，對本發(fā)明的理論模型進(jìn)行具體闡述，為了方便理解，在本理論模型中只考慮S分量光波的反射及折射情況。

在圖1中，n1、n2和n3分別為空氣、薄膜和基底的折射率，d為薄膜的厚度，入射光從空氣射入薄膜的入射角為θ₁，在薄膜和基底中的折射角分別為θ₂和θ₃，入射光波長設(shè)為λ，根據(jù)折射定律、菲涅爾公式以及多光束干涉理論，S分量光波的反射率Rs為：

其中：

r_12s表示光從第一種介質(zhì)（空氣）入射至薄膜的菲涅爾系數(shù)，r_23s表示光從第二種介質(zhì)（薄膜）入射至基底表面的菲涅爾系數(shù)；對應(yīng)的菲涅爾公式分別表示為：

進(jìn)一步簡化S分量光波的反射率Rs為：

設(shè)2r₁₂r₂₃＝C；則S分量光波的反射率Rs為：

選取cosθ₂作為函數(shù)變量，則可以證明，A隨cosθ₂單調(diào)遞增，B和C隨著cosθ₂單調(diào)減小，只有cos2β因子隨cosθ₂呈現(xiàn)周期變化，從而引起反射率Rs隨cosθ₂呈振蕩性周期變化，如圖2所示。在圖2中，局部極值點(diǎn)的大小與位置取決于cos2β，當(dāng)cos2β=1時，局部極大值存在；當(dāng)cos2β=-1時，存在局部極小值，則S分量光波的反射率R_s局部極大值R_slocalmax和局部極小值R_s l_ocalmin分別為：

將r_12s和r_23s對應(yīng)的菲涅爾公式代入上式，可得：

其中，r_13s表示光從第一種介質(zhì)（空氣）直接入射至基底表面的S分量的波菲涅爾系數(shù)；設(shè)為R_0s，則可得出以下結(jié)論：

當(dāng)cosθ₂＝mλ/2n₂d,m＝0,1,2K時，β＝mπ，R_s＝R_0s；

當(dāng)m＝0,1,2K時，R_s與R_0s相差最大。

反應(yīng)在曲線上是樣品表面S分量光波的反射率與折射角θ₂余弦值的曲線R_s～cosθ₂與基底材料表面S分量光波的反射率與折射角θ₂余弦值的曲線R_0s～cosθ₂在橫坐標(biāo)取值為λ/2n₂d整數(shù)倍的位置相切，如圖3所示，實線表示曲線R_s～cosθ₂，虛線表示曲線R_0s～cosθ₂。

為簡便起見，令R_1s＝R_0s-R_s，綜上所述分析可得R_1s具有如下分布特征：

當(dāng)cosθ₂＝mλ/2n₂d,m＝0,1,2K時，R_1s＝0，兩相鄰極小值中間，存在R_1s的局部極大值，如圖4所示，其中，d=5μm,n₁=1,n₂=1.47,n₃=1.6,λ=635nm；在該圖中，曲線的分布特征類似于一個振幅受到調(diào)制的余弦函數(shù)，橫坐標(biāo)方向呈現(xiàn)出等周期性，周期大小為λ/2n₂d，顯然，若改變單層膜厚d，該曲線周期也隨之改變，如圖5所示，其中，d=10μm,n₁=1,n₂=1.47,n₃=1.6,λ=635nm。

對圖4中的曲線作傅里葉變換，其歸一化頻譜如圖6所示，不難看出，圖6中的頻譜與余弦函數(shù)的頻譜類似，±1級頻對稱分布在零頻兩側(cè)，各與零頻之間間隔6個像素；圖5所示的不同厚度薄膜（d=10μm）的R_1s～cosθ₂曲線對應(yīng)的歸一化頻譜如圖7所示，基頻位置(基頻與零頻之間間隔)不相同，基頻與零頻之間間隔12個像素。

由上述分析可知，在薄膜表面S分量光波的反射率與折射角余弦值曲線R_1s～cosθ₂的歸一化頻譜中，基頻與零頻之間的距離與薄膜厚度d有關(guān)，若其他參數(shù)已知，該距離僅取決于薄膜厚度d，因此，通過對+1（或-1）級頻進(jìn)行定位，可實現(xiàn)薄膜厚度的測量。

如圖8所示，本發(fā)明提供的一種薄膜厚度測量系統(tǒng)，包括照明光學(xué)裝置10、成像光學(xué)裝置20和薄膜厚度解析裝置30，其中，成像光學(xué)裝置20包括聚焦透鏡7和圖像采集模塊8。

照明光學(xué)裝置10產(chǎn)生一錐狀光束投射至樣品的薄膜表面一點(diǎn)，該錐狀光束為包含多個傳播方向不同、且投射至樣品表面上的入射角連續(xù)變化的光；

聚焦透鏡7將從樣品表面反射的光按照入射角從小到大的順序投射到圖像采集模塊8上，圖像采集模塊8探測得到樣品表面反射強(qiáng)度信息，并根據(jù)反射強(qiáng)度信息建立反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線，其中，樣品表面反射強(qiáng)度信息包括薄膜表面和基底材料表面的反射強(qiáng)度信息；

薄膜厚度解析裝置30利用反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線和斯涅耳定律構(gòu)建反射率與折射角度余弦值的函數(shù)，并通過對所述函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換解析得到樣品的薄膜厚度d。

在本發(fā)明中，如圖9所示，照明光學(xué)裝置10包括光源1、偏振片11、第一顯微物鏡2、針孔3、準(zhǔn)直透鏡4和第二顯微物鏡5，其中，針孔3位于準(zhǔn)直透鏡4的焦平面上；

光源1發(fā)射適合波長的光，通過所述偏振片11得到偏振光源，并由第一顯微物鏡2進(jìn)行匯聚經(jīng)過針孔3濾除雜散光，再由準(zhǔn)直透鏡4進(jìn)行準(zhǔn)直輸出平行光束，入射至第二顯微物鏡5，第二顯微物鏡5將平行光束匯聚為錐狀光束，入射至樣品6的薄膜表面上同一點(diǎn)；該錐狀光束包含了一定的錐角分布范圍，對樣品而言，錐狀光束內(nèi)的光入射角連續(xù)變化，而第一顯微物鏡2、針孔3和準(zhǔn)直透鏡4構(gòu)成了一個空間濾波裝置，濾除了進(jìn)入第二顯微物鏡5時光束中的雜散，進(jìn)一步保證錐狀光束內(nèi)的光入射至樣品6的薄膜表面時入射角是連續(xù)變化的。

在本發(fā)明中，圖像采集模塊20為線陣相機(jī)8,；光源1為單色光源或是激光光源，優(yōu)選He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器；準(zhǔn)直透鏡4與聚焦透鏡7為普通玻璃透鏡，優(yōu)選平凸透鏡；由于光束的入射角變化范圍（錐狀光束的分布范圍）由第二顯微物鏡5的數(shù)值孔徑NA決定，數(shù)值孔徑NA越大，入射光的變化范圍越大，進(jìn)而令傅里葉變換的頻譜分辨率越高，薄膜厚度測量精度越高，所以第二顯微物鏡5優(yōu)選長工作距離、大數(shù)值孔徑物鏡，例如NA=0.6的顯微物鏡，此時入射至樣品表面的入射角變化范圍為0-73°。

如圖10所示，本發(fā)明提供的一種薄膜厚度測量方法，包括以下步驟：

步驟S10、選取合適波長的偏振光源（例如選取中心波長為635nm的光源），進(jìn)行擴(kuò)束、準(zhǔn)直、聚焦處理得到一束包含多個傳播方向光的錐狀光束，并投射到樣品的薄膜表面某一點(diǎn)，在本步驟中，通過調(diào)節(jié)樣品和圖9中第二顯微物鏡5之間的距離來保證樣品處在第二顯微物鏡5的焦平面上。

步驟S20、將從樣品表面反射的光按照入射角從小到大的順序投射到圖像采集模塊8上，圖像采集模塊8采集樣品表面光束的反射強(qiáng)度信息，并根據(jù)反射強(qiáng)度信息建立反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線。

步驟S30、利用反射率與入射角度的關(guān)系曲線和斯涅耳定律構(gòu)建反射率與折射角度余弦值的函數(shù)，并通過對所述函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換解析得到樣品的薄膜厚度。

在本發(fā)明中，在步驟S20中，根據(jù)反射強(qiáng)度信息建立的曲線為樣品表面S分量光波的反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線；相應(yīng)的，在步驟S30中，利用所述S分量光波的反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線和斯涅耳定律構(gòu)建的函數(shù)為樣品表面S分量光波的反射率與折射角度余弦值的函數(shù)；在此基礎(chǔ)上，薄膜厚度解析裝置通過仿真計算實現(xiàn)步驟S30，如圖13所示，具體包括以下步驟：

步驟S31、利用斯涅耳定律，變換樣品表面S分量光波的反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線（如圖14中實線所示）對應(yīng)函數(shù)的入射角度變量，得到S分量光波的反射率和折射角余弦值的函數(shù)Rs～cosθ₂（其圖像如圖11所示）。

步驟S32、采集帶樣品的薄膜的基底材料表面反射強(qiáng)度信息，得到基底材料表面S分量光波的反射率與入射角度之間的關(guān)系曲線（如圖14中虛線所示），并采用步驟S31同樣的原理得到基底材料表面S分量光波的反射率與折射角余弦值的函數(shù)R0s～cosθ₂（其圖像如圖12所示），而該函數(shù)R0s～cosθ₂只與基底材料有關(guān)，后續(xù)測量中，只要樣品基底材料不變，則無需再行測量。

步驟S33、通過使步驟S31與S32中得到的兩個函數(shù)做差，得到薄膜表面S分量光波的反射率R1s與折射角余弦值的函數(shù)R1s～cosθ₂，如圖15所示，可見函數(shù)R1s～cosθ₂對應(yīng)曲線的分布特征類似于一個振幅受到調(diào)制的余弦函數(shù)，峰值位置呈現(xiàn)出等周期性。

步驟S34、根據(jù)已知參數(shù)，計算得到薄膜厚度d與基頻位置的關(guān)系函數(shù)：該函數(shù)對應(yīng)的曲線如圖17所示；其中，已知參數(shù)包括空氣折射率n1、薄膜折射率n2和基底材料折射率n3以及入射光波長λ，如n1=1，n2=1.47，n3=1.6，λ=635nm。

步驟S35、對薄膜表面S分量光波的反射率與折射角余弦值的函數(shù)R1s～cosθ2進(jìn)行傅里葉變換，獲得歸一化頻譜信息，如圖16所示，確定零頻與基頻之間距離（基頻位置）。

步驟S36、將步驟S35中得出的基頻與零頻之間的距離作為橫坐標(biāo)代入步驟S34得到的關(guān)系函數(shù)，即圖17所示的曲線，計算對應(yīng)的縱坐標(biāo)，即為薄膜厚度d值。

經(jīng)Matlab仿真計算可得，若增加函數(shù)R1s～cosθ₂的采樣頻率，可增大膜厚測量范圍，下面舉例對其進(jìn)行說明：

若聚焦透鏡7的焦距為50mm，線陣相機(jī)光敏元尺寸為6.6μm時，則光敏元能夠分辨的最小角間距Δθ₂為：

換算成Δcosθ₂為：

Δcosθ₂＝sinθ₂·Δθ₂；

若入射角θ₁＝10°～83°，可得cosθ₂的最高采樣間隔Δcosθ₂為：

以Δcosθ₂＝10^-4計算，采樣點(diǎn)數(shù)可達(dá)2553，則最大可測薄膜厚度d為：

若聚焦透鏡7的焦距為100mm，，線陣相機(jī)光敏元尺寸為6.6μm時，則光敏元能夠分辨的最小角間距Δθ₂為：

若入射角θ₁＝10°～83°，可得cosθ₂的最高采樣間隔Δcosθ₂為：

以Δcosθ₂＝10^-5計算，采樣點(diǎn)數(shù)可達(dá)5726，則最大可測薄膜厚度d為：

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。