一種位相增強(qiáng)型薄膜厚度測(cè)量方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)相干測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種位相增強(qiáng)型薄膜厚度測(cè)量方法和系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄膜技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的重要性與日劇增。近幾十年來，各種光電器件、生物 傳感技術(shù)、激光器件、微電子器件、液晶顯示以及集成光學(xué)等技術(shù)都在很大程度上依賴著薄 膜技術(shù)的發(fā)展。而隨著光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)和薄膜技術(shù)的不斷發(fā)展，在制備高性能的光學(xué)薄膜元 件時(shí)需要精確測(cè)定光學(xué)薄膜的幾個(gè)主要光學(xué)參數(shù)，包括：折射率、膜層厚度、透射比、反射比 和吸收比等。其中薄膜的物理厚度是薄膜的最基本參數(shù)之一，其會(huì)影響整個(gè)光學(xué)元件的最 終性能，因而如何完善現(xiàn)有的薄膜厚度檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速精確地測(cè)量具有十分重要意義。
[0003] 目前薄膜厚度的測(cè)量方法主要可按非光學(xué)方法和光學(xué)方法進(jìn)行劃分。非光學(xué)方法 主要分為探針掃描法，掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡等。
[0004] 探針掃描法，該方法也稱作輪廓法，其通過利用微小的機(jī)械探針（一般只有幾個(gè) 微米）接觸待測(cè)薄膜的表面來測(cè)量薄膜的厚度。該方法存在以下幾個(gè)不足：需要制備用于 測(cè)試時(shí)使用的薄膜厚度臺(tái)階，另外該方法的精度受限于所用探針的大小，且在測(cè)試薄膜表 面輪廓時(shí)將會(huì)有積分平滑的效應(yīng)，類似于數(shù)學(xué)上的低通濾波，因此對(duì)高頻率薄膜的粗糙度 以及薄膜臺(tái)階制備不理想的樣品，無法得到良好的測(cè)試效果。最重要的是該方法對(duì)薄膜的 表面一般可能帶來無法預(yù)知的損傷。
[0005] 掃描電子顯微鏡能夠用于檢測(cè)薄膜的厚度，該方法利用聚焦的非常細(xì)的電子束作 為電子探針，在被測(cè)薄膜表面做光柵形式的掃描，并通過探測(cè)器探測(cè)被測(cè)薄膜表面由入射 電子所激發(fā)的二次電子，然后經(jīng)過放大和數(shù)據(jù)處理后，能夠得到一副高放大倍數(shù)的掃描電 子圖像。由于被測(cè)薄膜的表面分布與二次電子的強(qiáng)度及分布有關(guān)，因此該掃描電子圖像能 夠直觀的反映被測(cè)薄膜表面的粗糙度分布情況，并且該方法的橫向和縱向分辨率能夠達(dá)到 納米級(jí)。雖然該方法有如上所說的優(yōu)點(diǎn)，但是由于掃描電子顯微鏡只是利用立體觀察技術(shù) 和立體分析技術(shù)來間接獲得具有深度效果的圖像，因此只能用于定性觀察被測(cè)薄膜表面的 形貌，并且掃描電子顯微鏡適用的樣品其表面需要導(dǎo)電，因此對(duì)非導(dǎo)體薄膜進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需 要在原薄膜的表面鍍金屬膜，破壞了薄膜表面的原始形貌，引入了測(cè)量誤差。
[0006] 原子力顯微鏡也可以應(yīng)用于薄膜厚度的測(cè)量，該方法能夠通過利用探針與薄膜原 子間相互作用力獲得薄膜表面形貌。通常原子力顯微鏡的探針被放置于微懸臂上，利用光 學(xué)杠桿原理測(cè)出微懸臂在探針與薄膜原子的相互作用力下的形變，從而測(cè)得薄膜表面的形 貌。與掃描電子顯微鏡相比，原子力顯微鏡測(cè)量的樣品表面不需要導(dǎo)電，并且其橫向分辨率 和縱向分辨率能夠達(dá)到0.Inm和0.Olnm，能夠直觀的觀察分子或者原子。雖然該方法具有 上述所說的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法的橫向和縱向掃描范圍一般只有微米量級(jí)，并且利用光學(xué)杠 桿原理來測(cè)量微懸臂的形變，容易受到光電噪聲、振動(dòng)等因素影響。
[0007] 利用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡進(jìn)行薄膜厚度的測(cè)量，也可能對(duì)薄膜的表面 帶來未知的損傷。因而對(duì)于薄膜的厚度測(cè)量更適合選用光學(xué)方法。目前用于薄膜厚度測(cè)量 的光學(xué)方法主要有光譜法、橢圓偏振法和光學(xué)薄膜位相方法。
[0008] 光譜法以光的干涉原理為基礎(chǔ)，根據(jù)薄膜一基底一薄膜界面上光束的透射（或者 反射）將會(huì)引起雙光束或者多光束干涉，因此不同厚度的薄膜將有著不同的光譜反射率 (或透射率）。因此能夠通過檢測(cè)薄膜的光譜特性來反演推導(dǎo)出薄膜的厚度。目前薄膜的 透射率和反射率主要采用光柵測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。并且根據(jù)不同測(cè)量要求，包括：?jiǎn)螌?薄膜、多層薄膜、是否考慮薄膜的吸收、如何選擇合理的色散模型、光譜中是否存在多個(gè)極 值等，光譜法又可以細(xì)分為極值法、包絡(luò)線法以及全光譜擬合方法等。光譜法需要通過選擇 合適的優(yōu)化方法或者使用多種方法聯(lián)立，才能夠?qū)崿F(xiàn)較為高精度的薄膜厚度測(cè)量。另外，該 方法還要求膜層較厚以產(chǎn)生一定的干涉振蕩，且只能用于測(cè)量弱吸收膜。
[0009] 橢圓偏振法的測(cè)量原理是通過檢測(cè)偏振光束通過薄膜反射（或透射）后其偏振態(tài) 的變化來反演推導(dǎo)薄膜的厚度。橢圓偏振法不僅可以用于測(cè)得膜層參數(shù)，也可以應(yīng)用于求 取金屬、半導(dǎo)體、介質(zhì)膜的參數(shù)。當(dāng)其應(yīng)用于測(cè)量高吸收襯底上的介電薄膜厚度時(shí)，該方法 將比光學(xué)干涉方法高一個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至具有原子層級(jí)的靈敏度。然而，橢圓偏振法存在一個(gè) 膜厚周期，只有在該周期內(nèi)使用橢圓偏振法才能夠測(cè)得精確的薄膜厚度值，如果測(cè)量的范 圍超過該周期，則薄膜的厚度將有多個(gè)不確定值。因此橢圓偏振法測(cè)量的薄膜厚度范圍一 般從Inm到Iym，且以IOnm左右的薄膜厚度測(cè)量為最佳。此外，該方法不僅需要精確測(cè)得 反射光強(qiáng)，而且需要精確測(cè)得分析偏振強(qiáng)度，因此意味著需要高精度的移動(dòng)光學(xué)器件，提高 了系統(tǒng)的搭建成本。同時(shí)，還需要指出的是，更高的靈敏度意味著更容易受到未知因素的影 響，如薄膜折射率的非均勻分布。
[0010] 光學(xué)薄膜位相方法指利用干涉儀探測(cè)得到干涉信號(hào)來求取薄膜的反射（或者透 射）位相，由于該反射（或者透射）位相與薄膜的厚度有關(guān)，因此可以通過測(cè)得該反射（或 者透射）位相來反演推導(dǎo)出薄膜厚度的精確值。該方法有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1.無論是透射型 薄膜還是反射型薄膜都可以檢測(cè)其位相特性。2.該方法為無損檢測(cè)技術(shù)，不會(huì)對(duì)光學(xué)薄膜 表面產(chǎn)生破壞。3.測(cè)量裝置調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量甚至于全自動(dòng)檢測(cè)。4.檢測(cè)光譜 波段較寬。5.該方法的整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，十分適合應(yīng)用于薄膜厚度的快速三維成 像。另外該方法非常適合應(yīng)用于多層膜厚度的高精度測(cè)量，目前已經(jīng)有研宄小組利用該光 學(xué)薄膜位相方法對(duì)雙層膜實(shí)現(xiàn)了 80nm的薄膜厚度測(cè)量值。然而光學(xué)薄膜位相方法受限于 薄膜非線性位相的靈敏度（即薄膜非線性位相最大值和最小值之間的差值），理論能夠精 確重復(fù)實(shí)現(xiàn)的最小薄膜厚度測(cè)量值只有〇. 18ym。當(dāng)薄膜的厚度小于0. 18ym時(shí)，利用該方 法進(jìn)行薄膜厚度測(cè)量可能會(huì)帶來較大的誤差，誤差率大于1 %。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明針對(duì)光學(xué)薄膜位相方法的不足，公開了一種位相增強(qiáng)型薄膜厚度測(cè)量方法 和系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由薄膜厚度測(cè)量單元和采樣波數(shù)漂移校正單元所構(gòu)成。薄膜厚度測(cè)量 單元的測(cè)量光路和參考光路中分別設(shè)置有測(cè)量子循環(huán)腔和參考子循環(huán)腔，利用測(cè)量光和參 考光在兩個(gè)子循環(huán)腔中的高速（光速）光循環(huán)，能夠?qū)Υ郎y(cè)薄膜樣品同一橫向位置處的薄 膜位相進(jìn)行累積放大測(cè)量（放大倍數(shù)等于測(cè)量光和參考光的光循環(huán)級(jí)次），從而增強(qiáng)薄膜 位相探測(cè)的靈敏度。并且由于該系統(tǒng)在對(duì)薄膜位相進(jìn)行累積放大測(cè)量的過程中，測(cè)量光束 始終照射于待測(cè)薄膜樣品的同一橫向位置，因而不同于利用測(cè)量光束在待測(cè)薄膜樣品中多 次反射進(jìn)而求取薄膜反射率的光譜方法，該薄膜位相增強(qiáng)方法不會(huì)犧牲系統(tǒng)對(duì)待測(cè)薄膜樣 品的橫向分辨能力。
[0012] 本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0013] 薄膜厚度測(cè)量單元基于傳統(tǒng)的光纖型馬赫曾德干涉儀，該單元分別在干涉儀的測(cè) 量光路和參考光路中對(duì)稱設(shè)置測(cè)量子循環(huán)腔和參考子循環(huán)腔。利用測(cè)量光和參考光在兩個(gè) 子循環(huán)腔中的高速（光速）光循環(huán)，能夠?qū)Υ郎y(cè)薄膜樣品同一橫向位置處的薄膜位相進(jìn)行 累積放大測(cè)量（放大倍數(shù)等于測(cè)量光和參考光的光循環(huán)級(jí)次），從而增強(qiáng)薄膜位相探測(cè)的 靈敏度。并且由于該系統(tǒng)在對(duì)薄膜位相進(jìn)行累積放大測(cè)量的過程中，測(cè)量光束始終照射于 待測(cè)薄膜樣品的同一橫向位置，因而不同于利用測(cè)量光束在待測(cè)薄膜樣品中多次反射進(jìn)而 求取薄膜反射率的光譜方法，該薄膜位相增強(qiáng)方法不會(huì)犧牲系統(tǒng)對(duì)待測(cè)薄膜樣品的橫向分 辨能力。
[0014] 薄膜厚度測(cè)量單元主光路（不包含子循環(huán)腔）部分的信號(hào)干涉由于不包含子循環(huán) 腔信息，并且能夠通過主光路中的光纖延遲線設(shè)置合適的固定光程差值。因而能夠利用主 光路部分的干涉信號(hào)來進(jìn)行探測(cè)光譜的波數(shù)標(biāo)定。因此，該系統(tǒng)不需要額外設(shè)置波數(shù)標(biāo)定 單元，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件需求，降低了系統(tǒng)成本。
[0015] 寬帶掃頻光源電子觸發(fā)信號(hào)的抖動(dòng)會(huì)造成不同掃頻周期之間測(cè)量干涉信號(hào)采樣 波數(shù)的整體漂移，從而導(dǎo)致薄膜位相測(cè)量的誤差，因而該系統(tǒng)設(shè)置了采樣波數(shù)漂移校正單 元來進(jìn)行波數(shù)整體漂移的校正。該校正單元主要由寬帶光纖環(huán)行器、光纖型布拉格衍射光 柵和高帶寬平衡光電探測(cè)器所構(gòu)成。利用光纖型布拉格衍射光柵只針對(duì)特定波長(zhǎng)的窄帶光 譜進(jìn)行反射這一特性，通過高速數(shù)據(jù)采集卡采集不同掃頻周期的反射光譜信號(hào)，并對(duì)比不 同掃頻周期之間反射光譜的尖峰位置來計(jì)算采樣波數(shù)的整體漂移點(diǎn)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)不同掃頻 周期之間采樣波數(shù)整體漂移的校正，大大降低了系統(tǒng)