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1、1说 明 书测量薄膜厚度和折射率的方法及装置与应用请确定全文的描述是否正确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与应用。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
2、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
3、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，2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
4、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 ，其中：101200120s1 2,cos,4(in)si iiFnGRmd 为薄膜的厚度； 为入射光束波长； 、 、 分别为空气、薄膜、衬底的折射率；1d 0为入射角， 为入射角的序数；m 为膜序数，如 1,2,3；0ii本发明所述测量薄膜厚度和折射率的方法具有测量速度快及空间分辨率高的特点。实现所述测量薄膜厚度和折射率的方法的装置，包括光源、透射光栅、光栏、聚光透镜、偏正器、样品旋转台、光电探测器旋转平台
5、、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、偏正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，从而位于光电探测器旋转平台上的光电探测器能探测到被位于样品旋转台上的样品反射出来的光束；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；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；所述的光源为单色光源或是激光光源；所述的光源优选为 He-
6、Ne 激光器或半导体激光器；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：； D 为聚光透镜的直径，为激光波长，Z 为透射光栅和12d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；从而可让至少 3 束光透过光栏；3所述的孔为等间距排列；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，优选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、 SSPD 线阵探测器；所述的信号采样放大和 AD 转换电路主要由电
7、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；三维调节螺母能用于样品平台底座水平及样品的垂直调整；所述的光电探测器旋转平台还设置角度标尺，角度标尺有利于调整光电探测器的位置；所述的样品旋转台与所述的探测器旋转平台优选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样品旋转台的的二倍，以保证样品的反射光在任何角度都能被光电探测器各单元准确探测，方便及快速测量样品反射光强与入射角的关系；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，优选透反比为 10：120：1 的分光镜
8、；所述的光电探测器 B 为单元探测器，优选为硅光电二极管或光电池；所述的装置在薄膜样品检测中的应用，特别适合用于对集成电路 IC 和/或功能薄膜器件进行检测。本发明方法的工作原理为：采用三束或三束以上光束以不同入射角同时投射到薄膜的同一点，经薄膜反射后的光束由线阵列光电探测器接收并测量其光强，计算出不同入射角所对应的薄膜反射率，由多光束干涉原理及菲涅尔公式等对所得到的反射率数据进行反演或拟合，求出待测薄膜厚度、折射率及消光系数等光学参数。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：（1）本发明（包括方法和装置）不但比现有相关技术测量时间短，而且具有较高的空间分辨率。具体而言，即由于光束通过光栅衍
9、射及透镜聚焦，不但使三束光或多束光同时入射样品表面同一位置，测量速度加快，测量时间大大减少，而且入射到样品表面的光斑直径小于 20m，提高了测量薄膜空间分4辨率。若配合两维样品微调或扫描装置，容易得到薄膜样品表面形貌（厚度、折射率或消光系数等）的分布图。这对检测大规模集成电路 IC 及功能薄膜器件的表面特性或质量很有帮助，也是现有相关技术难以达到的。（2）本发明适用于多层膜及消光膜的测量，特别适用于各向异性膜。（3）本发明测量过程无损样品表面，速度快。（4）本发明易于实现薄膜样品的自动测量。（5）本发明测量精度高，范围大。（6）本发明所提供的测量装置光路简单，所需元件少，调节方便，成本低。附图
10、说明图不要改，我是根据实施例的描述顺序来编排的图 1 是实施例 1 所提供的装置的示意图。图 2 是本发明方法测量原理示意图。图 3 是入射光束在薄膜样品上的反射及折射示意图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例 1（一）装置的构成一种测量薄膜厚度和折射率的装置，如图 1 所示：包括包括光源 1、透射光栅 2、光栏 3、聚光透镜 4、偏正器 5、光电探测器 7、样品旋转台 8、光电探测器旋转平台 9、分光镜 10 和用于接收被分光镜反射的光束的光电探测器 B 11、信号采样放大和 AD 转换电路 12、以及计算机 13；沿着光前进的方向
11、，光源1、分光镜 10、透射光栅 2、光栏 3、聚光透镜 4、偏正器 5 和样品旋转台 8 依次排列，样品旋转台 8 的轴心和光电探测器旋转平台 9 的轴心重合，光电探测器旋转平台 9 的直径大于样品旋转台的直径，从而位于光电探测器旋转平台 9上的光电探测器 7 能探测到被位于样品旋转台上的待测薄膜样品 6 反射出来的光束；位于光电探测器旋转平台 9 上的光电探测器 7（为线性阵列光电探测器） 、信号采样放大和 AD 转换电路 12 与计算机 13 依次连接；光电探测器 B 11、信号采样放大和 AD 转换电路 12 与计算机 13 依次连接。光源 1 为单色光源，可以选择各种小功率连续波激光
12、器，如 He-Ne 激光器5及半导体激光器等。分光镜 10 可为普通镀膜平板分光镜或立方体镀膜分光棱镜等，其透反比在 10：120：1 为宜。透射光栅 2 为各种振幅型或相位型透射光栅，如全息光栅、刻画光栅或镀膜光栅等，其光栅常数 d 应满足下式：2DdZ上式中 D 为聚光透镜 4 的直径，为激光波长，Z 为透射光栅 2 和聚光透镜4 之间的距离。聚光透镜 4 为普通玻璃或纤维透镜。偏振器 5 可选用人造偏振片或格林棱镜偏振器。光栏 3 由塑料或金属片钻孔再喷涂黑色油墨制作。光电探测器 7 为线性阵列光电探测器，可为三单元或以上的光电池组或光电二极管构成，也可选用 CCD 或 SSPD 线阵探
13、测器。光电探测器 11 为补偿探测器，是单元探测器，如硅光电二极管、光电池等。样品旋转台 8 设有薄膜样品夹持装置及三维调节螺母，用于样品平台底座水平及样品的垂直调整，并带有角度标尺，其转角定位精度优于 0.1，角度调节范围：0360。光电探测器旋转平台 9 也带有角度标尺，转动角度范围：0360，可以夹持及紧固光电探测器 7。样品旋转台 8的转轴与光电探测器旋转平台 9 的转轴同轴，两者可以手动调节角度，也可设计成电控自动旋转方式。这时，样品旋转台 8 与探测器旋转平台 9 转动及传动机构耦合连接，使后者的转角始终为前者的二倍，以保证样品的反射光在任何角度都能被光电探测器 7 各单元准确探测
14、，方便及快速测量样品反射光强与入射角的关系。信号采样放大和 AD 转换电路 12 主要由电源电路、模拟信号放大电路、模数转换电路与单片机电路组成，其输出信号连接到计算机 13 并通过软件进行数据处理。（二）装置的制备过程先调节光源 1 发射的光束通过样品旋转台 8 的转轴中心并与其垂直，即与样品旋转台 8 平面平行。先放置分光镜 10，调节其反射光进入光电探测器 B 11，再放置透射光栅 2 和聚光透镜 4，调节透射光栅 2 和聚光透镜 4 的位置，使通过聚光透镜 4 的入射光束聚焦于样品旋转台 8 的转轴中心，即样品旋转台 8的转轴中心与光栅 2 处于共轭位置。接着放入光栏 3 和偏正器 5
15、，再将光电探测器 B 11 和位于光电探测器旋转平台 9 上的光电探测器 7 分别通过信号采样放大和 AD 转换电路 12 与计算机连接，得到如图 1 所示的装置。（三）装置的使用方法将待测薄膜样品 6 置于样品旋转台 8 的转轴轴心，使其薄膜表面通过样品旋转台 8 的转轴中心并调整其表面与入射光垂直，即沿光轴入射的光经样品反6射后沿原路返回。转动样品旋转台 8，选择合适的入射角（如 3070之间较好）同时反射三束光。转动并调节光电探测器 7 的位置，使其各单元分别探测三束反射光的光强。转动光电探测器 7 位于入射光光轴附近，调整其位置，使其各单元分别探测三束入射光的光强，然后算出三个不同入射
16、角所对应的薄膜样品的反射率。同时测量光电探测器 B 11 得到的光强，可补偿入射光功率变化对测量结果的影响，提高反射率的测量精确度。光电探测器 7 和光电探测器 B 11 将采集到的光信号专程电信号，分别传输到信号采样放大和 AD 转换电路 12，最后由计算机 13 分析，得到待测薄膜样品 6 的光学参数。（四）原理和数据分析：本发明测量原理如图 2 所示：光电探测器 7 位于光电探测器旋转平台 9 上，与其一起同步转动。先旋转光电探测器旋转平台 9，光电探测器 7 与入射光共轴，分别测出三束或三束以上入射光的光强，装上样品，调节待测薄膜样品 6 表面与入射光轴垂直，选择合适的入射角，使三束或三束以上反射光从待测薄膜样品 6 表面同一点反射出去，转动光电探测器 7 分别接收三束或三束以上的反射光束，并测量它们的光强，即可得到样品同一点不同入射角的反射率。根据实际样品的数学模型，利用实验数据进行反演或拟合，求出待测薄膜样品的厚度和折射率等参数。
