CN120907429A - 样品几何参数和性能参数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种样品几何参数和性能参数测量装置及测量方法，该装置包括白光干涉测量模块、拉曼光谱测量模块与椭偏测量模块，在白光干涉测量模块和拉曼光谱测量模块中采用部分共光路设计，实现拉曼光谱数据与干涉条纹图像的共光路测量，可以同时获得同一测量点位的表面形貌和物质成分信息，实现椭偏建模中几何参数和物质成分信息的原位高精度获取，避免了异质膜不同测量点携带信息不一致进而导致分析误差的情况，可大幅提高椭偏测量结果的精度和可靠性。所提出的宽禁带半导体晶圆表面膜层的几何参数和性能参数测量方法通过结合椭偏光谱、白光干涉和拉曼光谱等技术，能够全面准确地测量和表征异质膜的形态信息和性能参数。

Description

样品几何参数和性能参数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种样品几何参数和性能参数测量装置及测量方法。

背景技术

宽禁带半导体由于具有耐高压、高频、高温的特性，被目前制造高频、高功率器件的理想材料，广泛应用于5G通信、新能源汽车、航空航天等领域中。对高温下宽禁带半导体几何形貌、性能参数的高精度表征与测量对其高温服役性能和温度依赖性机理的研究有着重要意义。传统测量方法如AFM、SEM等，特别是在高温环境下，难以同时原位表征半导体材料的几何特征和性能参数。椭偏仪具有高精度、非接触、测量参数广泛、具备高温测量能力等优点，已广泛应用于半导体产业中膜厚、关键尺寸等参数的测量中，是解决上述问题的唯一潜在有效手段。

椭偏仪的测量结果强依赖于测量参数的先验知识，先验知识越充足，则待测参数可靠性越高。现有椭偏仪所使用的先验知识往往来源于其他辅助仪器。但在高温环境下物质形态性能时刻变化，需要保证测量基准、测量位置的统一，实现测量系统的高精度、高可靠性测量。

专利CN 109883956A中所公开的一种薄膜光学常数随温度变化的测量装置与测量方法中，通过翻转样品测量同一样品的基底和膜面随温度变化的椭偏参数，以相同温度下所测量的基底光学常数作为膜层光学常数拟合的初始条件，实现薄膜光学常数随温度变化的测量。该方法忽略了翻转样品时对于测量点位的影响，无法实现温度变化过程中晶圆几何和性能参数的同位测量；在宽禁带半导体晶圆衬底与薄膜材料不同时，无法实现晶圆几何和性能参数的测量。

专利CN 110376136B所公开的高温加载下测量薄膜光学常数及形貌参数的装置及方法中，可在较宽的热温度范围内校准不同加热温度下石英玻璃窗所引入的椭偏参数偏差，能够更准确的测量得到待测样品的光学常数以及形貌参数。该方法直接使用椭偏模型逆向求解薄膜表面形貌参数，但在宽禁带半导体晶圆超薄膜的测量中，由于粗糙度与厚度处于同等量级，需要首先固定表面粗糙度值来提高性能参数的准确度和精度。

目前测量宽禁带半导体异质结薄膜形态和性能的方法包括拉曼光谱法、X射线衍射法、透射电子显微镜法和原子力显微镜法等。这些方法虽然各具特色，但通常只能提供异质薄膜单一的形态或性能参数，导致在分析过程中，由于缺乏足够的综合形态和性能参数，无法准确全面地评估异质薄膜对器件性能的影响。例如，拉曼光谱法可以提供材料的分子振动信息，但对层数和厚度的解析能力有限；X射线衍射法能揭示晶体结构，却难以直接获取表面形貌信息；透射电子显微镜法能够解析原子级结构，但样品制备复杂且可能改变薄膜原始状态；原子力显微镜法虽然能提供高分辨率的表面形貌图像，但测量速度慢且受限于扫描面积。

因此，需要开发更先进的测量和表征方法，能够综合考虑多种形态和性能参数，以准确评估和优化宽禁带半导体异质结薄膜的形态和性能。这些新方法应具备高分辨率、高灵敏度和多参数同步测量的能力，从而更好地揭示薄膜的结构-性能关系，推动其在高性能电子和光电子器件中的应用。

发明内容

针对上述提到的上述技术问题。本申请的实施例的目的在于提出了一种样品几何参数和性能参数测量装置及测量方法，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

第一方面，本申请的实施例提供了一种样品几何参数和性能参数测量装置，包括椭偏测量模块、白光干涉测量模块、拉曼光谱测量模块和数据处理模块，在白光干涉测量模块与拉曼光谱测量模块的光路结构中共用同一个物镜和分束镜以实现部分共光路，通过白光干涉测量模块与拉曼光谱测量模块分别探测样品的表面上的同一测量点位的干涉条纹图像和拉曼光谱数据；椭偏测量模块中所发出的光线与白光干涉测量模块和拉曼光谱测量模块中所发出的光线照射在样品的表面形成的光斑重合，通过椭偏测量模块同位测量出样品的表面上的同一测量点位的椭偏光谱数据；数据处理模块包括表面三维形貌恢复单元、拉曼图谱处理单元和椭偏光谱数据分析单元；表面三维形貌恢复单元与白光干涉测量模块连接，并根据白光干涉测量模块采集的干涉条纹图像获得几何参数的初值；拉曼图谱处理单元与拉曼光谱测量模块连接，依据拉曼光谱测量模块采集的拉曼光谱数据提取样品表面的物质成分信息和性能参数的初值；椭偏光谱数据分析单元与椭偏测量模块连接以采集椭偏光谱数据，椭偏光谱数据分析单元根据样品的材料特性、物质成分信息、几何参数的初值和性能参数的初值建立样品的光学模型和振子模型，并结合椭偏光谱数据进行拟合分析，得到样品的几何参数和性能参数。

作为优选，白光干涉测量模块包括第一光源、准直透镜、中继透镜组、成像管镜、光电探测器、第一分束镜、第二分束镜、第一物镜和第二物镜，第一分束镜设置在第二物镜与第二分束镜之间，第二分束镜设置在第一分束镜与成像镜管之间；第一物镜的入射光路平行于样品表面布置；第二物镜的入射光路垂直于样品表面布置，通过第一驱动机构控制第一物镜沿与样品表面平行的方向运动，在第一物镜的焦平面设有参考平面，通过第二驱动机构控制第二物镜沿与样品表面垂直的方向运动；第一光源发出的光通过准直透镜后转化为平行光，经中继透镜组实现均匀照明后再经第一分束镜后将平行光分为两束相干光波，分别为参考光和测量光，参考光和测量光照射在样品表面后分别进入第一物镜和第二物镜，两束相干光波原路返回后在第一分束镜处叠加产生干涉后经第二分束镜和成像管镜进入光电探测器，通过光电探测器获得干涉条纹图像；拉曼光谱测量模块包括第二光源、第一分束镜、二向色镜、第二分束镜、共焦镜组、第二物镜和光谱仪，第二光源发出的单色光依序经二向色镜、第二分束镜反射再经过第一分束镜后进入第二物镜，第二物镜将单色光汇聚后投射入样品的表面后，收集包含有样品物质成分信息的拉曼散射光并将其经过第一分束镜再返回第二分束镜，拉曼散射光经由第二分束镜反射后透过二向色镜进入共焦镜组，共焦镜组滤除拉曼散射光中的杂散光后将所需拉曼光谱信息传递至光谱仪，通过光谱仪获得拉曼光谱数据。

作为优选，白光干涉测量模块包括第一光源、准直透镜、中继透镜组、成像管镜、光电探测器、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第一物镜和第二物镜；第一物镜的入射光路平行于样品表面布置，第二物镜的入射光路垂直于样品表面布置；第二分束镜设置在第一分束镜与第二物镜之间，第三分束镜设置在第一分束镜与第一物镜之间；通过第一驱动机构控制第一物镜沿与样品表面平行的方向运动，在第一物镜的焦平面设有参考平面，通过第二驱动机构控制第二物镜沿与样品表面垂直的方向运动；第一光源发出的光通过准直透镜后转化为平行光，经中继透镜组实现均匀照明后再经第一分束镜后将平行光分为两束相干光波，分别为参考光和测量光，参考光和测量光照射在样品表面后分别进入第一物镜和第二物镜，两束相干光波原路返回后分别经过第二分束镜和第三分束镜，再在第一分束镜处叠加产生干涉后经成像管镜进入光电探测器，通过光电探测器获得干涉条纹图像；拉曼光谱测量模块包括第二光源、二向色镜、第二分束镜、共焦镜组、第二物镜和光谱仪，二向色镜设置在第二分束镜与共焦镜组之间，第二光源发出的单色光依序经二向色镜、第二分束镜反射后进入第二物镜，第二物镜将单色光汇聚后投射入样品的表面后，收集包含有样品物质成分信息的拉曼散射光并将其返回第二分束镜，拉曼散射光经由第二分束镜反射后透过二向色镜进入共焦镜组，共焦镜组滤除拉曼散射光中的杂散光后将所需拉曼光谱信息传递至光谱仪，通过光谱仪获得拉曼光谱数据。

作为优选，椭偏测量模块包括宽光谱光源、起偏器、第一旋转补偿器、第二旋转补偿器、检偏器和探测单元，宽光谱光源发出的光经光纤传递至起偏器，经过起偏器和第一旋转补偿器将光纤传递的光转换为具有确定特性的偏振光并倾斜入射至样品的表面上，再依次经过第二旋转补偿器和检偏器，以收集经样品表面反射的偏振光并经由光纤传递至探测单元，通过探测单元获取到样品的椭偏光谱数据。

作为优选，还包括样品台，样品台下方设有六自由度运动位移台，用于调整测量点位或根据干涉条纹图像实现样品台调平；起偏器的下方设有第一旋转台，第一旋转台用于调整起偏器与样品台之间的夹角，检偏器的下方设有第二旋转台，第二旋转台用于调整检偏器与样品台之间的夹角；样品台包括常温样品台和高温样品台，当样品台为高温样品台时，还包括高温加热腔、第一光学窗口、第二光学窗口和第三光学窗口；高温样品台安装在高温加热腔内部，高温加热腔内可抽真空或填充惰性气体；第一光学窗口和第三光学窗口分别安装于高温加热腔的两侧，可透过椭偏测量模块的入射光和反射光；第二光学窗口安装于高温加热腔表面并与高温样品台垂直；高温样品台上的温度控制范围为300～1200K。

作为优选，几何参数包括膜厚和表面粗糙度；性能参数包括晶体结构、晶向、介电常数、光学带隙、光学常数、残余应力、电导率、掺杂浓度、杂质和缺陷、载流子浓度、载流子迁移率和电子弛豫时间中的一个或多个，介电常数包括介电常数实部和虚部，光学常数包括折射率和消光系数。

作为优选，振子模型包括经验型Cauchy模型、Gaussian模型、Drude模型、TaucLorentz模型或Drude Lorentz模型。

第二方面，本申请的实施例提供了一种宽禁带半导体晶圆表面膜层的几何参数和性能参数测量方法，采用权利要求第一方面中任意一项的样品几何参数和性能参数测量装置，其中样品包括晶圆以及晶圆表面膜层，包括以下步骤：

1)选择晶圆表面膜层表面上的测量点位，通过白光干涉测量模块获得晶圆表面膜层表面上的测量点位对应的干涉条纹图像；

2)晶圆表面膜层的位置保持不动，切换至拉曼光谱测量模块，调整第二物镜，使其位于拉曼光谱测量模块的焦点位置，并采集晶圆表面膜层表面上的测量点位对应的拉曼光谱数据；

3)依据干涉条纹图像中的干涉条纹状态，调整样品台使其调平，样品表面与第一物镜的入射面垂直；切换至椭偏测量模块，椭偏测量模块中所发出的光线与白光干涉测量模块和拉曼光谱测量模块中所发出的光线照射在样品的表面形成的光斑重合，通过椭偏测量模块获取到晶圆表面膜层表面上的测量点位对应的椭偏光谱数据；

4)根据干涉条纹图像提取几何参数的初值，根据拉曼光谱数据确定物质成分信息和性能参数的初值；

5)根据物质成分信息确定材料特性，根据材料特性、物质成分信息、几何参数的初值和性能参数的初值建立晶圆表面膜层的光学模型和振子模型，并结合椭偏光谱数据进行拟合分析，得到样品的几何参数和性能参数。

作为优选，晶圆表面膜层包括至少一层异质膜，最外层的异质膜为粗糙表面层，几何参数包括表面粗糙度和膜厚，晶圆表面膜层包括多层膜，性能参数包括晶体结构、晶向、介电常数、光学带隙、光学常数、残余应力、电导率、掺杂浓度、杂质和缺陷、载流子浓度、载流子迁移率和电子弛豫时间中的一个或多个，还包括：

结合表面粗糙度以及物质成分信息建立晶圆及其表面的至少一层异质膜的光学模型，根据拉曼光谱测量模块中测量得到的物质成分信息确定材料特性，根据材料特性选择对应的振子模型；

基于干涉条纹图像估算粗糙表面层的厚度的初值和表面粗糙度的初值；

调整拉曼光谱测量模块中的第二光源的入射深度，得到不同强度的拉曼光谱数据，并根据不同强度的拉曼光谱数据估算中间的异质膜的层数以及每一层中间的异质膜的厚度的初值；

根据材料特性、表面粗糙度的初值、粗糙表面层的厚度的初值、每一层中间的异质膜的厚度的初值以及物质成分信息建立晶圆表面膜层的光学模型和振子模型，并结合椭偏光谱数据进行拟合分析，得到每一层异质膜的厚度和表面粗糙度。

作为优选，当所述晶圆表面膜层包括多层膜层，且所述样品台为高温样品台，还包括：

将样品放置在高温样品台上，向高温加热腔中抽真空或填入氮气，缓慢升温至预设温度后保持；

分别在室温和预设温度下测量得到干涉条纹图像、拉曼光谱数据和椭偏光谱数据；

根据干涉条纹图像通过质心算法提取样品表面在室温和预设温度下的表面形貌，分析表面形貌随温度的变化；

对拉曼光谱数据进行基线校正，去除背景噪声和荧光干扰，对校正后的拉曼光谱数据进行峰拟合，使用Gaussian或Lorentzian函数精确确定特征峰的位置、强度和半高宽，分析预设温度与室温下拉曼光谱的特征峰位置，确定特征峰位置的偏移量，分析特征峰的强度变化，确定晶圆表面膜层的物质成分信息、高温下的结晶质量，根据物质成分信息确定应力系数，通过偏移量和应力系数计算得到在室温和预设温度下的残余应力的初值；

调整预设温度的大小，并重复以上步骤，得到不同温度条件下的残余应力的初值；

根据材料特性、不同温度条件下的残余应力的初值以及物质成分信息建立晶圆表面膜层的光学模型和振子模型，并结合对应温度下的椭偏光谱数据进行拟合分析，得到多层膜不同温度条件下的残余应力的变化；

根据物质成分信息和温度确定其余性能参数的初值，重复上一步骤，拟合分析得到在高温条件下的其余性能参数。

相比于现有技术，本发明的有益效果如下：

(1)本发明提出的样品几何参数和性能参数测量装置结合部分共光路设计的白光干涉测量模块和拉曼光谱测量模块以及与椭偏测量模块的共基准测量，通过使用特殊波长的单色光以及二向色镜，并在白光干涉测量模块和拉曼光谱测量模块中共用物镜和分束镜，实现拉曼光谱数据与干涉条纹图像的共光路测量，可以同时获得同一测量点位的表面形貌和物质成分信息，实现椭偏建模中几何参数和物质成分信息的原位高精度获取，避免了异质膜不同测量点携带信息不一致进而导致分析误差的情况，可大幅提高椭偏测量结果的精度和可靠性。

(2)本发明提出的宽禁带半导体晶圆表面膜层的几何参数和性能参数测量方法通过结合椭偏光谱、白光干涉和拉曼光谱等技术，能够全面准确地测量和表征异质膜的形态信息和性能参数。该方法为宽禁带半导体异质结薄膜的研究与开发提供了重要的技术支持，有助于进一步提升器件的性能和可靠性。

(3)本发明提出的宽禁带半导体晶圆表面膜层的几何参数和性能参数测量方法通过调整拉曼光谱测量模块中的第二光源的入射深度，得到不同强度的拉曼光谱数据，由于不同材料层在拉曼光谱中表现出独特的振动频率，通过这些特征峰来区分各个膜层的材料进一步获得多层异质薄膜的层数和厚度信息，并且能够结合光学模型和振子模型对多层异质膜中的各个膜层的厚度、表面粗糙度等几何参数以及载流子浓度、迁移率等性能参数进行拟合分析。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1示出了本申请的实施例一的样品几何参数和性能参数测量装置的结构示意图；

图2示出了本申请的实施例一的样品几何参数和性能参数测量装置的高温样品台及其相应装置的示意图；

图3示出了本申请的实施例二的样品几何参数和性能参数测量装置的结构示意图；

附图标记：101、宽光谱光源；102、起偏器；103、第一旋转补偿器；104、第二旋转补偿器；105、检偏器；106、探测单元；211、第一光源；212、准直透镜；213、中继透镜组；214、成像管镜；215、光电探测器；216、第一分束镜；217、第一驱动机构；218、第一物镜；219；参考平面；220、第二驱动机构；221、第二物镜；231、第二分束镜；232、二向色镜；233、第二光源；234、共焦镜组；235、光谱仪；236、第三分束镜；310、高温加热腔；320、第一光学窗口；330、第二光学窗口；340、第三光学窗口；350、高温样品台；400、样品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。应当注意到，附图中的部件的尺寸以及大小并不是按照比例的，可能会为了明显示出的原因突出显示了某些部件的大小。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明的实施例一种样品几何参数和性能参数测量装置，包括椭偏测量模块、白光干涉测量模块、拉曼光谱测量模块和数据处理模块，在白光干涉测量模块与拉曼光谱测量模块的光路结构中共用同一个物镜和分束镜以实现部分共光路，通过白光干涉测量模块与拉曼光谱测量模块分别探测样品400的表面上的同一测量点位的干涉条纹图像和拉曼光谱数据；椭偏测量模块中所发出的光线与白光干涉测量模块和拉曼光谱测量模块中所发出的光线照射在样品400的表面形成的光斑重合，通过椭偏测量模块同位测量出样品400的表面上的同一测量点位的椭偏光谱数据；数据处理模块包括表面三维形貌恢复单元、拉曼图谱处理单元和椭偏光谱数据分析单元；表面三维形貌恢复单元与白光干涉测量模块连接，并根据白光干涉测量模块采集的干涉条纹图像获得几何参数的初值；拉曼图谱处理单元与拉曼光谱测量模块连接，依据拉曼光谱测量模块采集的拉曼光谱数据提取样品400表面的物质成分信息和性能参数的初值；椭偏光谱数据分析单元与椭偏测量模块连接以采集椭偏光谱数据，椭偏光谱数据分析单元根据样品400的材料特性、物质成分信息、几何参数的初值和性能参数的初值建立样品400的光学模型和振子模型，并结合椭偏光谱数据进行拟合分析，得到样品400的几何参数和性能参数。

下面采用具体的实施例对本申请提及的样品几何参数和性能参数测量装置进行详细说明。

实施例一

在本申请的实施例一中，白光干涉测量模块包括第一光源211、准直透镜212、中继透镜组213、成像管镜214、光电探测器215、第一分束镜216、第二分束镜231、第一物镜218和第二物镜221，第一分束镜216设置在第二物镜221与第二分束镜231之间，第二分束镜231设置在第一分束镜216与成像管镜214之间；第一物镜218的入射光路平行于样品400表面布置；第二物镜221的入射光路垂直于样品400表面布置，第一驱动机构217与第一物镜218相连接，用于控制第一物镜218沿与样品400表面平行的方向运动，在第一物镜218的焦平面设有参考平面219，第二驱动机构220与第二物镜221相连接，用于控制第二物镜221沿与样品400表面垂直的方向运动；第一光源211发出的光通过准直透镜212后转化为平行光，经中继透镜组213实现均匀照明后再经第一分束镜216后将平行光分为两束相干光波，分别为参考光和测量光，参考光和测量光照射在样品400表面后分别进入第一物镜218和第二物镜221，两束相干光波原路返回后在第一分束镜216处叠加产生干涉后经第二分束镜231和成像管镜214进入光电探测器215，通过光电探测器215获得干涉条纹图像。

在具体的实施例中，拉曼光谱测量模块包括第二光源233、第一分束镜216、二向色镜232、第二分束镜231、第二物镜221、共焦镜组234和光谱仪235，第二光源233发出的单色光依序经二向色镜232、第二分束镜231反射再经过第一分束镜216后进入第二物镜221，第二物镜221将单色光汇聚后投射入样品400的表面后，收集包含有样品400物质成分信息的拉曼散射光并将其经过第一分束镜216后返回第二分束镜231，拉曼散射光经由第二分束镜231反射后透过二向色镜232进入共焦镜组234，共焦镜组234滤除拉曼散射光中的杂散光后将所需拉曼光谱信息传递至光谱仪235，通过光谱仪235获得拉曼光谱数据。

在具体的实施例中，椭偏测量模块包括宽光谱光源101、起偏器102、第一旋转补偿器103、第二旋转补偿器104、检偏器105和探测单元106，宽光谱光源101发出的光经光纤传递至起偏器102，经过起偏器102和第一旋转补偿器103将光纤传递的光转换为具有确定特性的偏振光并倾斜入射至样品400的表面上，再依次经过第二旋转补偿器104和检偏器105，以收集经样品400表面反射的偏振光并经由光纤传递至探测单元106，通过探测单元106获取到样品400的椭偏光谱数据。

具体的，参考图1，本申请的实施例中提供的样品几何参数和性能参数测量装置，包括椭偏测量模块、白光干涉测量模块、拉曼光谱测量模块和数据处理模块，其中白光干涉测量模块和拉曼光谱测量模块可共光路探测样品400表面的同一测量点位的干涉条纹图像和拉曼光谱数据，进一步通过表面三维形貌恢复单元和拉曼图谱处理单元可以得到表面粗糙度的初值与物质成分信息等信息，具体可通过采用同一个第二物镜221、第一分束镜216和第二分束镜231实现同位测量，第二物镜221同时收集白光干涉测量模块发出的探测光束和拉曼光谱测量模块发出的包含样品400信息的拉曼散射光，拉曼光谱测量模块中的第二分束镜231、二向色镜232、共焦镜组234和光谱仪235设置在白光干涉测量模块的第一分束镜216和第一物镜218的上方空间。同时可调整椭偏测量模块中，使椭偏测量模块发出的探测光与第二物镜221发出的探测光处于样品400表面的同一测量点位，便可以得到同一测量点位上的干涉条纹图像、拉曼光谱数据和椭偏光谱数据，避免了不同测量点位携带信息不一致进而导致分析误差的情况；通过该椭偏光谱数据分析单元建立光学模型和振子模型，利用该椭偏光谱数据可计算得到椭偏参数、穆勒矩阵、反射系数和透射系数等，进一步拟合分析得到样品400的几何参数和性能参数。

具体的，白光干涉测量模块中的第一物镜218与第二物镜221具有相同的光学参数，且与第一分束镜216间距离相同。第一物镜218的入射光路平行于样品400表面布置；第二物镜221的入射光路垂直于样品400表面布置。第一物镜218与第二物镜221分别通过第一驱动机构217和第二驱动机构220进行驱动，第一驱动机构217和第二驱动机构220均包括压电陶瓷，利用压电陶瓷带动第一物镜218或第二物镜221移动。第一分束镜216设置在第二物镜221与第二分束镜231之间，第二分束镜231布置于第一分束镜216与成像管镜214之间，不仅可实现透过白光波长并反射单色光波长，还可以避免参考光和测量光在返回第一分束镜216时出现光程差，此时表面粗糙度测量效果佳。

在具体的实施例中，还包括样品台，样品台下方设有六自由度运动位移台，用于调整测量点位或根据干涉条纹图像实现样品台调平；起偏器102的下方设有第一旋转台，第一旋转台用于调整起偏器102与样品台之间的夹角，检偏器105的下方设有第二旋转台，第二旋转台用于调整检偏器105器与样品台之间的夹角；样品台包括常温样品台和高温样品台350，参考图2，当样品台为高温样品台350时，还包括高温加热腔310、第一光学窗口320、第二光学窗口330和第三光学窗口340；高温样品台350安装在高温加热腔310内部，高温加热腔350内可抽真空或填充惰性气体；第一光学窗口320和第三光学窗口340分别安装于高温加热腔310的两侧，可透过椭偏测量模块的入射光和反射光；第二光学窗口330安装于高温加热腔310表面并与高温样品台350垂直；高温样品台350上的温度控制范围为300～1200K。

进一步的，本申请的实施例中的样品400所放置的样品台可为高温样品台350，高温样品台350具有高温加热功能，温度控制范围为300～1200K，能够实现在不同温度下样品400的几何参数和性能参数的测试，同时利用高温加热腔310、第一光学窗口320、第二光学窗口330和第三光学窗口340保证测试时候的光路不受到影响。高温样品台350下方设有六自由度运动位移台，用于调整不同的测量点位。

在具体的实施例中，几何参数包括膜厚和表面粗糙度；性能参数包括晶体结构、晶向、介电常数、光学带隙、光学常数、残余应力、电导率、掺杂浓度、杂质和缺陷、载流子浓度、载流子迁移率和电子弛豫时间中的一个或多个，介电常数包括介电常数实部和虚部，光学常数包括折射率和消光系数。

在具体的实施例中，振子模型包括经验型Cauchy模型、Gaussian模型、Drude模型、Tauc Lorentz模型或Drude Lorentz模型。

具体的，为了避免回归分析过程中出现局部最优解的情况，需要给各未知参数设置良好的初值。以几何参数中的表面粗糙度为例，可直接通过干涉条纹图像计算得到表面粗糙度的初值，利用结合参数构建光学模型，并利用物质成分信息确定材料特性，并利用材料特性选择使用振子模型的类别，若样品400为透明无吸收，则选择Cauchy模型；若样品400为有吸收，则可选择Lorentz模型；若样品400为金属材料，则选择Drude模型，具体的模型对应的计算公式为现有的，在此不再赘述；将振子模型代入到光学模型中进行回归分析，便可得到样品400的表面粗糙度。在其中一个实施例中，采用LM算法进行回归分析。

在其他几何参数和性能参数的计算过程中，可根据具体需求选择对应的模型计算初值，例如厚度的初始可以使用等效介质近似模型与表面粗糙度近似得到，也可以使用拉曼光谱进行估计，还可以通过椭偏光谱数据的形状进行猜测，与波长相当的厚膜的椭偏光谱会拥有多个振荡峰的存在，振荡峰数量越多，薄膜越厚，反之越少则越薄。而残余应力的初值可使用单轴各向异性模型描述，或者利用拉曼光谱数据得到。光学常数的初值的获得有两种方法：一是查询已有的数据库(如RefractiveIndex.INFO、Palik)，里面会包含类似材料的光学常数值，二是通过仿真的方法生成椭偏光谱数据，与测试得到的椭偏光谱数据进行比较，估算出大概的范围。

进一步的，椭偏光谱数据可计算出的参数包括在210nm至1650nm波长范围内完整的16个穆勒矩阵的元素或4个琼斯矩阵的元素或反射系数和透射系数(rp,rs,tp,ts)。通过干涉条纹图像还可以恢复样品400的表面形貌，解析干涉条纹图像的相位变化，计算出样品400表面各点的相对高度，将不同波长下的相位信息综合起来，通过相位展开算法和高度重建算法，得到样品400表面的三维形貌图像。使用Gaussian或Lorentzian函数对拉曼光谱中的特征峰进行拟合，精确确定峰的位置、强度、频移和半高宽等，可提取样品400的物性信息包括晶体结构、晶向、残余应力、杂质和缺陷等。

本申请的实施例还提出了一种宽禁带半导体晶圆表面膜层的几何参数和性能参数测量方法，采用上述的样品几何参数和性能参数测量装置，其中样品400包括晶圆以及晶圆表面膜层，包括以下步骤：

1)选择晶圆表面膜层表面上的测量点位，通过白光干涉测量模块获得该晶圆表面膜层表面上的测量点位对应的干涉条纹图像；

2)晶圆表面膜层的位置保持不动，切换至拉曼光谱测量模块，调整第二物镜221，使其位于拉曼光谱测量模块的焦点位置，并采集该晶圆表面膜层表面上的测量点位对应的拉曼光谱数据；

3)依据干涉条纹图像中的干涉条纹状态，调整样品台使其调平，样品400表面与第一物镜218的入射面垂直；切换至椭偏测量模块，椭偏测量模块中所发出的光线与白光干涉测量模块和拉曼光谱测量模块中所发出的光线照射在样品400的表面形成的光斑重合，椭偏测量模块中的宽光谱光源101发出的光经光纤传递至起偏器102，经过起偏器102和第一旋转补偿器103将光纤传递的光转换为具有确定特性的偏振光并倾斜入射至晶圆表面膜层的表面上，再依次经过第二旋转补偿器104和检偏器105，以收集经晶圆表面膜层表面反射的偏振光并经由光纤传递至探测单元106，通过探测单元106获取到该晶圆表面膜层表面上的测量点位对应的椭偏光谱数据；

4)根据干涉条纹图像提取几何参数的初值，根据拉曼光谱数据确定物质成分信息和性能参数的初值；

5)根据物质成分信息确定材料特性，根据材料特性、物质成分信息、几何参数的初值和性能参数的初值建立晶圆表面膜层的光学模型和振子模型，并结合椭偏光谱数据进行拟合分析，得到样品400的几何参数和性能参数。

具体的，步骤1具体包括：打开白光干涉测量模块中的第一光源211，并调整白光干涉测量模块中的准直透镜212和中继透镜组213，确保白光干涉测量模块中的光电探测器215获得的图像照度均匀；

调整白光干涉测量模块中的第二物镜221与晶圆表面膜层之间的距离，使光电探测器215中采集到晶圆表面膜层表面上的测量点位的清晰图像；

驱动白光干涉测量模块中的第一驱动机构217并带动第一物镜218运动，以调整第一物镜218与参考平面219之间的距离，使光电探测器215采集到干涉条纹图像。

具体的，以几何参数中的表面粗糙度为例，说明本申请的实施例提出的宽禁带半导体晶圆表面膜层的几何参数和性能参数测量方法，该方法包括以下步骤：

S1，打开白光干涉测量模块的第一光源211和拉曼光谱测量模块的第二光源233，调整光源功率，确保光电探测器215中的图像既不过曝也不过暗，确保光谱仪235中的探测光强最大，调整准直透镜212和中继透镜组213，确保光电探测器215获得的图像照度均匀；

S2，调整样品400与第二物镜221间的距离，使得光电探测器215中可以采集得到样品400的待测区域的清晰图像，控制第一驱动机构217运动，调整第一物镜218与参考平面219之间的距离，直至图像中出现清晰的干涉条纹图像；

S3，控制第二驱动机构220运动，调整第二物镜221进行轴向扫描，寻找拉曼光谱测量模块的焦点位置，控制第二驱动机构220运动至焦点位置，光谱仪235记录此时光谱数据。

S4，依据干涉条纹图像中的干涉条纹状态调节样品台上的样品400的表面与第一物镜218的入射面垂直；打开椭偏测量模块的宽光谱光源101，宽光谱光源101发出的光经光纤传递至起偏器102，起偏器102将光纤传递的光转换为具有确定特性的偏振光并倾斜入射至样品400表面。检偏器105收集经样品400表面反射的偏振光并经由光纤传递至探测单元106，探测单元106采集到椭偏光谱数据。其中，椭偏测量模块中起偏器102照射在样品400表面的光斑与第二物镜221汇聚在表面的光斑重合；

S5，根据步骤S2采集的干涉条纹图像，提取表面粗糙度的初值Sa或Sq；

S6，根据步骤S3采集的拉曼光谱数据，提取表面的物质成分信息，利用步骤S4采集到的椭偏光谱数据计算出椭偏参数、穆勒矩阵、反射系数和透射系数等；

S7，根据材料特性及步骤S5和S6提取的表面粗糙度的初值Sa或Sq以及物质成分信息建立样品400的光学模型和振子模型，根据测量得到的穆勒矩阵进行拟合分析，利用光学模型和振子模型解释穆勒矩阵，得到样品400的表面粗糙度。

进一步的可以采用同样的回归分析方式得到其他几何参数和性能参数，目前采用回归分析方法是经典的非线性回归算法Levenberg-Marquardt算法(LM算法)，自变量为代求物理量(如折射率、消光系数、表面粗糙度、厚度等)，回归因变量则是测量得到的椭偏参数、穆勒矩阵、反射系数和透射系数等。而这些代求物理量在波长范围内可以被振子模型进行参数化，因此实际的自变量为各振子模型的参数(如Drude模型中的载流子浓度、载流子迁移率等)。

振子模型可根据材料特性选择，若样品400为透明无吸收，则选择经验型Cauchy模型；若样品400为有吸收，则可选择Lorentz模型；若样品400为金属材料，则选择Drude模型。

在具体的实施例中，晶圆表面膜层包括至少一层异质膜，最外层的异质膜为粗糙表面层，几何参数包括表面粗糙度和膜厚，晶圆表面膜层包括多层膜，性能参数包括晶体结构、晶向、介电常数、光学带隙、光学常数、残余应力、电导率、掺杂浓度、杂质和缺陷、载流子浓度、载流子迁移率和电子弛豫时间中的一个或多个，还包括：

结合表面粗糙度以及物质成分信息建立晶圆及其表面的至少一层异质膜的光学模型，根据拉曼光谱测量模块中测量得到的物质成分信息确定材料特性，根据材料特性选择对应的振子模型；

基于干涉条纹图像估算粗糙表面层的厚度的初值和表面粗糙度的初值；

调整拉曼光谱测量模块中的第二光源233的入射深度，得到不同强度的拉曼光谱数据，并根据不同强度的拉曼光谱数据估算中间的异质膜的层数以及每一层中间的异质膜的厚度的初值；

根据材料特性、表面粗糙度的初值、粗糙表面层的厚度的初值、每一层中间的异质膜的厚度的初值以及物质成分信息建立晶圆表面膜层的光学模型和振子模型，并结合椭偏光谱数据进行拟合分析，得到每一层异质膜的厚度和表面粗糙度。

在具体的实施例中，当晶圆表面膜层包括多层膜层，且样品400台为高温样品台350，当样品400台为高温样品台350，还包括：

将样品400放置在高温样品台350上，向高温加热腔310中抽真空或填入氮气，缓慢升温至预设温度后保持；

分别在室温和预设温度下测量得到干涉条纹图像、拉曼光谱数据和椭偏光谱数据；

根据干涉条纹图像通过质心算法提取样品400表面在室温和预设温度下的表面形貌，分析表面形貌随温度的变化；

对拉曼光谱数据进行基线校正，去除背景噪声和荧光干扰，对校正后的拉曼光谱数据进行峰拟合，使用Gaussian或Lorentzian函数精确确定特征峰的位置、强度和半高宽，分析预设温度与室温下拉曼光谱的特征峰位置，确定特征峰位置的偏移量，分析特征峰的强度变化，确定晶圆表面膜层的物质成分信息、高温下的结晶质量，根据物质成分信息确定应力系数，通过偏移量和应力系数计算得到在室温和预设温度下的残余应力的初值；

调整预设温度的大小，并重复以上步骤，得到不同温度条件下的残余应力的初值；

根据材料特性、不同温度条件下的残余应力的初值以及物质成分信息建立晶圆表面膜层的光学模型和振子模型，并结合对应温度下的椭偏光谱数据进行拟合分析，得到多层膜不同温度条件下的残余应力的变化；

根据物质成分信息和温度确定其余性能参数的初值，重复上一步骤，拟合分析得到在高温条件下的其余性能参数。

进一步的，本申请的实施例中的样品400可为晶圆及其表面的多层异质膜，即在宽禁带半导体晶圆衬底层上沉积多层异质膜，晶圆衬底层和异质膜包括但不限于氮化镓/铝镓氮、碳化硅/二氧化硅、氧化锌/氮化镓、氧化镓/铝镓氮、氮化铝/碳化硅、金刚石/氮化铝或者铟镓氮/氮化镓。

测量宽禁带半导体晶圆异质膜的椭偏光谱数据、干涉图像序列和拉曼光谱数据。椭偏光谱数据包括在210nm至1650nm波长范围内完整的16个穆勒矩阵元素或4个琼斯矩阵元素或反射系数和透射系数(r_p,r_s,t_p,t_s)；干涉图像序列包括多幅干涉条纹图像，拉曼光谱数据包括由785纳米波长激发的拉曼散射光谱；

通过干涉条纹图像恢复异质膜的表面形貌，解析干涉条纹图像的相位变化，计算出样品400表面各点的相对高度，将不同波长下的相位信息综合起来，通过相位展开算法和高度重建算法，得到样品400表面的三维形貌图像；

使用Gaussian或Lorentzian函数对拉曼光谱数据中的特征峰进行拟合，精确确定峰的位置、强度、频移和半高宽等，提取异质膜的物性信息包括晶体结构、晶向、残余应力的初值、杂质和缺陷等；

结合样品400的表面形貌信息和物性信息建立宽禁带半导体晶圆多层异质膜的光学模型和振子模型，光学模型的构建过程如下：基于传递矩阵法分别建立粗糙表面层、中间膜层和晶圆衬底层的传递矩阵，各项同性传递矩阵公式为：

X_p＝X_0,pP_pX_sub,p；

X_s＝X_0,sP_sX_sub,s；

其中，X_p和X_s分别表示水平p光和垂直s光的总传递矩阵，X_0,p和X_0,s分别表示水平p光和垂直s光在粗糙表面层的传递矩阵，X_sub,p和X_sub,s分别表示水平p光和垂直s光在衬底的传递矩阵；P_p和P_s分别表示水平p光和垂直s光在中间膜层的传递矩阵，其表达式如下：

P_p＝ΠP_j,p；

P_s＝ΠP_j,s；

其中，P_j,p和P_j,s分别表示水平p光和垂直s光在第j个中间膜层的传递矩阵，表达式如下：

其中，n_j代表第j个中间膜层的光学常数(包含折射率和消光系数)，每一层的相位延迟量为d_j表示第j个中间膜层的厚度，λ表示波长，φ_j表示第j个中间膜层的折射角。X_0,p、X_sub,p、X_0,s和X_sub,s的表达式如下：

其中，N₀和N_sub表示晶圆衬底层和粗糙表面层的折射率；

最终琼斯矩阵主对角线中的透射系数和反射系数可以被计算得到：

其中，X_p,00和X_p,10分别表示X_p中的第一行第一个元素和第二行第一个元素；X_s,00和X_s,10分别表示X_s中的第一行第一个元素和第二行第一个元素；r_p,r_s,t_p,t_s表示反射系数和透射系数。

因此可通过测试得到的椭偏光谱数据所计算得到的反射系数和透射系数进行拟合分析，便可拟合得到光学常数；

粗糙表面层的厚度的初值依据干涉条纹图像得到的粗糙表面统计数据确定，如下式所示：

d_EMA＝σ+0.80h；

其中，d_EMA表示粗糙表面层的厚度的初值，σ表示表面均方根高度，h表示平均高度，σ和h可根据表面粗糙度计算过程中所使用到的厚度计算得到。中间膜层的厚度可以通过调节拉曼光谱测量模块中的第二光源233的入射深度，得到不同强度的拉曼光谱数据，从而估测得到中间膜层层数和各个中间膜层的厚度的初值。在确定了粗糙表面层的厚度的初值和各个中间膜层的厚度的初值，便可结合光学模型拟合处理得到粗糙表面层的厚度和各个中间膜层的厚度。

进一步再构建振子模型，通过回归分析实验测量得到的反射系数(rp，rs)，从振子模型中提取出残余应力、介电常数、光学带隙、电导率、掺杂浓度、杂质和缺陷、载流子浓度、载流子迁移率、电子弛豫时间等性能参数。

在另一个实施例中，当晶圆表面膜层为多层薄膜，即层数大于或等于3层，多层薄膜样品在制膜过程中容易出现应力集中现象，膜层内部积累的张应力或压应力超出材料极限，会导致局部微裂纹生成，影响机械稳定性和电学绝缘性。加热过程中材料的体积膨胀还容易引入额外的热应力，因此需要考虑多层膜中应力的存在与高温演化过程。

因此以样品400为表面镀有三层薄膜的碳化硅半导体晶圆为例，其在高温条件下的几何参数和性能参数的测量方法如下：

将样品400放置在高温样品台350上，向高温加热腔中充入氮气或抽真空，避免加热过程中样品400被氧化或污染，缓慢升温至预设温度，预设维度可为900℃，确保温度均匀分布并保持稳定一段时间，以使样品400达到热平衡；

测量高温条件下宽禁带半导体晶圆表面膜层的椭偏光谱数据、干涉条纹图像和拉曼光谱数据；椭偏光谱数据、干涉条纹图像和拉曼光谱数据在同一时间采样且来自于样品400表面同一区域；

根据采集的样品400表面的干涉条纹图像，通过质心算法提取样品400的表面形貌并提取表面粗糙度参数Sq或Sa；

使用软件对采集到的拉曼光谱数据进行基线校正，去除背景噪声和荧光干扰，对校正后的拉曼光谱数据进行峰拟合，使用Gaussian或Lorentzian函数精确确定特征峰的位置、强度和半高宽，分析高温条件下拉曼光谱的特征峰位置，与室温条件下的特征峰的位置相比，确定偏移量，分析特征峰的强度变化，了解薄膜的物质成分信息、高温下的结晶质量，通过特征峰的偏移量Δω和材料的应力系数k计算残余应力σ的初值，如下式所示：

Δω＝k·σ；

结合晶圆的表面形貌信息和物性信息建立高温条件下碳化硅晶圆上的多层薄膜的光学模型和振子模型，结合椭偏光谱数据得到的椭偏参数、穆勒矩阵、反射系数和透射系数等进行拟合分析，得到包括膜厚、表面粗糙度等的几何参数以及包括残余应力、光学常数、介电常数、载流子浓度、载流子迁移率、电子弛豫时间等的性能参数。

实施例二

本申请的实施例二与实施例一的区别在于，椭偏测量模块和白光干涉测量模块的布局和结构不同，本申请的实施例二中，椭偏测量模块和白光干涉测量模块具体可通过采用同一个第二物镜221和第二分束镜231实现同位测量。

具体的，参考图3，白光干涉测量模块包括第一光源211、准直透镜212、中继透镜组213、成像管镜214、光电探测器215、第一分束镜216、第二分束镜231、第三分束镜236、第一物镜218和第二物镜221；第一物镜218的入射光路平行于样品400表面布置，第二物镜221的入射光路垂直于样品400表面布置；第二分束镜231设置在第一分束镜216与第二物镜221之间，第三分束镜236设置在第一分束镜216与第一物镜218之间；通过第一驱动机构217控制第一物镜218沿与样品400表面平行的方向运动，在第一物镜218的焦平面设有参考平面219，通过第二驱动机构220控制第二物镜221沿与样品400表面垂直的方向运动；第一光源211发出的光通过准直透镜212后转化为平行光，经中继透镜组213实现均匀照明后再经第一分束镜216后将平行光分为两束相干光波，分别为参考光和测量光，参考光和测量光照射在样品400表面后分别进入第一物镜218和第二物镜221，两束相干光波原路返回后分别经过第二分束镜231和第三分束镜236，再在第一分束镜216处叠加产生干涉后经成像管镜214进入光电探测器215，通过光电探测器215获得干涉条纹图像；拉曼光谱测量模块包括第二光源233、二向色镜232、第二分束镜231、共焦镜组234、第二物镜221和光谱仪235，二向色镜232设置在第二分束镜231与共焦镜组234之间，第二光源233发出的单色光依序经二向色镜232、第二分束镜231反射后进入第二物镜221，第二物镜221将单色光汇聚后投射入样品400的表面后，收集包含有样品物质成分信息的拉曼散射光并将其返回第二分束镜231，拉曼散射光经由第二分束镜231反射后透过二向色镜232进入共焦镜组234，共焦镜组234滤除拉曼散射光中的杂散光后将所需拉曼光谱信息传递至光谱仪235，通过光谱仪235获得拉曼光谱数据。

拉曼光谱测量模块中的第二分束镜231、二向色镜232、共焦镜组234和光谱仪235设置在白光干涉测量模块的第一分束镜216、第三分束镜236和第一物镜218的下方空间。

本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种样品几何参数和性能参数测量装置，其特征在于，包括椭偏测量模块、白光干涉测量模块、拉曼光谱测量模块和数据处理模块，在所述白光干涉测量模块与拉曼光谱测量模块的光路结构中共用同一个物镜和分束镜以实现部分共光路，通过所述白光干涉测量模块与拉曼光谱测量模块分别探测样品的表面上的同一测量点位的干涉条纹图像和拉曼光谱数据；所述椭偏测量模块中所发出的光线与所述白光干涉测量模块和拉曼光谱测量模块中所发出的光线照射在所述样品的表面形成的光斑重合，通过椭偏测量模块同位测量出样品的表面上的同一测量点位的椭偏光谱数据；所述数据处理模块包括表面三维形貌恢复单元、拉曼图谱处理单元和椭偏光谱数据分析单元；所述表面三维形貌恢复单元与所述白光干涉测量模块连接，并根据所述白光干涉测量模块采集的干涉条纹图像获得几何参数的初值；所述拉曼图谱处理单元与所述拉曼光谱测量模块连接，依据所述拉曼光谱测量模块采集的拉曼光谱数据提取样品表面的物质成分信息和性能参数的初值；所述椭偏光谱数据分析单元与所述椭偏测量模块连接以采集椭偏光谱数据，所述椭偏光谱数据分析单元根据样品的材料特性、物质成分信息、几何参数的初值和性能参数的初值建立样品的光学模型和振子模型，并结合所述椭偏光谱数据进行拟合分析，得到样品的几何参数和性能参数。

2.根据权利要求1所述的样品几何参数和性能参数测量装置，其特征在于，所述白光干涉测量模块包括第一光源、准直透镜、中继透镜组、成像管镜、光电探测器、第一分束镜、第二分束镜、第一物镜和第二物镜，所述第一分束镜设置在所述第二物镜与第二分束镜之间，所述第二分束镜设置在所述第一分束镜与成像镜管之间；所述第一物镜的入射光路平行于样品表面布置；所述第二物镜的入射光路垂直于样品表面布置，通过第一驱动机构控制所述第一物镜沿与样品表面平行的方向运动，在所述第一物镜的焦平面设有参考平面，通过第二驱动机构控制所述第二物镜沿与样品表面垂直的方向运动；所述第一光源发出的光通过所述准直透镜后转化为平行光，经所述中继透镜组实现均匀照明后再经所述第一分束镜后将平行光分为两束相干光波，分别为参考光和测量光，所述参考光和测量光照射在样品表面后分别进入所述第一物镜和第二物镜，两束相干光波原路返回后在所述第一分束镜处叠加产生干涉后经所述第二分束镜和成像管镜进入所述光电探测器，通过所述光电探测器获得干涉条纹图像；所述拉曼光谱测量模块包括第二光源、第一分束镜、二向色镜、第二分束镜、共焦镜组、第二物镜和光谱仪，所述第二光源发出的单色光依序经二向色镜、第二分束镜反射再经过第一分束镜后进入所述第二物镜，所述第二物镜将所述单色光汇聚后投射入样品的表面后，收集包含有样品物质成分信息的拉曼散射光并将其经过第一分束镜再返回所述第二分束镜，所述拉曼散射光经由所述第二分束镜反射后透过所述二向色镜进入所述共焦镜组，所述共焦镜组滤除所述拉曼散射光中的杂散光后将所需拉曼光谱信息传递至所述光谱仪，通过光谱仪获得拉曼光谱数据。

3.根据权利要求1所述的样品几何参数和性能参数测量装置，其特征在于，所述白光干涉测量模块包括第一光源、准直透镜、中继透镜组、成像管镜、光电探测器、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第一物镜和第二物镜；所述第一物镜的入射光路平行于样品表面布置，所述第二物镜的入射光路垂直于样品表面布置；所述第二分束镜设置在所述第一分束镜与第二物镜之间，所述第三分束镜设置在所述第一分束镜与第一物镜之间；通过第一驱动机构控制所述第一物镜沿与样品表面平行的方向运动，在所述第一物镜的焦平面设有参考平面，通过第二驱动机构控制所述第二物镜沿与样品表面垂直的方向运动；所述第一光源发出的光通过所述准直透镜后转化为平行光，经所述中继透镜组实现均匀照明后再经所述第一分束镜后将平行光分为两束相干光波，分别为参考光和测量光，所述参考光和测量光照射在样品表面后分别进入所述第一物镜和第二物镜，两束相干光波原路返回后分别经过第二分束镜和第三分束镜，再在所述第一分束镜处叠加产生干涉后经所述成像管镜进入所述光电探测器，通过所述光电探测器获得干涉条纹图像；所述拉曼光谱测量模块包括第二光源、二向色镜、第二分束镜、共焦镜组、第二物镜和光谱仪，二向色镜设置在第二分束镜与共焦镜组之间，所述第二光源发出的单色光依序经二向色镜、第二分束镜反射后进入所述第二物镜，所述第二物镜将所述单色光汇聚后投射入样品的表面后，收集包含有样品物质成分信息的拉曼散射光并将其返回所述第二分束镜，所述拉曼散射光经由所述第二分束镜反射后透过所述二向色镜进入所述共焦镜组，所述共焦镜组滤除所述拉曼散射光中的杂散光后将所需拉曼光谱信息传递至所述光谱仪，通过光谱仪获得拉曼光谱数据。

4.根据权利要求1所述的样品几何参数和性能参数测量装置，其特征在于，所述椭偏测量模块包括宽光谱光源、起偏器、第一旋转补偿器、第二旋转补偿器、检偏器和探测单元，所述宽光谱光源发出的光经光纤传递至所述起偏器，经过所述起偏器和第一旋转补偿器将所述光纤传递的光转换为具有确定特性的偏振光并倾斜入射至所述样品的表面上，再依次经过所述第二旋转补偿器和检偏器，以收集经样品表面反射的偏振光并经由光纤传递至所述探测单元，通过所述探测单元获取到样品的椭偏光谱数据。

5.根据权利要求4所述的样品几何参数和性能参数测量装置，其特征在于，还包括样品台，所述样品台下方设有六自由度运动位移台，用于调整测量点位或根据干涉条纹图像实现样品台调平；所述起偏器的下方设有第一旋转台，所述第一旋转台用于调整所述起偏器与所述样品台之间的夹角，所述检偏器的下方设有第二旋转台，所述第二旋转台用于调整所述检偏器与所述样品台之间的夹角；所述样品台包括常温样品台和高温样品台，当所述样品台为高温样品台时，还包括高温加热腔、第一光学窗口、第二光学窗口和第三光学窗口；所述高温样品台安装在所述高温加热腔内部，所述高温加热腔内可抽真空或填充惰性气体；所述第一光学窗口和第三光学窗口分别安装于所述高温加热腔的两侧，可透过所述椭偏测量模块的入射光和反射光；所述第二光学窗口安装于所述高温加热腔表面并与高温样品台垂直；所述高温样品台上的温度控制范围为300～1200K。

6.根据权利要求1所述的样品几何参数和性能参数测量装置，其特征在于，所述几何参数包括膜厚和表面粗糙度；所述性能参数包括晶体结构、晶向、介电常数、光学带隙、光学常数、残余应力、电导率、掺杂浓度、杂质和缺陷、载流子浓度、载流子迁移率和电子弛豫时间中的一个或多个，所述介电常数包括介电常数实部和虚部，所述光学常数包括折射率和消光系数。

7.根据权利要求1所述的样品几何参数和性能参数测量装置，其特征在于，所述振子模型包括经验型Cauchy模型、Gaussian模型、Drude模型、Tauc Lorentz模型或Drude Lorentz模型。

8.一种宽禁带半导体晶圆表面膜层的几何参数和性能参数测量方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任意一项的样品几何参数和性能参数测量装置，其中样品包括晶圆以及晶圆表面膜层，包括以下步骤：

1)选择晶圆表面膜层表面上的测量点位，通过所述白光干涉测量模块获得所述晶圆表面膜层表面上的测量点位对应的干涉条纹图像；

2)晶圆表面膜层的位置保持不动，切换至所述拉曼光谱测量模块，调整第二物镜，使其位于所述拉曼光谱测量模块的焦点位置，并采集晶圆表面膜层表面上的测量点位对应的拉曼光谱数据；

3)依据所述干涉条纹图像中的干涉条纹状态，调整样品台使其调平，样品表面与第一物镜的入射面垂直；切换至所述椭偏测量模块，所述椭偏测量模块中所发出的光线与所述白光干涉测量模块和拉曼光谱测量模块中所发出的光线照射在所述样品的表面形成的光斑重合，通过所述椭偏测量模块获取到所述晶圆表面膜层表面上的测量点位对应的椭偏光谱数据；

4)根据所述干涉条纹图像提取几何参数的初值，根据所述拉曼光谱数据确定物质成分信息和性能参数的初值；

5)根据物质成分信息确定材料特性，根据所述材料特性、物质成分信息、几何参数的初值和性能参数的初值建立晶圆表面膜层的光学模型和振子模型，并结合所述椭偏光谱数据进行拟合分析，得到样品的几何参数和性能参数。

9.根据权利要求8所述的宽禁带半导体晶圆表面膜层的几何参数和性能参数测量方法，其特征在于，所述晶圆表面膜层包括至少一层异质膜，最外层的异质膜为粗糙表面层，所述几何参数包括表面粗糙度和膜厚，所述晶圆表面膜层包括多层膜，所述性能参数包括晶体结构、晶向、介电常数、光学带隙、光学常数、残余应力、电导率、掺杂浓度、杂质和缺陷、载流子浓度、载流子迁移率和电子弛豫时间中的一个或多个，还包括：

结合表面粗糙度以及物质成分信息建立晶圆及其表面的至少一层异质膜的光学模型，根据所述拉曼光谱测量模块中测量得到的物质成分信息确定材料特性，根据所述材料特性选择对应的振子模型；

基于所述干涉条纹图像估算所述粗糙表面层的厚度的初值和表面粗糙度的初值；

调整所述拉曼光谱测量模块中的第二光源的入射深度，得到不同强度的拉曼光谱数据，并根据不同强度的拉曼光谱数据估算中间的异质膜的层数以及每一层中间的异质膜的厚度的初值；

根据所述材料特性、表面粗糙度的初值、粗糙表面层的厚度的初值、每一层中间的异质膜的厚度的初值以及物质成分信息建立晶圆表面膜层的光学模型和振子模型，并结合椭偏光谱数据进行拟合分析，得到每一层异质膜的厚度和表面粗糙度。

10.根据权利要求8或9所述的宽禁带半导体晶圆表面膜层的几何参数和性能参数测量方法，其特征在于，当所述晶圆表面膜层包括多层膜层，且所述样品台为高温样品台，还包括：

将样品放置在所述高温样品台上，向高温加热腔中抽真空或填入氮气，缓慢升温至预设温度后保持；

分别在室温和预设温度下测量得到所述干涉条纹图像、拉曼光谱数据和椭偏光谱数据；

根据所述干涉条纹图像通过质心算法提取样品表面在室温和预设温度下的表面形貌，分析表面形貌随温度的变化；

对所述拉曼光谱数据进行基线校正，去除背景噪声和荧光干扰，对校正后的拉曼光谱数据进行峰拟合，使用Gaussian或Lorentzian函数精确确定特征峰的位置、强度和半高宽，分析预设温度与室温下拉曼光谱的特征峰位置，确定特征峰位置的偏移量，分析特征峰的强度变化，确定晶圆表面膜层的物质成分信息、高温下的结晶质量，根据所述物质成分信息确定应力系数，通过所述偏移量和应力系数计算得到在室温和预设温度下的残余应力的初值；

调整预设温度的大小，并重复以上步骤，得到不同温度条件下的残余应力的初值；

根据所述材料特性、不同温度条件下的残余应力的初值以及物质成分信息建立晶圆表面膜层的光学模型和振子模型，并结合对应温度下的椭偏光谱数据进行拟合分析，得到多层膜不同温度条件下的残余应力的变化；

根据所述物质成分信息和温度确定其余性能参数的初值，重复上一步骤，拟合分析得到在高温条件下的其余性能参数。