一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置和方法，所述方法设置了两个物光对向、共轴的白光干涉光路，位移台带动厚度标样或薄膜样品沿物光光轴方向步进运动，同时，两个面阵探测器采集厚度标样或薄膜样品表面的形貌信息，通过厚度标样标定两个干涉物镜的干涉焦面间的距离，进而计算薄膜样品厚度分布，应用本方法制成的测量装置，无需辅助夹具，可实现非透明薄膜厚度分布的快速、无损和精确测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学精密测量
，具体涉及一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置和方法。
技术介绍
在工业生产、能源利用、国防军事等领域中，微电子薄膜、光学薄膜、抗氧化薄膜、巨磁电阻薄膜、高温超导薄膜等薄膜均有着广泛应用，薄膜的厚度是非常重要的参数，薄膜材料的力学性能、透光性能、磁性能、热导率、表面结构等都与厚度有密切的联系。如大规模集成电路生产工艺中，各类薄膜厚度的任何微小变化对集成电路的性能都会产生直接的影响。再如在能源和军事应用领域中的惯性约束聚变研究方向，金属薄膜在高功率激光器产生瞬时脉冲的作用下形成高压状态，通过研究高压状态下物质的粒子速度、压力、密度等参量，揭示物质在高压作用下物性状态的物理本质，金属薄膜的厚度分布与高压状态物质的冲击波速度密切相关，需对其进行精确测量。常用的薄膜厚度测量方法包括等厚干涉法、光吸收法和椭圆偏振法等，然而，受限于薄膜材料的透明度，大多数基于光学原理的厚度测量方法仅能测量透明薄膜材料，对非透明薄膜材料的测量则十分困难。目前，基于光学原理测量非透明薄膜厚度的方法有如下几种：2003年浙江大学陈慧芳等人在《仪器仪表学报》中发表了《白光干涉法测量金属箔厚度》，公开了一种基于白光干涉的金属薄膜单点厚度测量方法。其方法是点光源经分束镜分为两束光，每束光再通过分束器形成测量光和参考光，两束测量光分别经金属薄膜的上、下表面反射后，与相应的参考光返回至多色仪，通过处理光谱信号得到金属薄膜样品上、下表面相对于参考镜的相对距离，再通过已知厚度的薄膜样品标定两个参考反射镜之间的相对距离，通过计算得到金属薄膜的厚度。这种方法的不足之处是：一、多色仪传感器是单点模式的传感器，最终测量得到的是金属薄膜的单点厚度；二、无观测光路，无法确定测量点的精确位置；三、无移动机构驱动待测样品移动，当金属薄膜表面起伏超出白光相干长度时，无法测量金属薄膜的厚度及其分布。2004年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的A. Nobile等人在《Fusion Science and Technology》中发表了《Fabrication and characterization of targets for shock propagation and radiation burnthrough measurements on Be-0.9 at.% Cu alloy》，公开了一种基于对向放置激光共焦位置传感器的薄膜单点厚度测量方法和装置，其方法是将两个激光共焦位置传感器沿光轴方向对向放置，两个激光共焦位置传感器分别测量薄膜样品上、下表面的相对位置，通过标准厚度样品标定两个激光共焦位置传感器的光焦点的相对位置，进而测量铍掺铜薄膜及台阶的单点厚度。在样品厚度面分布测量方面，该方法通过二维电动位移台移动薄膜来实现。这种方法的不足之处是：一、厚度面分布测量效率较低；二、激光共焦位置传感器的激光光斑直径为7μm，厚度分布的横向分辨率较低；三、测量装置中观测光学系统与测量光学系统不共用光轴，样品的测量位置与观测位置不一致，降低了薄膜厚度分布的测量精度。2013年中国工程物理研究院的赵天明等人在《中国工程物理研究院机械工程2013年学术年会论文集》中发表了《单片金属薄膜厚度的一种检测技术》，公开了一种采用白光干涉仪和特殊夹具相结合测量金属薄膜厚度的方法。该方法通过设计特殊的夹具，同时装夹标准厚度样品和待测金属薄膜，通过翻转夹具，测量标准厚度样品和金属薄膜两个面的表面形貌，进而计算金属薄膜相对于标准厚度样品的厚度。由于采用面阵CCD成像，该方法能够测量金属薄膜厚度的二维分布，但是在翻转前后，金属薄膜上下两个表面的位置难以精确对应，并且夹持金属薄厚可能导致金属薄膜产生应力和形变，所以该方法难以应用于实际的金属薄膜厚度测量当中。可见，现有方法的共性问题在于缺少一种以面扫描方式、无需辅助夹具且测量与观测同区的非透明薄膜厚度分布测量装置和方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的一个技术问题是提供一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置，本专利技术要解决的另一个技术问题是提供一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉方法。本专利技术的一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置，其特点是，包括干涉光路机构Ⅰ、干涉光路机构Ⅱ、样品支架、位移台、计算机、图像采集卡和位移台控制器；所述的位移台上固定有样品支架，样品支架上放置厚度标样和薄膜样品，位移台控制器控制位移台移动；干涉光路机构Ⅰ包括点光源Ⅰ，点光源Ⅰ发射的光线入射至透镜Ⅰ和分光镜Ⅰ，在分光镜反射，反射光入射至干涉物镜Ⅰ，在干涉物镜Ⅰ中分束为物光和参考光，物光照射到样品表面并反射成样品反射光，参考光入射至干涉物镜Ⅰ中的参考镜并反射成参考反射光，样品反射光和参考反射光在干涉物镜Ⅰ中形成携带样品表面信息的干涉光，干涉光进入分光镜透射至聚光镜Ⅰ并聚焦至面阵探测器Ⅰ形成干涉图像，干涉图像通过图像采集卡传输至计算机；干涉光路机构Ⅱ与干涉光路机构Ⅰ的结构相同，对称分布，物光光轴同轴。所述位移台为中空结构，光路从中空位置穿过；位移台为六自由度运动机构；位移台为压电陶瓷位移台、步进电机位移台、手动位移台中的一种或两种以上组合；位移台与样品支架通过螺丝、弹簧片或胶粘固定。所述样品支架为中空结构，光路从中空位置穿过。所述的点光源Ⅰ和点光源Ⅱ为LED光源或卤素灯光源中的一种。所述干涉物镜Ⅰ和干涉物镜Ⅱ为Michelson型干涉物镜或Mirau型干涉物镜中的一种。所述面阵探测器Ⅰ和面阵探测器Ⅱ为面阵CCD探测器或面阵CMOS探测器中的一种。本专利技术的一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉方法，其特点是，包括以下步骤：a.将厚度标样和薄膜样品置于样品支架的中空位置；b.位移台带动样品支架沿水平方向移动，将厚度标样移动至干涉物镜Ⅰ的下方；c.位移台带动样品支架沿Z轴方向移动，将厚度标样移动至干涉物镜Ⅰ和干涉物镜Ⅱ的干涉焦面之间，定义位移台此时位置为Z轴初始位置；d. 开启点光源Ⅰ和点光源Ⅱ，计算机通过图像采集卡控制面阵探测器Ⅰ和面阵探测器Ⅱ各采集一幅干涉图像Ⅰ0和干涉图像Ⅱ0；e. 位移台控制厚度标样在Z轴方向步进移动，每移动一个步长后，计算机通过图像采集卡控制面阵探测器Ⅰ和面阵探测器Ⅱ各再采集干涉图像Ⅰ1~干涉图像Ⅰn和干涉图像Ⅱ1~干涉图像Ⅱn，直至厚度标样分别超过干涉物镜Ⅰ干涉焦面和干涉物镜Ⅱ的干涉焦面；f.位移台带动样品支架复位至Z轴初始位置；g.位移台带动样品支架沿水平方向移动，将薄膜样品移动至干涉物镜Ⅰ的下方；h. 重复步骤d-f，直至薄膜样品对应的干涉图像Ⅲ0~干涉图像Ⅲn和干涉图像Ⅳ0~干涉图像Ⅳn采集完毕；i. 抽取干涉图像Ⅰ0~干涉图像Ⅰn中每幅图像中第一个固定点P1(x,y)的灰度值，以Z轴位置为x坐标，灰度值为y坐标，以Z轴初始位置为Z轴原点o，绘制固定点的灰度曲线，求得灰度值极大时的Z轴坐标的绝对值L1(x, y)；j. 重复步骤i，获得干涉图像Ⅱ0~干涉图像Ⅱn的L2(x, y)，干涉图像Ⅲ0~干涉图像Ⅲn的l1(x, y)，干涉图像Ⅳ0~干涉图像Ⅳn的l2(x, y)；k. 厚度标样的厚度已知，记为D(x,y)，用公式 d1(x,y)= L1(x, y)+L2(x, y)+D(x,y)－l1(x, y)－l本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置，其特征在于，包括干涉光路机构Ⅰ、干涉光路机构Ⅱ、样品支架(1)、位移台(5)、计算机(17)、图像采集卡(18)和位移台控制器(19)；所述的位移台(5)上固定有样品支架(1)，样品支架(1)上放置有厚度标样(2)和薄膜样品(6)，位移台控制器(19)控制位移台(5)移动；干涉光路机构Ⅰ包括点光源Ⅰ(7)，点光源Ⅰ(7)发射的光线入射至透镜Ⅰ(8)和分光镜Ⅰ(9)，在分光镜(9)反射，反射光入射至干涉物镜Ⅰ(10)，在干涉物镜Ⅰ(10)中分束为物光和参考光，物光照射到样品表面并反射成样品反射光，参考光入射至干涉物镜Ⅰ(10)中的参考镜并反射成参考反射光，样品反射光和参考反射光在干涉物镜Ⅰ(10)中形成携带样品表面信息的干涉光，干涉光进入分光镜(9)透射至聚光镜Ⅰ(11)并聚焦至面阵探测器Ⅰ(3)形成干涉图像，干涉图像通过图像采集卡(18)传输至计算机(17)；干涉光路机构Ⅱ与干涉光路机构Ⅰ的结构相同，对称分布，物光光轴同轴。

【技术特征摘要】
1.一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置，其特征在于，包括干涉光路机构Ⅰ、干涉光路机构Ⅱ、样品支架(1)、位移台(5)、计算机(17)、图像采集卡(18)和位移台控制器(19)；所述的位移台(5)上固定有样品支架(1)，样品支架(1)上放置有厚度标样(2)和薄膜样品(6)，位移台控制器(19)控制位移台(5)移动；干涉光路机构Ⅰ包括点光源Ⅰ(7)，点光源Ⅰ(7)发射的光线入射至透镜Ⅰ(8)和分光镜Ⅰ(9)，在分光镜(9)反射，反射光入射至干涉物镜Ⅰ(10)，在干涉物镜Ⅰ(10)中分束为物光和参考光，物光照射到样品表面并反射成样品反射光，参考光入射至干涉物镜Ⅰ(10)中的参考镜并反射成参考反射光，样品反射光和参考反射光在干涉物镜Ⅰ(10)中形成携带样品表面信息的干涉光，干涉光进入分光镜(9)透射至聚光镜Ⅰ(11)并聚焦至面阵探测器Ⅰ(3)形成干涉图像，干涉图像通过图像采集卡(18)传输至计算机(17)；干涉光路机构Ⅱ与干涉光路机构Ⅰ的结构相同，对称分布，物光光轴同轴。2.根据权利要求1所述的一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置，其特征在于，所述位移台(5)为中空结构，光路从中空位置穿过；位移台(5)为六自由度运动机构；位移台(5)为压电陶瓷位移台、步进电机位移台、手动位移台中的一种或两种以上组合；位移台(5)与样品支架(1)通过螺丝、弹簧片或胶粘固定。3.根据权利要求1所述的一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置，其特征在于，所述样品支架(1)为中空结构，光路从中空位置穿过。4.根据权利要求1所述的一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置，其特征在于，所述的点光源Ⅰ(7)和点光源Ⅱ(12)为LED光源或卤素灯光源中的一种。5.根据权利要求1所述的一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置，其特征在于，所述干涉物镜Ⅰ(10) 和干涉物镜Ⅱ(15)为Michelson型干涉物镜或Mirau型干涉物镜中的一种。6.根据权利要求1所述的一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉装置，其特征在于，所述面阵探测器Ⅰ(3) 和面阵探测器Ⅱ(4)为面阵CCD探测器或面阵CMOS探测器中的一种。7.一种测量非透明薄膜厚度分布的双面干涉方法，其特征在于，包括以下步骤：7a.将厚度标样(2)和薄膜样品(6)置于样品支架(1)的中空位置；7b.位移台(5)带动样品支架(1)沿水平方向移动，将厚度标样(2)移动至干涉物镜Ⅰ(10)的下方；7c.位移台(5)带动样品支架(1)沿Z轴方向移动，将厚度标样(2)移动至干涉物镜Ⅰ(10)和干涉物镜Ⅱ(15)的干涉焦面之间，定义位移台(5)此时位置为Z轴初始位置；7d.开启点光源Ⅰ(7)和点光源Ⅱ(12)，计算机(17)通过图像采集卡(18)控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宗伟，孟婕，王琦，马小军，高党忠，唐兴，杜凯，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51