一种共光路自校准薄膜厚度测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的是一种共光路自校准薄膜厚度测量装置及测量方法。包括光源输出模块、膜厚测量探头模块、干涉与解调模块以及采集与控制模块等四部分。本发明专利技术的测量探头能同时实现对传输光线的透射和反射，无待测薄膜时可实现两探头间绝对距离H的测量；待测薄膜安置在两探头中间，实现两探头与待测薄膜前后表面绝对距离H1和H2的测量；待测薄膜厚度d可由d＝H‑(H1+H2)确定。本发明专利技术实现不需标定样品即可对透明与不透明薄膜的厚度进行测量，干涉光束共光路克服了测量过程中由于测量系统内部机械不稳定和外部环境变化所带来的影响，具有自校准、测量结果可溯源、稳定性高等优点。

Common light path self calibration film thickness measuring device and measuring method

The invention provides a common light path self calibration film thickness measuring device and a measuring method thereof. Including light source output module, film thickness measurement probe module, interference and demodulation module, and acquisition and control module, such as four parts. The measuring probe of the invention can also realize the reflection and transmission of light transmission, no film to be measured can be realized when measuring absolute distance H between the two probes of the film to be measured; two probe placed in the middle, the realization of the two probe and the measured surface absolute distance measurement of thin films before and after H1 and H2; the measured film thickness d d = H (H1+H2) to determine. Without calibration of the sample can be transparent and opaque film thickness measurements of the invention, interference of common path to overcome the influence of internal mechanical measurement system instability and external environmental changes due to the measurement process, self calibration, the measurement results can be traced, stability etc..

【技术实现步骤摘要】
一种共光路自校准薄膜厚度测量装置及测量方法
本专利技术涉及的是一种光学测量装置，特别是一种薄膜厚度测量装置。具体地说是一种共光路自校准的薄膜厚度测量装置。
技术介绍
随着材料科学与技术的蓬勃发展，为满足微电子、光电子、新能量等领域的迫切需求，薄膜在光学工程、机械工程、通讯工程、生物工程、宇航工程、化学工程、医学工程等领域被广泛应用。薄膜材料最为核心和关键的参数之一就是厚度，它不仅对于薄膜制备起到关键的作用，也基本上决定了薄膜的力学、电磁、光电和光学等应用性能。1961年，N.Schwartz等人提出了一种利用高精度机械触针在物体表面运动来感知表面轮廓的变化的接触探针法(N.Schwartz,R.Brown,“AStylusMethodforEvaluatingtheThicknessofThinFilmsandSubstrateSurfaceRoughness,”inTransactionsoftheEighthVacuumSymposiumandSecondInternationalCongress(Pergamon,NewYork,1961),pp.836–845.)，该方法具有稳定性好，分辨力高，测量范围大等优点；但由于探针法中包含基于机械运动的探针，对薄膜测量时需要进行二次加工，此外探针在薄膜表面的移动，也会给薄膜造成一定的损害。因此非接触测量法便很快的取代了接触测量法对薄膜的厚度进行测量。2013年，南京航空航天大学的马希直等人公开了一种超声膜厚测量仪及其测量方法(中国专利申请号：201310198294.9)，该方法发射超声脉冲入射到油膜的表面发生谐振，再通过测量反射脉冲的相关特性对油膜的厚度进行测量；但是该方法只适用于液态模的测量，且对于不同厚度范围的薄膜需建立不同的模型，解调难度较大。光学测量法具有着高精度的优势，在薄膜厚度测量方面开始逐渐广泛的应用起来。2012年，北京京东方光电科技有限公司的曲连杰等人公开了一种膜厚装置及方法(中国专利申请号：201210080756.2)，该方法采用空间光路与光纤光路结合的方式，通过棱镜对彩色光源进行分光处理照射在薄膜的表面，通过测量不同反射光的特性对薄膜的厚度进行测量。该方法扩大了薄膜厚度测量的装置取样点的频谱范围，提高了分辨率。作为光学测量法的一部分，白光干涉法由于具有着绝对量的测量优势，在膜厚测量领域逐渐开始发展起来。白光干涉法的基本原理是：在白光干涉仪的一臂末端接上扫描镜作为传感臂，另一臂长度固定作为参考臂，通过移动扫描镜来改变传感臂长度，当传感臂中传输光的光程与参考臂中传输光的光程实现匹配时，出现的干涉峰值最大，通过识别峰值的位置实现相关参数的测量。2008年，美国Zygo公司的PeterJ.deGroot等人公开了一种用于薄膜厚度和表面测量的扫描干涉法(Scanninginterferometryforthinfilmthicknessandsurfacemeasurements,USPatent7468799)，该方法采用白光干涉原理的薄膜厚度测量方法，利用傅里叶变换方法从干涉光强图中提取两个峰值，该方法不受薄膜厚度的影响，既适用于测量厚度大于光源相干长度的薄膜，又适用于测量厚度小于光源相干长度的薄膜。2014年，山东大学的贾传武等人公开了一种宽谱光干涉法测量薄膜厚度的系统(中国专利申请号：201410290494.1)，该系统在反射镜与准直镜之间形成的法布里波罗干涉仪，通过测量在反射镜下放置待测薄膜前后的法布里波罗腔长进行测量可得到待测薄膜的厚度，该方法结构简单，测量精度较高，但是由于需要将待测薄膜放置在反射镜的下方，容易对薄膜表面的形态产生破坏。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高精度、自校准、动态范围大、可溯源的共光路自校准薄膜厚度测量装置。本专利技术的目的还在于提供一种共光路自校准薄膜厚度测量方法。本专利技术的共光路自校准薄膜厚度测量装置包括光源输出模块1、膜厚测量探头模块4、干涉与解调模块6以及采集与控制模块7，光源输出模块1输出光通过分束耦合器2被分为两路分别通过第1测量干涉仪耦合器3、第2测量干涉仪耦合器5进入膜厚测量探头模块4的第1测量探头404和第2测量探头402中进行相关参数的测量；经由第1测量探头401和第2测量探头402的返回光通过第1测量干涉仪耦合器3、第2测量干涉仪耦合器5进入干涉与解调模块6中；通过干涉与解调模块6中的第1解调干涉仪6A与第2解调干涉仪6B的扫描实现光程匹配，通过第2波分复用器707和第3波分复用器708将不同波长的干涉信号分离后输入到采集与控制模块7中。本专利技术的共光路自校准薄膜厚度测量装置还可以包括：1、所述光源输出模块1由宽谱光源101、第1隔离器102、窄带稳频激光光源103、第2隔离器104、第1波分复用器105组成；宽谱光源101与第1隔离器102相连接，窄带稳频激光光源103与第2隔离器104相连接；第1隔离器102与第2隔离器104分别与第1波分复用器105输入端1a、1b相连。2、所述的光源输出模块1中各光源的特征为：宽谱光源101的半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW；窄带稳频激光光源103的半谱宽度小于1pm，出纤功率大于2mW；宽谱光源101与窄带稳频激光光源103具有不同的中心波长，且二者的频谱在半谱宽度内没有重叠的部分。3、所述膜厚测量探头模块4由第1测量探头401和第2测量探头402所组成；第1测量探头401与第2测量探头402能够同时实现对传输光线的透射和反射，传输光线的反射率在20％～80％之间；第1测量探头401与第2测量探头402的出射光线互相重合；待测器件403放置测量时，分别与第1测量探头401和第2测量探头402的出射光线垂直；第1测量探头401与第1测量干涉仪耦合器的输出端3c相连接，第2测量探头402与第2测量干涉仪耦合器输出端5c相连接。4、所述干涉与解调模块6由第1解调干涉仪耦合器601、第1准直镜602、第1法拉第反射镜603、位置扫描装置604、正向可移动光学反射镜604a、反向可移动光学反射镜604b、第2准直镜605、第2法拉第反射镜606以及第2解调干涉仪耦合器607构成；第1测量干涉仪耦合器3的输出端3b与第1解调干涉仪耦合器601输入端6b相连接，第1解调干涉仪耦合器601的输出端6c与第1准直镜602连接，第1解调干涉仪耦合器601的输出端6d与第1法拉第反射镜603连接，第1解调干涉仪耦合器601的输出端6a与第2波分复用器707的输入端连接；第2测量干涉仪耦合器5的输出端5a与第2解调干涉仪耦合器607输入端6h相连接，第2解调干涉仪耦合器607的输出端6e与第2准直镜605连接，第2解调干涉仪耦合器607的输出端6f与第2法拉第反射镜606连接，第2解调干涉仪耦合器607的输出端6g与第3波分复用器708的输入端连接；第1准直镜602、正向可移动光学反射镜604a、第1法拉第反射镜603和第1解调干涉仪耦合器601构成第1解调干涉仪6A；第2准直镜605、反向可移动光学反射镜604b、第2法拉第反射镜606和第2解调干涉仪耦合器607构第2解调干涉仪6B；第1准直镜602和第2准直镜605的光学参数相一致，第1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种共光路自校准薄膜厚度测量装置，包括光源输出模块(1)、膜厚测量探头模块(4)、干涉与解调模块(6)以及采集与控制模块(7)，其特征是：光源输出模块(1)输出光通过分束耦合器(2)被分为两路分别通过第1测量干涉仪耦合器(3)、第2测量干涉仪耦合器(5)进入膜厚测量探头模块(4)的第1测量探头(404)和第2测量探头(402)中进行测量；经由第1测量探头(401)和第2测量探头(402)的返回光通过第1测量干涉仪耦合器(3)、第2测量干涉仪耦合器(5)进入干涉与解调模块(6)中；通过干涉与解调模块(6)中的第1解调干涉仪(6A)与第2解调干涉仪(6B)的扫描实现光程匹配，通过第2波分复用器(707)和第3波分复用器(708)将不同波长的干涉信号分离后输入到采集与控制模块(7)中。

【技术特征摘要】
1.一种共光路自校准薄膜厚度测量装置，包括光源输出模块(1)、膜厚测量探头模块(4)、干涉与解调模块(6)以及采集与控制模块(7)，其特征是：光源输出模块(1)输出光通过分束耦合器(2)被分为两路分别通过第1测量干涉仪耦合器(3)、第2测量干涉仪耦合器(5)进入膜厚测量探头模块(4)的第1测量探头(404)和第2测量探头(402)中进行测量；经由第1测量探头(401)和第2测量探头(402)的返回光通过第1测量干涉仪耦合器(3)、第2测量干涉仪耦合器(5)进入干涉与解调模块(6)中；通过干涉与解调模块(6)中的第1解调干涉仪(6A)与第2解调干涉仪(6B)的扫描实现光程匹配，通过第2波分复用器(707)和第3波分复用器(708)将不同波长的干涉信号分离后输入到采集与控制模块(7)中。2.根据权利要求1所述的共光路自校准薄膜厚度测量装置，其特征是：所述光源输出模块(1)由宽谱光源(101)、第1隔离器(102)、窄带稳频激光光源(103)、第2隔离器(104)、第1波分复用器(105)组成；宽谱光源(101)与第1隔离器(102)相连接，窄带稳频激光光源(103)与第2隔离器(104)相连接；第1隔离器(102)与第2隔离器(104)分别与第1波分复用器(105)输入端(1a)、(1b)相连。3.根据权利要求2所述的共光路自校准薄膜厚度测量装置，其特征是所述的光源输出模块(1)中各光源的特征为：宽谱光源(101)的半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW；窄带稳频激光光源(103)的半谱宽度小于1pm，出纤功率大于2mW；宽谱光源(101)与窄带稳频激光光源(103)具有不同的中心波长，且二者的频谱在半谱宽度内没有重叠的部分。4.根据权利要求1所述的共光路自校准薄膜厚度测量装置，其特征是：所述膜厚测量探头模块(4)由第1测量探头(401)和第2测量探头(402)所组成；第1测量探头(401)与第2测量探头(402)能够同时实现对传输光线的透射和反射；第1测量探头(401)与第2测量探头(402)的出射光线互相重合；待测器件(403)放置测量时，分别与第1测量探头(401)和第2测量探头(402)的出射光线垂直；第1测量探头(401)与第1测量干涉仪耦合器的输出端(3c)相连接，第2测量探头(402)与第2测量干涉仪耦合器输出端(5c)相连接。5.根据权利要求1所述的共光路自校准薄膜厚度测量装置，其特征是：所述干涉与解调模块(6)由第1解调干涉仪耦合器(601)、第1准直镜(602)、第1法拉第反射镜(603)、位置扫描装置(604)、正向可移动光学反射镜(604a)、反向可移动光学反射镜(604b)、第2准直镜(605)、第2法拉第反射镜(606)以及第2解调干涉仪耦合器(607)构成；第1测量干涉仪耦合器(3)的第2输出端(3b)与第1解调干涉仪耦合器(601)第2输入端(6b)相连接，第1解调干涉仪耦合器(601)的第3输出端(6c)与第1准直镜(602)连接，第1解调干涉仪耦合器(601)的第4输出端(6d)与第1法拉第反射镜(603)连接，第1解...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑勇贵，卢旭，杨军，彭峰，李寒阳，卢东川，祝海波，苑立波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23