偏振复用的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偏振复用的共光路自校准薄膜厚度测量装置及测量方法。包含光源输出模块、膜厚测量探头模块、解调干涉仪模块、偏振分束模块以及采集与控制模块。本发明专利技术采用偏振复用技术，两探头使用正交态偏振光。测量探头能实现传输光线的透射和反射，无待测薄膜时可实现两探头绝对距离H的测量；待测薄膜安置两探头间，实现两探头与待测薄膜前后表面的绝对距离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要标定物即可对待测薄膜厚度进行测量，共光路的设计克服了测量过程中由于系统内部机械不稳定和外部环境变化带来的影响，具有自校准、特征白光干涉峰识别简单、动态范围大、测量结果可溯源等优点。

Polarization multiplexing common optical path self calibration film thickness measuring device and measuring method

The invention provides a polarization multiplexing common optical path self calibration film thickness measuring device and measuring method. It includes light source output module, film thickness measuring probe module, demodulation interferometer module, polarization beam splitter module, and acquisition and control module. The polarization multiplexing technique is used, and the two probe uses the orthogonal polarized light. The measuring probe can realize the transmission and reflection of light transmission, no film to be measured can be realized when the two probe absolute distance measurement H; for a film to be measured between the two probes, two probe and the film to be measured before and after the surface of the absolute distance measurement H1 and H2; to measure the thickness of D films by D = H (H1+H2 sure). The invention does not need calibration can measure the film thickness was measured with optical design, is to overcome the impact of internal mechanical instability and changes in the external environment due to the measurement process, self calibration, feature recognition, the advantages of simple white light interference peak and large dynamic range measurement results traceable.

【技术实现步骤摘要】
偏振复用的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。具体地说是一种偏振复用的共光路自校准薄膜厚度测量装置。
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精度高、自校准、特征白光干涉峰识别简单、可溯源、动态范围的偏振复用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薄膜厚度测量方法。本专利技术的目的是这样实现的：包括光源输出模块1、膜厚测量探头模块6、解调干涉仪模块7、偏振分束模块8以及采集与控制模块9；光源输出模块1的输出光经由45°起偏器2输入到保偏耦合器3中；保偏耦合器3将入射光分为两路分别经过0°检偏器4和90°检偏器5进入膜厚测量探头模块6的第1测量探头601和第2测量探头602中进行相关参数的测量；经由第1测量探头601和第2测量探头602的返回光输入到解调干涉仪模块7中；通过解调干涉仪模块7中的位置扫描装置704的扫描实现光程的匹配；将匹配光程的干涉信号输入到偏振分束模块8中实现不同偏振态、不同波长干涉光的分离；分离后的干涉信号由采集与控制模块9中采集进行相关参数的计算。本专利技术还可以包括：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以及第1波分复用器105所组成，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输入端相连接，第1隔离器102与第2隔离器104输出端分别与第1波分复用器105第1输入端1a、第2输入端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6由第1测量探头601以及第2测量探头602所组成；第1测量探头601与第2测量探头602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601与第2测量探头602在保偏光纤的快轴和慢轴均能工作；第1测量探头601与第2测量探头602的出射光线互相重合；待测器件603放置测量时，分别与第1测量探头601和第2测量探头602的出射光线垂直；第1测量探头601与0°检偏器4的输出端相连接，第2测量探头602与90°检偏器5输出端相连接。4、所述解调干涉仪模块7由保偏耦合器701、保偏自聚焦透镜702、可移动单面反射镜703以及位置扫描装置704所组成，保偏自聚焦透镜702在保偏光纤的快轴和慢轴均能工作、能够同时实现反射和透射、镜头的光线反射率在20％～80％之间，由第1测量探头601和第2测试探头602收集的光分别通过保偏耦合器3的第2输出端3b输入到保偏耦合器701第2输入端7b中，保偏耦合器701的第3输出端7c与保偏自聚焦透镜702连接，保偏耦合器701的第1输出端7a与偏振分光棱镜803的输入端连接；保偏自聚焦透镜702、可移动单面反射镜703和解调干涉仪耦合器701共同组成解调干涉仪；位置扫描装置704台面的扫描范围L能够满足膜厚测量探头模块不插入待测薄膜603时，解调干涉仪能实现由不同探头透镜内外表面反射光的光程匹配。5、光路中连接光纤的特征是：宽谱光源101输出端尾纤、窄带稳频激光光源103、第1隔离器102各端口尾纤、第2隔离器104各端口尾纤、第1波分复用器105、45°起偏器2输入端尾纤各端口尾纤均为单模光纤；45°起偏器2输出端尾纤、保偏耦合器3各端口尾纤、0°检偏器4输入输出端尾纤、90°检偏器5输入输出端尾纤、第1测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种偏振复用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(6)、解调干涉仪模块(7)、偏振分束模块(8)以及采集与控制模块(9)；其特征是：光源输出模块(1)的输出光经由45°起偏器(2)输入到保偏耦合器(3)中；保偏耦合器(3)将入射光分为两路分别经过0°检偏器(4)和90°检偏器(5)进入膜厚测量探头模块(6)的第1测量探头(601)和第2测量探头(602)中进行测量；经由第1测量探头(601)和第2测量探头(602)的返回光输入到解调干涉仪模块(7)中；通过解调干涉仪模块(7)中的位置扫描装置(704)的扫描实现光程的匹配；将匹配光程的干涉信号输入到偏振分束模块(8)中实现不同偏振态、不同波长干涉光的分离；分离后的干涉信号由采集与控制模块(9)中采集进行相关参数的计算。

【技术特征摘要】
2017.04.25 CN 20171027793961.一种偏振复用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(6)、解调干涉仪模块(7)、偏振分束模块(8)以及采集与控制模块(9)；其特征是：光源输出模块(1)的输出光经由45°起偏器(2)输入到保偏耦合器(3)中；保偏耦合器(3)将入射光分为两路分别经过0°检偏器(4)和90°检偏器(5)进入膜厚测量探头模块(6)的第1测量探头(601)和第2测量探头(602)中进行测量；经由第1测量探头(601)和第2测量探头(602)的返回光输入到解调干涉仪模块(7)中；通过解调干涉仪模块(7)中的位置扫描装置(704)的扫描实现光程的匹配；将匹配光程的干涉信号输入到偏振分束模块(8)中实现不同偏振态、不同波长干涉光的分离；分离后的干涉信号由采集与控制模块(9)中采集进行相关参数的计算。2.根据权利要求1所述的偏振复用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)以及第1波分复用器(105)所组成，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)输入端相连接，第1隔离器(102)与第2隔离器(104)输出端分别与第1波分复用器(105)第1输入端(1a)、第2输入端(1b)相连。3.根据权利要求2所述的偏振复用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所述的一种偏振复用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(6)由第1测量探头(601)以及第2测量探头(602)所组成；第1测量探头(601)与第2测量探头(602)能够同时实现对传输光线的透射和反射；第1测量探头(601)与第2测量探头(602)在保偏光纤的快轴和慢轴均能工作；第1测量探头(601)与第2测量探头(602)的出射光线互相重合；待测器件(603)放置测量时，分别与第1测量探头(601)和第2测量探头(602)的出射光线垂直；第1测量探头(601)与0°检偏器(4)的输出端相连接，第2测量探头(602)与90°检偏器(5)输出端相连接。5.根据权利要求1所述的偏振复用的共光路自校准薄膜厚度测量装置，其特征是：所述解调干涉仪模块(7)由保偏耦合器(701)、保偏自聚焦透镜(702)、可移动单面反射镜(703)以及位置扫描装置(704)...

【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