厚度测量装置和厚度测量方法
【专利摘要】本发明提出了使用满足预定条件的两个波长来测量厚度的厚度测量装置和厚度测量方法。所述厚度测量方法包括以下步骤：将第一波长λ1的第一激光束照射至透明基板且测量透过所述透明基板的第一激光束的强度；将第二波长λ2的第二激光束照射至所述透明基板且测量透过所述透明基板的第二激光束的强度；并且使用透过所述透明基板的第一激光束和第二激光束来提取利萨如图形上的旋转角。将所述第一激光束的经过多次内反射的相邻光线之间的相位差以及所述第二激光束的经过多次内反射的相邻光线之间的相位差保持在π/2。所述厚度测量装置包括第一激光器、第二激光器、光耦合器、光检测器和处理单元。
【专利说明】厚度测量装置和厚度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及厚度测量装置和厚度测量方法。更加具体地，本发明旨在提供能够使 用两个波长精确地测量厚度的变化的厚度测量装置和厚度测量方法。
【背景技术】
[0002] 玻璃等的基板被用于诸如液晶显示器件（LCD)和有机发光二极管（0LED)等半导 体器件或平板显示器件。近年来，显示器件正在趋向于大面积和高分辨率的显示器件。因 此，显示器件中包含的基板的面积在不断增大。因为这样的基板的不均匀的厚度可能对显 示器件的分辨率有不利的影响，所以需要使基板的整个表面保持厚度均匀。
[0003] -般而言，利用从基板的前、后表面反射的光之间的干涉的反射式厚度测量装置 被人们用来测量几纳米（nm)至几十纳米（nm)的厚度变化。然而，随着基板的面积增大，在 测量基板的厚度时可能会使基板扭曲。当基板扭曲时，从基板反射的光的路径被改变，这使 得难以精确地测量基板的厚度。
【发明内容】
[0004] 本发明的实施例提出了使用满足预定条件的两个波长来测量薄膜的厚度的厚度 测量装置和厚度测量方法。
[0005] 根据本发明的实施例的厚度测量方法可以包括：将第一波长λ i的第一激光束照 射至透明基板并测量透过所述透明基板的第一激光束的强度；将第二波长λ 2的第二激 光束照射至所述透明基板并测量透过所述透明基板的第二激光束的强度；并且使用透过 所述透明基板的所述第一激光束和透过所述透明基板的所述第二激光束提取利萨如图形 (Lissajous graph)上的旋转角。将所述第一激光束的经过多次内反射的相邻光线之间的 相位差以及所述第二激光束的经过多次内反射的相邻光线之间的相位差保持在η /2。
[0006] 在本发明的典型实施例中，所述厚度测量方法还可以包括：移动所述透明基板。
[0007] 在本发明的典型实施例中，所述厚度测量方法还可以包括：去除所述旋转角的非 线性误差。
[0008] 在本发明的典型实施例中，如下地表达透过的第一激光束Ιχ和透过的第二激光束 Iy :
【权利要求】
1. 一种厚度测量方法，其包括以下步骤： 将第一波长λ i的第一激光束照射至透明基板并测量透过所述透明基板的第一激光束 的强度； 将第二波长λ 2的第二激光束照射至所述透明基板并测量透过所述透明基板的第二激 光束的强度；并且 使用透过所述透明基板的所述第一激光束和透过所述透明基板的所述第二激光束提 取利萨如图形上的旋转角， 其中，将所述第一激光束的经过多次内反射的相邻光线之间的相位差以及所述第二激 光束的经过多次内反射的相邻光线之间的相位差保持在η /2。
2. 根据权利要求1所述的厚度测量方法，还包括： 移动所述透明基板。
3. 根据权利要求1所述的厚度测量方法，还包括： 去除所述旋转角的非线性误差。
4. 根据权利要求3所述的厚度测量方法，其中，透过的第一激光束Ιχ和透过的第二激 光束Iy被表达如下： δ 4 =4+馬 eos〇+y ) Iv ~y4y+J5vsin(c|)^~r") JLt 其中，Ax和Ay表示DC偏移，Bx和By表示AC振幅，δ表示表明偏离90度的度数的相 位差，并且Φ表示与所述透明基板的厚度成比例的相位差，且 其中，在所述旋转角变成^1/4的整数倍的条件下更新上述参数^!￡、'、87和6。
5. -种厚度测量方法，其包括以下步骤： 测量透过透明基板的第一位置的第一波长的第一透过光束的强度； 在精细度系数小于1的条件下使用泰勒级数展开式展开艾里函数，以将作为艾里函数 而被给出的透过所述透明基板的所述第一波长的所述第一透过光束显示为如下相位差的 余弦函数：该相位差是由通过所述透明基板的多次内反射而透过的相邻光线之间的光程长 度而导致的； 选择第二波长以将所述余弦函数变换成正弦函数； 测量透过所述透明基板的所述第一位置的具有第二波长的第二透过光束的强度； 处理所述第一透过光束的强度和所述第二透过光束的强度以提取利萨如图形上的旋 转角；并且 使用所述旋转角计算所述透明基板的厚度。
6. 根据权利要求5所述的厚度测量方法，还包括： 改变所述透明基板的测量位置。
7. 根据权利要求5所述的厚度测量方法，还包括： 去除所述旋转角的非线性误差。
8. -种厚度测量方法，其包括以下步骤： 准备透过透明基板的第一位置的第一波长的第一透过光束的第一测量信号； 在透过所述透明基板的所述第一波长的所述第一透过光束被给出为艾里函数并且精 细度系数小于1的条件下使用泰勒级数展开式展开艾里函数，以将所述第一透过光束显示 为如下相位差的余弦函数：该相位差是由通过所述透明基板的多次内反射而透过的相邻光 线之间的光程长度而导致的； 选择第二波长以将所述余弦函数变换成正弦函数； 准备透过所述透明基板的所述第一位置的第二波长的第二透过光束的第二测量信 号； 处理所述第一测量信号和所述第二测量信号以提取利萨如图形上的旋转角；并且 使用所述旋转角计算所述透明基板的厚度。
9. 一种厚度测量方法，其包括： 准备透过透明基板的第一位置的第一波长λi的第一透过光束的第一测量信号； 准备透过所述透明基板的所述第一位置的第二波长λ 2的第二透过光束的第二测量信 号； 处理所述第一测量信号和所述第二测量信号以提取利萨如图形上的旋转角；并且 使用所述旋转角计算所述透明基板的厚度， 其中，所述第一波长和所述第二波长满足下面的条件： /?6/c〇s(0-, )-4- λ2 λι ' _ 2 入2 =人1+ Α入 2 入I -- 8/?i/cos(62) 其中，η表示折射率、d表示所述透明基板的平均厚度且Θ 2表示折射角。
10. -种厚度测量装置，其包括： 第一激光器，所述第一激光器输出第一波长的激光束； 第二激光器，所述第二激光器输出第二波长的激光束； 光奉禹合器，所述光f禹合器将所述第一激光器的输出与所述第二激光器的输出彼此f禹合 并且将合成的输出提供至透明基板的第一位置； 二色分束器，所述二色分束器将所述第一波长的第一透过光束和所述第二波长的第二 透过光束彼此分离； 第一光检测器，所述第一光检测器测量通过所述二色分束器而被分离出的所述第一波 长的所述第一透过光束； 第二光检测器，所述第二光检测器测量通过所述二色分束器而被分离出的所述第二波 长的所述第二透过光束；和 处理单元，所述处理单元使用所述第一波长的所述第一透过光束的强度和所述第二波 长的所述第二透过光束的强度、在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光 线之间的光程长度差或者在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之 间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
11. 根据权利要求10所述的厚度测量装置，其中，所述第一波长的所述第一透过光束 的强度具有根据所述相位差的余弦函数，且所述第二波长的所述第二透过光束的强度具有 根据所述相位差的正弦函数。
12. 根据权利要求10所述的厚度测量装置，其中，所述光耦合器包括： 分束器，所述分束器透过所述第一波长的激光束并且反射所述第二波长的激光束；和 反射镜，所述反射镜反射所述第二波长的激光束并且将反射的激光束提供至所述分束 器。
13. 根据权利要求10所述的厚度测量装置，还包括： 移动所述透明基板的移动单元；和 驱动所述移动单元的移动驱动单元。
14. 一种厚度测量装置，其包括： 第一激光器，所述第一激光器输出具有第一波长和第一周期的第一脉冲光束； 第二激光器，所述第二激光器输出具有第二波长和所述第一周期的第二脉冲光束，所 述第二脉冲光束在与所述第一脉冲光束不同的时间振荡； 光耦合器，所述光耦合器将所述第一激光器的输出或所述第二激光器的输出提供至透 明基板的第一位置； 光检测器，所述光检测器依次测量透过所述透明基板的所述第一波长的第一透过光束 和透过所述透明基板的所述第二波长的第二透过光束；和 处理单元，所述处理单元使用所述第一波长的所述第一透过光束的强度和所述第二波 长的所述第二透过光束的强度、在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光 线之间的光程长度差或者在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之 间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
15. 根据权利要求14所述的厚度测量装置，其中，所述第一波长的所述第一透过光束 的强度具有根据所述相位差的余弦函数，且所述第二波长的所述第二透过光束的强度具有 根据所述相位差的正弦函数。
16. 根据权利要求14所述的厚度测量装置，其中，所述光耦合器包括： 分束器，所述分束器透过所述第一波长的所述第一脉冲光束并且反射所述第二波长的 所述第二脉冲光束；和 反射镜，所述反射镜反射所述第二波长的所述第二脉冲光束并且将反射的第二脉冲光 束提供至所述分束器。
17. 根据权利要求14所述的厚度测量装置，还包括： 移动所述透明基板的移动单元；和 驱动所述移动单元的移动驱动单元。
18. -种厚度测量装置，其包括： 第一激光器，所述第一激光器输出第一波长的激光束； 第二激光器，所述第二激光器输出第二波长的激光束； 光学开关，所述光学开关接收所述第一激光器的输出和所述第二激光器的输出并且周 期性地将所述第一激光束和所述第二激光束交替地提供至透明基板的第一位置； 光检测器，所述光检测器测量透过所述透明基板的所述第一波长的第一透过光束或透 过所述透明基板的所述第二波长的第二透过光束；和 处理单元，所述处理单元使用所述第一波长的所述第一透过光束的强度和所述第二波 长的所述第二透过光束的强度、在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光 线之间的光程长度差或者在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之 间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
19. 根据权利要求18所述的厚度测量装置，其中，所述第一波长的所述第一透过光束 的强度具有根据所述相位差的余弦函数，且所述第二波长的所述第二透过光束的强度具有 根据所述相位差的正弦函数。
20. 根据权利要求18所述的厚度测量装置，还包括： 移动所述透明基板的移动单元；和 驱动所述移动单元的移动驱动单元。
21. -种厚度测量装置，其包括： 第一激光器，所述第一激光器输出第一波长的第一激光束； 第二激光器，所述第二激光器输出第二波长的第二激光束； 波长分割多路复用器，所述波长分割多路复用器接收所述第一激光束和所述第二激光 束并且将所述第一激光束和所述第二激光束多路复用成单路输出，并将所述单路输出提供 至透明基板的第一位置； 光检测器，所述光检测器测量透过所述透明基板的所述第一波长的第一透过光束或透 过所述透明基板的所述第二波长的第二透过光束；和 处理单元，所述处理单元使用所述第一波长的所述第一透过光束的强度和所述第二波 长的所述第二透过光束的强度、在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光 线之间的光程长度差或者在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之 间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
22. 根据权利要求21所述的厚度测量装置，还包括： 波长分割多路分离器，所述波长分割多路分离器通过单个输入端口接收所述第一透过 光束和所述第二透过光束，将所述第一波长的所述第一透过光束输出至第一输出端口并将 所述第二波长的所述第二透过光束输出至第二输出端口， 其中，所述光检测器包括： 第一光检测器，所述第一光检测器连接到所述波长分割多路分离器的所述第一输出端 口；和 第二光检测器，所述第二光检测器连接到所述波长分割多路分离器的所述第二输出端 □。
23. 根据权利要求21所述的厚度测量装置，其中，所述第一激光器的所述第一激光束 和所述第二激光器的所述第二激光束是周期性脉冲的形式，并且 其中，所述第一激光束和所述第二激光束不在时域上彼此重叠。
24. -种厚度测量装置，其包括： 第一激光器，所述第一激光器输出第一波长的第一激光束； 第二激光器，所述第二激光器输出第二波长的第二激光束； 光耦合器，所述光耦合器接收所述第一激光束和所述第二激光束并且将所述第一激光 束和所述第二激光束输出至单个路径； 图案光束发生器，所述图案光束发生器布置于所述光耦合器与透明基板之间以生成图 案光束； 光检测器阵列，所述光检测器阵列测量透过所述透明基板的所述第一波长的第一透过 光束和透过所述透明基板的所述第二波长的第二透过光束；和 处理单元，所述处理单元使用所述第一波长的所述第一透过光束的强度和所述第二波 长的所述第二透过光束的强度、在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光 线之间的光程长度差或者在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之 间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
25.根据权利要求24所述的厚度测量装置，其中，所述图案光束发生器包括： 衍射光栅元件，所述衍射光栅元件使接收的光束衍射以生成在恒定方向上对齐的多个 光束；和 准直透镜，所述准直透镜将透过所述衍射光栅元件的光线转换成平行光线。
【文档编号】G01B11/06GK104279969SQ201410320417
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2013年7月5日
【发明者】金在完, 金钟安, 姜宙植, 陈宗汉 申请人:韩国标准科学研究院