一种共光路自校准薄膜厚度测量装置及测量方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。本发明的目的还在于提供一种共光路自校准薄膜厚度测量方法。

本发明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。

本发明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法拉第反射镜603与第2法拉第反射镜606的光学参数相一致，正向可移动光学反射镜604a与反向可移动光学反射镜604b的光学参数相一致；位置扫描装置604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时，第1解调干涉仪6a与第2解调干涉仪6b均能实现由不同探头透镜表面反射光的光程匹配；第1解调干涉仪6a与第2解调干涉仪6b共用同一位置扫描装置604；当正向可移动光学反射镜604a位于零点位置时，反向可移动光学反射镜604b具有最大位移l；当正向可移动光学反射镜604a移动到最大位移l时，反向可移动光学反射镜604b处于零点位置；扫描过程中，正向可移动光学反射镜604a与反向光学反射镜604b具有相同的位移。

基于共光路自校准薄膜厚度的测量装置的膜厚测量方法为：

1、在不插入待测薄膜403时，驱动光程位置扫描装置604进行光程扫描，使第1测量探头401内部反射光411与第2测量探头402外表面反射光412进行光程匹配、第2测量探头402内部反射光421与第1测量探头401外表面反射光422进行光程匹配；通过采集与控制模块7对相关参数进行解调记录，获得两测量探头之间的绝对距离h；

2、将待测薄膜403插入第1测量探头401与第2测量探头402中间，待测薄膜403与第1测量探头401与第2测量探头402的出射光线垂直；驱动光程位置扫描装置604进行光程扫描，使由第1测量探头401内部反射光413与待测薄膜前表面403a反射光414进行光程匹配、第2测量探头402内部反射光423与待测薄膜后表面403b反射光424进行光程匹配；通过采集与控制模块7对相关参数进行解调记录，分别获得第1测量探头401待测薄膜前表面403a的距离h1、第2测量探头402待测薄膜前表面403b的距离h2；

(3)、由上述的两次测量值确定薄膜厚度d，即d＝h-(h1+h2)。

本发明提供的共光路自校准的薄膜厚度测量装置，具有高精度、自校准、动态范围大、可溯源等特点，可用于薄膜生产以及应用中对膜厚进行高精度的测量。

本发明提供一种共光路自校准的薄膜厚度测量装置，实现了薄膜厚度的非接触测量。首先，由于测量探头能够同时实现入射光的透射和反射，对于两测量探头之间的绝对距离h实现直接测量；然后将待测薄膜插入两测量探头中间，分别获得两测量探头距离待测薄膜前后表面之间的绝对距离h1和h2；因此待测薄膜的厚度d＝h-(h1+h2)。本发明实现了在测量薄膜厚度时无需标定样品即可直接对待测样品进行测量；双光源共光路的结构，在保证薄膜绝对测量厚度高精度测量的前提下实现了测量动态范围的扩展，确保了薄膜光学测量可实现溯源，并进一步克服了测量过程中由于机械不稳定所带来的误差，提高了测量的绝对精度和测试的稳定性。本发明可广泛用于薄膜生产以及应用中对薄膜的厚度进行高精度测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明测量探头能够同时实现入射光的透射和反射，能够直接实现测量系统的自校准，使其在进行测量时，无需标准样品即可直接对待测薄膜的厚度进行测量。

(2)本发明提出基于宽谱光源和窄带稳频激光的双波段光纤光学干涉测量薄膜厚度的方法，在保证薄膜绝对厚度高精度测量的前提下，实现了其测量动态范围的扩展，并确保薄膜光学测试可实现溯源。

(3)本发明采用双探头的设计，能够同时实现透明薄膜和非透明薄膜的厚度测量。

(4)本发明基于共光路差分测试的光路，进一步克服了测量过程中机械不稳定所带来的误差，提高了测量的绝对精度和测试的稳定性。

附图说明

图1是一种共光路自校准的薄膜厚度测量装置示意图。

图2是未加载待测薄膜时测量探头模块内部光路图。

图3是加载待测薄膜时测量探头模块内部光路图。

图4是激光干涉信号溯源原理示意图。

图5是未加载待测薄膜时基于白光干涉原理的距离测量方法示意图。

具体实施方式

本发明的共光路自校准薄膜厚度的测量装置，由光源输出模块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等四部分组成。各模块组成分别是：(1)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所组成；(2)膜厚测量探头模块4由第1测量探头401以及第2测量探头402所组成；(3)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；(4)采集与控制模块7由计算机701，数据采集卡702，第1光电探测器703，第2光电探测器704，第3光电探测器705以及第4光电探测器706，第2波分复用器707以及第3波分复用器708所组成。

宽谱光源101和窄带稳频激光光源103发出的光分别经过第1隔离器102和第2隔离器104进入第1波分复用器105中，从波分复用器105发来的光被分束耦合器2分成两束，分别经过第1测量干涉仪耦合器3和第2测量干涉仪耦合器5进入第1测量探头401和第2测量探头402，经第1测量探头401和第2测量探头402返回的光经过第1测量干涉仪耦合器3和第2测量干涉仪耦合器5分别进入干涉与解调模块3中。

光源输出模块1中的宽谱光源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。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。

膜厚测量探头模块4中的第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。

干涉与解调模块6有两个功能相对独立地解调干涉仪6a、6b。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，正向可移动光学反射镜604a与反向可移动光学反射镜604b的光学参数相一致。位置扫描装置604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403时，第1解调干涉仪6a与第2解调干涉仪6b均能实现由不同探头透镜表面反射光的光程匹配。

第1解调干涉仪6a与第2解调干涉仪6b共用同一位置扫描装置604。当正向可移动光学反射镜604a位于零点位置时，反向可移动光学反射镜604b具有最大位移l；当正向可移动光学反射镜604a移动到最大位移l时，反向可移动光学反射镜604b处于零点位置。扫描过程中，正向可移动光学反射镜604a与反向光学反射镜604b具有相同的位移。

采集与控制模块7中第1光电探测器703与第2波分复用器707的7a输出端连接；第2光电探测器704与第2波分复用器707的7b输出端连接；第3光电探测器705与第3波分复用器708的7c输出端连接；第4光电探测器706与第3波分复用器708的7d输出端连接。光电探测器将采集到的信号通过数据采集卡702输送给计算机701，另外，计算机701同时负责位置扫描装置604的驱动以完成光程扫描。

光学干涉测量方法是当前精度最高的距离测量方法，但是由于激光光源相干长度较长，激光干涉测量方法无法实现绝对量的测量。白光干涉测量方法使用的是低相干的宽谱光源。由于低相干光源的相干长度非常小，干涉后输出的干涉条纹的形状是由高斯包络所调制的正弦振荡，该条纹具有一个主极大值，它对应着干涉仪两臂光程差为零的位置。由于对干涉仪两臂光程差的苛刻要求，中心条纹的位置就为物理量的测量提供了一个优质的参考位置，根据中心条纹位置的变化可获得被测物理量变化的绝对值。因此，在白光干涉测量系统中对物理量的测量就转化成对干涉信号的中心条纹的位置变化进行测量。本发明采用双光源的设计，如图4所示，在位置扫描装置扫描的过程中，同时记录白光干涉信号与激光干涉信号，通过对激光干涉信号条纹数目的读取，可以对位置扫描装置的移动实际距离进行高精度标定。

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明采用双光源共光路的结构完成对薄膜厚度高精度测量及溯源的研究，总体技术方案如图1所示。光源输出模块1由中心波长为1310nm的宽谱光源101、波长1550nm的窄带稳频激光光源103、工作波长为1310nm的第1隔离器102、工作波长为1550nm的第2隔离器104以及工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器105共同组成。其中，中心波长为1310nm的宽谱光源101作为测量光束，主要用于实现薄膜厚度的绝对测量；波长为1550nm的窄带稳频激光光源103作为光路校正光束，主要用于实现薄膜厚度测量的溯源。两个光源发出的光分别经过第1隔离器102和第2隔离器104进入到第1波分复用器105合成一束共同进入到分光比为3db的分束耦合器2中，它们被等分成两路分别通过分光比为3db的第1测量干涉仪耦合器3和分光比为3db的第2测量干涉仪耦合器5进入到膜厚测量探头模块4中；第1测量探头401与第2测量探头402透镜端面反射率与透射率的比为50:50；从第1测量探头401与第2测量探头402返回的测量光，再分别经过分光比为3db的第1测量干涉仪耦合器3和分光比为3db的第2测量干涉仪耦合器5传输到第1测量干涉仪6a和第2测量干涉仪6b中，通过光程扫描装置604的光程扫描分别在分光比为3db的第1解调干涉仪耦合器601和分光比为3db的2解调干涉仪耦合器607处进行干涉。第2波分复用器707和第3波分复用器708分别将中心波长为1310nm的白光测量光束和波长为1550nm激光校正光束分离后，最后被第1光电探测器703、第2光电探测器704、第3光电探测器705、第4光电探测器706所获取。光电探测器将收集到的信号通过数据采集卡702传输到计算机701中进行解调处理，计算机701同时负责对位置扫描装置604进行驱动。

当待测薄膜403没有插入时，输出光被分光比为3db的分束耦合器2分束,光线分别经过分光比为3db的第1测量干涉仪耦合器3和分光比为3db的第2测量干涉仪耦合器5进入第1测量探头401与第2测量探头402中。如图2所示，由第1测量探头401自身透镜内表面反射光束411、第2测量探头402透镜的外表面反射光束412通过第1测量干涉仪耦合器3输入到第1解调干涉仪6a中；由第2测量探头402自身透镜内反射光束421、第1测量探头401透镜的外表面反射光束422通过第2测量干涉仪耦合器5输入到第2解调干涉仪6b中。光束在第1解调干涉仪6a中传输方式为：由分光比为3db的第1测量干涉仪耦合器3将膜厚测量探头401返回光输入到分光比为3db的第1解调干涉仪耦合器601中，第1测量探头401返回光线经过正向可移动反射镜604a、第1法拉第反射镜605反射，当正向光学扫描反射镜604a与反向可移动光学反射镜604b移动时，使反射光411与反射光412发生光程完全匹配，在第1光电探测器703上形成白光干涉条纹，在第2光电探测器704上形成激光干涉条纹；光束在第2解调干涉仪6b中传输方式为：由分光比为3db的第2测量干涉仪耦合器5将膜厚测量探头402返回光输入到分光比为3db的第2解调干涉仪耦合器607中，光线经过反向可移动光学反射镜604b、第2法拉第反射镜606的反射，当正向光学扫描反射镜604a与反向可移动光学反射镜604b移动时，使反射光421与反射光422发生光程完全匹配，在第3光电探测器705上将形成白光干涉条纹，在第4光电探测器706上形成激光干涉条纹。经过对白光干涉信号的解调可以得到两测量探头之间的绝对距离h。

当待测薄膜403插入时，入射光被分光比为3db的分束耦合器2分束,光线分别经过分光比为3db的第1测量干涉仪耦合器3和分光比为3db的第2测量干涉仪耦合器5进入第1测量探头401与第2测量探头402中。如图3所示，由第1测量探头401透镜内表面反射光束413、待测薄膜前表面403a反射光束414输入到第1解调干涉仪6a中；由第2测量探头402透镜内表面反射光束423、待测薄膜后表面403b反射光束424输入到第2解调干涉仪6b中。光束在第1解调干涉仪6a中传输方式为：由分光比为3db的第1测量干涉仪耦合器3将膜厚测量探头401返回光输入到分光比为3db的第1解调干涉仪耦合器601中，第1测量探头401返回光线经过正向可移动反射镜604a、第1法拉第反射镜605反射，当正向光学扫描反射镜604a与反向可移动光学反射镜604b移动时，使反射光413与反射光414发生光程完全匹配，在第1光电探测器703上形成白光干涉条纹，在第2光电探测器704上形成激光干涉条纹；光束在第2解调干涉仪6b中传输方式为：由分光比为3db的第2测量干涉仪耦合器5将膜厚测量探头402返回光输入到分光比为3db的第2解调干涉仪耦合器607中，光线经过反向可移动光学反射镜604b、第2法拉第反射镜606的反射，当正向光学扫描反射镜604a与反向可移动光学反射镜604b移动时，使反射光423与反射光424发生光程完全匹配，在第3光电探测器705上将形成白光干涉条纹，在第4光电探测器706上形成激光干涉条纹。通过对白光干涉信号的解调，分别获得第1测量探头401待测薄膜前表面403a的距离h1、第2测量探头402待测薄膜前表面403b的距离h2。因此，薄膜厚度就被上述两次测量值所决定，即h-(h1+h2)。