一种便携式薄膜测厚仪及其膜厚测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体薄膜光学测量技术领域，更具体地，涉及一种便携式薄膜测厚 仪及其膜厚测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体工业的发展和薄膜技术的兴起，薄膜越来越广泛地应用于电子元器 件、微光机电系统和光学元器件等领域。薄膜的厚度显著地影响着薄膜的力学、电磁、光学 和光电等性能，如ITO透明导电膜的膜厚不仅影响其电阻率还影响其晶粒尺寸和晶面的择 优去向，NiFe薄膜的厚度影响其磁阻性能，V2O5薄膜的膜厚影响其电致变色性能等。因此 在薄膜制备和分析应用中，薄膜厚度的精确测量显得尤为重要。
[0003]目前薄膜厚度的测量方法主要有两类，即非光学方法和光学方法。非光学方法主 要包括探针法、超声波法和石英晶振法等，在本发明中不再赘述；而光学方法主要包括光电 极值法、椭偏测量法和光谱法等。其中光电极值法只能对规整膜系进行监控，且精度不够 高，并有最小监控厚度限制；椭偏测量法虽然能够表征薄膜的多个参数如膜厚、折射率和吸 收系数等，但其依赖于椭偏仪，而椭偏仪比较昂贵且有使用环境的局限性，一般仅应用在科 研型设备上；光谱法以光的干涉理论为基础，通过测量薄膜的光谱特性来计算膜厚，该方法 原理成熟、硬件实现简单、易集成、适用环境广泛，大多数光学膜厚仪均采用此方法。
[0004] 一般的光学膜厚仪测量薄膜厚度，主要是基于光的干涉原理，具体为：当膜厚仪向 待测薄膜发射已知光谱范围的测量光时，薄膜和空气界面的反射光会与从薄膜和基底界面 的反射光相干涉，而此干涉的发生与膜厚等有关，因此可通过计算得到薄膜的厚度。
[0005][0006]其存在以下问题：1、装置复杂不方便携带，并且由于数据处理依赖于计算机而局 限为一种实验室测量仪器；2、其所节省的时间主要取决于用反射率逆向求取膜厚过程的时 间，该方式导致测量结果处理繁琐并且准确性无法保证；3、主测量过程依然需要测量两次 (测量黑样件和待测样件），并没有真正节省测量时间；4、其始终采用同一校正结果，然而 该校正结果会随时间变化，使得测量结果可靠性降低。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种便携式薄膜测厚仪及其 膜厚测量方法，其目的在于将传统干涉膜厚仪改造成便携式膜厚仪，并提供相应测量方法 及数据处理算法，促使装置能够适用于各种场合，同时尽可能节省测量时间并保持装置的 简便性。
[0008] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种便携式薄膜测厚仪，其特征 在于，包括光源、第一准直镜、分束器、第二准直镜、微型光谱仪、A/D转换模块和数据处理模 块；所述光源设置在所述第一准直镜的焦点处，用于提供稳定的能完全覆盖可见光波段的 入射光，所述第一准直镜用于将所述入射光准直成平行光束，所述分束器设置在所述第一 准直镜的输出光路上，其分光面与所述平行光束呈45°夹角，用于反射所述平行光束得到 测量光束；工作时，所述测量光束垂直入射在标准样件或待测样件的表面，被标准样件或待 测样件反射后得到的反射光束经所述分束器透射而出后到达所述第二准直镜；所述第二准 直镜用于将所述反射光束汇聚至所述微型光谱仪，所述微型光谱仪用于探测所述反射光束 的光强，所述A/D转换模块用于将所述微型光谱仪测得的模拟信号转换为数字信号并输出 至所述数据处理模块，所述数据处理模块用于根据所述微型光谱仪的测量结果计算得到待 测样件的膜厚。
[0009] 优选地，所述光源为卤钨灯光源、氘灯光源或氙灯光源。
[0010] 优选地，所述便携式薄膜测厚仪的测量端面与所述测量光束垂直，还包括多个均 匀分布在所述测量端面上的红外测距传感器，用于检测标准样件或待测样件是否均匀贴附 在所述测量端面上，从而确保标准样件或待测样件与所述测量光束垂直。
[0011] 按照本发明的另一方面，提供了一种用上述便携式薄膜测厚仪进行膜厚测量的方 法，其特征在于，包括如下步骤：
[0012] (1)关闭光源，利用微型光谱仪测得光强Ib(A);
[0013] (2)开启光源，将标准样件放置在测量光束的光路上，使其与测量光束垂直，利用 微型光谱仪测量标准样件的反射光强L(A);
[0014] (3)将待测样件放置在测量光束的光路上，使其与测量光束垂直，利用微型光谱仪 测量待测样件的反射光强Is (A);
[0015] (4)利用Ib (A)、标准样件的反射光强UA)和待测样件的反射光强Is (A)，计算
[0016] (5)利用待测样件和标准样件的实际反射率之比(A)计算得到待测样件的膜厚 to
[0017] 优选地，所述步骤（5)具体为：计算待测样件和标准样件的理论反射率之比
入:为可见光波长的下限，A2为可见光波长的上限。
[0018] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：只需完成两次样件测量，不会增加使用者的工作量，通过光谱拟合法改善了测量性能； 同时依靠安装在测厚仪测量端面上的三个红外测距传感器确保标准样件和待测样件与测 量光束之间的垂直入射关系，从而维持校正样件测量环节的操作简便性；此外，本发明的 测厚仪省去了反射镜，使测量光路更加简洁，整体结构紧凑，易于实现便携式布局。需要说 明的是，当将传统干涉膜厚仪体积变小，实现便携式测量之后，其适用的工业环境将大大扩 展，不仅可以作为便携式膜厚仪，还可以安装在镀膜工艺线上，实现薄膜的在线监控测量。
【附图说明】
[0019]图1是本发明实施例的便携式薄膜测厚仪的结构原理图；
[0020] 图2是本发明实施例的便携式薄膜测厚仪的立体效果图；
[0021] 图3是一种薄膜模型图；
[0022] 图4是数据处理流程图。
[0023] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：10_光源， 20-第一准直镜，30-分束器，40-第二准直镜，50-微型光谱仪，60-目标样件，70-红外测距 传感器，80-A/D转换模块，90-数据处理模块，100-光源供电模块，110-液晶显示屏，120-总 电源。
【具体实施方式】
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025] 如图1所示，本发明实施例的便携式薄膜测厚仪包括光源10、第一准直镜20、分束 器30、第二准直镜40、微型光谱仪50、A/D转换模块80和数据处理模块90。光源10设置 在第一准直镜20的焦点处，用于提供稳定的能完全覆盖可见光波段（380nm~780nm)的入 射光，第一准直镜20用于将入射光准直成平行光束，分束器30设置在第一准直镜20的输 出光路上，其分光面与平行光束呈45°夹角，用于反射平行光束得到测量光束。工作时，测 量光束垂直入射在目标样件60的表面，被目标样件60反射后得到的反射光束经分束器30 透射而出后到达第二准直镜40。第二准直镜40用于将反射光束汇聚至微型光谱仪50,微 型光谱仪50用于探测反射光束的光强，A/D转换模块80用于将微型光谱仪50测得的模拟 信号转换为数字信号并输出至数据处理模块90,数据处理模块90用于根据微型光谱仪50 的测量结果计算得到待测样件的膜厚。
[0026] 在本发明的一个实施例中，光源10为卤钨灯光源、氘灯光源或氙灯光源，其作为 点光源集成到便携式薄膜测厚仪中。第一准直镜20将光源10发出的发散光准直成准直 光，从而方便便携式薄膜测厚仪的结构布局，而照射到目标样件60上的测量光斑大小由第 一准直镜20决定。
[0027] 在本发明的一个实施例中，上述便携式薄膜测厚仪还包括光源供电模块100、液晶 显示屏110和总电源120。光源供电模块100用于为光源10提供5V-1A的电源，A/D转换 模块80同时还用于为微型光谱仪50提供驱动电源，总电源120用于为整个便携式薄膜测 厚仪提供电源支持，维持其正常运转，液晶显示屏110用于显示最终测量结果，同时还用作 使用者与便携式薄膜测厚仪之间的交互界面，微型光谱仪50采用滨松C10988MA微型光谱 仪，数据处理模块90为Mini2440开发板，是一种ARM9开发板，其不仅植入数据处理算法， 同时还搭载操作系统和硬件控制程序，用于控制光源10、微型光谱仪50和液晶显示屏110， 以及存储微型光谱仪50的测量数据。
[0028] 第一准直镜20和第二准直镜40的焦距在一定光谱范围内大致相同，以保证在测 量所需的光谱范围内能消除色差效应。分束器30的半透半反特性是本发明的测量光路能 够集成并简化的关键元件，其透反比约为1:1，也可以为6:4等。
[0029] 将上述便携式薄膜测厚仪集成封装得到如图2所示的结构，液晶显示屏110安装 在便携式薄膜测厚仪的封装外壳上。便携式薄膜测厚仪的测量端面与测量光束垂直，测量 时，将目标样件贴附在测量端面上。在本发明的一个实施例中，上述便携式薄膜测厚仪还包 括多个（如3个）均匀分布在该便携式薄膜测厚仪的测量端面上的红外测距传感器70,用 于检测目标样件是否均匀贴附在测量端面上，从而确保目标样件与测量光束垂直。
[0030] 上述便携式薄膜测厚仪适用于晶元上镀膜、聚合物薄膜、平板等各种各向同性薄 膜的厚度测量，其有两种工作模式，一是监测目标样件的反射光谱，二是测量待测样件的膜 厚。
[0031] 在第一种工作模式下，开启光源10,将目标样件置于测量端面