一种薄膜厚度和折射率的测量方法及系统与流程

本发明涉及光学测量技术领域，更具体地说，涉及一种薄膜厚度和折射率的测量方法。

背景技术：

薄膜材料目前被广泛地应用于高新工业的多项领域，例如微机电系统中的隔热绝缘材料和航空航天设备中的力学涂层等。作为薄膜材料的基本物理特性，其厚度和折射率的非接触式在线测量具有重要的研究意义和实用价值。

目前，现有技术中的薄膜材料的厚度和折射率的测量方法主要有测角法和反射法两大类。其中，测角法主要利用光线在进入被测材料过程中入射角和折射角之间的关系对材料进行测量，这种方法主要有最小偏向角法、直角照准法、自准直法和V棱镜折射仪法。但是，这种方法通常需要对被测材料进行加工，不适合在线测量。而干涉方法主要利用光的干涉现象对光程进行测量，这种方法主要有法布里-珀罗干涉仪法、浸液法和光学相干层析法等，但它需要已知厚度或折射率其中的一个参数值，才能测量另一个参数，无法实现两者的同时测量。

因此，如何同时测量薄膜材料的厚度和折射率是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种薄膜厚度和折射率的在线测量方法，同时测量薄膜材料的厚度和折射率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种薄膜厚度和折射率的测量方法，包括：

激光光束经过色散透镜形成色散光，所述色散光入射至样品，并获取所述色散光经过所述样品表面反射后形成的光谱共焦信号；

根据所述光谱共焦信号获取所述样品的表面距离差，得到所述上下表面距离差与样品实际厚度以及样品折射率的第一关系式；

对所述光谱共焦信号进行数据处理得到干涉信号，根据所述干涉信号计算得到所述样品的表面光程差，得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品折射率的第二关系式；

联合所述第一关系式以及所述第二关系式得到所述样品实际厚度以及所述样品折射率。

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述激光光束经过色散透镜形成色散光之前，还包括：

所述激光光束通过第一凸透镜至入射分光棱镜的第一输入端，并从所述分光棱镜的第一输出端输出至所述色散透镜。

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述激光光束经过色散透镜形成色散光之前，还包括：

所述激光光束从所述分光棱镜的第二输出端输出至第二凸透镜，经过所述第二凸透镜汇聚之后，入射至参考平面。

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述获取所述色散光经过所述样品表面反射后形成的光谱共焦信号之前，包括：

经过所述样品反射，以及经过所述参考平面反射的所述激光光束通过激光光束反射式衍射光栅入射至第三凸透镜，经过所述第三凸透镜汇聚之后入射至图像采集装置。

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述根据所述光谱共焦信号获取所述样品的表面距离差，得到所述上下表面距离差与样品实际厚度以及样品折射率的第一关系式，包括：

所述根据所述光谱共焦信号获取样品前表面位置z₁以及样品后表面位置z₂，得到所述样品的表面距离差Δ_z；

根据所述色散透镜的数值孔径NA以及所述上下表面距离差Δ_z，得到所述上下表面距离差Δ_z与所述样品实际厚度t以及所述样品后表面对应的光谱峰值所在波长的相折射率n_p的所述第一关系式：

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述对所述光谱共焦信号进行数据处理得到干涉信号，根据所述干涉信号计算得到所述样品的表面光程差，得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品折射率的第二关系式，包括：

获取所述光谱共焦信号中第二峰值对应的波长λ，得到所述样品的群折射率n_g与所述样品后表面对应的光谱峰值所在波长的相折射率n_p的关系式：

对所述光谱共焦信号进行高通滤波数据处理得到所述干涉信号，根据所述干涉的频率计算得到所述样品的表面光程差Δl；

所述表面光程差Δl与所述样品实际厚度t以及所述样品的群折射率n_g的第二关系式为：

Δl＝n_g×t； (3)

联合公式(2)和(3)得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品后表面对应的光谱峰值所在波长的相折射率n_p的所述第二关系式：

本发明还提供了一种薄膜厚度和折射率的测量系统，包括：

激光器，用于产生激光光束；

色散透镜，设置于所述激光器与样品之间，用于将所述激光光束色散形成色散光；

图像采集装置，用于获取所述色散光经过所述样品表面反射后形成的光谱共焦信号；

信号处理单元，用于根据所述光谱共焦信号获取所述样品的表面距离差，得到所述上下表面距离差与样品实际厚度以及样品折射率的第一关系式；对所述光谱共焦信号进行数据处理得到干涉信号，根据所述干涉信号计算得到所述样品的表面光程差，得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品折射率的第二关系式；

计算单元，用于联合所述第一关系式以及所述第二关系式得到所述样品实际厚度以及所述样品折射率。

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量系统中，还包括：

设置于所述激光器与所述色散透镜之间的分光棱镜，所述色散透镜与所述分光棱镜的第一输出端连接；

设置于所述激光器的输出端于所述分光棱镜输入端之间的第一凸透镜；

与所述分光棱镜的第二输出端连接的第二凸透镜；

设置于所述第二凸透镜的输出端的参考平面。

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量系统中，还包括：

依次设置于所述分光棱镜与所述图像采集装置之间的反射式衍射光栅以及第三凸透镜。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种薄膜厚度和折射率的测量方法，包括：激光光束经过色散透镜形成色散光，所述色散光入射至样品，并获取所述色散光经过所述样品表面反射后形成的光谱共焦信号；根据所述光谱共焦信号获取所述样品的表面距离差，得到所述上下表面距离差与样品实际厚度以及样品折射率的第一关系式；对所述光谱共焦信号进行数据处理得到干涉信号，根据所述干涉信号计算得到所述样品的表面光程差，得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品折射率的第二关系式；联合所述第一关系式以及所述第二关系式得到所述样品实际厚度以及所述样品折射率。

本发明主要利用了光谱共焦技术以及光学干涉得到样品的上下表面距离差和表面光程差，列出上下表面距离差与样品实际厚度以及样品折射率的第一关系式，表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品折射率的第二关系式，联合第一关系式以及第二关系式得到所述样品实际厚度以及所述样品折射率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种薄膜厚度和折射率的测量方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种薄膜厚度和折射率的测量系统结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种薄膜厚度和折射率的测量方法流程图。

在一种具体实施方式中，提供了一种薄膜厚度和折射率的测量方法，包括：

步骤S1：激光光束经过色散透镜16形成色散光，所述色散光入射至样品2，并获取所述色散光经过所述样品2表面反射后形成的光谱共焦信号。

其中，利用光谱共焦法获取光谱共焦信号的原理是，由光源射出一束宽光谱的复色激光光束，通过色散透镜16发生光谱色散，形成不同波长的单色光，每一个波长的焦点对应一个距离样品2表面的距离值。激光光束入射到物体表面被反射，只有满足共焦条件的单色光，可以通过色散透镜16中的小孔被图像采集装置19例如光谱仪感测。通过计算被感测到的焦点的波长，换算获得样品2的距离值，利用光谱共焦法的同轴共焦原理可以保证即使被测物存在倾斜或者翘曲，也可以进行高精度的测量，测量点不会改变，提高测量厚度的精度，厚度测量分辨率可以达到微米级，折射率测量分辨率可以达到10^-3。

步骤S2：根据所述光谱共焦信号获取所述样品2的上下表面距离差，得到所述上下表面距离差与样品实际厚度以及样品折射率的第一关系式。

步骤S3：对所述光谱共焦信号进行数据处理得到干涉信号，根据所述干涉信号计算得到所述样品2的表面光程差，得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品折射率的第二关系式。

步骤S4：联合所述第一关系式以及所述第二关系式得到所述样品实际厚度以及所述样品折射率。

本发明主要利用了光谱共焦技术以及光学干涉得到样品2的上下表面距离差和表面光程差，列出上下表面距离差与样品实际厚度以及样品折射率的第一关系式，表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品折射率的第二关系式，联合第一关系式以及第二关系式得到所述样品实际厚度以及所述样品折射率。

在上述薄膜厚度和折射率的测量方法的基础上，所述激光光束经过色散透镜16形成色散光之前，还包括：

所述激光光束通过第一凸透镜12至入射分光棱镜13的第一输入端，并从所述分光棱镜13的第一输出端输出至所述色散透镜16。

其中，分光棱镜13的作用是将第一凸透镜12汇聚的一部分光线导入至色散透镜16中，另一部分光线导入另一光路中作为参考。

在上述薄膜厚度和折射率的测量方法的基础上，所述激光光束经过色散透镜16形成色散光之前，还包括：

所述激光光束从所述分光棱镜13的第二输出端输出至第二凸透镜14，经过所述第二凸透镜14汇聚之后，入射至参考平面15。

其中，通过参考平面15反射的光与样品反射的光，在分光棱镜处产生干涉。

在上述薄膜厚度和折射率的测量方法的基础上，所述获取所述色散光经过所述样品2表面反射后形成的光谱共焦信号之前，包括：

经过所述样品2反射，以及经过所述参考平面15反射的所述激光光束通过激光光束反射式衍射光栅17入射至第三凸透镜18，经过所述第三凸透镜18汇聚之后入射至图像采集装置19。反射式衍射光栅17将原先的复合波长的光束按照波长分离开，从而能够使波长在空间中展开，因此也能够在探测器CCD上留下一个横坐标为波长，纵坐标为高度的干涉图样。

进一步的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述根据所述光谱共焦信号获取所述样品2的上下表面距离差，得到所述上下表面距离差与样品2厚度以及样品2折射率的第一关系式，包括：

所述根据所述光谱共焦信号获取样品2前表面位置z₁以及样品2后表面位置z₂，得到所述样品2的上下表面距离差Δ_z；

根据所述色散透镜16的数值孔径NA以及所述上下表面距离差Δ_z，得到所述上下表面距离差Δ_z与所述样品实际厚度t以及所述样品后表面对应的光谱峰值所在波长的相折射率n_p的所述第一关系式：

进一步的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述对所述光谱共焦信号进行数据处理得到干涉信号，根据所述干涉信号计算得到所述样品2的表面光程差，得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品折射率的第二关系式，包括：

获取所述光谱共焦信号中第二峰值对应的波长λ，得到所述样品2的群折射率n_g与所述样品后表面对应的光谱峰值所在波长的相折射率n_p的关系式：

对所述光谱共焦信号进行高通滤波数据处理得到所述干涉信号，根据所述干涉的频率计算得到所述样品2的表面光程差Δl；

所述表面光程差Δl与所述样品实际厚度t以及所述样品的群折射率n_g的第二关系式为：

Δl＝n_g×t (3)

联合公式(2)和(3)得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品后表面对应的光谱峰值所在波长的相折射率n_p的所述第二关系式：

进一步的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，联合所述第一关系式以及所述第二关系式得到所述样品实际厚度以及所述样品折射率。

解调出薄膜样件的厚度t，相折射率n_p，以及群折射率n_p。这种方法的测量分辨率主要取决于光谱共焦和光学干涉，其厚度测量分辨率可以达到微米级，折射率测量分辨率可以达到10^-3。

在另一种具体实施方式中，如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种薄膜厚度和折射率的测量系统结构框图。

本发明还提供了一种薄膜厚度和折射率的测量系统，包括：

激光器11，用于产生激光光束；

色散透镜16，设置于所述激光器11与样品2之间，用于将所述激光光束色散形成色散光；

图像采集装置19，用于获取所述色散光经过所述样品2表面反射后形成的光谱共焦信号；

信号处理单元，用于根据所述光谱共焦信号获取所述样品2的表面距离差，得到所述上下表面距离差与样品2厚度以及样品2折射率的第一关系式；对所述光谱共焦信号进行数据处理得到干涉信号，根据所述干涉信号计算得到所述样品2的表面光程差，得到所述表面光程差与所述样品2厚度以及所述样品2折射率的第二关系式；

计算单元，用于联合所述第一关系式以及所述第二关系式得到所述样品实际厚度以及所述样品折射率。

进一步的，在上述薄膜厚度和折射率的测量系统中，还包括：

设置于所述激光器11与所述色散透镜16之间的分光棱镜13，所述色散透镜16与所述分光棱镜13的第一输出端连接；

设置于所述激光器11的输出端于所述分光棱镜13输入端之间的第一凸透镜12；

与所述分光棱镜13的第二输出端连接的第二凸透镜14；

设置于所述第二凸透镜14的输出端的参考平面15。

进一步的，在上述薄膜厚度和折射率的测量系统中，还包括：

依次设置于所述分光棱镜13与所述图像采集装置19之间的反射式衍射光栅17以及第三凸透镜18。

具体的，本发明包括：光学测量系统、被测的薄膜样品2、便携式计算机3；光学测量系统中，依次包括：激光器11、第一凸透镜12、分光棱镜13、第二凸透镜14、参考平面15、反射式衍射光栅17、第三凸透镜18、图像采集装置19。

其中，光学测量系统中，激光器11参数为中心波长840nm，带宽50nm，输出功率15mW，输出端放置焦距50mm的第一凸透镜12，第一凸透镜12与分光棱镜13的第一输入端连接，分光棱镜13的第一输出端放置色散透镜16，色散透镜16的工作距离15mm，动态测量范围0～2mm；分光棱镜13的第二输出端依次放置焦距50mm的第二凸透镜14、参考平面15；分光棱镜13的第二输入端依次放置反射式衍射光栅17(1200线/mm)、焦距200mm的第三凸透镜18、图像采集装置19选择扫描CCD相机，其参数为2048像素，12bit，光学测量系统的色散透镜16与薄膜样品2连接，光学测量系统通过数据线与便携计算机3连接。

需要指出的是，包括但不限于上述各个元件以及元件的连接关系，只要能够实现光谱共焦技术的所有光学系统，均在保护范围内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。