偏振复用的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。具体地说是一种偏振复用的共光路自校准薄膜厚度测量装置。

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。本发明的目的还在于提供一种薄膜厚度测量方法。

本发明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。

本发明还可以包括：

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测量探头601尾纤、第2测量探头602尾纤、保偏耦合器701各端口尾纤、保偏自聚焦透镜702尾纤、偏振分光棱镜803各端口尾纤、第2波分复用器801各端口尾纤、第3波分复用器802各端口尾纤第1光电探测器903尾纤、第2光电探测器904尾纤、第3光电探测器905尾纤、第6光电探测器906尾纤均为保偏光纤。

本发明的薄膜厚度测量方法为：

1、在不插入待测薄膜603时，驱动光程位置扫描装置704进行光程扫描，使第1测量探头601内部反射光611与第2测量探头602外表面反射光612进行光程匹配、第2测量探头602内部反射光621与第1测量探头601外表面反射光622进行光程匹配；通过采集与控制模块9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603插入第1测量探头601与第2测量探头602中间，待测薄膜603与第1测量探头601与第2测量探头602的出射光线垂直；驱动光程位置扫描装置704进行光程扫描，使由第1测量探头601内部反射光613与待测薄膜前表面603a反射光614进行光程匹配、第2测量探头602内部反射光623与待测薄膜后表面603b反射光624进行光程匹配；通过采集与控制模块9对相关参数进行解调记录，分别获得第1测量探头601待测薄膜前表面603a的距离h1、第2测量探头602待测薄膜前表面603b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)。

本发明提供的偏振复用的共光路自校准的薄膜厚度测量装置，具有高精度、自校准、特征白光干涉峰识别简单、可溯源、动态范围大等特点。由于探测光的偏振特性，可用于薄膜生产以及应用中对透明和不透明薄膜厚度进行高精度的测量。

本发明提供一种偏振复用的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，由于两测量探头能够同时实现入射光的透射和反射，对于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)。本发明通过起偏器与检偏器产生不同偏振态的偏振光在不同的探头间进行参数测量，使特征白光干涉峰的识别更加简单；两探头返回光共用同一解调干涉装置，有效地避免了外界环境变化产生的影响；光路采用双光源结构，提高了绝对测量精度，实现了动态范围的进一步拓展，克服了测量过程中机械系统不稳定所带来的误差，提高了测量的稳定性；通过对测量探头端面光线反射率与透射率的优化设计，实现在测量时实现无需标定样品即可实现对透明薄膜和不透明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，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，并确保薄膜光学测试可实现溯源。

(3)本发明采用偏振复用技术，在不同的测量探头之间采用不同偏振态的偏振光实现能够对透明薄膜和不透明薄膜的厚度测量，白光干涉特征峰识别更加简单，解调算法进一步简化。

附图说明

图1是一种偏振复用的共光路自校准膜厚测量装置示意图。

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是解调干涉仪内部光路图。

图5是激光干涉信号溯源原理示意图。

图6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

本发明的偏振复用的共光路自校准膜厚测量装置，由光源输出模块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等五部分组成。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6由第1测量探头601以及第2测量探头602所组成；(3)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；(4)偏振分束模块8由第2耦合器801、第3耦合器802以及偏振分光棱镜803所组成；(5)采集与控制模块9由计算机901，数据采集卡902，第1光电探测器903，第2光电探测器904，第3光电探测器905以及第4光电探测器906所组成。

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。将完成光程匹配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。

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6中的第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。

解调干涉仪模块7中保偏自聚焦透镜702的特征是能够实现在保偏光纤的快轴和慢轴均能工作；能够同时实现内表面反射和透射，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的输出端3b输入到保偏耦合器701输入端7b中，保偏耦合器701的7c输出端与保偏自聚焦透镜702连接，保偏耦合器701的7a输出端与偏振分光棱镜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。

偏振分束模块8中偏振分光棱镜803的输出端8e与8f分别与第2波分复用器801和第3波分复用器802的输入端相连接。

采集与控制模块9中第1光电探测器903与第2波分复用器801的8a输出端连接；第2光电探测器904与第2波分复用器801的8b输出端连接；第3光电探测器905与第3波分复用器802的8c输出端连接；第4光电探测器906与第3波分复用器802的8d输出端连接。光电探测器将采集到的信号通过数据采集卡902输送给计算机901，计算机901同时负责位置扫描装置704的驱动以完成光程扫描。

光路中连接光纤的要求为：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个端口尾纤、第1波分复用器105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测量探头601尾纤、第2测量探头602尾纤、保偏耦合器701各端口尾纤、保偏自聚焦透镜702尾纤、偏振分光棱镜803各端口尾纤、第2波分复用器801各端口尾纤、第3波分复用器802各端口尾纤第1光电探测器903尾纤、第2光电探测器904尾纤、第3光电探测器905尾纤、第6光电探测器906尾纤均为保偏光纤。

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，激光干涉测量方法只能实现相对变化量的高精度测量，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。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5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。

如图2所示，以不插入待测薄膜603时，第1测量探头601返回光测量两探头间距为例说明本发明所使用的距离测量方法：

第1测量探头601内部反射光611和第2测量探头602外表面反射光612被第1解调干涉仪耦合器分为两路：一路进入第1自聚焦透镜602中，产生611’和612’反射光；一路进入第1法拉第反射镜603中，产生611”和612”反射光。在计算机901的控制下，位置扫描装置704带动可移动单面反射镜703进行光程扫描，如图6所示，白光干涉信号产生的过程为：

(1)当两臂光程差等于h时，扫描臂中光611’与固定臂中光612”发生匹配，则产生第1次极大白光干涉信号631。

(2)当两臂光程差等于0时，扫描臂与固定臂中，光611’与光611”、光612’与光612”发生匹配，则产生主极大白光干涉信号632。

(3)当两臂光程差等于-h时，扫描臂中光612’与固定臂中光612”发生匹配，则产生第2次极大白光干涉信号633。

(4)通过对白光干涉信号进行希尔伯特变换实现主极大与次极大包络的位置提取，利用激光干涉信号的溯源特性获得主极大与次极大之间的扫描距离绝对差值，该值则代表着第1测量探头601与第2测量探头602之间的绝对距离。

基于以上白光干涉测量方法的膜厚测量方法为：

(1)在不插入待测薄膜603时，驱动光程位置扫描装置704进行光程扫描，分别使第1测量探头601内部反射光611与第2测量探头602外表面反射光612进行光程匹配、第2测量探头602内部反射光621与第1测量探头601外表面反射光622进行光程匹配。通过采集与控制模块9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603插入第1测量探头601与第2测量探头602中间，并能够满足待测薄膜603与第1测量探头601与第2测量探头602的出射光线垂直。驱动光程位置扫描装置704进行光程扫描，分别使由第1测量探头601内部反射光613与待测薄膜前表面603a反射光614进行光程匹配、第2测量探头602内部反射光623与待测薄膜后表面603b反射光624进行光程匹配。通过采集与控制模块9对相关参数进行解调记录，分别获得两测量探头与薄膜两个表面之间的绝对距离h1和h2。

(3)薄膜厚度d可由上述的两次测量值所决定，即d＝h-(h1+h2)。

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。第1隔离器102和第2隔离器104进入到第1波分复用器105合成一束经过45°起偏器2后进入分光比为3db的保偏耦合器3中，它们被等分成两路分别经过0°检偏器4和90°检偏器5进入到膜厚测量探头模块6中；第1测量探头601与第2测量探头602透镜端面反射率与透射率的比为50:50；从第1测量探头601与第2测量探头602返回的测量光，再分别经过0°检偏器4和90°检偏器5输入到分光比为3db的保偏耦合器3中，再由分光比为3db的保偏耦合器3输送到解调干涉仪模块7中。由解调干涉仪模块7中的位置扫描装置704的扫描实现光程匹配，两探头的返回光分别在分光比为3db保偏耦合器701处进行干涉。干涉后的光由分光比为3db的保偏耦合器701输送到偏振分光棱镜中803中，实现不同探头收集到的不同偏振态光束分离。将偏振分光棱镜803输出端分别与第2波分复用器801和第3波分复用器802相连接将中心波长为1310nm的白光测量光束和波长为1550nm激光校正光束分离以被第1光电探测器903、第2光电探测器904、第3光电探测器905、第4光电探测器906所获取。光电探测器将收集到的信号通过数据采集卡902传输到计算机901中进行解调处理，计算机901同时负责对位置扫描装置704进行驱动。

当待测薄膜603没有插入时，光源输出模块1的输出光被分光比为3db的保偏耦合器3分束,光线分别经过0°检偏器4和90°检偏器5进入到第1测量探头601与第2测量探头602中。如图2所示，由第1测量探头601自身透镜内表面反射光束611、第2测量探头602透镜的外表面反射光束612经过0°检偏器4；由第2测量探头402自身透镜内反射光束621、第1测量探头601透镜的外表面反射光束622经过90°检偏器5。上述光束输送到分光比为3db的保偏耦合器3中，再由分光比为3db的保偏耦合器3输送到解调干涉仪模块7中。干涉解调仪模块7中的保偏自聚焦透镜702的光透射率与光反射率的比为50:50。光束在解调干涉仪模块7中传输方式为：由分光比为3db的保偏耦合器7将膜厚测量探头模块4返回光输入到保偏自聚焦透镜702中，光束分别在保偏自聚焦透镜702的内表面和可移动单面反射镜703表面分别发生反射；当位置扫描装置704进行光程扫描的时候带动可移动单面反射镜703移动，使两膜厚测量探头的反射光分别发生光程的完全匹配。干涉后的光输送到偏振分光棱镜803中将不同探头收集到的不同偏振态光束分离，偏振态分离后的干涉光由第2波分复用器801和第3波分复用器802分别将两路干涉信号的中心波长为1310nm的白光测量光束和波长为1550nm激光校正光束分离。在第1光电探测器903和第3光电探测器905上将形成白光干涉条纹，第2光电探测器904和第4光电探测器906上将形成激光干涉条纹，通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603插入时，光源输出模块1的输出光被分光比为3db的保偏耦合器3分束,光线分别经过0°检偏器4和90°检偏器5进入到第1测量探头601与第2测量探头602中。如图3所示，第1测量探头601透镜内表面反射光束613、待测薄膜前表面603a反射光束614经过0°检偏器4；由第2测量探头602自身透镜内反射光束623、待测薄膜后表面603b反射光束624经过90°检偏器5。上述光束输送到分光比为3db的保偏耦合器3中，再由分光比为3db的保偏耦合器3输送到解调干涉仪模块7中。光束在解调干涉仪模块7中传输方式为：由分光比为3db的保偏耦合器7将膜厚测量探头模块4返回光输入到保偏自聚焦透镜702中，光束分别在保偏自聚焦透镜702的内表面和可移动单面反射镜703表面分别发生反射；当位置扫描装置704进行光程扫描的时候带动可移动单面反射镜703移动，使两膜厚测量探头的反射光分别发生光程的完全匹配。干涉后的光输送到偏振分光棱镜803中将不同探头收集到的不同偏振态光束分离，偏振态分离后的干涉光由第2波分复用器801和第3波分复用器802分别将两路干涉信号的中心波长为1310nm的白光测量光束和波长为1550nm激光校正光束分离。在第1光电探测器903和第3光电探测器905上将形成白光干涉条纹；第2光电探测器904和第4光电探测器906上将形成激光干涉条纹，通过对白光干涉信号的解调，分别获得第1测量探头601待测薄膜前表面603a的距离h1、第2测量探头602待测薄膜前表面603b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)。