一种非接触式红外光谱膜厚测量装置的制作方法

1.本发明涉及光学测量领域，更具体地，涉及一种非接触式红外光谱膜厚测量装置。


背景技术：

2.外延片是集成电路、分立器件等半导体产品的关键性、基础性原材料。在生产加工的过程中需要对厚度进行检测。由于硅有非常好的红外透过性，红外光谱测量是一种速度快、易于集成、抗干扰性好、精度高、非接触检测外延层的厚度的有效手段。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种非接触式红外光谱膜厚测量装置，包括照明模块和干涉模块，所述干涉模块包括探测器、椭球镜、样品台、第四离轴抛物镜、分光镜、定镜和动镜；
4.所述照明模块发出红外波段光束，入射所述分光镜，所述分光镜将所述红外波段光束透射至所述定镜，将所述红外波段光束反射至所述动镜，所述定镜的反射光束和所述动镜的反射光束经过所述第四离轴抛物镜，照射至样品台上的待测样件，所述探测器接收待测样件反射光谱的能量，根据待测样件反射光谱的能量，计算出待测样件的膜厚。
5.在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
6.可选的，所述照明模块包括光路上依次连接的光源、第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜、光阑和第三离轴抛物镜。
7.可选的，所述光源为高能硅碳棒光源，波长范围为1-20um，为红外波段范围，发光尺寸为0.5
×
3mm，所述光源用于提供测量波段所需的光能。
8.可选的，所述光阑为通光孔为0.2-3mm可变光阑。
9.可选的，所述第四离轴抛物镜光轴与椭球镜光轴夹角为10-70
°
，对称于样品台法线。
10.可选的，所述分光镜为溴化钾分光镜，其分光光谱范围为2
–
28μm，其上镀50％反射50％透射分光镜膜。
11.可选的，所述定镜和动镜为镀保护银膜反射镜，光谱范围为2-20um，反射率大于93％，所述动镜可沿光轴方向高速移动，移动范围为
±
7mm。
12.可选的，所述探测器为光导型mct探测器，光敏光谱范围为2-26um，光敏面尺寸为0.5-4mm。
13.可选的，所述椭球镜的物距f为30＜f＜300mm，像距f为10＜f＜100mm，偏离角度为50-90
°
，表面镀带保护层的银膜，基底材料为铝。
14.可选的，所述第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜、第三离轴抛物镜和第四离轴抛物镜的反射焦距为25.4-200mm，有效口径为10-50mm。
15.本发明提供的一种非接触式红外光谱膜厚测量装置，照明模块发出红外波段光束，入射分光镜，分光镜将所述红外波段光束透射至定镜，反射至动镜，定镜的反射光束和
4mm。椭球镜203的物距f为30＜f＜300mm，像距f为10＜f＜100mm，偏离角度为50-90
°
，表面镀带保护层的银膜，基底材料为铝。
26.其中，第一离轴抛物镜103、第二离轴抛物镜104、第三离轴抛物镜106和第四离轴抛物镜205的反射焦距为25.4-200mm，有效口径为10-50mm。表1为一种可选的离轴抛物镜规格。
27.表1离轴抛物镜规格
28.名称反射焦距mm母焦距mm偏离角度
°
口径mm第一离轴抛物镜40209030第二离轴抛物镜40209030第三离轴抛物镜40209030第四离轴抛物镜100509040
29.本发明提供的非接触式红外光谱膜厚测量装置的工作原理为：照明模块的光源出射红外波段光束，分别经过第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜、光阑和第三第一离轴抛物镜入射干涉模块的分光镜，分光镜为半透射半反射镜片，分光镜将红外波段光束透射至定镜，将红外波段光束反射至动镜，定镜的反射光束和动镜的反射光束经过第四离轴抛物镜，照射至样品台上的待测样件，探测器接收待测样件反射光谱数据的能量，根据待测样件反射光谱数据的能量，计算出待测样件的膜厚。
30.其中，非接触式红外光谱膜厚测量装置，首先在样品台处放置标准样件，标准样件厚度范围为2-300um，采集标准样件光谱信息。测量时在样品台处放置待测样件，采集待测样件光谱信息，以标准样件反射光谱数据校准待测样件反射光谱数据后计算出待测样件的厚度。其中，图2为非接触式红外光谱膜厚测量装置测量10um外延层获得的光谱数据，图3为非接触式红外光谱膜厚测量装置测量2um外延层获得的光谱数据。
31.本发明提供的非接触式红外光谱膜厚测量装置的有益效果为：
32.(1)非接触式红外光谱膜厚测量装置，采用反射式光学元件，实现1-20um全光谱无色差传输，有效提高能量利用率和测量精度。
33.(2)非接触式红外光谱膜厚测量装置，利用动镜高速移动过程中动镜反射光束与定镜反射光束形成的干涉图，可在20s内实现2-20um全光谱扫描，光谱分辨率小于5nm。
34.(3)非接触式红外光谱膜厚测量装置，可实现10um-700um厚度有效测量。
35.(4)照明光路中通光孔0.2-3mm的可变光阑可控制样品测量范围为0.5-7.5mm。
36.需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
37.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
38.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。


技术特征：
1.一种非接触式红外光谱膜厚测量装置，其特征在于，包括照明模块和干涉模块，所述干涉模块包括探测器、椭球镜、样品台、第四离轴抛物镜、分光镜、定镜和动镜；所述照明模块发出红外波段光束，入射所述分光镜，所述分光镜将所述红外波段光束透射至所述定镜，将所述红外波段光束反射至所述动镜，所述定镜的反射光束和所述动镜的反射光束经过所述第四离轴抛物镜，照射至样品台上的待测样件，所述探测器接收待测样件反射光谱的能量，根据待测样件反射光谱的能量，计算出待测样件的膜厚。2.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述照明模块包括光路上依次连接的光源、第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜、光阑和第三离轴抛物镜。3.根据权利要求2所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述光源为高能硅碳棒光源，波长范围为1-20um，为红外波段范围，发光尺寸为0.5
×
3mm，所述光源用于提供测量波段所需的光能。4.根据权利要求2所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述光阑为通光孔为0.2-3mm可变光阑。5.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述第四离轴抛物镜光轴与椭球镜光轴夹角为10-70
°
，对称于样品台法线。6.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述分光镜为溴化钾分光镜，其分光光谱范围为2-28μm，其上镀50％反射50％透射分光镜膜。7.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述定镜和动镜为镀保护银膜反射镜，光谱范围为2-20um，反射率大于93％，所述动镜可沿光轴方向高速移动，移动范围为
±
7mm。8.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述探测器为光导型mct探测器，光敏光谱范围为2-26um，光敏面尺寸为0.5-4mm。9.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述椭球镜的物距f为30＜f＜300mm，像距f为10＜f＜100mm，偏离角度为50-90
°
，表面镀带保护层的银膜，基底材料为铝。10.根据权利要求2所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述第一离轴抛物镜、第二离轴抛物镜、第三离轴抛物镜和第四离轴抛物镜的反射焦距为25.4-200mm，有效口径为10-50mm。

技术总结
本发明提供一种非接触式红外光谱膜厚测量装置，包括照明模块和干涉模块，所述干涉模块包括探测器、椭球镜、样品台、第四离轴抛物镜、分光镜、定镜和动镜；照明模块发出红外波段光束，入射分光镜，分光镜将所述红外波段光束透射至定镜，反射至动镜，定镜的反射光束和动镜的反射光束经过第四离轴抛物镜，照射至样品台上的待测样件，探测器接收待测样件反射光谱的能量，根据待测样件反射光谱的能量，计算出待测样件的膜厚。本发明采用红外光谱非接触式检测样件的厚度，速度快、易于集成、抗干扰性好、精度高。精度高。精度高。


技术研发人员：杨长英 杨康 徐铁虎 李伟奇 张传维 何勇 薛小汝
受保护的技术使用者：武汉颐光科技有限公司
技术研发日：2022.10.27
技术公布日：2023/3/7