CN105066889A - 一种便携式薄膜测厚仪及其膜厚测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式薄膜测厚仪及其膜厚测量方法。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。

Description

一种便携式薄膜测厚仪及其膜厚测量方法

技术领域

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

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***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。

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。

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。

公开号为CN101995224A的中国专利申请公开了一种干涉膜厚仪及反射率测量方法，必须和可调样件台配合使用进行测量。其测量过程分为从属测量时期和主测量时期，在从属测量时期主要测量光检测器的暗噪声I_d、反射率为0的黑样件的反射光强值I_b和反射率为R_r的校正样件的反射光强值I_r，并永久保存；在主测量时期主要测量光检测器的暗噪声I′_d、反射率为0的黑样件的反射光强值I′_b和待测样件的反射光强值I′_s。该专利申请认为从属测量时期与主测量时期的光源光强值和探测器噪声可能不同，从而造成I_d和I′_d、I_b和I′_b的不同，并采用比值消参法计算待测样件的反射率，然后利用菲涅尔公式逆向求取待测样件薄膜厚度。

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

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。

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。

优选地，所述光源为卤钨灯光源、氘灯光源或氙灯光源。

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。

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：

(1)关闭光源，利用微型光谱仪测得光强I_b(λ)；

(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I_r(λ)；

(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I_s(λ)；

(4)利用I_b(λ)、标准样件的反射光强I_r(λ)和待测样件的反射光强I_s(λ)，计算待测样件和标准样件的实际反射率之比其中，λ为光波长；

(5)利用待测样件和标准样件的实际反射率之比f₁(λ)计算得到待测样件的膜厚t。

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f₀(λ,t)，进而求得待测样件的膜厚t，使得最小，其中，λ₁为可见光波长的下限，λ₂为可见光波长的上限。

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

图1是本发明实施例的便携式薄膜测厚仪的结构原理图；

图2是本发明实施例的便携式薄膜测厚仪的立体效果图；

图3是一种薄膜模型图；

图4是数据处理流程图。

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

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。

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。

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。

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***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。

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。

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。

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。

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上，液晶显示屏110上便会实时显示微型光谱仪50所探测到的目标样件的反射光谱曲线。由于光源提供的是自然光(白光)，反射光谱曲线直接反映出目标样件在各个波长下反射率的高低，因而能定性分析样件表面的颜色。

在第二种工作模式下，测量待测样件的膜厚包括如下步骤：

(1)在光源10关闭的条件下利用微型光谱仪50测得光强I_b(λ)。

具体地，利用Mini2440开发板90控制光源10，使其不发光，这样实际上只有测量环境中的杂散光通过便携式薄膜测厚仪的测量端口进入测量光路中，最后进入微型光谱仪中，微型光谱仪检测得到光强值，这种光强值不仅包括测量环境中的杂散光光强值，还包括微型光谱仪自身的暗噪声值，所以在数据处理过程中将该测量值作为暗噪声进行消除。

微型光谱仪50中的闪耀光栅具有分光功能，能够将在光路中接收到的可见光色散成不同波长的光，同时微型光谱仪50中的CCD能够接收这些不同波长的光，并且在一定的积分时间下输出与各波长光强相对应的电信号。

(2)开启光源10，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(即将标准样件均匀贴附在测量端面上)，利用微型光谱仪50测量标准样件的反射光强I_r(λ)。

具体地，将标准样件平行置于便携式薄膜测厚仪的测量端面上，由于在便携式薄膜测厚仪的结构设计中尽量采用各种定位方式定位并安装调试各光学元器件，所以在实际测量过程中不再考虑这些光学元器件的机械定位误差，从而认为测量光束垂直于便携式膜厚仪的测量端面，由此可以采用三个分布于测量端面不同位置的红外测距传感器检测标准样件表面是否垂直于测量光束，这是能够准确测量标准样件反射光强值的前提条件。入射光通过分束器45°分光面反射到标准样件表面，反射光通过分束器的透射作用进入微型光谱仪中，并被微型光谱仪接收并检测，从而该标准样件的反射光强值存储在Mini2440开发板的存储器中，并被用作后续处理。

(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(即将待测样件均匀贴附在测量端面上)，利用微型光谱仪50测量待测样件的反射光强I_s(λ)。

对于待测样件的反射光强值的测量，其操作流程与测量标准样件的反射光强值是一样的。将待测样件平行置于便携式薄膜测厚仪的测量端面上，通过红外测距传感器检测待测样件表面是否垂直于入射光，然后利用覆盖可见光波段的入射光照射待测样件表面，并利用微型光谱仪测量反射光的光强值。该反射光的光强值同样存储在Mini2440开发板的存储器中，并被用作后续处理。

(4)利用I_b(λ)、标准样件的反射光强I_r(λ)和待测样件的反射光强I_s(λ)，计算待测样件和标准样件的实际反射率之比其中，λ为光波长。

(5)利用待测样件和标准样件的实际反射率之比f₁(λ)计算得到待测样件的膜厚t。

具体地，计算待测样件和标准样件的理论反射率之比f₀(λ,t)，进而求得待测样件的膜厚t，使得最小，其中，λ₁为可见光波长的下限，λ₂为可见光波长的上限。

下面以图3所示的Air/SiO₂/Si薄膜模型为例，计算SiO₂薄膜的理论反射率。

令空气、SiO₂和Si的折射率分别为N₀、N₁和N₂，SiO₂的膜厚为t。一般而言，SiO₂薄膜对光的吸收率较差，入射光将会在空气/SiO₂薄膜界面和SiO₂薄膜/Si基底界面上发生反射，分别记为主光束和第二光束，它们之间会发生干涉现象。令主光束和第二光束之间的相位差为α，则有：

$\mathrm{\α}=\frac{4\mathrm{\π}t}{\mathrm{\λ}}{N}_1{\mathrm{cos\θ}}_1=\frac{4\mathrm{\π}t}{\mathrm{\λ}}{(N_1^2-N_0^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0)}^2$

在上述便携式薄膜测厚仪中，测量光垂直入射到SiO₂薄膜表面，那么只需将如图3所示各个角度赋值为0°，即有测量光的入射角、SiO₂薄膜层中的折射角和Si基底中的折射角θ₀、θ₁和θ₂分别为：

θ₀＝θ₁＝θ₂＝0

再结合菲涅尔对薄膜模型的建模公式，可以得到SiO₂薄膜对p光和s光的振幅反射系数r_012,p和r_012,s分别为：

$r_{012,p}=\frac{\frac{N_1-N_0}{N_1+N_0}+\frac{N_2-N_1}{N_2+N_1}\exp (-i\mathrm{\α})}{1+\frac{N_1-N_0}{N_1+N_0}\·\frac{N_2-N_1}{N_2+N_1}\exp (-i\mathrm{\α})}$

$r_{012,s}=\frac{\frac{N_0-N_1}{N_0+N_1}+\frac{N_1-N_2}{N_1+N_2}\exp (-i\mathrm{\α})}{1+\frac{N_0-N_1}{N_0+N_1}\·\frac{N_1-N_2}{N_1+N_2}\exp (-i\mathrm{\α})}$

进一步计算得到SiO₂薄膜对p光和s光的反射率R_p和R_s分别为：

R_p＝|r_012,p|²

R_s＝|r_012,s|²

上述公式都是菲涅尔描述薄膜结构对偏振光的反射作用，但在上述便携式薄膜测厚仪中，入射光和出射光均为非偏振光，则有SiO₂薄膜的反射率为：

R_n＝(R_p+R_s)/2

R_n即为SiO₂薄膜的理论反射率。进而得到待测样件和标准样件的理论反射率之比f₀(λ,t)为R_n与标准样件的反射率(为已知量)之比。

在理论模型中，标准样件的反射率和薄膜厚度是已知的，待测样件的反射率和薄膜厚度是未知的。待测样件和标准样件的理论反射率之比和实际反射率之比分别是两条横坐标为波长纵坐标是比值的函数曲线。如图4所示，通过理论模型，在给定待测样件膜厚初值t₀的条件下，计算出待测样件和校正样件的理论反射率之比f₀(λ,t₀)，进而得到MSE，不断调整t₀的值，使得MSE的值最小，此时对应的t₀值即是测厚仪测得的待测样件膜厚。

在上述膜厚测量方法中，每一次测量过程中需要测量两次样件，并获取三组光强测量值，第一组为环境中的杂散光光强值和光谱仪自身的暗噪声，第二组为标准样件在可见光波长下的反射光强值，第三组为待测样件在可见光波长下的反射光强值。上述便携式薄膜测厚仪并不能直接测得入射光光强I_i(λ)，因此通过测量两种不同厚度的样件的反射光强，并利用比值法将I_i(λ)消除，这也是上述方法中必须测量校正样件的缘由，从而得到待测样件和标准样件的实际反射率之比此即为上述便携式薄膜测厚仪的理论模型。

将对应算法用程序语言实现然后封装至Mini2440开发板中，同时在Mini2440开发板中植入主程序和实现各相应功能的子程序。如此，当使用者通过便携式薄膜测厚仪的用户界面触发使用时，便携式薄膜测厚仪便可启动工作了。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一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。

2.如权利要求1所述的便携式薄膜测厚仪，其特征在于，所述光源为卤钨灯光源、氘灯光源或氙灯光源。

3.如权利要求1或2所述的便携式薄膜测厚仪，其特征在于，其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。

4.一种用权利要求1至3中任一项所述的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：

(1)关闭光源，利用微型光谱仪测得光强I_b(λ)；

(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I_r(λ)；

(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I_s(λ)；

(4)利用I_b(λ)、标准样件的反射光强I_r(λ)和待测样件的反射光强I_s(λ)，计算待测样件和标准样件的实际反射率之比其中，λ为光波长；

(5)利用待测样件和标准样件的实际反射率之比f₁(λ)计算得到待测样件的膜厚t。

5.如权利要求4所述的膜厚测量的方法，其特征在于，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f₀(λ,t)，进而求得待测样件的膜厚t，使得最小，其中，λ₁为可见光波长的下限，λ₂为可见光波长的上限。