一種便攜式薄膜測厚儀及其膜厚測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體薄膜光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種便攜式薄膜測厚 儀及其膜厚測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展和薄膜技術(shù)的興起，薄膜越來越廣泛地應(yīng)用于電子元器 件、微光機(jī)電系統(tǒng)和光學(xué)元器件等領(lǐng)域。薄膜的厚度顯著地影響著薄膜的力學(xué)、電磁、光學(xué) 和光電等性能，如ITO透明導(dǎo)電膜的膜厚不僅影響其電阻率還影響其晶粒尺寸和晶面的擇 優(yōu)去向，NiFe薄膜的厚度影響其磁阻性能，V2O5薄膜的膜厚影響其電致變色性能等。因此 在薄膜制備和分析應(yīng)用中，薄膜厚度的精確測量顯得尤為重要。
[0003]目前薄膜厚度的測量方法主要有兩類，即非光學(xué)方法和光學(xué)方法。非光學(xué)方法主 要包括探針法、超聲波法和石英晶振法等，在本發(fā)明中不再贅述；而光學(xué)方法主要包括光電 極值法、橢偏測量法和光譜法等。其中光電極值法只能對規(guī)整膜系進(jìn)行監(jiān)控，且精度不夠 高，并有最小監(jiān)控厚度限制；橢偏測量法雖然能夠表征薄膜的多個參數(shù)如膜厚、折射率和吸 收系數(shù)等，但其依賴于橢偏儀，而橢偏儀比較昂貴且有使用環(huán)境的局限性，一般僅應(yīng)用在科 研型設(shè)備上；光譜法以光的干涉理論為基礎(chǔ)，通過測量薄膜的光譜特性來計算膜厚，該方法 原理成熟、硬件實現(xiàn)簡單、易集成、適用環(huán)境廣泛，大多數(shù)光學(xué)膜厚儀均采用此方法。
[0004] 一般的光學(xué)膜厚儀測量薄膜厚度，主要是基于光的干涉原理，具體為：當(dāng)膜厚儀向 待測薄膜發(fā)射已知光譜范圍的測量光時，薄膜和空氣界面的反射光會與從薄膜和基底界面 的反射光相干涉，而此干涉的發(fā)生與膜厚等有關(guān)，因此可通過計算得到薄膜的厚度。
[0005][0006]其存在以下問題：1、裝置復(fù)雜不方便攜帶，并且由于數(shù)據(jù)處理依賴于計算機(jī)而局 限為一種實驗室測量儀器；2、其所節(jié)省的時間主要取決于用反射率逆向求取膜厚過程的時 間，該方式導(dǎo)致測量結(jié)果處理繁瑣并且準(zhǔn)確性無法保證；3、主測量過程依然需要測量兩次 (測量黑樣件和待測樣件），并沒有真正節(jié)省測量時間；4、其始終采用同一校正結(jié)果，然而 該校正結(jié)果會隨時間變化，使得測量結(jié)果可靠性降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種便攜式薄膜測厚儀及其 膜厚測量方法，其目的在于將傳統(tǒng)干涉膜厚儀改造成便攜式膜厚儀，并提供相應(yīng)測量方法 及數(shù)據(jù)處理算法，促使裝置能夠適用于各種場合，同時盡可能節(jié)省測量時間并保持裝置的 簡便性。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種便攜式薄膜測厚儀，其特征 在于，包括光源、第一準(zhǔn)直鏡、分束器、第二準(zhǔn)直鏡、微型光譜儀、A/D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模 塊；所述光源設(shè)置在所述第一準(zhǔn)直鏡的焦點處，用于提供穩(wěn)定的能完全覆蓋可見光波段的 入射光，所述第一準(zhǔn)直鏡用于將所述入射光準(zhǔn)直成平行光束，所述分束器設(shè)置在所述第一 準(zhǔn)直鏡的輸出光路上，其分光面與所述平行光束呈45°夾角，用于反射所述平行光束得到 測量光束；工作時，所述測量光束垂直入射在標(biāo)準(zhǔn)樣件或待測樣件的表面，被標(biāo)準(zhǔn)樣件或待 測樣件反射后得到的反射光束經(jīng)所述分束器透射而出后到達(dá)所述第二準(zhǔn)直鏡；所述第二準(zhǔn) 直鏡用于將所述反射光束匯聚至所述微型光譜儀，所述微型光譜儀用于探測所述反射光束 的光強(qiáng)，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將所述微型光譜儀測得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出 至所述數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊用于根據(jù)所述微型光譜儀的測量結(jié)果計算得到待 測樣件的膜厚。
[0009] 優(yōu)選地，所述光源為鹵鎢燈光源、氘燈光源或氙燈光源。
[0010] 優(yōu)選地，所述便攜式薄膜測厚儀的測量端面與所述測量光束垂直，還包括多個均 勻分布在所述測量端面上的紅外測距傳感器，用于檢測標(biāo)準(zhǔn)樣件或待測樣件是否均勻貼附 在所述測量端面上，從而確保標(biāo)準(zhǔn)樣件或待測樣件與所述測量光束垂直。
[0011] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種用上述便攜式薄膜測厚儀進(jìn)行膜厚測量的方 法，其特征在于，包括如下步驟：
[0012] (1)關(guān)閉光源，利用微型光譜儀測得光強(qiáng)Ib(A);
[0013] (2)開啟光源，將標(biāo)準(zhǔn)樣件放置在測量光束的光路上，使其與測量光束垂直，利用 微型光譜儀測量標(biāo)準(zhǔn)樣件的反射光強(qiáng)L(A);
[0014] (3)將待測樣件放置在測量光束的光路上，使其與測量光束垂直，利用微型光譜儀 測量待測樣件的反射光強(qiáng)Is (A);
[0015] (4)利用Ib (A)、標(biāo)準(zhǔn)樣件的反射光強(qiáng)UA)和待測樣件的反射光強(qiáng)Is (A)，計算
[0016] (5)利用待測樣件和標(biāo)準(zhǔn)樣件的實際反射率之比(A)計算得到待測樣件的膜厚 to
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟（5)具體為：計算待測樣件和標(biāo)準(zhǔn)樣件的理論反射率之比
入:為可見光波長的下限，A2為可見光波長的上限。
[0018] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：只需完成兩次樣件測量，不會增加使用者的工作量，通過光譜擬合法改善了測量性能； 同時依靠安裝在測厚儀測量端面上的三個紅外測距傳感器確保標(biāo)準(zhǔn)樣件和待測樣件與測 量光束之間的垂直入射關(guān)系，從而維持校正樣件測量環(huán)節(jié)的操作簡便性；此外，本發(fā)明的 測厚儀省去了反射鏡，使測量光路更加簡潔，整體結(jié)構(gòu)緊湊，易于實現(xiàn)便攜式布局。需要說 明的是，當(dāng)將傳統(tǒng)干涉膜厚儀體積變小，實現(xiàn)便攜式測量之后，其適用的工業(yè)環(huán)境將大大擴(kuò) 展，不僅可以作為便攜式膜厚儀，還可以安裝在鍍膜工藝線上，實現(xiàn)薄膜的在線監(jiān)控測量。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實施例的便攜式薄膜測厚儀的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明實施例的便攜式薄膜測厚儀的立體效果圖；
[0021] 圖3是一種薄膜模型圖；
[0022] 圖4是數(shù)據(jù)處理流程圖。
[0023] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：10_光源， 20-第一準(zhǔn)直鏡，30-分束器，40-第二準(zhǔn)直鏡，50-微型光譜儀，60-目標(biāo)樣件，70-紅外測距 傳感器，80-A/D轉(zhuǎn)換模塊，90-數(shù)據(jù)處理模塊，100-光源供電模塊，110-液晶顯示屏，120-總 電源。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的便攜式薄膜測厚儀包括光源10、第一準(zhǔn)直鏡20、分束 器30、第二準(zhǔn)直鏡40、微型光譜儀50、A/D轉(zhuǎn)換模塊80和數(shù)據(jù)處理模塊90。光源10設(shè)置 在第一準(zhǔn)直鏡20的焦點處，用于提供穩(wěn)定的能完全覆蓋可見光波段（380nm~780nm)的入 射光，第一準(zhǔn)直鏡20用于將入射光準(zhǔn)直成平行光束，分束器30設(shè)置在第一準(zhǔn)直鏡20的輸 出光路上，其分光面與平行光束呈45°夾角，用于反射平行光束得到測量光束。工作時，測 量光束垂直入射在目標(biāo)樣件60的表面，被目標(biāo)樣件60反射后得到的反射光束經(jīng)分束器30 透射而出后到達(dá)第二準(zhǔn)直鏡40。第二準(zhǔn)直鏡40用于將反射光束匯聚至微型光譜儀50,微 型光譜儀50用于探測反射光束的光強(qiáng)，A/D轉(zhuǎn)換模塊80用于將微型光譜儀50測得的模擬 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出至數(shù)據(jù)處理模塊90,數(shù)據(jù)處理模塊90用于根據(jù)微型光譜儀50 的測量結(jié)果計算得到待測樣件的膜厚。
[0026] 在本發(fā)明的一個實施例中，光源10為鹵鎢燈光源、氘燈光源或氙燈光源，其作為 點光源集成到便攜式薄膜測厚儀中。第一準(zhǔn)直鏡20將光源10發(fā)出的發(fā)散光準(zhǔn)直成準(zhǔn)直 光，從而方便便攜式薄膜測厚儀的結(jié)構(gòu)布局，而照射到目標(biāo)樣件60上的測量光斑大小由第 一準(zhǔn)直鏡20決定。
[0027] 在本發(fā)明的一個實施例中，上述便攜式薄膜測厚儀還包括光源供電模塊100、液晶 顯示屏110和總電源120。光源供電模塊100用于為光源10提供5V-1A的電源，A/D轉(zhuǎn)換 模塊80同時還用于為微型光譜儀50提供驅(qū)動電源，總電源120用于為整個便攜式薄膜測 厚儀提供電源支持，維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，液晶顯示屏110用于顯示最終測量結(jié)果，同時還用作 使用者與便攜式薄膜測厚儀之間的交互界面，微型光譜儀50采用濱松C10988MA微型光譜 儀，數(shù)據(jù)處理模塊90為Mini2440開發(fā)板，是一種ARM9開發(fā)板，其不僅植入數(shù)據(jù)處理算法， 同時還搭載操作系統(tǒng)和硬件控制程序，用于控制光源10、微型光譜儀50和液晶顯示屏110， 以及存儲微型光譜儀50的測量數(shù)據(jù)。
[0028] 第一準(zhǔn)直鏡20和第二準(zhǔn)直鏡40的焦距在一定光譜范圍內(nèi)大致相同，以保證在測 量所需的光譜范圍內(nèi)能消除色差效應(yīng)。分束器30的半透半反特性是本發(fā)明的測量光路能 夠集成并簡化的關(guān)鍵元件，其透反比約為1:1，也可以為6:4等。
[0029] 將上述便攜式薄膜測厚儀集成封裝得到如圖2所示的結(jié)構(gòu)，液晶顯示屏110安裝 在便攜式薄膜測厚儀的封裝外殼上。便攜式薄膜測厚儀的測量端面與測量光束垂直，測量 時，將目標(biāo)樣件貼附在測量端面上。在本發(fā)明的一個實施例中，上述便攜式薄膜測厚儀還包 括多個（如3個）均勻分布在該便攜式薄膜測厚儀的測量端面上的紅外測距傳感器70,用 于檢測目標(biāo)樣件是否均勻貼附在測量端面上，從而確保目標(biāo)樣件與測量光束垂直。
[0030] 上述便攜式薄膜測厚儀適用于晶元上鍍膜、聚合物薄膜、平板等各種各向同性薄 膜的厚度測量，其有兩種工作模式，一是監(jiān)測目標(biāo)樣件的反射光譜，二是測量待測樣件的膜 厚。
[0031] 在第一種工作模式下，開啟光源10,將目標(biāo)樣件置于測量端面