一種便攜式薄膜測厚儀及其膜厚測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于半導體薄膜光學測量技術領域，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】
[0002] 隨著半導體工業的發展和薄膜技術的興起，薄膜越來越廣泛地應用于電子元器 件、微光機電系統和光學元器件等領域。薄膜的厚度顯著地影響著薄膜的力學、電磁、光學 和光電等性能，如ITO透明導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，即非光學方法和光學方法。非光學方法主 要包括探針法、超聲波法和石英晶振法等，在本發明中不再贅述；而光學方法主要包括光電 極值法、橢偏測量法和光譜法等。其中光電極值法只能對規整膜系進行監控，且精度不夠 高，并有最小監控厚度限制；橢偏測量法雖然能夠表征薄膜的多個參數如膜厚、折射率和吸 收系數等，但其依賴于橢偏儀，而橢偏儀比較昂貴且有使用環境的局限性，一般僅應用在科 研型設備上；光譜法以光的干涉理論為基礎，通過測量薄膜的光譜特性來計算膜厚，該方法 原理成熟、硬件實現簡單、易集成、適用環境廣泛，大多數光學膜厚儀均采用此方法。
[0004] 一般的光學膜厚儀測量薄膜厚度，主要是基于光的干涉原理，具體為：當膜厚儀向 待測薄膜發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，而此干涉的發生與膜厚等有關，因此可通過計算得到薄膜的厚度。
[0005][0006]其存在以下問題：1、裝置復雜不方便攜帶，并且由于數據處理依賴于計算機而局 限為一種實驗室測量儀器；2、其所節省的時間主要取決于用反射率逆向求取膜厚過程的時 間，該方式導致測量結果處理繁瑣并且準確性無法保證；3、主測量過程依然需要測量兩次 (測量黑樣件和待測樣件），并沒有真正節省測量時間；4、其始終采用同一校正結果，然而 該校正結果會隨時間變化，使得測量結果可靠性降低。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種便攜式薄膜測厚儀及其 膜厚測量方法，其目的在于將傳統干涉膜厚儀改造成便攜式膜厚儀，并提供相應測量方法 及數據處理算法，促使裝置能夠適用于各種場合，同時盡可能節省測量時間并保持裝置的 簡便性。
[0008] 為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種便攜式薄膜測厚儀，其特征 在于，包括光源、第一準直鏡、分束器、第二準直鏡、微型光譜儀、A/D轉換模塊和數據處理模 塊；所述光源設置在所述第一準直鏡的焦點處，用于提供穩定的能完全覆蓋可見光波段的 入射光，所述第一準直鏡用于將所述入射光準直成平行光束，所述分束器設置在所述第一 準直鏡的輸出光路上，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準樣件或待測樣件的表面，被標準樣件或待 測樣件反射后得到的反射光束經所述分束器透射而出后到達所述第二準直鏡；所述第二準 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，所述A/D轉換模塊用于將所述微型光譜儀測得的模擬信號轉換為數字信號并輸出 至所述數據處理模塊，所述數據處理模塊用于根據所述微型光譜儀的測量結果計算得到待 測樣件的膜厚。
[0009] 優選地，所述光源為鹵鎢燈光源、氘燈光源或氙燈光源。
[0010] 優選地，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，用于檢測標準樣件或待測樣件是否均勻貼附 在所述測量端面上，從而確保標準樣件或待測樣件與所述測量光束垂直。
[0011] 按照本發明的另一方面，提供了一種用上述便攜式薄膜測厚儀進行膜厚測量的方 法，其特征在于，包括如下步驟：
[0012] (1)關閉光源，利用微型光譜儀測得光強Ib(A);
[0013] (2)開啟光源，將標準樣件放置在測量光束的光路上，使其與測量光束垂直，利用 微型光譜儀測量標準樣件的反射光強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Is (A);
[0015] (4)利用Ib (A)、標準樣件的反射光強UA)和待測樣件的反射光強Is (A)，計算
[0016] (5)利用待測樣件和標準樣件的實際反射率之比(A)計算得到待測樣件的膜厚 to
[0017] 優選地，所述步驟（5)具體為：計算待測樣件和標準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，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，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準樣件和待測樣件與測 量光束之間的垂直入射關系，從而維持校正樣件測量環節的操作簡便性；此外，本發明的 測厚儀省去了反射鏡，使測量光路更加簡潔，整體結構緊湊，易于實現便攜式布局。需要說 明的是，當將傳統干涉膜厚儀體積變小，實現便攜式測量之后，其適用的工業環境將大大擴 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，實現薄膜的在線監控測量。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明實施例的便攜式薄膜測厚儀的結構原理圖；
[0020] 圖2是本發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是數據處理流程圖。
[0023] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：10_光源， 20-第一準直鏡，30-分束器，40-第二準直鏡，50-微型光譜儀，60-目標樣件，70-紅外測距 傳感器，80-A/D轉換模塊，90-數據處理模塊，100-光源供電模塊，110-液晶顯示屏，120-總 電源。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0025] 如圖1所示，本發明實施例的便攜式薄膜測厚儀包括光源10、第一準直鏡20、分束 器30、第二準直鏡40、微型光譜儀50、A/D轉換模塊80和數據處理模塊90。光源10設置 在第一準直鏡20的焦點處，用于提供穩定的能完全覆蓋可見光波段（380nm~780nm)的入 射光，第一準直鏡20用于將入射光準直成平行光束，分束器30設置在第一準直鏡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樣件60的表面，被目標樣件60反射后得到的反射光束經分束器30 透射而出后到達第二準直鏡40。第二準直鏡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，A/D轉換模塊80用于將微型光譜儀50測得的模擬 信號轉換為數字信號并輸出至數據處理模塊90,數據處理模塊90用于根據微型光譜儀50 的測量結果計算得到待測樣件的膜厚。
[0026] 在本發明的一個實施例中，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。第一準直鏡20將光源10發出的發散光準直成準直 光，從而方便便攜式薄膜測厚儀的結構布局，而照射到目標樣件60上的測量光斑大小由第 一準直鏡20決定。
[0027] 在本發明的一個實施例中，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轉換 模塊80同時還用于為微型光譜儀50提供驅動電源，總電源120用于為整個便攜式薄膜測 厚儀提供電源支持，維持其正常運轉，液晶顯示屏110用于顯示最終測量結果，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，數據處理模塊90為Mini2440開發板，是一種ARM9開發板，其不僅植入數據處理算法， 同時還搭載操作系統和硬件控制程序，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的測量數據。
[0028] 第一準直鏡20和第二準直鏡40的焦距在一定光譜范圍內大致相同，以保證在測 量所需的光譜范圍內能消除色差效應。分束器30的半透半反特性是本發明的測量光路能 夠集成并簡化的關鍵元件，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所示的結構，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，將目標樣件貼附在測量端面上。在本發明的一個實施例中，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 于檢測目標樣件是否均勻貼附在測量端面上，從而確保目標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，一是監測目標樣件的反射光譜，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,將目標樣件置于測量端面