CN102778202A - 一种膜厚测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膜厚测量装置及方法，所述装置包括：准直透镜、第一半透半反镜、物镜、第二半透半反镜、收集光纤、图像传感器、计算机以及分光单元；其中，所述分光单元，用于对所述收集光纤收集到的光进行分光处理，分离得到各个波长的光；所述计算机，用于获取不同波长的光的强度，计算得到被测物的膜厚。本发明通过分光单元对收集光纤收集到的光进行分光，得到所述光包含的各个波长的光，扩大了膜厚测量装置取样点的频谱范围，提高了分辨率；进一步地，还可以通过光纤探针的位置调整，灵活控制取样点数目及取样点位置，提高了处理数据的灵活性，实现高精度的膜厚测量。

Description

一种膜厚测量装置及方法

技术领域

本发明涉及膜厚测量领域，尤其涉及一种膜厚测量装置及方法。

背景技术

在薄膜场效应晶体管-液晶显示器(Thin Film Transistor-Liquid CrystalDisplay，TFT-LCD)生产过程中，经常会需要对半导体薄膜进行测量，现有的膜厚测量装置，其基本结构如图1所示，光源1发出一束光，经过准直透镜2形成平行光束，到达第一半透半反镜3，一半光经反射到达物镜4，照到样品5上，样品5反射的光通过镜筒到达目镜22，并被目镜22处的第二半透半反镜6透射一部分到达成像电荷耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)7，获得样品5的图像信息，而另一部分反射光经过第二半透半反镜6反射，经过收集光纤8收集，达到分光单元9中，获得不同频率的光强度，然后通过CCD 7将分光单元9获得的不同频率的光转换为数据信号传输给计算机10，计算机10通过对不同频率的光强拟合计算出膜厚。

这里，计算机10对于得到的不同频率的光强信号，得到不同频谱的光的反射率，进而通过下面的方法可以得到目标膜厚。反射率(Reflectance)是一条表示与波长存在一定映射关系的余弦曲线，其数学表达式：

R≈Acos(2nkT/λ)

其中，R-Reflectance、A-常数、n-折射率、k-吸收率，为膜厚测量装置自身的性能参数、λ-波长、T-Thickness，即样品的膜厚。

根据上式，可以得到样品对应的膜厚T为：

T＝arcos(R/A)*λ/(2nk)

可以看到对于同一个R存在很多解，一般通过限定T的范围来实现单解，但是如果范围过大也会造成多解，引起测量错误。

其中，在测量样品膜厚的时候，得到光强信号的具体方式，目前有两种装置，其中第一种膜厚测量装置分光单元为分光计(Spectrometer)，由分光计得到反射光信号，分光单元的结构具体参考图2，收集光纤8收集到的反射光经过准直凹面镜11发射后，形成平行光束，再经过光栅12按波长分光后，被成像凹面镜13收集反射成像在成像面14上，以通过在测量成像面14选取合适波长的测量点拟合计算得到目标样品的膜厚；

而第二种膜厚测量装置的分光单元包括滤光片(Filter Wheel)15，是由滤光片15进行旋转一个一个地得到各波长的光信号，具体结构参考图3，滤光片15上面分布有多个不同的收集孔16，每个孔上贴敷有可以透过不同波长的膜，用来获得对应波长的光强度值。

综上所述，现有的膜厚测量装置，如第一种装置由于自身分光单元中所使用的光栅，只能分光得到特定某些波长的光强，拟合取样点所在谱宽较窄，进而造成分辨率较低的问题；而对于第二种装置，由于其使用滤光片来获取不同波长的光强度，而由于滤光片上收集孔个数的确定及收集孔所贴敷的膜透过光的确定，使得光强度取样点数及位置固定的问题，精度也比较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种膜厚测量装置及方法，能够扩大取样点频谱范围，实现高精度的膜厚测量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种膜厚测量装置，包括准直透镜、第一半透半反镜、物镜、第二半透半反镜、收集光纤、图像传感器、计算机，所述装置还包括分光单元；其中，

所述分光单元，用于对所述收集光纤收集到的光进行分光处理，分离得到各个波长的光；

所述计算机，用于获取不同波长的光的强度，计算得到被测物的膜厚。

进一步地，所述分光单元包括第一准直透镜、棱镜和第二准直透镜；其中，

所述第一准直透镜，用于对所述收集光纤收集到的光进行折射，形成平行光束；

所述棱镜，用于对所述平行光束进行分光，得到不同波长的光束；

所述第二准直透镜，用于对所述不同波长的光束进行聚焦成像。

进一步地，所述分光单元，还包括聚焦平面，用于为所述第二准直透镜提供成像平面。

进一步地，所述装置还包括光纤探针，用于通过自身位置的调整获取所述分光单元分离得到的不同波长的光强度。

其中，所述图像传感器为电荷耦合元件CCD，用于将所述光纤探针获取的光强度传输给所述计算机。

其中，所述光纤探针，具体用于根据用户输入的收集指令，进行自身位置的调整及不同波长的光的采样点数目的确定。

一种膜厚测量方法，所述方法还包括：

收集光纤收集被测物反射过来的光；

分光单元对所述收集光纤收集到的光进行分光处理，分离得到各个波长的光；

计算机获取不同波长的光的强度，计算得到被测物的膜厚。

其中，所述分光单元对所述收集光纤收集到的光进行分光处理为：

第一准直透镜对所述收集光纤收集到的光进行折射，形成平行光束；

通过棱镜对所述平行光束进行分光，得到不同波长的光束；

第二准直透镜对所述不同波长的光束进行聚焦成像。

其中，所述计算机获取不同波长的光的强度为：

光纤探针通过自身位置的调整获取不同波长的光强度，并将获取的光强度通过图像传感器传输给所述计算机。

其中，所述光纤探针通过自身位置的调整获取不同波长的光强度为：

光纤探针根据用户输入的收集指令，进行自身位置的调整及不同波长的光的采样点数目的确定。

本发明通过分光单元对收集光纤收集到的光进行分光，得到各个波长的光，扩大了膜厚测量装置取样点的频谱范围，提高了分辨率；进一步地，还可以通过光纤探针的位置调整，灵活控制取样点数目及取样点位置，提高了处理数据的灵活性，实现高精度的膜厚测量。

附图说明

图1为现有的膜厚测量装置的结构示意图；

图2为第一种装置的分光单元的结构示意图；

图3为第二种装置的分光单元的结构示意图；

图4为本发明膜厚测量装置的结构示意图；

图5为图4所示的膜厚测量装置的分光单元的结构示意图；

图6为本发明膜厚测量方法的实现流程示意图。

附图标记说明：

1-光源；2-准直透镜；3-第一半透半反镜；4-物镜；5-样品；6-第二半透半反镜；7-成像CCD；8-收集光纤；9-分光单元；10-计算机；11-准直凹面镜；12-光栅；13-成像凹面镜；14-成像面；15-滤光片；16-收集孔；17-第一准直透镜；18-棱镜；19-第二准直透镜；20-聚焦平面；21-光纤探针；22-目镜。

具体实施方式

由于棱镜能够对一束光进行光谱连续的分光，因此，在一些要求高分辨率的测量系统中，可以使用棱镜作为分光器件进行使用，以提高分辨率。

本发明的基本思想为：一种膜厚测量装置，包括准直透镜、第一半透半反镜、物镜、第二半透半反镜、收集光纤、计算机以及分光单元；其中，所述分光单元，用于对所述收集光纤收集到的光进行分光处理，分离得到各个波长的光；所述计算机，用于获取不同波长的光的强度，计算得到被测物的膜厚。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图4示出了本发明膜厚测量装置的结构示意；图5为图4所示的膜厚测量装置的分光单元的结构示意图；下面结合图4和图5对本发明膜厚测量装置进行进一步说明。

如图4所示，所述膜厚测量装置包括：准直透镜2、第一半透半反镜3、物镜4、第二半透半反镜6、收集光纤8、图像传感器、计算机10，所述装置还包括分光单元9；其中，

所述分光单元9，用于对所述收集光纤8收集到的光进行分光处理，分离得到各个波长的光；这里，收集光纤8收集光的处理过程与现有膜厚测量装置的处理过程相同，不再赘述。

所述计算机10，用于获取不同波长的光的强度，计算得到被测物的膜厚。

其中，图像传感器未在图4中标出，其与计算机10连接，用于将分光单元9得到的不同波长的光转换为数字信号传输给计算机10。

其中，所述分光单元9的具体结构参考图5，包括第一准直透镜17、棱镜18、第二准直透镜19；其中，

所述第一准直透镜17，用于对所述收集光纤8收集到的光进行折射，形成平行光束；

所述棱镜18，用于对所述平行光束进行分光，得到不同波长的光束；

所述第二准直透镜19，用于对所述不同波长的光束进行聚焦成像。

进一步地，所述分光单元9进一步包括聚焦平面20，用于为所述第二准直透镜19提供成像平面，并可以在聚焦平面20上预先标定不同波长的光成像的具体位置。

进一步地，所述装置还包括光纤探针21，用于通过自身位置的调整获取所述分光单元9分离得到的不同波长的光强度。

进一步地，所述图像传感器具体可以为CCD，用于将所述光纤探针21获取的光强度转换为数字信号传输给所述计算机10，这里，可以将所述光纤探针21和所述CCD集成在一起，即带有光纤探针21的CCD，应当注意，为了便于描述，图4和图5中仅单独标注出了光纤探针21，而未将CCD单独标出。

其中，所述光纤探针21，具体用于根据用户输入的收集指令，进行自身位置的调整及不同波长的光的采样点数目的确定，从而灵活控制取样点位置及取样点数目；这里，用户可以通过计算机输入收集指令。

本发明还提供了一种利用上述膜厚测量装置实现的膜厚测量方法，所述方法的实现流程参考图6，具体包括下述步骤：

步骤601，收集光纤收集被测物反射过来的光；

这里，收集光纤8收集光的处理过程与现有膜厚测量装置的处理过程相同，不再赘述。

步骤602，分光单元对所述收集光纤收集到的光进行分光处理，分离得到各个波长的光；

其中，所述分光单元对所述收集光纤收集到的光进行分光处理可以具体为：第一准直透镜对所述收集光纤收集到的光进行折射，形成平行光束；通过棱镜对所述平行光束进行分光，得到不同波长的光束；第二准直透镜对所述不同波长的光束进行聚焦成像；其中，所述第二准直透镜可以将不同波长的光束聚焦成像于聚焦平面上，而且，还可以预先在聚焦平面上标定出不同波长的光成像的具体位置。

步骤603，计算机通过获取不同波长的光的强度，计算得到被测物的膜厚。

具体地，本步骤中，所述计算机获取不同波长的光的强度可以具体为：光纤探针通过自身位置的调整获取不同波长的光强度，并将获取的光强度通过CCD传输给所述计算机。

这里，所述光纤探针通过自身位置的调整获取不同波长的光强度可以具体为：光纤探针根据用户输入的收集指令，进行自身位置的调整及不同波长的光的采样点数目的确定，从而灵活控制取样点位置及取样点数目；这里，用户可以通过计算机输入收集指令。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种膜厚测量装置，包括准直透镜、第一半透半反镜、物镜、第二半透半反镜、收集光纤、图像传感器、计算机，其特征在于，所述装置还包括分光单元；其中，

所述分光单元，用于对所述收集光纤收集到的光进行分光处理，分离得到各个波长的光；

所述计算机，用于获取不同波长的光的强度，计算得到被测物的膜厚。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分光单元包括第一准直透镜、棱镜和第二准直透镜；其中，

所述第一准直透镜，用于对所述收集光纤收集到的光进行折射，形成平行光束；

所述棱镜，用于对所述平行光束进行分光，得到不同波长的光束；

所述第二准直透镜，用于对所述不同波长的光束进行聚焦成像。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分光单元，还包括聚焦平面，用于为所述第二准直透镜提供成像平面。

4.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括光纤探针，用于通过自身位置的调整获取所述分光单元分离得到的不同波长的光强度。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述图像传感器为电荷耦合元件CCD，用于将所述光纤探针获取的光强度传输给所述计算机。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光纤探针，具体用于根据用户输入的收集指令，进行自身位置的调整及不同波长的光的采样点数目的确定。

7.一种膜厚测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

收集光纤收集被测物反射过来的光；

分光单元对所述收集光纤收集到的光进行分光处理，分离得到各个波长的光；

计算机获取不同波长的光的强度，计算得到被测物的膜厚。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述分光单元对所述收集光纤收集到的光进行分光处理为：

第一准直透镜对所述收集光纤收集到的光进行折射，形成平行光束；

通过棱镜对所述平行光束进行分光，得到不同波长的光束；

第二准直透镜对所述不同波长的光束进行聚焦成像。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述计算机获取不同波长的光的强度为：

光纤探针通过自身位置的调整获取不同波长的光强度，并将获取的光强度通过图像传感器传输给所述计算机。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光纤探针通过自身位置的调整获取不同波长的光强度为：

光纤探针根据用户输入的收集指令，进行自身位置的调整及不同波长的光的采样点数目的确定。

Images