CN102818781A - 高密度多通道检测装置 - Google Patents

Abstract

一种高密度多通道检测装置，用以检测样本，包含光源、第一光纤束、多个光纤探头、高密度多通道光谱图像装置。第一光纤束使光源射出的光束通过第一光纤束，由第一光纤束的多个分叉光纤束将光源射出光束分成多个；多个光纤探头，其各输入端连接到第一光纤束各分叉光纤束以接收各光束，由各光束照射到各待测点并接收反射回来的光束；高密度多通道光谱图像装置，与上述这些光纤探头的各输出端连接，以接收从各待测点反射回来的各光束，并且通过第二光纤束，使通过第二光纤束入射到多通道核心模块的光束为平行于多通道核心模块的光轴。

Description

高密度多通道检测装置

本申请是申请日为2006年2月8日，申请号为200610003075.0，申请人为“财团法人工业技术研究院”，发明名称为“高密度多通道检测装置”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种样本检测装置，且特别涉及一种高密度多通道的检测装置。

背景技术

薄膜膜质检测技术，包含如膜厚、光学折射率、消光系数等光学常数测量，无论在半导体工艺、液晶显示器工艺中，都扮演极重要角色。

目前公知的薄膜膜质检测装置，大致有单点式薄膜测量装置、滤镜图像式薄膜测量装置与多通道式薄膜测量装置等几种。图1是美国专利US4,676,647所披露的单点式薄膜测量装置。此装置将光源5所射出的光束照射到载台3上的样品2，此样品包含基板或薄膜在基板上，光束被样品2反射后入射到聚焦光栅(concave diffraction grating)8，再由一维发光二极管阵列检测器(photodiode array)16接收光信号，取得该样品的反射光谱。经过软件计算后，得到单点膜质信息。此方法虽然结构简单，但要获得整个待测物的膜质信息，必须移动探头或样品将样品上各处薄膜信息组合，因此所需测量时间极长，因而无法用在在线检测。

图2是美国专利US5,555,474所披露的滤镜图像式薄膜测量装置。如图2所示，此装置的结构主要包括光源LS1、透镜组L1、L2、滤镜(filter)转盘24、透镜系统27、分光镜26等等。在测量过程旋转滤镜转盘24，因每一个滤镜20均有不同带通(bandpass)波长范围，在旋转完所有滤镜20后，二维CCD 25上可拍得样本23在不同滤镜下所得到不同波长的图像信息。经软件演算后，可得到二维的膜质测量。但由于旋转滤镜需要花费时间，加上使用滤镜带通范围太宽及滤镜个数有限，造成光谱分辨率差，膜质测量精确度受到限制，此两缺点同时限制此装置无法用在在线检测。

图3是美国专利申请案US20020030826所披露的多通道式薄膜测量装置。如图3所示，此装置采用光栅式图像光谱测量(imaging spectrometer)结构。从样本反射回来的平行光经过透镜34后再通过狭缝35，经过透镜36再入射到光栅37，之后在传感器38上产生多个光谱数据。图3中，传感器38的垂直方向代表空间的分辨率，水平方向代表光谱分辨率。利用此种装置，可同时得到多通道(即多点空间信息)的光谱信息，并且达到多点式薄膜膜质测量的效果。一般的光栅操作条件必须要以平行光入射，但是图3的结构在光栅37前加入透镜，使入射到光栅37的光束变成不是平行光，这会产生额外的像差而使光谱分辨率很差。可测量光谱范围仅能区分32等分，光谱分辨率受到限制，相对影响薄膜膜质测量精确度，因此亦无法应用到在线检测。

近年来随着薄膜样品面积变大、工艺速度加快的趋势下，快速且精准的检测变得越来越重要。而在现有的薄膜膜质检测技术中，多使用薄膜单点测量方法，此方法虽然准确，但要得到二维膜质图像，必须移动探头或待测物，测量时间太久，无法做在线检测。后来虽有多通道的膜质快速检测方法发展出来，但因像差很大造成测量准确性低，亦无法应用在在线检测。

综观以上方法，并无可同时达到多通道快速测量、膜质精准测量的在线薄膜检测装置。所以迄今并无可同时达到薄膜准确测量及快速测量的装置，迫切需要有新的测量方法。

发明内容

本发明的目的就是在提供一种高密度多通道检测装置，其可以解决公知无法同时达到多通道快速测量、膜质精准测量的问题，并且建立高光谱分辨、多通道同时测量的在线检测装置。

依据本发明一实施例，本发明提出一种高密度多通道检测装置，用以检测样本。高密度多通道检测装置包括：光源、第一光纤束、多个光纤探头以及高密度多通道图像装置。光源用以射出光束。第一光纤束连接光源，第一光纤束具有多个分叉光纤束，使该光源射出的光束通过该第一光纤束连接，并通过该第一光纤束的该多个分叉光纤束而将光源射出的光束分成多个光束。多个光纤探头分别包括双岔光纤束与准直镜，光纤探头分别具有输入端、输出入端与输出端，该输入端与该输出端位于双岔光纤束，而该输出端位于该准直镜，其中各该光纤探头的输入端分别连接到第一光纤束的各分叉光纤束用以接收各光束，准直镜的输出入端设置到对应样本的多个待测点的位置上，通过该准直镜的将各光束照射到各待测点并接收从各待测点反射回来的各光束。高密度多通道图像装置具有第二光纤束以及接收来自第二光纤束的光束的多通道核心模块。第二光纤束具有多个分叉光纤束，分别与上述这些光纤探头的各输出端连接，以接收从各待测点反射回来的各光束，并且通过第二光纤束，使通过该第二光纤束入射到多通道核心模块的光束为平行于多通道核心模块的光轴。

依据本发明另一实施例，本发明还提出一种高密度多通道检测装置，用以检测透明样本。高密度多通道检测装置包括光源、第一光纤束、多个第一光纤探头、多个第二光纤探头以及高密度多通道图像装置。光源用以射出光束。第一光纤束连接该光源，该第一光纤束具有多个分叉光纤束，使该光源射出的光束通过该第一光纤束连接，并通过该第一光纤束的多个分叉光纤束而将光源射出的光束分成多个光束。多个第一光纤探头分别包括双岔光纤束与准直镜，该第一光纤探头分别具有输入端与输出端，该输入端位于该双岔光纤束，该输出端位于该准直镜，其中各双岔光纤束的输入端分别连接到第一光纤束的各分叉光纤束用以接收各光束，准直镜的输出端设置到对应样本的多个待测点上，将各光束照射到各待测点。多个第二光纤探头分别包括双岔光纤束与准直镜，该第二光纤探头分别具有输入端与输出端，其中该输入端位于该准直镜，该输出端位于该双岔光纤束，各准直镜的输入端分别设置到对应样本的上述这些待测点的位置上，用以接收穿透各待测点的光束。高密度多通道图像装置，具有第二光纤束以及接收来自该第二光纤束的光束的多通道核心模块。第二光纤束具有多个分叉光纤束，分别与上述这些第二光纤探头的各双岔光纤束的输出端连接，以接收从各待测点穿透的各该光束，并且通过第二光纤束，使通过该第二光纤束入射到多通道核心模块的光束为平行于多通道核心模块的光轴。

在前述高密度多通道检测装置中，光源可为宽带白光光源。

在前述高密度多通道检测装置中，多通道核心模块可还包括光狭缝、准直镜、绕射光栅、消色差聚焦镜、二维阵列传感器，分别依序设置在光束的光路径上。准直镜可为非球面准直镜，而绕射光栅可为穿透式绕射光栅。此外，消色差聚焦镜与二维阵列传感器可相对于多通道核心模块的光轴进行倾斜转动，以消除各波段的色差现象。

通过上述的高密度多通道检测装置，本发明可使多通道及高光谱分辨两特性同时存在，空间通道数目还可达数十通道。在待测光谱范围则可区分成上百等分，光谱分辨率高。所测得的各通道薄膜反射或穿透光谱信息，可再通过软件算法，便可同时且精确的得到线形视野内，一维连续或离散多通道的薄膜膜质信息。此外，若再经移动探针或样本，最后可把线形视野内的一维膜质信息，组合成二维膜质信息。此外，通过高密度多通道图像装置的设置位置，可以对透明与不透明样本进行检测，其应用性可大为提高。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是公知单点式薄膜测量装置。

图2是公知滤镜图像式薄膜测量装置。

图3是公知多通道式薄膜测量装置。

图4是依据本发明实施例所示的高密度多通道检测装置的结构示意图。

图5是本实施例的高密度多通道光谱图像装置的结构示意图，用以说明操作方式。

图6是高密度多通道光谱图像装置在样本上的视野示意图。

图7是二维阵列传感器的平面图以及各点位置的测量结果示意图。

图8是依据本发明另一实施例所示的高密度多通道检测装置中核心模块的结构示意图。

图9是依据本发明另一实施例所示的高密度多通道检测装置的结构示意图。

图10A是图9的高密度多通道检测装置的一维离散多通道光纤探头的分布示意图。

图10B是图9的高密度多通道检测装置的二维离散多通道光纤探头的分布示意图。

图11是图4的高密度多通道检测装置的变化例示意图。

图12是图9的高密度多通道检测装置的变化例示意图。主要组件标记说明

2薄膜                      3载台

5光源                      8聚焦光栅

16一维发光二极管阵列传感器

20滤镜                     23样本

24滤镜转盘                 25二维CCD

34、36透镜                 35狭缝

37光栅                     38传感器

100基底                    102样品

103、103’样本

103a样本视野

200高密度多通道检测装置

202光源                204准直透镜

206分光镜

210高密度多通道光谱图像装置

212光收集器

214多通道核心模块

140光轴

150离轴光束

160轴上光束

220光狭缝

222准直镜组

224绕射光栅

226聚焦镜组

228二维阵列传感器

230、240多蕊光纤束

230a、230b、230c光纤束

232三岔光纤束

234光纤探头

236准直镜

238双岔光纤束

242、244光纤探头

具体实施方式

图4是依据本发明实施例所示的高密度多通道检测装置的结构示意图。本发明的高密度多通道检测装置200的结构至少包含光源202、准直透镜204、分光镜206、高密度多通道光谱图像装置210，其中高密度多通道光谱图像装置210可以还包括光收集器212与多通道核心模块(kernelmodule)214。光源较佳是使用光谱中各波长成分为比较平滑分布的宽带白光光源，例如可以使用卤素灯。

光源202射出的光束会先经过准直透镜204，修正成线形的近似平行光，再入射到分光镜206。分光镜206将光束反射到在基板100上的待测物薄膜(样品)102，此待测待测物样本103可以是在玻璃基板或硅基板上的单层或多层薄膜。从样本反射的干涉光，最后再由高密度多通道光谱图像装置210收集，以分析待测物薄膜102的膜质特性。

图5是本实施例的高密度多通道光谱图像装置210的结构示意图，用以说明操作方式。高密度多通道光谱图像装置210包括光收集器212与多通道核心模块214。在此实施例中，光收集器212是由像方远心镜(image-side telecentric lens)22，或者一般聚焦透镜所构成。多通道核心模块214由光狭缝220、准直镜组(collimator lens)222、绕射光栅(diffractiongrating)224、聚焦镜组(chromatic lens)226及二维阵列传感器(array sensor)228所构成。准直镜组222可以是非球面或球面准直镜组，绕射光栅224可使用穿透式绕射光栅或反射式绕射光栅，聚焦镜组226可以使用一般聚焦镜组或消色差聚焦镜组。如图5所示，像方远心镜212将物方(样本)103上的线形视野103a上各点发出光的主光线，均变成平行光轴140后，再入射多通道核心模块214中的光狭缝220。通过光狭缝220的光束再入射到准直镜组222，修成近准直光。接着，此准直光的光束再入射到绕射光栅224，之后再经过聚焦镜组226到达传感器228。

因为利用像方远心镜212将物方(样本)103视野103a上各点发出光的主光线均变成平行光轴140，并且以准直镜组222将入射光束修成近准直光，所以入射到光栅224的光束便为准直光，满足光栅的操作条件。因此，可以解决像图3所示的公知结构，解决入射到光栅不是平行光束的问题。此外，本发明还可以利用消色差透镜226与传感器228旋转的组合，调整色差面的倾斜位置，还可以消除各波段的色差。通过上述结构，物方线形视野103a内不论轴上(on-axis)160或离轴(off-axis)150所发出的光，在传感器228上均有很小的像差，故光谱分辨率可以大为提高，达到高密度多通道的目的。

图6是在样本端的视野示意图。高密度多通道光谱图像装置210在样本103端上的视野为线形。亦即，本发明在进行检测样本时是以样本103上的一个线形区域(由多个测量点排成一直列)作为测量对像。图7是二维阵列传感器228的平面图以及各点位置的测量结果示意图。

接着，利用图6与图7来说明本发明多通道光谱的测量操作。图7的左边表示二维阵列传感器228的平面图，其中y轴方向代表线形视野上的各个测量点，x轴方向代表在各波长的光谱分析。以图6线形视野所示的三点a、c、a’为例，在二维阵列传感器228上某一个特定波长λ(x轴)上，对应图6的三点a、c、a’的位置的检测点，可以检测出该三个测量点a、c、a’在对应波长λ时的检测结果，其如图7的右半部三组光谱曲线图所示。

亦即，如图7所示，在二维阵列传感器228上所获得图像的一轴是对应线形视野12内的空间通道信息，一轴则对应薄膜样品102的干涉光谱信息。由于图5所示的高密度多通道光谱图像装置210利用像方远心镜212，并使用准直镜组222、聚焦镜组226以及二维阵列传感器228的旋转，使物方线形视野103a内不论轴上的点c和离轴上的点a、a’所收集的光，均可在图7所示的传感器228上分解出来(此处仅以三通道示意)。

因此，本发明可使多通道及高光谱分辨两特性同时存在，空间通道数目还可达数十通道，且通道间为连续(continuous)紧密排列。在待测光谱范围则可区分成上百等分，光谱分辨率高。所测得的各通道薄膜干涉光谱信息，可再通过软件算法，如数据库理论模块(Library model based)求解。此数据库理论模块是根据电磁波理论所产生的，之后由使用者给定一些参数如光学常数范围分布及光学常数间隔大小，代入给定参数如材料折射率、消光系数、膜层厚度、入射角度、光偏振态等……来产生数千或数万笔以上的数据库，此数据库并与实际测量的光谱做最近似的对比，则得到最近似的理论光谱其包含的参数如折射率、消光系数和膜层厚度则是我们测量得到的值。便可同时且精确的得到线形视野内，一维连续多通道的薄膜膜质信息。此外，若再经移动探针或样本103，最后可把线形视野103a内的一维膜质信息，组合成二维膜质信息。

此外，上述是以不透明的薄膜或基板作为例子，上述图4的结构稍做修改也可以用来检测透明样本。如图11所示，其为图4的变化例，在检测透明样本时，前述的高密度多通道光谱图像装置210则设置在样本103’的下方，以接收穿透过样本103’的光束。透明样本的检测方式大致与前述不透明样本相同，在此便不在多述。另外，因为样本是光可穿透，所以可以将分光镜改为一般的反射镜。

图8是依据本发明另一实施例所示的高密度多通道检测装置中核心模块的结构示意图。图4所示的高密度多通道检测装置是一种连续性的结构，在线性视野中待测点是连续地分布。反之，图8是一种离散式的结构，待测点不是连续且可随意分布。

图8与图5的核心模块的差异点在于光收集器的部分，图8是使用多蕊光纤束作为图4的光收集器212。图8的多蕊光纤束230示出三个光纤束230a、230b、230c作为说明实施例，但是实际的数目可以依据实际测量时，做适当地增减。各光纤束230a、230b、230c主要是放置在靠近待测点，以接收从该待测点反射或穿透的光束。光纤束230a、230b、230c接收到的光束再经过光狭缝220、准直镜组222、绕射光栅224、聚焦镜组226，最后到达二维阵列传感器228。从各光纤束230a、230b、230c接收的各通道主光线是以平行光轴140入射多通道核心模块214，所以多通道核心模块214可使轴上和离轴光在传感器228上有很小的像差，而使多通道及高光谱分辨两特性同时存在。

图9是依据本发明另一实施例所示的高密度多通道检测装置的结构示意图。如图9所示，光源202可以使用例如卤素灯等，此宽带白光光源先通过三岔光纤束(trifurcated fiber bundle)232将光分成三个通道(此处以三个通道为例，但非限制本发明实施范围)，通过双岔光纤束(bifurcated fiberbundle)238将光导至准直镜236，平行入射在待测物103上。此待测物103可为在玻璃基板或硅基板上的单层或多层薄膜。双岔光纤束238与准直镜236构成光纤探头234。光纤探头234分别具有输入端(位于双岔光纤束238)、输出入端(位于准直镜236)与输出端(位于双岔光纤束238)，各输入端分别连接到光纤束232的各分叉光纤束用以接收各光束，输出入端设置到对应该样本的多个待测点上，将各光束照射到各待测点并接收从各待测点反射回来的光谱。如图10A所示，光纤探头234可以排列成以一维离散(discrete)多通道形式排列，同时负责发射光束以及接收光束。

光束从光源202射出后，经过三岔光纤束232分成三道光束，每一道光束再经过光纤探头234的双岔光纤束238传到准直镜236，通过准直镜236将光束射到样品102的待测点上。接着，入射到待测点的薄膜反射光也由此光纤探头234接收。经过准直镜236、双岔光纤束238，将反射光束入射到多蕊光纤束230，将多通道讯号耦合进入核心模块214上。由于各通道主光线以平行光轴140入射多通道核心模块214，所以多通道核心模块214可使轴上和离轴光在传感器228上有很小的像差，而使多通道及高光谱分辨两特性同时存在。所测得的各通道薄膜干涉光谱信息，通过软件算法如数据库理论模块求解，便可用一维离散多通道形式，同时且精确的得到薄膜膜质信息。

此外，若再移动光纤探头234或样品102，最后可把如图10A的一维膜质信息，组合成二维离散膜质信息。另外，也可以将光纤探头234阵列分布在待测薄膜样本103上，其如图10B所示(此处以九通道为例，但是非用以限制本发明的实施范围)。以此种方式，在光纤探头234及待测物103不扫描(移动)的情况下，可一次测得样本103上二维离散多通道薄膜信息。

另外针对不透明样品，图9所示反射式结构也可改成穿透式结构，以进行薄膜穿透式在线检测。图12为穿透式结构的示意图。因为是穿透式结构，因此入射到样品102的光束不会沿着图9的路径到多通道核心模块214。图9的光纤探头242由光纤束238与准直镜236构成。此光纤束238为单向。多通道核心模块214的多蕊光纤束240的每一个光纤束也具备光纤探头244，设置在样品102下方且与光纤探头242相对，用以接收穿过样品102的光束。通过此变化的穿透式结构，便可以对透明的样本进行测量作业。

另外，假如样本本身具有发光特性，则可以直接接收样本所发出的光，而不需要提供额外的光源，此时可以将上述的光源省略。

上述结构的多通道高密度方法，并不限定只能应用在薄膜检测上。其它任何有使用到光谱仪的检测技术，都可使用本发明所揭露的利方法，从原本单通道测量扩展到多通道测量功能。直接的应用如平板显示器(flat-panel display，FPD)面板的色度(chromaticity)与辉度(Luminance)测量、半导体芯片发光二极管(LED)裸晶(die)的色度(chromaticity)与光强度(luminous intensity)测量、半导体芯片如硅基式(Si-based)或III-V族型(group III-V based)磊晶层(epi-layer)的光致发光(photoluminescence，PL)检测。

另外，若将二维阵列传感器的检测波段设计成如近红外(NIR)波段，可应用到生物医学制药(pharmaceutics)或纺织品(textile)的光谱检测。若结合OCT(optical coherence tomography)技术，可应用到皮肤内层三维形态测量。若结合偏光技术，可应用到FPD偏光板的双折射性(bifrigence)特性检测、薄膜样品的光谱椭偏(spectroscopy ellipsometry)参数测量中。任何使用多蕊光纤束或像方远心镜为收集器的多通道光谱检测技术，均在此专利的保护范围内。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种高密度多通道检测装置，用以检测样本，其特征是该高密度多通道检测装置至少包含：

光源，用以射出光束；

第一光纤束，连接该光源，该第一光纤束具有多个分叉光纤束，使该光源射出的光束通过该第一光纤束连接，并通过该第一光纤束的该多个分叉光纤束而将该光源射出的光束分成多个光束；

多个光纤探头，分别包括双岔光纤束与准直镜，该光纤探头分别具有输入端、输出入端与输出端，该输入端与该输出端位于双岔光纤束，而该输出端位于该准直镜，各该光纤探头的输入端分别连接到该第一光纤束的各分叉光纤束用以接收各该光束，该准直镜的输出入端设置到对应该样本的多个待测点的位置上，通过该准直镜的将各该光束照射到各该待测点并接收从各该待测点反射回来的光束；以及

高密度多通道光谱图像装置，具有第二光纤束以及接收来自该第二光纤束的光束的多通道核心模块，该第二光纤束具有多个分叉光纤束，分别与上述这些光纤探头的各该输出端连接，以接收从各该待测点反射回来的各该光束，并且通过该第二光纤束，使通过该第二光纤束入射到该多通道核心模块的光束为平行于该多通道核心模块的光轴。

2.根据权利要求1所述的高密度多通道检测装置，其特征是该光源为宽带白光光源。

3.根据权利要求1所述的高密度多通道检测装置，其特征是该多通道核心模块还包括光狭缝、准直镜组、绕射光栅、聚焦镜组、二维阵列传感器，分别依序设置在光束的光路径上。

4.根据权利要求3所述的高密度多通道检测装置，其特征是该准直镜组为非球面准直镜组或球面准直镜组，该绕射光栅为穿透式绕射光栅或反射式绕射光栅，该聚焦镜组为消色差聚焦镜组。

5.根据权利要求3所述的高密度多通道检测装置，其特征是该消色差聚焦镜组与该二维阵列传感器可相对于该多通道核心模块的光轴进行倾斜转动。

6.一种高密度多通道检测装置，用以检测样本，其特征是该高密度多通道检测装置至少包含：

光源，用以射出光束；

第一光纤束，连接该光源，该第一光纤束具有多个分叉光纤束，使该光源射出的光束通过该第一光纤束连接，并通过该第一光纤束的多个分叉光纤束而将该光源射出的光束分成多个光束；

多个第一光纤探头，分别包括双岔光纤束与准直镜，该第一光纤探头分别具有输入端与输出端，该输入端位于该双岔光纤束，该输出端位于该准直镜，各该双岔光纤束的输入端分别连接到该第一光纤束的各分叉光纤束用以接收各该光束，该准直镜的输出端设置到对应该样本的多个待测点上，将各该光束照射到各该待测点；

多个第二光纤探头，分别包括双岔光纤束与准直镜，该第二光纤探头分别具有输入端与输出端，该输入端位于该准直镜，该输出端位于该双岔光纤束，各该准直镜的输入端分别设置到对应该样本的上述这些待测点的位置上，用以接收穿透各该待测点的光束；以及

高密度多通道光谱图像装置，具有第二光纤束以及接收来自该第二光纤束的光束的多通道核心模块，该第二光纤束具有多个分叉光纤束，分别与上述这些第二光纤探头的各该双岔光纤束的输出端连接，以接收从各该待测点穿透的各该光束，并且通过该第二光纤束，使通过该第二光纤束入射到该多通道核心模块的光束为平行于该多通道核心模块的光轴。

7.根据权利要求6所述的高密度多通道检测装置，其特征是该光源为宽带白光光源。

8.根据权利要求6所述的高密度多通道检测装置，其特征是该多通道核心模块还包括光狭缝、准直镜组、绕射光栅、聚焦镜组、二维阵列传感器，分别依序设置在光束的光路径上。

9.根据权利要求8所述的高密度多通道检测装置，其特征是该准直镜组为非球面准直镜组或球面准直镜组，该绕射光栅为穿透式绕射光栅或反射式绕射光栅，该聚焦镜组为消色差聚焦镜组。

10.根据权利要求9所述的高密度多通道检测装置，其特征是该消色差聚焦镜组与该二维阵列传感器可相对于该多通道核心模块的光轴进行倾斜转动。

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