CN104279969B - 厚度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了使用满足预定条件的两个波长来测量厚度的厚度测量装置和厚度测量方法。所述厚度测量方法包括以下步骤：将第一波长λ1的第一激光束照射至透明基板且测量透过所述透明基板的第一激光束的强度；将第二波长λ2的第二激光束照射至所述透明基板且测量透过所述透明基板的第二激光束的强度；并且使用透过所述透明基板的第一激光束和第二激光束来提取利萨如图形上的旋转角。将所述第一激光束的经过多次内反射的相邻光线之间的相位差以及所述第二激光束的经过多次内反射的相邻光线之间的相位差保持在π/2。所述厚度测量装置包括第一激光器、第二激光器、光耦合器、光检测器和处理单元。

Description

厚度测量方法
技术领域
本发明涉及厚度测量装置和厚度测量方法。更加具体地，本发明旨在提供能够使用两个波长精确地测量厚度的变化的厚度测量装置和厚度测量方法。
背景技术
玻璃等的基板被用于诸如液晶显示器件(LCD)和有机发光二极管(OLED)等半导体器件或平板显示器件。近年来，显示器件正在趋向于大面积和高分辨率的显示器件。因此，显示器件中包含的基板的面积在不断增大。因为这样的基板的不均匀的厚度可能对显示器件的分辨率有不利的影响，所以需要使基板的整个表面保持厚度均匀。
一般而言，利用从基板的前、后表面反射的光之间的干涉的反射式厚度测量装置被人们用来测量几纳米(nm)至几十纳米(nm)的厚度变化。然而，随着基板的面积增大，在测量基板的厚度时可能会使基板扭曲。当基板扭曲时，从基板反射的光的路径被改变，这使得难以精确地测量基板的厚度。
发明内容
本发明的实施例提出了使用满足预定条件的两个波长来测量薄膜的厚度的厚度测量装置和厚度测量方法。
根据本发明的实施例的厚度测量方法可以包括：将第一波长λ1的第一激光束照射至透明基板并测量透过所述透明基板的第一激光束的强度；将第二波长λ2的第二激光束照射至所述透明基板并测量透过所述透明基板的第二激光束的强度；并且使用透过所述透明基板的所述第一激光束和透过所述透明基板的所述第二激光束提取利萨如图形(Lissajous graph)上的旋转角。将所述第一激光束的经过多次内反射的相邻光线之间的相位差以及所述第二激光束的经过多次内反射的相邻光线之间的相位差保持在π/2。
在本发明的典型实施例中，所述厚度测量方法还可以包括：移动所述透明基板。
在本发明的典型实施例中，所述厚度测量方法还可以包括：去除所述旋转角的非线性误差。
在本发明的典型实施例中，如下地表达透过的第一激光束Ix和透过的第二激光束Iy：
其中，Ax和Ay表示DC偏移、Bx和By表示AC振幅、δ表示表明偏离90度的度数的相位差且Φ表示与所述透明基板的厚度成比例的相位差，且
其中，在所述旋转角变成π/4的整数倍的条件下更新上述参数Ax、 Bx、Ay、By和δ。
根据本发明的另一个实施例的厚度测量方法可以包括：测量透过透明基板的第一位置的第一波长的第一透过光束的强度；在精细度系数小于1的条件下使用泰勒级数展开式展开艾里函数，以将作为艾里函数而被给出的透过所述透明基板的所述第一波长的所述第一透过光束显示为如下相位差的余弦函数：该相位差是由通过所述透明基板的多次内反射而透过的相邻光线之间的光程长度而导致的；选择第二波长以将所述余弦函数变换成正弦函数；测量透过所述透明基板的所述第一位置的具有第二波长的第二透过光束的强度；处理所述第一透过光束的强度和所述第二透过光束的强度以提取利萨如图形上的旋转角；并且使用所述旋转角计算所述透明基板的厚度。
在本发明的典型实施例中，所述厚度测量方法还可以包括：改变所述透明基板的测量位置。
在本发明的典型实施例中，所述厚度测量方法还可以包括：去除所述旋转角的非线性误差。
根据本发明的另一个实施例的厚度测量方法可以包括：准备透过透明基板的第一位置且具有第一波长的第一透过光束的第一测量信号；在透过所述透明基板的所述第一波长的所述第一透过光束被给出为艾里函数并且精细度系数小于1的条件下使用泰勒级数展开式展开艾里函数，以将所述第一透过光束显示为如下相位差的余弦函数：该相位差是由通过所述透明基板的多次内反射而透过的相邻光线之间的光程长度而导致的；选择第二波长以将所述余弦函数变换成正弦函数；准备透过所述透明基板的所述第一位置且具有第二波长的第二透过光束的第二测量信号；处理所述第一测量信号和所述第二测量信号以提取利萨如图形上的旋转角；并且使用所述旋转角计算所述透明基板的厚度。
根据本发明的另一个实施例的厚度测量方法可以包括：准备透过透明基板的第一位置且具有第一波长λ1的第一透过光束的第一测量信号；准备透过所述透明基板的所述第一位置且具有第二波长λ2的第二透过光束的第二测量信号；处理所述第一测量信号和所述第二测量信号以提取利萨如图形上的旋转角；并且使用所述旋转角计算所述透明基板的厚度。所述第一波长和所述第二波长满足下面的条件：
λ2＝λ1+Δλ
其中，n表示折射率、d表示所述透明基板的平均厚度且θ2表示折射角。
根据本发明的实施例的厚度测量装置可以包括：第一激光器，所述第一激光器输出第一波长的激光束；第二激光器，所述第二激光器输出第二波长的激光束；光耦合器，所述光耦合器将所述第一激光器的输出与所述第二激光器的输出彼此耦合并且将合成的输出提供至透明基板的第一位置；二色分束器，所述二色分束器将所述第一波长的第一透过光束和所述第二波长的第二透过光束彼此分离；第一光检测器，所述第一光检测器测量通过所述二色分束器而被分离出的所述第一波长的所述第一透过光束；第二光检测器，所述第二光检测器测量通过所述二色分束器而被分离出的所述第二波长的所述第二透过光束；和处理单元，所述处理单元使用所述第一波长的所述第一透过光束的强度和所述第二波长的所述第二透过光束的强度、在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或者在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
在本发明的典型实施例中，所述第一波长的所述第一透过光束的强度可以具有根据所述相位差的余弦函数，且所述第二波长的所述第二透过光束的强度可以具有根据所述相位差的正弦函数。
在本发明的典型实施例中，所述光耦合器可以包括：分束器，所述分束器透过所述第一波长的激光束且反射所述第二波长的激光束；和反射镜，所述反射镜反射所述第二波长的激光束并且将反射的激光束提供至所述分束器。
在本发明的典型实施例中，所述厚度测量装置还可以包括：移动所述透明基板的移动单元；和驱动所述移动单元的移动驱动单元。
根据本发明的另一个实施例的厚度测量装置可以包括：第一激光器，所述第一激光器输出具有第一波长和第一周期的第一脉冲光束；第二激光器，所述第二激光器输出在与所述第一脉冲光束不同的时间振荡且具有第二波长和所述第一周期的第二脉冲光束；光耦合器，所述光耦合器将所述第一激光器的输出或所述第二激光器的输出提供至透明基板的第一位置；光检测器，所述光检测器依次测量透过所述透明基板的所述第一波长的第一透过光束和透过所述透明基板的所述第二波长的第二透过光束；和处理单元，所述处理单元使用所述第一波长的所述第一透过光束的强度和所述第二波长的所述第二透过光束的强度、在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或者在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
在本发明的典型实施例中，所述第一波长的所述第一透过光束的强度可以具有根据所述相位差的余弦函数，且所述第二波长的所述第二透过光束的强度可以具有根据所述相位差的正弦函数。
在本发明的典型实施例中，所述光耦合器可以包括：分束器，所述分束器透过所述第一波长的所述第一脉冲光束且反射所述第二波长的所述第二脉冲光束；和反射镜，所述反射镜反射所述第二波长的所述第二脉冲光束并且将反射的第二脉冲光束提供给所述分束器。
在本发明的典型实施例中，所述厚度测量装置还可以包括：移动所述透明基板的移动单元；和驱动所述移动单元的移动驱动单元。
根据本发明的另一个实施例的厚度测量装置可以包括：第一激光器，所述第一激光器输出第一波长的激光束；第二激光器，所述第二激光器输出第二波长的激光束；光学开关，所述光学开关接收所述第一激光器的输出和所述第二激光器的输出并且周期性地将所述第一激光束和所述第二激光束交替地提供至透明基板的第一位置；光检测器，所述光检测器测量透过所述透明基板的所述第一波长的第一透过光束或透过所述透明基板的所述第二波长的第二透过光束；和处理单元，所述处理单元使用所述第一波长的所述第一透过光束的强度和所述第二波长的所述第二透过光束的强度、在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或者在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
在本发明的典型实施例中，所述第一波长的所述第一透过光束的强度可以具有根据所述相位差的余弦函数，且所述第二波长的所述第二透过光束的强度可以具有根据所述相位差的正弦函数。
在本发明的典型实施例中，所述厚度测量装置还可以包括：移动所述透明基板的移动单元；和驱动所述移动单元的移动驱动单元。
根据本发明的另一个实施例的厚度测量装置可以包括：第一激光器，所述第一激光器输出第一波长的第一激光束；第二激光器，所述第二激光器输出第二波长的第二激光束；波长分割多路复用器，所述波长分割多路复用器接收所述第一激光束和所述第二激光束并且将所述第一激光束和所述第二激光束多路复用成单路输出，并将所述单路输出提供至透明基板的第一位置；光检测器，所述光检测器测量透过所述透明基板的所述第一波长的第一透过光束或透过所述透明基板的所述第二波长的第二透过光束；和处理单元，所述处理单元使用所述第一波长的所述第一透过光束的强度和所述第二波长的所述第二透过光束的强度、在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或者在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
在本发明的典型实施例中，所述厚度测量装置还可以包括：波长分割多路分离器，所述波长分割多路分离器通过单个输入端口接收所述第一透过光束和所述第二透过光束，将所述第一波长的所述第一透过光束输出至第一输出端口并且将所述第二波长的所述第二透过光束输出至第二输出端口。所述光检测器可以包括：第一光检测器，所述第一光检测器连接至所述波长分割多路分离器的所述第一输出端口；和第二光检测器，所述第二光检测器连接至所述波长分割多路分离器的所述第二输出端口。
在本发明的典型实施例中，所述第一激光器的所述第一激光束和所述第二激光器的所述第二激光束可以是周期性脉冲的形式，且所述第一激光束和所述第二激光束可以不在时域上彼此重叠。
根据本发明的另一个实施例的厚度测量装置可以包括：第一激光器，所述第一激光器输出第一波长的第一激光束；第二激光器，所述第二激光器输出第二波长的第二激光束；光耦合器，所述光耦合器接收所述第一激光束和所述第二激光束并且将所述第一激光束和所述第二激光束输出至单个路径；图案光束发生器，所述图案光束发生器布置于所述光耦合器与透明基板之间以生成图案光束；光检测器阵列，所述光检测器阵列测量透过所述透明基板的所述第一波长的第一透过光束和透过所述透明基板的所述第二波长的第二透过光束；和处理单元，所述处理单元使用所述第一波长的所述第一透过光束的强度和所述第二波长的所述第二透过光束的强度、在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或者在所述第一位置处由所述透明基板的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
在本发明的典型实施例中，所述图案光束发生器可以包括：衍射光栅元件，所述衍射光栅元件使接收的光束衍射以生成在恒定方向上对齐的多个光束；和准直透镜，所述准直透镜将透过所述衍射光栅元件的光转换成平行光。
附图说明
参照附图及随附的详细说明，本发明将变得更加显然。本文中所述的实施例是以示例的方式而不是以限制的方式提出的，其中相同的附图标记表示相同或相似的元件。附图未必是按比例的，而是将重点放在图示本发明的方面。
图1图示了根据本发明的实施例的厚度测量装置。
图2示出了在预定的第一波长λ1和第二波长λ2的情况下的取决于基板的厚度d的cos(ψ)。
图3是由第一波长的透过光束的强度和第二波长的透过光束的强度的不同轴线构建的利萨如图形。
图4示出了利萨如图形。
图5示出了由每个参数值的估计误差造成的相位差计算的非线性误差。
图6图示了使用FPGA的处理单元的构造。
图7是用来在利萨如轨迹中设定容差的图形。
图8至图12图示了根据本发明的实施例的厚度测量装置。
图13是根据本发明的另一个实施例的厚度测量装置。
图14是图13中的图案光束发生器的立体图。
具体实施方式
当相干光侵入透明基板时，经由多次内反射而透过基板的透过光束可能生成干涉信号。透过光束的干涉信号可能取决于被内反射的相邻光线之间的相位差或光程长度差。当透明基板的厚度变化时，被内反射的相邻光线之间的相位差或光程长度差也可能变化。透过光束的干涉信号可能具有艾里函数(Airy function)。艾里函数可能具有取决于相位差的2π模糊(2πambiguity)。因此，透过光束的干涉信号无法指定透明基板的厚度。
根据本发明的实施例，追踪干涉信号的相位差的轨迹来去除 2π模糊。需要新的干涉信号以追踪相位差的轨迹。具体地，在精细度系数(a coefficient of finesse)小于1(F<1)的情况下，则艾里函数可以近似于根据相位差的余弦函数。该余弦函数可以取决于相位差。因此，如果波长变化，那么该余弦函数可能变成正弦函数。因此，在第一波长情况下的余弦函数和在第二波长的情况下的正弦函数可以指定相位差和相位差的轨迹。此外，可以确定相位差的转动方向或轨迹。因此，可以去除相位差的2π模糊。因此，可以确定透明基板的厚度变化。根据本发明的实施例，可以测量取决于透明基板的位置的厚度变化或取决于透明基板的位置的相对厚度。
下面将参照附图更加详细地说明本发明的优选实施例。然而，可以通过不同的形式实现本发明，而不应该将本发明构成为限制于本文中所述的实施例。提供这些实施例将使得本发明是全面和完整的，并且本发明的范围将会充分地传达给本领域技术人员。整个说明书中，相似的数字是指相似的元件。
图1图示了根据本发明的实施例的厚度测量装置。
参照图1，激光光源照射在透明基板10上。激光光源的入射角是θ1，激光光源的折射角是θ2。透明基板10的厚度是d，透明基板 10的折射率是n。假设空气的折射率是1。入射光的电场强度是E0。入射光在透明基板10内进行多次内反射。在入射面和透射面上的反射系数是r，透过入射面和透射面的透射系数是t。激光光源在真空中的波长是λ1。
此外，E0t2和E0t2r2是相邻光线。可以如下地给出两条相邻光线之间的路径相位差(ψ)。
方程式(1)
可以通过聚焦透镜12聚焦经过多次反射的整个透过光束的电场，并且可以如下地给出该电场。
方程式(2)
ET＝E0t2+E0t2r2eiψ+E0t2e4ei2ψ+...
如下，可以将整个透过光束的强度给出为艾里函数。
方程式(3)
R＝|r|2，T＝|t|2，Ψ＝ψ+ψr
在方程式(3)中，ψr/2表示经过一次反射的反射相位变化， R表示反射率，T表示透过率，Ψ表示总相位差，F表示精细度系数。
在F<1的情况下，如果使用泰勒级数展开式展开透过光束的强度并且忽略二次或更高次级数项，那么可以如下地表达透过光束的强度。
方程式(4)
将透过光束的强度表达为总相位差的余弦函数。另一方面，需要透过光束的强度的正弦函数来追踪总相位差Ψ的轨迹。
需要两个信号IT(Ψ)和IT(Ψ+π/2)来从透过光束的强度 (IT)获得总相位差。例如，当反射相位变化ψr是0时，需要IT(ψ)和 IT(ψ+π/2)。如下地表达透过光束的余弦相位项。
方程式(5)
如果第一波长λ1变成第二波长λ2，那么可以使ψ变化π/2。因此，透过光束的强度在第一波长的情况下可以具有取决于透明基板的厚度d的余弦函数，且在第二波长的情况下可以具有取决于透明基板的厚度d的正弦函数。因此，可以追踪相位差的轨迹来去除相位差的2π模糊。
图2示出了在预定的第一波长λ1和第二波长λ2的情况下的取决于基板的厚度d的cos(ψ)。
参照图2，第二波长λ2可以被选择为ψ变化了Nπ+π/2(N 是整数)。例如，当第二波长λ2被选择为ψ变化了π/2时，可以如下地给出第二波长λ2。
方程式(6)
λ2＝λ1+Δλ
另一方面，第二波长λ2取决于透明基板的厚度d。尽管如此，透明基板的厚度d也比第一波长λ1大得多。通常，透明基板的厚度大约是几百微米而第一波长λ1大约是几微米。因此，取决于透明基板的厚度变化的周期的误差是可以忽略的。当第一波长λ1是1.5微米，d是700 微米，n是1.5且θ2是90度时，Δλ可以是0.00027微米。Δλ比第一波长λ1小得多。因此，取决于厚度的重复周期相对于第一波长λ1和第二波长λ2是大体上相等的。
在厚度d变化的情况下，若λ1和λ2在透过光束的相位项满足π/2的相位变化这一条件，则可以如下地给出透过光束的强度。
方程式(7)
在方程式(7)中，IT(λ1)表示在第一波长的情况下的第一透过光束的强度，IT(λ2)表示在第二波长的情况下的第二透过光束的强度。IT(λ1)包括取决于透明基板的厚度的余弦函数，且IT(λ2)包括取决于透明基板的厚度的正弦函数。此外，I0 1和I0 2是常数。
图3是由第一波长的透过光束的强度和第二波长的透过光束的强度的不同轴线构建的利萨如图形。
参照图3，由第一波长的透过光束的强度IT(λ1)和第二波长的透过光束的强度IT(λ2)限定的位置A可以基于中心点(I0 1，I0 2) 进行圆周运动或椭圆运动。位置A的旋转角可以与总相位差Ψ相同。因此，随着透明基板的厚度连续地变化，位置A可以在利萨如图形上进行旋转运动。因此，可以追踪上述旋转角来计算透明基板的厚度。
方程式(8)
如果在满足方程式(6)的条件的λ1和λ2的情况下检测透过光束的强度IT(λ1)和IT(λ2)且使用方程式(8)，就计算出透明基板的厚度。总旋转角由(M×2π+Ψ)(M是表明旋转数的整数)给出。因此，相对厚度D由(D＝d+M×λ1/(2n cos(θ2))给出。
图4示出了利萨如图形。
参照图4，由于偏振混合、激光强度漂移和电路的不稳定性等原因，测量信号的利萨如图形可能偏离理想的圆。因此，产生了非线性误差。可以通过光检测器将方程式(7)的第一透过光束和第二透过光束转换成测量信号。可以将测量信号Ix和Iy表达为方程式(9)。
方程式(9)
在方程式(9)中，Ax和Ay表示DC偏移、Bx和By表示AC 振幅、δ表示表明偏离90度的度数的相位差，Φ表示与透明基板的厚度成比例的相位差。相位差Φ可以对应于方程式(4)中的总相位差Ψ。
参照方程式(8)，两个测量信号的利萨如图形一般具有椭圆形式，且可以如下地计算测得的相位差Φ。
方程式(10)
因此，必须准确地理解表明两个测量信号的参数值Ax、Bx、 Ay、By和δ以准确地获得没有非线性误差的透明基板的厚度和相位差。
图5示出了由每个参数值的估计误差造成的相位差计算的非线性误差。
参照图5，非线性误差表现出周期性特征并且具有这样的位置：在该位置处，非线性误差的大小重复地变为0。
当许多参数具有估计误差时，非线性误差变为0的位置略有变化。然而，非线性误差在相位差Φ是π/4的倍数的位置处继续保持小的值。因此，可以使用在相位差Φ是π/4的倍数的位置处的测量信号准确地估计参数。
可以使用在相位是n×π/4(n＝0…7)位置处的十二个参考测量信号值Ix0、Ix1、Ix3、Ix4、Ix5、Ix7；Iy1、Iy2、Iy3、Iy5、Iy6和Iy7获得表示两个测量信号的五个参数。
表格(1)示出了计算中使用的十二个参考测量信号并且是使用方程式(9)推导出的。表格(1)被显示在图7的利萨如图形上。
表格(1)
可以如下地计算出五个参数值。
方程式(11)
每个参数是仅使用在如下相位处的参考测量信号计算出的：在该相位处，每个参数的估计误差对非线性误差的影响最小。
每当相位差符合π/4的倍数时就更新这些参数，且使用更新后的参数计算出相位差Φ或者与透明基板的厚度d成比例的相位差Ψ。因此，在接下来的步骤中可以获得更加准确的相位差，且可以减小使用获得的相位差的参数的估计误差。因为这个校正程序是重复进行的，所以可以根据重复的次数减小参数的估计误差并且可以去除由参数值的估计误差造成的非线性误差。此外，因为可以通过简单的数学运算获得参数值，所以可以实时校正非线性误差。
可以使用现场可编程门阵列(FPGA)来实现用于厚度测量装置的非线性的实时校正的数字信号处理模块。使用的数据采集板(NI PCI-7831R，美国国家仪器公司)可以与具有高精度的可重构的输入/输出单元同步。该数据采集板可以包括具有200KHz的采样速度的八通道 16位模拟-数字转换器(ADC)且可以以25纳秒(ns)的分辨率进行同步控制。
图6图示了使用FPGA的处理单元的构造。
参照图6，处理单元130可以包括：将第一测量信号Ix和第二测量信号Iy转换成数字信号的AD转换器131、使用经过数字转换的第一测量信号和第二测量信号进行非线性校正的非线性校正单元132、更新参数的参数更新单元134和检查点确认单元135以及相位计算器133。
非线性校正单元132可以使用参数估计值Ax、Bx、Ay、By和δ和从AD转换器131获得的两个测量信号Ix和Iy计算经过非线性校正的相位输出值tan(Φ)。使用参数估计值Ax、Bx、Ay、By和δ和获得的测量信号Ix和Iy计算方程式(10)中的反正切的参数。可以通过使用查找表(LTU)的相位计算器133进行使用反正切函数的相位Φ的计算。可以通过将2π相位区间等分成1024份来计算相位Φ。
检查点确认单元135确认在各相位计算期间内计算出的相位差是否成为π/4的整数倍。当满足该条件时，使用方程式(11)更新参数。更新后的参数被存储在参数更新单元134中并且用于下一次非线性校正。
在这个过程中，可以引入额外的程序来减小由与高速相位偏移相对应且被测量的测量信号的噪声造成的参数估计值的意外影响。因为在高速的厚度测量期间内测量信号变化非常快，所以难以对相位差成为π/4的整数倍的位置进行检测。因此，可以引入容差来调整用于这样的检查点的判断标准。
图7是用来在利萨如轨迹中设定容差的图。
参照图7，当容差变得更宽时，更容易检测检查点。然而，因为容差之内的所有相位值均被判断为检查点，所以降低了参数估计值的准确度。当容差变得更窄时，则出现相反的趋势。因此，可以采用根据测量中的位移速度来调整容差的方法。
如果仅使用单个检查点的测量信号值计算参数估计值，那么获得的相位信号的噪声对参数估计值的准确度有影响。不仅引入容差而且还引入子分区域来减小这样的意外影响。
所述子分区域是通过将整个2π相位分成中心是n×π/4且范围是(2n±1)>π/8的八个区域而形成的。当相位值达到设定检查点时，不使用相位信号值直接更新参数值，而是使用参数估计值的平均将参数值更新为新的参数值，上述参数估计值是通过累积相位值直至相位值脱离当前所属的子分区域而获得的。因此，这个方法可以防止由于参数估计值的意外影响而产生相位信号的噪声。
图8图示了根据本发明的实施例的厚度测量装置。
参照图8，厚度测量装置300包括输出第一波长的激光束的第一激光器310a、输出第二波长的激光束的第二激光器310b、将第一激光器310a的输出和第二激光器310b的输出彼此耦合并将合成后的输出提供至透明基板10的第一位置的光耦合器380、将第一波长的第一透过光束和第二波长的第二透过光束彼此分离的二色分束器390、测量经由二色分束器390分离出的第一波长的第一透过光束的第一光检测器320a、测量经由二色分束器390分离出的第二波长的第二透过光束的第二光检测器320b以及处理单元130。处理单元130使用第一波长的第一透过光束的强度和第二波长的第二透过光束的强度、在第一位置处由透明基板 10的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或者在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
参照方程式(7)，第一波长的第一透过光束的强度可以具有根据相位差的余弦函数，第二波长的第二透过光束的强度可以具有根据相位差的正弦函数。
第一激光器310a可以输出在x轴方向上传输且在z轴方向上线性偏振的光束。第一激光器310a可以是可变激光二极管。第二激光器310b可以输出在y轴方向上线性偏振的光束。第二激光器310b可以是可变激光二极管。第二激光器310b的第二波长和第一激光器310a的第一波长可以满足方程式(6)的条件。第一激光器310a和第二激光器 310b的波长带可以是可见光区域或红外区域。
光耦合器380可以包括透过第一波长的激光束并且反射第二波长的激光束的分束器382以及反射第二波长的激光束且将被反射的激光束提供给分束器382的反射镜384。分束器382可以是偏振分束器。分束器382可以接收并透过在x轴方向上传输且在z轴方向上线性偏振的第一激光束，并且可以接收在z轴方向上传输且在y轴方向上线性偏振的第二激光束并以90度折射被接收的第二激光束以使其在x轴方向上传输。因此，分束器382可以将具有两种不同偏振的第一激光束和第二激光束耦合以输出具有相同路径的光束。由分束器382耦合的光束可以照射至透明基板10的相同位置。
二色分束器390可以是偏振分束器。二色分束器390可以接收并透过在z轴方向上线性偏振的第一透过光束。二色分束器390可以接收在y轴方向上线性偏振的第二透过光束并在负z轴方向上使接收的第二透过光束以90度折射。
在二色分束器390与第一光检测器320a之间可以布置有聚焦透镜(未示出)。此外，在二色分束器390与第二光检测器320b之间可以布置有聚焦透镜(未示出)。
第一光检测器320a可以测量第一波长的第一透过光束的强度。第二光检测器320b可以测量第二波长的第二透过光束的强度。处理单元130可以处理第一光检测器320a的第一测量信号Ix和第二光检测器 320b的第二测量信号Iy。第一、第二光检测器320a、320b均可以是光电二极管。
移动单元140可以移动透明基板10，且移动驱动单元150 可以驱动移动单元140。移动单元140可以是移动辊装置或真空吸附移动装置。处理单元130可以计算取决于透明基板10的位置的厚度变化。当第一波长与第二波长之间的差小的时候，偏振式光束分离和耦合可能是合适的。
透明基板10可以以恒定的速度移动。在这种情况下，移动单元140可以在z轴方向上移动透明基板10。移动单元140可以是移动辊装置或真空吸附移动装置。移动驱动单元150可以驱动移动单元140。
当透明基板10被移动时，测量位置可能变化。当透明基板 10被移动时，第一测量信号和第二测量信号可能是在不同的位置获得的信号。然而，可以控制透明基板10的移动速度以使第一测量信号的生成位置和第二测量信号的生成位置大体上彼此相同。
根据本发明的变型例，移动单元140可以重复地进行移动操作和停止操作，且可以在停止状态下测量第一测量信号和第二测量信号。
当透明基板10被移动时，生成多个第一测量信号和多个第二测量信号。这些测量信号可以在利萨如图形上旋转。当相邻测量位置之间的旋转角的差值大于2π或者相邻测量位置之间的厚度的差值大于λ1/2时，可能难以追踪旋转角的轨迹。因此，可以将相邻的测量位置之间的厚度的差值维持在半波长λ1/2之内。
返回到图6，处理单元130可以包括将第一测量信号Ix和第二测量信号Iy转换成数字信号的AD转换器131、使用经过数字转换的第一测量信号和第二测量信号进行非线性校正的非线性校正单元132、用于更新参数的参数更新单元134和检查点确认单元135以及相位计算器 133。
根据本发明的变型例，可以用单个波长可变激光器来代替第一激光器和第二激光器。该波长可变激光器可以是波长可变激光二极管。
图9图示了根据本发明的另一个实施例的厚度测量装置。
参照图9，厚度测量装置400包括输出具有第一波长和第一周期的第一脉冲光束的第一激光器410a、输出在与第一脉冲光束不同的时间振荡且具有第二波长和第一周期的第二脉冲光束的第二激光器 410b、将第一激光器410a的输出或第二激光器410b的输出提供至透明基板10的第一位置的光耦合器480、依次测量透过透明基板10的第一波长的第一透过光束和第二波长的第二透过光束的光检测器420以及处理单元130。
处理单元130使用第一波长的第一透过光束的强度和第二波长的第二透过光束的强度、在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
参照方程式(7)，第一波长的第一透过光束的强度可以具有根据相位差的余弦函数，第二波长的第二透过光束的强度可以具有根据相位差的正弦函数。第一波长λ1和第二波长λ2可以满足方程式(6)的条件。
第一激光器410a的第一脉冲光束的时间宽度可以小于第一周期。此外，第二激光器410b的第二脉冲光束的时间宽度可以小于第一周期。此外，第一脉冲光束和第二脉冲光束可以彼此同步且可以在不同的时间振荡。因此，光检测器420可以在不同的时间输出针对第一脉冲光束的第一测量信号Ix和针对第二脉冲光束的第二测量信号Iy。可以将一对相邻的第一脉冲光束和第二脉冲光束提供在透明基板10的大体上相同的位置处。因此，可以将针对第一脉冲光束的第一测量信号Ix和针对第二脉冲光束的第二测量信号Iy提供给处理单元130。处理单元130可以使用第一测量信号Ix和第二测量信号Iy来计算透明基板10的厚度。
光耦合器480可以包括透过第一波长的第一脉冲光束且反射第二波长的第二脉冲光束的分束器482和反射第二波长的第二脉冲光束且将反射的第二脉冲光束提供至分束器482的反射镜484。
移动单元140可以移动透明基板10，且移动驱动单元150 可以驱动移动单元140。
图10图示了根据本发明的另一个实施例的厚度测量装置。
参照图10，厚度测量装置500包括输出第一波长的激光束的第一激光器510a、输出第二波长的激光束的第二激光器510b、接收第一激光器510a的输出和第二激光器510b的输出并且周期性地将第一激光束和第二激光束交替地提供至透明基板10的第一位置的光学开关580、测量透过透明基板10的第一波长的第一透过光束和第二波长的第二透过光束的光检测器520以及处理单元130。处理单元130使用第一波长的第一透过光束的强度和第二波长的第二透过光束的强度、在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
参照方程式(7)，第一波长的第一透过光束的强度可以具有根据相位差的余弦函数，第二波长的第二透过光束的强度可以具有根据相位差的正弦函数。第一波长λ1和第二波长λ2可以满足方程式(6)的条件。
光学开关580可以是具有两级输入端口和一级输出端口的 2×1结构的光学开关。光学开关580可以是机械式光学开关或电光学开关。例如，光学开关580可以包括单个棱镜582和三个格林(Grin)透镜584。可以通过电磁体等机械地移动棱镜582。因此，光学开关580可以选择性地将被提供至第一输入端口1或第二输入端口2的光提供至输出端口3。
移动单元140可以移动透明基板10，且移动驱动单元150 可以驱动移动单元140。
图11图示了根据本发明的另一个实施例的厚度测量装置。
参照图11，厚度测量装置600包括输出第一波长的第一激光束的第一激光器610a、输出第二波长的第二激光束的第二激光器610b、接收第一激光束和第二激光束并将它们多路复用为单路输出且将该单路输出提供至透明基板10的第一位置的波长分割多路复用器680、测量透过透明基板10的第一波长的第一透过光束和第二波长的第二透过光束的光检测器620以及处理单元130。
处理单元130使用第一波长的第一透过光束的强度和第二波长的第二透过光束的强度、在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或者在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
波长分割多路分离器690可以被布置在透明基板10与光检测器620之间。波长分割多路分离器690通过单个输入端口接收第一透过光束和第二透过光束，将第一波长的第一透过光束输出至第一输出端口并且将第二波长的第二透过光束输出至第二输出端口。
光检测器620包括第一光检测器620a和第二光检测器620b。第一光检测器620a连接至波长分割多路分离器690的第一输出端口，且第二光检测器620b连接至波长分割多路分离器690的第二输出端口。
移动单元140可以移动透明基板10，且移动驱动单元150 可以驱动移动单元140。
图12图示了根据本发明的另一个实施例的厚度测量装置。
参照图12，厚度测量装置600a包括输出第一波长的第一激光束的第一激光器610a、输出第二波长的第二激光束的第二激光器610b、接收第一激光束和第二激光束并将它们多路复用成单路输出且将该单路输出提供至透明基板10的第一位置的波长分割多路复用器680、测量透过透明基板10的第一波长的第一透过光束和第二波长的第二透过光束的光检测器620以及处理单元130。
处理单元130使用第一波长的第一透过光束的强度和第二波长的第二透过光束的强度、在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
第一激光器的第一激光束和第二激光器的第二激光束可以是周期性脉冲的形式。第一激光束和第二激光束可以不在时域上彼此重叠。因此，光检测器620可以测量交替的第一波长的第一脉冲光束和第二波长的第二脉冲光束。光检测器620可以根据时间输出对应于第一脉冲光束的第一测量信号Ix和对应于第二脉冲光束的第二测量信号Iy。
移动单元140可以移动透明基板10，且移动驱动单元150 可以驱动移动单元140。
图13是根据本发明的另一个实施例的厚度测量装置。
图14是图13中的图案光束发生器的立体图。
参照图13和图14，厚度测量装置400a包括输出第一波长的第一激光束的第一激光器410a、输出第二波长的第二激光束的第二激光器410b、接收第一激光束和第二激光束并将它们输出至单个路径的光耦合器480、布置于光耦合器480与透明基板10之间来生成图案光束3 的图案光束发生器490、测量透过透明基板10的第一波长的第一透过光束和第二波长的第二透过光束的光检测器阵列420a以及处理单元130。处理单元130使用第一波长的第一透过光束的强度和第二波长的第二透过光束的强度、在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的光程长度差或在第一位置处由透明基板10的内反射造成的相邻光线之间的相位差来提取利萨如图形上的旋转角。
图案光束发生器490包括使接收的光束1衍射以生成在恒定方向上对齐的多个光束的衍射光栅元件492和把透过衍射光栅元件492 的光线转换成平行光线2a至2d的准直透镜494。衍射光栅元件492可以是在恒定方向上对齐的用来在与透明基板10的移动方向横切的方向上生成图案光束3的二元相位扇出光栅。准直透镜494可以是柱面透镜。
第一激光器410a输出脉冲式的第一激光束，第二激光器 410b输出脉冲式的第二激光束，并且第一激光束410a和第二激光束410b 不在同一时间照射在透明基板10上。因此，光检测器阵列420a在具有时间间隔的情况下检测第一激光束的第一透过光束和第二激光束的第二透过光束。因此，可以在多个位置测量厚度。
根据本发明的变型例，衍射光栅元件492可以是用来形成矩阵式图案的二维光栅。准直透镜494可以是球面透镜。
根据本发明的变型例，可以用单个波长可变激光器来代替第一激光器410a和第二激光器410b。因此，可以去除光耦合器480。
根据上述的厚度测量装置和厚度测量方法，第一波长和第二波长透过透明基板并且测量透过光束，以此容易地测量透明基板的厚度变化。特别地，即使在造成振动的环境(诸如，移动辊)下或在基板通常被扭曲的环境下，厚度测量装置也可以稳定地测量基板的厚度。
尽管已经结合附图中图示的本发明的实施例说明了本发明，但是本发明不限于此。对于本领域技术人员而言，显然可以在本发明的主旨和范围内进行各种替换、修改以及改变。

Claims (4)

1.一种厚度测量方法，其包括以下步骤：
测量透过透明基板的第一位置的第一波长的第一透过光束的强度；
在精细度系数小于1的条件下使用泰勒级数展开式展开艾里函数，以将作为艾里函数而被给出的透过所述透明基板的所述第一波长的所述第一透过光束显示为如下相位差的余弦函数：该相位差是由通过所述透明基板的多次内反射而透过的相邻光线之间的光程长度而导致的；
选择第二波长以将所述余弦函数变换成正弦函数；
测量透过所述透明基板的所述第一位置的具有第二波长的第二透过光束的强度；
处理所述第一透过光束的强度和所述第二透过光束的强度以提取利萨如图形上的旋转角；并且
使用所述旋转角计算所述透明基板的厚度。
2.根据权利要求1所述的厚度测量方法，还包括：
改变所述透明基板的测量位置。
3.根据权利要求1所述的厚度测量方法，还包括：
去除所述旋转角的非线性误差。
4.一种厚度测量方法，其包括以下步骤：
准备透过透明基板的第一位置的第一波长的第一透过光束的第一测量信号；
在透过所述透明基板的所述第一波长的所述第一透过光束被给出为艾里函数并且精细度系数小于1的条件下使用泰勒级数展开式展开艾里函数，以将所述第一透过光束显示为如下相位差的余弦函数：该相位差是由通过所述透明基板的多次内反射而透过的相邻光线之间的光程长度而导致的；
选择第二波长以将所述余弦函数变换成正弦函数；
准备透过所述透明基板的所述第一位置的第二波长的第二透过光束的第二测量信号；
处理所述第一测量信号和所述第二测量信号以提取利萨如图形上的旋转角；并且
使用所述旋转角计算所述透明基板的厚度。
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