CN1074120C - 旋转斜细光束的薄透明层厚度的干涉测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于干涉法测量技术领域，本发明包括以下步骤：1)将一细光束斜入射待测点处；2)旋转所说光束改变入射角为θ_itn；3)记录出一系列干涉光强极值所对应的斜入射角θ_itn；4)利用干涉极值条件方程计算出薄透明层厚度d。该方法不但使测量的分辨率和精密度有较大的提高，避免或降低了测量信号中的直流成分和其他干扰信号的影响，而且使其测量装置结构简单，可选用价格较低的部件，体积小，重量轻，利于在线测量。

Description

旋转斜细光束的薄透明层厚度的干涉测量方法及其装置

本发明属于干涉法测量技术领域，特别涉及对薄透明层厚度的测量方法的改进。

在薄膜工业中对薄膜厚度的在线精密测量是控制薄膜厚度、保证产品质量的重要手段；自液晶显示器问世以来，生产TN、STN等LC盒的工艺发展迅猛，显示质量的一个重要因素，就是控制和测量盒厚，即对两厚透明层之间的空气薄层厚度进行在线测量。目前，适用于1μm以上，几十μm以下LC盒的厚度的测量除较难实现的光谱扫描法之外主要有以下两种方法：第一种方法是采用分束干涉法，其原理如图1所示，将白光11经半透半反镜12照射到被测试样品13(厚度为d，折射率设为n)上，白光在样品的表面和背面反射，两束反射光有一相当于在样品内部往复光程(2nd)的光程差。使这些反射光顺序透过偏振片14、渥拉斯顿棱镜15、偏振片16进行观察，两反射光束互相经棱镜双折射，其波阵面在前进方向的两侧只偏离一定的角度±，如图所示有4种干涉条纹在棱镜内部显现。中央干涉条纹常在一定的位置显现，左右干涉条纹对应样品厚度d分别向横向移动。干涉条纹从中央移开的距离y为：

        y＝n·d/(n_e-n_o)tanθ            (1)

式中，n_o、n_e为棱镜的寻常光和非常光的折射率，θ为棱镜的顶角。结果，可由干涉条纹测出y值，求出(nd)，在折射率n已知时便能求出厚度d。

用显微镜的物镜使干涉条纹和样品的象都在同一平面上成象，再用电视摄像机摄影显示在监视器17的电视画面上。同时检出经左右方向扫描干涉条纹图象取出的信号，将干涉条纹转换成包络线信号，再作数字处理就得到其光学厚度。因此，预先指定折射率n的值，微型计算机就自动运算，并将被测样品的厚度d以μm为单位显示在画面上。

这种方法的条纹对比度较差，测量精密度相对较差，一般为0.1μm上下，条纹质量不高限制了条纹细分精度。典型的仪器有干涉膜厚度测量仪TM-230N(日本佳能公司制造)。国内也有此类仪器的研制产品。

第二种方法是采用宽光束入射旋转样品法，在这种方法中，一宽光束入射在LC盒上，测量以旋转角为函数的反射率和透射率，旋转轴垂直于入射光方向，光路示意图如图2所示：固定光源21发出的较宽光束经起偏器22后，射到放置于转台23上的被测样片24上，透射光经检偏器25后，由光电接收器26接收，转台23的驱动角度测量由部件27完成，测量结果由部件28给出。旋转样片直接测入射角的旋转干涉法，用宽光束，国外已有产品，液晶参数综合测试仪产品中盒厚测量部件的旋转角分辨率约为0.1度。

该方案的不足之处有：大样品时不便或不能旋转，适用于小尺寸样品；变换测量点困难；较宽光束对精细控制不利(有平均效应)；大转台实现高准确度的转角测量实施成本较高等。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一旋转斜细光束的干涉法，该方法不但使测量的分辨率和精密度有较大的提高，避免或降低了测量信号中的直流成分和其他干扰信号的影响，而且使其测量装置结构简单，可选用价格较低的部件，体积小，重量轻，利于在线测量。

本发明提出一种旋转斜细(激光)光束的薄透明层厚度的干涉测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将一细束以入射角为θ_i斜入射至薄透明层的待测点处；

2)旋转所说光束改变入射角为θ_itn并使待测点位置基本不变；

3)接收从待测点处反射的干涉光束，记录出一系列干涉光强极值所对应的斜入射角θ_itn；

4)利用干涉极值条件方程计算出薄透明层厚度d；

所说的待测点光束直径ω与最小斜入射θ_min满足不等式： ${\mathrm{\θ}}_{\min }>\frac{0.6\mathrm{\ω}\·n_D}{D},$ 其中n_D为薄层上表面外材料的折射率，D为被测薄层外的两厚透明层中较薄部分的厚度。

上述的第一、二步骤的实现方法可采用：在所说的斜入射光束路径上设置一大相对孔径的长焦距透镜，所说的待测点位于透镜焦平面上主光轴(附近)处，平移所说的细光束，测出干涉光强极值所对应的光束平移量x_itn，计算出对应的斜入射角θ_itn。

所说的反射相干光束路径上还可设置一成像光学元件及一光栏，使所说的反射干涉光束成像在所说光栏之中。

本发明采用旋转细激光束31以改变斜入射角的方法，如图3所示使薄层被测点处光束直径为某一较小的值ω(如ω＝0.2mm)，且斜入射角θ大于某一定值 ${\mathrm{\θ}}_{\min }>\frac{0.6\mathrm{\ω}\·n_D}{D}$ (单位rad，式中的ω、D单位均为mm；薄层32界于两厚度最小值为D、折射率为n_D的平行平板33之间)；以保证被测薄层两界面的反射光束能发生干涉，且使反射的干涉光束34和可能存在的两厚透明层(如LCD的透明厚玻璃基板)外表面的反射光束35，36在空间上能完全分开。例如ω≈0.2，D＝0.5，n_D＝1.5时只要θ_min＞14℃。

要使最大扫描角θ_max时干涉光束的干涉信号对比度较高，需使被测薄层上下两表面的首次反射光束在上表面附近大部分能重合(如径向K％能重合)，因此要求薄层附近的光束直径ω还需满足以下不等式： $\mathrm{\ω}\≥\frac{2d}{{(1-K\%)n}_d},$ 式中n_d是被测薄层的折射率。如d≈0.015mm，n_d≈1，K％＝70％时，只需ω＞0.1mm。如果取ω＝0.2mm，则被测薄层上下两表面的首次反射光束径向重合的部分大于85％。

本发明的一种改进方法如图4所示，可平行移动的较细的激光束41，经过大相对孔径(例如D/f≥1/2)的焦距f较长的透镜42(如f＝90mm，f/D＝2，光轴与平移光束平行)，会聚于透镜焦平面上P点，形成一小束腰(直径ω)，薄层43的被测区域也位于(等效)焦平面附近，以保证被测点基本不动；用高准确度位移测量装置测出平移光束中心位置x，用于精确定出对应的会聚斜光束入射角θ。

用成像光学元件(如焦距较短的透镜)44使经薄层被测点的反射光束成像在光栏45内，光栏直径的选取使(可能存在的))两厚透明层外表面反射来的光束被挡在光栏之外。光栏后用光电探测器或直接用目测量光干涉信号的强度I。先准确测出两个或一系列干涉光强极值所对应的平移光束中心的位置x_i，接着由两个或多个x_i值准确算出对应的斜入射角θi的值(需要修正长焦透镜像差及其它因素的影响)；最后利用干涉光强极值条件方程2(n_dd)COSθ_i＝k_iλ计算出薄透明层的厚度d来(方程中n_d是薄层的折射率，k_i是整数或半整数)。由多个x_i值计算时可用最小二乘法以减小测量的A类不确定度。

本发明适用于1μm以上、几十μm以下的薄透明层厚度的精密测量，尤其适用于两厚透明板之间的不同折射率薄层厚度测量，如LCD器件制造过程中的盒厚(cell gap)在线精密测量，也适用于其它透明层厚度的精密测量。

本发明有如下特点：

第一，用本发明的方法制造的仪器比采用光谱扫描法或分束干涉法的现有仪器的方法测量分辨率和精密度都较高，装置也较简单。因为一般光谱扫描法的装置复杂，其分光输出的相对线宽与波长相对不确定度都难达到较小的水平，因为输出线宽和光强的要求互相制约。分束干涉法的静态条纹细分的准确度受到对比度等的限制，其测量分辨率很难提高。本方法中，对应角度量的位移测量的相对标准偏差容易达到很小的数值，可用光电装置测量动态条纹使确定光强极值位置分辨率提高，并可能采用最小二乘法等方法作数据处理，因而厚度测量的分辨率和精密度都较高。

第二，本发明与已见报导的采用宽光束斜入射的干涉测量方法不同：本发明使测试仪器或部件比采用光束不动、使样品绕垂直于光线的轴旋转的方法更实用，因为实际测量中样品(如线度近35cm的LCD盒)尺寸可能较大不便旋转，且旋转夹具可能使样品变形。本发明的方法运动部件小而使体积和重量减轻。利于在线测量。

本发明由于采用斜细光束入射使干涉光束和其它外表面的反射光束完全分开，避免了其它方法(如宽光束入射旋转样品法)的测量信号中直流成分或其它干扰信号强的弱点，使测量的信噪比大为提高。

第三，本发明和具有一定角度分辨率δθ(如δθ＝5×10^-5rad)的直接测旋转角装置的(旋转样品法的)测量系统相比，由于本发明的方法中焦距f较长(如f＝90mm)，具有相同角度分辨率δθ的系统所需要的位移测量装置的分辨率为δ_x≈fδθ(如f＝90mm，δθ＝5×10^-5rad时δx约为0.005mm)。因为具有小位移分辨率δ_x的容栅、光栅等测量部件价格较低、结构较简单，加上长焦距透镜后仍有结构较简单且价格较低的优点。

用机械等方法直接使光束绕被测点旋转的方法和本发明的方法比较，机械装置的体积将比本方法大得多，高精度轴系的加工和装配难度较大。

第四，宽光束入射旋转试样法、光谱扫描法或分束干涉法的被测区域的线度都较大，测量的是实际区域内的平均效应。本发明因被测点直径小，特别适用于厚度分布的在线测量和控制。

附图简要说明：

图1为已有技术中的分束干涉法测量原理示意图。

图2为已有技术中的宽光束入射旋转样品法测量原理示意图。

图3为本发明所述方法原理示意图。

图4为本发明所述方法具体实现方案示意图。

图5为本发明所述方法的一种测试装置实施例结构示意图。

一种采用本发明所述方法的LC盒厚测试仪实施例，如图5所示，结合附图详细描述如下：

本实施例包括放置待测LC盒53的工作台(图中未示出)，与工作台平面垂直轴成一斜角度θ安装的激光器51，使激光器垂直于光轴平行移动的平移驱动部件57及光栅位移测量部件58，设置在斜入射光束光路上的大相对孔径聚焦透镜52，设置在反射干涉光束路径上的成像光学元件54，一小光栏55和光电接收器59组成的干涉信号检测部件以及附有控制与数据采集专用电路的计算机510。激光器为小型全内腔单横模氦氖激光器，其波长λ＝633nm，激光电源56提供激光器所需的高压。

本实施例的主镜头52的焦距为f＝90mm，孔径为45mm。

平移驱动部件57包括受计算机控制的步进电机驱动器、步进电机、同步皮带传动、传动丝杠、固定激光器的平移滑块和导轨等。位移测量部件58是量程为50mm的50线/mm、分辨率0.001mm的光栅位移测量部件，附有光栅零位指示附件。

成像光学元件54选用焦距50mm相对孔径1∶1.7的照相物镜。

光栏55之后是由硅光电探测器组成的光电接收器59，由其输出的干涉光强信号输到由12位A/D转换器组成的数据采集电路，光栅位移测量部件58输出的反映平移激光束中心位置坐标的信号也同时输到数据采集电路，这部分电路和一些控制平移部件的专用电路在计算机510内的插件板上。

计算机采集到光强I和位置x的信号，先找出两个或一系列光强极值点I_i所对应的位置x_i，接着计算出x_i对应的斜入射角θ_i(计算时要考虑装配系统误差和透镜像差等因素的影响)，再根据干涉极值方程，运用最小二乘法原理求出被测薄层的光学厚度(n_d·d)。已知折射率n_d时，薄层厚度d就很容易求出了。如已知两个相邻的光强I极小值对应的入射角为θ₁、θ₂时，计算薄层厚度d的公式为： $d=\frac{\mathrm{\λ}}{{2n}_d|{\cos \mathrm{\θ}}_1-{\cos \mathrm{\θ}}_2|}$

本发明方法研制的LCD盒厚测试仪的测量分辨率小于0.01μm，测量5-10μm的LCD空盒时重复性标准偏差小于0.02μm。入射角θ的扫描范围约为45°±14°。

Claims (4)

1、一种旋转斜细光束的薄透明层厚度的干涉测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将一细光束以入射角为θ_i斜入射至透明层的待测点处；

2)旋转所说光束改变入射角为θ_itn并使待测点位置基本不变；

3)接收从待测点处反射的干涉光束，记录出一系列干涉光强极值所对应的斜入射角θ_itn；

4)利用干涉极值条件方程计算出薄透明层厚度d；

所说的待测点光束直径ω与最小斜入射θ_min满足不等式： ${\mathrm{\θ}}_{\min }>\frac{0.6\mathrm{\ω}\·n_D}{D}$ ，其中n_D为薄层上表面外材料的折射率，D为被测薄层外的两厚透明层中较薄部分的厚度。

2、如权利要求1所述的薄透明层厚度的干涉测量方法，其特征在于所说的第一、二步骤的实现方法包括：在所说的斜入射光束路径上设置一大相对孔径的长焦距透镜，所说的待测点位于透镜焦平面上主光轴处，平移所说的细光束，测出干涉光强极值所对应的光束平移量x_itn，计算出对应的斜入射角θ_itn。

3、如权利要求2所述的薄透明层厚度的干涉测量方法，其特征在于所说的反射相干光束路径上设置一成像光学元件及一光栏，使所说的反射干涉光束成像在所说光栏之中。

4、一种采用如权利要求2或3所述方法的LC盒厚的测量装置，包括放置待测LC盒的工作台，光电接收器及干涉信号检测部件激光器，其特征在于，所说的激光器与工作台平面垂直轴成一斜角度θ₂，还包括使激光器沿光轴平行移动的平移驱动部件及光栅位移测量部件，设置在斜入射光束光路径上的大相对孔径聚焦透镜，设置在反射干涉光束路径上的成像光学元件和一小光栏，以及附有控制与数据采集专用电路的计算机。

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