CN111336932B - 测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统及方法 - Google Patents
测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统及方法，该系统包括光源模块、分束器、测量光路、参考光路、单色成像模块和数据处理模块；光源模块输出非偏振复色平行光束，经分束器形成两束照明光束；一照明光束进入测量光路，汇聚入射至待测样品；待测样品表面的反射光束通过测量光路和分束器，由单色成像模块进行第一光学显微图像采集；另一照明光束进入参考光路，汇聚入射至参考样品；参考样品的反射光束经由参考光路和分束器，由单色成像模块进行第二光学显微图像采集；数据处理模块对不同波长对应的第一、第二光学显微图像进行处理得到差分反射显微光谱。本发明实现对光强漂移的实时测量，基于差分光学测量，有效抑制共模误差。
Description
技术领域
本发明涉及纳米薄膜厚度的光学原位表征技术领域及纳米结构测试技术领域，尤其涉及一种测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统及方法。
背景技术
纳米薄膜厚度的原位测试与纳米结构的光学表征与测试方法在其工艺研究与改进中占据重要的地位。其中，差分反射光学技术测量纳米薄膜表面反射引起的反射率变化，利用光学模型对膜厚、形貌等进行研究分析。
当前差分反射光学测量系统以光谱信号测量为主，无参考光路，需要分别对衬底、衬底和纳米薄膜的组合进行两次测量，导致测量信号随光强的漂移非常明显，同时并不具有显微或微区域差分反射信号的测量能力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统及方法，以解决以上所提出的技术问题中的至少之一。
根据本发明的一个方面，提供了一种测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统，包括光源模块、分束器、测量光路、参考光路、单色成像模块和数据处理模块，其中：
光源模块，用于产生非偏振可见复色平行光束并输出；
分束器，用于将所述光源模块的输出光分为测量光束和参考光束，分别进入测量光路和参考光路中；
测量光路，用于将测量光束汇聚入射至待测样品上形成光斑以实现临界照明，并使被待测样品反射的反射光返回至所述分束器后进入所述单色成像模块；
参考光路，用于将参考光束汇聚入射至参考样品上形成光斑以实现临界照明，并使被参考样品反射的反射光返回至所述分束器后进入所述单色成像模块；
单色成像模块，用于分别对被待测样品反射的反射光进行不同波长的单色光强图像采集，得到第一光学显微图案；以及分别对被参考样品反射的反射光进行不同波长的单色光强图像采集，得到第二光学显微图像；
数据处理模块，用于对每一波长下第一光学显微图像和第二光学显微图像的各个像素的光强数据进行运算来获取差分反射显微图像，由不同波长的所述差分反射显微图像组成差分反射显微光谱来测量纳米薄膜厚度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种利用如上所述的显微式差分反射光谱测量系统进行纳米薄膜厚度测量的方法，包括以下步骤：
步骤A：获得包含纳米薄膜和基底的待测样品，并选用与待测样品基底相同批次的样品作为参考样品，调整单色成像模块的采集波长以匹配待测样品对一测量光波长的需求；
步骤B：控制测量光路和参考光路的通断，以利用所述单色成像模块分时采集待测样品和参考样品的单色光强图像，即第一光学显微图像和第二光学显微图像；
步骤C：结合所述第一光学显微图像和第二光学显微图像中每个像素的光强数据，通过运算获取当前波长的差分反射显微图像；
步骤D：多次调整单色成像模块的采集波长，重复步骤A至步骤C，得到不同波长下的差分反射显微图像，组成所述待测样品表面的差分反射显微光谱；
步骤E：利用所述差分反射显微光谱来获取所述待测样品表面的纳米薄膜的厚度。
从上述技术方案可以看出，本发明一种测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)利用参考光路可有效降低光强漂移引起的测量误差。
(2)能够实现对样品表面光学反射率变化的显微测量。
(3)光路结构简单，扩展性好，光器件互换性好，物镜可据需要更换。
附图说明
图1为本发明实施例测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统的示意图；
图2为本发明实施例测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量方法的流程框图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1-白光光源； 2-光纤；
3-准直镜； 4-分束器；
5-第一快门； 6-第一物镜；
7-待测样品； 8-滤光片；
9-筒镜； 10-单色相机；
11-第二快门； 12-第二物镜；
13-参考样品。
具体实施方式
本发明提供了一种测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统及方法，将光源输出的光通过分束器分别进入测量光路和参考光路中，分别对待测样品和参考样品进行测量，可以实现对光强漂移的实时测量，有效降低测量误差，并且通过测量光路和参考光路的设计实现待测样品和参考样品的显微光谱测量。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
具体地，作为一示例性实施例，本发明提供了一种测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统，可对样品的差分反射光学信号进行显微光谱测量，包括光源模块、分束器、测量光路、参考光路、单色成像模块和数据处理模块；其中，光源模块输出非偏振可见复色平行光束；分束器将该平行光束经分束器分为两束照明光束，其中一束照明光束作为测量光束进入测量光路，另一束作为参考光束进入参考光路；测量光路将测量光束汇聚入射至待测样品上形成光斑，实现临界照明，并使待测样品反射的反射光返回至分束器后进入单色成像模块；参考光路将参考光束汇聚入射至参考样品上形成光斑以实现临界照明，并使被参考样品反射的反射光返回至分束器后进入单色成像模块；单色成像模块，分别对被待测样品反射的反射光或被参考样品反射的反射光进行不同波长的单色光强图像采集，得到第一、第二光学显微图像；数据处理模块，对每一波长下第一光学显微图像和第二光学显微图像的各个像素的光强数据进行运算来获取差分反射显微图像，由不同波长的差分反射显微图像组成差分反射显微光谱来测量纳米薄膜厚度。本发明基于差分光学测量方法，有效抑制共模误差。
图1为本发明实施例显微式差分反射光学测量系统的示意图。如图1所示，光源模块包括：白光光源1、光纤2和准直镜3。这里白光光源1可选用多通道LED光源，但并不局限于此。光纤2可选用纤芯直径为450微米以上的多模光纤。准直镜3可选用反射式准直器。分束器4可选用1:1非偏振分光镜。
测量光路包括第一快门5和第一物镜6，参考光路包括第二快门11和第二物镜12；其中：第一快门5和第二快门11可选用电动快门；第一物镜6和第二物镜12可选用同批次的10倍复消色差显微物镜。
单色成像模块包括滤光片8、筒镜9和单色相机10，其中：滤光片8可选用优质带通滤光片；筒镜9可以选用与第一物镜匹配的筒镜；单色相机10可选用低噪声科研级CMOS相机。
白光光源1的出射光经由光纤2与准直镜3变为平行光束，此平行光束入射分束器4后，由分束器4产生的反射光束通过第一快门5后由第一物镜6汇聚入射到待测样品7表面；待测样品7表面反射的光束经过第一物镜6后经由分束器4后的透射光束经过滤光片8和筒镜9后，汇聚成像于单色相机10；准直镜3出射的平行光束由分束器4产生的透射光束通过第二快门11后由第二物镜12汇聚入射到参考样品13表面；参考样品12表面反射的光束经过第二物镜12后经由分束器4后的反射光束经过滤光片8和筒镜9后，汇聚成像于单色相机10。可以理解，在其他实施例中，参考光路和测量光路在图1中的位置可以互换。
数据处理模块可以包括各种形式的计算设备，例如通用计算机、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等，具体可以通过加载存储于存储装置中的程序、代码段等，来按如上所述的各种方法流程工作，以实现差分反射显微光谱测量。
本发明的光谱测量范围为400～850nm，样品测试区域直径为0.5～1mm，横向光学分辨力优于2微米。
本发明还提供了利用如上所述的显微式差分反射光谱测量系统进行纳米薄膜厚度测量的方法，图2为本发明实施例测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量方法的流程框图。如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤A：获得包含纳米薄膜和基底的待测样品，并选用与待测样品基底相同批次的样品作为参考样品，选用合适的滤光片8来调整单色成像模块的采集波长，以匹配待测样品对一测量光波长的需求；
步骤B：控制测量光路和参考光路的通断，以分时采集待测样品和参考样品的单色光强图像；
具体包括：子步骤B1：关闭第一快门5，打开第二快门11，测量参考样品13的单色光强图像，即为第二光学显微图像；子步骤B2：打开第一快门5，关闭第二快门11，测量待测样品7的单色光强图像，即为第一光学显微图像；
步骤C：对第一、第二光学显微图像每个像素的光强数据进行运算，获取当前波长的差分反射显微图像；
具体包括：子步骤C1：根据以下公式进行运算得到待测样品在每个像素处的反射率相对于参考样品的相对变化量：
其中，
表示待测样品在一像素处的反射率相对于参考样品的相对变化量；Ref表示参考样品的第二光学显微图像在该像素处的光强数据；Test表示待测样品的第一光学显微图像在该像素处的光强数据；子步骤C2：将子步骤C1得到的每个像素的运算结果按原位置排列构成当前波长的差分反射显微图像；
步骤D：更换不同波长的滤光片8，从而调整单色成像模块的采集波长，重复步骤A至步骤C，得到不同波长下的差分反射显微图像，组成待测样品表面的差分反射显微光谱。
步骤E：利用所述差分反射显微光谱来获取所述待测样品表面的纳米薄膜的厚度。
本步骤采用现有技术中利用差分反射光谱获取纳米薄膜厚度的方法，具体来说，可通过建立仿真模型，在纳米薄膜折射率已知的情况下，通过待测样品的差分反射显微光谱测量值，反演出纳米薄膜的厚度，由于不涉及本发明的创新点，在此不作赘述。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
综上所述，本发明能够实现对样品差分反射信号变化的显微式光谱测量。本发明中参考光路的设置实现对光强漂移的实时测量，有效降低测量信号的误差。通过分束器的设置，将测量(参考)光路中的入射光与出射光重合，便于调整实际工作距离，以及应用不同倍率的显微物镜，实现差分反射信号的显微式光谱测量。
还需要说明的是，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种测量纳米薄膜厚度的显微式差分反射光谱测量系统，包括光源模块、分束器、测量光路、参考光路、单色成像模块和数据处理模块，其特征在于：
光源模块，用于输出非偏振可见复色平行光束；
分束器，用于将所述光源模块的输出光分为测量光束和参考光束，分别进入测量光路和参考光路中；
测量光路，用于将测量光束汇聚入射至待测样品上形成光斑以实现临界照明，并使被待测样品反射的反射光返回至所述分束器后进入所述单色成像模块；
参考光路，用于将参考光束汇聚入射至参考样品上形成光斑以实现临界照明，并使被参考样品反射的反射光返回至所述分束器后进入所述单色成像模块；
单色成像模块，用于分别对被待测样品反射的反射光进行不同波长的单色光强图像采集，得到相应的第一光学显微图像；以及分别对被参考样品反射的反射光进行不同波长的单色光强图像采集，得到相应的第二光学显微图像；
数据处理模块，用于对每一波长下所述第一光学显微图像和第二光学显微图像的各个像素的光强数据进行运算来获取差分反射显微图像，由不同波长的所述差分反射显微图像组成差分反射显微光谱来测量纳米薄膜厚度。
2.根据权利要求1所述的显微式差分反射光谱测量系统，其特征在于：
所述测量光路包括第一快门和第一物镜，其中：
第一快门，用于控制测量光路中测量光束的通断；
第一物镜，用于实现临界照明和光学显微功能；
所述参考光路包括第二快门和第二物镜，其中：
第二快门，用于控制参考光路中光束的通断；
第二物镜，用于实现临界照明和光学显微功能。
3.根据权利要求2所述的显微式差分反射光谱测量系统，其特征在于，所述单色成像模块包括滤光片、筒镜和单色相机，其中：
滤光片，用于对所述被待测样品反射的反射光或被参考样品反射的反射光进行单色光滤波；
筒镜，用于将所述被待测样品反射的反射光或被参考样品反射的反射光汇聚入射至所述单色相机，所述筒镜与所述第一物镜或第二物镜构成无限远校正成像系统；
单色相机，位于所述筒镜的焦点处，对待测样品或参考样品单色成像。
4.根据权利要求1所述的显微式差分反射光谱测量系统，其特征在于，所述光源模块包括光源、光纤和准直镜，其中：
光源，用于输出非偏振复色光；
光纤，用于传导所述光源的光；
准直镜，用于将所述光纤输出的光调整为平行光束。
5.根据权利要求1所述的显微式差分反射光谱测量系统，其特征在于，所述分束器为1:1非偏振分光镜。
6.根据权利要求2所述的显微式差分反射光谱测量系统，其特征在于，所述第一物镜与第二物镜为相同型号和批次。
7.根据权利要求1至6任一项所述的显微式差分反射光谱测量系统，其特征在于，测试光斑直径为0.5～1mm，光学分辨力优于2μm，光谱测量范围为400～850nm。
8.一种利用如权利要求1至6任一项所述的显微式差分反射光谱测量系统进行纳米薄膜厚度测量的方法，包括以下步骤：
步骤A：获得包含纳米薄膜和基底的待测样品，并选用与待测样品基底相同批次的样品作为参考样品，调整单色成像模块的采集波长以匹配待测样品对一测量光波长的需求；
步骤B：控制测量光路和参考光路的通断，以利用所述单色成像模块分时采集待测样品和参考样品的单色光强图像，即第一光学显微图像和第二光学显微图像；
步骤C：结合所述第一光学显微图像和第二光学显微图像中每个像素的光强数据，通过运算获取当前波长的差分反射显微图像；
步骤D：多次调整单色成像模块的采集波长，重复步骤A至步骤C，得到不同波长下的差分反射显微图像，而组成所述待测样品表面的差分反射显微光谱；
步骤E：利用所述差分反射显微光谱来获取所述待测样品表面的纳米薄膜的厚度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤B具体包括以下子步骤：
子步骤B1：关闭所述测量光路中的第一快门，并打开所述参考光路中的第二快门，以采集参考样品的单色光强图像；
子步骤B2：打开所述测量光路中的第一快门，并关闭所述参考光路中的第二快门，以采集待测样品的单色光强图像；其中子步骤B1和B2的执行并不限定先后顺序。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤C具体包括以下子步骤：
子步骤C1：根据以下公式进行运算得到待测样品在每个像素处的反射率相对于参考样品的相对变化量：
其中，
表示待测样品在一像素处的反射率相对于参考样品的相对变化量；Ref表示参考样品的第二光学显微图像在所述像素处的光强数据；Test表示待测样品的第一光学显微图像在所述像素处的光强数据；
子步骤C2：将子步骤C1的运算结果按像素位置排列构成当前波长的差分反射显微图像。
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