CN111998782B - 光学测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学测量基板上的不透明层的厚度的装置，所述装置包括用于光学距离测量的第一机构和用于光学距离测量的第二机构，所述第一机构设计用于测量第一基准平面和不透明层的第一表面之间的第一间距，所述第二机构设计用于测量第二基准平面和不透明层的第二表面之间的第二间距，其特征在于，用于光学距离测量的第二机构还设计用于测量第二基准平面和基板的表面之间的第三间距，其中根据第一间距和第二间距计算不透明层的厚度，其中对第三间距的测量用于计算基板的光学作用对第二间距的间距测量的影响。本发明还涉及一种用于光学测量基板上的不透明层的厚度的方法。

Description

光学测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一用于光学测量基板上的不透明层的厚度的装置。

背景技术

对于不透明层，例如利用彩色共焦或干涉测量方法，借助两侧的间距测量进行的的厚度测量作为现有技术是已知的。这种装置例如从WO2012/139571A1中已知。在两侧进行测量的情况下，借助于两个测量头分别求出该层的表面相对于基准平面的间距值，并根据这两个间距值计算该层的厚度。

如果不透明层位于基板上，则基板的折射特性影响通过基板执行的间距测量的测量值。这会导致厚度测量的失真。

发明内容

因此，本发明的目的是能够以足够的精度测量安置在透明基板上的不透明层的光学层厚度。

在此，将不透明层理解为一种材料层，这种材料层无法实现借助用于光学测量的辐射(优选可见光或红外光谱中的光)获得背离辐射入射方向的边界面的(间距)测量值。在此，背离的边界面的测量由于辐射透射不足而不可行，或者例如在材料中出现散射，所述散射使测量失真。透明的基板相应地可理解为对于所使用的辐射很大程度透明的材料。

关于测量装置，上述目的通过用于光学距离测量的第一机构实现，所述第一机构设计用于测量第一基准平面和不透明层的第一表面之间的第一间距。附加地，测量装置包括用于光学距离测量的第二机构，所述第二机构设计用于测量第二基准平面和不透明层的第二表面之间的第二间距。

根据本发明，用于光学距离测量的第二机构还设计用于测量第二基准平面和基板的表面之间的第三间距。测量装置设计用于在考虑基准平面之间的(已知的)间距的情况下根据第一间距和第二间距计算不透明层的厚度，其中第三间距的测量用于计算基板的光学作用对第二间距的间距测量的影响。

因此，基板的光学作用引起基板的折射率n>1。因此，光在基板中的传播与在空气或真空中的传播不同。介质中的光的变化的特性(射束角的变、光学路径长度和几何路径长度之间的差异、变化的光速)在光学测量距离时影响测量结果，并且必须加以考虑以消除测量结果的失真。

因此，如果不透明层位于基板上，则必须精确地已知或校准基板的厚度。在基板的厚度未知或基板的厚度变动的情况下，因此在不透明层的层厚度测量时产生不精确性。

当基板的厚度相对于理论值或平均值的变动大于在确定不透明层的厚度时的期望精度时，尤其是这种情况。例如，在n＝1.5的折射率下基板厚度改变50μm导致从基板的一侧到基板的相对一侧的路径上的光束的光学路径长度改变25μm。

如果例如借助干涉间距测量进行基准平面与不透明层的表面之间的间距测量并且测量光在此在不透明层的表面上反射之前和之后穿过基板透射，则光学路径长度的25μm的变化引起明显的间距变化，而不改变实际间距。

如果不校正该效应，则基板厚度的变化整体上引起不透明层的厚度25μm的明显变化。如果例如在确定不透明层的厚度时需要10μm的精度，则该不精确性不足以进行测量。

本发明的特征具有能够确定基板的厚度，使得显著减小了由基板的光学特性引起的不精确性的优点。借助本发明的特征甚至可以精确地在不透明层的厚度测量的位置处确定基板的厚度，使得也考虑了基板厚度的变化。

用于距离测量的第一光学机构优选地基于彩色共焦测量原理。在彩色共焦间距测量中使用包含未校正色度的光学装置的测量头，所述光学装置将测量光聚焦到测量对象的表面上。由于光学装置的彩色纵向像差，光的光谱分量聚焦在不同的焦平面中。共焦光圈确保只有焦平面准确地位于表面上的测量光的光谱分量才能够到达光谱仪，并在那里进行光谱分析。能够通过根据已知的方法分析光谱信号来求出第一基准平面和不透明层的第一表面之间的第一间距。使用彩色共焦测量原理的优点是能够以足够好的精度确定第一间距，其提供了鲁棒的方法，并且其例如针对干涉间距测量展示了成本更为有利的解决方案。

第一光源优选地发射连续的光谱，所述第一光源为用于测量距离的第一光学机构提供测量光。尤其优选地，所发射的光谱位于可见光的范围中或红外范围中。

用于测量距离的第二光学机构优选地基于干涉测量方法。在使用干涉测量方法的间距测量中，由测量对象反射的测量光与在参考臂中被至少一个第一参考镜反射的测量光干涉。反射的测量光通过干涉进行光谱调制，其中所寻求的间距值能够从调制频率中推导出。第一基准镜的位置在此有利地限定了间距测量所涉及的基准平面。将干涉测量方法用于用于距离测量的第二光学机构具有的优点是与彩色共焦测量相比，不透明层的特性(例如，散射，颜色)使在基板和不透明层之间的边界面处的测量更少地失真。

为用于距离测量的第二光学机构提供测量光的第二光源在此优选发射连续光谱。尤其优选地，发射的光谱位于在可见光范围中或红外范围中。在本发明的一个优选的实施方式中，基准臂仅包括第一基准镜。于是，为了测量第三间距，评估从由基板的朝向用于测量距离的第二光学机构的表面反射的光和由第一基准镜反射的光的干涉中产生的调制信号。随后，为了测量第二间距，评估从由不透明层的第二表面(不透明层和基板之间的边界面)反射的光和由第一参考镜反射的光的干涉中产生的调制信号。如下文阐述的那样，有利地考虑了基板的折射率和基板的厚度。可选地，通过评估调制信号进行基板厚度的直接测量，该调制信号来自由基板的朝向用于距离测量的第二光学机构的表面反射的光和由不透明层的第二表面反射的光的干涉。

在本发明的另一优选实施方式中，光在基准臂中被分割开，使得光的第一部分被引导到第一基准镜，并且光的第二部分被引导到第二基准镜，其中由第一基准镜和由第二基准镜反射的光的光学路径长度不同。

如果干涉间距测量的测量范围太小以致由不透明层的第二表面反射的光和由第一基准镜反射的光之间的光学路径长度差大于最大可测量的光学路径长度差，则使用两个基准镜尤为有意义。

借助具有两个基准镜的这种布置，可以以更好的精度同时确定第二和第三间距。通常，测量范围越小，精度越高(测量误差近似与最大可测量的光学路径长度差成正比)。例如，如果不透明层的厚度比基板薄一到两个数量级，则测量范围覆盖整个基板的用于光学距离测量的机构可能会包含测量误差，该测量误差具有与不透明层相同的数量级。在这种情况下使用用于光学距离测量的第二机构是有利的，所述第二机构如所描述的那样具有较小的测量范围并且包括两个基准镜。

对于在参考臂中将光分割开存在多种有利的选择。在一个尤其优选的实施方式中，光经由分束器(例如分束器立方体)引导，所述分束器各将光的一部分沿不同的方向引导到第一或第二镜上。在一个替选的尤其优选的实施方式中，第一基准镜是部分透光的，由此光的第一部分直接由第一基准镜反射并且光的第二部分穿过第一基准镜射到第二基准镜上并且由所述第二基准镜反射。

在一个尤其优选的实施方式中，基准臂包括玻璃板，其中光的第一部分在玻璃板的第一表面处被反射，并且光的第二部分透射过玻璃板并且由玻璃板的第二表面反射。玻璃板的第一和第二表面因此用作第一和第二基准镜。由第一表面反射的光和由第二表面反射的光之间的光学路径长度差在此通过玻璃板的厚度，即玻璃板的第一和第二表面之间的间距，以及玻璃的折射率来确定。

有利地，反射，即在第一和第二表面处反射的光的比例，分别通过涂覆一个或两个表面来改变。可以例如通过反射层提高反射(相对于未涂覆的表面)，而通过抗反射涂覆能够减少反射。特别地，能够调节由第一表面反射的光和由第二表面反射的光的强度，使得得到用于测量的最佳比例。这尤其当由不透明层的第二表面反射的光和由基板的表面反射的光的强度不同时才会是有意义的。

特别优选地，通过涂覆来调节第一基准镜(特别是玻璃板的第一表面)和第二基准镜(特别是玻璃板的第二表面)的反射，使得干涉信号的强度不同，这能够有利地用于分配参考信号。

在一个尤其优选的实施方式中，玻璃板具有与基板类似的厚度和类似的分散特性。在这种情况下，由玻璃板的第一表面反射的光与由玻璃板的第二表面反射的光之间的光学路径长度差与由不透明层的第二表面反射的光和由基板的表面反射的光之间的光学路径长度差相似。玻璃板厚度有利地与通常待测基板的厚度处于相同数量级，特别地，玻璃板的厚度为平均待测基板的0.5倍至2倍厚。

在此，在通过基板透射时光的光学路径长度的可能的相关性(所述相关性会导致测量不准确)主要通过光在透射穿过参考臂中的玻璃板时的光学路径长度的类似的相关性来补偿。

在此，为了测量第三间距值，评估了从由基板表面反射的光和由第一基准镜反射的光的干涉中产生的调制信号。以相同的方式，为了测量第二间距值，评估从由不透明层的第二表面(不透明层和基板之间的边界面)反射的光和由第二基准镜反射的光的干涉中产生的调制信号。如下文所述，在此有利地考虑了基板的折射率和基板的厚度。

为了精确确定不透明层的厚度，除了第一基准平面和不透明层的第一表面之间的间距以及第二基准平面和不透明层的第二表面之间的间距之外，还必须准确知道第一与第二基准平面之间的间距。

有利地，使用用于校准第一和第二基准平面之间的间距的机构来校准设备。校准尤其能够用于以规则的间距检测第一和第二基准平面之间的例如由温度变化引起的间距变化，进而实现对测量值的校准。

优选地为已知厚度的校准体。在此，将厚度非常精确地已知且例如能够以玻璃板或金属体形式存在的对象用作为校准体。将校准体代替测量对象引入测量设备中并且执行测量。在此，根据校准体的已知的厚度和第一基准平面和校准体的第一表面之间所测得的间距以及第二基准平面和校准体的第二表面之间的间距能够求出第一和第二基准平面的间距。

优选地，校准体的厚度类似于待测量的不透明层的厚度。

在另一个优选的实施方式中，校准体放置在基板上，该基板与放置有待测量的非透明层的基板具有相似的厚度和相似的分散特性。

在本发明的一个替选优选的实施方式中，校准体仅由透明材料、例如由没有不透明层的基板构成。在该实施方式中，借助用于光学距离测量的第一机构来确定校准体的朝向用于光学距离测量的第一机构的第一表面和第一基准平面之间的间距，并且借助用于光学距离测量的第二机构确定校准体的相同的表面和第二基准平面之间的间距。从两个间距的总和中得到第一基准平面和第二基准平面之间的间距。

借助于用于距离测量的第一和第二光学机构的距离测量基于分别由待测表面反射的测量光，其中反射光的原点位于待测表面上的特定的测量点或特定测量点周围的区域中。

位于不透明层的第一和第二表面上以及基板的表面上的测量点有利地位于一条直线上，所述直线近似垂直于提到的三个表面。用于距离测量的光学机构在不透明层或基板的相对的一侧上进行测量。

在此，测量点的位置取决于测量头的位置。有利地，两个测量头中的一个能够在与不透明层的第一和第二表面或与基板的表面正交的至少一个方向上移动。

在没有测量对象的情况下，为了定向测量头能够测量由第一光源产生并由第一测量头发送并由第二测量头接收并导向第二检测器的光量。如果如上所述那样测量点位于一条直线上，则光量为最大。

优选借助根据本发明的构造，同样可行的是对不同类型的样品进行测量。例如，在样品中通过用于光学测量距离的第一或第二机构直接测量层厚度，在所述样品中基板上的层对于用于光学测量距离的第一或第二机构的辐射至少部分是透明的。同样地，能够在无基板的情况下对不透明的样品进行传统的双侧测量，而无需调整装置。这样做的优点是能够借助根据本发明的装置测量大量不同的样品。

本发明还涉及一种用于光学测量基板上的不透明层的厚度的方法。为此，首先测量在第一参考平面和不透明层的第一表面之间的第一间距，以及对应于第二基准平面和不透明层的第二表面之间的光学间距值的测量值。另外，测量第二基准平面和基板表面之间的第三间距。将测量得到的值在考虑测量值、第三间距和基板的折射率的情况下用于计算第二基准平面和不透明层的第二表面之间的几何第二间距。然后，根据第一间距和第二间距以及校准尺寸确定不透明层的层厚度。

优选通过借助根据本发明的方法测量已知厚度的校准体来进行校准。以这种方式，能够确定校准变量并将其用于对测量对象的测量。特别优选地，例如在规则的时间间距下或者当有理由相信校准已经改变(系统的个别部件的位移，温度变化等)时，重复执行校准。

附图说明

在附图中示出：

图1示出示例性的测量装置；

图2示出第二示例性的测量装置；

图3示出第三示例性的测量装置。

对相同的部件分别使用相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地示出根据在此描述的发明的测量装置的一个实施例。用于距离测量的第一光学机构包括第一光源11和第一测量头1，所述第一测量头将由第一光源产生的测量光传导到不透明层3的第一表面s1上，接收由表面s1反射的光并传导到具有至少一个光敏元件的第一检测器12上。

第一光源优选发射连续光谱。在可见光范围内或在红外范围内发射的光谱是特别优选的。

第一检测器产生电信号，所述电信号由第一评估单元15用于确定第一基准平面E1和不透明层3的第一表面之间的第一间距a1。

测量装置还包括用于距离测量的第二光学机构，所述第二光学机构具有第二光源21和第二测量头2，所述第二测量头将由第二光源21产生的测量光传导到不透明层3的第二表面s2上(不透明层3和基板4之间的边界面)以及基板4的表面s3上。测量头接收由不透明层3的第二表面s2反射的光以及由基板4的表面s3反射的光，并将其引导至具有至少一个光敏元件的第二检测器22。第二测量头2设置在测量对象的与第一测量头1相对的一侧(不透明层3和基板4)上。

第二光源优选发射连续光谱。在可见光范围内或在红外范围内发射的光谱是特别优选的。

第二检测器22产生电信号，所述电信号由第二评估单元25用于确定第二基准平面E2和不透明层3的第二表面s2之间的第二间距a2以及第二基准平面E2和基板的表面s3之间的第三间距a3。

有利地，表面s1、s2和s3上的对光进行反射的点位于一条直线上，所述直线近似垂直于表面s1、s2和s3。用于距离测量的光学机构在不透明层3或基板4的相对点处进行测量。

由不透明层3的第二表面s2反射的测量光在透射穿过基板4时由于基板4的光学作用(折射率n＞1)而受到影响，这对测量信号产生影响并且使间距a2的测量失真，进而导致测量不准确。为了获得几何间距，必须考虑光学路径上的各个材料部段的折射率和几何形状。

对间距a3的测量用于计算校正基板的光学作用对测量信号的影响。由于由基板4的表面s3反射的光不穿过基板，因此能够以高精度在不进行计算校正的情况下确定间距值a3。特别地，间距a3的测量能够用于求出基板的厚度d2。

第二基准平面E2和不透明层的第二表面之间的测量的间距值mw2——由于基板的光学作用而与实际间距值a2不同——通过用于光学距离测量的第二机构的测量值(mw2)给出：

mw2＝a3+f(d2，n)

其中，f是已知的根据d2的与基板厚度d2和基板折射率n相关的可逆函数。

测量值mw2对应于第二基准平面E2和不透明层的第二表面s2之间的光学间距值。

测量值由于基板4的光学作用而失真。实际间距值a2作为测得的间距值a3和基板的未知厚度d2的和得出：

a2＝a3+d2

为了计算地校正基板对间距a2的距离测量的光学作用，使用间距a3的测量的间距值：

a2＝a3+f^-1(mw2-a3,n)

其中折射率n是已知的。

不透明层的厚度d1根据测量的间距a1和a2以及从第一基准平面和第二基准平面之间的间距a0得出：

d1＝a0-a1-a2

基准平面之间的间距是已知的，或者能够通过已知厚度d_kali的层的校准测量来求出：

a0＝d_kali+a1(kali)+a2(kali)

图2示意性地示出基于图1的实施例，其中，用于光学距离测量的第二机构基于干涉间距测量的原理。由第二光源21产生的多色测量光在此被分成对象光和参考光。有利地，借助于分束器进行分离。第二测量头2将对象光引导到不透明层3的第二表面s2上和基板4的表面s3上，并接收由不透明层3的第二表面s2反射的对象光和由基板的表面s3反射的对象光。

在此，对象光能够聚焦在不透明层s2的第二表面上。如果不透明层和基板的折射率仅略微不同时，借此能够抵消在不透明层的第二表面处对象光的反射中的低反射度。

参考光被导向第一基准镜23。由不透明层的第二表面s2反射的对象光和由基板的表面s3反射的对象光与由第一参考镜23反射的参考光叠加，并被导向检测器22。检测器22包括多个光敏单元，这些光敏单元以光谱分辨的方式测量由对象光和参考光的叠加产生的干涉信号。根据已知的方法，根据光谱强度的调制来推断测量值(对象光和参考光之间的路径差)。

关于间距a3的间距测量，干涉测量提供在由基板4的表面s3反射的对象光和由第一基准镜23反射的参考光之间的光学路径长度差作为结果。第一基准镜23的位置在此有利地限定了第二基准平面E2的位置：如果基板s3的表面位于第二基准平面E2中，则对象光和参考光之间的光学路径长度差刚好为零。

在这种情况下，第二基准平面E2和基板s3的表面之间的间距a3与第二基准平面E2和基板s3的表面之间的光学路径长度差相同，因为所有的光学路线都在空气中延伸，即在折射率约为1的介质中延伸。

第二基准平面E2和不透明层的第二表面s2之间的测量的光学路径长度差通过测量值mw2给出：

mw2＝a3+d2*n

由于基板4的折射率n＞1，所以几何间距值a2与所测得的光学路径长度差mw2不同，即测量值由于基板4的光学作用而失真。为了以计算方式校正基板4对间距a2的距离测量的光学作用，使用间距a3的测量的间距值：

a2＝a3+(mw2-a3)/n

其中折射率n是已知的。

如上面参考图1所描述，通过用于光学距离测量的第一机构来确定第一基准平面E1和不透明层3的第一表面s1之间的间距值a1。

用于光学距离测量的第一机构优选地是用于间距测量的彩色共焦机构或用于间距测量的干涉机构。

然后又能够根据以下公式计算不透明层的厚度d1：

d1＝a0-a1-a2。

图3示意性地示出另一实施例，其中用于对第二基准平面E2与不透明层3的第二表面s2之间的间距以及第二基准平面E2和基板4的表面s3之间的间距进行间距测量的第二光学机构如图2中那样实施为干涉距离测量装置。

在图3所示的实施例中，使用具有小测量范围的干涉间距测量，特别是具有最大可测量的光学路径长度差小于在第二参考平面E2和不透明层3的表面s2之间待确定的光学路径长度差的测量范围的干涉间距测量。

如果基板的光学厚度n*d2大于干涉间距测量的最大可测的光学路径长度差，则尤其是这种情况。为了改进间距测量的精度，使用具有较小测量范围的干涉间距测量是有利的。

为了测量间距d2，将参考光分割开；在此，一部分参考光被引导到第一基准镜23，并且另一部分被引导到第二基准镜24，其中由第二基准镜24反射的光的光学路径长度是由第一基准镜23反射的光的光学路径长度差的r倍。

第一基准镜和第二基准镜有利地实施为玻璃板5的表面。在此，参考光的一部分由玻璃板的第一表面反射，所述第一表面因此用作——半透明的——第一基准镜。参考光的第二部分由玻璃板传输并由玻璃板的第二表面反射，所述第二表面用作第二基准镜。在这种情况下，光学路径长度差r通过玻璃板的厚度dr和折射率nr给出：

r＝nr*dr

两个表面的反射率进而两个基准镜的反射率在此能够借助于合适的涂层在宽的范围内变化。这样例如能够实现用于测量间距a2的间距信号明显强于用于测量间距a3的间距信号，这有利于简化间距信号的明确分配。

如果在基准臂中未使用玻璃板，则基准镜之间的光学路径长度差r直接从它们之间相互的间距中得出。

间距a3的测量类似于图2所示的实施例。为了测量间距值a2，将由不透明层3的第二表面s2反射的对象光与由第二参考镜24反射的参考光叠加，并引导到第二检测器22。

为了根据不透明层3的第二表面s2反射的对象光和由第二参考镜24反射的参考光之间的测得的光学路径长度差mw2求出不透明层3的第二表面s2和第二参考平面E2之间的光学路径长度差，必须考虑第一参考镜23和第二参考镜24之间的路径长度差r：

a3+d2*n＝mw2+r

间距值a2可以再次根据测得的光学路径长度a3+d2*n和a3计算：

a2＝a3+(mw2+r-a3)/n

并由此得出不透明层的厚度：

d1＝a0-a1-a2

如上面参考图1所描述的那样，通过用于光学间距测量的第一机构来确定第一基准平面E1和不透明层3的第一表面s1之间的间距值a1。

用于光学间距测量的第一机构优选是用于间距测量的彩色共焦机构或用于间距测量的干涉机构。

Claims (10)

1.一种用于光学测量基板上的不透明层的厚度的装置，所述装置包括：

用于光学距离测量的第一机构(1)，所述第一机构设计用于测量第一基准平面和所述不透明层的第一表面(s1)之间的第一间距(a1)，和

用于光学距离测量的第二机构(2)，所述第二机构设计用于测量第二基准平面和所述不透明层的第二表面(s2)之间的第二间距(a2)，

其特征在于，

用于光学距离测量的第二机构(2)还设计用于测量所述第二基准平面(E2)和所述基板的表面(s3)之间的第三间距(a3)，其中根据所述第一间距(a1)和所述第二间距(a2)计算所述不透明层的厚度，其中对所述第三间距(a3)的测量用于计算所述基板的光学作用对所述第二间距(a2)的距离测量的影响。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用于光学距离测量的第一机构是彩色共焦测量仪器。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，用于光学距离测量的所述第二机构是干涉测量仪器。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述干涉测量仪器包括具有不同光学路径长度的两个基准路线。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述干涉测量仪器包括具有玻璃板的基准臂，其中具有不同光学路径长度的所述两个基准路线通过如下方式形成：所述玻璃板的两个表面起基准镜的作用。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置被校准，其中所述第一基准平面(E1)和所述第二基准平面(E2)之间的间距借助于测量透明的校准体或已知厚度(d_kali)的校准体来确定。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述干涉测量仪器是傅里叶域干涉仪。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置被重复地校准。

9.一种用于光学测量基板上的不透明层的厚度的方法，其具有如下步骤：

测量第一基准平面(E1)和所述不透明层的第一表面(s1)之间的第一间距(a1)；

测量测量值(mw2)，所述测量值对应于第二基准平面(E2)和所述不透明层的第二表面(s2)之间的光学间距值；

测量第二基准平面(E2)和所述基板的表面(s3)之间的第三间距(a3)；

在考虑所述测量值(mw2)、所述第三间距(a3)和所述基板的折射率(n)的情况下计算第二基准平面(E2)和所述不透明层的第二表面(s2)之间的几何第二间距(a2)；

根据所述第一间距(a1)和所述第二间距(a2)和校准变量(a0)计算所述不透明层的层厚度(d1)，所述校准变量是所述第二基准平面(E2)和所述第一基准平面(E1)之间的间距的量度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过如下方式确定所述校准变量(a0)：即测量已知厚度的校准体或透明的校准体。