CN113048895B - 探测反射光变化的装置、方法及膜厚测量装置 - Google Patents

探测反射光变化的装置、方法及膜厚测量装置 Download PDF

Info

Publication number
CN113048895B
CN113048895B CN202110241306.6A CN202110241306A CN113048895B CN 113048895 B CN113048895 B CN 113048895B CN 202110241306 A CN202110241306 A CN 202110241306A CN 113048895 B CN113048895 B CN 113048895B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light beam
reflected light
pupil
incident
field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110241306.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113048895A (zh
Inventor
王奇
李仲禹
王政
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Precision Measurement Semiconductor Technology Inc
Original Assignee
Shanghai Precision Measurement Semiconductor Technology Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Precision Measurement Semiconductor Technology Inc filed Critical Shanghai Precision Measurement Semiconductor Technology Inc
Priority to CN202110241306.6A priority Critical patent/CN113048895B/zh
Publication of CN113048895A publication Critical patent/CN113048895A/zh
Priority to TW111100537A priority patent/TWI801081B/zh
Priority to KR1020220019290A priority patent/KR20220125160A/ko
Application granted granted Critical
Publication of CN113048895B publication Critical patent/CN113048895B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0625—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0641—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of polarization
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0675—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating using interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/8422—Investigating thin films, e.g. matrix isolation method

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提出了一种探测反射光变化的装置、方法及膜厚测量装置，该装置包括至少一探测光源，用于产生入射光束；至少一光瞳分割系统，用于将入射光束场强进行分割使其在光瞳分割系统第一表面形成为第一场强分布；将具有第三场强分布反射光束使其在光瞳分割系统第二表面形成为第四场强分布；至少一光路准直系统，用于将入射光束聚焦至待测体表面形成为第二场强分布；接收反射光束于光瞳分割器的第一表面形成为第三场强分布。按照本发明的装置及方法，在入射光路上设置瞳面分割，进一步对入射光和反射光使用同一光路器件，通过调整入射探测光光束的场强分布或透镜组视场范围，同样可以调制目标出射探测光光斑的场强分布，提高探测器信噪比。

Description

探测反射光变化的装置、方法及膜厚测量装置
技术领域
本发明属于声光量测系统，主要用于检测金属膜、介质膜的测量，具体来说，涉及一种探测反射光变化的装置及方法。
背景技术
目前现有技术中的声光量测主要基于如下：短脉冲激光照射在膜样品表面，膜样品吸收光子产生热弹性变形，表面形成形变区；热弹性变形产生声波在固体表面及内部传播；纵向声波传播到界面(基底或膜与膜的交界)处产生第一次回声信号；第一次回声信号到达上表面，使形变形貌进一步发生变化；回声信号碰到上表面后又回弹，回弹碰到界面后产生第二次回声信号；第二次回声信号到达上表面，使鼓包形貌再次发生变化，如图1中的设计意图中所示，当然回声信号也可能包括三次以上。通过光探测器获取由形貌变化导致的入射光束的反射率变化，从而可获取两次反射率变化时间间隔，由此可计算得到膜样品厚度值。
而在具体的测量装置设置上，如图2中所示，泵浦光源1入射到待测膜2的表面产生形变区4，将入射探测光5a打在形变区4上，由于回声回传时膜层表面的形变区形貌会发生变化，由于会导致形变区在回声信号的到达之时所产生的进一步形变会对反射探测光5b产生影响，这种影响配合接收端的光学元件的使用，可能是幅度或者相位等各种影响，一般来说，探测模块6获取形貌变化导致的光反射幅度的变化，从而可获取的光信号幅度变化的时间间隔，通过膜厚计算公式得到膜厚值，如图2和图3的示意图中所示，由此，探测反射探测光5b的变化对提高光声探测装置精度的影响尤其重要。
如图4中所示，为现有技术中的一种分析反射探测光的技术，经过形变区4区域反射的探测光5b会被第一反射镜6c反射一半尺寸的圆形光斑(反射镜6c的位置设置尤其重要，其对反射光的反射光斑场强有筛选作用)，这部分会继续被第二反射镜6d反射至第二探测器6a中，而未被第一反射镜6c反射的另一半尺寸的圆形光斑会直接进入到第一探测器6b中。其中第一反射镜6c是被电机调整到目标位置，在无激发形变时探测器6a与6b接收到的光具有确定的光强比例，如1：1，但是当形变4区域发生激发形变产生回声震荡，反射探测光5b会发生时间相关性的微小角度变化，此时由于第一反射镜6c对光斑场强的分割作用不再是存在设定比例的关系，由于这种微小的角度变化导致此时探测器6a和6b的光强读数发生变化，通过多次实验可模拟计算反射探测光5b角度的变化与两者光强读数变化的影响，进而可以计算反射探测光5b角度的变化和光强的变化之间的关系，通过测得多次回声信号时间差便可计算出膜厚值。
但是，在上述的技术方案中，存在如下的问题：第一方面的问题是所应用光学系统的第一反射镜6c位置调整精度要求极高，并且对其稳定性也要求极高，该光学元件承担了对光线光斑场强分光的作用，对光路准直性和稳定性的要求较高，光路组装较为困难；第二方面是体现在光路的复杂性上，分别需要组装第一反射镜6c和第二反射镜6d，并且为满足一定角度内入射的光线都能够被有效反射折射，两者之间的平行准直和场强交错也需要被精确调整和设计，同时在检测出射光端还需要2个探测器，光学元件的使用增多也会导致成本增加；第三方面体现在探测精度上，由于对光路采用了分光，使得透射反射光进一步损耗，在反射探测光由于形变区造成的入射角度偏差所造成的光斑能量分解的变化率更难被检测，由此探测信噪比低，约为百万分之一，并且对入射光束腰发散角要求极高。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种探测反射光变化的装置及方法，在探测光的入射光束上设置瞳面，对瞳面进行分割，提高探测器信噪比，结构简单，易于工程实现，减少探测器数量，降低成本。
为解决上述技术问题，本发明首先提出了一种探测反射光变化的装置，其特征在于，所述装置包括：
至少一探测光源，用于产生小角度斜入射的入射光束，所述小角度为0-30度范围内的入射角；
至少一光瞳分割系统，设置于入射光束和反射光束传输路径上，包括第一表面和第二表面，用于将所述入射光束场强进行分割使其在所述光瞳分割系统第一表面形成为第一场强分布；还用于将具有第三场强分布的反射光束进行分割使其在所述光瞳分割系统第二表面形成为第四场强分布；
至少一光路准直系统，设置于靠近所述光瞳分割系统的所述第一表面的一侧，用于将通过所述光瞳分割系统后的入射光束聚焦至待测体表面形成为第二场强分布；还用于接收自身视场范围内准直反射光束于所述光瞳分割系统的第一表面形成为第三场强分布；
至少一探测器，用于探测通过所述光瞳分割系统后的反射光束以获取反射光束的光强；
解析装置，用于对所述反射光束时间相关性光强变化信息进行解析。
进一步地，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。
进一步地，所述光瞳分割系统包括位于同一水平面的第一光瞳分割器和第二光瞳分割器，所述第一光瞳分割器用于将所述入射光束进行场强分割以形成第一场强分布的入射光束；所述第二光瞳分割器用于将第三场强分布的反射光束进行场强分割以形成第四场强分布的反射光束，所述第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数。
进一步地，所述第一光瞳分割器及所述第二光瞳分割器为同一光瞳分割器。
进一步地，所述光路准直系统包括位于同一水平面的第一准直光学元件和第二准直光学元件，所述第一准直光学元件用于准直汇聚具有第二场强分布的入射光束照射于待测体表面；所述第二准直光学元件用于接收自身视场范围内第二场强分布的反射光束并准直以形成具有第三场强分布的反射光束照射于光瞳分割系统第一表面。
进一步地，所述第一准直光学元件及所述第二准直光学元件为同一准直光学元件。
进一步地，所述光瞳分割系统设置有多个不同类型通光部的结构，所述不同类型通光部具有光通量的差别，以使得所述入射光束或反射光束的场强被所述多个不同类型通光部的结构扰动分割。
进一步地，所述光瞳分割系统设置有多个通光部和多个约束通光部的结构，以使得所述入射光束或反射光束的场强被所述多个通光部和多个约束通光部的结构扰动分割。
进一步地，其特征在于，所述光瞳分割系统对所述入射光束场强进行分割的区域与对所述反射光束进行分割的区域为轴对称结构。
本发明还公开了一种探测反射光变化的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
提供一入射光束，在所述入射光束传输路径上侧依次设置至少一光瞳分割系统和至少一光路准直系统，所述入射光束以0-30度范围内的小角度斜入射至所述光瞳分割系统(7)；
使用所述光瞳分割系统将所述入射光束场强进行分割使其在所述光瞳分割系统第一表面形成为第一场强分布；再通过所述光路准直系统将所述入射光束聚焦至待测体(4)表面形成为第二场强分布；
使用所述光路准直系统接收自身视场范围内准直反射光束于所述光瞳分割系统的第一表面形成为第三场强分布；再通过所述光瞳分割系统调整所述反射光束(5b)使其在所述光瞳分割系统第二表面形成为第四场强分布；
解析所述入射光束通过所述待测体反射后的反射光束时间相关性光强变化获得反射光束变化信息。
进一步地，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。
进一步地，所述光瞳分割系统(7)设置有多个不同类型通光部的结构，所述不同类型通光部具有光通量的差别，以使得所述入射光束(5a)或反射光束(5b)的场强被所述多个不同类型通光部的结构扰动分割。
本发明还公开了一种膜厚测量装置，其特征在于，包括：
猝发单元，在一个时间点从待测膜的上表面向下底面猝发多个激励源，以使所述待测膜上表面产生至少一形变区域；
提供如上所述的探测反射光变化的装置，获取所述形变区域对应反射光束的信号强度峰值变化信息；
计算单元，根据峰值对应的时间间隔计算出待测膜的厚度。
相对于背景技术而言，本发明所涉及的技术方案，在技术效果上第一方面由双光束修改为单光束，不再采用双光束的检测方法，能够显著减小光学检测系统的复杂性；第二方面采用了光瞳分割方案，该方案通过光学系统的分析获得提高信号变化率检测的重要方面，入射场强、光瞳分割、光学准直聚焦元件的场强等相关参数，从而设计优化本检测方案，能够显著提高反射光的变化检测率。
附图说明
图1为现有技术中的声光测量系统的整体工作原理图；
图2为按照现有技术中进行声光测量技术的回声测量的探测光路结构示意图；
图3为按照现有技术中的回声测量的两次回声测量时间差的示意图；
图4为按照现有技术中的声光测量系统的光学光路结构示意图；
图5为按照本发明实现的声光测量装置的光路结构示意图；
图6为按照本发明实现的其中一种光瞳分割器具体实施方案的示意图；
图7为按照本发明实现的一种光瞳分割器成像信息示意图；
图8为不产生光瞳分割的光斑与反射角度变化之间对应的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
猝发单元(泵浦光源)-1；待测膜-2；待测膜上表面-3a；待测膜下底面-3b；待测膜形变区-4，入射光束-5a；反射光束-5b；现有声光测量系统探测模块-6；第一探测器-6a；第二探测器-6b；第一反射镜-6c；第二反射镜-6d；光瞳分割系统-7；光路准直系统-9；探测器-10。
具体实施方式
应理解，以下为本实施例的不同特征的许多不同的实施例或例子。以下描述的构件与安排的特定例子，以简化说明实施例。当然，这些仅仅是例子而不是用以限制具体的实施方式。按照本发明的其中一种实施方式，本发明首先提出了一种声光探测中获得反射光探测角度变化的装置与方法，能够显著提高探测光角度变化的测量精度，显著提高测量信噪比。
按照本发明实现的探测反射光变化的装置及方法，入射光束5a以一小夹角入射一光瞳分割系统7，其中该夹角为入射光束5a的入射方向与薄膜待测膜2表面3垂直方向的夹角，该夹角大小可分布于0-30度范围内，之后被光路准直系统9汇聚准直后入射样品由于泵浦光源1所造成的待测膜2表面3中所形成的形变区4上，发生反射后的反射光束5b通过同一光路准直系统9后经过同一光瞳分割系统7之后达到探测器10，从而展开探测光的相关分析获得待测膜2的测量结果。
进一步地，入射光束5a以一小夹角入射一光瞳分割系统7，并在光瞳分割系统7下表面形成为第一场强分布，设置于光瞳分割系统7光路后的透镜组9再将入射光束5a汇聚至形变区4表面形成为第二场强分布，该入射光束5a经形变区4表面发生反射，同一光路准直系统9接收自身视场范围内所能接收的准直反射光束5b于同一光瞳分割系统7下表面，并形成为第三场强分布，其中第三场强分布特征接近第一场强分布特征；光瞳分割器7接受反射光束5b后，基于第三场强分布在光瞳分割系统7上表面形成为第四场强分布并反射至探测器10，探测器10用于探测经过光瞳分割系统7后的反射光束5b，以获取反射光束5b的光强。由于泵浦光源1在待测膜2形成回声，该回声传播至形变区4，对具有第二场强分布的入射光束5a形成干扰形成反射光束5b，由此经过光瞳分割系统7后的反射光束5b也会受回声干扰，故探测器10可探测到回声引起的时间相关性光强变化；解析装置，再对该反射光束5b时间相关性光强变化信息进行解析，获得反射光束信号变化。
进一步地，光瞳分割系统7包括位于同一水平面的第一光瞳分割器和第二光瞳分割器，第一光瞳分割器用于将所述入射光束5a进行场强分割以形成第一场强分布的入射光束5a；所述第二光瞳分割器用于将第三场强分布的反射光束5b进行场强分割以形成第四场强分布的反射光束5b，所述第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数。更进一步地，如图5所示，第一光瞳分割器及第二光瞳分割器为同一光瞳分割器7。
进一步地，光路准直系统9包括位于同一水平面的第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组用于准直汇聚具有第二场强分布的入射光束5a照射于待测体4表面；第二透镜组用于接收自身视场范围内第二场强分布的反射光束5b并准直以形成具有第三场强分布的反射光束5b照射于光瞳分割系统7第一表面。更进一步地，如图5所示，第一透镜组及第二透镜组为同一透镜组9。对于上述的整体实现反射光角度测量的光学系统，其中所涉及的光学元器件中泵浦光源1也称激发光源，除Nd：YAG激光器之外的光源可用于光学激发薄膜，在具体的实施方式中，激光器也可以包括Nd：YLF，离子(例如氩和氪)，Ti：蓝宝石，二极管，CO2，钬，准分子，染料和金属蒸气激光器等，上述泵浦光源1的作用是在样品表面产生形变区4，其波长、所产生激光脉冲能源、周期以及光束腰部的参数，可以根据待测膜2的薄膜的特性，以及其激光本身的特性来进行设计。在其它的一些研究中，通常通过在泵浦光源1之后设置衍射元件，将泵浦光源1进行转化为带有衍射图案的光源入射待测膜2的表面3，在这种基础之上，与聚焦的光斑所产生的鼓包不同，会产生有与衍射图案对应的形变，所形成的声光效应的变化会更复杂，也会更容易受到干扰而产生变化。
另外，对于本发明所涉及方案的具体实施方式中，泵浦光源1的类型，和是否与探测入射光束5a的入射角度一致，并不做严格的限定，在整个光学检测系统中，通常也通过同时采集泵浦光的脉冲来作为泵浦光与探测入射光束5a泵浦与检测触发的参考信号源。
类似地，以上与泵浦光源1类似的除了二极管激光器之外的光源可以选作探测激光器，可用于产生入射光束5a的脉冲光源包括Q开关Nd：YAG，Nd：YLF，Ti：蓝宝石，二极管，CO2，钬，准分子，染料和金属蒸气激光器等。而本发明的设计方案中所涉及的入射探测光5a对波长范围也具有较强的适应性，并不做严格的限定，但是对入射光束5a的准直性建议要求较高，使之与光学系统中的其它光学元件的场强权衡配合设计。
作为本发明的重要改进之一，为在探测光路中使用光瞳分割系统7，其中，上述光瞳分割方案中，首先需要采用光瞳分割系统7为相对于入射探测光束5a的场强设置有多个不同类型通光部的结构，该不同类型通光部具有光通量的差别，以使得入射光束5a或反射光束5b的场强被多个不同类型通光部的结构扰动分割。进一步地，光瞳分割器7具有至少两个通光部、限制光通光部结构的光学元件，其通光部可以为一维结构(x横向分割或y纵向分割或斜向分割)，或二维结构(任何形状的网格式分割或任何图案式分割)，作为二维结构时，又可为均匀分割或非均匀分割，都具有同原理提高信噪比作用，其中上述通光部和限制光通光部优选为在相对于入射光束5a光斑方向上具有尽可能多的分割结构为佳。
如图6中所示，为按照本发明的图5所示的一种光瞳分割器的实施方式，为具有通光部和限制通光部为条状的结构，整体的光瞳分割器7为直径为D的圆盘状结构，其中限制光通量的部分为不透光的材料，其中本实施例中周期条状结构为通光宽度为a,限制光通量的宽度为b,整个周期结构的宽度为d，入射探测光5a经过该光瞳分割器7之后，对该入射光束5a场强进行分割，经过透镜组9之后光瞳分割器7成像汇聚于形变区4上，被薄膜结构光反射，再经透镜组9和光瞳分割器7透射后最终被探测器10接收，反射光束5b会受到形变区4的回声扰动而发生变化，故探测器10可探测到回声引起的时间相关性光强变化，即反射光束5b信号变化。更进一步地，这种变化第一方面会体现在光阑发生一定程度的光强变化，第二方面可能会体现在光阑的像受到扰动后在探测器10成像部位的位置偏差，光阑的条状像会在探测器的成像位置上发生微小的位置偏差。最终被解析之后光强变化和成像位置偏差所形成的信号变化相较于图8中所示的圆形光斑的偏差，会携带关于扰动的更加多维的信息，从而获得更加精确的检测结果。
进一步优选地，该反射光束5b会经过光瞳分割器7的另外一部分，按照图5所示的的实施方式，光瞳分割器7为一整体器件，并且为左右对称，由于透镜组9在光路系统中也优选为相同的相互对称的光学元件，这部分的入射光光阑像恰好与出射光的光阑的通光部与限制光部重合，或者发生些微的遮挡，而在光声扰动产生信号的变化之后，这种重合或者轻微的遮挡信号会发生变化，分析探测器10光强变化信息可获得更多信息。
当然，在以上的情况中，光瞳分割器7为一整体器件，可以显著节省光学系统的元件，简化光路，除了优选为左右对称的结构，上述光学元件可为不对称的结构，此时，入射光光阑像恰好与出射光的光阑的通光部与限制光部交叉，形成具有二维信息的图案成像，这种不对称的结构可能会在器件制备的时候增加工艺困难。
进一步地，其中光瞳分割器7与透镜组9的位置选择，其中在光学系统搭建调试过程中，以光瞳分割器7的清晰成像能照射于形变区4的表面为优选，不在焦点的模糊成像会显著增加成像图案分析的难度。
总之，上述光瞳分割方案中，首先需要采用光瞳分割器7为具有至少两个通光孔、限制光束通量的光学元件，其可以为一维光栅(x横向光栅分割，y纵向光栅分割，斜向分割)，或二维光栅(任何形状的网格式分割或任何图案式分割)，又可为均匀光栅分割或非均匀光栅分割，都具有同原理提高信噪比作用。利用一组光学透镜组，一个光瞳分割器，可大大缩小空间尺寸需求和成本，如图7中的，示出分割后的光阑图案比较的效果示意图，在光路系统作用下光瞳分割器8的像会覆盖到其本身下表面上。当反泵浦光源1产生鼓包，回声引起反射探测光5b角度变化，则光瞳分割器7左半侧的像会和右半侧的光瞳分割器7右半侧产生错位，进而得到进入到探测器10的光强会发生时间相关性的变化，且信噪比远高于现有方案。
作为本发明的重要改进之一，光瞳分割系统7对入射光束5a场强进行分割的区域与对反射光束5b进行分割的区域为轴对称结构。当光瞳分割系统7为同一水平面的第一光瞳分割器和第二光瞳分割器，则第一光瞳分割器和第二光瞳分割器相对于入射光束5a和反射光束5b呈轴对称。按照图5所示的的实施方式，光瞳分割器7为一整体器件，则入瞳的入射光路和出瞳的出射光路为轴对称。
作为本发明的重要改进之一，入射光束5a带有小角度入射光瞳分割系统7，其中上述角度优选为与垂直于薄膜平面的方向成约0°～30°，太大角度的成像不利于场强范围的控制，太小的入射角度不利于区分入射与反射光，尤其是在本发明优选实施例中光瞳分割器7和透镜组9为整体元件的情况之下，具体如图5中所示。进一步地，该角度是通过探测反射光变化的装置中各元件的光学参数及距离计算获得。
作为本发明的重要改进之一，为提高信噪比，理论推导调整入射探测光光束的场强分布或镜组视野范围，同样可以调制目标出射探测光光斑的场强分布，提高探测器信噪比。按照图5所示的的实施方式，入射光束5a经过光瞳分割器7后会在形变区4表面产生反射光束5b，其过程为傅里叶转换，即光瞳分割器7上表面入射光束5a的场强分布为U(x0,y0)，随后入射光束5a在形变区4表面的场强变换为第二场强分布U(x1,y1)，即
Figure BDA0002962285810000081
调制光瞳分割器7的孔径函数A(x0,y0)，可以得到入射光束5a在形变区4表面的场强分布为U(x1,y1)，透镜组9将视野范围内的部分场强分布U(x1,y1)的反射光束5b接收，由于对称光路系统，反射至光瞳分割器7下表面反射光束5b场强分布为第三场强分布U(x2,y2)大小会近似为入射光束5a经过光瞳分割器7下表面的第一场强分布U(x′0,y′0)。则通过调制光瞳分割器7的孔径函数A(x0,y0)可以实现得到第四场强分布U(x2,y2)的反射光束5b。而第四场强分布U(x2,y2)的反射光束5b和光瞳分割器7的孔径函数A(x0,y0)再发生叠加错位可得到高信噪比信号变化。
更进一步地，入射光束5a在光瞳分割器7上表面原始场强分布为U(x0,y0)，经过孔径函数A(x0,y0)，在光瞳分割器7下表面形成第一场强分布U(x′0,y′0)为
Figure BDA0002962285810000082
入射光束5a到达形变区4表面第二场强分布为：
Figure BDA0002962285810000083
入射光束5a到达形变区4表面场强分布为U(x1,y1)，位于透镜组9视野范围内反射光5b准直至光瞳分割器7下表面形成第三场强分布为U(x′2,y′2)即
Figure BDA0002962285810000091
反射光束5b再经过光瞳分割器7，基于孔径函数A(x0,y0)形成为第四场强分布U(x2,y2),即
Figure BDA00029622858100000910
反射光束5b在光瞳分割器7上表面场强分布为U(x2,y2)，公式推导结论：最终信号U(x2,y2)与U(x0,y0)、A(x0,y0)、透镜组9视野有明确物理关系,目标为使
Figure BDA0002962285810000092
最大化。其中θ为回声信号产生的反射探测光5b角度变化,s为探测器接收面积，由于
Figure BDA0002962285810000093
与U(x0,y0)、A(x0,y0)、透镜组9视场有关系，而其中光瞳分割器7的孔径函数A(x0,y0)更易于调制。
如图6所示，对于本发明的光瞳分割方案来说，在使用图5所示的光瞳分割器7之后，探测器11获取的最终信号为明暗交替的条纹图像，则光瞳分割后信号变化率为
Figure BDA0002962285810000094
Figure BDA0002962285810000095
如图7所示，对于现有技术中不进行光瞳分割的方案来说，信号变化率为
Figure BDA0002962285810000096
Figure BDA0002962285810000097
其中：η或者
Figure BDA0002962285810000098
由于通常场强分布为高斯分布，结果将会更明显地看到
Figure BDA0002962285810000099
；因此，使用本发明的光瞳分割方案探测器所探测的信号跳动会较为明显，而不做分割情况下探测器所探测的信号跳动幅度很小，不易于识别。
另外，上述光瞳分割器7的主要核心在于光阑孔径大于等于2以上分分割处理，光瞳分割器7的具体光学参数和工艺一致性问题，可依据实际应用情况优化设计解决，其制作材料可依据光学工艺条件来制备，并且考虑到光学系统中的反射效应等因素，进一步优选在光瞳分割器7表面或者是背面进行涂膜减小光阑反射对入射光束5a的影响等，或者考虑到在光阑边缘处可能产生的衍射图样设计滤除元件，保持一级条纹的设计等都可依据上述核心来进行进一步设计。同时光阑本身可进行可调节瞳孔大小方式的设计，以方便进行多次测量减小光学系统硬件本身引起的对测量结果的扰动和误差，另外考虑到光学系统稳定性的影响，上述光阑的固定、调整设备可依据情况进行设计。
透镜组9为光学元件组合系统，完成对光路的准直，其能达到相应的光学功能即可，对其具体设置并不做严格限定。另外在光路上设置对光强的增益元件以弥补光阑带来的能量损耗也可依据具体情况展开设计。
可以用本发明所涉及的方法和装置监测的样品可以是块状的(例如，诸如金属或半导体的固体)，薄膜(例如，聚合物，半导体或金属膜)，流体，表面或表现出声光时间扰动的效应。典型的样品包括半导体工业中使用的金属膜，例如铝，钨，钛，钛：钨，钛或氧化物薄膜等。可以在这些样品中确定的材料特性包括机械，物理(例如，厚度)，弹性，(深度依赖和/或各向异性)扩散，基于粘附，热(例如，热扩散)和与之相关的粘性特性。如图7中所示，当光阑分割所造成的图像分割越丰富，所能提取的信息维度越丰富，例如在光阑像的位置变化的移动可检出反射光角度的变化，而其中的像的畸变或者形状的改变，可能意味着形变区4的光学特性造成的影响，当分割的图案越多，所能提取的共性特征和特定特征也越多，使得按照本发明使用的方案在后续的成像光的计算机分析中获得更高的分析精度。
按照本发明的另一种实施方式，提出了一种探测反射光变化的方法，该方法包括：
调整照射于待测体4上的入射光束5a场强分布，使得所述入射光束5a成为场强分布为具有多个特征强度峰值分布的光束；
解析所述入射光5a通过待测体4反射后的反射光束5b时间相关性光强变化获得反射光5变化信息。
进一步地，调整照射于待测体4上的入射光束5a场强分布的方法为，在入射光束5a光路后依次设置至少一光瞳分割系统7和光路准直系统9；光瞳分割系统7将入射光束5a场强进行分割使其在光瞳分割系统7下表面形成为第一场强分布；光路准直系统9将通过光瞳分割系统7后的入射光束5a聚焦至待测体4表面形成为第二场强分布；并接收自身视场范围内准直反射光束5b于光瞳分割系统7的第下表面形成为第三场强分布；光瞳分割系统7再调整通过光路准直系统9后的反射光束5b使其在光瞳分割系统7上表面形成为第四场强分布；其中，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。该方法的实现原理、技术效果与上述装置类似，此处不再赘述。
按照本发明的另一种实施方式，提出了一种膜厚测量装置，包括：
猝发单元1，在一个时间点从待测膜2的上表面3a向下底面猝发多个激励源，以使待测膜2上表面产生至少一形变区域；
提供如上所述的探测反射光变化的的装置，获取所述形变区域对应反射光束(5b)的信号强度峰值变化信息；
计算单元，根据峰值对应的时间间隔计算出待测膜2的厚度。该装置的实现原理、技术效果与上述探测反射光束变化的装置类似，此处不再赘述。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种探测反射光变化的装置，其特征在于，所述装置包括：
至少一探测光源，用于产生小角度斜入射的入射光束(5a)，所述小角度为0-30度范围内的入射角；
至少一光瞳分割系统(7)，设置于入射光束(5a)和反射光束(5b)传输路径上，包括第一表面和第二表面，用于将所述入射光束(5a)场强进行分割使其在所述光瞳分割系统(7)第一表面形成为第一场强分布；还用于将具有第三场强分布的反射光束(5b)进行分割使其在所述光瞳分割系统(7)第二表面形成为第四场强分布；
至少一光路准直系统(9)，设置于靠近所述光瞳分割系统(7)的所述第一表面的一侧，用于将通过所述光瞳分割系统(7)后的入射光束(5a)聚焦至待测体(4)表面形成为第二场强分布；还用于接收自身视场范围内准直反射光束(5b)于所述光瞳分割系统(7)的第一表面形成为第三场强分布；
至少一探测器(10)，用于探测通过所述光瞳分割系统(7)后的反射光束(5b)以获取反射光束(5b)的光强；
解析装置，用于对所述反射光束(5b)时间相关性光强变化信息进行解析。
2.如权利要求1中所述的探测反射光变化的装置，其特征在于，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。
3.如权利要求1中所述的探测反射光变化的装置，其特征在于，所述光瞳分割系统(7)包括位于同一水平面的第一光瞳分割器和第二光瞳分割器，所述第一光瞳分割器用于将所述入射光束(5a)进行场强分割以形成第一场强分布的入射光束(5a)；所述第二光瞳分割器用于将第三场强分布的反射光束(5b)进行场强分割以形成第四场强分布的反射光束(5b)，所述第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数。
4.如权利要求3中所述的探测反射光变化的装置，其特征在于，所述第一光瞳分割器及所述第二光瞳分割器为同一光瞳分割器(7)。
5.如权利要求1中所述的探测反射光变化的装置，其特征在于，所述光路准直系统(9)包括位于同一水平面的第一准直光学元件和第二准直光学元件，所述第一准直光学元件用于准直汇聚具有第二场强分布的入射光束(5a)照射于待测体(4)表面；所述第二准直光学元件用于接收自身视场范围内第二场强分布的反射光束(5b)并准直以形成具有第三场强分布的反射光束(5b)照射于光瞳分割系统(7)第一表面。
6.如权利要求5中所述的探测反射光变化的装置，其特征在于，所述第一准直光学元件及所述第二准直光学元件为同一准直光学元件(9)。
7.如权利要求1中所述的探测反射光变化的装置，其特征在于，所述光瞳分割系统(7)设置有多个不同类型通光部的结构，所述不同类型通光部具有光通量的差别，以使得所述入射光束(5a)或反射光束(5b)的场强被所述多个不同类型通光部的结构扰动分割。
8.如权利要求1中所述的探测反射光变化的装置，其特征在于，所述光瞳分割系统(7)设置有多个通光部和多个约束通光部的结构，以使得所述入射光束(5a)或反射光束(5b)的场强被所述多个通光部和多个约束通光部的结构扰动分割。
9.如权利要求1至8中任一项所述的探测反射光变化的装置，其特征在于，所述光瞳分割系统(7)对所述入射光束(5a)场强进行分割的区域与对所述反射光束(5b)进行分割的区域为轴对称结构。
10.一种探测反射光变化的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
提供一入射光束(5a)，在所述入射光束(5a)传输路径上侧依次设置至少一光瞳分割系统(7)和至少一光路准直系统(9)，所述入射光束(5a)以0-30度范围内的小角度斜入射至所述光瞳分割系统(7)；
使用所述光瞳分割系统(7)将所述入射光束(5a)场强进行分割使其在所述光瞳分割系统(7)第一表面形成为第一场强分布；再通过所述光路准直系统(9)将所述入射光束(5a)聚焦至待测体(4)表面形成为第二场强分布；
使用所述光路准直系统(9)接收自身视场范围内准直反射光束(5b)于所述光瞳分割系统(7)的第一表面形成为第三场强分布；再通过所述光瞳分割系统(7)调整所述反射光束(5b)使其在所述光瞳分割系统(7)第二表面形成为第四场强分布；解析所述入射光束(5a)通过所述待测体(4)反射后的反射光束(5b)时间相关性光强变化获得反射光束(5b)变化信息。
11.如权利要求10中所述的探测反射光变化的方法，其特征在于，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。
12.如权利要求11中所述的探测反射光变化的方法，其特征在于，所述光瞳分割系统(7)设置有多个不同类型通光部的结构，所述不同类型通光部具有光通量的差别，以使得所述入射光束(5a)或反射光束(5b)的场强被所述多个不同类型通光部的结构扰动分割。
13.一种膜厚测量装置，其特征在于，包括：
猝发单元(1)，在一个时间点从待测膜(2)的上表面(3a)向下底面(3b)猝发多个激励源，以使所述待测膜(2)上表面产生至少一形变区域；
提供如权利要求1-11中任一项所述的探测反射光变化的装置，获取所述形变区域对应反射光束(5b)的信号强度峰值变化信息；
计算单元，根据峰值对应的时间间隔计算出待测膜(2)的厚度。
CN202110241306.6A 2021-03-04 2021-03-04 探测反射光变化的装置、方法及膜厚测量装置 Active CN113048895B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110241306.6A CN113048895B (zh) 2021-03-04 2021-03-04 探测反射光变化的装置、方法及膜厚测量装置
TW111100537A TWI801081B (zh) 2021-03-04 2022-01-06 探測反射光變化的裝置、方法及膜厚測量裝置
KR1020220019290A KR20220125160A (ko) 2021-03-04 2022-02-15 반사광 변화를 탐측하는 장치, 방법 및 막 두께 측정 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110241306.6A CN113048895B (zh) 2021-03-04 2021-03-04 探测反射光变化的装置、方法及膜厚测量装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113048895A CN113048895A (zh) 2021-06-29
CN113048895B true CN113048895B (zh) 2022-08-16

Family

ID=76510234

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110241306.6A Active CN113048895B (zh) 2021-03-04 2021-03-04 探测反射光变化的装置、方法及膜厚测量装置

Country Status (3)

Country Link
KR (1) KR20220125160A (zh)
CN (1) CN113048895B (zh)
TW (1) TWI801081B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114279346B (zh) * 2021-12-18 2024-04-16 上海精测半导体技术有限公司 光测量装置、方法及光声膜厚测量系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08145644A (ja) * 1994-11-28 1996-06-07 Agency Of Ind Science & Technol ノイズに強い楕円近似による計測システム
CN102679894A (zh) * 2012-06-11 2012-09-19 北京理工大学 反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法
WO2013168457A1 (ja) * 2012-05-07 2013-11-14 株式会社ニコン 面位置計測装置、面位置計測方法、露光装置、およびデバイス製造方法
TW201812279A (zh) * 2016-07-07 2018-04-01 Ａｓｍｌ荷蘭公司 用於計算有限週期結構之電磁散射特性之方法及裝置
CN109253700A (zh) * 2017-07-13 2019-01-22 丰田自动车株式会社 膜厚度测量方法及膜厚度测量装置
CN109387157A (zh) * 2017-08-11 2019-02-26 安东帕有限责任公司 通过侧向视角成像来表征样本的高度轮廓
CN109520973A (zh) * 2018-11-13 2019-03-26 北京理工大学 后置分光瞳激光差动共焦显微检测方法及装置
CN111551129A (zh) * 2020-06-11 2020-08-18 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 大口径平面镜的中、低阶面形检测装置、系统及存储介质

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8368897B2 (en) * 2008-08-22 2013-02-05 Ciencia, Inc. Versatile surface plasmon resonance analyzer with an integral surface plasmon resonance enhanced fluorescence mode
US8681413B2 (en) * 2011-06-27 2014-03-25 Kla-Tencor Corporation Illumination control

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08145644A (ja) * 1994-11-28 1996-06-07 Agency Of Ind Science & Technol ノイズに強い楕円近似による計測システム
WO2013168457A1 (ja) * 2012-05-07 2013-11-14 株式会社ニコン 面位置計測装置、面位置計測方法、露光装置、およびデバイス製造方法
CN102679894A (zh) * 2012-06-11 2012-09-19 北京理工大学 反射式差动共焦透镜中心厚度测量方法
TW201812279A (zh) * 2016-07-07 2018-04-01 Ａｓｍｌ荷蘭公司 用於計算有限週期結構之電磁散射特性之方法及裝置
CN109253700A (zh) * 2017-07-13 2019-01-22 丰田自动车株式会社 膜厚度测量方法及膜厚度测量装置
CN109387157A (zh) * 2017-08-11 2019-02-26 安东帕有限责任公司 通过侧向视角成像来表征样本的高度轮廓
CN109520973A (zh) * 2018-11-13 2019-03-26 北京理工大学 后置分光瞳激光差动共焦显微检测方法及装置
CN111551129A (zh) * 2020-06-11 2020-08-18 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 大口径平面镜的中、低阶面形检测装置、系统及存储介质

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Teachers matter for metacognition: Facilitating metacognition in the primary school through teacher-pupil interactions;Heather E;《Thinking Skills and Creativity》;20200826;全文 *
基于二维云模型的激光电子散斑干涉图像算法;张微微;《激光杂志》;20160825;全文 *
基于超表面操控的偏振信息探测技术研究进展;郭忠义;《红外与激光工程》;20200922;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
TWI801081B (zh) 2023-05-01
TW202235814A (zh) 2022-09-16
KR20220125160A (ko) 2022-09-14
CN113048895A (zh) 2021-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6188478B1 (en) Method and apparatus for film-thickness measurements
US6795198B1 (en) Method and device for measuring thin films and semiconductor substrates using reflection mode geometry
CN105806479B (zh) 激光远场焦斑高精度动态诊断装置及诊断方法
TWI788180B (zh) 探測反射光變化的裝置及方法
CN113091624B (zh) 一种探测反射光变化的装置及方法
US20170167974A1 (en) Information obtaining apparatus, information obtaining method, and recording medium
CN109030406B (zh) 太赫兹频谱校准系统及方法
US11226286B2 (en) Inspection apparatus, inspection method, library generation apparatus, library generation method, computer program and recording medium
CN113048895B (zh) 探测反射光变化的装置、方法及膜厚测量装置
JP2014194344A (ja) テラヘルツ波を用いた測定方法
WO2018059135A1 (zh) 测量太赫兹光束参数的方法
CN113155040B (zh) 一种探测反射光束角度变化的装置、方法及膜厚测量装置
JPS6249562B2 (zh)
US6628402B1 (en) Phase interference detecting method and system in interferometer, and light detector therefor
CN208860738U (zh) 太赫兹频谱校准系统
CN115791982A (zh) 基于正交热栅的激光超声残余应力检测系统及方法
CN114279346B (zh) 光测量装置、方法及光声膜厚测量系统
CN114295064A (zh) 光测量装置、方法及光声膜厚测量系统
CN114894124B (zh) 一种干涉式角度测量系统及测量方法
US20240009761A1 (en) Device and Method for Determining a Focal Point
US20220390225A1 (en) Device and method for the measurement of inclination and angular stability of electromagnetic radiation beams, and for the measurement of a spatial shift of a focused electromagnetic radiation beam
KR100733539B1 (ko) 레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정장치 및방법
JP2004085437A (ja) 表面プラズモン共鳴を用いた物質センサ
CN115200471A (zh) 一种用于引线键合机的散斑装置及其控制方法
CN113447497A (zh) 一种薄膜材料激光损伤的识别方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant