CN113267130A - 一种线扫描膜厚测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线扫描膜厚测量系统，包括：照射模块、光谱成像模块和数据处理模块；所述照射模块采用离散分布的光纤，用于产生离散的线性平行光束，垂直照射待测样品；所述光谱成像模块，用于采集待测样品被照射后表面形成的干涉光，生成具有位置维度和光谱维度的二维图像；所述数据处理模块，用于对二维图像进行功率谱分析得到待测样品膜厚。本发明照射模块采用离散分布的光纤，产生离散的线性平行光束，离散测量可以测得远多于单点测量所获得的膜厚，所得到的膜厚分布更接近真实分布。同时产生离散的线性平行光束，减少了膜厚叠加情况，进而可以提高测量精度。能够满足卷对卷加工工艺中大幅宽半导体薄膜的实时在线检测需求。

Description

一种线扫描膜厚测量系统

技术领域

本发明属于薄膜厚度测量领域，更具体地，涉及一种线扫描膜厚测量系统。

背景技术

薄膜在显示领域中应用快速发展，尤其是OLED(OrganicElectroluminesenceDisplay，OLED，有机发光半导体)器件，是柔性电子，消费电子的重要的组成部分。随着卷对卷工艺的出现，使得大幅宽OLED面板的制备成为可能，因此对OLED薄膜进行准确的膜厚及光学常数的测量成了衡量OLED薄膜质量好坏的标准。

在大面积OLED面板制备过程中，采用了卷对卷生产工艺(Roll-to-Roll，R2R)，在一卷超薄的玻璃或者其他基底上制备OLED，卷对卷生产大面积OLED过程类似纳米压印光刻，但不同的是R2R工艺允许更大的压印模辊子在打的基板上压印图案，速度更快。卷对卷涂布和印刷工艺是有机聚合薄膜制造领域中的新工艺方法。R2R生产工艺，在生产OLED过程具有清洁、压印模辊子重复利用，压印均匀等优点，但是在压印过程压印模辊子上容易出现缺陷和碎片，导致抗蚀层部分压印失效，无法达到规定深度和尺寸。

在大面积OLED面板产品生命周期中，R2R工艺中的各个环节(喷涂、压印、蚀刻、清洁、干燥等)影响着大面积OLED平板制造的成品率，而且对OLED中各部分膜厚的测量也同样关键。鉴于R2R工艺的缺点，因此需要一种快速的，大幅宽的OLED厚度测量方法。

Han Jun提出了一种将光栅光谱仪和线阵CCD结合，从而解决薄膜的光谱强度的实时测量，并且提高薄膜透射光谱测量精度的方法。

A.Voronov研制了一套多层薄膜沉积宽带监控系统，可以实现薄膜沉积过程的实时监控。该监控系统通过旋转滚筒，通过光谱仪在385-1100nm波段对多个制备的薄膜进行透射光谱测量，监控薄膜沉积过程膜厚的变化，通过对测量得到的透射光谱进行拟合得到薄膜膜厚。

Qing-Yuan Cai研发了一种由五个光栅和五个线性探测器组成的光谱仪，能够一次性对测量区域中五个位置点进行膜厚测量，一次性可以得到测量区域中五个不同位置的膜厚值。

目前上述提及的光学测量方法只能对薄膜进行单点/多点膜厚测量，无法针对卷对卷工艺所制备的大幅宽的OLED薄膜进行实时膜厚分布测量。因此有必要研究一套面向卷对卷加工制备的大幅宽薄膜膜厚测量系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种线扫描膜厚测量系统，由此解决现有薄膜膜厚测量系统存在无法实时测量卷对卷加工制备的大幅宽薄膜厚度的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种线扫描膜厚测量系统，包括：照射模块、光谱成像模块和数据处理模块；

所述照射模块采用离散分布的光纤，用于产生离散的线性平行光束，垂直照射待测样品；

所述光谱成像模块，用于采集待测样品被照射后表面形成的干涉光，生成具有位置维度和光谱维度的二维图像；

所述数据处理模块，用于对二维图像进行功率谱分析得到待测样品膜厚。

进一步地，所述照射模块包括离散分布的光纤和柱面镜，离散分布的光纤中相邻两个光纤的间距大于等于d，d的计算公式为：

d＝Bf×tan α

其中，Bf为柱面镜后焦距，α为有效准直锥角；

所述离散分布的光纤，用于接收光束后产生离散的线性平行光束；

所述柱面镜，用于对离散的线性平行光束准直后，垂直照射待测样品。

进一步地，所述照射模块包括离散分布的光纤和准直透镜，离散分布的光纤中相邻两个光纤的间距大于等于d，d的计算公式为：

d＝2×NA×Bf

其中，Bf为准直透镜后焦距，NA为光纤的数值孔径；

所述离散分布的光纤，用于接收光束后产生离散的线性平行光束；

所述准直透镜，用于对离散的线性平行光束准直后，垂直照射待测样品。

进一步地，所述系统还包括：模式切换模块，

所述模式切换模块，用于通过调整光谱成像模块与待测样品间的距离，使得光谱成像模块执行对焦模式，在对焦模式执行完毕后将光谱成像模块的工作模式切换为测量模式。

进一步地，所述光谱成像模块在测量模式下包括依次设置的定焦镜头、光谱仪和相机，

所述定焦镜头，用于采集干涉光；

所述光谱仪，用于在干涉光经过狭缝整形成为狭长的光束，狭长的光束准直成平行光，对平行光进行分光，将平行光沿着正交于狭缝方向进行波长扩展，形成不同波段的光束；

所述相机，用于采集不同波段的光束，生成具有位置维度和光谱维度的二维图像。

进一步地，所述系统还包括：位置和俯仰调节机构，

所述位置和俯仰调节机构包括俯仰调节台、滚珠丝杆和步进电机，俯仰调节台下方与滚珠丝杆连接，上方与光谱成像模块连接，步进电机位于滚珠丝杆的一端；

所述位置和俯仰调节机构，用于在对焦模式下，采用滚珠丝杆和步进电机对光谱成像模块的位置进行调节，对焦完成后，在测量模式下，采用俯仰调节台对光谱成像模块的光轴进行调节。

进一步地，所述系统还包括：卤素光源，所述卤素光源位于照射模块远离待测样品的一侧，所述卤素光源的功率大于100w，所述卤素光源用于向照射模块发射光束。

进一步地，所述离散分布的光纤为一分多光纤。

进一步地，所述数据处理模块用于选择600nm-750nm波段的光谱对应的二维图像进行功率谱分析。

进一步地，所述系统应用于测量薄膜厚度、测量薄膜折射率或检测薄膜缺陷。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)线性导光照射光纤用于测量幅宽方向上的膜厚分布，测量得到的图像包含的数据量较多，处理过程会降低处理速度，并且增加内存使用，线性光波导是多根光纤密排制成，不同光纤的不同出射角的光束可能被汇聚于同一个像素上使得探测得到的膜厚信号由多个位置的膜厚叠加得到的，影响测量精度。相比线性光波导而言，本发明照射模块采用离散分布的光纤，产生离散的线性平行光束，不要求完全测量整个薄膜面上的厚度分布情况，离散测量可以测得远多于单点测量所获得的膜厚，并且通过随机的膜厚测量使得测量过程符合随机抽样要求，使得测得膜厚更具一般性，所得到的膜厚分布更接近真实分布。同时由于测得膜厚数据量减少，极大地提高了数据处理的速度，减少了数据处理模块内存的使用情况。产生离散的线性平行光束，减少了膜厚叠加情况，进而可以提高测量精度。本发明通过光学测量的方式，能够提供大幅宽、快速、高精度的膜厚测量，能够满足卷对卷加工工艺中大幅宽半导体薄膜的实时在线检测需求。还可以满足功能薄膜，塑料，滤光片等透明性基底或无基底薄膜的厚度测量需求。

(2)出射光束的光纤通过一定形式的组合按一定间距排列，需要调整光纤之间的排布间距，但又不使光纤之间信号重叠，从而影响测量信号的信噪比，提高测量精度。当照射模块中采用柱面镜准直光束时，柱面镜的准直呈现的椭圆光斑短轴与柱面镜后焦距Bf，有效准直锥角有关，与光纤NA无关，故得到的椭圆光斑短轴即为最小的光纤间距。也可不用柱面镜进行准直，直接用准直透镜进行准直，准直后的光斑为圆形光斑即为最小的光纤间距。若光纤间距小于计算得到的d则最后出射的光束有重叠，会降低测量精度，因此光纤间距大于等于计算得到的d，此时才能避免光纤之间信号重叠，有效提高测量精度。

(3)本发明通过模式切换模块在对焦模式下能够快速找到光谱成像模块中镜头工作距离，且不需额外的其他器件。光谱成像模块对不同材料的薄膜的特征波段进行细分，使得光谱测量更准确，计算出的膜厚值误差更小，精确度高。由于光谱成像模块使用的是定焦镜头，定焦镜头成像效果好，但需要通过位置和俯仰调节机构调整镜头的工作距离，镜头上的工作距离调整只能进行距离粗调，无法精确调节，故需要在镜头工作距离调整后对光谱成像模块位置进行调整。调整结束后，切换到测量模式下。若光谱成像模块光轴可能与薄膜检测线的夹角不为90°，存在一点偏移，光轴的偏移影响可以从相机实时图像输出中体现。若光轴与检测线夹角与90°比存在较大偏差，相机输出图像嘈杂并且不稳定，这时需要俯仰调节转置来进行光轴调整，使得输出的图像稳定且光强最强。滚珠丝杆传动精度高，运行平稳没有爬行线性；步进电机可以精确地对步距角进行细分，并且准确控制运行的步数和速度。这两者组合成为距离调节转置。

(4)测量系统中的光源采用的是大功率的卤素光源，因其光谱连续并且无强烈变化，在可见光波段没有多段特征峰，光源稳定，出射的光束光强的波动性小，稳定性强。采用大功率(功率＞100w)的原因，因为需要对大幅宽薄膜进行膜厚测量，故照射模块出射的光束长度应大于薄膜幅宽，并且需要通过光纤进行光束耦合和传导，耦合和传导过程中会伴随光能损失。若使用小功率卤素灯光源，通过1分n光纤进行光束传导，会损失大量的光源，从而会导致曝光时间过长，测得信号的信噪比低。因为光源只有一个接口，n个光纤，得配置n个光源，所以采用一分多光纤。选择600-750nm波段的透射光谱进行分析，该波段能够提供足够的测量数据，且测量数据变化平缓，且400nm波段的二级衍射不会影响该波段的测量数据。本发明系统具有多种用途，功能丰富。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种线扫描膜厚测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的连续狭长线性光照射模块示意图；

图3是本发明实施例提供的离散狭长线性光照射模块示意图；

图4是本发明实施例提供的位置和俯仰调节机构示意图；

图5是本发明实施例提供的光谱成像模块示意图；

图6是本发明实施例提供的数据处理模块示意图；

图7是本发明实施例提供的模式切换模块示意图；

图8是本发明实施例提供的测量方法流程图；

图9为本发明实施例提供的卤素灯测得光谱；

图10为本发明实施例提供的测量系统对光束的调制转换图；

图11为本发明实施例提供的测量理论的薄膜干涉原理图；

图12为本发明实施例提供的入射光束在薄膜中产生的透射和反射原理图；

图13为本发明实施例提供的照射模块未对光束进行准直的测量图；

图14为本发明实施例提供的通过像素点对入射角进行处理的坐标建立图；

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：

1为卤素光源，2为照射模块，3为位置和俯仰调节机构，4为光谱成像模块，5为数据处理模块，6为模式切换模块，21为柱面镜，22为光纤，31为丝杆支撑座，32为俯仰调节台，33为螺母座，34为辅助支撑座，41为定焦镜头，42为光谱仪，43为相机，421为狭缝，422为准直透镜，423为透射光栅，424为会聚透镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种线扫描膜厚测量系统，包括：卤素光源1、照射模块2、位置和俯仰调节机构3、光谱成像模块4、数据处理模块5和模式切换模块6；

测量系统中的光源采用的是大功率的卤素光源，因其光谱连续并且无强烈变化，在可见光波段没有多段特征峰，光源稳定，在进行设定时间的灯丝预热后，出射的光束光强的波动性小，稳定性强。采用大功率(功率＞100w)的原因，因为需要对大幅宽薄膜进行膜厚测量，故照射模块出射的光束长度应大于薄膜幅宽，并且需要通过光纤进行光束耦合和传导，耦合和传导过程中会伴随光能损失。若使用小功率卤素灯光源，通过1分n光纤进行光束传导，会损失大量的光源，从而会导致曝光时间过长，测得信号的信噪比低。

照射模块的照射方式有两种形式，一者为离散狭长线性光照射方式，再者为连续狭长线性光照射方式。

连续式狭长线性照射模块，结构如图2所示，使用的是高度集成的线性导光照射光纤22，与光源连接采用的是结构性接口，线性导光照射光纤能够出射狭长的发散光束，通过在该照射光纤后配置柱面镜21，对狭长的发散光进行准直，使得出射光束为狭长的线性平行光。连续式狭长线性照射模块，用于测量幅宽方向上的膜厚分布，能够完全测得整个幅宽面上的薄膜厚度。但是测量得到的图像包含的数据量较多，处理过程会降低计算机的处理速度，并且增加计算机的内存使用。

离散狭长线性照射模块，结构如图3所示，使用的是SM05接口光纤，通过1分2，4，6，8，...，2n光纤与光源进行耦合，出射光束的光纤通过一定形式的组合按一定间距排列。光纤22出射的光束通过柱面镜21进行准直，准直后的光束出射产生狭长的线性照射平行光束。离散狭长线性照射模块可用于，不要求完全测量整个薄膜面上的厚度分布情况，离散测量可以测得远多于单点测量所获得的膜厚，并且通过随机的膜厚测量使得测量过程符合随机抽样要求，使得测得膜厚更具一般性，所得到的膜厚分布更接近真实分布。同时由于测得膜厚数据量减少，极大地提高了计算机数据处理的速度，减少了相同照片数据下，计算机内存的使用情况。

两种照射方式对应结构形式相同，但光纤形式有差异，离散照射方式是使用SM05接口的光纤，根据幅宽和离散间距设置光纤的排布间距d和个数N，通过柱面镜和狭缝进行光束调制，调制成狭长平行光束出射。离散式照射方式也可以进行连续照射。具体而言，需要调整光纤之间的排布间距，但又不使光纤之间信号重叠，从而影响测量信号的信噪比，提高测量精度。离散狭长线性照射模块的光纤排布间距d大于连续式狭长线性照射模块。但自制小间距离散式狭长线性照射模块也可以提供连续式照射。光纤在柱面镜上被准直后呈狭长椭圆光斑，经过实际实验测试，本发明中使用的柱面镜，测得光束只有在13.2°左右才被柱面镜准直，(13.2°被称为有效准直锥角，不同曲率的柱面镜有效准直锥角α不同，但有效准直锥角α的正切值均小于0.22，故在一分多光纤NA选择时，选择0.22即可，有效准直锥角α需要进行实验获得)。因此柱面镜的准直呈现的椭圆光斑短轴与柱面镜后焦距Bf，有效准直锥角有关，与光纤NA无关，故得到的椭圆光斑短轴即为安装间距d：

d＝Bf×tan α

不同曲率的柱面镜的有效准直范围可能不同，但柱面镜的安装距离即为椭圆光斑的短轴是不变的。之后按照测量幅宽的长度来计算需要的光纤光束N，从而得到连续照射平行光束。因此在设计离散狭长线性照射模块时，应先测得柱面镜的有效准直锥角，再计算得到椭圆光斑的短轴即可获得安装间距。当然也可不用柱面镜进行准直，直接用准直透镜进行准直，准直后的光斑为圆形光斑，此时安装间距d为：

d＝2×NA×Bf

对于两种计算方式得到的安装间距d，当光纤间距大于d时，产生的是离散的光束，当光纤间距等于d时，产生的是连续的光束，当光纤间距小于d时，产生的是有重叠的光束。

狭缝的作用是滤除杂散光，并且限制光束的发散，从而得到更接近狭长线性平行光的出射光束，狭缝缝宽不宜过小，不小于10倍高光谱成像光谱仪狭缝宽度，本发明实施例中狭缝的缝宽是0.5mm。

连续式照射方式是使用线性导光光纤，该光纤是由几千根小芯径的光纤黏合构成，能够出射连续狭长的光束，最后通过柱面镜进行准直，出射连续狭长平行光束，该光纤是成品光纤，可以直接购买。

照射模块面上不可配置让光束产生漫反射的构件，如漫射板、扩散板等，引入漫反射构件会使得测量信号无意义，因为所有位置出射的光束没有规律的被接受，故使得测量结果无效。

照射模块安装于待测薄膜的正下方。在本发明实施例中，光源采用的是卤素光源，但不局限于卤素光源，选择光源应该根据不同材料不同厚度薄膜的特征波段，来进行选择合适的光源。

确定了光源的类型后，需要明确测量需求，是需要整个膜面厚度分布还是离散膜厚分布，根据测量需求选择照射模块，确定光源与光纤的接口。照射模块也可不安装柱面镜，但在数据处理的时候，需要对光程差进行额外处理。

图4为位置和俯仰调节机构的示意图，位置和俯仰调节机构包括：丝杆支撑座31、俯仰调节台32、螺母座33和辅助支撑座34，丝杆支撑座用于支撑丝杆，俯仰调节台通过螺母座与丝杆连接，辅助支撑座用于辅助支撑丝杆。丝杆通过旋转对光谱成像模块的位置进行调节，俯仰调节台通过一端固定，一端上下移动对光谱成像模块的光轴进行调节。

光谱成像模块的位置需要根据半导体薄膜的幅宽以及镜头的工作距离进行调整，由于光谱成像模块使用的是定焦镜头，定焦镜头成像效果好，但需要调整镜头的工作距离。

调整工作距离的方式共有两个：镜头上的工作距离调整旋钮和调整光谱成像模块的位置。镜头上的工作距离调整只能进行距离粗调，无法精确调节，故需要在镜头工作距离调整后对光谱成像模块位置进行调整。

调整光谱成像模块位置时，应该先将模式切换成对焦模式，在薄膜检测平面放置标定板，通过小范围细调成像光谱仪位置，使得标定板上刻度识别最清晰，即完成光谱成像模块位置调整。

调整结束后，切换到测量模式下。若光谱成像模块光轴可能与薄膜检测线的夹角不为90°，存在一点偏移，光轴的偏移影响可以从相机实时图像输出中体现。若光轴与检测线夹角与90°比存在较大偏差，相机输出图像嘈杂并且不稳定，这时需要俯仰调节来进行光轴调整。若光轴与检测线夹角接近90°，相机输出的图像稳定且光强最强。

综上，对光谱成像模块的位置调整和对光谱成像模块进行俯仰调节，影响着获得光谱图像的质量，膜厚计算的准确性。

本发明实施例采用的是小螺距的滚珠丝杆和步进电机来调节光谱成像模块，滚珠丝杆传动精度高，运行平稳没有爬行线性；步进电机可以精确地对步距角进行细分，并且准确控制运行的步数和速度。这两者组合成为距离调节转置。

在距离调节装置上安装有高精度、大口径的俯仰调节平台，将光谱成像模块安装于调节平台上，调节光路的光轴。光谱成像模块距离调节方式不限于滚珠丝杆，满足调节精度要求的调节装置均可。

图5为光谱成像模块的示意图，光谱成像模块包括：依次设置的定焦镜头41、光谱仪42和相机43，

光谱仪中包括依次设置的狭缝421、准直透镜422、透射光栅423和会聚透镜424。

本发明实施例采用的是透射式光谱仪，但不局限于透射式光谱仪，反射式光谱仪也是可行的。定焦镜头为大FoV镜头。

工作过程：干涉光被大FoV镜头收集，进入透射式光谱仪，光束经过狭缝后被整形成为狭长且宽度小的光束。狭缝的缝宽影响着光谱精度，因此根据不同相机的分辨率来选择狭缝的宽度来进行最佳的匹配，狭缝长度可以固定，通过调节镜头的工作距离和成像光谱仪模块位置来使得薄膜宽度能匹配狭缝的长度。

经过狭缝整形后的光束进入准直透镜后，将干涉光准直成平行光入射透射式衍射光栅。衍射光栅将平行入射的干涉光进行分光，将平行光沿着正交于狭缝方向进行波长扩展。不同波段的光束经过会聚透镜被会聚于sCMOS相机的受光部分，生成具有位置维度和光谱维度的二维图像。

如图6所示，数据处理模块包括：处理器、控制器、存储器、数据处理程序、输入设备和输出设备。

控制器：是数据处理装置中系统中枢，对程序规定的控制信息进行解释，按照设定程序对CPU，GPU，存储器，输入输出设备进行调控。

处理器：通常是CPU(Centra 1 Processing Unit：中央处理器)，但本实施方式中涉及图像处理，故还涉及GPU(Graphics Processing Unit：图形处理器)。控制器下达指令给GPU处理图像，处理后的图像成为数据矩阵，CPU对数据矩阵进行计算得到所需数据。

存储器：主要有DRAM(Dynamic Random Access Memory：动态随机存取存储器)和SRAM(Static Random Access Memory：静态随机存取存储器)，主要用于存储图像数据和为处理器执行指令提供存储空间。

输入设备：鼠标、键盘和sCMOS相机。鼠标和键盘，输入来自用户端的操作指令；sCMOS相机通过type-C接口与计算机连接，可以实现sCMOS相机的供电以及图像和程序的传输。

输出设备：显示屏，计算机串口。显示屏显示计算机程序对用户端输入指令后的响应，sCMOS相机获取得到的图片，以及计算机处理图片后获取的数据；计算机串口，用于下达程序中通过串口输出的指令，用于控制步进电机的运动等。

光谱成像模块有两种工作模式：对焦模式和测量模式，模式切换模块的组成部分如图7所示。对焦模式主要是用于光谱成像模块距离调整装置，当调整大FoV定焦镜头时使用这个工作模式。该模式下光谱成像模块的连接方式为，镜头与相机直接相连，通过相机成像的清晰程度，来辅助调节光谱成像模块与薄膜的距离。

测量模式下，光谱成像模块开始测量薄膜厚度，该模式下光谱成像模块的连接方式为镜头连接高光谱成像光谱仪，高光谱成像光谱仪连接相机，相机得到的是位置维度和光谱维度的二维图像。

模式切换模块主要由：镜头旋转固定机构、相机旋转固定机构、同步带传动机构及滚珠丝杆机构构成。

镜头旋转固定机构的功能：固定镜头，在电机驱动下能够旋转镜头并且朝某一方向按一定速度移动镜头。

相机旋转固定机构的功能：固定相机，在电机驱动下能够原位旋转镜头，同时能够调节同步带传动方向，使得同步带能带动相机按某一设定轨道进行运动。

同步带传动机构：控制相机运动的方向和速度，并且设置有张紧装置能够设置同步带轮间的预紧力。

滚珠丝杆机构：配合导轨，将旋转运动转换成为直线运动，实现高光谱成像光谱仪的上升和下降运动。

对焦模式下主要是利用了镜头和相机。对焦模式指令下达后，滚珠丝杆机构下降高光谱成像光谱仪，同步带传动机构将相机运动到固定位置，镜头旋转固定机构带动镜头旋转，镜头和相机通过螺纹连接在一起。指令完成后，计算机接收到相机传输回来的薄膜图像，根据图像的清晰程度来调整光谱成像模块与薄膜间的距离。

当切换成测量模式时，测量模式主要利用的是镜头、高光谱成像光谱仪和相机。当测量模式指令下达后，镜头旋转固定机构带动镜头旋转，旋转的镜头与相机分开，同步带带着相机运动到固定位置，滚珠丝杆上升高光谱成像光谱仪，之后镜头旋转固定机构和相机旋转固定机构同步运动，将镜头和相机与光谱仪固定在一起。指令完成后，计算机接收到相机传输回来的位置-光谱图像，根据图像的畸变情况来调整俯仰调节转置。

如图8所示，本发明测量系统在工作时，光源出射光束，光束经过耦合进入光纤进行传导，光纤按一定需求排列成特定的阵列形式出射一定发散角的光束，准直后的光束入射样品，在样品的表面产生透射和反射，透射和反射光相干产生干涉光，干涉光被镜头采集后，进入光谱仪中，光谱仪输出波长维度和位置维度的图像，波长和位置关系的图像经过探测器被收集，保存。对保存后的数据按位置进行光谱提取，提取出的包含样品信息的光谱，并且通过功率谱分析得到膜厚。

本发明系统是一套精密光学测量系统，须根据以下条件来安装放置系统，若无法满足环境条件要求，可能会影响系统的测量效果。放置场所按照用户指定地点放置。要求放置场所环境条件如下：放置场所周围温度在25±2℃(要求温度变化幅度平稳，无强烈变化)；放置场所的湿度在50％左右；场所空气中无尘埃小颗粒和湿气；并且要求放置环境无明显振动。

进行薄膜测试时，需要先打开卤素光源，对光源进行预热，预热时间根据不同的卤素光源的出厂设定进行。对光源预热是为了减少，卤素灯灯丝温度低，发光不均匀，导致光源波动性太大，光源输出功率不稳定，导致在设定的曝光时间内无法得到高信噪比的图像。

对光源预热后，下一步就是调整光谱成像模块与待测薄膜间的间距，在薄膜放置位置放置标定板，通过位置调节装置来对光谱成像模块的位置进行调节。先将光谱成像模块的工作模式调成对焦模式，在设定工作距离附件调节光谱成像模块与薄膜间的间距。

当调节至可以清晰看到标定板上的刻线后，进行细调距离，使得成像对比度最好，成像最清晰。细调环节可通过计算机图像处理进行辅助调节，通过找到图像对比度最好所对应的位置，来完成光谱成像模块的对焦。

完成光谱成像模块的对焦后，将装置的模式调节成测量模式。测量模式下，可以对薄膜进行膜厚测量。本发明实施例中用的是单光源和照射模块，以及配套一个光谱成像模块，进行膜厚测量。当需要对幅宽更宽的薄膜进行膜厚测量时，可以串联多个光源和照射模块，以及对应配套相关的光谱成像模块，具体操作过程如上。

完成系统的光源预热、光谱成像模块对焦后，将装置的模式调节成测量模式。测量模式下，可以对薄膜进行膜厚测量。在膜厚测量的过程中，需要调整相机的参数，如曝光时间，图像对比度设置等。其中曝光时间最重要，需要先初设一定的曝光时间，设定完成后，测试一组图像，提取图像上任意位置的光谱维度的数据做成曲线，看光谱的16位的2进制的数据值是否接近5,0000，因为16位的2进制过曝数据值为6,5535，故不能超过该值，否则得到的光谱无任何信息。测得适当强度的光源光谱，如图9所示。

提取出光谱数据后，可以调整曝光时间，曝光时间调整至信噪比最好的情况，并且光谱大部分光强值不低于1,0 000。完成曝光时间调整后，根据光谱数据来设定图像兴趣区域ROI，该步骤可以减少数据存储大小和提高膜厚计算速度。对于图像兴趣区域ROI的选取，不同材料不同厚度薄膜的特征波段不同即图像兴趣区域的选取也有所不同。

在测试薄膜透射率的时候，相同折射率薄膜的膜厚越厚，透射率图中透射率曲线振荡频率越高；薄膜膜厚越薄，透射率图中透射率曲线振荡频率越小。相同膜厚情况下，薄膜折射率越高，透射率曲线振荡频率越高。因此选择图像兴趣区域ROI选取时，推荐选择600-750nm波段的透射光谱进行分析，该波段能够提供足够的测量数据，且测量数据变化平缓，且400nm波段的二级衍射不会影响该波段的测量数据。

光谱成像模块中的高光谱成像光谱仪的光谱分辨率非常高，因此在一定波段区域内可提供足够的数据点，来对数据进行快速傅里叶变换进行膜厚计算。

完成以上步骤就可以对薄膜进行膜厚测量，相机将测得的二维图像(包含光谱维度和位置维度)输送到数据处理模块中进行数据处理，得到膜厚分布，在本发明实施例中光束状态变化如图10。

对本发明实施例的膜厚测量方法的理论进行说明。照射装置向薄膜照射光束时，反射光和出射光发生干涉，产生薄膜干涉现象。

薄膜干涉，类似平行板干涉，只是薄膜的二界面与不同的介质相邻。计算薄膜的反射光和透射光方向产生的干涉时，需要考虑多光束效应，而不是只考虑两束光干涉，如图11所示，可以看到当光束斜入射平行板时，由于平行板厚度小，入射光束在平行板内发生了多次的反射和透射，因此在分析厚度薄的平行板的干涉光强时，分析方法不同于厚度大的平行板，需要根据不同薄膜材料的性质，确定分析光束的多少。

单层薄膜反射和透射如图12，设薄膜的厚度为h，折射率为n，薄膜两边的空气和基片的折射率为n0和nG，并且设光束从空气进入薄膜时，界面的反射系数和透射系数为r1和t1，从空气进入时反射系数为r1’和t1’。

从平行板透射出来的各光束振幅依次为：tt’A(i)，tt’r’2A(i)，tt’r’4A(i)，tt’r’6A(i)。

透射光束的场分别是：

E₁(r)＝tt′A(i)×e^i(δ-wt)

透射光干涉场的光强分布公式：

A(t)＝tt′[1+r^′2×e^iδ+r^′4×e^i2δ+...]

当分析透射光束的数目趋于无穷时，根据等比数列求和公式得到：

A(t)＝A(i)×tt′/[1-rr^′2×e^iδ]

平行板的透射系数为透射光光强A(t)与总光强A(i)之比，可以得到：

t＝tt′/[1-rr^′2×e^iδ]

由于薄膜两侧介质折射率不同，光从空气进入薄膜时界面上的反射系数和透射系数分别为r₁，t₁，从薄膜进入空气的反射系数和透射系数分别为r₁’，t₁’，光从薄膜进入基片时界面上的反射系数和透射系数分别为r₂，t₂，r₁’＝-r1，t₁t₁’＝1-r₁ ²。根据平板干涉的计算方法，得到透射系数：

t＝t₁t₂/(1+r₁r₂×e^iδ)

两束干涉光由于光程差影响引入的相位差：

薄膜的透射率为：

其中薄膜两表面上的反射系数分别为：

得到了薄膜的透射率后，其中的相位差又可以表示为：

当光束相对薄膜以θ₀入射时，在薄膜上产生折射和反射，折射光夹角θ₁和入射光夹角θ₀间的关系：

n₀ sin θ₀＝n₁ sin θ₁

通过入射角和折射角之间的关系，替换波数的表达式。波数是数据处理程序中用于傅里叶变换的参数，波数的替换公式如下：

波数K₁与相位差δ之间的关系：

δ＝2K₁d₁

对透射率计算公式中的相位差δ进行线性化：

最后对1/T进行傅里叶变化，得到功率谱从而获得薄膜的厚度d。

当照射模块中有光束准直的光学器件时，可不对入射角θ₀进行处理；若无光束准直的光学器件时，需要对入射角进行处理，如图13所示。

在sCMOS相机的受光部以受光部中心建立坐标系，通过对受光部中的位置维度像素分布进行入射角处理。设位置维度的像素中间点像素为位置坐标中点，即光束垂直入射位置。等效处理，不同像素可等效为点，来进行不同像素位置入射角计算。如图14所示，位置维度的像素点个数为N₂个，不同像素点映射不同检测线上的薄膜区域。假设不同像素点等效的薄膜区域是定长的，得到不同像素的入射角为：

式中，WD为镜头到薄膜面的距离，B为薄膜检测线长度，i为像素点横坐标的绝对值。

薄膜材料的折射率n₁采用柯西色散公式：

通过考虑入射角θ₀、不同波长下的折射率n₁、波长λ，结合实际得到的1/T的透射率图像进行对波数的快速傅里叶变换，在功率谱中出现的峰值横坐标，即为像素位置所对应的膜厚。

本发明系统可用于测量半导体薄膜、功能薄膜、塑料、滤光片等透明性基底或无基底薄膜的厚度。

本发明系统可以对大幅宽的半导体薄膜进行膜厚测量，测量膜厚可以是连续分布，或者是离散分布的，可以测量检测线上膜厚的分布情况，对输出的膜厚、检测线上位置、薄膜传输位置为坐标轴，可以生成3维膜厚的空间分布情况，便于检测出膜厚上的缺陷。

当卷对卷工艺生产过程中，压印辊子若出现破损，使得制备的薄膜厚度失效或压入辊子碎屑等情况。半导体薄膜上的膜厚分布会呈现周期性变化，因此根据周期性变化的长短，来排查压印辊子中是哪一个辊子出现失效。

实施例1

超大幅宽薄膜膜厚测量

对超大幅宽薄膜进行膜厚测量时，可以配置多台本发明设计的膜厚测量系统，这些系统串联使用，同时对检测线上薄膜进行膜厚测量。在这样配置过程中，难免有重叠测量的膜厚，即薄膜上的一点被两个本实施方式提及的膜厚测量系统测量到，由于硬件上的微小差别，使得测得的膜厚有一定的差异，因此需要设定校正组和参考组。通过对标准薄膜进行测量后设定一套本发明中提及的膜厚测量系统为参考组，以其测得的膜厚为基准，对其他的膜厚测量系统进行校正，使得测量结果存在一致性。

实施例2

膜厚小于1um的膜厚测量方法

在对超薄薄膜的膜厚测量时，无法使用功率谱分析快速得到膜厚信息。对于超薄的薄膜，可以通过分光光度法和辅助干涉层法进行测量。

分光光度法，是基于可见光波段的光谱窗口下，将本发明中的膜厚测量系统得到的吸收光谱和数据处理模块生成的不同膜厚的吸收光谱进行对比，将实际测量得到的光谱和模拟吸收光谱进行对比，由于是在两条曲线之间进行因此具有较高的精度。

进行膜厚测量的时候，利用透射光谱法对薄膜进行膜厚测量时，光源的平均波长决定了可以测量的膜厚范围，被测薄膜厚度不应小于光源照射光束四分之一波长，当薄膜折射率接近基片折射率时候，膜厚的变化在透射光谱上不能得到足够的信息来分析膜厚的变化，并且还受到光源稳定性的影响，但为了测量小于四分之一波长厚度的超薄薄膜，提出辅助层干涉法。辅助层干涉法是在基片上再沉积一层辅助干涉层，干涉层折射率较大，并且足够厚能够产生明显的透射光谱中的干涉效应，用于辅助透射光谱的拟合，膜厚测量系统可以通过该方法测量10nm左右的薄膜厚度。辅助干涉层的厚度需要通过实验获取，选取最佳的膜厚和折射率使得透射光谱对测量的超薄薄膜厚度变化敏感，测量精确度高。

本发明系统可以快速、高精度测量透明基底的各种样品的膜厚分布，并且更换测量得到数据的处理方法，就能够完成对不同膜厚的薄膜厚度的准确测量。

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 (10)

1.一种线扫描膜厚测量系统，其特征在于，包括：照射模块(2)、光谱成像模块(4)和数据处理模块(5)；

所述照射模块(2)采用离散分布的光纤，用于产生离散的线性平行光束，垂直照射待测样品；

所述光谱成像模块(4)，用于采集待测样品被照射后表面形成的干涉光，生成具有位置维度和光谱维度的二维图像；

所述数据处理模块(5)，用于对二维图像进行功率谱分析得到待测样品膜厚。

2.如权利要求1所述的一种线扫描膜厚测量系统，其特征在于，所述照射模块(2)包括离散分布的光纤和柱面镜，离散分布的光纤中相邻两个光纤的间距大于等于d，d的计算公式为：

d＝Bf×tanα

其中，Bf为柱面镜后焦距，α为有效准直锥角；

所述离散分布的光纤，用于接收光束后产生离散的线性平行光束；

所述柱面镜，用于对离散的线性平行光束准直后，垂直照射待测样品。

3.如权利要求1所述的一种线扫描膜厚测量系统，其特征在于，所述照射模块(2)包括离散分布的光纤和准直透镜，离散分布的光纤中相邻两个光纤的间距大于等于d，d的计算公式为：

d＝2×NA×Bf

其中，Bf为准直透镜后焦距，NA为光纤的数值孔径；

所述离散分布的光纤，用于接收光束后产生离散的线性平行光束；

所述准直透镜，用于对离散的线性平行光束准直后，垂直照射待测样品。

4.如权利要求1-3任一所述的一种线扫描膜厚测量系统，其特征在于，所述系统还包括：模式切换模块(6)，

所述模式切换模块(6)，用于通过调整光谱成像模块与待测样品间的距离，使得光谱成像模块执行对焦模式，在对焦模式执行完毕后将光谱成像模块的工作模式切换为测量模式。

5.如权利要求4所述的一种线扫描膜厚测量系统，其特征在于，所述光谱成像模块在测量模式下包括依次设置的定焦镜头、光谱仪和相机，

所述定焦镜头，用于采集干涉光；

所述光谱仪，用于在干涉光经过狭缝整形成为狭长的光束，狭长的光束准直成平行光，对平行光进行分光，将平行光沿着正交于狭缝方向进行波长扩展，形成不同波段的光束；

所述相机，用于采集不同波段的光束，生成具有位置维度和光谱维度的二维图像。

6.如权利要求4所述的一种线扫描膜厚测量系统，其特征在于，所述系统还包括：位置和俯仰调节机构(3)，

所述位置和俯仰调节机构(3)包括俯仰调节台、滚珠丝杆和步进电机，俯仰调节台下方与滚珠丝杆连接，上方与光谱成像模块连接，步进电机位于滚珠丝杆的一端；

所述位置和俯仰调节机构，用于在对焦模式下，采用滚珠丝杆和步进电机对光谱成像模块的位置进行调节，对焦完成后，在测量模式下，采用俯仰调节台对光谱成像模块的光轴进行调节。

7.如权利要求1-3任一所述的一种线扫描膜厚测量系统，其特征在于，所述系统还包括：卤素光源(1)，所述卤素光源位于照射模块远离待测样品的一侧，所述卤素光源的功率大于100w，所述卤素光源用于向照射模块发射光束。

8.如权利要求1-3任一所述的一种线扫描膜厚测量系统，其特征在于，所述离散分布的光纤为一分多光纤。

9.如权利要求1-3任一所述的一种线扫描膜厚测量系统，其特征在于，所述数据处理模块用于选择600nm-750nm波段的光谱对应的二维图像进行功率谱分析。

10.如权利要求1-3任一所述的一种线扫描膜厚测量系统，其特征在于，所述系统应用于测量薄膜厚度、测量薄膜折射率或检测薄膜缺陷。

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