CN115077401B - 测厚探头、测厚装置及测厚方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种测厚探头、测厚装置及测厚方法。测厚探头包括：准直镜，用于将发散的第一高斯光束转换为准直的第二高斯光束；以及光束转换组件，与准直镜间隔设置，用于将第二高斯光束转换为第一贝塞尔光束，输出的第一贝塞尔光束出射至透明或半透明待测平板或薄膜的两个界面，光束转换组件还用于分别接收透明或半透明待测平板或薄膜的两个界面反射的两束第一光束，并转换合成准直的第二光束，第二光束经由准直镜转换为会聚的第三光束，第三光束用于计算透明或半透明待测平板或薄膜的厚度。本申请提供的测厚探头通过光束转换输出第一贝塞尔光束进行测厚提高了测量量程，且在量程范围内保持了横向采样分辨率的一致。

Description

测厚探头、测厚装置及测厚方法

技术领域

本申请涉及测量距离领域，具体涉及一种测厚探头、测厚装置及测厚方法。

背景技术

谱干涉测厚仪广泛用于薄膜测厚、透明薄板测厚、晶圆测厚等在线检测领域，通常采用会聚的高斯光束进行厚度测量，其量程一般受限于高斯光束束腰两侧的瑞利长度。为了获得高横向采样分辨率，以匹配其高纵向测量精度，谱干涉位移计在测量范围内的光束半径不能太大，但高斯光束的束腰尺寸越小，其瑞利长度越短，因此谱干涉测厚仪的量程往往较小。而且，距离束腰位置越远光束尺寸越大，因此谱干涉测厚仪在测量范围内的横向采样分辨率不一致。

发明内容

第一方面，本申请实施方式提供了一种测厚探头。所述测厚探头包括：

准直镜，所述准直镜用于将发散的第一高斯光束转换为准直的第二高斯光束；

以及光束转换组件，所述光束转换组件与所述准直镜间隔设置，用于将所述第二高斯光束转换为第一贝塞尔光束，其中，所述第一贝塞尔光束具有无衍射区段，所述光束转换组件包括第一凸锥透镜，所述第一凸锥透镜用于输出所述第一贝塞尔光束，输出的所述第一贝塞尔光束出射至透明或半透明待测平板或薄膜的两个界面，所述光束转换组件还用于分别接收被所述透明或半透明待测平板或薄膜的两个界面沿原光路反射或后向散射所述第一贝塞尔光束而得到的两束第一光束，并转换合成准直的第二光束，所述第二光束经由所述准直镜转换为会聚的第三光束，所述第三光束用于计算所述透明或半透明待测平板或薄膜的厚度。

其中，所述第一贝塞尔光束的无衍射区段的长度与入射至所述第一凸锥透镜的准直光束的束腰半径成正比，与所述第一凸锥透镜的底角角度成反比。

其中，其特征在于，所述光束转换组件还包括：

凹锥透镜，所述凹锥透镜设于所述第一凸锥透镜与所述准直镜之间，用于将所述第二高斯光束转换为发散的第一环形空心光束；

以及第二凸锥透镜，所述第二凸锥透镜设于所述凹锥透镜与所述第一凸锥透镜之间，所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构与所述凹锥透镜的凹陷锥面结构相对设置，且所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构的底角与所述凹锥透镜的凹陷锥面结构的底角相等，所述第二凸锥透镜用于将所述发散的第一环形空心光束转换为准直的第二环形空心光束并出射至所述第一凸锥透镜。

其中，所述光束转换组件还包括：

第三凸锥透镜，所述第三凸锥透镜设于所述第一凸锥透镜与所述准直镜之间，用于将所述第二高斯光束转换为发散的第三环形空心光束；

以及第二凸锥透镜，所述第二凸锥透镜设于所述第三凸锥透镜与所述第一凸锥透镜之间，所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构与所述第三凸锥透镜的凸出锥面结构相对设置，且所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构的底角与所述第三凸锥透镜的凸出锥面结构的底角相等，所述第二凸锥透镜用于将所述发散的第三环形空心光束转换为准直的第四环形空心光束并出射至所述第一凸锥透镜。

其中，所述测厚探头还包括：

遮光罩，内含至少一个光阑，所述遮光罩设于所述第一凸锥透镜背离所述准直镜的一侧，用于对所述两束第一光束中的杂散光进行遮光过滤。

第二方面，本申请实施方式还提供了一种测厚装置。所述测厚装置包括：

如第一方面所述的测厚探头；

光纤，所述光纤的一端连接于所述测厚探头，用于传输光束；

以及谱干涉测量仪，所述谱干涉测量仪连接于所述光纤的另一端，所述谱干涉测量仪发出高斯光束至所述测厚探头，并接收从所述测厚探头返回的光束，以用于光程差测量。

其中，所述谱干涉测量仪包括：

宽谱光源，所述宽谱光源用于输出初始高斯光束；

光耦合器，所述光耦合器用于将所述初始高斯光束耦合至所述测厚探头，并用于将从所述测厚探头返回的光束耦合至光谱仪；

光谱仪，所述光谱仪用于接收从所述测厚探头返回的光束，并进行功率谱测量，以得到干涉功率谱；

以及数据处理机，所述数据处理机电连接于所述光谱仪，以接收所述干涉功率谱并根据所述干涉功率谱得到光程差，并根据所述光程差计算透明或半透明待测平板或薄膜的厚度。

第三方面，本申请实施方式还提供了一种测厚方法。所述测厚方法包括：

投射具有无衍射特征的细长针状的第一贝塞尔光束至透明或半透明待测平板或薄膜的两个界面，形成沿原光路反射或后向散射的两束第一光束；

对所述两束第一光束合束成第二光束，并转换为会聚的第三光束，对所述第三光束进行功率谱测量，得到干涉功率谱；

根据所述干涉功率谱得到第三光束中两束子光束之间的光程差，其中，一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜的一个界面，并返回的光程，另一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜的另一个界面，并返回的光程；

以及根据所述光程差计算出所述透明或半透明待测平板或薄膜的厚度。

其中，在所述“投射具有无衍射特征的细长针状的第一贝塞尔光束至透明或半透明待测平板或薄膜的两个界面，形成沿原光路反射或后向散射的两束第一光束”之后，在“对所述两束第一光束合束成第二光束，并转换为会聚的第三光束，对所述第三光束进行功率谱测量，得到干涉功率谱”之前，所述测厚方法还包括：

对所述两束第一光束中的杂散光进行遮光过滤。

其中，所述“根据所述干涉功率谱得到所述第三光束中两束子光束之间的光程差”包括：

识别所述干涉功率谱中的干涉光的强度主峰；

以及对所述干涉光的强度主峰的分布进行拟合计算，得出所述第三光束中两束子光束之间的光程差。

本申请提供了一种测厚探头，所述测厚探头包括准直镜及光束转换组件，所述准直镜用于将发散的第一高斯光束转换为准直的第二高斯光束，所述光束转换组件通过第一凸锥透镜将所述第二高斯光束转换为第一贝塞尔光束进行厚度测量，其中，所述第一贝塞尔光束具有无衍射区段，所述第一贝塞尔光束在所述无衍射区段内能够保持数微米的横向尺寸不变，因此，利用所述第一贝塞尔光束在所述无衍射区段内进行厚度测量保持高横向采样分辨率的同时提高了测量量程，且能够在量程范围内保持横向采样分辨率的一致性。因此，本申请提供的测厚探头通过光束转换输出第一贝塞尔光束进行测厚在提高横向采样分辨率的同时，提高了测量量程，且在量程范围内保持横向采样分辨率的一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施方式提供的测厚探头的结构示意图；

图2为图1实施方式提供的测厚探头进行测厚时输出光束的示意图；

图3为图1实施方式提供的测厚探头进行测厚时接收光束的示意图；

图4为图1实施方式提供的测厚探头中第一凸锥透镜将第二高斯光束转换为第一贝塞尔光束的示意图；

图5为图1实施方式提供的测厚探头中光束转换组件在一实施方式中输出光束的示意图；

图6为图5实施方式提供的测厚探头中光束转换组件接收光束的示意图；

图7为图1实施方式提供的测厚探头中光束转换组件在另一实施方式中输出光束的示意图；

图8为图7实施方式提供的测厚探头中光束转换组件接收光束的示意图；

图9为本申请又一实施方式提供的测厚探头的结构示意图；

图10为本申请一实施方式提供的测厚装置的结构示意图；

图11为图10实施方式提供的测厚装置中的谱干涉测量仪的结构示意图；

图12为本申请一实施方式提供的测厚方法的流程图；

图13为图12实施方式提供的测厚方法中对第一光束进行处理的流程图；

图14为图12实施方式提供的测厚方法中对光程差进行计算的流程图。

附图标号：测厚装置1；测厚探头10；准直镜11；光束转换组件12；第一凸锥透镜121；凹锥透镜122；第二凸锥透镜123；第三凸锥透镜124；遮光罩13；光阑131；透光区域1311；非透光区域1312；光纤20；谱干涉测量仪30；宽谱光源31；光耦合器32；光谱仪33；数据处理机34；透明或半透明待测平板或薄膜W0；初始高斯光束L10；第一高斯光束L11；第二高斯光束L12；第一贝塞尔光束L21；无衍射区段L211；第一光束L31；第二光束L32；第三光束L33；第四光束L34；第五光束L35；第六光束L36；第七光束L37；第一环形空心光束L41；第二环形空心光束L42；第三环形空心光束L43；第四环形空心光束L44。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”或“实施方式”意味着，结合实施例或实施方式描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请实施方式提供了一种测厚探头10。请参照图1、图2及图3，图1为本申请一实施方式提供的测厚探头的结构示意图；图2为图1实施方式提供的测厚探头进行测厚时输出光束的示意图；图3为图1实施方式提供的测厚探头进行测厚时接收光束的示意图。在本实施方式中，所述测厚探头10包括准直镜11及光束转换组件12。所述准直镜11用于将发散的第一高斯光束L11转换为准直的第二高斯光束L12。所述光束转换组件12与所述准直镜11间隔设置，用于将所述第二高斯光束L12转换为第一贝塞尔光束L21。其中，所述第一贝塞尔光束L21具有无衍射区段L211。所述光束转换组件12包括第一凸锥透镜121，所述第一凸锥透镜121用于输出所述第一贝塞尔光束L21，输出的所述第一贝塞尔光束L21出射至透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面。所述光束转换组件12还用于分别接收被所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面沿原光路反射或后向散射所述第一贝塞尔光束L21而得到的两束第一光束L31，并转换合成准直的第二光束L32，所述第二光束L32经由所述准直镜11转换为会聚的第三光束L33，所述第三光束L33用于计算透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度。

在本实施方式中，所述测厚探头10用于光学测厚。具体地，所述测厚探头10利用低相干光干涉原理采用贝塞尔光束测量透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度。

通过光纤20发送至所述测量探头的高斯光束为发散光束，需要通过所述准直镜11准直为近似平行光束。所述准直镜11将发散的所述第一高斯光束L11转换为准直的第二高斯光束L12。所述光束转换组件12用于将所述第二高斯光束L12转换为第一贝塞尔光束L21。所述光束转换组件12为包含所述第一凸锥透镜121的透镜组合，当所述光束转换组件12只包括所述第一凸锥透镜121时，所述第一凸锥透镜121设于所述第二高斯光束L12的束腰处，以将所述第二高斯光束L12转换为所述第一贝塞尔光束L21。所述光束转换组件12还包含其它透镜的情形在后文进行详细描述。其中，所述第二高斯光束L12的束腰为所述第二高斯光束L12横截面半径最小处。

在本实施方式中，所述第一贝塞尔光束L21具有无衍射区段L211，在所述无衍射区段L211内，所述第一贝塞尔光束L21保持数微米的横向尺寸不变，具有良好的适合测量的光学特性。具体地，所述透明或半透明待测平板或薄膜W0设于所述无衍射区段L211内，所述第一贝塞尔光束L21入射至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面，且所述第一贝塞尔光束L21在所述两个界面沿原光路反射或者后向散射形成两束第一光束L31。所述两束第一光束L31经由所述光束转换组件12合束并转换为准直的第二光束L32。准直的所述第二光束L32经由所述准直镜11转换为会聚的第三光束L33。需要说明的是，无衍射是指光束的振幅分布不随传输距离发生变化。

其中，所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的折射率与周围空气的折射率不同，所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面即为将所述透明或半透明待测平板或薄膜W0与周围空气隔开的且相背的两个临界面。

其中，所述第三光束L33可用于计算所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度，所述第三光束L33内部发生干涉，可通过功率谱测量得出所述第三光束L33干涉功率谱，通过对所述干涉功率谱进行数据处理可得出光程差，所述光程差的一半除以所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的折射率即对应所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度。具体地，所述第三光束L33中包含两束子光束，其中，一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束L21投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的一个界面并返回所述测厚探头的光程，记为第一光程，另一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束L21投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的另一个界面并返回所述测厚探头的光程，记为第二光程。计算所述第三光束L33的光程差，即计算所述第一光程与所述第二光程的差，所述光程差的一半除以所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的折射率即对应所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度。

通常，采用会聚的高斯光束进行光学测厚时，会聚的高斯光束的横向采样分辨率与测量量程存在制约关系。具体地，测厚的横向采样分辨率受限于所述高斯光束的束腰半径，测量量程受限于所述高斯光束的瑞利长度。对于高斯光束而言，束腰半径越小，瑞利长度越短，反之，瑞利长度越长，束腰半径越大。因此，为了获得高横向采样分辨率以匹配高纵向测量精度，所述高斯光束的束腰半径不能太大，瑞利长度不能太长，导致测量量程较短；反之，为了获得大量程，则横向采样分辨率不能太高。此外，随着距离所述高斯光束的束腰越远，所述高斯光束的半径越大，从而导致在测量量程范围内横向采样分辨率不一致，且界面位置偏离所述高斯光束的束腰越远，横向采样分辨率越低。

本申请提供的测厚探头10，采用所述光束转换组件12将高斯光束转换为贝塞尔光束进行光学测厚。第一方面，采用高斯光束进行高横向采样分辨率测量仅限于高斯光束的束腰附近区域，使得测量量程小，相比于高斯光束，贝塞尔光束能够在较长的传输范围内具有满足高横向采样分辨率要求的光束横截面，因此，采用贝塞尔光束进行测厚的量程大。例如，在横向采样分辨率保持为3μm精度的情况下，所述测厚探头10采用所述第一贝塞尔光束L21进行测厚的量程为采用高斯光束测厚的量程的5倍、10倍或20倍等。因此，本申请提供的所述测厚探头10能够通过所述光束转换组件12转换光束输出所述第一贝塞尔光束L21进行厚度测量提高测量量程。第二方面，由于高斯光束仅在束腰附近具有满足高横向采样分辨率要求的横截面，且随着距离束腰越远，横向采样分辨率越低，从而导致采用高斯光束在量程范围内的不同位置进行厚度测量的横向采样分辨率参差不齐，相比于高斯光束，贝塞尔光束在较长的量程范围内均能够保持高横向采样分辨率不变，使得在量程范围内进行厚度测量的横向采样分辨率具有一致性，提高了厚度测量精度。例如，在所述无衍射区段L211内，所述测厚探头10采用所述第一贝塞尔光束L21进行测厚的横向采样分辨率保持为1μm、3μm或5μm等精度不变。因此，本申请提供的所述测厚探头10能够通过所述光束转换组件12转换光束输出所述第一贝塞尔光束L21进行厚度测量保持横向采样分辨率的一致性。

综上所述，本申请提供了一种测厚探头10，所述测厚探头10包括准直镜11及光束转换组件12，所述准直镜11用于将发散的第一高斯光束L11转换为准直的第二高斯光束L12，所述光束转换组件12通过第一凸锥透镜121将所述第二高斯光束L12转换为第一贝塞尔光束L21进行厚度测量，其中，所述第一贝塞尔光束L21具有无衍射区段L211，所述第一贝塞尔光束L21在所述无衍射区段L211内能够保持数微米的横向尺寸不变，因此，利用所述第一贝塞尔光束L21在所述无衍射区段L211内进行厚度测量保持高横向采样分辨率的同时提高了测量量程，且能够在量程范围内保持横向采样分辨率的一致性。因此，本申请提供的测厚探头10通过光束转换输出第一贝塞尔光束L21进行测厚在提高横向采样分辨率的同时，提高了测量量程，且在量程范围内保持横向采样分辨率的一致性。

请参照图4，图4为图1实施方式提供的测厚探头中第一凸锥透镜将第二高斯光束转换为第一贝塞尔光束的示意图。在本实施方式中，所述测厚探头投射出去的所述第一贝塞尔光束L21的无衍射区段L211的长度与入射至所述第一凸锥透镜121的准直光束的束腰半径成正比，与所述第一凸锥透镜121的底角γ0角度成反比。

在本实施方式中，所述第一凸锥透镜121设于所述第二高斯光束L12的束腰处，用于将准直的所述第二高斯光束L12转换为所述第一贝塞尔光束L21并出射所述第一贝塞尔光束L21。所述第一贝塞尔光束L21具有无衍射区段L211，即所述第一贝塞尔光束L21在所述无衍射区段L211内横向截面尺寸几乎不变。具体地，所述无衍射区段L211的长度（请参见图4中的Z0）与所述第二高斯光束L12的束腰半径成正比，与所述第一凸锥透镜121的底角角度成反比。其中，所述第一凸锥透镜121包括相连的基底及凸出锥面结构，所述基底为圆柱形，所述凸出锥面结构承载于所述基底，并朝向背离所述基底的方向凸出，所述凸出锥面结构呈圆锥形，且所述凸出锥面结构的外轮廓与所述基底所成夹角为所述第一凸锥透镜121的底角γ0（请参见图4中的γ0）。因此，可通过调节所述第二高斯光束L12的束腰半径或者更换不同底角的所述第一凸锥透镜121来改变所述第一贝塞尔光束L21的无衍射区段L211长度，进而改变所述测厚探头10的测量量程。举例而言，通过增大所述无衍射区段L211长度，从而增大所述测厚探头10的测量量程，实现大量程的测厚，例如大于30mm、大于50mm或者大于100mm的量程。可以理解的，所述测厚探头10不但可以实现大量程的厚度测量，还可以根据实际应用调节，采用小量程厚度测量，例如小于30mm、小于20mm或者小于10mm的量程。在本申请中对所述测厚探头10的测量量程不作限定。

此外，在本实施方式中，所述第一贝塞尔光束L21在所述无衍射区段L211内的横向截面半径与所述第一凸锥透镜121的底角γ0大小成反比，因此，所述第一凸锥透镜121的底角γ0越大，所述第一贝塞尔光束L21在所述无衍射区段L211内的横向截面半径越小，即所述测厚探头10的厚度测量横向采样分辨率越高。

请参照图5及图6，图5为图1实施方式提供的测厚探头中光束转换组件在一实施方式中输出光束的示意图；图6为图5实施方式提供的测厚探头中光束转换组件接收光束的示意图。在本实施方式中，所述光束转换组件12还包括凹锥透镜122及第二凸锥透镜123。所述凹锥透镜122设于所述第一凸锥透镜121与所述准直镜11之间，用于将所述第二高斯光束L12转换为发散的第一环形空心光束L41。所述第二凸锥透镜123设于所述凹锥透镜122与所述第一凸锥透镜121之间。所述第二凸锥透镜123的凸出锥面结构与所述凹锥透镜122的凹陷锥面结构相对设置，且所述第二凸锥透镜123的凸出锥面结构的底角γ2与所述凹锥透镜122的凹陷锥面结构的底角γ1相等。所述第二凸锥透镜123用于将所述发散的第一环形空心光束L41转换为准直的第二环形空心光束L42并出射至所述第一凸锥透镜121。

在本实施方式中，所述凹锥透镜122的凹陷锥面结构与所述第二凸锥透镜123的凸出锥面结构相对设置。所述第二凸锥透镜123设于所述凹锥透镜122与所述第一凸锥透镜121之间，所述第二凸锥透镜123的凸出锥面结构与所述第一凸锥透镜121的凸出锥面结构相背设置。

所述光束转换组件12在输出光束时（请参见图5），所述凹锥透镜122设于所述第二高斯光束L12的束腰处，所述凹锥透镜122用于将所述准直的第二高斯光束L12转换为发散的第一环形空心光束L41并出射至所述第二凸锥透镜123。所述第二凸锥透镜123将所述第一环形空心光束L41转换为准直的第二环形空心光束L42并出射至所述第一凸锥透镜121。所述第一凸锥透镜121用于将所述第二环形空心光束L42转换为所述第一贝塞尔光束L21并出射，使得在所述第一凸锥透镜121的尺寸不改变的情形下，增加了所述测厚探头10的工作距离。

此外，通过保持所述第一凸锥透镜121与所述第二凸锥透镜123相对位置不变，调节所述第二凸锥透镜123与所述凹锥透镜122之间的距离，可以调节所述测厚探头10的工作距离。

所述光束转换组件12在接收光束时（请参见图6），所述第一凸锥透镜121用于接收被所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面沿原光路反射或后向散射所述第一贝塞尔光束L21而得到的两束第一光束L31，并合束转换为准直的第四光束L34并出射至所述第二凸锥透镜123。所述第二凸锥透镜123用于将准直的所述第四光束L34转换为发散的第五光束L35并出射至所述凹锥透镜122。所述凹锥透镜122用于将发散的所述第五光束L35转换为准直的所述第二光束L32。

需要说明的是，图5及图6中光束采用网格线示意的地方表示光束。

请参照图7及图8，图7为图1实施方式提供的测厚探头中光束转换组件在另一实施方式中输出光束的示意图；图8为图7实施方式提供的测厚探头中光束转换组件接收光束的示意图。在本实施方式中，所述光束转换组件12包括第三凸锥透镜124及第二凸锥透镜123。所述第三凸锥透镜124设于所述第一凸锥透镜121与所述准直镜11之间，用于将所述第二高斯光束L12转换为发散的第三环形空心光束L43。所述第二凸锥透镜123设于所述第三凸锥透镜124与所述第一凸锥透镜121之间。所述第二凸锥透镜123的凸出锥面结构与所述第三凸锥透镜124的凸出锥面结构相对设置，且所述第二凸锥透镜123的凸出锥面结构的底角γ2与所述第三凸锥透镜124的凸出锥面结构的底角γ3相等。所述第二凸锥透镜123用于将所述发散的第三环形空心光束L43转换为准直的第四环形空心光束L44并出射至所述第一凸锥透镜121。

在本实施方式中，所述第三凸锥透镜124的凸出锥面结构与所述第二凸锥透镜123的凸出锥面结构相对设置。所述第二凸锥透镜123设于所述第三凸锥透镜124与所述第一凸锥透镜121之间，所述第二凸锥透镜123的凸出锥面结构与所述第一凸锥透镜121的凸出锥面结构相背设置。

所述光束转换组件12在输出光束时（请参见图7），所述第三凸锥透镜124设于所述第二高斯光束L12的束腰处，所述第三凸锥透镜124用于将所述准直的第二高斯光束L12转换为发散的第三环形空心光束L43并出射至所述第二凸锥透镜123。所述第二凸锥透镜123将所述第三环形空心光束L43转换为准直的第四环形空心光束L44并出射至所述第一凸锥透镜121。所述第一凸锥透镜121用于将所述第四环形空心光束L44转换为所述第一贝塞尔光束L21并出射，使得在所述第一凸锥透镜121的尺寸不改变的情形下，增加了所述测厚探头10的工作距离。

此外，通过保持所述第一凸锥透镜121与所述第二凸锥透镜123相对位置不变，调节所述第二凸锥透镜123与所述第三凸锥透镜124之间的距离，可以调节所述测厚探头10的工作距离。

所述光束转换组件12在接收光束时（请参见图8），所述第一凸锥透镜121用于接收被所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面沿原光路反射或后向散射所述第一贝塞尔光束L21而得到的两束第一光束L31，并合束转换为准直的第六光束L36并出射至所述第二凸锥透镜123。所述第二凸锥透镜123用于将准直的所述第六光束L36转换为发散的第七光束L37并出射至所述第三凸锥透镜124。所述第三凸锥透镜124用于将发散的所述第七光束L37转换为准直的所述第二光束L32。

需要说明的是，图7及图8中光束采用网格线示意的地方表示光束。

请参照图9，图9为本申请又一实施方式提供的测厚探头的结构示意图。在本实施方式中，所述测厚探头10还包括遮光罩13，内含至少一个光阑131。所述遮光罩13设于所述第一凸锥透镜121背离所述准直镜11的一侧，用于对所述两束第一光束L31中的杂散光进行遮光过滤。

在本实施方式中，由于贝塞尔光束的中央亮峰外围还存在较暗的多级亮峰。因此，当所述第一贝塞尔光束L21投射在所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面时表现为多个较暗的亮环所环绕的中央圆亮斑。当所述透明或半透明待测平板或薄膜W0对所述第一贝塞尔光束L21进行反射或后向散射形成所述两束第一光束L31时，多个较暗的亮环也会反射或者后向散射形成杂散光进入所述测厚探头10，从而降低了横向采样分辨率及信噪比。将所述遮光罩13对应所述第一凸锥透镜121设置。所述光阑131具有透光区域1311及非透光区域1312，将所述至少一个光阑131设于所述第一凸锥透镜121背离所述准直镜11的一侧，即，所述至少一个光阑131位于所述第一凸锥透镜121与所述透明或半透明待测平板或薄膜W0之间，所述光阑131的透光区域1311对应所述第一凸锥透镜121出射的所述第一贝塞尔光束L21设置，且所述光阑131的透光区域1311的内径大于所述第一贝塞尔光束L21的外径，此外，所述光阑131的非透光区域1312用于遮挡所述两束第一光束L31中的杂散光，以对所述两束第一光束L31中杂散光进行遮光过滤，从而减少或消除所述第一光束L31中的杂散光进入所述测厚探头10，以提高对所述两束第一光束L31的横向采样分辨率及测厚信号的信噪比，从而提高测厚精度。此外，通过平行设置的多个所述光阑131可对所述两束第一光束L31进行多重遮光过滤，以提高对所述两束第一光束L31的遮光过滤效果，从而进一步提高对所述两束第一光束L31的横向采样分辨率及测厚信号的信噪比。

本申请实施方式还提供了一种测厚装置1。请参照图2、图3及图10，图10为本申请一实施方式提供的测厚装置的结构示意图。在本实施方式中，所述测厚装置1包括光纤20、谱干涉测量仪30及如前述任意一实施方式所述的测厚探头10。所述光纤20的一端连接于所述测厚探头10，用于传输光束。所述谱干涉测量仪30连接于所述光纤20的另一端，所述谱干涉测量仪30发出高斯光束至所述测厚探头10，并接收从所述测厚探头10返回的光束，以用于光程差测量。

在本实施方式中，所述谱干涉测量仪30用于通过所述光纤20输出发散的第一高斯光束L11至所述测厚探头10，所述测厚探头10将所述第一高斯光束L11转换为第一贝塞尔光束L21并输出至透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面，所述第一贝塞尔光束L21在所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面反射或后向散射形成两束第一光束L31，所述两束第一光束L31经由所述测厚探头10接收后合束转换为准直的第二光束L32，并转换为会聚的第三光束L33经由所述光纤20传输至所述谱干涉测量仪30。所述谱干涉测量仪30用于对所述第三光束L33进行功率谱测量，以得到干涉功率谱，并根据所述干涉功率谱计算光程差。具体地，所述第三光束L33中包含两束子光束，其中，一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束L21投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的一个界面并返回所述测厚探头的光程，记为第一光程，另一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束L21投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的另一个界面并返回所述测厚探头的光程，记为第二光程。计算所述第三光束L33的光程差，即计算所述第一光程与所述第二光程的差，所述光程差的一半除以所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的折射率即对应所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度。

相比于采用高斯光束进行厚度测量，本申请提供的测厚装置1通过所述测厚探头10输出所述第一贝塞尔光束L21进行厚度测量，利用所述第一贝塞尔光束L21在所述无衍射区段L211内进行厚度测量保持高横向采样分辨率的同时提高了测量量程，且能够在量程范围内保持横向采样分辨率的一致性。因此，本申请提供的所述测厚装置1通过所述测厚探头10输出第一贝塞尔光束L21进行测厚在提高横向采样分辨率的同时，提高了测量量程，且在量程范围内保持了横向采样分辨率的一致。

请参照图2、图3、图10及图11，图11为图10实施方式提供的测厚装置中的谱干涉测量仪的结构示意图。在本实施方式中，所述谱干涉测量仪30包括宽谱光源31、光耦合器32、光谱仪33以及数据处理机34。所述宽谱光源31用于输出初始高斯光束L10。所述光耦合器32用于将所述初始高斯光束L10耦合至所述测厚探头10，并用于将从所述测厚探头10返回的光束耦合至光谱仪33。所述光谱仪33用于接收从所述测厚探头10返回的光束，并进行功率谱测量，以得到干涉功率谱。所述数据处理机34电连接于所述光谱仪33，以接收所述干涉功率谱测量数据并根据所述干涉功率谱得到光程差，并根据所述光程差计算透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度。

在本实施方式中，所述宽谱光源31输出的初始高斯光束L10为宽谱低相干光束。所述光耦合器32通过光纤20连接于所述测厚探头10，所述光耦合器32将所述初始高斯光束L10耦合至所述光纤20并经由所述光纤20出射发散的所述第一高斯光束L11至所述测厚探头10，所述测厚探头10将所述第一高斯光束L11转换为第一贝塞尔光束L21并输出至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面，所述第一贝塞尔光束L21在所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面反射或后向散射形成两束第一光束L31，所述两束第一光束L31经由所述测厚探头10接收后合束转换为准直的第二光束L32，并转换为会聚的第三光束L33经由所述光纤20传输至所述光耦合器32。所述光耦合器32将所述第三光束L33耦合至所述光谱仪33，所述光谱仪33用于对所述第三光束L33进行功率谱测量，以得到干涉功率谱。所述数据处理机34电连接所述光谱仪33，以从所述光谱仪33接收所述干涉功率谱，并通过所述干涉功率谱计算出所述光程差，从而根据所述光程差计算出所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度。

本申请实施方式还提供了一种测厚方法。请参照图12，图12为本申请一实施方式提供的测厚方法的流程图。在本实施方式中，所述测厚方法包括投射具有无衍射特征的细长针状的第一贝塞尔光束L21至透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面，形成沿原光路反射或后向散射的两束第一光束L31。对所述两束第一光束L31合束成第二光束L32，并转换为会聚的第三光束L33，对所述第三光束L33进行功率谱测量，得到干涉功率谱。根据所述干涉功率谱得到第三光束L33中两束子光束之间的光程差，其中，一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束L21投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的一个界面，并返回的光程，另一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束L21投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的另一个界面，并返回的光程。以及根据所述光程差计算出所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度。

在本实施方式中，利用贝塞尔光束具有无衍射区段L211，且相较于高斯光束能够在更长的传输距离里保持数微米的横向尺寸不变的特点，投射具有无衍射特征的细长针状的第一贝塞尔光束L21进行厚度测量，以提高测量精度。具体地，本申请提供的测厚方法包括步骤S10、S20、S30及S40。接下来对步骤S10、S20、S30及S40进行详细描述。

S10，投射具有无衍射特征的细长针状的第一贝塞尔光束L21至透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面，形成沿原光路反射或后向散射的两束第一光束L31。

在本实施方式中，所述第一贝塞尔光束L21具有无衍射区段L211，所述第一贝塞尔光束L21在所述无衍射区段L211内能够保持数微米的横向尺寸不变，具有高精度测量、长距离测量以及测量精度一致性高等特点。例如，相较于高斯光束，采用所述第一贝塞尔光束L21能够在高横向采样分辨率（例如，1μm、3μm或5μm等精度）的情况下，将传输的距离提高数倍（例如，5倍、10倍或20倍等），且保持横向采样分辨率不变。所述透明或半透明待测平板或薄膜W0设于所述无衍射区段L211内，所述第一贝塞尔光束L21投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面，从而在所述两个界面上反射或后向散射形成两束第一光束L31，且一束所述第一光束L31对应一个界面。

S20，对所述两束第一光束L31合束成第二光束L32，并转换为会聚的第三光束L33，对所述第三光束L33进行功率谱测量，得到干涉功率谱。

所述两束第一光束L31合束并干涉形成第二光束L32，通过将所述第二光束L32转换为会聚的第三光束L33以进行功率谱测量，得到干涉功率谱。

S30，根据所述干涉功率谱得到第三光束L33中两束子光束之间的光程差。

根据所述干涉功率谱进行数据处理（例如傅里叶变换等），以得到所述第三光束L33中两个子光束之间的光程差。其中，一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束L21投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的一个界面，并返回的光程，记为第一光程；另一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束L21投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的另一个界面，并返回的光程，记为第二光程。所述光程差为所述第一光程与所述第二光程之差。

S40，根据所述光程差计算出所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度。

所述光程差的一半除以所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的折射率即对应所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的厚度。

请参照图9及图13，图13为图12实施方式提供的测厚方法中对第一光束进行处理的流程图。在本实施方式中，在所述“投射具有无衍射特征的细长针状的第一贝塞尔光束L21在透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面，形成沿原光路反射或后向散射的两束第一光束L31”之后，在“对所述两束第一光束L31合束成第二光束L32，并转换为会聚的第三光束L33，对所述第三光束L33进行功率谱测量，得到干涉功率谱”之前，所述测厚方法还包括对所述两束第一光束L31中的杂散光进行遮光过滤。

在本实施方式中，在步骤S20与步骤S30之间所述测厚方法还包括步骤S50。

S50，对所述两束第一光束L31中的杂散光进行遮光过滤。

在本实施方式中，由于贝塞尔光束的中央亮峰外围还存在较暗的多级亮峰。因此，当所述第一贝塞尔光束L21投射在所述透明或半透明待测平板或薄膜W0的两个界面时表现为多个较暗的亮环所环绕的中央圆亮斑。当所述透明或半透明待测平板或薄膜W0对所述第一贝塞尔光束L21进行反射或后向散射形成所述两束第一光束L31时，多个较暗的亮环也会反射或者后向散射形成杂散光。其中，所述杂散光会降低测厚信号的横向采样分辨率及信噪比。通过对所述两束第一光束L31进行遮光过滤，以滤除所述杂散光，从而提高测厚信号的横向采样分辨率及信噪比，进而提高测厚精度。具体地，可以但不限于通过一个或多个光阑131对所述两束第一光束L31进行遮光过滤，所述光阑131的透光区域1311的内径大于所述第一贝塞尔光束L21的外径，此外，所述光阑131的非透光区域1312用于遮挡所述两束第一光束L31中的杂散光，以对所述两束第一光束L31中杂散光进行遮光过滤，从而减少或消除所述第一光束L31中的杂散光，以提高对所述两束第一光束L31的横向采样分辨率及测厚信号的信噪比，从而提高测厚精度。

请参照图14，图14为图12实施方式提供的测厚方法中对光程差进行计算的流程图。在本实施方式中，所述“根据所述干涉功率谱得到所述第三光束L33中两束子光束之间的光程差”包括识别所述干涉功率谱中的干涉光的强度主峰。以及对所述干涉光的强度主峰进行拟合计算，得出所述第三光束L33中两束子光束之间的光程差。

在本实施方式中，根据所述干涉功率谱得到光程差的步骤S30包括步骤S31及步骤S32。

S31，识别所述干涉功率谱中的干涉光的强度主峰。

在本实施方式中，所述干涉功率谱中包括主峰，所述主峰对应所述第三光束L33中两束光束之间干涉所得的光程差。

S32，对所述干涉光的强度主峰的分布进行拟合计算，得出所述第三光束L33中两束子光束之间的光程差。

通过对实测的所述主峰的分布进行拟合计算，得出所述主峰的拟合曲线，通过计算所述拟合曲线中主峰的极值，提取出精度更高的主峰极值所在位置，即精度更高的光程差，进而提高测厚精度。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种测厚探头，其特征在于，所述测厚探头包括：

准直镜，所述准直镜用于将发散的第一高斯光束转换为准直的第二高斯光束；以及

光束转换组件，所述光束转换组件与所述准直镜间隔设置，用于将所述第二高斯光束转换为第一贝塞尔光束，其中，所述第一贝塞尔光束具有无衍射区段，所述光束转换组件包括第一凸锥透镜，所述第一凸锥透镜用于输出所述第一贝塞尔光束，输出的所述第一贝塞尔光束出射至透明或半透明待测平板或薄膜的两个界面，所述光束转换组件还用于分别接收被所述透明或半透明待测平板或薄膜的两个界面沿原光路反射或后向散射所述第一贝塞尔光束而得到的两束第一光束，并转换合成准直的第二光束，所述第二光束经由所述准直镜转换为会聚的第三光束，所述第三光束用于计算所述透明或半透明待测平板或薄膜的厚度。

2.如权利要求1所述的测厚探头，其特征在于，所述第一贝塞尔光束的无衍射区段的长度与入射至所述第一凸锥透镜的准直光束的束腰半径成正比，与所述第一凸锥透镜的底角角度成反比。

3.如权利要求1所述的测厚探头，其特征在于，所述光束转换组件还包括：

凹锥透镜，所述凹锥透镜设于所述第一凸锥透镜与所述准直镜之间，用于将所述第二高斯光束转换为发散的第一环形空心光束；以及

第二凸锥透镜，所述第二凸锥透镜设于所述凹锥透镜与所述第一凸锥透镜之间，所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构与所述凹锥透镜的凹陷锥面结构相对设置，且所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构的底角与所述凹锥透镜的凹陷锥面结构的底角相等，所述第二凸锥透镜用于将所述发散的第一环形空心光束转换为准直的第二环形空心光束并出射至所述第一凸锥透镜。

4.如权利要求1所述的测厚探头，其特征在于，所述光束转换组件还包括：

第三凸锥透镜，所述第三凸锥透镜设于所述第一凸锥透镜与所述准直镜之间，用于将所述第二高斯光束转换为发散的第三环形空心光束；以及

第二凸锥透镜，所述第二凸锥透镜设于所述第三凸锥透镜与所述第一凸锥透镜之间，所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构与所述第三凸锥透镜的凸出锥面结构相对设置，且所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构的底角与所述第三凸锥透镜的凸出锥面结构的底角相等，所述第二凸锥透镜用于将所述发散的第三环形空心光束转换为准直的第四环形空心光束并出射至所述第一凸锥透镜。

5.如权利要求1-4任意一项所述测厚探头，其特征在于，所述测厚探头还包括：

遮光罩，内含至少一个光阑，所述遮光罩设于所述第一凸锥透镜背离所述准直镜的一侧，用于对所述两束第一光束中的杂散光进行遮光过滤。

6.一种测厚装置，其特征在于，所述测厚装置包括：

如权利要求1-5任意一项所述的测厚探头；

光纤，所述光纤的一端连接于所述测厚探头，用于传输光束；以及

谱干涉测量仪，所述谱干涉测量仪连接于所述光纤的另一端，所述谱干涉测量仪发出高斯光束至所述测厚探头，并接收从所述测厚探头返回的光束，以用于光程差测量。

7.如权利要求6所述的测厚装置，其特征在于，所述谱干涉测量仪包括：

宽谱光源，所述宽谱光源用于输出初始高斯光束；

光耦合器，所述光耦合器用于将所述初始高斯光束耦合至所述测厚探头，并用于将从所述测厚探头返回的光束耦合至光谱仪；

光谱仪，所述光谱仪用于接收从所述测厚探头返回的光束，并进行功率谱测量，以得到干涉功率谱；以及

数据处理机，所述数据处理机电连接于所述光谱仪，以接收所述干涉功率谱并根据所述干涉功率谱得到光程差，并根据所述光程差计算透明或半透明待测平板或薄膜的厚度。

8.一种测厚方法，其特征在于，所述测厚方法包括：

投射具有无衍射特征的细长针状的第一贝塞尔光束至透明或半透明待测平板或薄膜的两个界面，形成沿原光路反射或后向散射的两束第一光束；

对所述两束第一光束合束成第二光束，并转换为会聚的第三光束，对所述第三光束进行功率谱测量，得到干涉功率谱；

根据所述干涉功率谱得到第三光束中两束子光束之间的光程差，其中，一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜的一个界面，并返回的光程，另一束所述子光束的光程对应所述第一贝塞尔光束投射至所述透明或半透明待测平板或薄膜的另一个界面，并返回的光程；以及

根据所述光程差计算出所述透明或半透明待测平板或薄膜的厚度。

9.如权利要求8所述的测厚方法，其特征在于，在所述“投射具有无衍射特征的细长针状的第一贝塞尔光束至透明或半透明待测平板或薄膜的两个界面，形成沿原光路反射或后向散射的两束第一光束”之后，在“对所述两束第一光束合束成第二光束，并转换为会聚的第三光束，对所述第三光束进行功率谱测量，得到干涉功率谱”之前，所述测厚方法还包括：

对所述两束第一光束中的杂散光进行遮光过滤。

10.如权利要求8或9所述的测厚方法，其特征在于，所述“根据所述干涉功率谱得到所述第三光束中两束子光束之间的光程差”包括：

识别所述干涉功率谱中干涉光的强度主峰；以及

对所述干涉光的强度主峰的分布进行拟合计算，得出所述第三光束中两束子光束之间的光程差。

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