CN117367295A - 光学多测量系统及基于多测量系统的光斑共点调节方法 - Google Patents

光学多测量系统及基于多测量系统的光斑共点调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了光学多测量系统及基于多测量系统的光斑共点调节方法,光学多测量系统中的电动样品台上水平放置有光显样品;集成化测量头位于电动样品台的上方,集成化测量头的内部布置有斜入射光学测量系统及正入射光学测量系统,斜入射光学测量系统的测量头与正入射光学测量系统的测量头发出的光束汇聚在下方的光显样品上并形成光斑测点;镜头调节机构连接在集成化测量头上,正入射光学测量系统的测量头固定在镜头调节机构的执行端,本发明依靠两束光在光显样品不同反射区域获得光强曲线及反射率微分曲线,通过判断反射率微分的最小值是否重合来调节光斑重合程度,本发明光斑共点重合度调节更加精准,没有主观人为因素,能提高产品膜层的测量精度。

Description

光学多测量系统及基于多测量系统的光斑共点调节方法
技术领域
本发明属于光学测量仪器技术领域,具体涉及一种光学多测量系统及多测量系统中的光斑共点调节方法。
背景技术
本发明涉及不同入射角的光学测量系统的集成技术。
由于斜入射光学测量系统入射角很大,适合测量较薄的膜层;而正入射光学测量系统是垂直入射,穿透深度要更大一些,更适合测量较厚的材料。当同一样品中包含厚度跨度很大的多种膜层时,则可以将斜入射光学测量系统和正入射光学测量系统集成在同一个测量平台上,对样品进行综合量测。因此需要调节两束测量光斑汇聚在同一个测量点。
光斑完全重合这一指标目前主要依靠对综合测量平台的机械设计和精密加工来保证。但实际上很容易出现两束光斑无法对准的情况。目前通常通过调整安装方式等补偿性措施来对准两束光斑,但有如下两个问题:
其一:完全用肉眼观察,主观性强,这样会引起台间差不可控。
其二:调整安装方式难以控制最终的光板位置,且会改变原先设计的应力要求,引起更大的测量误差。
因此,如何提供一种光学多测量系统及多测量系统中的光斑共点调节方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种光学多测量系统及多测量系统中的光斑共点调节方法,目的是为了将斜入射光学测量系统和正入射光学测量系统发出的两束光的光斑在样品处完美重合,并减小主观误差,实现对复杂样品精准膜层厚度的测量,解决了安装调试过程中的两束光共点的技术问题。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:一种光学多测量系统,其包括:
电动样品台,所述电动样品台上水平放置有光显样品;
集成化测量头,所述集成化测量头位于所述电动样品台的上方,所述集成化测量头的内部布置有斜入射光学测量系统及正入射光学测量系统,所述斜入射光学测量系统的测量头与正入射光学测量系统的测量头发出的光束汇聚在下方的所述光显样品上并形成光斑测点;
镜头调节机构,所述镜头调节机构连接在所述集成化测量头上,所述镜头调节机构为六轴调节机构,所述正入射光学测量系统的测量头固定在所述镜头调节机构的执行端。
本发明的有益效果是:将斜入射光学测量系统和正入射光学测量系统集成在一个集成化测量头上,斜入射光学测量系统上的测量头位置不变,正入射光学测量系统上的测量头会根据镜头调节机构调节位置,从而修正入射光的聚焦,光显样品上显示两束光汇聚形成的光斑测点。测试调节完成后,正入射光学测量系统和斜入射光学测量系统的位置即固定不变,进而完成待测样品的膜厚精准测量。
优选的,所述电动样品台为X-Y轴电动样品台,所述光显样品上具有两个反射率不同的反射区。
由此产生的技术效果是:利用X-Y轴电动样品台为了方便移动光显样品,并利用高低不同反射率的反射区来获得光强曲线和光强对移动方向的微分曲线,进而辅助寻找两束光在光显样品上的重合测点,
优选的,所述镜头调节机构包括固定板、Z轴调节滑块、XY位置调整块、水平调整块、镜头固定块,所述固定板固定在集成化测量头的侧壁上,所述固定板上开设有Z方向滑槽,所述Z轴调节滑块滑动连接在所述Z方向滑槽内,所述XY位置调整块上设有X方向滑槽和Y方向滑槽,所述XY位置调整块的一侧壁上且对应Y方向设有连通Y方向滑槽的嵌入槽,所述Z轴调节滑块滑动连接在所述嵌入槽及Y方向滑槽内,所述水平调整块位于所述XY位置调整块的下方并与X方向滑槽滑动连接,所述镜头固定块对应为镜头调节机构的执行端,所述镜头固定块固定在所述水平调整块上并用于固定正入射光学测量系统的测量头。
由此产生的技术效果是:镜头调节机构是用来调节正入射光学测量系统的,进而实现两束光在光显样品上的聚焦重合,但是由于肉眼观察会有误差,因此需要使用镜头调节机构手动调整正入射光学测量系统的位置,从而修正入射光的聚焦,然后利用光强曲线和光强对移动方向的微分曲线判断光斑是否重合,完成调试过程。
优选的,所述光显样品为平面结构或者阶梯台面结构。
本发明还公开了一种基于光学多测量系统的光斑共点调节方法,其包括以下步骤:
步骤一:组装集成化测量头并构成双光学系统集成平台,将斜入射光学测量系统及正入射光学测量系统两种测量光学系统安装在集成平台;
步骤二:调试电动样品台,并将测试的光显样品放置在电动样品台,控制电动样品台的移动,用斜入射光学测量系统的入射光和正入射光学测量系统的入射光扫描测试光显样品;
步骤三:得到两束光强曲线并各自计算光强对移动方向的微分曲线;
步骤四:判断两束光的微分曲线的最小值是否重合,若重合则光斑重合在光显样品上;
步骤五:若两束光的微分曲线的最小值不重合,则需要利用镜头调节机构手动调整正入射光学测量系统的位置,并重复步骤二至步骤四的过程,直到两个微分曲线的最小值重合,来提高光斑测点的重合度。
本发明的有益效果是:本发明公开了集成化测量头在正式使用前对两束光聚焦共点的调整过程,斜入射光学测量系统和正入射光学测量系统发出的两束光从高反射率区域扫描至低反射率区域,得到反射率曲线,对反射率曲线沿着样品扫描方向进行微分计算,可以得到反射率导数曲线。反射率微分的最小值就是样品中高低反射率区域的连接处。本发明通过判断反射率微分的最小值是否重合来调节光斑重合的程度。若微分最小值不重合,则需要利用本发明中的镜头调节机构手动调整正入射光学测量系统的位置并再次计算反射率微分曲线,直到其重合。
优选的,所述斜入射光学测量系统的测量头倾斜向下布置,所述正入射光学测量系统的测量头垂直电动样品台上的光显样品,所述正入射光学测量系统的测量头位于斜入射光学测量系统光源及斜入射光学测量系统探测器之间。
由此产生的技术效果是:充分利用集成化测量头的空间来布置斜入射光学测量系统和正入射光学测量系统。
附图说明
图1为本发明一种光学多测量系统的整体结构图;
图2为本发明一种光学多测量系统的光斑测点示意图;
图3为本发明一种光学多测量系统的光显样品示意图;
图4为本发明一种光学多测量系统的镜头调节机构结构图一;
图5为本发明一种光学多测量系统的镜头调节机构结构图二;
图6为本发明两个光斑扫描的反射率曲线及微分曲线;
图7为本发明一种光学多测量系统的光斑重合调节流程图。
1集成化测量头、2电动样品台、3光显样品、4斜入射光学测量系统、5正入射光学测量系统、6光斑测点、61斜入射光学测量系统的椭圆形光斑、62正入射光学测量系统的圆形光斑、7镜头调节机构、71固定板、72Z轴调节滑块、73XY位置调整块、74水平调整块、75镜头固定块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明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发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参阅本发明附图1至7,根据本发明实施例一种光学多测量系统,其包括:
电动样品台1,电动样品台1上水平放置有光显样品3;
集成化测量头1,集成化测量头1位于电动样品台1的上方,集成化测量头1的内部布置有斜入射光学测量系统4及正入射光学测量系统5,斜入射光学测量系统4的测量头与正入射光学测量系统5的测量头发出的光束汇聚在下方的光显样品3上并形成光斑测点6;
镜头调节机构7,镜头调节机构7连接在集成化测量头1上,镜头调节机构7为六轴调节机构,正入射光学测量系统5的测量头固定在镜头调节机构7的执行端。本装置利用镜头调节机构来调节正入射光学测量系统的位置,从而修正入射光的聚焦,进而调节光斑的位置。
在另一些实施例中,电动样品台2为X-Y轴电动样品台,可以实现X轴方向移动,也可以实现Y轴方向移动,光显样品3上具有两个反射率不同的反射区(即高反射率区域和低反射率区域),光斑测点6包括斜入射光学测量系统的椭圆形光斑61和正入射光学测量系统的圆形光斑62。由于斜入射光学测量系统入射角一般都在50°~75°左右,入射到样品的光斑会呈现两边长,中间短的椭圆形。而正入射光学测量系统是垂直入射,光斑一般呈现圆形。
在另一些具体实施例中,镜头调节机构7包括固定板71、Z轴调节滑块72、XY位置调整块73、水平调整块74、镜头固定块75,固定板71固定在集成化测量头的侧壁上,固定板71上开设有Z方向滑槽76,Z轴调节滑块72滑动连接在Z方向滑槽76内,XY位置调整块73上设有X方向滑槽77和Y方向滑槽78,XY位置调整块73的一侧壁上且对应Y方向设有连通Y方向滑槽的嵌入槽,Z轴调节滑块72滑动连接在嵌入槽及Y方向滑槽78内,水平调整块74位于XY位置调整块73的下方并与X方向滑槽77滑动连接,镜头固定块75对应为镜头调节机构的执行端,镜头固定块75固定在水平调整块74上并用于固定正入射光学测量系统的测量头。
镜头调节机构给出了多个方向调节的可能,具体的使用以实际情况为主;在调节斜入射光学测量系统4及正入射光学测量系统5光束共点时,是利用镜头调节机构调节正入射光学测量系统的位置的。
在其他一些实施例中,光显样品3为平面结构或者阶梯台面结构。平面结构上划分高反射率区域和低反射率区域,阶梯台面结构依靠阶梯结构划分高反射率区域和低反射率区域。
本发明还公开了一种基于光学多测量系统的光斑共点调节方法,其包括以下步骤:
步骤一:组装集成化测量头1并构成双光学系统集成平台,将斜入射光学测量系统4及正入射光学测量系统5两种测量光学系统安装在集成平台;
步骤二:调试电动样品台2,并将测试的光显样品3放置在电动样品台2上,控制电动样品台2的移动,用斜入射光学测量系统的入射光和正入射光学测量系统的入射光扫描测试光显样品;
步骤三:得到两束光强曲线并各自计算光强对该移动方向(电动样品台X移动方向或者Y移动方向)的微分曲线;
步骤四:判断两束光的微分曲线的最小值是否重合,若重合则光斑重合在光显样品上;
步骤五:若两束光的微分曲线的最小值不重合,则需要利用镜头调节机构7手动调整正入射光学测量系统5的位置,并重复步骤二至步骤四的过程,直到两个微分曲线的最小值重合,来提高光斑测点6的重合度。
正入射光学测量系统5的测量头垂直电动样品台2上的光显样品,正入射光学测量系统5的测量头位于斜入射光学测量系统光源及斜入射光学测量系统探测器之间。
本发明解决了斜入射光学测量系统和正入射光学测量系统综合测量系统的光束共点问题。在实际安装中由于加工偏差和安装偏差等,容易出现光束无法共点的现象,因为手动调节获得的光束共点并非真正意义上的共点,有较大的的精度偏差,人眼察觉不到,存在偏差现象会影响最终的测量结果;本发明利用镜头调节机构实现对正入射光学测量系统的位置调节,完成两束光在光显样品上共点重合度的调试;
光束共点的调节是利用数据反馈获知的。
首先使用斜入射光学测量系统和正入射光学测量系统的光束扫描光显样品的高低反射率区域,得到光强曲线和光强在该移动方向上的微分曲线,然后利用共点的算法即判断微分的最小值结果是否重合,可以判断出光斑的具体位置。比起人工肉眼判断光斑是否重合,该方法可以精确客观的判断两束光是否重合。通过镜头调节机构实现正入射光学测量系统的位置调整,可以调整正入射光学测量系统的光斑位置,直到微分最小值重合则表明两个测量系统的光斑重合。本装置排除了调节光斑重合过程中的人为主观因素,可以精确地计算光斑位置,并在调节光斑过程中不引入其他的应力误差和机械误差,精度高。也便于后续的产品膜厚测量。
对于实施例公开的装置和使用方法而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种光学多测量系统,其特征在于,包括:
电动样品台(1),所述电动样品台(1)上水平放置有光显样品(3);
集成化测量头(1),所述集成化测量头(1)位于所述电动样品台(1)的上方,所述集成化测量头(1)的内部布置有斜入射光学测量系统(4)及正入射光学测量系统(5),所述斜入射光学测量系统(4)的测量头与正入射光学测量系统(5)的测量头发出的光束汇聚在下方的所述光显样品(3)上并形成光斑测点(6);
镜头调节机构(7),所述镜头调节机构(7)连接在所述集成化测量头(1)上,所述镜头调节机构(7)为六轴调节机构,所述正入射光学测量系统(5)的测量头固定在所述镜头调节机构(7)的执行端。
2.根据权利要求1所述的一种光学多测量系统,其特征在于,所述电动样品台(2)为X-Y轴电动样品台,所述光显样品(3)上具有两个反射率不同的反射区,所述光斑测点(6)包括斜入射光学测量系统的椭圆形光斑(61)和正入射光学测量系统的圆形光斑(62)。
3.根据权利要求2所述的一种光学多测量系统,其特征在于,所述镜头调节机构(7)包括固定板(71)、Z轴调节滑块(72)、XY位置调整块(73)、水平调整块(74)、镜头固定块(75),所述固定板(71)固定在集成化测量头的侧壁上,所述固定板(71)上开设有Z方向滑槽(76),所述Z轴调节滑块(72)滑动连接在所述Z方向滑槽(76)内,所述XY位置调整块(73)上设有X方向滑槽(77)和Y方向滑槽(78),所述XY位置调整块(73)的一侧壁上且对应Y方向设有连通Y方向滑槽的嵌入槽,所述Z轴调节滑块(72)滑动连接在所述嵌入槽及Y方向滑槽(78)内,所述水平调整块(74)位于所述XY位置调整块(73)的下方并与X方向滑槽(77)滑动连接,所述镜头固定块(75)对应为镜头调节机构的执行端,所述镜头固定块(75)固定在所述水平调整块(74)上并用于固定正入射光学测量系统的测量头。
4.根据权利要求3所述的一种光学多测量系统,其特征在于,所述光显样品(3)为平面结构或者阶梯台面结构。
5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的光学多测量系统的光斑共点调节方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:组装集成化测量头(1)并构成双光学系统集成平台,将斜入射光学测量系统(4)及正入射光学测量系统(5)两种测量光学系统安装在集成平台上;
步骤二:调试电动样品台(2),并将测试的光显样品(3)放置在电动样品台(2)上,控制电动样品台(2)的移动,用斜入射光学测量系统的入射光和正入射光学测量系统的入射光扫描测试光显样品;
步骤三:得到两束光强曲线并各自计算光强对移动方向的微分曲线;
步骤四:判断两束光的微分曲线的最小值是否重合,若重合则光斑重合在光显样品上;
步骤五:若两束光的微分曲线的最小值不重合,则需要利用镜头调节机构(7)手动调整正入射光学测量系统(5)的位置,并重复步骤二至步骤四的过程,直到两个微分曲线的最小值重合,来提高光斑测点(6)的重合度。
6.根据权利要求5所述的一种基于多测量系统的光斑共点调节方法,其特征在于,所述斜入射光学测量系统(4)的测量头倾斜向下布置,所述正入射光学测量系统(5)的测量头垂直电动样品台(2)上的光显样品,所述正入射光学测量系统(5)的测量头位于斜入射光学测量系统光源及斜入射光学测量系统探测器之间。
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