CN118189831A - 一种厚度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种厚度测量装置及方法。所述装置包括：光源，用来发射太赫兹光束；测量模块，用来将所述太赫兹光束转化为参考光束和探测光束，进而引导所述探测光束穿过可转动的被测样品后与所述参考光束合束形成干涉光束；计算模块，用来对所述被测样品转动过程中所述干涉光束的强度分布变化进行分析，获得所述探测光束相对所述参考光束的相位变化值，并记录所述相位变化值对应的所述被测样品的旋转角度，进而根据所述相位变化值和所述旋转角度利用相位角度公式计算得到所述被测样品的厚度。本发明能够精确测量太赫兹光可穿透样品的厚度。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹检测技术，特别是涉及一种厚度测量装置及方法。
背景技术
厚度测量是实际应用过程中最为常见的一项测量，是获得样品厚度的一种测量方法，以千分尺直接接触测量最为常用，其次是采用显微镜进行放大测量，尤其是当被测样品的厚度很薄时，显微镜测量最为常用。然而，接触测量和显微测量均有一定的局限性，比如接触测量在有些场合会破坏样品的表面，显微镜测量难以测量厚度较大的样品。因此，利用激光的相干特性，开展非接触测量技术，是厚度测量的一种重要形式。
在可见光、红外光和毫米波频段，非接触厚度测量已获得了较好的发展，但在1THz以上的太赫兹频段，由于缺乏性能优异的单色相干太赫兹激光源，基于该频段激光的厚度测量技术一直比较缺乏。利用太赫兹光的穿透特性，对于一些可见和红外光难以穿透的样品，亟需一种厚度测量装置和测量方法，以实现对样品厚度的精确测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种厚度测量装置及方法，能够精确测量样品厚度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种厚度测量装置，包括：
光源，用来发射太赫兹光束；
测量模块，用来将所述太赫兹光束转化为参考光束和探测光束，进而引导所述探测光束穿过可转动的被测样品后与所述参考光束合束形成干涉光束；
计算模块，用来对所述被测样品转动过程中所述干涉光束的强度分布变化进行分析，获得所述探测光束相对所述参考光束的相位变化值，并记录所述相位变化值对应的所述被测样品的旋转角度，进而根据所述相位变化值和所述旋转角度利用相位角度公式计算得到所述被测样品的厚度。
进一步的，
所述测量模块包括用来放置被测样品的旋转台，以及用来形成测量光路对所述被测样品进行测量的第一分束片、第二分束片、第一反射镜、第二反射镜、透镜和太赫兹探测阵列；所述第一分束片用来将所述太赫兹光束分为所述参考光束和所述探测光束，所述探测光束经所述第一反射镜反射后穿过所述被测样品形成包含厚度信息的探测光束，所述包含厚度信息的探测光束被所述第二反射镜反射至所述第二分束片，进而通过所述第二分束片与所述参考光束合束形成干涉光束，所述干涉光束经所述透镜会聚产生的空间干涉条纹被所述太赫兹探测阵列捕捉。
进一步的，所述第一分束片与所述太赫兹光束的夹角，同所述第二分束片与所述参考光束的夹角不相等。
进一步的，所述相位角度公式为
其中，为所述相位变化值，θ为所述旋转角度，T为所述被测样品的厚度，n为所述探测光束在所述被测样品中传播时的折射率，λ为所述探测光束的波长。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种厚度测量方法，应用于如上所述装置，包括以下步骤：
调整被测样品的初始位置，使所述探测光束垂直穿过所述被测样品；
转动所述被测样品，分析转动过程中所述干涉光束的强度分布变化，获得多个所述探测光束相对所述参考光束的相位变化值，并记录所述相位变化值对应的所述被测样品的旋转角度；
根据所述相位变化值和所述旋转角度利用相位角度公式计算得到所述被测样品的厚度。
进一步的，所述相位变化值为2π的整数倍。
进一步的，所述对转动过程中所述干涉光束的强度分布变化进行分析，获得所述探测光束相对所述参考光束的相位变化值，包括：
观测转动过程中所述干涉光束的干涉条纹，每当一个干涉条纹移动到下一个条纹的位置并完全重叠时，记录所述相位变化值为2π×k，其中，k为干涉条纹产生重叠的次数，k＝0，1，2，……。
进一步的，所述相位角度公式为
其中，为所述相位变化值，θ为所述旋转角度，T为所述被测样品的厚度，n为所述探测光束在所述被测样品中传播时的折射率，λ为所述探测光束的波长。
进一步的，所述根据所述相位变化值和所述旋转角度利用相位角度公式计算得到所述被测样品的厚度，包括：
根据所述厚度的范围和精度确定有限数量个厚度预测值；
根据所述相位角度公式，利用所述旋转角度、所述厚度预测值计算得到相位变化预测值；
计算所述相位变化预测值与所述相位变化值的残差标准差，获得令所述残差标准差最小的所述厚度预测值为所述被测样品的厚度。
进一步的，所述调整被测样品的初始位置的步骤与所述使探测光束垂直穿过所述被测样品的步骤之间，还包括使所述探测光束经被测样品的中心穿过所述被测样品的步骤。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用太赫兹光束的穿透特性和相干特性，通过转动被测样品引起穿透光束的相位变化，进而通过将穿透光束与参考光束相干并观测干涉条纹的方法获得相位变化值以及对应的旋转角度，最终拟合得到被测样品厚度，为1THz以上频段提供了非接触的精确测量厚度的手段。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的系统示意图；
图2是本发明第二实施方式的干涉条纹移动示意图；
图3是本发明第二实施方式的相位角度拟合曲线图及RMSE估计曲线图；
图4是本发明第二实施方式中的拟合计算流程图；
图5是本发明第二实施方式中采用体式显微镜实测得到高阻硅片的厚度值。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的第一实施方式涉及一种厚度测量装置，如图1所示，包括：
光源1，用来发射太赫兹光束；
测量模块，用来将太赫兹光束转化为参考光束和探测光束，进而引导探测光束穿过可转动的被测样品4后与参考光束合束形成干涉光束；
计算模块，用来对被测样品转动过程中干涉光束的强度分布变化进行分析，获得探测光束相对参考光束的相位变化值，并记录相位变化值对应的被测样品的旋转角度，进而根据相位变化值和旋转角度利用相位角度公式计算得到被测样品的厚度，相位角度公式为
其中，为相位变化值，θ为旋转角度，T为被测样品的厚度，n为探测光束在被测样品中传播时的折射率，λ为探测光束的波长。
具体的，测量模块包括用来放置被测样品的旋转台5，以及用来形成测量光路对被测样品进行测量的第一分束片2、第二分束片7、第一反射镜3和第二反射镜6。水平太赫兹光束经第一分束片2透射后产生水平的参考光束，经第一分束片2反射后产生垂直的探测光束。探测光束经第一反射镜3反射后沿水平方向穿过被测样品4形成包含厚度信息的探测光束，该光束经所述第二反射镜6反射后沿垂直方向射入第二分束片，并与参考光束合束形成干涉光束。干涉光束经过太赫兹透镜8会聚，产生的空间干涉条纹被太赫兹探测阵列9捕捉并显示。
其中，光源1采用太赫兹量子级联激光器，用以输出平行太赫兹光束，激光的工作频率可覆盖1-5THz，所用太赫兹激光源的具体频率为4.3THz。
第一分束片2和第二分束片7采用高阻硅片，分束片1用来对太赫兹平行光进行分束，分束片2用来对两束太赫兹平行光进行合束。为了让分束片2反射的包含了厚度信息的探测光束与参考光束在干涉时有一定空间上的错位，便于分清楚干涉条纹的移动次数，需要使两个分束片与射入光束的夹角不相同。可以设置分束片1与太赫兹光束的夹角为45°，分束片2与参考光束的夹角为44.5°，高阻硅片电阻率大于20000欧姆·厘米，硅片厚度0.5mm。
第一反射镜3和第二反射镜6采用表面镀金属的反射镜，用以反射入射的太赫兹平行光束，其中表面所镀金属可以为金、铝、银、钛，厚度大于200nm.
被测样品4安装在机械旋转台5上，通过机械旋转台实现对样品的精确旋转，最小旋转角度为0.0015rad，旋转角度的读取通过旋转台上的一个高精度霍尔传感器来实现。
太赫兹透镜8采用高阻硅透镜，对经过被测样品的光束和未经过样品的光束合束后的太赫兹平行光进行会聚，在空间上形成干涉条纹。
太赫兹探测阵列9采用具有太赫兹频段带通滤光片的热探测阵列，用以显示经太赫兹透镜会聚后形成的太赫兹光干涉条纹，其中热探测阵列敏感面的材料为二氧化钒，像元尺寸为23.5μm，像素为320×240。
本发明的第二实施方式涉及一种厚度测量方法，应用于如上所述装置，包括以下步骤：
调整被测样品的初始位置，使探测光束进被测样品的中心垂直穿过被测样品；
转动被测样品，对转动过程中干涉光束的强度分布变化进行分析，获得多个探测光束相对参考光束的相位变化值，并记录相位变化值对应的被测样品的旋转角度；
根据相位变化值和旋转角度利用相位角度公式计算得到被测样品的厚度，相位角度公式为
其中，为相位变化值，θ为旋转角度，T为被测样品的厚度，n为探测光束在被测样品中传播时的折射率，λ为探测光束的波长。
为方便观测和计算，可选择2π的整数倍做为相位变化值，此时，可以通过以下方法获得相位变化值，包括：
观测转动过程中干涉光束的干涉条纹，每当一个干涉条纹移动到下一个条纹的位置并完全重叠时，记录相位变化值为2π×k，其中，k为干涉条纹产生重叠的次数，k＝0，1，2，……。
下面结合对高阻硅片的实际测量来对本实施方式做进一步说明。
具体测量步骤如下：
1)将旋转台及被测样品放置于第一反射镜和第二反射镜之间，使得太赫兹光束经过被测样品的中心，被测样品为2片叠在一起的标称500±10μm的4英寸高阻硅片；
2)将样品的初始位置设置为与探测光束垂直，即太赫兹探测光束垂直于被测样品所在平面，此时样品角度为0°，记录此时太赫兹探测阵列上的干涉条纹分布；
3)控制旋转台带动被测样品缓慢转动，太赫兹探测阵列上的干涉条纹随着样品的转动发生移动，如图2所示，当前一个干涉条纹刚好移动到下一个条纹位置时，记录太赫兹激光的相位变化为2π，同时记录旋转台的转动角度；
4)多次重复步骤3，记录多组相位变化值(2π的整数倍)与旋转台的旋转角度，本实施例中设定旋转角度记录至相位变化为16π，即8个2π，对应于8组相位变化值与旋转角度；
5)根据相位角度公式计算相位变化值随样品旋转角度的变化曲线；
7)如图3所示，根据旋转台的旋转角度和太赫兹探测阵列敏感面上干涉条纹移动得到的太赫兹光相位变化值，拟合得到了被测样品的厚度为992.5μm，由于在实际拟合过程中，为了使拟合结果最为接近实际测量点的分布曲线，需要对拟合的效果进行判断，即均方根误差估计(RMSE)，取RMSE值最小时对应的拟合曲线为最接近的拟合厚度值。
具体拟合过程如图4所示，其中相位角度公式可以表示为以下形式：
相位变化值由θ,T,n三个参数来共同决定，其中θ是实测值，可以由角度传感器直接读出；对于高阻硅材料来说，n取3.4，采用太赫兹时域光谱系统测得。而T则是待测值，可以由曲线拟合的方式得到。
曲线拟合的过程采用残差拟合的方式。首先根据样品厚度范围和精度确定N个厚度预测值Ti，1≤i≤N。对于给定的Ti和n，相位角度公式的函数关系完全确定，可以计算得到在该待测值下的函数残差ei，如以下公式所示：
其中，φj和分别为第j组相位变化实测值和相位变化预测值，Ti为第i个厚度预测值。通过计算残差ej的RMSE，可以判断曲线拟合的良好与否，通过N次的计算，获得残差标准差最小时的Ti便是所测试硅片的厚度值。
如图5所示，采用体式显微镜实测得到的2片高阻硅片的厚度值分别为500.00μm和495.34μm，总厚度为995.34μm，与基于干涉条纹移动测得的厚度值仅差2.84μm。
可见，本发明提供的以太赫兹量子级联激光器为光源的厚度测量装置及测量方法，利用太赫兹量子级联激光器输出激光的相干特性，能够为1THz以上频段提供精确的非接触厚度测量手段。
Claims (10)
1.一种厚度测量装置，其特征在于，包括：
光源，用来发射太赫兹光束；
测量模块，用来将所述太赫兹光束转化为参考光束和探测光束，进而引导所述探测光束穿过可转动的被测样品后与所述参考光束合束形成干涉光束；
计算模块，用来对所述被测样品转动过程中所述干涉光束的强度分布变化进行分析，获得所述探测光束相对所述参考光束的相位变化值，并记录所述相位变化值对应的所述被测样品的旋转角度，进而根据所述相位变化值和所述旋转角度利用相位角度公式计算得到所述被测样品的厚度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量模块包括用来放置被测样品的旋转台，以及用来形成测量光路对所述被测样品进行测量的第一分束片、第二分束片、第一反射镜、第二反射镜、透镜和太赫兹探测阵列；所述第一分束片用来将所述太赫兹光束分为所述参考光束和所述探测光束，所述探测光束经所述第一反射镜反射后穿过所述被测样品形成包含厚度信息的探测光束，所述包含厚度信息的探测光束被所述第二反射镜反射至所述第二分束片，进而通过所述第二分束片与所述参考光束合束形成干涉光束，所述干涉光束经所述透镜会聚产生的空间干涉条纹被所述太赫兹探测阵列捕捉。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一分束片与所述太赫兹光束的夹角，同所述第二分束片与所述参考光束的夹角不相等。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相位角度公式为
其中，为所述相位变化值，θ为所述旋转角度，T为所述被测样品的厚度，n为所述探测光束在所述被测样品中传播时的折射率，λ为所述探测光束的波长。
5.一种厚度测量方法，应用于如权利要求1-4所述装置，其特征在于，包括以下步骤：
调整被测样品的初始位置，使所述探测光束垂直穿过所述被测样品；
转动所述被测样品，分析转动过程中所述干涉光束的强度分布变化，获得多个所述探测光束相对所述参考光束的相位变化值，并记录所述相位变化值对应的所述被测样品的旋转角度；
根据所述相位变化值和所述旋转角度利用相位角度公式计算得到所述被测样品的厚度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述相位变化值为2π的整数倍。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对转动过程中所述干涉光束的强度分布变化进行分析，获得所述探测光束相对所述参考光束的相位变化值，包括：
观测转动过程中所述干涉光束的干涉条纹，每当一个干涉条纹移动到下一个条纹的位置并完全重叠时，记录所述相位变化值为2π×k，其中，k为干涉条纹产生重叠的次数，k＝0，1，2，……。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相位角度公式为
其中，为所述相位变化值，θ为所述旋转角度，T为所述被测样品的厚度，n为所述探测光束在所述被测样品中传播时的折射率，λ为所述探测光束的波长。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述相位变化值和所述旋转角度利用相位角度公式计算得到所述被测样品的厚度，包括：
根据所述厚度的范围和精度确定有限数量个厚度预测值；
根据所述相位角度公式，利用所述旋转角度、所述厚度预测值计算得到相位变化预测值；
计算所述相位变化预测值与所述相位变化值的残差标准差，获得令所述残差标准差最小的所述厚度预测值为所述被测样品的厚度。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调整被测样品的初始位置的步骤与所述使探测光束垂直穿过所述被测样品的步骤之间，还包括使所述探测光束经被测样品的中心穿过所述被测样品的步骤。
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