CN211121098U - 曲率半径测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种曲率半径测量装置，所述曲率半径测量装置包括样品台、衍射光阵列产生模块和探测分析模块，通过衍射光阵列产生模块产生并向样品发射衍射光阵列，到达样品表面后，经过样品表面反射发出反射光阵列，探测分析模块接收所述反射光阵列，并根据接收到的反射光阵列的尺寸，获取样品的曲率半径。本实用新型利用衍射光阵列与光源距离不同则阵列大小不同的特性，设计了使用衍射光阵列测量曲率半径的数学模型，并基于该数学模型实现了一种结构简单、测量速度快，而且对激光器、传感器等硬件要求较低的曲率半径测量装置。

Description

曲率半径测量装置

技术领域

本实用新型涉及薄膜测量技术领域，特别是涉及一种曲率半径测量装置。

背景技术

薄膜技术被广泛应用于光学、电学、材料等技术领域，但是在薄膜的制造过程中，物理气相沉积等制备工艺都会使形成的薄膜内部存在较大的残余应力，而残余应力会导致薄膜弯曲甚至器件失效，薄膜的曲率半径是评价残余应力最直接的方式，因此在形成薄膜后，测量其曲率半径是一个关键的薄膜测量步骤。

单光点线扫描法是一种比较成熟的薄膜曲率半径测量方法，测量光束经过形变的样品表面反射，再经过光程放大后，采集偏移的位置从而计算样品的等效曲率半径，但是单光点线扫描法需要测量多组(通常大于10组)数据后才可以计算一次曲率半径值，单次测量用时大于20秒，而且多组测量数据容易受到如环境振动等干扰，从而影响测量结果。

为了解决单光点线扫描法的测量时间和准确度问题，研究人员提出了平行光阵列法，通过将测量光束改变为平行光阵列，可以通过一次数据采集计算出样品的曲率半径，而且避免了环境干扰对测量准确度的影响。但是平行光阵列法需要高质量的平行光斑点阵，对光学器件的设计要求较高，其中最常用于生成平行光阵列的光学器件Etalon的制造成本很高，而且生成的光束末端亮度较低，因此对激光器强度、传感器敏感度以及样品表面的反射率都有较高的要求。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有曲率半径测量装置和方法对激光器强度、传感器敏感度以及样品表面的反射率都要求较高的问题，提供一种曲率半径测量装置。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种曲率半径测量装置，包括：

样品台，用于承载待测量的样品；

衍射光阵列产生模块，用于产生并向样品发射衍射光阵列；

探测分析模块，用于接收所述样品发出的反射光阵列，并根据接收到的反射光阵列的尺寸，获取样品的曲率半径。

在其中一个实施例中，所述探测分析模块包括：

传感器成像屏，用于接收所述样品发出的反射光阵列，并将所述反射光阵列的光信号转化为电信号；

分析单元，与所述传感器成像屏电连接，用于根据所述电信号获取样品的曲率半径。

在其中一个实施例中，所述衍射光阵列产生模块到样品表面的第一路径的长度和所述样品表面到传感器成像屏的第二路径的长度均小于1m。

在其中一个实施例中，所述传感器成像屏由CCD图像传感器构成。

在其中一个实施例中，所述CCD图像传感器的测量精度为10um。

在其中一个实施例中，所述曲率半径测量装置还包括半反半透镜片，所述半反半透镜片设于所述衍射光阵列产生模块与样品台之间，所述半反半透镜片与样品台之间的夹角为45°；所述传感器成像屏与样品台垂直设置。

在其中一个实施例中，所述样品台包括：

台面，用于承载待测量的样品；

二维运动机构，用于带动所述台面水平运动。

在其中一个实施例中，所述二维运动机构包括：

运动轴，与所述台面固定连接，用于带动所述台面水平运动；

控制组件，与所述运动轴电连接，用于控制所述运动轴运动。

在其中一个实施例中，所述衍射光阵列产生模块包括：

激光器，用于发射初始探测光束；

衍射光学镜片，用于将所述初始探测光束转化为衍射光阵列。

在其中一个实施例中，所述衍射光学镜片为5×5衍射光阵列镜片。

上述曲率半径测量装置，包括样品台、衍射光阵列产生模块和探测分析模块，通过衍射光阵列产生模块产生并向样品发射衍射光阵列，到达样品表面后，经过样品表面反射发出反射光阵列，探测分析模块接收所述反射光阵列，并根据接收到的反射光阵列的尺寸，获取样品的曲率半径。衍射光阵列中的每束激光都与中心光束都存在一定的夹角，因此与光源距离不同，光斑阵列的大小也会不同，本实用新型利用衍射光阵列这一距离不同则阵列大小不同的特性，设计了使用衍射光阵列测量曲率半径的数学模型，并基于该数学模型实现了所述曲率半径测量装置，衍射光学器件客制化程度低、易于加工，而且生成的光斑阵列的每个光束亮度相近，有效避免了现有技术中部分光束亮度过低导致对硬件要求较高的问题，从而实现了一种结构简单、测量速度快，而且对激光器、传感器等硬件要求较低的曲率半径测量装置。

附图说明

图1为一实施例中的曲率半径测量装置的计算模型示意图；

图2为一实施例中的曲率半径测量装置的结构示意图；

图3为一实施例中的衍射光阵列示意图；

图4为一实施例中的曲率半径测量方法的流程图；

图5为一实施例中的曲率半径测量方法的S500步骤的流程图；

图6为一实施例中的多点曲率半径测量方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方法或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型一实施例提供了一种曲率半径测量装置，包括：

样品台100，用于承载待测量的样品；

衍射光阵列产生模块200，用于产生并向样品发射衍射光阵列；

探测分析模块，用于接收所述样品发出的反射光阵列，并根据接收到的反射光阵列的尺寸，获取样品的曲率半径。

图1为本实施例的曲率半径测量装置的计算模型示意图，衍射光阵列从光源O点出射，发出的衍射光阵列到达样品表面后(图1中加粗实线为所述样品表面)，经样品表面的反射，发出反射光阵列到达光接收平面。

在本计算模型中，假定所述衍射光阵列包括两条光线，其中，出射方向垂直于所述样品表面待测量点的切面方向的光线定义为第一光线，出射方向与所述第一光线方向不同的另一光线定义为第二光线，所述第二光线照射在样品表面的A点，所述第一光线与第二光线之间的夹角为β，O’A与O’O之间的夹角为α(O’为样品所在的虚拟圆的圆心，所述虚拟圆的半径为样品曲率半径R)。首先，假设薄膜样品的曲率半径无穷大，即样品为不存在弯曲的平面，则所述第二光线的反射光线在光接收平面上的设定落点为P1；但是，薄膜样品的实际曲率半径并不是无穷大，那么反射光线在光接收平面上的实际落点为P2，P1和P2的位置之间存在一定的偏移距离D。此外，定义光源O点到样品表面的距离为S，样品表面A点到光接收平面的垂直距离为H，A点到O’O的垂直距离为W，所述参数α、β、R、D、S、H和W满足以下计算公式：

D＝KP2-KP1＝Htan(2α+β)-Htan(β) (1)

此外，薄膜沉积工艺制程所导致的样品弯曲的曲率半径通常大于5m，而第一光线和第二光线照射在样品表面的落点距离不大于5mm，因此，可以得到以下近似计算公式：

W≈Stan(β) (3)

cos(α)≈1 (4)

对所述公式(1)～公式(4)进行求解，可以获得以下曲率半径计算公式：

进一步地，基于前述样品曲率半径通常大于5m，第一光线和第二光线照射在样品表面的距离不大于5mm的前提，样品与样品台100之间的间隙极小，S可以近似等于光源O点到样品台100表面的距离，H可以近似等于样品台100表面到光接收平面的距离，因此S和H可以认为是曲率半径测量装置的固有机械参数。而β为所述衍射光阵列的发散角，因此β为散射光阵列的固有光学参数。则所述曲率半径计算公式中的参数S、H和β均为已知数，根据所述偏移距离D测量结果，即可利用所述曲率半径计算公式获得所述样品的曲率半径R。

根据所述曲率半径计算公式可知，基于本计算模型，可以仅需一次测量即可获得样品表面一个点的曲率半径，而无需连续获取多组数据进行测量，避免了振动等干扰对不同组数据结果的影响，从而实现了测量速度更快、结果更准确的曲率半径测量模型。

在一实施例中，所述探测分析模块包括：

传感器成像屏310，用于接收所述样品发出的反射光阵列，并将所述反射光阵列的光信号转化为电信号；

分析单元，与所述传感器成像屏310电连接，用于根据所述电信号获取样品的曲率半径。

如图2所示，所述传感器成像屏310即为前述光接收平面，所述分析单元为与所述传感器成像屏310电连接的数据处理设备，如电脑(图中未示出)。在一示例中，所述传感器成像屏310由CCD图像传感器构成，测量精度为10um，即可以区分落点距离不小于10um的两条光线，从而精确测量相邻光斑距离不小于10um的反射光阵列，传感器成像屏310获取所述反射光阵列后将电信号发送给分析单元，分析单元根据所述曲率半径计算公式获取所述样品的曲率半径。

在本示例中，曲率半径测量装置的H和S均小于1m，基于所述测量精度为10um的传感器成像屏310，本示例中的曲率半径测量装置可以用于测量曲率半径范围为5m～200m的样品，且系统误差小于±1％。进一步地。可以根据样品的曲率半径选择相应的H和S，如曲率半径较大时，选择更大的样品到传感器成像屏310的距离H，从而放大反射光阵列，以获得更加准确的测量结果。

在一实施例中，所述衍射光阵列产生模块200包括：

激光器210，用于发射初始探测光束；

衍射光学镜片220，用于将所述初始探测光束转化为衍射光阵列。

在一示例中，所述衍射光阵列为如图3所示的5×5的光斑阵列，可以理解的是，所述衍射光阵列包含的光斑数量越多，投射到传感器成像屏310上的点也越多，即可以有更多的点用于计算样品的曲率半径，从而获取更高的测量准确度。但是，在激光器210的发光强度不变的前提下，经衍射光学镜片220转化后获得的每个光斑的光强与光斑数量成反比，进一步地，如果形成的衍射光阵列的发散角β不变，每个光斑之间的距离也与光斑数量成反比，而光斑的光强和相邻光斑之间的距离都会对所述传感器成像屏310的测量精度提出相应的要求，越高的测量精度要求即意味着更高的制造难度和制造成本。因此，应当选择恰当的衍射光学镜片220，以生成光斑数量适当的衍射光阵列，从而更好地平衡测量准确度和制造成本之间的关系。

在一实施例中，如图2所示，所述曲率半径测量装置还包括半反半透镜片400，所述半反半透镜片400设于所述衍射光阵列产生模块200与样品台100之间，所述半反半透镜片400与样品台100之间的夹角为45°；

衍射光阵列穿过所述半反半透镜片400到达样品表面，再经过所述样品表面和半反半透镜片400的反射，投射在与所述样品台100垂直设置的传感器成像屏310上。

通过所述半反半透镜片400改变反射光阵列的发射方向，可以防止所述激光器210和衍射光学镜片220遮挡反射光阵列，从而在传感器成像屏310上获取完整的反射光阵列，在本实施例中，S为从衍射光学镜片220到样品表面的路径长度，H为从样品表面到半反半透镜片400的路径长度H1与从半反半透镜片400到传感器成像屏310的路径长度H2之和。

在一实施例中，所述样品台100包括台面和二维运动机构，所述台面用于承载待测量的样品，所述二维运动机构用于带动所述台面水平运动，通过所述水平运动，可以根据预设的测量逻辑对样品设定范围内的曲率半径进行测量，从而只需要一次参数设置，即可自动测量并获取样品内多个点的曲率半径测量数据，提高曲率半径测量装置的操作性和灵活性。

如图4所示为一实施例中的曲率半径测量方法的流程图，包括：

S100：放置样品于样品台100上；

S200：发射衍射光阵列至所述样品的表面；

S300：接收样品发出的反射光阵列；

S400：根据所述反射光阵列，获取样品的单点曲率半径。

在一实施例中，所述放置样品于样品台100上的步骤前，还包括S500：校正曲率半径测量装置的机械参数。根据所述曲率半径计算公式可知，需要根据曲率半径测量装置固有的机械参数H和S计算样品的曲率半径，但是所述机械参数H和S会由于外部振动等因素存在一定的变化，从而影响曲率半径的计算结果，因此通过所述校正机械参数的步骤可以进一步提高曲率半径测量装置的准确度。

在一示例中，如图5所示，所述校正曲率半径测量装置的机械参数的步骤，包括：

S510：放置第一校正片于样品台100上；

S520：发射衍射光阵列至所述第一校正片的表面；

S530：接收第一校正片发出的第一反射光阵列；

S540：更换第一校正片为第二校正片，并重复以上发射衍射光阵列和接收反射光阵列步骤，获取第二反射光阵列；

S550：根据所述第一反射光阵列、第二反射光阵列以及第一校正片和第二校正片的曲率半径，获取曲率半径测量装置的机械参数校正数据；

S560：导入所述校正数据至分析单元。

本示例中已知所述第一校正片的曲率半径为R1，第二校正片的曲率半径为R2，将R1和R2作为已知数代入所述曲率半径计算公式，可以求解H和S准确的校正数据，分析单元则可以根据所述校正数据获得准确的样品曲率半径R。

在一实施例中，如图6所示，所述获取单点曲率半径的步骤后，还包括：

S610：按照设定的方向和步长移动样品台100；

S620：发射衍射光阵列至所述样品的表面；

S630：接收样品发出的反射光阵列；

S640：根据所述反射光阵列，获取样品当前位置的单点曲率半径；

S650：判定当前位置是否为最终位置，若是，结束测量并输出所述样品的多点曲率半径；否则重复以上移动样品台100、发射衍射光阵列和接收反射光阵列步骤，以获取样品下一位置的曲率半径。

通过本实施例中的多点测量步骤，可以根据预设的测量逻辑对样品设定范围内的曲率半径进行测量，从而只需要一次参数设置，即可自动测量并获取样品内多个点的曲率半径测量数据，提高曲率半径测量的操作性和灵活性。具体地，操作人员选择样品表面的一测量区域，并设定测量步长，二维运动机构的控制组件自动根据所述测量步长在该测量区域内规划测量路径，每次单点测量后，二维运动机构根据该测量路径控制样品进行运动，直到当前位置为测量路径中的最终位置。

在一实施例中，所述获取样品的多点曲率半径的步骤后，还包括：根据所述多点曲率半径，绘制样品的曲率半径分布图。通过所述曲率半径分布图，可以直观的获取和分析样品的曲率半径分布情况，进一步调节薄膜沉积的工艺参数或排除不良样品，从而提高器件整体的生产良率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种曲率半径测量装置，其特征在于，包括：

样品台，用于承载待测量的样品；

衍射光阵列产生模块，用于产生并向样品发射衍射光阵列；

探测分析模块，用于接收所述样品发出的反射光阵列，并根据接收到的反射光阵列的尺寸，获取样品的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的曲率半径测量装置，其特征在于，所述探测分析模块包括：

传感器成像屏，用于接收所述样品发出的反射光阵列，并将所述反射光阵列的光信号转化为电信号；

分析单元，与所述传感器成像屏电连接，用于根据所述电信号获取样品的曲率半径。

3.根据权利要求2所述的曲率半径测量装置，其特征在于，所述衍射光阵列产生模块到样品表面的第一路径的长度S和所述样品表面到传感器成像屏的第二路径的长度H均小于1m。

4.根据权利要求2所述的曲率半径测量装置，其特征在于，所述传感器成像屏由CCD图像传感器构成。

5.根据权利要求4所述的曲率半径测量装置，其特征在于，所述CCD图像传感器的测量精度为10um。

6.根据权利要求2所述的曲率半径测量装置，其特征在于，所述曲率半径测量装置还包括半反半透镜片，所述半反半透镜片设于所述衍射光阵列产生模块与样品台之间，所述半反半透镜片与样品台之间的夹角为45°；所述传感器成像屏与样品台垂直设置。

7.根据权利要求1所述的曲率半径测量装置，其特征在于，所述样品台包括：

台面，用于承载待测量的样品；

二维运动机构，用于带动所述台面水平运动。

8.根据权利要求7所述的曲率半径测量装置，其特征在于，所述二维运动机构包括：

运动轴，与所述台面固定连接，用于带动所述台面水平运动；

控制组件，与所述运动轴电连接，用于控制所述运动轴运动。

9.根据权利要求1所述的曲率半径测量装置，其特征在于，所述衍射光阵列产生模块包括：

激光器，用于发射初始探测光束；

衍射光学镜片，用于将所述初始探测光束转化为衍射光阵列。

10.根据权利要求9所述的曲率半径测量装置，其特征在于，所述衍射光学镜片为5×5衍射光阵列镜片。

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