CN220872351U - 光学检测装置和膜测试设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光学检测装置和膜测试设备，其能够减少光路元件，更易于实现光路的小型化。该光学检测装置包括照明光源、光谱仪、筒镜、光纤组件以及物镜。该光纤组件包括光源光纤和光谱仪光纤；该光源光纤的照明输入端被独立布置以面向该照明光源；该光谱仪光纤的反射输出端被独立布置以面向该光谱仪；该光源光纤的照明输出端和该光谱仪光纤的反射输入端以该筒镜的光轴为对称轴被中心对称地布置且共同面向该筒镜，用于使经由该照明输出端输出的照明光传播至该筒镜以被调制，并使经由该筒镜调制的反射光传播至该反射输入端以被传输。该物镜与该筒镜同光轴地布置，并且该筒镜位于该物镜和该光纤组件之间的光路中。

Description

光学检测装置和膜测试设备

技术领域

本实用新型涉及薄膜检测技术领域，特别是涉及一种光学检测装置和膜测试设备。

背景技术

随着科学技术的发展，薄膜作为特殊形态的材料，已广泛渗透到当代科技的各个领域，而各种特殊用途对薄膜技术与薄膜材料提出了各种各样的要求。众所周知，薄膜的厚度影响着薄膜的光学性能、力学性能以及电磁性能等，如在半导体生产中，大多数半导体器件和集成电路的主体结构，通常是由各种形状和尺寸的薄层构成，其厚度和均匀性将直接决定了半导体材料的性能。由于薄膜的厚度通常很薄，一般在纳米至微米量级范围内，因此准确地测控薄膜厚度已经成为一种关键性技术。

目前，常用的测试方法一般可分为接触式测试和非接触式测试：接触式测试方法在接触过程中可能在薄膜表面产生划痕，因而有瑕疵；而非接触式测试方法通常是利用光学方法对薄膜进行测试，一般能够实现无损检测，已经成为薄膜测试的首选方法。例如，非接触式测试方法中的反射光谱法是利用薄膜的反射率来计算薄膜的光学常数，是测量薄膜的常用方法；其测量原理为：光信号入射到薄膜结构并反射，并利用光谱仪采集宽波段上反射光谱，以通过标准样品比对计算其反射率曲线，最后将该曲线与理论模型结果进行拟合比对来精确求解薄膜参数。

然而，现有的非接触式测试光路通常需要先将光源输出的光信号经过一个筒镜后，再射入物镜以投射至样品表面，接着经由样品表面反射的光线会先回到物镜，再经过另一个筒镜后，输入到光谱仪或相机中。但这种非接触式测试光路就需要两对单独的光信号输入端和输出端，以及两个及以上的筒镜，光路较长，不利于整体光路的小型化。

实用新型内容

本实用新型的一个优势在于提供一种光学检测装置和膜测试设备，其能够减少光路元件，更易于实现光路的小型化。

本实用新型的另一个优势在于提供一种光学检测装置和膜测试设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述光学检测装置能够有效地减少光信号输入输出端口和筒镜需要使用的数量，更利于实现光路的小型化。

本实用新型的另一个优势在于提供一种光学检测装置和膜测试设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述光学检测装置能够实现检测光斑面积的连续可调，灵活度更高。

本实用新型的另一个优势在于提供一种光学检测装置和膜测试设备，其中，在本实用新型的一个实施例中，所述光学检测装置能够提高光能利用率，更快地判定视场位置。

本实用新型的另一优势在于提供一种光学检测装置和膜测试设备，其中为了达到上述目的，在本实用新型中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本实用新型成功和有效地提供一种解决方案，不只提供一种简单的光学检测装置和膜测试设备，同时还增加了所述光学检测装置和膜测试设备的实用性和可靠性。

为了实现本实用新型的上述至少一优势或其他优点和目的，本实用新型提供了一种光学检测装置，包括：

照明光源，用于发出照明光；

光谱仪，用于接收反射光；

筒镜，用于调制光线；

光纤组件，所述光纤组件包括用于传输照明光的光源光纤和用于传输反射光的光谱仪光纤；所述光源光纤的照明输入端被独立布置以面向所述照明光源，用于接收经由所述照明光源发出的照明光；所述光谱仪光纤的反射输出端被独立布置以面向所述光谱仪，用于输出反射光以被所述光谱仪接收；所述光源光纤的照明输出端和所述光谱仪光纤的反射输入端以所述筒镜的光轴为对称轴被中心对称地布置且共同面向所述筒镜，用于使经由所述照明输出端输出的照明光传播至所述筒镜以被调制，并使经由所述筒镜调制的反射光传播至所述反射输入端以被传输；以及

物镜，所述物镜与所述筒镜同光轴地布置，并且所述筒镜位于所述物镜和所述光纤组件之间的光路中，所述物镜用于将经由所述筒镜调制的照明光投射至待测样品以被反射，并接收经由该待测样品反射的反射光以传播至所述筒镜。

根据本申请的一个实施例，所述光源光纤的所述照明输出端和所述光谱仪光纤的所述反射输入端沿着所述光轴方向同端安装，以形成所述光纤组件的合束端；所述光纤组件的所述合束端与所述筒镜同光轴地布置。

根据本申请的一个实施例，所述筒镜被可移动地设置于所述物镜和所述光纤组件的所述合束端之间的光路中，用于调节所述筒镜与所述物镜的前焦面之间的距离，以使经由所述筒镜调制的照明光在所述物镜的所述前焦面上形成照明中继像。

根据本申请的一个实施例，所述物镜被可移动地设置于所述筒镜的物侧，用于使经由所述筒镜调制成的照明中继像和经由所述物镜调制成的反射中继像以所述光轴为对称轴被中心对称地分布于所述物镜的前焦面。

根据本申请的一个实施例，所述光学检测装置进一步包括用于承载该待测样品的承载平台，所述承载平台被可移动地设置，用于调节该待测样品与所述物镜之间的距离，使得经由所述筒镜调制成的照明中继像和经由所述物镜调制成的反射中继像以所述光轴为对称轴被中心对称地分布于所述物镜的前焦面。

根据本申请的一个实施例，所述筒镜为变倍镜组。

根据本申请的一个实施例，所述光学检测装置进一步包括摄像模组和设置于所述摄像模组的感光侧的分光元件，所述分光元件位于所述筒镜和所述光纤组件之间的光路中，用于分光经由所述筒镜调制的反射光以被所述摄像模组接收而成像。

根据本申请的一个实施例，所述光学检测装置进一步包括中心标识件，所述中心标识件被设置于所述摄像模组和所述分光元件之间的光路中，用于标识视场的中心位置。

根据本申请的一个实施例，所述分光元件为半反半透镜；所述中心标识件为十字叉丝或具有中心标识图案的透光片。

根据本申请的另一方面，本申请的一个实施例进一步提供了一种膜测试设备，包括：

上述任一所述的光学检测装置；和

数据处理装置，所述数据处理装置可通信地连接于所述光学检测装置。

附图说明

图1为根据本申请的一个实施例的膜测试设备的结构示意图；

图2示出了根据本申请的上述实施例的膜测试设备中光学检测装置的的光路示意图；

图3示出了根据本申请的上述实施例的光学检测装置的一个变形示例；

图4示出了根据本申请的上述实施例的光学检测装置中光纤组件的合束端面示意图；

图5示出了根据本申请的上述实施例的光学检测装置的中心标识件的第一示例；

图6示出了根据本申请的上述实施例的光学检测装置的中心标识件的第二示例；

图7示出了根据本申请的上述实施例的光学检测装置的中心标识件的第三示例；

图8A、图8B以及图8C分别示出了根据本申请的上述实施例的光学检测装置中筒镜在不同倍率下的状态示意图。

主要元件符号说明：1、光学检测装置；10、照明光源；20、光谱仪；30、筒镜；300、光轴；31、变倍镜组；40、光纤组件；400、合束端；41、光源光纤；411、照明输入端；412、照明输出端；42、光谱仪光纤；421、反射输出端；422、反射输入端；50、物镜；500、前焦面；60、承载平台；70、摄像模组；80、分光元件；81、半反半透镜；90、中心标识件；91、十字叉丝；92、透光片；2、数据处理装置。

以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，权利要求和说明书中术语“一”应理解为“一个或多个”，即在一个实施例，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。除非在本实用新型的揭露中明确示意该元件的数量只有一个，否则术语“一”并不能理解为唯一或单一，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

考虑到现有方案中非接触式测试光路需要两对单独的光信号输入端和输出端，以及两个及以上的筒镜，光路较长，不利于整体光路的小型化。因此，本申请创造性地提供了一种光学检测装置和膜测试设备，其能够减少光路元件，更易于实现光路的小型化。

具体地，参考本申请的说明书附图之图1，根据本申请的一个实施例提供了一种膜测试设备，其可以包括光学检测装置1和数据处理装置2，该数据处理装置2可通信地连接于该光学检测装置1，用于处理经由该光学检测装置1采集的数据，以得到膜参数。

更具体地，如图1和图2所示，该光学检测装置1包括用于发出照明光的照明光源10、用于接收反射光的光谱仪20、用于调制光线的筒镜30、光纤组件40以及物镜50。该光纤组件40包括用于传输照明光的光源光纤41和用于传输反射光的光谱仪光纤42；该光源光纤41的照明输入端411被独立布置以面向该照明光源10，用于接收经由该照明光源10发出的照明光；该光谱仪光纤42的反射输出端421被独立布置以面向该光谱仪20，用于输出反射光以被该光谱仪20接收；该光源光纤41的照明输出端412和该光谱仪光纤42的反射输入端422以该筒镜30的光轴300为对称轴被中心对称地布置且共同面向该筒镜30，用于使经由该照明输出端412输出的照明光传播至该筒镜30以被调制，并使经由该筒镜30调制的反射光传播至该反射输入端422以被传输。该物镜50和该筒镜30同光轴地布置，并且该筒镜30位于该物镜50和该光纤组件40之间的光路中，该物镜50用于将经由该筒镜30调制的照明光投射至待测样品以被反射，并接收经由该待测样品反射的反射光以传播至该筒镜30。

值得注意的是，由于本申请的光学检测装置1中该光源光纤41的照明输出端412和该光谱仪光纤42的反射输入端422以该筒镜30的光轴300为对称轴被中心对称地布置且共同面向该筒镜30，因此从光源光纤41发出的照明光信号经过筒镜30后先在物镜50的前焦面形成照明中继像，再经过物镜50照射到待测样品的表面；接着，该待测样品的表面所形成的反射光信号经过物镜50后会在该物镜50的前焦面500形成反射中继像，并且该反射中继像与该照明中继像以该光轴300为对称轴呈中心对称分布；之后，反射光信号在经过筒镜30的聚焦后进入光谱仪光纤42而被光谱仪20接收。这样，本申请的光学检测装置1就利用了光路的反演对称特性实现了光信号的高效发射和接收，使得光路中只需要一个物镜50和一个筒镜30，更有利于实现光路的小型化。

可选地，如图2和图4所示，该光源光纤41的该照明输出端412和该光谱仪光纤42的反射输入端422沿着该筒镜30的光轴方向同端安装以形成该光纤组件40的合束端400，并且该光纤组件40的该合束端400与该筒镜30同光轴地布置，以便在确保该光源光纤41的照明输出端412和该光谱仪光纤42的反射输入端422以该筒镜30的光轴300为对称轴被中心对称地布置的同时，减少了光信号输入输出端口，进一步利于实现光路的小型化设计。

示例性地，如图1和图2所示，该光源光纤41与该光谱仪光纤42相对独立，且该照明输出端412和该反射输入端422沿着该筒镜30的光轴方向同端安装，以形成具有V型结构的光纤组件40；也就是说，该光纤组件40中该光源光纤41和该光谱仪光纤42自该合束端400相互分束地延伸，以形成V型光纤，从而借助V型光纤实现所需的光路反演对称效果。

值得注意的是，在本申请的一个变形示例中，如图3所示，该光纤组件40也可以具有Y型结构，即该光纤组件40中该光源光纤41和该光谱仪光纤42自该合束端400先合束地延伸、再分束地延伸，以形成Y型光纤，仍可以借助Y型光纤来实现所需的光路反演对称效果。

根据本申请的上述实施例，如图2所示，该筒镜30可以被实施为变倍镜组31，以通过该变倍镜组31的倍率变化产生不同大小的中继像，再与物镜50共同配合以实现整体倍率的连续可调，使得测试光斑面积得以连续可调。可以理解的是，相比于现有方案中通过切换不同固定倍率的物镜使得倍率只能在几个定值之间切换，本申请的光学检测装置1不仅能够减少成本，而且能够连续调节整体倍率，使得测试光斑的面积连续可调，灵活度更高。

可选地，本申请的变倍镜组31可以但不限于通过调节镜片之间的间距来实现倍率变化；例如，图8A、图8B以及图8C依次示出了倍率为1.0x、1.5x以及2.0x的变倍镜组31。

值得注意的是，在该变倍镜组31变倍的过程中，适当调整待测样品沿着光轴方向的位置，就可以保持光源光纤41和光谱仪光纤42之间的位置共轭关系。可选地，如图2所示，本申请的光学检测装置1可以进一步包括用于承载该待测样品的承载平台60，该承载平台60被可移动地设置，用于调节该待测样品与该物镜50之间的距离W.D.3，使得经由该筒镜30调制成的照明中继像和经由该物镜50调制成的反射中继像以该光轴300为对称轴被中心对称地分布于该物镜50的前焦面500。

可选地，如图2所示，该筒镜30被可移动地设置于该物镜50和该光纤组件40的该合束端400之间的光路中，用于调节该筒镜30和该物镜50的前焦面500之间的距离W.D.2，以使经由该筒镜30调制的照明光在该物镜50的该前焦面500上形成照明中继像。可以理解的是，在沿着光轴方向移动该筒镜30以调节该筒镜30和该前焦面500之间的距离W.D.2的同时，该筒镜30与该光纤组件40的该合束端400之间的距离W.D.1也会随之改变，确保经由该筒镜30调制成的照明中继像和经由该物镜50调制成的反射中继像以该光轴300为对称轴被中心对称地分布于该物镜50的前焦面500。

可选地，如图2所示，该物镜50可以被可移动地设置于该筒镜30的物侧，用于调节该物镜50分别与该筒镜30和该待测样品之间的距离，使得经由该筒镜30调制成的照明中继像和经由该物镜50调制成的反射中继像以该光轴300为对称轴被中心对称地分布于该物镜50的前焦面500。这样，在沿着光轴方向移动该物镜50时，该物镜50与该待测样品之间的距离W.D.3和该筒镜30与该物镜50的该前焦面500之间的距离W.D.2均得以改变，能够更好地保证经由该筒镜30调制成的照明中继像和经由该物镜50调制成的反射中继像以该光轴300为对称轴被中心对称地分布于该物镜50的前焦面500。

综上，在需要利用筒镜30产生变倍效果时，该筒镜30与该合束端400之间的距离W.D.1和该筒镜30与该物镜50的前焦面500之间的距离W.D.2被微调以使照明中继像始终成像在该物镜50的前焦面500的同时，该物镜50与该待测样品之间的距离W.D.3也需要微调，使得经由该待测样品反射的光在该物镜50的前焦面500上形成的反射中继像能够与该照明中继像保持沿光轴方向的中心对称关系。可以理解的是，如果中继像在物镜50的前焦面500上的位置关系及中继像之间沿光轴方向的中心对称关系得不到满足，则由光源光纤41发射的大部分光无法回到光谱仪光纤42，即光源光纤41的照明输出端412和光谱仪光纤42的反射输入端422沿光轴方形的中心对称分布将被破坏，难以利用光路的反演对称特性实现光信号的高效发射和接收。

根据本申请的上述实施例，如图1至图3所示，该光学检测装置1进一步包括摄像模组70和设置于该摄像模组70的感光侧的分光元件80，该分光元件80位于该物镜50和该光纤组件40之间的光路中，用于分光经由该筒镜30调制的反射光以被该摄像模组70接收而成像，以便使光谱仪20的接收信号光路和摄像模组70的成像光路共用同一个筒镜30和物镜50，进一步优化光路的小型化设计。

可选地，如图1和图3所示，本申请的分光元件80可以但不限于被实施为半反半透镜81，用于透射一部分反射光被该光谱仪光纤42接收，并反射另一部分反射光被该摄像模组70接收，从而实现所需的分光效果。可以理解的是，本申请的摄像模组70一般选用CCD相机，以观察待测物表面形貌特征。

值得注意的是，现有方案通常会在相机前加装视场光阑，以通过减小光阑孔径的方法使得视场被确定，但这种方式的缺点在于视场亮度会降低，不易于快速准确地识别中心视场位置。为了解决这一问题，如图1至图3所示，本申请的光学检测装置1可以进一步包括中心标识件90，该中心标识件90被设置于该摄像模组70和该分光元件80之间的光路中，用于标识视场的中心位置。这样，本申请的光学检测装置1在基本上不损失光能量的条件下，能够准确快速地判断视场中心位置。

可选地，本申请的中心标识件90可以被实施为如图5所示的十字叉丝91，也可以被实施为具有中心标识图案的透光片92，例如：图6所示的具有十字图案的透光片92，或图7所示的点状图案的透光片92，均可以达到很好地区分中心区域的效果。可以理解的是，本申请所提及的具有中心标识图案的透光片92可以被实施为镀膜玻璃片，即在玻璃片的中心区域镀设低透过率膜，而在玻璃片的其他区域不镀膜或镀设高透过率膜，以便达到区分中心区域的效果。

此外，如图1所示，本申请的数据处理装置2可通信地连接于该光谱仪20和该摄像模组70，用于处理经由该摄像模组70采集的图像信息以判定视场的中心位置，并处理经由该光谱仪20采集的反射光谱信号以求解薄膜参数。

以上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。

Claims (10)

1.光学检测装置，其特征在于，包括：

照明光源(10)，用于发出照明光；

光谱仪(20)，用于接收反射光；

筒镜(30)，用于调制光线；

光纤组件(40)，所述光纤组件(40)包括用于传输照明光的光源光纤(41)和用于传输反射光的光谱仪光纤(42)；所述光源光纤(41)的照明输入端(411)被独立布置以面向所述照明光源(10)，用于接收经由所述照明光源(10)发出的照明光；所述光谱仪光纤(42)的反射输出端(421)被独立布置以面向所述光谱仪(20)，用于输出反射光以被所述光谱仪(20)接收；所述光源光纤(41)的照明输出端(412)和所述光谱仪光纤(42)的反射输入端(422)以所述筒镜(30)的光轴(300)为对称轴被中心对称地布置且共同面向所述筒镜(30)，用于使经由所述照明输出端(412)输出的照明光传播至所述筒镜(30)以被调制，并使经由所述筒镜(30)调制的反射光传播至所述反射输入端(422)以被传输；以及

物镜(50)，所述物镜(50)与所述筒镜(30)同光轴地布置，并且所述筒镜(30)位于所述物镜(50)和所述光纤组件(40)之间的光路中，所述物镜(50)用于将经由所述筒镜(30)调制的照明光投射至待测样品以被反射，并接收经由该待测样品反射的反射光以传播至所述筒镜(30)。

2.根据权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于，所述光源光纤(41)的所述照明输出端(412)和所述光谱仪光纤(42)的所述反射输入端(422)沿着所述筒镜(30)的光轴方向同端安装，以形成所述光纤组件(40)的合束端(400)；所述光纤组件(40)的所述合束端(400)与所述筒镜(30)同光轴地布置。

3.根据权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于，所述筒镜(30)被可移动地设置于所述物镜(50)和所述光纤组件(40)的所述合束端(400)之间的光路中，用于调节所述筒镜(30)与所述物镜(50)的前焦面(500)之间的距离，以使经由所述筒镜(30)调制的照明光在所述物镜(50)的所述前焦面(500)上形成照明中继像。

4.根据权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于，所述物镜(50)被可移动地设置于所述筒镜(30)的物侧，用于调节所述物镜(50)分别与所述筒镜(30)和该待测样品之间的距离，使得经由所述筒镜(30)调制成的照明中继像和经由所述物镜(50)调制成的反射中继像以所述光轴(300)为对称轴被中心对称地分布于所述物镜(50)的前焦面(500)。

5.根据权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于，所述光学检测装置进一步包括用于承载该待测样品的承载平台(60)，所述承载平台(60)被可移动地设置，用于调节该待测样品与所述物镜(50)之间的距离，使得经由所述筒镜(30)调制成的照明中继像和经由所述物镜(50)调制成的反射中继像以所述光轴(300)为对称轴被中心对称地分布于所述物镜(50)的前焦面(500)。

6.根据权利要求1至5中任一所述的光学检测装置，其特征在于，所述筒镜(30)为变倍镜组(31)。

7.根据权利要求1至5中任一所述的光学检测装置，其特征在于，所述光学检测装置进一步包括摄像模组(70)和设置于所述摄像模组(70)的感光侧的分光元件(80)，所述分光元件(80)位于所述筒镜(30)和所述光纤组件(40)之间的光路中，用于分光经由所述筒镜(30)调制的反射光以被所述摄像模组(70)接收而成像。

8.根据权利要求7所述的光学检测装置，其特征在于，所述光学检测装置进一步包括中心标识件(90)，所述中心标识件(90)被设置于所述摄像模组(70)和所述分光元件(80)之间的光路中，用于标识视场的中心位置。

9.根据权利要求8所述的光学检测装置，其特征在于，所述分光元件(80)为半反半透镜(81)；所述中心标识件(90)为十字叉丝(91)或具有中心标识图案的透光片(92)。

10.膜测试设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至9中任一所述的光学检测装置；和

数据处理装置，所述数据处理装置可通信地连接于所述光学检测装置。