CN2602371Y - 薄膜表面微观不平度测试仪 - Google Patents

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本实用新型涉及一种薄膜表面微观不平度测试仪，包括分叉光纤，光源，光谱分析仪，信号处理器，移动台。将薄膜固定在移动台上，光源发出的光进入分叉光纤的输入端，从分叉光纤的探测端射出至待测薄膜表面，探测端接收薄膜前后表面的反射光束，并将此反射光束经由分叉光纤传递给光谱分析仪，光谱分析仪将反射光束的光谱信号处理结果送至信号处理器，信号处理器将处理结果输出至输出装置。通过移动台的移动连续采集薄膜表面的信息数据，达到测量其微观不平度的目的。采用了非接触光学测量方法，由此克服了接触式测试仪器对薄膜表面的伤害；采用了光谱分析技术，和以往的非接触光学干涉条纹测试方法相比较，测试精度大大提高，降低了测量误差。

Description

薄膜表面微观不平度测试仪
一、技术领域
本实用新型涉及光电测试仪，特别涉及一种适用于检测透明(或半透明)薄膜的表面微观不平度的光纤测试仪。
二、背景技术
表面测量可以分为接触式测量和非接触式两种。
机械触针式轮廓仪是典型的接触式测量仪，显然，接触式测量多少会对膜面产生一些负面影响，Rakels J H等人在题为“Nanometric surface finishmeasurement by optical diffraction”(Measurement and Control，1991，V24(2)：156～162)的文章中介绍了这些方法，其测试精度和速度也在不断提高，目前被广泛使用。
光学测试方法都属于非接触式测量方法，如普通光学干涉法、全息干涉法、散斑干涉法、共焦显微镜、激光逐点扫描法、光切法、莫尔等高法、付氏变换法、移相法、三角法测量、干涉显微镜、外差干涉方法等等。
值得一提的是扫描隧道显微镜(STM)。STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应，STM具有原子级的高分辨率，其横向和纵向分辨率分别可以达到0.1nm和0.01nm，已经在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中做出了重大贡献。
所有上述的这些技术在表面科学各领域的研究中起着重要作用。但任何一种技术在应用中都会存在这样或那样的局限性。例如，STM要求样品必须具有一定程度的导电性，无法直接测量绝缘体。原子力显微镜(AFM)是目前常用的一种检测仪器，其横向分辨率为0.1nm，应用于生物元件为5-10nm，纵向分辨率0.1nm，但其扫描范围也只有10-100μm。无论是STM还是AFM，由于其探针与待测表面极其接近，所以该仪器对于薄膜表面平整度要求高且造价昂贵。
在光学测量方法中，最常用干涉测量法，以往的测量通常是对干涉条纹进行分析，得到薄膜表面数据，误差一般不小于干涉处波长值的一半，约几百纳米，这种方法的缺点是精度受到很多因素的限制。
三、发明内容
为了克服上述不足，本实用新型的目的在于提供一种高测试精度、高灵敏度、结构简单、测试仪器造价低、测试成本低的薄膜表面微观不平度测试仪。
本实用新型是一种薄膜表面微观不平度测试仪，包括分叉光纤，光源，光谱分析仪，信号处理器，移动台，输出装置，其改进之处在于：分叉光纤分为输入端、输出端和检测端，分叉光纤的输入端接收光源发出的光；探测端将输入端接收到的光信号射出到薄膜上，再由探测端接收薄膜上下表面的反射光信号，并由分叉光纤的输出端将此反射光信号传递给光谱分析仪，将光谱分析仪的结果传递给信号处理器，将处理结果输出至输出装置。
薄膜表面微观不平度利用光谱分析非接触测量，克服了接触式测试仪器对薄膜表面的伤害，另外，和以往的非接触光学干涉条纹测试方法相比较，由于采用了光谱分析技术，大大提高了测试精度，降低了测量误差。
本实用新型的优点在于：
(1)属于非接触式光学测量，适合测试软膜。
(2)适合对薄膜厚度在数十纳米至数十微米之间透明或半透明膜的表面状貌的测量。膜厚测试范围为所用光源的相干长度之内。
(3)无横向测试范围的限制。
(4)可以对反射光强比较弱的薄膜进行测试。
四、附图说明
图1是薄膜表面微观不平度测试仪结构示意图。
图2是提高测试速度的第一种结构示意图。
图3是提高测试速度的第二种结构示意图。
五、具体实施方式
参照图1所示，本实用新型包括分叉光纤1，光源2，光谱分析仪3，信号处理器4，移动台5，输出装置6，分叉光纤1分为输入端、输出端和检测端，分叉光纤1的输入端接收光源2发出的光，探测端7将输入端接收到的光信号射出到薄膜8上，再由探测端7接收薄膜8上下表面的反射光信号，并由分叉光纤1的输出端将此反射光信号传递给光谱分析仪3，将光谱分析仪3的结果传递给信号处理器4，将处理结果输出至输出装置6。
此结构适合数十纳米至数十微米级透明或半透明膜的表面微观不平度的测量。膜厚测试范围在具体所用光源的相干长度之内。
分叉光纤1的检测端作为探测端7，或者在分叉光纤1的检测端上耦合光纤反射探头作为探测端7。
可以在探测端7进行光学镀膜，以及在薄膜8和所附着的基底之间镀膜。
将待测薄膜8或者探测端7之一固定在移动台5上，或将薄膜8、探测端7固定在不同的移动台5上。
探测端7和薄膜8可以是探测端7直接照射到薄膜8上采集数据，或者是探测端7透过透明基底对薄膜8进行数据采集。
其工作过程是光源2发出的光耦合到分叉光纤1的输入端内，被传导至分叉光纤1的探测端7，从探测端7射出至薄膜8表面。光在薄膜8的前后表面发生反射，反射光被分叉光纤1的探测端7接收，在分叉光纤1内被传导，并由分叉光纤1的输出端耦合至光谱分析仪3，光谱分析仪3用来检测两束反射光的干涉光谱，并将该光谱信号传递给信号处理器4。通过移动台5的移动，使光纤探测端7和薄膜8表面相对移动，连续采集薄膜表面各点的反射光信号，由信号处理器4对所采集的信号进行分析和处理，得到薄膜表面微观不平度的信息，最后将处理结果输出至输出装置6。
另外，为了提高测量速度，可以采用多通道数据采集的方法对上述结构进行扩展。一次使用多个探测端，采集薄膜8的多点反射光数据，其中分叉光纤1和光谱分析仪3之间的连接可以分为两种方式。
参照图2所示，其连接方式一是通过多路光学数据分配器9和多路光学数据选择器10连接多条分叉光纤，通过对多路光学数据分配器9和多路光学数据选择器10的地址的选择，依次选择不同的分叉光纤进行信号的采集和处理。通过在短时间内采集薄膜上多个测试点的信号而无需频繁移动测试仪，再加上分析和计算速度总是高于机械装置的移动速度，所以该方法可以提高仪器的测试速度。
其工作过程是，多路光学数据分配器9将光源按照地址控制信号11的要求输送给将要进行测试的某根分叉光纤，该分叉光纤对薄膜上的一点进行测试，其输出被送至多路光学数据选择器10的输入端，地址控制信号11控制多路光学数据选择器10，选择此路输出送至到光谱分析仪3，完成薄膜8上单点信号的检测。其它多条分叉光纤的检测过程与此类似，只需要改变地址控制信号11。对光源、分叉光纤、光纤探头、光谱分析仪等的要求和前面的一致。
参照图3所示，其连接方式二是，多路光学数据分配器9和多通道数据采集光谱仪12连接多条分叉光纤，通过对多路光学数据分配器9的地址的选择，依次选择不同的分叉光纤对薄膜上不同点进行信号采集，并送至多通道数据采集光谱分析仪12。信号处理器4可以同时对多通道光谱分析仪12输出的多个光谱信号进行处理，这种结构由于多通道光谱分析仪能够同时可以对多根光纤探头的信号进行处理，因此这种结构优于第一种连接方式。
其工作过程是，多路光学数据分配器9将光源按照地址控制信号11的要求输送给将要进行测试的某根分叉光纤，该分叉光纤对薄膜上的一点进行测试，其输出被送至多通道数据采集光谱分析仪12，其它多条分叉光纤的数据采集过程与此类似，只需要改变地址控制信号11。信号处理器4能够同时对多通道光谱分析仪12输出的多个光谱信号进行处理。对光源、分叉光纤、光纤探头、光谱分析仪等的要求和前面的一致。
本实用新型测试精度高，例如，对单晶硅片上热氧化得到的厚度约1微米的二氧化硅薄膜，测试误差小于2纳米(与椭圆偏振仪的标定结果相比较)。

Claims (7)

1、一种薄膜表面微观不平度测试仪，包括分叉光纤(1)，光源(2)，光谱分析仪(3)，信号处理器(4)，可固定薄膜(8)的移动台(5)，输出装置(6)，其特征在于：分叉光纤(1)分为输入端、输出端和检测端，分叉光纤(1)的输入端接收光源(2)发出的光，探测端(7)将输入端接收到的光信号射出到薄膜(8)上，再由探测端(7)接收薄膜(8)上下表面的反射光信号，并由分叉光纤(1)的输出端将此反射光信号传递给光谱分析仪(3)，将光谱分析仪(3)的结果传递给信号处理器(4)，将处理结果输出至输出装置(6)。
2、根据权利要求1所述的薄膜表面微观不平度光纤测试仪，其特征在于，分叉光纤(1)的检测端作为探测端(7)，或者在分叉光纤(1)的检测端上耦合光纤反射探头作为探测端(7)。
3、根据权利要求1所述的薄膜表面微观不平度光纤测试仪，其特征在于，在探测端(7)进行光学镀膜，以及在薄膜(8)和所附着的基底之间镀膜。
4、根据权利要求1所述的薄膜表面微观不平度光纤测试仪，其特征在于，将待测薄膜(8)或者探测端(7)之一固定在移动台(5)上，或将薄膜(8)、探测端(7)固定在不同的移动台(5)上。
5、根据权利要求1所述的薄膜表面微观不平度光纤测试仪，其特征在于，探测端(7)直接照射到薄膜(8)上采集数据，或者是探测端(7)透过透明基底对薄膜(8)进行数据采集。
6、根据权利要求1或2、3、4、5所述的薄膜表面微观不平度光纤测试仪，其特征在于，分叉光纤(1)采用多条分叉光纤，光源(2)连接至多路光学数据分配器(9)，多路光学数据分配器(9)连接至多条分叉光纤的各个输入端，多条分叉光纤的输出连接至多路光学数据选择器(10)，将多路光学数据选择器(10)的输出连接至光谱分析仪(3)，将地址控制信号(11)连接至多路光学数据分配器(9)和多路光学数据选择器(10)。
7、根据权利要求1或2、3、4、5所述的薄膜表面微观不平度光纤测试仪，其特征在于，光谱分析仪(3)采用多通道数据采集光谱分析仪，分叉光纤(1)采用多条分叉光纤，将光源(2)连接至多路光学数据分配器(9)，再将多路光学数据分配器(9)连接至多条分叉光纤，将多条分叉光纤连接至多通道数据采集光谱分析仪，多通道数据采集光谱分析仪的输出连接至信号处理器(4)，将地址控制信号(11)连接至光学多路数据分配器(9)。
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