一種光譜橢偏測量裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種光譜橢偏測量裝置及方法，屬于光學測量【技術領域】，本發明包括：光源，用于為膜層的厚度變化量的測量提供測量光束；光譜偏振消光器，用于接收測量光束，并輸出含有第一厚度變化量的第一偏振消光光束和第二厚度變化量的第二偏振消光光束；光譜消光探測器，用于接收第一偏振消光光束和第二偏振消光光束，并根據第一偏振消光光束和第二偏振消光光束來分別實現對膜層的第一厚度變化量和第二厚度變化量的測量；光學多路復用器，用于提供光源與光譜偏振消光器之間的光學多路復用、以及光譜偏振消光器與光譜消光探測器之間的光學多路復用。本發明通過采用光學多路復用技術，實現測量效率高、自動化水平高地測量多處位置的膜層厚度變化量。
【專利說明】一種光譜橢偏測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學測量【技術領域】，尤其涉及一種光譜橢偏測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著光學測量領域的不斷發展，光譜橢偏技術成為精密測定薄膜樣品物理常數的光學測量技術。
[0003]光譜橢偏技術是通過測量待測薄膜樣品反射(或透射)光的偏振狀態及其變化情況，來精確測量待測薄膜樣品的物理常數。目前的光譜橢偏測量裝置大都包含兩個臂，其中一個臂內裝有光源和偏振發生器件，用于提供滿足要求的偏振測量光束；另一個臂內裝有偏振檢測器件和光譜探測器，用于檢測待測樣品反射(或透射)光的光譜偏振狀態及其變化情況。
[0004]但本發明 申請人:在實現本申請實施例的發明技術方案過程中，發現目前基于光譜橢偏技術的測量裝置至少存在如下技術問題:
[0005]目前的光譜橢偏測量裝置只能測量薄膜樣品表面某一小區域內的物理常數。對于大面積膜厚監測或梯度鍍膜監測的應用場合，須移動測試樣品或集成多套裝置才能對多處位置的膜層厚度進行分布式監測。這樣不僅將增加裝置的體積、重量及成本，也將提高裝置的集成復雜度。

【發明內容】

[0006]本發明實施例提供一種光譜橢偏測量裝置及方法，用于解決現有技術中需要移動測試樣品或者集成多套測量裝置才能實現對多處位置的膜層厚度進行測量的不足，達到自動化水平高、測量效率高的技術效果。
[0007]本發明實施例提供了一種光譜橢偏測量裝置，用于實現對膜層的厚度變化量的測量，其中，所述膜層在第一位置具有第一厚度變化量，在第二位置具有第二厚度變化量，所述裝置包括:一光源，所述光源用于為所述膜層的所述厚度變化量的測量提供測量光束；一光譜偏振消光器，所述光譜偏振消光器用于接收所述測量光束，并依次輸出含有所述第一厚度變化量的第一偏振消光光束和含有所述第二厚度變化量的第二偏振消光光束；一光譜消光探測器，所述光譜消光探測器用于依次接收所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束，并根據所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束分別實現對所述膜層的所述第一厚度變化量和所述第二厚度變化量的測量；一光學多路復用器，所述光學多路復用器用于提供所述光源與所述光譜偏振消光器之間的光學多路復用、以及所述光譜偏振消光器與所述光譜消光探測器之間的光學多路復用。
[0008]進一步的，所述光學多路復用器包括:第一復用器輸入口，所述第一復用器輸入口用于接收所述測量光束；第一復用器輸出口，所述第一復用器輸出口用于輸出所述測量光束；其中，所述第一復用器輸出口包括:第一分復用器輸出口 ；第二分復用器輸出口 ；第一復用器切換單元，所述第一復用器切換單元用于將所述測量光束切換輸出至所述第一分復用器輸出口或所述第二分復用器輸出口。
[0009]進一步的，所述光學多路復用器還包括:第二復用器輸入口，所述第二復用器輸入口用于依次接收所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束；其中，所述第二復用器輸入口包括:第一分復用器輸入口，用于接收所述第一偏振消光光束；第二分復用器輸入口，用于接收所述第二偏振消光光束；第二復用器輸出口，所述第二復用器輸出口用于依次輸出所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束；第二復用器切換單元，所述第二復用器切換單元用于將來自所述第一分復用器輸入口的所述第一偏振消光光束和來自所述第二分復用器輸入口的所述第二偏振消光光束依次輸出給所述光譜消光探測器。
[0010]進一步的，所述光譜偏振消光器包括:第一光譜偏振消光模組，所述第一光譜偏振消光模組用于接收所述第一分復用器輸出口的所述測量光束，并將測量所述膜層的第一位置后的所述第一偏振消光光束輸出給所述第一分復用器輸入口 ；第二光譜偏振消光模組，所述第二光譜偏振消光模組用于接收所述第二分復用器輸出口的所述測量光束，并將測量所述膜層的第二位置后的所述第二偏振消光光束輸出給所述第二分復用器輸入口。
[0011]進一步的，所述第一光譜偏振消光模組包括:第一光譜偏振消光模組輸入口，所述第一光譜偏振消光模組輸入口用于接收所述第一分復用器輸出口的所述測量光束；第一光譜偏振消光模組輸出口，所述第一光譜偏振消光模組輸出口用于將測量所述膜層的第一位置后的所述第一偏振消光光束輸出給所述第一分復用器輸入口。
[0012]進一步的，所述第二光譜偏振消光模組包括:第二光譜偏振消光模組輸入口，所述第二光譜偏振消光模組輸入口用于接收所述第二分復用器輸出口的所述測量光束；第二光譜偏振消光模組輸出口，所述第二光譜偏振消光模組輸出口用于將測量所述膜層的第二位置后的所述第二偏振消光光束輸出給所述第二分復用器輸入口。
[0013]進一步的，所述光譜消光探測器用于依次接收所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束，并根據所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束分別實現對所述膜層的所述第一厚度變化量和所述第二厚度變化量的測量，具體為:所述光譜消光探測器用于接收所述第一偏振消光光束，并探測所述第一偏振消光光束的偏振消光點對應的光波長的第一漂移量，并建立所述第一漂移量與所述第一厚度變化量的定量關系，實現對所述第一厚度變化量的測量；所述光譜消光探測器用于接收所述第二偏振消光光束，并探測所述第二偏振消光光束的偏振消光點對應的光波長的第二漂移量，并建立所述第二漂移量與所述第二厚度變化量的定量關系，實現對所述第二厚度變化量的測量。
[0014]進一步的，所述裝置還包括:一密閉腔室，所述密閉腔室內包括所述光譜偏振消光器和所述膜層，其中，所述密閉腔室還包括:一光學饋通口，所述光學饋通口與所述光譜偏振消光器連接，用于依次將所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束輸出給所述光學多路復用器。
[0015]本發明實施例還提供了一種光譜橢偏測量方法，應用于如權利要求1-8所述的光譜橢偏測量裝置中，其中，所述方法包括:第一時間段內，控制所述光學多路復用器使所述光源和所述光譜消光探測器分別與所述第一光譜偏振消光模組輸出口和所述第一光譜偏振消光模組輸入口實現光學連通，以測量所述膜層的第一位置的所述第一厚度變化量；第二時間段內，控制所述光學多路復用器使所述光源和所述光譜消光探測器分別與所述第二光譜偏振消光模組輸出口和所述第二光譜偏振消光模組輸入口實現光學連通，以測量所述膜層的第二位置的所述第二厚度變化量；其中，所述第二時間段位于所述第一時間段之后。
[0016]本發明實施例的有益效果如下:
[0017]本發明一實施例提供的一種光譜橢偏測量裝置及方法，通過采用光學多路復用技術，實現測量效率高、自動化水平高地測量多處位置的膜層厚度測量。
[0018]進一步的，本發明一實施例通過模塊化的設計思路，將光譜偏振消光器和膜層置于密閉腔室內，實現了光學測量模塊和電學測量模塊的有效分離，具有能適用于對電磁輻射、熱傳遞及真空放氣敏感場合的需要。
[0019]進一步的，本發明一實施例具有結構緊湊、易于集成的技術效果。【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發明一實施例中一種光譜橢偏測量裝置的結構示意圖；
[0021]圖2為本發明一實施例中又一種光譜橢偏測量裝置的結構示意圖
[0022]圖3為本發明一實施例中一種光譜橢偏測量裝置的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本發明一實施例提供的本發明一實施例提供的一種光譜橢偏測量裝置及方法，通過采用光學多路復用技術，實現測量效率高、自動化水平高地測量多處位置的膜層厚度變化量；且本發明通過模塊化的設計思路，將光譜偏振消光器和膜層置于密閉腔室內，實現了光學測量模塊和電學測量模塊的有效分離，具有能適用于對電磁輻射、熱傳遞及真空放氣敏感場合的需要。同時，本發明具有結構緊湊、易于集成的技術效果。
[0024]【實施例1】
[0025]為使本領域技術人員能夠更詳細地了解本發明，以下結合附圖對本發明進行詳細描述。
[0026]如圖1所述，圖1為本發明一實施例中一種光譜橢偏測量裝置，其中所述光譜橢偏測量裝置用于實現對膜層5的厚度變化量的測量，其中，所述膜層5在第一位置51具有第一厚度變化量，在第二位置51具有第二厚度變化量。具體來說，所述光譜橢偏測量裝置包括:光源1、光譜消光探測器2、光學多路復用器3、光譜偏振消光器4、膜層5 ;其中，
[0027]光源1，所述光源I用于為所述膜層5的厚度變化量的測量提供測量光束。
[0028]具體來說，光源I為寬光譜光源，具體來說，可以選用氘-鹵素燈光纖光源，需要說明的是，上述描述均為示例性描述，其他可以提供測量光束的光源均為本發明的保護范圍。
[0029]光譜偏振消光器4，所述光譜偏振消光器4用于接收所述測量光束，并依次輸出含有所述第一厚度變化量的第一偏振消光光束和所述第二厚度變化量的第二偏振消光光束。
[0030]光譜消光探測器2，所述光譜消光探測器2用于依次接收所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束，并根據所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束分別實現對所述膜層5的所述第一厚度變化量和所述第二厚度變化量的測量。
[0031]具體來說，光譜消光探測器2可選用光纖光譜儀，用于接收所述第一偏振消光光束，并探測所述第一偏振消光光束的偏振消光點對應的光波長的第一漂移量，并建立所述第一漂移量與所述第一厚度變化量的定量關系，最終實現對所述第一厚度變化量的測量；光譜消光探測器2還用于接收所述第二偏振消光光束，并探測所述第二偏振消光光束的偏振消光點對應的光波長的第二漂移量，并建立所述第二漂移量與所述第二厚度變化量的定量關系，最終實現對所述第二厚度變化量的測量。需要說明的是，上述描述是示例性描述，其他可實現光譜消光探測作用的儀器均為本發明的保護范圍。
[0032]光學多路復用器3，所述光學多路復用器3用于提供所述光源與所述光譜偏振消光器之間的光學多路復用、以及所述光譜偏振消光器4與所述光譜消光探測器2之間的光學多路復用。
[0033]進一步的，所述光學多路復用器3包括:
[0034]第一復用器輸入口 31，所述第一復用器輸入口 31用于接收所述測量光束；
[0035]第一復用器輸出口 33,所述第一復用器輸出口 33用于輸出所述測量光束；其中，所述第一復用器輸出口 33包括:
[0036]第一分復用器輸出口 331 ;
[0037]第二分復用器輸出口 332 ；
[0038]第一復用器切換單元35，所述第一復用器切換單元35用于將所述測量光束切換輸出至第一分復用器輸出口 331或第二分復用器輸出口 332。
[0039]所述光學多路復用器3包括:
[0040]第二復用器輸入口 34，所述第二復用器輸入34 口用于依次接收所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束；其中，所述第二復用器輸入口 34包括:
[0041]第一分復用器輸入口 341,用于接收所述第一偏振消光光束；
[0042]第二分復用器輸入口 342，用于接收所述第二偏振消光光束；
[0043]第二復用器輸出口 32，所述第二復用器輸出口 32用于依次輸出所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束；
[0044]第二復用器切換單元36，所述第二復用器切換單元36用于將來自所述第一分復用器輸入口 341的所述第一偏振消光光束和來自所述第二分復用器輸入口 342的所述第二偏振消光光束依次輸出給所述光譜消光探測器2。
[0045]進一步的，所述光譜偏振消光器包括:
[0046]第一光譜偏振消光模組41，所述第一光譜偏振消光模組41用于接收所述第一分復用器輸出口 331的所述測量光束，并將測量所述膜層5的第一位置51后的所述第一偏振消光光束輸出給所述第一分復用器輸入口 341 ；
[0047]第二光譜偏振消光模組42，所述第二光譜偏振消光模組42用于接收所述第二分復用器輸出口 332的所述測量光束，并將測量所述膜層的第二位置52后的所述第二偏振消光光束輸出給第二分復用器輸入口 342。
[0048]進一步的，所述第一光譜偏振消光模組41包括:
[0049]第一光譜偏振消光模組輸入口 411,所述第一光譜偏振消光模組輸入口 411用于接收所述第一分復用器輸出口 331的所述測量光束；
[0050]第一光譜偏振消光模組輸出口 412,所述第一光譜偏振消光模組輸出口 412用于將測量所述膜層5的第一位置51后的所述第一偏振消光光束輸出給所述第一分復用器輸An 341。
[0051]進一步的，所述第二光譜偏振消光模組42包括:
[0052]第二光譜偏振消光模組輸入口 421,所述第二光譜偏振消光模組輸入口 421用于接收所述第二分復用器輸出口 332的所述測量光束；
[0053]第二光譜偏振消光模組輸出口 422,所述第二光譜偏振消光模組輸出口 422用于將測量所述膜層5的第二位置52后的所述第二偏振消光光束輸出給所述第二分復用器輸An 342。
[0054]進一步的，為了實現快速、自動、高效測量，可以通過計算機程序控制光學多路復用器3的通道切換與多路復用。
[0055]【實施例2】
[0056]進一步的，為了能適用于對電磁輻射、熱傳遞及真空放氣敏感場合的需要，本發明實施例還提供了一種典型應用實施例。
[0057]如圖2所示，本發明實施例還提供了密閉腔室7，所述密閉腔室7內包括所述光譜偏振消光器4和所述膜層5，其中，所述密閉腔室7還包括:光學饋通口 6，所述光學饋通口6與所述光譜偏振消光器4連接,用于依次將所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束輸出給所述光學多路復用器3。
[0058]進一步的，所述膜層5處于所述密閉腔室7中，其中，所述膜層5可為多組鍍膜樣品上的膜層，所述密閉腔室7內的氣壓可高于或等于或低于標準大氣壓力。
[0059]從作用上來說，通過所述密閉腔室7實現了光學測量模塊和電學測量模塊的有效分離，使得所述密閉腔室7內僅包含光纖、所述光學饋通口 6和所述光譜偏振消光模組，無任何電學模塊和電子線路，因此，幾乎不在所述密閉腔室7內產生任何電磁輻射、熱傳遞，且通過選取合適的材料，可將 真空放氣控制在極低的水平。
[0060]【實施例3】
[0061]為了更清楚地說明本發明所提供的一種光譜橢偏測量裝置，本發明實施例還提供了一種光譜橢偏測量方法，如圖3所示，所述方法包括:
[0062]步驟10:第一時間段內，控制光學多路復用器使光源和光譜消光探測器分別與第一光譜偏振消光模組輸出口和第一光譜偏振消光模組輸入口實現光學連通，以測量膜層的
第一位置的第一厚度變化量；
[0063]步驟20:第二時間段內，控制光學多路復用器使光源和光譜消光探測器分別與第二光譜偏振消光模組輸出口和第二光譜偏振消光模組輸入口實現光學連通，以測量膜層的第二位置的第二厚度變化量；其中，所述第二時間段位于所述第一時間段之后。
[0064]綜上所述，本發明實施例所提供的一種光譜橢偏測量裝置及方法具有如下技術效果:
[0065]1.本發明一實施例提供的一種光譜橢偏測量裝置及方法，通過采用光學多路復用技術，實現測量效率高、自動化水平高地測量多處位置的膜層厚度變化量；
[0066]2.本發明一實施例通過模塊化的設計思路，將光譜偏振消光器和膜層置于密閉腔室內，實現了光學測量模塊和電學測量模塊的有效分離，具有能適用于對電磁輻射、熱傳遞及真空放氣敏感場合的需要。
[0067]3.本發明一實施例具有結構緊湊、易于集成的技術效果。
[0068]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種光譜橢偏測量裝置，用于實現對膜層的厚度變化量的測量，其中，所述膜層在第一位置具有第一厚度變化量，在第二位置具有第二厚度變化量，其特征在于，所述裝置包括: 一光源，所述光源用于為所述膜層的所述厚度變化量的測量提供測量光束； 一光譜偏振消光器，所述光譜偏振消光器用于接收所述測量光束，并依次輸出含有所述第一厚度變化量的第一偏振消光光束和含有所述第二厚度變化量的第二偏振消光光束； 一光譜消光探測器，所述光譜消光探測器用于依次接收所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束，并根據所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束分別實現對所述膜層的所述第一厚度變化量和所述第二厚度變化量的測量； 一光學多路復用器，所述光學多路復用器用于提供所述光源與所述光譜偏振消光器之間的光學多路復用、以及所述光譜偏振消光器與所述光譜消光探測器之間的光學多路復用。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光學多路復用器包括: 第一復用器輸入口 ，所述第一復用器輸入口用于接收所述測量光束； 第一復用器輸出口，所述第一復用器輸出口用于輸出所述測量光束；其中，所述第一復用器輸出口包括: 第一分復用器輸出口； 第二分復用器輸出口； 第一復用器切換單元，所述第一復用器切換單元用于將所述測量光束切換輸出至所述第一分復用器輸出口或所述第二分復用器輸出口。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光學多路復用器還包括: 第二復用器輸入口，所述第二復用器輸入口用于依次接收所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束；其中，所述第二復用器輸入口包括: 第一分復用器輸入口，用于接收所述第一偏振消光光束； 第二分復用器輸入口，用于接收所述第二偏振消光光束； 第二復用器輸出口，所述第二復用器輸出口用于依次輸出所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束； 第二復用器切換單元，所述第二復用器切換單元用于將來自所述第一分復用器輸入口的所述第一偏振消光光束和來自所述第二分復用器輸入口的所述第二偏振消光光束依次輸出給所述光譜消光探測器。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光譜偏振消光器包括: 第一光譜偏振消光模組，所述第一光譜偏振消光模組用于接收所述第一分復用器輸出口的所述測量光束，并將測量所述膜層的第一位置后的所述第一偏振消光光束輸出給所述第一分復用器輸入口； 第二光譜偏振消光模組，所述第二光譜偏振消光模組用于接收所述第二分復用器輸出口的所述測量光束，并將測量所述膜層的第二位置后的所述第二偏振消光光束輸出給所述第二分復用器輸入口。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述第一光譜偏振消光模組包括:第一光譜偏振消光模組輸入口，所述第一光譜偏振消光模組輸入口用于接收所述第一分復用器輸出口的所述測量光束； 第一光譜偏振消光模組輸出口，所述第一光譜偏振消光模組輸出口用于將測量所述膜層的第一位置后的所述第一偏振消光光束輸出給所述第一分復用器輸入口。
6.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述第二光譜偏振消光模組包括: 第二光譜偏振消光模組輸入口，所述第二光譜偏振消光模組輸入口用于接收所述第二分復用器輸出口的所述測量光束； 第二光譜偏振消光模組輸出口，所述第二光譜偏振消光模組輸出口用于將測量所述膜層的第二位置后的所述第二偏振消光光束輸出給所述第二分復用器輸入口。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光譜消光探測器用于依次接收所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束，并根據所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束分別實現對所述膜層的所述第一厚度變化量和所述第二厚度變化量的測量，具體為: 所述光譜消光探測器用于接收所述第一偏振消光光束，并探測所述第一偏振消光光束的偏振消光點對應的光波長的第一漂移量，并建立所述第一漂移量與所述第一厚度變化量的定量關系，實現對所述第一厚度變化量的測量； 所述光譜消光探測器用于接收所述第二偏振消光光束，并探測所述第二偏振消光光束的偏振消光點對應的光波長的第二漂移量，并建立所述第二漂移量與所述第二厚度變化量的定量關系，實現對所述第二厚度變化量的測量。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括: 一密閉腔室，所述密閉腔室內包括所述光譜偏振消光器和所述膜層，其中，所述密閉腔室還包括: 一光學饋通口，所述光學饋通口與所述光譜偏振消光器連接，用于依次將所述第一偏振消光光束和所述第二偏振消光光束輸出給所述光學多路復用器。
9.一種光譜橢偏測量方法，應用于如權利要求1-8所述的光譜橢偏測量裝置中，其中，所述方法包括: 第一時間段內，控制所述光學多路復用器使所述光源和所述光譜消光探測器分別與所述第一光譜偏振消光模組輸出口和所述第一光譜偏振消光模組輸入口實現光學連通，以測量所述膜層的第一位置的所述第一厚度變化量； 第二時間段內，控制所述光學多路復用器使所述光源和所述光譜消光探測器分別與所述第二光譜偏振消光模組輸出口和所述第二光譜偏振消光模組輸入口實現光學連通，以測量所述膜層的第二位置的所述第二厚度變化量；其中，所述第二時間段位于所述第一時間段之后。
【文檔編號】G01B11/06GK103486974SQ201310436198
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】宗明成, 黃有為, 徐天偉, 馬向紅 申請人:中國科學院微電子研究所