薄膜表面微觀不平度測試儀的製作方法

2023-06-11 05:16:41 3

專利名稱：薄膜表面微觀不平度測試儀的製作方法
專利說明
一、技術領域本實用新型涉及光電測試儀，特別涉及一種適用於檢測透明(或半透明)薄膜的表面微觀不平度的光纖測試儀。
機械觸針式輪廓儀是典型的接觸式測量儀，顯然，接觸式測量多少會對膜面產生一些負面影響，Rakels J H等人在題為「Nanometric surface finishmeasurement by optical diffraction」(Measurement and Control，1991，V24(2)156～162)的文章中介紹了這些方法，其測試精度和速度也在不斷提高，目前被廣泛使用。
光學測試方法都屬於非接觸式測量方法，如普通光學幹涉法、全息幹涉法、散斑幹涉法、共焦顯微鏡、雷射逐點掃描法、光切法、莫爾等高法、付氏變換法、移相法、三角法測量、幹涉顯微鏡、外差幹涉方法等等。
值得一提的是掃描隧道顯微鏡(STM)。STM的基本原理是利用量子理論中的隧道效應，STM具有原子級的高解析度，其橫向和縱向解析度分別可以達到0.1nm和0.01nm，已經在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中做出了重大貢獻。
所有上述的這些技術在表面科學各領域的研究中起著重要作用。但任何一種技術在應用中都會存在這樣或那樣的局限性。例如，STM要求樣品必須具有一定程度的導電性，無法直接測量絕緣體。原子力顯微鏡(AFM)是目前常用的一種檢測儀器，其橫向解析度為0.1nm，應用於生物元件為5-10nm，縱向解析度0.1nm，但其掃描範圍也只有10-100μm。無論是STM還是AFM，由於其探針與待測表面極其接近，所以該儀器對於薄膜表面平整度要求高且造價昂貴。
在光學測量方法中，最常用幹涉測量法，以往的測量通常是對幹涉條紋進行分析，得到薄膜表面數據，誤差一般不小於幹涉處波長值的一半，約幾百納米，這種方法的缺點是精度受到很多因素的限制。
本實用新型是一種薄膜表面微觀不平度測試儀，包括分叉光纖，光源，光譜分析儀，信號處理器，移動臺，輸出裝置，其改進之處在於分叉光纖分為輸入端、輸出端和檢測端，分叉光纖的輸入端接收光源發出的光；探測端將輸入端接收到的光信號射出到薄膜上，再由探測端接收薄膜上下表面的反射光信號，並由分叉光纖的輸出端將此反射光信號傳遞給光譜分析儀，將光譜分析儀的結果傳遞給信號處理器，將處理結果輸出至輸出裝置。
薄膜表面微觀不平度利用光譜分析非接觸測量，克服了接觸式測試儀器對薄膜表面的傷害，另外，和以往的非接觸光學幹涉條紋測試方法相比較，由於採用了光譜分析技術，大大提高了測試精度，降低了測量誤差。
本實用新型的優點在於(1)屬於非接觸式光學測量，適合測試軟膜。
(2)適合對薄膜厚度在數十納米至數十微米之間透明或半透明膜的表面狀貌的測量。膜厚測試範圍為所用光源的相干長度之內。
(3)無橫向測試範圍的限制。
(4)可以對反射光強比較弱的薄膜進行測試。
圖2是提高測試速度的第一種結構示意圖。
圖3是提高測試速度的第二種結構示意圖。
五具體實施方式
參照

圖1所示，本實用新型包括分叉光纖1，光源2，光譜分析儀3，信號處理器4，移動臺5，輸出裝置6，分叉光纖1分為輸入端、輸出端和檢測端，分叉光纖1的輸入端接收光源2發出的光，探測端7將輸入端接收到的光信號射出到薄膜8上，再由探測端7接收薄膜8上下表面的反射光信號，並由分叉光纖1的輸出端將此反射光信號傳遞給光譜分析儀3，將光譜分析儀3的結果傳遞給信號處理器4，將處理結果輸出至輸出裝置6。
此結構適合數十納米至數十微米級透明或半透明膜的表面微觀不平度的測量。膜厚測試範圍在具體所用光源的相干長度之內。
分叉光纖1的檢測端作為探測端7，或者在分叉光纖1的檢測端上耦合光纖反射探頭作為探測端7。
可以在探測端7進行光學鍍膜，以及在薄膜8和所附著的基底之間鍍膜。
將待測薄膜8或者探測端7之一固定在移動臺5上，或將薄膜8、探測端7固定在不同的移動臺5上。
探測端7和薄膜8可以是探測端7直接照射到薄膜8上採集數據，或者是探測端7透過透明基底對薄膜8進行數據採集。
其工作過程是光源2發出的光耦合到分叉光纖1的輸入端內，被傳導至分叉光纖1的探測端7，從探測端7射出至薄膜8表面。光在薄膜8的前後表面發生反射，反射光被分叉光纖1的探測端7接收，在分叉光纖1內被傳導，並由分叉光纖1的輸出端耦合至光譜分析儀3，光譜分析儀3用來檢測兩束反射光的幹涉光譜，並將該光譜信號傳遞給信號處理器4。通過移動臺5的移動，使光纖探測端7和薄膜8表面相對移動，連續採集薄膜表面各點的反射光信號，由信號處理器4對所採集的信號進行分析和處理，得到薄膜表面微觀不平度的信息，最後將處理結果輸出至輸出裝置6。
另外，為了提高測量速度，可以採用多通道數據採集的方法對上述結構進行擴展。一次使用多個探測端，採集薄膜8的多點反射光數據，其中分叉光纖1和光譜分析儀3之間的連接可以分為兩種方式。
參照圖2所示，其連接方式一是通過多路光學數據分配器9和多路光學數據選擇器10連接多條分叉光纖，通過對多路光學數據分配器9和多路光學數據選擇器10的地址的選擇，依次選擇不同的分叉光纖進行信號的採集和處理。通過在短時間內採集薄膜上多個測試點的信號而無需頻繁移動測試儀，再加上分析和計算速度總是高於機械裝置的移動速度，所以該方法可以提高儀器的測試速度。
其工作過程是，多路光學數據分配器9將光源按照地址控制信號11的要求輸送給將要進行測試的某根分叉光纖，該分叉光纖對薄膜上的一點進行測試，其輸出被送至多路光學數據選擇器10的輸入端，地址控制信號11控制多路光學數據選擇器10，選擇此路輸出送至到光譜分析儀3，完成薄膜8上單點信號的檢測。其它多條分叉光纖的檢測過程與此類似，只需要改變地址控制信號11。對光源、分叉光纖、光纖探頭、光譜分析儀等的要求和前面的一致。
參照圖3所示，其連接方式二是，多路光學數據分配器9和多通道數據採集光譜儀12連接多條分叉光纖，通過對多路光學數據分配器9的地址的選擇，依次選擇不同的分叉光纖對薄膜上不同點進行信號採集，並送至多通道數據採集光譜分析儀12。信號處理器4可以同時對多通道光譜分析儀12輸出的多個光譜信號進行處理，這種結構由於多通道光譜分析儀能夠同時可以對多根光纖探頭的信號進行處理，因此這種結構優於第一種連接方式。
其工作過程是，多路光學數據分配器9將光源按照地址控制信號11的要求輸送給將要進行測試的某根分叉光纖，該分叉光纖對薄膜上的一點進行測試，其輸出被送至多通道數據採集光譜分析儀12，其它多條分叉光纖的數據採集過程與此類似，只需要改變地址控制信號11。信號處理器4能夠同時對多通道光譜分析儀12輸出的多個光譜信號進行處理。對光源、分叉光纖、光纖探頭、光譜分析儀等的要求和前面的一致。
本實用新型測試精度高，例如，對單晶矽片上熱氧化得到的厚度約1微米的二氧化矽薄膜，測試誤差小於2納米(與橢圓偏振儀的標定結果相比較)。
權利要求1.一種薄膜表面微觀不平度測試儀，包括分叉光纖(1)，光源(2)，光譜分析儀(3)，信號處理器(4)，可固定薄膜(8)的移動臺(5)，輸出裝置(6)，其特徵在於分叉光纖(1)分為輸入端、輸出端和檢測端，分叉光纖(1)的輸入端接收光源(2)發出的光，探測端(7)將輸入端接收到的光信號射出到薄膜(8)上，再由探測端(7)接收薄膜(8)上下表面的反射光信號，並由分叉光纖(1)的輸出端將此反射光信號傳遞給光譜分析儀(3)，將光譜分析儀(3)的結果傳遞給信號處理器(4)，將處理結果輸出至輸出裝置(6)。
2.根據權利要求1所述的薄膜表面微觀不平度光纖測試儀，其特徵在於，分叉光纖(1)的檢測端作為探測端(7)，或者在分叉光纖(1)的檢測端上耦合光纖反射探頭作為探測端(7)。
3.根據權利要求1所述的薄膜表面微觀不平度光纖測試儀，其特徵在於，在探測端(7)進行光學鍍膜，以及在薄膜(8)和所附著的基底之間鍍膜。
4.根據權利要求1所述的薄膜表面微觀不平度光纖測試儀，其特徵在於，將待測薄膜(8)或者探測端(7)之一固定在移動臺(5)上，或將薄膜(8)、探測端(7)固定在不同的移動臺(5)上。
5.根據權利要求1所述的薄膜表面微觀不平度光纖測試儀，其特徵在於，探測端(7)直接照射到薄膜(8)上採集數據，或者是探測端(7)透過透明基底對薄膜(8)進行數據採集。
6.根據權利要求1或2、3、4、5所述的薄膜表面微觀不平度光纖測試儀，其特徵在於，分叉光纖(1)採用多條分叉光纖，光源(2)連接至多路光學數據分配器(9)，多路光學數據分配器(9)連接至多條分叉光纖的各個輸入端，多條分叉光纖的輸出連接至多路光學數據選擇器(10)，將多路光學數據選擇器(10)的輸出連接至光譜分析儀(3)，將地址控制信號(11)連接至多路光學數據分配器(9)和多路光學數據選擇器(10)。
7.根據權利要求1或2、3、4、5所述的薄膜表面微觀不平度光纖測試儀，其特徵在於，光譜分析儀(3)採用多通道數據採集光譜分析儀，分叉光纖(1)採用多條分叉光纖，將光源(2)連接至多路光學數據分配器(9)，再將多路光學數據分配器(9)連接至多條分叉光纖，將多條分叉光纖連接至多通道數據採集光譜分析儀，多通道數據採集光譜分析儀的輸出連接至信號處理器(4)，將地址控制信號(11)連接至光學多路數據分配器(9)。
專利摘要本實用新型涉及一種薄膜表面微觀不平度測試儀，包括分叉光纖，光源，光譜分析儀，信號處理器，移動臺。將薄膜固定在移動臺上，光源發出的光進入分叉光纖的輸入端，從分叉光纖的探測端射出至待測薄膜表面，探測端接收薄膜前後表面的反射光束，並將此反射光束經由分叉光纖傳遞給光譜分析儀，光譜分析儀將反射光束的光譜信號處理結果送至信號處理器，信號處理器將處理結果輸出至輸出裝置。通過移動臺的移動連續採集薄膜表面的信息數據，達到測量其微觀不平度的目的。採用了非接觸光學測量方法，由此克服了接觸式測試儀器對薄膜表面的傷害；採用了光譜分析技術，和以往的非接觸光學幹涉條紋測試方法相比較，測試精度大大提高，降低了測量誤差。
文檔編號G01N21/95GK2602371SQ0321857
公開日2004年2月4日 申請日期2003年3月7日 優先權日2003年3月7日
發明者孫豔, 孫海 申請人:孫豔