[发明专利]偏振复用的共光路自校准薄膜厚度测量装置及测量方法

说明书

本发明提供的是一种偏振复用的共光路自校准薄膜厚度测量装置及测量方法。包含光源输出模块、膜厚测量探头模块、解调干涉仪模块、偏振分束模块以及采集与控制模块。本发明采用偏振复用技术，两探头使用正交态偏振光。测量探头能实现传输光线的透射和反射，无待测薄膜时可实现两探头绝对距离H的测量；待测薄膜安置两探头间，实现两探头与待测薄膜前后表面的绝对距离H1和H2的测量；待测薄膜厚度d可由d＝H‑(H1+H2)确定。本发明实现不需要标定物即可对待测薄膜厚度进行测量，共光路的设计克服了测量过程中由于系统内部机械不稳定和外部环境变化带来的影响，具有自校准、特征白光干涉峰识别简单、动态范围大、测量结果可溯源等优点。

技术领域

本发明涉及的是一种光学测量装置，特别是一种薄膜厚度测量装置。具体地说是一种偏振复用的共光路自校准薄膜厚度测量装置。

背景技术

随着材料科学与技术的蓬勃发展，为满足微电子、光电子、新能量等领域的迫切需求，薄膜在光学工程、机械工程、通讯工程、生物工程、宇航工程、化学工程、医学工程等领域被广泛应用。薄膜材料最为核心和关键的参数之一就是厚度，它不仅对于薄膜制备起到关键的作用，也基本上决定了薄膜的力学、电磁、光电和光学等应用性能。

1961年，N.Schwartz等人提出了一种利用高精度机械触针在物体表面运动来感知表面轮廓的变化的接触探针法(N.Schwartz,R.Brown,“A Stylus Method for Evaluatingthe Thickness of Thin Films and Substrate Surface Roughness,”in Transactionsof the Eighth Vacuum Symposium and Second International Congress(Pergamon,NewYork,1961), pp.836–845.)，该方法具有稳定性好，分辨力高，测量范围大等优点；但由于探针法中包含基于机械运动的探针，对薄膜测量时需要进行二次加工，此外探针在薄膜表面的移动，也会给薄膜造成一定的损害。因此非接触测量法便很快的取代了接触测量法对薄膜的厚度进行测量。

2013年，南京航空航天大学的马希直等人公开了一种超声膜厚测量仪及其测量方法(中国专利申请号：201310198294.9)，该方法发射超声脉冲入射到油膜的表面发生谐振，再通过测量反射脉冲的相关特性对油膜的厚度进行测量；但是该方法只适用于液态模的测量，且对于不同厚度范围的薄膜需建立不同的模型，解调难度较大。

光学测量法具有着高精度的优势，在薄膜厚度测量方面开始逐渐广泛的应用起来。2012 年，北京京东方光电科技有限公司的曲连杰等人公开了一种膜厚装置及方法(中国专利申请号：201210080756.2)，该方法采用空间光路与光纤光路结合的方式，通过棱镜对彩色光源进行分光处理照射在薄膜的表面，通过测量不同反射光的特性对薄膜的厚度进行测量。该方法扩大了薄膜厚度测量的装置取样点的频谱范围，提高了分辨率。