[發明專利]一種探測反射光變化的裝置、方法及膜厚測量裝置

有效

• 申請號: 202110240243.2
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN113048894B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 王奇;李仲禹;王政
• 申請（專利權）人: 上海精測半導體技術有限公司
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 方可

本發明提出了一種探測反射光變化的裝置及方法，利用第一光瞳分割器將入射光束進行場強分割使得入射光束在第一光瞳分割器的第一表面形成第一場強分布；準直匯聚具有第一場強分布的入射光束斜入射至物體表面以形成具有第二場強分布的反射光束；接收具有第二場強分布的反射光束并準直以形成具有第三場強分布的反射光束；利用第二光瞳分割器的位置和形狀對具有第三場強分布的反射光束進行場強分割，使得具有第三場強分布的反射光束在第二光瞳分割器的第一表面形成第四場強分布，第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔徑函數分布；獲取具有第四場強分布的反射光束，解析時間間隔內具有第四場強分布的反射光束變化信息，從而使得解析之后光強變化和成像位置偏差所形成的信號變化增強，提高探測器信噪比。

技術領域

本發明屬于聲光量測系統，主要用于檢測金屬膜、介質膜的測量，具體來說，涉及一種探測反射光變化的裝置、方法及膜厚測量裝置。

背景技術

目前現有技術中的聲光量測原理如下：短脈沖激光照射在膜樣品表面，膜樣品吸收光子產生熱彈性變形，表面形成形變區；熱彈性變形產生聲波在固體表面及內部傳播；縱向聲波傳播到界面(基底或膜與膜的交界)處產生第一次回聲信號；第一次回聲信號到達上表面，使形變形貌進一步發生變化；回聲信號碰到上表面后又回彈，回彈碰到界面后產生第二次回聲信號；第二次回聲信號到達上表面，使鼓包形貌再次發生變化，如圖1所示，當然回聲信號也可能包括三次以上。通過光探測器獲取由形貌變化導致的入射光束的反射率變化，從而可獲取兩次反射率變化時間間隔，由此可計算得到膜樣品厚度值。

而在具體的測量裝置設置上，如圖2所示，泵浦激光1入射到樣品2的表面產生形變區4，將入射探測光5a打在形變區4上，由于回聲回傳時膜層表面的形變區形貌會發生變化，由于會導致形變區在回聲信號的到達之時所產生的進一步形變會對反射探測光5b產生影響，這種影響配合接收端的光學元件的使用，可能是幅度或者相位等各種影響，一般來說，探測模塊6獲取形貌變化導致的光反射幅度的變化，從而可獲取的光信號幅度變化的時間間隔，通過膜厚計算公式得到膜厚值，如圖2和圖3的示意圖中所示，由此，探測反射探測光5b的變化對提高光聲探測裝置精度的影響尤其重要。

如圖4中所示，為現有技術中的一種分析反射探測光的技術，經過形變區4區域反射的探測光5b會被第一反射鏡6c反射一半尺寸的圓形光斑(反射鏡6c的位置設置尤其重要，其對反射光的反射光斑視場有篩選作用)，這部分會繼續被第二反射鏡6d反射至第二探測器6a中，而未被第一反射鏡6c反射的另一半尺寸的圓形光斑會直接進入到第一探測器6b中。其中第一反射鏡6c是被電機調整到目標位置，在無激發形變時探測器6a與6b接收到的光具有確定的光強比例，如1：1，但是，當形變4區域發生激發形變產生回聲震蕩，反射探測光5b會發生時間相關性的微小角度變化，此時由于第一反射鏡6c對光斑視場的分割作用不再是一半一半的關系，由于這種微小的角度變化會導致此時探測器6a和6b的光強讀數會發生變化，通過多次實驗可模擬計算反射探測光5b角度的變化與兩者光強讀數變化的影響，進而可以計算反射探測光5b角度的變化和光強的變化之間的關系，通過測得多次回聲信號時間差便可計算出膜厚值。

但是，在上述的技術方案中，存在如下的問題：第一方面的問題是所應用光學系統的第一反射鏡6c位置調整精度要求極高，并且對其穩定性也要求極高，該光學元件承擔了光束分光作用，對光路準直性和穩定性的要求較高，光路組裝較為困難；第二方面是體現在光路的復雜性上，分別需要組裝第一反射鏡6c和第二反射鏡6d，并且為滿足一定角度內入射的光線都能夠被有效反射折射，兩者之間的平行準直和視場交錯也需要被精確調整個設計，同時在檢測出射光端還需要2個探測器，光學元件的使用增多也會導致成本增加；第三方面體現在探測精度上，由于對光路采用了分光，使得透射反射光進一步損耗，在反射探測光由于形變區造成的入射角度偏差所造成的光斑能量分解的變化率更難被檢測，由此探測信噪比低，約為百萬分之一，并且對探測光束腰發散角要求極高。

發明內容