專(zhuān)利名稱(chēng)：薄膜表面微觀不平度測(cè)試儀的制作方法
專(zhuān)利說(shuō)明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及光電測(cè)試儀，特別涉及一種適用于檢測(cè)透明(或半透明)薄膜的表面微觀不平度的光纖測(cè)試儀。
機(jī)械觸針式輪廓儀是典型的接觸式測(cè)量?jī)x，顯然，接觸式測(cè)量多少會(huì)對(duì)膜面產(chǎn)生一些負(fù)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(cè)試精度和速度也在不斷提高，目前被廣泛使用。
光學(xué)測(cè)試方法都屬于非接觸式測(cè)量方法，如普通光學(xué)干涉法、全息干涉法、散斑干涉法、共焦顯微鏡、激光逐點(diǎn)掃描法、光切法、莫爾等高法、付氏變換法、移相法、三角法測(cè)量、干涉顯微鏡、外差干涉方法等等。
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(yīng)，STM具有原子級(jí)的高分辨率，其橫向和縱向分辨率分別可以達(dá)到0.1nm和0.01nm，已經(jīng)在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中做出了重大貢獻(xiàn)。
所有上述的這些技術(shù)在表面科學(xué)各領(lǐng)域的研究中起著重要作用。但任何一種技術(shù)在應(yīng)用中都會(huì)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(dǎo)電性，無(wú)法直接測(cè)量絕緣體。原子力顯微鏡(AFM)是目前常用的一種檢測(cè)儀器，其橫向分辨率為0.1nm，應(yīng)用于生物元件為5-10nm，縱向分辨率0.1nm，但其掃描范圍也只有10-100μm。無(wú)論是STM還是AFM，由于其探針與待測(cè)表面極其接近，所以該儀器對(duì)于薄膜表面平整度要求高且造價(jià)昂貴。
在光學(xué)測(cè)量方法中，最常用干涉測(cè)量法，以往的測(cè)量通常是對(duì)干涉條紋進(jìn)行分析，得到薄膜表面數(shù)據(jù)，誤差一般不小于干涉處波長(zhǎng)值的一半，約幾百納米，這種方法的缺點(diǎn)是精度受到很多因素的限制。
本實(shí)用新型是一種薄膜表面微觀不平度測(cè)試儀，包括分叉光纖，光源，光譜分析儀，信號(hào)處理器，移動(dòng)臺(tái)，輸出裝置，其改進(jìn)之處在于分叉光纖分為輸入端、輸出端和檢測(cè)端，分叉光纖的輸入端接收光源發(fā)出的光；探測(cè)端將輸入端接收到的光信號(hào)射出到薄膜上，再由探測(cè)端接收薄膜上下表面的反射光信號(hào)，并由分叉光纖的輸出端將此反射光信號(hào)傳遞給光譜分析儀，將光譜分析儀的結(jié)果傳遞給信號(hào)處理器，將處理結(jié)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(cè)量，克服了接觸式測(cè)試儀器對(duì)薄膜表面的傷害，另外，和以往的非接觸光學(xué)干涉條紋測(cè)試方法相比較，由于采用了光譜分析技術(shù)，大大提高了測(cè)試精度，降低了測(cè)量誤差。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于(1)屬于非接觸式光學(xué)測(cè)量，適合測(cè)試軟膜。
(2)適合對(duì)薄膜厚度在數(shù)十納米至數(shù)十微米之間透明或半透明膜的表面狀貌的測(cè)量。膜厚測(cè)試范圍為所用光源的相干長(zhǎng)度之內(nèi)。
(3)無(wú)橫向測(cè)試范圍的限制。
(4)可以對(duì)反射光強(qiáng)比較弱的薄膜進(jìn)行測(cè)試。
圖2是提高測(cè)試速度的第一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是提高測(cè)試速度的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。
五具體實(shí)施方式
參照

圖1所示，本實(shí)用新型包括分叉光纖1，光源2，光譜分析儀3，信號(hào)處理器4，移動(dòng)臺(tái)5，輸出裝置6，分叉光纖1分為輸入端、輸出端和檢測(cè)端，分叉光纖1的輸入端接收光源2發(fā)出的光，探測(cè)端7將輸入端接收到的光信號(hào)射出到薄膜8上，再由探測(cè)端7接收薄膜8上下表面的反射光信號(hào)，并由分叉光纖1的輸出端將此反射光信號(hào)傳遞給光譜分析儀3，將光譜分析儀3的結(jié)果傳遞給信號(hào)處理器4，將處理結(jié)果輸出至輸出裝置6。
此結(jié)構(gòu)適合數(shù)十納米至數(shù)十微米級(jí)透明或半透明膜的表面微觀不平度的測(cè)量。膜厚測(cè)試范圍在具體所用光源的相干長(zhǎng)度之內(nèi)。
分叉光纖1的檢測(cè)端作為探測(cè)端7，或者在分叉光纖1的檢測(cè)端上耦合光纖反射探頭作為探測(cè)端7。
可以在探測(cè)端7進(jìn)行光學(xué)鍍膜，以及在薄膜8和所附著的基底之間鍍膜。
將待測(cè)薄膜8或者探測(cè)端7之一固定在移動(dòng)臺(tái)5上，或?qū)⒈∧?、探測(cè)端7固定在不同的移動(dòng)臺(tái)5上。
探測(cè)端7和薄膜8可以是探測(cè)端7直接照射到薄膜8上采集數(shù)據(jù)，或者是探測(cè)端7透過(guò)透明基底對(duì)薄膜8進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
其工作過(guò)程是光源2發(fā)出的光耦合到分叉光纖1的輸入端內(nèi)，被傳導(dǎo)至分叉光纖1的探測(cè)端7，從探測(cè)端7射出至薄膜8表面。光在薄膜8的前后表面發(fā)生反射，反射光被分叉光纖1的探測(cè)端7接收，在分叉光纖1內(nèi)被傳導(dǎo)，并由分叉光纖1的輸出端耦合至光譜分析儀3，光譜分析儀3用來(lái)檢測(cè)兩束反射光的干涉光譜，并將該光譜信號(hào)傳遞給信號(hào)處理器4。通過(guò)移動(dòng)臺(tái)5的移動(dòng)，使光纖探測(cè)端7和薄膜8表面相對(duì)移動(dòng)，連續(xù)采集薄膜表面各點(diǎn)的反射光信號(hào)，由信號(hào)處理器4對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，得到薄膜表面微觀不平度的信息，最后將處理結(jié)果輸出至輸出裝置6。
另外，為了提高測(cè)量速度，可以采用多通道數(shù)據(jù)采集的方法對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展。一次使用多個(gè)探測(cè)端，采集薄膜8的多點(diǎn)反射光數(shù)據(jù)，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?qǐng)D2所示，其連接方式一是通過(guò)多路光學(xué)數(shù)據(jù)分配器9和多路光學(xué)數(shù)據(jù)選擇器10連接多條分叉光纖，通過(guò)對(duì)多路光學(xué)數(shù)據(jù)分配器9和多路光學(xué)數(shù)據(jù)選擇器10的地址的選擇，依次選擇不同的分叉光纖進(jìn)行信號(hào)的采集和處理。通過(guò)在短時(shí)間內(nèi)采集薄膜上多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)而無(wú)需頻繁移動(dòng)測(cè)試儀，再加上分析和計(jì)算速度總是高于機(jī)械裝置的移動(dòng)速度，所以該方法可以提高儀器的測(cè)試速度。
其工作過(guò)程是，多路光學(xué)數(shù)據(jù)分配器9將光源按照地址控制信號(hào)11的要求輸送給將要進(jìn)行測(cè)試的某根分叉光纖，該分叉光纖對(duì)薄膜上的一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，其輸出被送至多路光學(xué)數(shù)據(jù)選擇器10的輸入端，地址控制信號(hào)11控制多路光學(xué)數(shù)據(jù)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(diǎn)信號(hào)的檢測(cè)。其它多條分叉光纖的檢測(cè)過(guò)程與此類(lèi)似，只需要改變地址控制信號(hào)11。對(duì)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?qǐng)D3所示，其連接方式二是，多路光學(xué)數(shù)據(jù)分配器9和多通道數(shù)據(jù)采集光譜儀12連接多條分叉光纖，通過(guò)對(duì)多路光學(xué)數(shù)據(jù)分配器9的地址的選擇，依次選擇不同的分叉光纖對(duì)薄膜上不同點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集，并送至多通道數(shù)據(jù)采集光譜分析儀12。信號(hào)處理器4可以同時(shí)對(duì)多通道光譜分析儀12輸出的多個(gè)光譜信號(hào)進(jìn)行處理，這種結(jié)構(gòu)由于多通道光譜分析儀能夠同時(shí)可以對(duì)多根光纖探頭的信號(hào)進(jìn)行處理，因此這種結(jié)構(gòu)優(yōu)于第一種連接方式。
其工作過(guò)程是，多路光學(xué)數(shù)據(jù)分配器9將光源按照地址控制信號(hào)11的要求輸送給將要進(jìn)行測(cè)試的某根分叉光纖，該分叉光纖對(duì)薄膜上的一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，其輸出被送至多通道數(shù)據(jù)采集光譜分析儀12，其它多條分叉光纖的數(shù)據(jù)采集過(guò)程與此類(lèi)似，只需要改變地址控制信號(hào)11。信號(hào)處理器4能夠同時(shí)對(duì)多通道光譜分析儀12輸出的多個(gè)光譜信號(hào)進(jìn)行處理。對(duì)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(shí)用新型測(cè)試精度高，例如，對(duì)單晶硅片上熱氧化得到的厚度約1微米的二氧化硅薄膜，測(cè)試誤差小于2納米(與橢圓偏振儀的標(biāo)定結(jié)果相比較)。
權(quán)利要求1.一種薄膜表面微觀不平度測(cè)試儀，包括分叉光纖(1)，光源(2)，光譜分析儀(3)，信號(hào)處理器(4)，可固定薄膜(8)的移動(dòng)臺(tái)(5)，輸出裝置(6)，其特征在于分叉光纖(1)分為輸入端、輸出端和檢測(cè)端，分叉光纖(1)的輸入端接收光源(2)發(fā)出的光，探測(cè)端(7)將輸入端接收到的光信號(hào)射出到薄膜(8)上，再由探測(cè)端(7)接收薄膜(8)上下表面的反射光信號(hào)，并由分叉光纖(1)的輸出端將此反射光信號(hào)傳遞給光譜分析儀(3)，將光譜分析儀(3)的結(jié)果傳遞給信號(hào)處理器(4)，將處理結(jié)果輸出至輸出裝置(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜表面微觀不平度光纖測(cè)試儀，其特征在于，分叉光纖(1)的檢測(cè)端作為探測(cè)端(7)，或者在分叉光纖(1)的檢測(cè)端上耦合光纖反射探頭作為探測(cè)端(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜表面微觀不平度光纖測(cè)試儀，其特征在于，在探測(cè)端(7)進(jìn)行光學(xué)鍍膜，以及在薄膜(8)和所附著的基底之間鍍膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜表面微觀不平度光纖測(cè)試儀，其特征在于，將待測(cè)薄膜(8)或者探測(cè)端(7)之一固定在移動(dòng)臺(tái)(5)上，或?qū)⒈∧?8)、探測(cè)端(7)固定在不同的移動(dòng)臺(tái)(5)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜表面微觀不平度光纖測(cè)試儀，其特征在于，探測(cè)端(7)直接照射到薄膜(8)上采集數(shù)據(jù)，或者是探測(cè)端(7)透過(guò)透明基底對(duì)薄膜(8)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2、3、4、5所述的薄膜表面微觀不平度光纖測(cè)試儀，其特征在于，分叉光纖(1)采用多條分叉光纖，光源(2)連接至多路光學(xué)數(shù)據(jù)分配器(9)，多路光學(xué)數(shù)據(jù)分配器(9)連接至多條分叉光纖的各個(gè)輸入端，多條分叉光纖的輸出連接至多路光學(xué)數(shù)據(jù)選擇器(10)，將多路光學(xué)數(shù)據(jù)選擇器(10)的輸出連接至光譜分析儀(3)，將地址控制信號(hào)(11)連接至多路光學(xué)數(shù)據(jù)分配器(9)和多路光學(xué)數(shù)據(jù)選擇器(10)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2、3、4、5所述的薄膜表面微觀不平度光纖測(cè)試儀，其特征在于，光譜分析儀(3)采用多通道數(shù)據(jù)采集光譜分析儀，分叉光纖(1)采用多條分叉光纖，將光源(2)連接至多路光學(xué)數(shù)據(jù)分配器(9)，再將多路光學(xué)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集光譜分析儀，多通道數(shù)據(jù)采集光譜分析儀的輸出連接至信號(hào)處理器(4)，將地址控制信號(hào)(11)連接至光學(xué)多路數(shù)據(jù)分配器(9)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種薄膜表面微觀不平度測(cè)試儀，包括分叉光纖，光源，光譜分析儀，信號(hào)處理器，移動(dòng)臺(tái)。將薄膜固定在移動(dòng)臺(tái)上，光源發(fā)出的光進(jìn)入分叉光纖的輸入端，從分叉光纖的探測(cè)端射出至待測(cè)薄膜表面，探測(cè)端接收薄膜前后表面的反射光束，并將此反射光束經(jīng)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(hào)處理結(jié)果送至信號(hào)處理器，信號(hào)處理器將處理結(jié)果輸出至輸出裝置。通過(guò)移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)連續(xù)采集薄膜表面的信息數(shù)據(jù)，達(dá)到測(cè)量其微觀不平度的目的。采用了非接觸光學(xué)測(cè)量方法，由此克服了接觸式測(cè)試儀器對(duì)薄膜表面的傷害；采用了光譜分析技術(shù)，和以往的非接觸光學(xué)干涉條紋測(cè)試方法相比較，測(cè)試精度大大提高，降低了測(cè)量誤差。
文檔編號(hào)G01N21/95GK2602371SQ0321857
公開(kāi)日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2003年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月7日
發(fā)明者孫艷, 孫海 申請(qǐng)人:孫艷