本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉裝置和方法。

背景技術(shù)：

在工業(yè)生產(chǎn)、能源利用、國防軍事等領(lǐng)域中，微電子薄膜、光學(xué)薄膜、抗氧化薄膜、巨磁電阻薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜等薄膜均有著廣泛應(yīng)用，薄膜的厚度是非常重要的參數(shù)，薄膜材料的力學(xué)性能、透光性能、磁性能、熱導(dǎo)率、表面結(jié)構(gòu)等都與厚度有密切的聯(lián)系。如大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝中，各類薄膜厚度的任何微小變化對集成電路的性能都會產(chǎn)生直接的影響。再如在能源和軍事應(yīng)用領(lǐng)域中的慣性約束聚變研究方向，金屬薄膜在高功率激光器產(chǎn)生瞬時脈沖的作用下形成高壓狀態(tài)，通過研究高壓狀態(tài)下物質(zhì)的粒子速度、壓力、密度等參量，揭示物質(zhì)在高壓作用下物性狀態(tài)的物理本質(zhì)，金屬薄膜的厚度分布與高壓狀態(tài)物質(zhì)的沖擊波速度密切相關(guān)，需對其進行精確測量。常用的薄膜厚度測量方法包括等厚干涉法、光吸收法和橢圓偏振法等，然而，受限于薄膜材料的透明度，大多數(shù)基于光學(xué)原理的厚度測量方法僅能測量透明薄膜材料，對非透明薄膜材料的測量則十分困難。目前，基于光學(xué)原理測量非透明薄膜厚度的方法有如下幾種：

2003年浙江大學(xué)陳慧芳等人在《儀器儀表學(xué)報》中發(fā)表了《白光干涉法測量金屬箔厚度》，公開了一種基于白光干涉的金屬薄膜單點厚度測量方法。其方法是點光源經(jīng)分束鏡分為兩束光，每束光再通過分束器形成測量光和參考光，兩束測量光分別經(jīng)金屬薄膜的上、下表面反射后，與相應(yīng)的參考光返回至多色儀，通過處理光譜信號得到金屬薄膜樣品上、下表面相對于參考鏡的相對距離，再通過已知厚度的薄膜樣品標定兩個參考反射鏡之間的相對距離，通過計算得到金屬薄膜的厚度。這種方法的不足之處是：一、多色儀傳感器是單點模式的傳感器，最終測量得到的是金屬薄膜的單點厚度；二、無觀測光路，無法確定測量點的精確位置；三、無移動機構(gòu)驅(qū)動待測樣品移動，當金屬薄膜表面起伏超出白光相干長度時，無法測量金屬薄膜的厚度及其分布。

2004年美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的A. Nobile等人在《Fusion Science and Technology》中發(fā)表了《Fabrication and characterization of targets for shock propagation and radiation burnthrough measurements on Be-0.9 at.% Cu alloy》，公開了一種基于對向放置激光共焦位置傳感器的薄膜單點厚度測量方法和裝置，其方法是將兩個激光共焦位置傳感器沿光軸方向?qū)ο蚍胖茫瑑蓚€激光共焦位置傳感器分別測量薄膜樣品上、下表面的相對位置，通過標準厚度樣品標定兩個激光共焦位置傳感器的光焦點的相對位置，進而測量鈹摻銅薄膜及臺階的單點厚度。在樣品厚度面分布測量方面，該方法通過二維電動位移臺移動薄膜來實現(xiàn)。這種方法的不足之處是：一、厚度面分布測量效率較低；二、激光共焦位置傳感器的激光光斑直徑為7μm，厚度分布的橫向分辨率較低；三、測量裝置中觀測光學(xué)系統(tǒng)與測量光學(xué)系統(tǒng)不共用光軸，樣品的測量位置與觀測位置不一致，降低了薄膜厚度分布的測量精度。

2013年中國工程物理研究院的趙天明等人在《中國工程物理研究院機械工程2013年學(xué)術(shù)年會論文集》中發(fā)表了《單片金屬薄膜厚度的一種檢測技術(shù)》，公開了一種采用白光干涉儀和特殊夾具相結(jié)合測量金屬薄膜厚度的方法。該方法通過設(shè)計特殊的夾具，同時裝夾標準厚度樣品和待測金屬薄膜，通過翻轉(zhuǎn)夾具，測量標準厚度樣品和金屬薄膜兩個面的表面形貌，進而計算金屬薄膜相對于標準厚度樣品的厚度。由于采用面陣CCD成像，該方法能夠測量金屬薄膜厚度的二維分布，但是在翻轉(zhuǎn)前后，金屬薄膜上下兩個表面的位置難以精確對應(yīng)，并且夾持金屬薄厚可能導(dǎo)致金屬薄膜產(chǎn)生應(yīng)力和形變，所以該方法難以應(yīng)用于實際的金屬薄膜厚度測量當中。

可見，現(xiàn)有方法的共性問題在于缺少一種以面掃描方式、無需輔助夾具且測量與觀測同區(qū)的非透明薄膜厚度分布測量裝置和方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的一個技術(shù)問題是提供一種測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉裝置，本發(fā)明要解決的另一個技術(shù)問題是提供一種測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉方法。

本發(fā)明的一種測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉裝置，其特點是，包括干涉光路機構(gòu)Ⅰ、干涉光路機構(gòu)Ⅱ、樣品支架、位移臺、計算機、圖像采集卡和位移臺控制器；

所述的位移臺上固定有樣品支架，樣品支架上放置厚度標樣和薄膜樣品，位移臺控制器控制位移臺移動；

干涉光路機構(gòu)Ⅰ包括點光源Ⅰ，點光源Ⅰ發(fā)射的光線入射至透鏡Ⅰ和分光鏡Ⅰ，在分光鏡反射，反射光入射至干涉物鏡Ⅰ，在干涉物鏡Ⅰ中分束為物光和參考光，物光照射到樣品表面并反射成樣品反射光，參考光入射至干涉物鏡Ⅰ中的參考鏡并反射成參考反射光，樣品反射光和參考反射光在干涉物鏡Ⅰ中形成攜帶樣品表面信息的干涉光，干涉光進入分光鏡透射至聚光鏡Ⅰ并聚焦至面陣探測器Ⅰ形成干涉圖像，干涉圖像通過圖像采集卡傳輸至計算機；

干涉光路機構(gòu)Ⅱ與干涉光路機構(gòu)Ⅰ的結(jié)構(gòu)相同，對稱分布，物光光軸同軸。

所述位移臺為中空結(jié)構(gòu)，光路從中空位置穿過；位移臺為六自由度運動機構(gòu)；位移臺為壓電陶瓷位移臺、步進電機位移臺、手動位移臺中的一種或兩種以上組合；位移臺與樣品支架通過螺絲、彈簧片或膠粘固定。

所述樣品支架為中空結(jié)構(gòu)，光路從中空位置穿過。

所述的點光源Ⅰ和點光源Ⅱ為LED光源或鹵素?zé)艄庠粗械囊环N。

所述干涉物鏡Ⅰ和干涉物鏡Ⅱ為Michelson型干涉物鏡或Mirau型干涉物鏡中的一種。

所述面陣探測器Ⅰ和面陣探測器Ⅱ為面陣CCD探測器或面陣CMOS探測器中的一種。

本發(fā)明的一種測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉方法，其特點是，包括以下步驟：

a.將厚度標樣和薄膜樣品置于樣品支架的中空位置；

b.位移臺帶動樣品支架沿水平方向移動，將厚度標樣移動至干涉物鏡Ⅰ的下方；

c.位移臺帶動樣品支架沿Z軸方向移動，將厚度標樣移動至干涉物鏡Ⅰ和干涉物鏡Ⅱ的干涉焦面之間，定義位移臺此時位置為Z軸初始位置；

d. 開啟點光源Ⅰ和點光源Ⅱ，計算機通過圖像采集卡控制面陣探測器Ⅰ和面陣探測器Ⅱ各采集一幅干涉圖像Ⅰ₀和干涉圖像Ⅱ₀；

e. 位移臺控制厚度標樣在Z軸方向步進移動，每移動一個步長后，計算機通過圖像采集卡控制面陣探測器Ⅰ和面陣探測器Ⅱ各再采集干涉圖像Ⅰ₁~干涉圖像Ⅰ_n和干涉圖像Ⅱ₁~干涉圖像Ⅱ_n，直至厚度標樣分別超過干涉物鏡Ⅰ干涉焦面和干涉物鏡Ⅱ的干涉焦面；

f.位移臺帶動樣品支架復(fù)位至Z軸初始位置；

g.位移臺帶動樣品支架沿水平方向移動，將薄膜樣品移動至干涉物鏡Ⅰ的下方；

h. 重復(fù)步驟d-f，直至薄膜樣品對應(yīng)的干涉圖像Ⅲ₀~干涉圖像Ⅲ_n和干涉圖像Ⅳ₀~干涉圖像Ⅳ_n采集完畢；

i. 抽取干涉圖像Ⅰ₀~干涉圖像Ⅰ_n中每幅圖像中第一個固定點P₁(x,y)的灰度值，以Z軸位置為x坐標，灰度值為y坐標，以Z軸初始位置為Z軸原點o，繪制固定點的灰度曲線，求得灰度值極大時的Z軸坐標的絕對值L₁(x, y)；

j. 重復(fù)步驟i，獲得干涉圖像Ⅱ₀~干涉圖像Ⅱ_n的L₂(x, y)，干涉圖像Ⅲ₀~干涉圖像Ⅲ_n的l₁(x, y)，干涉圖像Ⅳ₀~干涉圖像Ⅳ_n的l₂(x, y)；

k. 厚度標樣的厚度已知，記為D(x,y)，用公式 d₁(x,y)= L₁(x, y)+L₂(x, y)+D(x,y)－l₁(x, y)－l₂(x, y)計算薄膜樣品中第一個固定點的厚度d₁(x,y)；

l.重復(fù)步驟i-k，直至獲得薄膜樣品表面的厚度分布。

所述的步驟e包括以下步驟：

e1. 位移臺控制厚度標樣沿Z軸正向步進移動，每移動一個步長后，計算機通過圖像采集卡控制面陣探測器Ⅰ和面陣探測器Ⅱ各采集一幅干涉圖像，直至厚度標樣超過干涉物鏡Ⅰ的干涉焦面；

e2. 位移臺帶動樣品支架復(fù)位至Z軸初始位置；

e3. 位移臺控制厚度標樣沿Z軸負向步進移動，每移動一個步長后，計算機通過圖像采集卡控制面陣探測器Ⅰ和面陣探測器Ⅱ各采集一幅干涉圖像，直至厚度標樣超過干涉物鏡Ⅱ的干涉焦面；位移臺負向移動的步數(shù)加上步驟e1中正向移動的步數(shù)，共n步，面陣探測器Ⅰ和面陣探測器Ⅱ各采集干涉圖像Ⅰ₁~干涉圖像Ⅰ_n和干涉圖像Ⅱ₁~干涉圖像Ⅱ_n。

所述的L₁(x, y)、L₂(x, y)、l₁(x, y)和l₂(x, y)對應(yīng)的灰度極大值通過二次曲線擬合或高斯曲線擬合的尋峰算法獲得。

本發(fā)明的一種測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉裝置和方法具有以下優(yōu)點：

1. 顯著提高了非透明薄膜厚度分布的測量效率與精度。本發(fā)明非透明薄膜厚度分布測量方法使用位移臺驅(qū)動樣品沿垂直于樣品待測面的方向掃描，可同時記錄探測區(qū)內(nèi)所有點處樣品兩個被測表面的干涉亮度極大值對應(yīng)位移臺移動的位置，通過厚度標準樣品標定，進而計算得出探測區(qū)內(nèi)所有點處樣品的厚度，測量效率遠高于現(xiàn)有的單點式非透明薄膜厚度測量方法。如在本發(fā)明所述的非透明薄膜厚度分布測量裝置中使用20倍干涉物鏡和2048×2048分辨率的1/2英寸感光面積的面陣探測器，其橫向分辨率可達0.2μm，而現(xiàn)有單點式非透明薄膜厚度測量方法其單點焦斑尺寸為2~7μm，橫向分辨率最高為2 μm，橫向分辨率與本發(fā)明所述方法相差1個數(shù)量級。

2. 測量過程對樣品無干擾，測量結(jié)果真實準確。本發(fā)明非透明薄膜厚度分布測量方法中，通過雙面干涉測量原理，能夠同時測量薄膜樣品兩個表面，測量過程中無需夾持或翻轉(zhuǎn)樣品，所以測得的結(jié)果為薄膜樣品在自然狀態(tài)下的真實厚度分布。

3. 測量區(qū)與觀測區(qū)完全重合，可以同時精確觀測樣品兩個表面上的目標位置。本發(fā)明非透明薄膜厚度分布測量方法中，攜帶樣品表面信息的反射光與參考光形成的干涉光被面陣探測器接收，因此面陣CCD可通過反射光觀測被測樣品表面，同時對樣品進行干涉測量。而現(xiàn)有非透明薄膜厚度測量方法中，或者測量區(qū)與觀測區(qū)不重合，無法確定目標位置是否被測量區(qū)覆蓋；或者測量區(qū)與觀測區(qū)重合，但由于只有單側(cè)的干涉光路，需要翻轉(zhuǎn)樣品才能夠?qū)崿F(xiàn)兩個表面的測量，而在翻轉(zhuǎn)樣品后會引入位置誤差，降低了測量結(jié)果的精度。

本發(fā)明一種測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉裝置和方法是通過設(shè)置兩個物光對向、共軸的白光干涉光路，結(jié)合位移臺的精密步進運動，無需輔助夾具，實現(xiàn)了非透明薄膜厚度分布的快速、無損和精確測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明裝置中的測量區(qū)域三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1.樣品支架 2.厚度標樣 3.面陣探測器Ⅰ 4.面陣探測器Ⅱ 5.位移臺 6.薄膜樣品 7.點光源Ⅰ 8.透鏡Ⅰ 9.分光鏡Ⅰ 10.干涉物鏡Ⅰ 11.聚光鏡Ⅰ 12.點光源Ⅱ 13.透鏡Ⅱ 14.分光鏡Ⅱ 15.干涉物鏡Ⅱ 16.聚光鏡Ⅱ 17.計算機 18.圖像采集卡 19.位移臺控制器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明：

實施例1

如圖1所示，測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉裝置包括干涉光路機構(gòu)Ⅰ、干涉光路機構(gòu)Ⅱ、樣品支架1、位移臺5、計算機17、圖像采集卡18和位移臺控制器19；位移臺5上通過螺絲固定有樣品支架1，樣品支架1上放置厚度標樣2和薄膜樣品6，位移臺控制器19控制位移臺5移動；

干涉光路機構(gòu)Ⅰ包括點光源Ⅰ7，點光源Ⅰ7發(fā)射的光線入射至透鏡Ⅰ8和分光鏡Ⅰ9，在分光鏡9反射，反射光入射至干涉物鏡Ⅰ10，在干涉物鏡Ⅰ10中分束為物光和參考光，物光照射到樣品表面并反射成樣品反射光，參考光入射至干涉物鏡Ⅰ10中的參考鏡并反射成參考反射光，樣品反射光和參考反射光在干涉物鏡Ⅰ10中形成攜帶樣品表面信息的干涉光，干涉光進入分光鏡9透射至聚光鏡Ⅰ11并聚焦至面陣探測器Ⅰ3形成干涉圖像，干涉圖像通過圖像采集卡18傳輸至計算機17；點光源7位于透鏡8的焦點處，面陣探測器3位于聚光鏡11的焦點處。

干涉光路機構(gòu)Ⅱ與干涉光路機構(gòu)Ⅰ的結(jié)構(gòu)相同，對稱分布，物光光軸同軸。

兩路物光的光軸方向平行于重力方向，采用該方向設(shè)置物光光軸后，被測薄膜樣品的表面與地面平行，則在測量過程中無需固定厚度標樣2和薄膜樣品6。

如圖2所示，位移臺5為中空結(jié)構(gòu)，光路從中空位置穿過；位移臺5選用x、y、z三個運動方向的三自由度位移臺，實現(xiàn)薄膜厚度測量的基本功能。水平方向的位移臺選用定位精度為0.1 μm、步進電機類型的二維位移臺，帶動樣品支架1做水平移動，用于切換樣品支架1上面的厚度標樣2和薄膜樣品6，置二者之一于測量位置；在z軸的方向，選用定位精度為1 nm的壓電陶瓷類型的位移臺，用于在干涉光路中，帶動樣品支架1上面的厚度標樣2或薄膜樣品6做垂直步進運動。位移臺5與樣品支架1通過金屬膠粘接，達到穩(wěn)定可靠的目的。

樣品支架1選用狹縫狀中空結(jié)構(gòu)的鋁合金薄板，用于承載厚度標樣2和薄膜樣品6，鋁合金薄板有利于降低壓電陶瓷位移臺的承載負擔(dān)。

點光源采用發(fā)光源體積小、額定電壓為12 V、額定功率為100 W的鹵素?zé)簦擃惞庠从捎诎l(fā)光源體積小，所以空間相干性好；鹵素?zé)舻墓庾V范圍寬，具有短相干的光學(xué)特性，有利于提高測量精度。

干涉物鏡選用Michelson型，該類型干涉物鏡的視場較大，能夠在較大區(qū)域測量薄膜樣品的厚度分布，提高厚度分布的測量效率。

面陣探測器選用科學(xué)級CCD數(shù)字相機，像元尺寸12μm×12μm，分辨率為1024×1024，選用大像元尺寸的CCD有利于測量弱反射表面的非透明薄膜。

測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉方法是通過以下步驟實施的：

a.將厚度標樣2和薄膜樣品6置于樣品支架1的中空位置；

b.位移臺5帶動樣品支架1沿水平方向移動，將厚度標樣2移動至干涉物鏡Ⅰ10的下方；

c.位移臺5帶動樣品支架1沿Z軸方向移動，將厚度標樣2移動至干涉物鏡Ⅰ10和干涉物鏡Ⅱ15的干涉焦面之間，定義位移臺5此時位置為Z軸初始位置；

d.開啟點光源Ⅰ7和點光源Ⅱ12，計算機17通過圖像采集卡18控制面陣探測器Ⅰ3和面陣探測器Ⅱ4各采集一幅干涉圖像Ⅰ₀和干涉圖像Ⅱ₀；

e. 位移臺5控制厚度標樣2沿Z軸正向步進移動，每移動一個步長后，計算機17通過圖像采集卡18控制面陣探測器Ⅰ3和面陣探測器Ⅱ4各采集一幅干涉圖像，直至厚度標樣2超過干涉物鏡Ⅰ10的干涉焦面；

f. 位移臺5帶動樣品支架1復(fù)位至Z軸初始位置；

g. 位移臺5控制厚度標樣2沿Z軸負向步進移動，每移動一個步長后，計算機17通過圖像采集卡18控制面陣探測器Ⅰ3和面陣探測器Ⅱ4各采集一幅干涉圖像，直至厚度標樣2超過干涉物鏡Ⅱ15的干涉焦面；位移臺5負向移動的步數(shù)加上步驟e中正向移動的步數(shù)，共n步，面陣探測器Ⅰ3和面陣探測器Ⅱ4各采集干涉圖像Ⅰ₁~干涉圖像Ⅰ_n和干涉圖像Ⅱ₁~干涉圖像Ⅱ_n。

h.位移臺5帶動樣品支架1復(fù)位至Z軸初始位置；

i.位移臺5帶動樣品支架1沿水平方向移動，將薄膜樣品6移動至干涉物鏡Ⅰ10的下方；

j.重復(fù)步驟d-步驟h，直至薄膜樣品6對應(yīng)的干涉圖像Ⅲ₀~干涉圖像Ⅲ_n和干涉圖像Ⅳ₀~干涉圖像Ⅳ_n采集完畢；

k.抽取干涉圖像Ⅰ₀~干涉圖像Ⅰ_n中每幅圖像中第一個固定點P₁(x,y)的灰度值，以Z軸位置為x坐標，灰度值為y坐標，以Z軸初始位置為Z軸原點o，繪制固定點的灰度曲線，通過二次曲線擬合尋峰算法求得灰度值極大時的Z軸坐標的絕對值L₁(x, y) 、L₂(x, y)、l₁(x, y)和l₂(x, y)；

l.重復(fù)步驟k，獲得干涉圖像Ⅱ₀~干涉圖像Ⅱ_n的L₂(x, y)，干涉圖像Ⅲ₀~干涉圖像Ⅲ_n的l₁(x, y)，干涉圖像Ⅳ₀~干涉圖像Ⅳ_n的l₂(x, y)；

m.厚度標樣的厚度已知，記為D(x,y)，用公式 d₁(x,y)= L₁(x, y)+L₂(x, y)+D(x,y)－l₁(x, y)－l₂(x, y)計算薄膜樣品6中第一個固定點的厚度d₁(x,y)；

n.重復(fù)步驟k-m，直至獲得薄膜樣品6表面的厚度分布。

實施例1中的位移臺5與樣品支架1還可以通過螺絲或彈簧片固定，優(yōu)點是便于更換樣品支架1；

實施例1中的點光源還可以為LED光源，優(yōu)點是LED光源是一種冷光源，適用于熱敏感型較高樣品的測量；

實施例1中的干涉物鏡還可以為Mirau型干涉物鏡，優(yōu)點是該類干涉物鏡的放大倍數(shù)較高，能夠提高橫向測量精度；

實施例1中的面陣探測器還可以為面陣CMOS探測器；

實施例1中的L₁(x, y)、L₂(x, y)、l₁(x, y)和l₂(x, y)還可以通過高斯曲線擬合尋峰算法獲得。

實施例2

實施例2與實施例1的實施方式基本相同，主要區(qū)別在于，兩路物光的光軸方向可垂直重力方向或沿任意方向，以適用于有特殊測量需求樣品的測量。

實施例3

實施例3與實施例1的實施方式基本相同，主要區(qū)別在于，位移臺5可以是四自由度位移臺、五自由度位移臺或六自由度位移臺，在實現(xiàn)薄膜厚度測量的基本需求下，能夠?qū)崿F(xiàn)對樣品的多自由度移動。位移臺5在某個方向移動精度要求不高的情況下，可以采用手動位移臺，以降低裝置成本。

該實施例通過一系列的措施實現(xiàn)了一種測量非透明薄膜厚度分布的雙面干涉裝置和方法，與其他裝置和方法相比，具有厚度分布的面掃描功能、無需輔助夾具、測量與觀測同區(qū)，顯著提高了測量效率和測量精度。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求書上的改動都是本發(fā)明的保護范圍。