用于纳米级金属薄膜厚度测量的差动式SPR相位检测装置

摘要

本发明公开了一种用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，包括依次位于同一光轴上的激光光源、偏振片、分光棱镜、反射镜、干涉结构和成像结构，反射镜和干涉结构之间设置斜面镀有金属薄膜传感棱镜；入射光经光路I和光路II反射入干涉结构。金属薄膜沿所述传感棱镜斜面长度方向形成带状成膜区域，且与无金属模区域的斜面形成膜厚台阶，膜厚台阶上的两光束从对称方向或同向同时入射。本发明的有益效果是：消除共模干扰，改善整个系统的非线性，从而提高了薄膜厚度的测量精度和灵敏度，并能够实时监测薄膜的厚度；非接触式测量，不会划伤测量样品；整体测量结构简单、操作简便，适用范围广。

权利要求

1.一种用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，包括：设置在工作台（18）上的激光光源（1）、偏振片（2）、分光棱镜（3）、反射镜（4）、干涉结构和成像结构，其中激光光源（1）、偏振片（2）、分光棱镜（3）和反射镜（4）依次位于同一光轴上，其特征在于，所述反射镜（4）和干涉结构之间设置有激发SPR效应的传感棱镜（5），所述传感棱镜（5）的斜面镀有金属薄膜（6），所述传感棱镜（5）的下方设置有位移台（7），所述位移台（7）包括有组合搭建的X平移台（20）、Y平移台（21）、Z平移台（22）、转台（23）、控制器（24）和控制手柄（25）；入射光经反射镜（4）、传感棱镜（5）在所述金属薄膜（6）激发SPR效应后形成光路I反射入所述干涉结构；入射光经分光棱镜（3）、光反射机构、传感棱镜（5）在所述金属薄膜（6）激发SPR效应后再返回光反射机构形成光路II反射入所述干涉结构，光路Ⅰ和光路Ⅱ从对称方向入射至传感棱镜镀膜面，沿任意方向转动转台，实现一路光入射角增大、另一路光入射角减小的差动式测量。

2.根据权利要求1所述的一种用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于：所述反射镜（4）与光轴呈45度夹角。

3.根据权利要求1所述的一种用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于：所述光反射机构包括设置在分光棱镜（3）正下方且位于所述传感棱镜（5）和干涉结构之间的等边三角形或八字形棱镜、回路反射镜（9，10）。

4.根据权利要求1所述的一种用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于：所述干涉结构包括有反射镜（12）、反射镜（13）、偏振分光棱镜（11）和偏振分光棱镜（14），偏振分光棱镜（11）到反射镜（12）和反射镜（13）的距离相等，偏振分光棱镜（14）到反射镜（12）和反射镜（13）的距离相等。

5.根据权利要求1所述的用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于：所述的金属薄膜（6）沿所述传感棱镜（5）斜面长度方向形成带状成膜区域，且与无金属模区域的斜面形成膜厚台阶。

6.根据权利要求1所述的一种用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于：所述薄膜厚度的测量精度小于1nm。

7.根据权利要求1所述的用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于，所述的成像结构包括有偏振片（15）、凸透镜（16）和相机（17）。

8.根据权利要求1所述的用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于，所述的金属薄膜（6）在所述传感棱镜（5）斜面上形成水平方向的台阶。

9.根据权利要求1所述的用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于，所述的传感棱镜（5）为等边直角棱镜，材质为BK7玻璃。

10.根据权利要求1所述的用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于，所述的光路Ⅰ和光路Ⅱ的光点照射在传感棱镜（5）的镀膜区与非镀膜区的过渡区域。

11.根据权利要求1所述 的用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于，所述激光光源（1）的输出波长为632.8nm。

12.根据权利要求1所述 的用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，其特征在于，所述的金属薄膜（6）为金或银或铜或铝或铂或钛或镍或铬金属薄膜。

说明书

用于纳米级金属薄膜厚度测量的差动式SPR相位检测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种膜厚检测领域，特别涉及用于纳米级金属薄膜厚度测量的差动式SPR相位检测装置。

背景技术

[0002] 金属薄膜材料由于其卓越的电学性能、光学性能和力学性能成为微电子器件的基础材料。然而，金属薄膜的性质很大程度上取决于其厚度，因为薄膜的各种参数几乎都与厚
度有关。目前，国内外用于金属薄膜厚度测量的装置有机械式探针法、扫描探针显微镜、椭
偏法、表面等离子共振法等。机械式探针法为接触式测量，容易划伤样品，对薄膜造成损害；
扫描探针显微镜和椭偏仪为非接触测量，且测量精度较高和灵敏度都较高，但仪器造价昂
贵，不利于大范围推广使用。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种测量精度高、灵敏度高、实时无损测量、结构简单的纳米级金属薄膜厚度测量装置。

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，包括：设置在工作台上的激光光源、偏振片、分光棱镜、
反射镜、干涉结构和成像结构，其中激光光源、偏振片、分光棱镜和反射镜依次位于同一光
轴上，所述反射镜和干涉结构之间设置有激发SPR效应的传感棱镜，所述传感棱镜的斜面镀
有金属薄膜；入射光经反射镜、传感棱镜在所述金属薄膜激发SPR效应后形成光路I反射入
所述干涉结构；入射光经分光棱镜、光反射机构、传感棱镜在所述金属薄膜激发SPR效应后
再返回光反射机构形成光路II反射入所述干涉结构。

[0005] 所述反射镜与光轴呈45度夹角。

[0006] 所述光反射机构包括设置在垂直于所述分光棱镜下方且位于所述传感棱镜和干涉结构之间的等边三角形或八字形棱镜、回路反射镜。

[0007] 所述干涉结构包括反射镜、反射镜、偏振分光棱镜和偏振分光棱镜，偏振分光棱镜到反射镜和反射镜的距离相等，偏振分光棱镜到反射镜和反射镜的距离相等。

[0008] 所述的金属薄膜沿所述传感棱镜斜面长度方向形成带状成膜区域，且与无金属模区域的斜面形成膜厚台阶。

[0009] 所述膜厚台阶上的两光束从对称方向或同向同时入射。

[0010] 所述薄膜厚度的测量精度小于1nm。

[0011] 所述传感棱镜的下方设置有位移台，所述位移台包括有组合搭建的X平移台、Y平移台、Z平移台、转台、控制器和控制手柄。

[0012] 所述的成像结构包括有偏振片、凸透镜和相机。

[0013] 所述的金属薄膜需在所述传感棱镜斜面上形成水平方向的台阶。

[0014] 所述的传感棱镜为等边直角棱镜，材质为BK7玻璃。

[0015] 所述的光路Ⅰ和光路Ⅱ的光点照射在传感棱镜的镀膜区与非镀膜区的过渡区域。

[0016] 所述He‑Ne激光光源的输出波长为632.8nm。

[0017] 所述的金属薄膜为金、银、铜、铝、铂、钛、镍、铬。

[0018] 本发明的有益效果是：该装置采用SPR相位法来进行薄膜厚度的测量，SPR相位法为SPR法中测量精度最高的装置；且通过差动式测量，消除了共模干扰，提高了薄膜厚度的
测量精度；采用差分式测量，改善了整个系统的非线性，提高了测量的灵敏度；利用光学装
置直接测量，实时监测薄膜的厚度；非接触式测量，不会划伤测量样品，避免了薄膜厚度测
量中样品的浪费；结构简单、操作简便：整个装置由分立的光学元件搭建，不需复杂的机械
结构和电子结构，光路调试完毕后，便可由上位机直接控制位移台移动传感棱镜；适用范围
广。

附图说明

[0019] 图1是本发明第一实施例的光路示意图；

[0020] 图2是本发明第二实施例的光路示意图；

[0021] 图3是本发明的位移台结构示意图；

[0022] 图4是本发明的镀膜方式示意图；

[0023] 图5是本发明的光点照射在传感棱镜上的位置示意图。

[0024] 图中

[0025] 1、He‑Ne激光器      2、偏振片

[0026] 3、分光棱镜         4、反射镜

[0027] 5、传感棱镜         6、金属薄膜

[0028] 7、位移台           8、等边直角棱镜

[0029] 9、反射镜           10、反射镜

[0030] 11、偏振分光棱镜    12、反射镜

[0031] 13、反射镜          14、偏振分光棱镜

[0032] 15、偏振片          16、凸透镜

[0033] 17、相机            18、工作台

[0034] 19、计算机          20、X平移台

[0035] 21、Y平移台         22、Z平移台

[0036] 23、转台            26、棱镜夹持器

[0037] 27、反射镜          28、反射镜

[0038] 29、光路Ⅰ的光点     30、光路Ⅱ的光点

[0039] 31、Z平移台支架     32、转台支架.

具体实施方式

[0040] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

[0041] 如图1、图2所示，本发明的用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置，包括工作台18，所述的工作台18上设置有He‑Ne激光光源1，所述光源的右侧设置有偏振
片2、分光棱镜3和反射镜4，其中激光光源1、偏振片2、分光棱镜3和反射镜4位于同一光轴
上，所述反射镜4与光轴呈45度夹角，所述反射镜4的前侧设置有激发SPR效应的传感棱镜5，
所述传感棱镜5的斜面镀有金属薄膜6，金属薄膜6需成膜在传感棱镜5斜面上，金属薄膜6沿
所述传感棱镜5斜面长度方向形成带状成膜区域，且与无金属模区域的斜面形成膜厚台阶。
膜厚台阶上有两光束从对称方向或同向同时入射。

[0042] 所述传感棱镜5的后侧设置有反射镜9，所述反射镜9的左侧设置有反射镜10，所述反射镜10的前侧设置有等边直角棱镜8，所述等边直角棱镜8的左侧设置有偏振分光棱镜
11，所述偏振分光棱镜11的左侧和前侧等距位置处分别设置有反射镜13和12，所述反射镜
13的前侧和所述反射镜12的左侧等距位置处设置有偏振分光棱镜14，所述偏振分光棱镜14
前侧设置有偏振片15，所述偏振片15前侧设置有凸透镜16，所述凸透镜16的前侧设置有相
机17，所述的相机17接收干涉条纹图像，所述相机17连接计算机19，所述传感棱镜5上有两
光束同时入射，所述光路Ⅰ由反射镜4，传感棱镜5，干涉结构和成像结构组成；所述光路Ⅱ由
等边直角棱镜8，传感棱镜5，反射镜9，反射镜10，干涉结构和成像结构组成，其中传感棱镜
5，干涉结构和成像结构为两光束共用，所述传感棱镜5的下方设置有位移台7。

[0043] 如图3所示，所述的位移台7包括有组合搭建的X平移台20、Y平移台21、Z平移台22、转台23、控制器24和控制手柄25。

[0044] 所述的干涉结构包括有反射镜12、反射镜13、偏振分光棱镜11和偏振分光棱镜14，偏振分光棱镜11到反射镜12和反射镜13的距离相等，偏振分光棱镜14到反射镜12和反射镜
13的距离相等。

[0045] 所述的成像结构包括有偏振片15、凸透镜16和相机17。

[0046] 如图4所示，所述的金属薄膜6需在所述传感棱镜5斜面上形成水平方向的台阶。所述的传感棱镜5为等边直角棱镜，材质为BK7玻璃。

[0047] 如图5所示，所述的光路Ⅰ和光路Ⅱ的光点照射在传感棱镜的镀膜区与非镀膜区的过渡区域，所述He‑Ne激光光源(1)的输出波长为632.8nm，所述的金属薄膜6为金、银、铜、
铝、铂、钛、镍、铬金属薄膜材料。

[0048] 本发明的用于纳米级金属薄膜厚度测量的差分式SPR相位检测装置的工作原理是：He‑Ne激光光源1发出的光束经过偏振片2后进入分光棱镜3分成两路光。光路Ⅰ经过反射
镜4进入传感棱镜5，入射在金属薄膜6上激发SPR效应，再通过传感棱镜5的反射进入干涉结
构；光路Ⅱ经过等边直角棱镜8(图1)或八字形一反射镜27(图2)进入传感棱镜5，同样入射
在金属薄膜6上激发SPR效应，通过传感棱镜5、反射镜9、反射镜10、等边直角棱镜8(图1)或
八字形另一反射镜28(图2)进入干涉结构。垂直于所述分光棱镜3下方且位于所述传感棱镜
5和干涉结构之间的等边三角形或八字形棱镜、回路反射镜9，10形成光反射机构。光路Ⅰ和
光路Ⅱ被偏振分光棱镜11分为S偏振光和P偏振光，其中，反射的为S偏振光，透射的为P偏振
光。两路S偏振光通过反射镜12反射至偏振分光棱镜14内，两路P偏振光通过反射镜13反射
至偏振分光棱镜14内，两路S偏振光和两路P偏振光在偏振分光棱镜14内汇聚，产生干涉条
纹。适当调节偏振片15偏光轴，使干涉条纹清晰可见。最后将产生的干涉条纹图像经凸透镜
16放大后，送入相机17中成像，经由计算机19采集出干涉条纹。

[0049] 由于光路Ⅰ和光路Ⅱ是从相反方向入射至传感棱镜镀膜面，这时，沿任意方向转动转台，即可实现一路光入射角增大，另一路光入射角减小的差动式测量。采集到的两幅干涉
条纹经过后续的算法处理即可得到金属薄膜的厚度信息。

[0050] 本发明适于实时完成金属薄膜厚度的差分式测量，本发明除上述实施实例外，还有其他实施方式，凡是采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保
护范围。