微米级膜厚仪测量方法

本文主要研究了如何采用白光干涉法、表面等离子体共振法和外差干涉法来实现纳米级薄膜厚度的准确测量，研究对象为半导体锗和贵金属金两种材料。由于不同材料薄膜的特性差异，所适用的测量方法也会有所不同。对于折射率高，在通信波段（1550nm附近）不透明的半导体锗膜，采用白光干涉的测量方法；而对于厚度更薄的金膜，由于其折射率为复数，且具有表面等离子体效应，所以采用基于表面等离子体共振的测量方法会更合适。为了进一步提高测量精度，本文还研究了外差干涉测量法，通过引入高精度的相位解调手段来检测P光与S光之间的相位差，以提高厚度测量的精度。随着技术的不断进步和应用领域的扩展，白光干涉膜厚仪的性能和功能将得到进一步提高。微米级膜厚仪测量方法

白光干涉在零光程差处，出现零级干涉条纹（在零级处，各波长光的干涉亮条纹都重合，因而零级条纹呈白色），随着光程差的增加，光源谱宽范围内的每条谱线各自形成的干涉条纹之间互有偏移，叠加的整体效果使条纹对比度下降。测量精度高，可以实现测量,采用白光干涉原理的测量系统的抗干扰能力强，动态范围大，具有快速检测和结构紧凑等优点。普通的激光干涉与白光干涉之间虽然有差别，但也有很多的共同之处。可以说，白光干涉实际上就是将白光看作一系列理想的单色光在时域上的相干叠加，在频域上观察到的就是不同波长对应的干涉光强变化曲线。国内膜厚仪工厂这种膜厚仪可以测量大气压下，1 nm到1mm范围内的薄膜厚度。

可以使用光谱分析方法来确定靶丸折射率和厚度。极值法和包络法、全光谱拟合法是通过分析膜的反射或透射光谱曲线来计算膜厚度和折射率的方法。极值法测量膜厚度是根据薄膜反射或透射光谱曲线上的波峰的位置来计算的。对于弱色散介质，折射率为恒定值，通过极大值点的位置可求得膜的光学厚度，若已知膜折射率即可求解膜的厚度；对于强色散介质，首先利用极值点求出膜厚度的初始值，然后利用色散模型计算折射率与入射波长的对应关系，通过拟合得到色散模型的系数，即可解出任意入射波长下的折射率。常用的色散模型有cauchy模型、Selimeier模型、Lorenz模型等。

由于不同性质和形态的薄膜对系统的测量量程和精度的需求不相同，因而多种测量方法各有优缺，难以一概而论。将各测量特点总结所示，按照薄膜厚度的增加，适用的测量方式分别为椭圆偏振法、分光光度法、共聚焦法和干涉法。对于小于1μm的较薄薄膜，白光干涉轮廓仪的测量精度较低，分光光度法和椭圆偏振法较适合。而对于小于200nm的薄膜，由于透过率曲线缺少峰谷值，椭圆偏振法结果更加可靠。基于白光干涉原理的光学薄膜厚度测量方案目前主要集中于测量透明或者半透明薄膜，通过使用不同的解调技术处理白光干涉的图样，得到待测薄膜厚度。本章在详细研究白光干涉测量技术的常用解调方案、解调原理及其局限性的基础上，分析得到了常用的基于两个相邻干涉峰的白光干涉解调方案不适用于极短光程差测量的结论。在此基础上，我们提出了基于干涉光谱单峰值波长移动的白光干涉测量解调技术。可以配合不同的软件进行分析和数据处理，例如建立数据库、统计数据等。

在激光惯性约束聚变（ICF）物理实验中，靶丸壳层折射率、厚度以及其分布参数是非常关键的参数。因此，实现对靶丸壳层折射率、厚度及其分布的精密测量对精密ICF物理实验研究非常重要。由于靶丸尺寸微小、结构特殊、测量精度要求高，因此如何实现对靶丸壳层折射率及其厚度分布的精密测量是靶参数测量技术研究中的重要内容。本文针对这一需求，开展了基于白光干涉技术的靶丸壳层折射率及厚度分布测量技术研究。精确测量靶丸壳层折射率、厚度及其分布是激光惯性约束聚变中至关重要的，对于ICF物理实验的研究至关重要。由于靶丸特殊的结构和微小的尺寸，以及测量的高精度要求，如何实现靶丸壳层折射率及其厚度分布的精密测量是靶参数测量技术研究中的重要目标。本文就此需求开展了基于白光干涉技术的靶丸壳层折射率及厚度分布测量技术的研究。通过测量反射光的干涉来计算膜层厚度，利用膜层与底材的反射率和相位差来实现测量。国内膜厚仪工厂

总的来说，白光干涉膜厚仪是一种应用很广的测量薄膜厚度的仪器。微米级膜厚仪测量方法

薄膜干涉原理根据薄膜干涉原理…，当波长为^的单色光以人射角f从折射率为n．的介质入射到折射率为n：、厚度为e的介质膜面(见图1)时，干涉明、暗纹条件为：

2e(n₂²一n₁²sin2i)1/2＋δ’=kλ，k=1,2,3,4,5...(1)

2e(n₂²一n₁²sin2i)1/2＋δ’=（2k＋1）λ/2，k=0，1,2,3,4...（2）

E式中k为干涉条纹级次；δ’为半波损失．

普通物理教材中讨论薄膜干涉问题时，均近似地认为，δ’是指入射光波在光疏介质中前进，遇到光密介质i的界面时，在不超过临界角的条件下，不论人射角的大小如何，在反射过程中都将产生半个波长的损失(严格地说， 只在掠射和正射情况下反射光的振动方向与入射光的振动方向才几乎相反)，故δ’是否存在决定于n1,n2,n3大小的比较。当膜厚e一定，而入射角j可变时，干涉条纹级次^随f而变，即同样的人射角‘对应同一级明纹(或暗纹)，叫等倾干涉，如以不同的入射角入射到平板介质上．当入射角￡一定，而膜厚。可变时，干涉条纹级次随。而变，即同样的膜厚e对应同一级明纹(或暗纹)。叫等厚干涉，如劈尖干涉和牛顿环． 微米级膜厚仪测量方法