几种常用光学方法测量薄膜厚度设计

苏宝玺，杨文琴，吴荣琴

(福建师范大学闽南科技学院，福建泉州 362332)

几种常用光学方法测量薄膜厚度设计

苏宝玺，杨文琴，吴荣琴

(福建师范大学闽南科技学院，福建泉州 362332)

随着科技的进步和精密仪器的应用，薄膜厚度的测量方法层出不穷，准确测量薄膜的厚度和光学常数在薄膜的制备和应用中起着关键的作用，直接关系到该薄膜材料能否正常工作。本文通过对薄膜的光学测量方法进行归类，列举其中一些测量方法在教学中的应用。

薄膜厚度；光学测量方法；实验教学

薄膜厚度的测量方法有很多，常见的光学方法有等厚等倾干涉法、极值法、原子吸收光谱法、椭圆偏振法、白光干涉法等。笔者通过引用高校中常见的光学实验教学仪器，如牛顿环、迈克尔逊干涉仪、椭偏仪、光纤光谱仪(AvaSpec)等，来归纳介绍几种测厚常见的光学方法。

1 利用牛顿环干涉条纹测定薄膜厚度[1]

将两块光学平玻璃叠合在一起，并在其中一端垫入待测的薄片，则在两块玻璃片之间形成一空气劈尖。当用单色光垂直照射时，和牛顿环一样，在空气劈尖上、下两表面反射的两束相干光发生干涉，其干涉条纹是一簇间距相等，宽度相等切平行于两玻璃片交线(即劈尖的棱)的明暗相间的平行条纹(图1)。

图1 空气劈尖干涉

(1)

其中，L为两玻璃片交线与所测薄片边缘的距离(劈尖的有效长度)，Ln为n个条纹间的距离，它们可由读数显微镜测出。

2 迈克尔逊干涉仪测量薄膜厚度[2-3]

迈克尔逊干涉仪是一种较为精密的测量仪器，可以测量气体、固体的折射率。同时，用迈克逊干涉仪也可以测量薄膜厚度，其测量原理、方法简单。

图2 白光测厚

图3 等光程位置

2.1 实验调节步骤

先用He-Ne激光器调节出明暗相间的干涉圆环，再改用白光照射，由于白光是复色光，而明暗纹位置又与波长有关。因此，只有在d=0的对应位置上，各种波长的光到达屏上时，光程差均为0，形成零级暗纹。在零级暗纹附近有几条彩色直条纹。稍远处，由于不同波长、不同级次的明暗纹相互重叠，便看不清干涉条纹了。如图2所示，由于白光等厚干涉条纹能准确地确定等光程位置，可以用来测定透明薄片的厚度。当视场内出现彩色直条纹后，继续转动微调手轮，使零级暗纹移到视场中央。然后在活动镜与分光板之间插入待测薄片，此时由于光程差变化，彩色条纹消失。再转动微调手轮，使活动镜向分光板方向移近，当彩色条纹重新出现并移到视场中央时，活动镜的移动正好抵消了光程差的变化。根据以上分析可以推出薄片厚度的测量公式为

(2)

2.2 等光程位置的确定

当M2与M1′不完全平行时，M2和M1′之间形成楔形空气膜，一般情况下屏上将呈现弧形等厚干涉条纹。若改变活动镜位置，使M2和M1′的间距d=0，此时由M2和M1′反射到屏上的两束相干光光程差为零，屏上呈现直线形明暗条纹如图3所示。这时活动镜的位置称为等光程位置。

3 椭偏法测量薄膜厚度

3.1 实验原理

椭圆偏振测量(椭偏术)是研究光在两媒质界面发生的现象及介质特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光在界面反射或透射时发生的偏振态的改变。椭圆偏振测量的应用范围很广，如研究半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等光学性质，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。

3.2 等幅椭圆偏振光的获得

图4 实验原理图

3.3 实验结果及数据分析

将氧化锆放在载物台的中央，望远镜转过40°，并使反射光在目镜上形成一亮点。为了尽量减少系统误差，采用四点测量。先置1/4波片快轴于+45°，仔细调节检偏器A和起偏器P，使目镜内的亮点最暗(或检流计值最小)，记下A值和P值，这样可以测得两组消光位置数值。其中A值分别大于90°和小于90°，分别定为A1(>90°)和A2(<90°)，所对应的P值为P1和P2。然后将1/4波片快轴转到-45°，也可找到两组消光位置数值，A值分别记为A3(>90°)和A4(<90°)，所对应的P值为P3和P4。

分别将两个样品的4组数据输入椭偏仪数据处理程序，得到相应的数据如表1所示。

表1 实验室椭偏仪测量氧化锆数据

4 利用白光干涉测量薄膜厚度[5-6]

4.1 利用白光干涉测量薄膜厚度的实验仪器

光纤光谱仪、Y型反射式光纤、氘-卤钨灯、探测光纤支架、薄膜测试片。

图5 AvaSpec膜厚测量系统

图6 测量实物图

4.2 实验介绍

AvaSpec薄膜测量系统是基于白光干涉的原理来确定光学薄膜的厚度，可以测量的膜层厚度为10nm～50um，分辨率为1nm。在半导体晶片生长过程中经常用到薄膜测量，其它应用如在金属和玻璃材料基底下镀透明光学薄膜也需要测量薄膜厚度。配套的AvaSoft-ThinFilm应用软件包括丰富的各种常用材料和膜层的n值和k值，可以实现膜层厚度的在线监控，并可以输出到Excel文件进行过程监控，典型布局如图5所示。对于单层膜来说，如果已知薄膜介质的n和k值就可以计算出它的物理厚度。

4.3 实验结果

(1)测量BK7基底上MgF2增透膜的厚度：测得薄膜厚为99.0nm；(2)测量偏振片塑料保护膜的厚度：测得薄膜厚为37.9497 um。

图7 MgF2增透膜

图8 偏振片塑料保护膜

5 实验结果比较

表2 优缺点分析

6 结语

不同的膜厚测量方法各有其特点，每个方法都存在一定的测量精度、测量范围和应用范围，也具有一定的互补作用。因此，在实际使用时，应根据待测样品的特性和测试要求，选择合适的方法。

[1]杨淑敏,张伟,曹丽萍.利用牛顿环干涉条纹测定薄膜厚度[J].长春师范学院学报:自然科学版, 2011,30(4):46-49.

[2]郑志远,樊振军,董爱国,等.迈克尔逊干涉测薄膜厚度[J].大学物理实验,2010,23(5):49-50.

[3]杨修文,石义杰,路素彦.迈克尔逊干涉仪测量薄膜的折射率与厚度[J].郧阳师范高等专科学校学报,2008,28(3):26-27.

[4]张志伟.微小型光纤光谱仪[J].光机电信息,2004(8):14-20.

Several Optical Measurement Methods Applied To Measure Film Thickness

SU Bao-xi, YANG Wen-qin, WU Rong-qin

(Minnan Science and Technology Institute，Fujian Normal University，Quanzhou Fujian 362332，China)

Due to the advantages of new technology and precise instruments, a variety of approaches to measure film thickness has been developed. And it’s vital to measure film thickness and optical constants precisely for the preparation and application of the film, which has direct effect on normal work of it. Classified by optical measurement method on the film, the application of some measurement method in teaching is illustrated.

film thickness；the optical measurement method；experiment teaching

2014-02-13

苏宝玺(1983- )，男，福建南安人，福建师范大学闽南科技学院助理实验师，从事光学实验室管理研究。

O431

A

2095-7602(2014)04-0029-04