新型膜厚仪应用案例

    薄膜作为改善器件性能的重要途径，被广泛应用于现代光学、电子、医疗、能源、建材等技术领域。受薄膜制备工艺及生产环境影响，成品薄膜存在厚度分布不均、表面粗糙度大等问题，导致其光学及物理性能达不到设计要求，严重影响成品的性能及应用。随着薄膜生产技术的迅速发展，准确测量和科学评价薄膜特性作为研究热点，也引起产业界的高度重视。厚度作为关键指标直接影响薄膜工作特性，合理监控薄膜厚度对于及时调整生产工艺参数、降低加工成本、提高生产效率及企业竞争力等具有重要作用和深远意义。然而，对于市场份额占比大的微米级工业薄膜，除要求测量系统不仅具有百纳米级的测量精度之外，还要求具备体积小、稳定性好的特点，以适应工业现场环境的在线检测需求。目前光学薄膜测厚方法仍无法兼顾高精度、轻小体积，以及合理的系统成本，而具备纳米级测量分辨力的商用薄膜测厚仪器往往价格昂贵、体积较大，且无法响应工业生产现场的在线测量需求。基于以上分析，本课题提出基于反射光谱原理的高精度工业薄膜厚度测量解决方案，研制小型化、低成本的薄膜厚度测量系统，并提出无需标定样品的高效稳定的膜厚计算算法。研发的系统可以实现微米级工业薄膜的厚度测量。 白光干涉膜厚测量技术可以实现对复杂薄膜结构的测量。新型膜厚仪应用案例

根据以上分析可知，白光干涉时域解调方案的优点是：①能够实现测量；②抗干扰能力强，系统的分辨率与光源输出功率的波动，光源的波长漂移以及外界环境对光纤的扰动等因素无关；③测量精度与零级干涉条纹的确定精度以及反射镜的精度有关；④结构简单，成本较低。但是，时域解调方法需要借助扫描部件移动干涉仪一端的反射镜来进行相位补偿，所以扫描装置的分辨率将影响系统的精度。采用这种解调方案的测量分辨率一般是几个微米，达到亚微米的分辨率，主要受机械扫描部件的分辨率和稳定性限制。文献[46]所报道的位移扫描的分辨率可以达到0.54μm。当所测光程差较小时，F-P腔前后表面干涉峰值相距很近，难以区分，此时时域解调方案的应用受到限制。宝鸡品牌膜厚仪白光干涉膜厚测量技术可以实现对薄膜的三维成像和分析。

光谱法是以光的干涉效应为基础的一种薄膜厚度测量方法，分为反射法和透射法两类[12]。入射光在薄膜-基底-薄膜界面上的反射和透射会引起多光束干涉效应，不同特性的薄膜材料的反射率和透过率曲线是不同的，并且在全光谱范围内与厚度之间是一一对应关系。因此，根据这一光谱特性可以得到薄膜的厚度以及光学参数。光谱法的优点是可以同时测量多个参数且可以有效的排除解的多值性，测量范围广，是一种无损测量技术；缺点是对样品薄膜表面条件的依赖性强，测量稳定性较差，因而测量精度不高；对于不同材料的薄膜需要使用不同波段的光源等。目前，这种方法主要应用于有机薄膜的厚度测量。

白光干涉时域解调方案需要借助机械扫描部件带动干涉仪的反射镜移动，补偿光程差，实现对信号的解调[44-45]。系统基本结构如图2-1所示。光纤白光干涉仪的两输出臂分别作为参考臂和测量臂，作用是将待测的物理量转换为干涉仪两臂的光程差变化。测量臂因待测物理量而增加了一个未知的光程，参考臂则通过移动反射镜来实现对测量臂引入的光程差的补偿。当干涉仪两臂光程差ΔL=0时，即两干涉光束为等光程的时候，出现干涉极大值，可以观察到中心零级干涉条纹，而这一现象与外界的干扰因素无关，因而可据此得到待测物理量的值。干扰输出信号强度的因素包括：入射光功率、光纤的传输损耗、各端面的反射等。外界环境的扰动会影响输出信号的强度，但是对零级干涉条纹的位置不会产生影响。白光干涉膜厚测量技术可以应用于半导体制造中的薄膜厚度控制。

    为了分析白光反射光谱的测量范围，开展了不同壁厚的靶丸壳层白光反射光谱测量实验。图是不同壳层厚度靶丸的白光反射光谱测量曲线，如图所示，对于壳层厚度30μm的靶丸，其白光反射光谱各谱峰非常密集、干涉级次数值大；此外，由于靶丸壳层的吸收，壁厚较大的靶丸信号强度相对较弱。随着靶丸壳层厚度的进一步增加，其白光反射光谱各谱峰将更加密集，难以实现对各干涉谱峰波长的测量。为实现较大厚度靶丸壳层厚度的白光反射光谱测量，需采用红外的宽谱光源和光谱探测器。对于壳层厚度为μm的靶丸，测量的波峰相对较少，容易实现靶丸壳层白光反射光谱谱峰波长的准确测量；随着靶丸壳层厚度的进一步减小，两干涉信号之间的光程差差异非常小，以至于他们的光谱信号中只有一个干涉波峰，基于峰值探测的白光反射光谱方法难以实现其厚度的测量；为实现较小厚度靶丸壳层厚度的白光反射光谱测量，可采用紫外的宽谱光源和光谱探测器提升其探测厚度下限。 白光干涉膜厚测量技术可以对不同材料的薄膜进行联合测量和分析。国内膜厚仪应用案例

白光干涉膜厚测量技术可以通过对干涉图像的分析实现对薄膜的表面和内部结构的联合测量和分析。新型膜厚仪应用案例

    基于白光干涉光谱单峰值波长移动的锗膜厚度测量方案研究：在对比研究目前常用的白光干涉测量方案的基础上，我们发现当两干涉光束的光程差非常小导致其干涉光谱只有一个干涉峰时，常用的基于两相邻干涉峰间距的解调方案不再适用。为此，我们提出了适用于极小光程差的基于干涉光谱单峰值波长移动的测量方案。干涉光谱的峰值波长会随着光程差的增大出现周期性的红移和蓝移，当光程差在较小范围内变化时，峰值波长的移动与光程差成正比。根据这一原理，搭建了光纤白光干涉温度传感系统对这一测量解调方案进行验证，得到了光纤端面半导体锗薄膜的厚度。实验结果显示锗膜的厚度为，与台阶仪测量结果存在，这是因为薄膜表面本身并不光滑，台阶仪的测量结果只能作为参考值。锗膜厚度测量误差主要来自光源的波长漂移和温度控制误差。新型膜厚仪应用案例