测量膜厚仪的精度

本文主要以半导体锗和贵金属金两种材料为对象，研究了白光干涉法、表面等离子体共振法和外差干涉法实现纳米级薄膜厚度准确测量的可行性。由于不同材料薄膜的特性不同，所适用的测量方法也不同。半导体锗膜具有折射率高，在通信波段（1550nm附近）不透明的特点，选择采用白光干涉的测量方法；而厚度更薄的金膜的折射率为复数，且能激发明显的表面等离子体效应，因而可借助基于表面等离子体共振的测量方法；为了进一步改善测量的精度，论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，检测P光与S光之间的相位差提升厚度测量的精度。白光干涉膜厚仪是一种用来测量透明和平行表面薄膜厚度的仪器。测量膜厚仪的精度

基于表面等离子体共振传感的测量方案，利用共振曲线的三个特征参量半高宽、—共振角和反射率小值，通过反演计算得到待测金属薄膜的厚度。该测量方案可同时得到金属薄膜的介电常数和厚度，操作方法简单。我们利用Kretschmann型结构的表面等离子体共振实验系统，测得金膜在入射光波长分别为632.8nm和652.1nm时的共振曲线，由此得到金膜的厚度为55.2nm。由于该方案是一种强度测量方案，测量精度受环境影响较大，且测量结果存在多值性的问题，所以我们进一步对偏振外差干涉的改进方案进行了理论分析，根据P光和S光之间相位差的变化实现厚度测量。原装膜厚仪零售价格白光干涉膜厚仪的工作原理是基于膜层与底材的反射率及其相位差，通过测量反射光的干涉来计算膜层厚度。

用峰峰值法处理光谱数据时，被测光程差的分辨率取决于光谱仪或CCD的分辨率。我们只需要获取相邻的两个干涉峰值处的波长信息，即可确定光程差，不必关心此波长处的光强大小，从而降低了数据处理难度。此外，也可以利用多组相邻干涉光谱极值对应的波长分别求出光程差，然后再求平均值作为测量结果，以提高该方法的测量精度。但是，峰峰值法存在着一些缺点：当使用宽带光源时，不可避免地会有与光源同分布的背景光叠加在接收光谱中，从而引起峰值处波长的改变，从而引入测量误差。同时，当两干涉信号之间的光程差很小，导致其干涉光谱只有一个干涉峰时，此法便不再适用。

极值法求解过程计算简单，快速，同时确定薄膜的多个光学常数及解决多值性问题，测试范围广，但没有考虑薄膜均匀性和基底色散的因素，以至于精度不够高。此外，由于受曲线拟合精度的限制，该方法对膜厚的测量范围有要求，通常用这种方法测量的薄膜厚度应大于200nm且小于10μm，以确保光谱信号中的干涉波峰数恰当。全光谱拟合法是基于客观条件或基本常识来设置每个拟合参数上限、下限，并为该区域的薄膜生成一组或多组光学参数及厚度的初始值，引入适合的色散模型，再根据麦克斯韦方程组的推导。这样求得的值自然和实际的透过率和反射率（通过光学系统直接测量的薄膜透射率或反射率）有所不同，建立评价函数，当计算的透过率/反射率与实际值之间的偏差小时，我们就可以认为预设的初始值就是要测量的薄膜参数。Michelson干涉仪的光路长度是影响仪器精度的重要因素。

自上世纪60年代开始，西方的工业生产线广泛应用基于X及β射线、近红外光源开发的在线薄膜测厚系统。随着质检需求的不断增长，20世纪70年代后，电涡流、超声波、电磁电容、晶体振荡等多种膜厚测量技术相继问世。90年代中期，随着离子辅助、离子束溅射、磁控溅射、凝胶溶胶等新型薄膜制备技术的出现，光学检测技术也不断更新迭代，以椭圆偏振法和光度法为主导的高精度、低成本、轻便、高速稳固的光学检测技术迅速占领日用电器和工业生产市场，并发展出了个性化定制产品的能力。对于市场占比较大的微米级薄膜，除了要求测量系统具有百纳米级的测量准确度和分辨率之外，还需要在存在不规则环境干扰的工业现场下具备较高的稳定性和抗干扰能力。光路长度越长，分辨率越高，但同时也更容易受到静态振动等干扰因素的影响。微米级膜厚仪检测

总之，白光干涉膜厚仪是一种应用很广的测量薄膜厚度的仪器。测量膜厚仪的精度

干涉测量法是一种基于光的干涉原理实现对薄膜厚度测量的光学方法，是一种高精度的测量技术，其采用光学干涉原理的测量系统具有结构简单、成本低廉、稳定性高、抗干扰能力强、使用范围广等优点。对于大多数干涉测量任务，都是通过分析薄膜表面和基底表面之间产生的干涉条纹的形状和分布规律，来研究待测物理量引入的光程差或位相差的变化，从而实现测量目的。光学干涉测量方法的测量精度可达到甚至优于纳米量级，利用外差干涉进行测量，其精度甚至可以达到10^-3 nm量级。根据所使用的光源不同，干涉测量方法可分为激光干涉测量和白光干涉测量两大类。激光干涉测量的分辨率更高，但不能实现对静态信号的测量，只能测量输出信号的变化量或连续信号的变化，即只能实现相对测量。而白光干涉是通过对干涉信号中心条纹的有效识别来实现对物理量的测量，是一种测量方式，在薄膜厚度测量中得到了广泛的应用。测量膜厚仪的精度