纳米级膜厚仪技术

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。白光干涉膜厚仪需要校准。纳米级膜厚仪技术

通过基于表面等离子体共振传感的测量方案，结合共振曲线的三个特征参数，即共振角、半高宽和反射率小值，反演计算可以精确地得到待测金属薄膜的厚度和介电常数。该方案操作简单，利用Kretschmann型结构的表面等离子体共振实验系统即可得到共振曲线，从而得到金膜的厚度。由于该方案为一种强度测量方案，受环境影响较大，测量结果存在多值性问题，因此研究人员进一步对偏振外差干涉的改进方案进行了理论分析，从P光和S光之间相位差的变化来实现厚度测量。白光干涉膜厚仪工厂随着技术的进步和应用领域的拓展，白光干涉膜厚仪的性能和功能将不断提升和扩展。

薄膜是一种特殊的二维材料，由分子、原子或离子沉积在基底表面形成。近年来，随着材料科学和镀膜技术的不断发展，厚度在纳米量级（几纳米到几百纳米范围内）的薄膜研究和应用迅速增加。与体材料相比，纳米薄膜的尺寸很小，表面积与体积的比值增大，因而表面效应所表现出来的性质非常突出，对于光学性质和电学性质等具有许多独特的表现。纳米薄膜在传统光学领域中的应用越来越广，尤其是在光通讯、光学测量、传感、微电子器件、医学工程等领域有更为广阔的应用前景。

对同一靶丸的相同位置进行白光垂直扫描干涉实验，如图4-3所示。通过控制光学轮廓仪的运动机构带动干涉物镜在垂直方向上移动，测量光线穿过靶丸后反射到参考镜与到达基底后直接反射回参考镜的光线之间的光程差。显然，越偏离靶丸中心的光线测得的有效壁厚越大，其光程差也越大，但这并不表示靶丸壳层的厚度。只有当垂直穿过靶丸中心的光线测得的光程差才对应于靶丸的上、下壳层的厚度。因此，在进行白光垂直扫描干涉实验时，需要选择穿过靶丸中心的光线位置进行测量，这样才能准确地测量靶丸壳层的厚度。此外，通过控制干涉物镜在垂直方向上移动，可以测量出不同位置的厚度值，从而得到靶丸壳层厚度的空间分布情况。Michelson干涉仪的光路长度支配了精度。

在初始相位为零的情况下，当被测光与参考光之间的光程差为零时，光强度将达到最大值。为探测两个光束之间的零光程差位置，需要精密Z轴向运动台带动干涉镜头作垂直扫描运动或移动载物台，垂直扫描过程中，用探测器记录下干涉光强，可得白光干涉信号强度与Z向扫描位置（两光束光程差）之间的变化曲线。干涉图像序列中某波长处的白光信号强度随光程差变化示意图，曲线中光强极大值位置即为零光程差位置，通过零过程差位置的精密定位，即可实现样品表面相对位移的精密测量；通过确定最大值对应的Z向位置可获得被测样品表面的三维高度。增加光路长度可以提高仪器分辨率，但同时也会更容易受到振动等干扰，需要采取降噪措施。白光干涉膜厚仪工厂

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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． 纳米级膜厚仪技术