原装膜厚仪答疑解惑

论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。白光干涉膜厚测量技术可以应用于光学元件制造中的薄膜厚度控制。原装膜厚仪答疑解惑

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。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。原装膜厚仪答疑解惑膜厚仪依赖于膜层和底部材料的反射率和相位差来实现这一目的。

白光干涉频域解调顾名思义是在频域分析解调信号，测量装置与时域解调装置几乎相同，只需把光强测量装置换为CCD或者是光谱仪，接收到的信号是光强随着光波长的分布。由于时域解调中接收到的信号是一定范围内所有波长的光强叠加，因此将频谱信号中各个波长的光强叠加，即可得到与它对应的时域接收信号。由此可见，频域的白光干涉条纹不仅包含了时域白光干涉条纹的所有信息，还包含了时域干涉条纹中没有的波长信息。在频域干涉中，当两束相干光的光程差远大于光源的相干长度时，仍可以在光谱仪上观察到频域干涉条纹。这是由于光谱仪内部的光栅具有分光作用，能够将宽谱光变成窄带光谱，从而增加了光谱的相干长度。这一解调技术的优点就是在整个测量系统中没有使用机械扫描部件，从而在测量的稳定性和可靠性上得到很大的提高。常见的频域解调方法有峰峰值检测法、傅里叶解调法以及傅里叶变换白光干涉解调法等。

干涉测量法[9-10]是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。采用光学干涉原理的测量系统一般具有结构简单，成本低廉，稳定性好，抗干扰能力强，使用范围广等优点。对于大多数的干涉测量任务，都是通过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，来研究干涉装置中待测物理量引入的光程差或者是位相差的变化，从而达到测量目的。光学干涉测量方法的测量精度可达到甚至优于纳米量级，而利用外差干涉进行测量，其精度甚至可以达到10-3nm量级[11]。根据所使用光源的不同，干涉测量方法又可以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，但是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者是连续信号的变化，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，在薄膜厚度的测量中得到了广泛的应用。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高和扩展 。

干涉法与分光光度法都是利用相干光形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜厚度和折射率 ，然而与薄膜自发产生的等倾干涉不同，干涉法是通过设置参考光路，形成与测量光路间的干涉条纹，因此其相位信息包含两个部分，分别是由参考平面和测量平面间扫描高度引起的附加相位和由透明薄膜内部多次反射引起的膜厚相位。干涉法测量光路使用面阵CCD接收参考平面和测量平面间相干波面的干涉光强分布，不同于以上三种点测量方式，可一次性生成薄膜待测区域的表面形貌信息，但同时由于存在大量轴向扫描和数据解算，完成单次测量的时间相对较长。操作需要一定的专业基础和经验，需要进行充分的培训和实践。本地膜厚仪工厂

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白光反射光谱探测模块中，入射光经过分光镜1分光后，一部分光照射到靶丸表面，靶丸壳层上、下表面的反射光经物镜、分光镜1、聚焦透镜、分光镜2后，一部分光聚焦到光纤端面并到达光谱仪探测器，实现了靶丸壳层白光干涉光谱的测量。另一部分光到达CCD探测器，获得靶丸表面的光学图像。靶丸吸附转位模块和三维运动模块分别用于靶丸的吸附定位以及靶丸特定角度的转位和靶丸位置的调整。在测量过程中，将靶丸放置于轴系吸嘴前端，通过微型真空泵将其吸附于吸嘴上；然后，移动位移平台，将靶丸移动至CCD视场中心，Z向位移台可调整视场清晰度；利用光谱仪探测靶丸壳层的白光反射光谱；靶丸在轴系的带动下，平稳转动到特定角度，为消除轴系回转误差所带来的误差，可通过调整调心结构，使靶丸定点位于视场中心并采集其白光反射光谱。重复以上步骤，可实现靶丸特定位置或圆周轮廓白光反射光谱数据的测量。为减少外界干扰和震动所引起的测量误差，该装置放置于气浮平台上，通过高性能的隔振效果，保证了测量结果的稳定性。原装膜厚仪答疑解惑