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。工作原理是基于膜层与底材反射率及相位差,通过测量反射光的干涉来计算膜层厚度。苏州膜厚仪产品使用误区
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. 高精度膜厚仪应用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。
本文温所研究的锗膜厚度约300nm,导致其白光干涉输出光谱只有一个干涉峰,此时常规基于相邻干涉峰间距解调的方案(如峰峰值法等)将不再适用。为此,我们提出了一种基于单峰值波长移动的白光干涉测量方案,并设计搭建了膜厚测量系统。温度测量实验结果表明,峰值波长与温度变化之间具有良好的线性关系。利用该测量方案,我们测得实验用锗膜的厚度为338.8nm,实验误差主要来自于温度控制误差和光源波长漂移。通过对纳米级薄膜厚度的测量方案研究,实现了对锗膜和金膜的厚度测量。本文主要的创新点是提出了白光干涉单峰值波长移动的解调方案,并将其应用于极短光程差的测量。
傅里叶变换是白光频域解调方法中一种低精度的信号解调方法。早是由G.F.Fernando和T.Liu等人提出,用于低精度光纤法布里-珀罗传感器的解调。因此,该解调方案的原理是通过傅里叶变换得到频域的峰值频率从而获得光程差,进而得到待测物理量的信息。傅里叶变换解调方案的优点是解调速度较快,受干扰信号的影响较小。但是其测量精度较低。根据数字信号处理FFT(快速傅里叶变换)理论,若输入光源波长范围为λ1,λ2,则所测光程差的理论小分辨率为λ1λ2/(λ2−λ1),所以此方法主要应用于对解调精度要求不高的场合。傅里叶变换白光干涉法是对傅里叶变换法的改进。该方法总结起来就是对采集到的光谱信号做傅里叶变换,然后滤波、提取主频信号后进行逆傅里叶变换,然后做对数运算,并取其虚部做相位反包裹运算,由获得的相位得到干涉仪的光程差。该方法经过实验证明其测量精度比傅里叶变换高。白光干涉膜厚仪需要进行校准,并选择合适的标准样品。
白光干涉在零光程差处,出现零级干涉条纹,随着光程差的增加,光源谱宽范围内的每条谱线各自形成的干涉条纹之间互有偏移,叠加的整体效果使条纹对比度下降。测量精度高,可以实现测量,采用白光干涉原理的测量系统的抗干扰能力强,动态范围大,具有快速检测和结构紧凑等优点。普通的激光干涉与白光干涉之间虽然有差别,但也有许多相似之处。可以说,白光干涉实际上就是将白光看作一系列理想的单色光在时域上的相干叠加,在频域上观察到的就是不同波长对应的干涉光强变化曲线。高精度的白光干涉膜厚仪通常采用Michelson干涉仪的结构。测量膜厚仪厂家供应
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。苏州膜厚仪产品使用误区
与激光光源相比以白光的宽光谱光源由于具有短相干长度的特点使得两光束只有在光程差极小的情况下才能发生干涉因此不会产生干扰条纹。同时由于白光干涉产生的干涉条纹具有明显的零光程差位置避免了干涉级次不确定的问题。本文以白光干涉原理为理论基础对单层透明薄膜厚度测量尤其对厚度小于光源相干长度的薄膜厚度测量进行了研究。首先从白光干涉测量薄膜厚度的原理出发、分别详细阐述了白光干涉原理和薄膜测厚原理。接着在金相显微镜的基础上构建了垂直型白光扫描系统作为实验中测试薄膜厚度的仪器并利用白光干涉原理对的位移量进行了标定。苏州膜厚仪产品使用误区