幾種常用光學(xué)方法測(cè)量薄膜厚度設(shè)計(jì)

蘇寶璽，楊文琴，吳榮琴

(福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院，福建泉州 362332)

幾種常用光學(xué)方法測(cè)量薄膜厚度設(shè)計(jì)

蘇寶璽，楊文琴，吳榮琴

(福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院，福建泉州 362332)

隨著科技的進(jìn)步和精密儀器的應(yīng)用，薄膜厚度的測(cè)量方法層出不窮，準(zhǔn)確測(cè)量薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)在薄膜的制備和應(yīng)用中起著關(guān)鍵的作用，直接關(guān)系到該薄膜材料能否正常工作。本文通過對(duì)薄膜的光學(xué)測(cè)量方法進(jìn)行歸類，列舉其中一些測(cè)量方法在教學(xué)中的應(yīng)用。

薄膜厚度；光學(xué)測(cè)量方法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

薄膜厚度的測(cè)量方法有很多，常見的光學(xué)方法有等厚等傾干涉法、極值法、原子吸收光譜法、橢圓偏振法、白光干涉法等。筆者通過引用高校中常見的光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，如牛頓環(huán)、邁克爾遜干涉儀、橢偏儀、光纖光譜儀(AvaSpec)等，來歸納介紹幾種測(cè)厚常見的光學(xué)方法。

1 利用牛頓環(huán)干涉條紋測(cè)定薄膜厚度[1]

將兩塊光學(xué)平玻璃疊合在一起，并在其中一端墊入待測(cè)的薄片，則在兩塊玻璃片之間形成一空氣劈尖。當(dāng)用單色光垂直照射時(shí)，和牛頓環(huán)一樣，在空氣劈尖上、下兩表面反射的兩束相干光發(fā)生干涉，其干涉條紋是一簇間距相等，寬度相等切平行于兩玻璃片交線(即劈尖的棱)的明暗相間的平行條紋(圖1)。

圖1 空氣劈尖干涉

(1)

其中，L為兩玻璃片交線與所測(cè)薄片邊緣的距離(劈尖的有效長度)，Ln為n個(gè)條紋間的距離，它們可由讀數(shù)顯微鏡測(cè)出。

2 邁克爾遜干涉儀測(cè)量薄膜厚度[2-3]

邁克爾遜干涉儀是一種較為精密的測(cè)量儀器，可以測(cè)量氣體、固體的折射率。同時(shí)，用邁克遜干涉儀也可以測(cè)量薄膜厚度，其測(cè)量原理、方法簡單。

圖2 白光測(cè)厚

圖3 等光程位置

2.1 實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)步驟

先用He-Ne激光器調(diào)節(jié)出明暗相間的干涉圓環(huán)，再改用白光照射，由于白光是復(fù)色光，而明暗紋位置又與波長有關(guān)。因此，只有在d=0的對(duì)應(yīng)位置上，各種波長的光到達(dá)屏上時(shí)，光程差均為0，形成零級(jí)暗紋。在零級(jí)暗紋附近有幾條彩色直條紋。稍遠(yuǎn)處，由于不同波長、不同級(jí)次的明暗紋相互重疊，便看不清干涉條紋了。如圖2所示，由于白光等厚干涉條紋能準(zhǔn)確地確定等光程位置，可以用來測(cè)定透明薄片的厚度。當(dāng)視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)彩色直條紋后，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪，使零級(jí)暗紋移到視場(chǎng)中央。然后在活動(dòng)鏡與分光板之間插入待測(cè)薄片，此時(shí)由于光程差變化，彩色條紋消失。再轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪，使活動(dòng)鏡向分光板方向移近，當(dāng)彩色條紋重新出現(xiàn)并移到視場(chǎng)中央時(shí)，活動(dòng)鏡的移動(dòng)正好抵消了光程差的變化。根據(jù)以上分析可以推出薄片厚度的測(cè)量公式為

(2)

2.2 等光程位置的確定

當(dāng)M2與M1′不完全平行時(shí)，M2和M1′之間形成楔形空氣膜，一般情況下屏上將呈現(xiàn)弧形等厚干涉條紋。若改變活動(dòng)鏡位置，使M2和M1′的間距d=0，此時(shí)由M2和M1′反射到屏上的兩束相干光光程差為零，屏上呈現(xiàn)直線形明暗條紋如圖3所示。這時(shí)活動(dòng)鏡的位置稱為等光程位置。

3 橢偏法測(cè)量薄膜厚度

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

橢圓偏振測(cè)量(橢偏術(shù))是研究光在兩媒質(zhì)界面發(fā)生的現(xiàn)象及介質(zhì)特性的一種光學(xué)方法，其原理是利用偏振光在界面反射或透射時(shí)發(fā)生的偏振態(tài)的改變。橢圓偏振測(cè)量的應(yīng)用范圍很廣，如研究半導(dǎo)體、光學(xué)掩膜、圓晶、金屬、介電薄膜、玻璃(或鍍膜)、激光反射鏡、大面積光學(xué)膜、有機(jī)薄膜等光學(xué)性質(zhì)，也可用于介電、非晶半導(dǎo)體、聚合物薄膜、用于薄膜生長過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等測(cè)量。結(jié)合計(jì)算機(jī)后，具有可手動(dòng)改變?nèi)肷浣嵌?、?shí)時(shí)測(cè)量、快速數(shù)據(jù)獲取等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 等幅橢圓偏振光的獲得

圖4 實(shí)驗(yàn)原理圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

將氧化鋯放在載物臺(tái)的中央，望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過40°，并使反射光在目鏡上形成一亮點(diǎn)。為了盡量減少系統(tǒng)誤差，采用四點(diǎn)測(cè)量。先置1/4波片快軸于+45°，仔細(xì)調(diào)節(jié)檢偏器A和起偏器P，使目鏡內(nèi)的亮點(diǎn)最暗(或檢流計(jì)值最小)，記下A值和P值，這樣可以測(cè)得兩組消光位置數(shù)值。其中A值分別大于90°和小于90°，分別定為A1(>90°)和A2(<90°)，所對(duì)應(yīng)的P值為P1和P2。然后將1/4波片快軸轉(zhuǎn)到-45°，也可找到兩組消光位置數(shù)值，A值分別記為A3(>90°)和A4(<90°)，所對(duì)應(yīng)的P值為P3和P4。

分別將兩個(gè)樣品的4組數(shù)據(jù)輸入橢偏儀數(shù)據(jù)處理程序，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室橢偏儀測(cè)量氧化鋯數(shù)據(jù)

4 利用白光干涉測(cè)量薄膜厚度[5-6]

4.1 利用白光干涉測(cè)量薄膜厚度的實(shí)驗(yàn)儀器

光纖光譜儀、Y型反射式光纖、氘-鹵鎢燈、探測(cè)光纖支架、薄膜測(cè)試片。

圖5 AvaSpec膜厚測(cè)量系統(tǒng)

圖6 測(cè)量實(shí)物圖

4.2 實(shí)驗(yàn)介紹

AvaSpec薄膜測(cè)量系統(tǒng)是基于白光干涉的原理來確定光學(xué)薄膜的厚度，可以測(cè)量的膜層厚度為10nm～50um，分辨率為1nm。在半導(dǎo)體晶片生長過程中經(jīng)常用到薄膜測(cè)量，其它應(yīng)用如在金屬和玻璃材料基底下鍍透明光學(xué)薄膜也需要測(cè)量薄膜厚度。配套的AvaSoft-ThinFilm應(yīng)用軟件包括豐富的各種常用材料和膜層的n值和k值，可以實(shí)現(xiàn)膜層厚度的在線監(jiān)控，并可以輸出到Excel文件進(jìn)行過程監(jiān)控，典型布局如圖5所示。對(duì)于單層膜來說，如果已知薄膜介質(zhì)的n和k值就可以計(jì)算出它的物理厚度。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)測(cè)量BK7基底上MgF2增透膜的厚度：測(cè)得薄膜厚為99.0nm；(2)測(cè)量偏振片塑料保護(hù)膜的厚度：測(cè)得薄膜厚為37.9497 um。

圖7 MgF2增透膜

圖8 偏振片塑料保護(hù)膜

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

表2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

6 結(jié)語

不同的膜厚測(cè)量方法各有其特點(diǎn)，每個(gè)方法都存在一定的測(cè)量精度、測(cè)量范圍和應(yīng)用范圍，也具有一定的互補(bǔ)作用。因此，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)待測(cè)樣品的特性和測(cè)試要求，選擇合適的方法。

[1]楊淑敏,張偉,曹麗萍.利用牛頓環(huán)干涉條紋測(cè)定薄膜厚度[J].長春師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2011,30(4):46-49.

[2]鄭志遠(yuǎn),樊振軍,董愛國,等.邁克爾遜干涉測(cè)薄膜厚度[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2010,23(5):49-50.

[3]楊修文,石義杰,路素彥.邁克爾遜干涉儀測(cè)量薄膜的折射率與厚度[J].鄖陽師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2008,28(3):26-27.

[4]張志偉.微小型光纖光譜儀[J].光機(jī)電信息,2004(8):14-20.

Several Optical Measurement Methods Applied To Measure Film Thickness

SU Bao-xi, YANG Wen-qin, WU Rong-qin

(Minnan Science and Technology Institute，F(xiàn)ujian Normal University，Quanzhou Fujian 362332，China)

Due to the advantages of new technology and precise instruments, a variety of approaches to measure film thickness has been developed. And it’s vital to measure film thickness and optical constants precisely for the preparation and application of the film, which has direct effect on normal work of it. Classified by optical measurement method on the film, the application of some measurement method in teaching is illustrated.

film thickness；the optical measurement method；experiment teaching

2014-02-13

蘇寶璽(1983- )，男，福建南安人，福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，從事光學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理研究。

O431

A

2095-7602(2014)04-0029-04