国内膜厚仪常用解决方案

 基于白光干涉光谱单峰值波长移动的锗膜厚度测量方案研究：在对比研究目前常用的白光干涉测量方案的基础上，我们发现当两干涉光束的光程差非常小导致其干涉光谱只有一个干涉峰时，常用的基于两相邻干涉峰间距的解调方案不再适用。为此，我们提出了适用于极小光程差并基于干涉光谱单峰值波长移动的测量方案。干涉光谱的峰值波长会随着光程差的增大出现周期性的红移和蓝移，当光程差在较小范围内变化时，峰值波长的移动与光程差成正比。根据这一原理，搭建了光纤白光干涉温度传感系统对这一测量解调方案进行验证，得到了光纤端面半导体锗薄膜的厚度。实验结果显示锗膜的厚度为，与台阶仪测量结果存在，这是因为薄膜表面本身并不光滑，台阶仪的测量结果只能作为参考值。锗膜厚度测量误差主要来自光源的波长漂移和温度控制误差。可以配合不同的软件进行分析和数据处理，例如建立数据库、统计数据等；国内膜厚仪常用解决方案

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。薄膜干涉膜厚仪测量仪标准样品的选择和使用对于保持仪器准确度至关重要。

自上世纪60年代起，利用X及β射线、近红外光源开发的在线薄膜测厚系统广泛应用于西方先进国家的工业生产线中。到20世纪70年代后，为满足日益增长的质检需求，电涡流、电磁电容、超声波、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取得巨大突破，以椭圆偏振法和光度法为展示的光学检测技术以高精度、低成本、轻便环保、高速稳固为研发方向不断迭代更新，迅速占领日用电器及工业生产市场，并发展出依据用户需求个性化定制产品的能力。其中，对于市场份额占比较大的微米级薄膜，除要求测量系统不仅具有百纳米级的测量准确度及分辨力以外，还要求测量系统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。

对同一靶丸相同位置进行白光垂直扫描干涉 ，图4-3是靶丸的垂直扫描干涉示意图，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的移动，从而测量到光线穿过靶丸后反射到参考镜与到达基底直接反射回参考镜的光线之间的光程差，显然，当一束平行光穿过靶丸后，偏离靶丸中心越远的光线，测量到的有效壁厚越大，其光程差也越大，但这并不表示靶丸壳层的厚度，当垂直穿过靶丸中心的光线测得的光程差才对应靶丸的上、下壳层的厚度。白光干涉膜厚测量技术可以应用于电子工业中的薄膜电阻率测量；

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． 白光干涉膜厚测量技术可以在不同环境下进行测量。薄膜干涉膜厚仪测量仪

这种膜厚仪可以测量大气压下，1nm到1mm范围内的薄膜厚度。国内膜厚仪常用解决方案

折射率分别为1．45和1．62的2块玻璃板，使其一端相接触，形成67的尖劈．将波长为550nm的单色光垂直投射在劈上，并在上方观察劈的干涉条纹，试求条纹间距。

我们可以分2种可能的情况来讨论：

一般玻璃的厚度可估计为1mm的量级，这个量级相对于光的波长550nm而言，应该算是膜厚e远远大于波长^的厚玻璃了，所以光线通过上玻璃板时应该无干涉现象，同理光线通过下玻璃板时也无干涉现象．空气膜厚度因劈角很小而很薄，与波长可比拟，所以光线通过空气膜应该有干涉现象，在空气膜的下表面处有一半波损失，故光程差应该为2n₂e+λ/2．

(2)假设玻璃板厚度的量级与可见光波长量级可比拟，当单色光垂直投射在劈尖上时，上玻璃板能满足形成薄膜干涉的条件，其光程差为2n2e+λ/2，下玻璃板也能满足形成薄膜于涉的条件，光程差为2n₁h+λ／2，但由于玻璃板膜厚均匀，h不变，人射角i=俨也不变，故玻璃板形成的薄膜干涉为等倾又等厚干涉条纹，要么玻璃板全亮，要么全暗，它不会影响空气劈尖干涉条纹的位置和条纹间距。空气劈尖干涉光程差仍为2n2e+λ/2，但玻璃板会影响劈尖干涉条纹的亮度对比度． 国内膜厚仪常用解决方案