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1、第卷第期光学学报,年月,一一一文章编号基于白光干涉的光学薄膜物理厚度测量方法薛晖沈伟东顾培夫罗震岳刘旭章岳光浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州。。,主要包括迈克耳孙白光干涉系统和光纤光谱仪。摘要设计了一套利用白光干涉理论测量薄膜厚度的系统对干涉信号进行频域分析,结合拟合测试与理论能量曲线的方法并选择合适的目标函数,进一步精确反演得到待测薄膜样品的物理厚度,使用上述方法对多组不同厚度的薄膜样品进行计算,并对结果进行了详细的精度及误差分析。将本实验装置测试所得到的数据与传统的光度法相,比较结果表明使用该测试方法测量光学薄膜物理厚度的误差可。,、,以小于与传统的光度法和椭偏法相比
2、提供了一种测量光学薄膜厚度的较为简单快速的解决方案向时保证了较高的精度。关键词白光干涉测量薄膜物理厚度等效厚度频域分析中图分类号文献标识码一犷、祝。,。,,份,,‘‘,。陀,,乙艺万万厂,乙丈之王介。孟乞旬乞乞乞亡,二乞口么,一,一一刀,,引言层较厚以产生一定的干涉振荡并且只能测量弱吸收,随着信息产业的发展,光学薄膜的需求不断增膜椭偏仪测量具有灵敏度高的优点但是受界面层,。〔大,对器件特性的要求也越来越高。物理厚度是薄等因素的影响需要复杂的数学模型来求解厚度,,上述这些方法已经成功而广泛地应用在各个领域膜最基本的参数之一它会影响整个器件的最终性,因然而随着近年来微光机电系统等微加工技
3、术的发能此快速而精确地测量薄膜厚度具有重要的意,。,义一月台阶仪是常用的厚度测试方法曰然而它展经常需要在高低起伏的基板上,,沉积薄膜因此用测量表面轮廓的白光干需要在样品上制作台阶同时测试中机械探针与样品,,涉仪来进行薄膜厚度测试的方法引起了人们的关接触会对一些软膜的表面造成损伤因而非破坏。的光学手段是更为理想的方法。传统的测量薄膜物注报道了偏振分束的双光路干涉系统测,理厚度的光学方法主要有光度法和椭偏法两种。其量薄膜厚度闭而则通过拟合迈克耳孙干涉仪测试得到的薄膜反射位相来确定厚度田。中光度法是通过拟合分光光度计测得的透反射率,,本文提出了一种基于频域白光干涉理论利用曲线来得到光学薄膜
4、厚度的一种方法但它要求膜一一一一收稿日期收到修改稿日期,。基金项目国家自然科学基金资助课题,,,。作者简介薛晖一男博士研究生主要从事光学薄膜方面的研究,,,。一导师简介顾培夫一男教授主要从事光学薄膜方面的研究对学报卷迈克耳孙白光干涉系统和光纤光谱仪测量光学薄膜好的干涉条纹。这种由于光束叠加造成谱密度的周物理厚度的方法。在实际测量过程中,对于非平衡期性变化称为空间频域相干,以有别于经典的空间的迈克耳孙白光干涉系统,引入了等效厚度爪参时域相干。这种现象的原因主要是由于光纤光谱仪。,,量光谱仪测量的干涉强度信号中包含了空气光中光栅的分光作用会产生窄带光谱也就是说频域、「,吕一’‘。】程差分
5、束镜等效厚度天和薄膜反射位相信息干涉将宽带光场转变为窄带光场测量光路因此将理论光谱值拟合测量值,就可,以获得薄膜的中采用光纤光谱仪做接收器这样既可以利用到白厚度。采用这种方法测试了采用电子束蒸发得到的光干涉的精度,同时还可以获得比较大的量程。一组不同厚度的薄膜,同传统光度法的测试实验装置为图所示的迈克耳孙干涉系统,包,,,,结果比较两者之间偏差小于而月无论是测量括白光光源一般为卤钨灯准直透镜。的分还是后继数据处理都要快得多。光棱镜材料为,两组微位移器分别与干涉系统的两臂连接和光纤光谱仪。选用的是。。,测量原理及实验装置的。型光纤光谱仪其工作范围为,,、从传统的相干理论来看使用白光作为
6、光源的一采用线对闪耀波长为,。’“,。仁干涉仪相干长度非常短一般只有几微米但当距的光栅作为色散器件,离增大时仍然可以在光纤光谱仪上测得对比度很图实验装置图,迈克耳孙干涉系统的其中一端放置待测薄膜样品一光源发出的光线经由准直透镜准直后人式中表示光路在两臂间空气中传播的光程差,。,、,,射到分光棱镜中光线经由分光棱镜分成两表示分光棱镜的等效厚度表示其折射率活束,一束入射至参考镜,另一束人射至待测样品。参表示由薄膜内部多次反射引起的非线性相位。其中考镜镀铝膜,其相位可忽略不计。两束光线经过反式又可以表示为,射再次通过分光棱镜后发生干涉最后藕合进入一几巨甲久」一。光纤并被。。。光纤光谱仪接收
7、在实际的、,“一〔‘、〕,奋非平衡迈克耳孙干涉系统中由于制作工艺等原因·,,“‘,一巨一‘‘“,口,会造成分光棱镜的非对称从而导致分光棱镜两侧告的几何厚度不一致。为此,将非对称的分光棱镜等,式中肋和,肋分别表示背景光谱与干涉包络效替换成理想的对称的分光棱镜和一块相同材料的。可以通过傅里叶变换及反变换求得甲肋表示干涉厚度为的平板。对于具有高斯函数响应特性的系统两臂间的相位差,可用公式表示为,光纤光谱仪其具体接收到的干涉信号可以表示为兀。州卜,一,、‘、,“,
