几种常用光学方法测量薄膜厚度设计_苏宝玺

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1、第33卷第4期长春师范大学学报（自然科学版）2014年8月Vol.33No.4JournalofChangchunNormalUniversity(NaturalScience)Aug.2014几种常用光学方法测量薄膜厚度设计苏宝玺，杨文琴，吴荣琴(福建师范大学闽南科技学院，福建泉州362332)［摘要］随着科技的进步和精密仪器的应用，薄膜厚度的测量方法层出不穷，准确测量薄膜的厚度和光学常数在薄膜的制备和应用中起着关键的作用，直接关系到该薄膜材料能否正常工作。本文通过对薄膜的光学测量方法进行归类，列举其中一些测量方法在教学中的

2、应用。［关键词］薄膜厚度;光学测量方法;实验教学［中图分类号］O431［文献标识码］A［文章编号］2095－7602(2014)04－0029－04薄膜厚度的测量方法有很多，常见的光学方法有等厚等倾干涉法、极值法、原子吸收光谱法、椭圆偏振法、白光干涉法等。笔者通过引用高校中常见的光学实验教学仪器，如牛顿环、迈克尔逊干涉仪、椭偏仪、光纤光谱仪(AvaSpec)等，来归纳介绍几种测厚常见的光学方法。［1］1利用牛顿环干涉条纹测定薄膜厚度将两块光学平玻璃叠合在一起，并在其中一端垫入待测的薄片，则在两块玻璃片之间形成一空气劈尖。当用单

3、色光垂直照射时，和牛顿环一样，在空气劈尖上、下两表面反射的两束相干光发生干涉，其干涉条纹是一簇间距相等，宽度相等切平行于两玻璃片交线(即劈尖的棱)的明暗相间的平行条纹(图1)。图1空气劈尖干涉λ由于任意相邻的两条干涉条纹所对应的空气劈尖厚度差为。由此可推出，相隔n个条纹的两条干涉2λ条纹所对应的空气劈尖厚度差为Δen=n，再由几何相似性条件可得待测薄片厚度为2nλh=(2/Ln)L．(1)其中，L为两玻璃片交线与所测薄片边缘的距离(劈尖的有效长度)，Ln为n个条纹间的距离，它们可由读数显微镜测出。［2－3］2迈克尔逊干涉仪测量

4、薄膜厚度迈克尔逊干涉仪是一种较为精密的测量仪器，可以测量气体、固体的折射率。同时，用迈克逊干涉仪也可以测量薄膜厚度，其测量原理、方法简单。［收稿日期］2014－02－13［作者简介］苏宝玺(1983－)，男，福建南安人，福建师范大学闽南科技学院助理实验师，从事光学实验室管理研究。·29·图3等光程位置图2白光测厚2．1实验调节步骤先用He－Ne激光器调节出明暗相间的干涉圆环，再改用白光照射，由于白光是复色光，而明暗纹位置又与波长有关。因此，只有在d=0的对应位置上，各种波长的光到达屏上时，光程差均为0，形成零级暗纹。在零级暗纹

5、附近有几条彩色直条纹。稍远处，由于不同波长、不同级次的明暗纹相互重叠，便看不清干涉条纹了。如图2所示，由于白光等厚干涉条纹能准确地确定等光程位置，可以用来测定透明薄片的厚度。当视场内出现彩色直条纹后，继续转动微调手轮，使零级暗纹移到视场中央。然后在活动镜与分光板之间插入待测薄片，此时由于光程差变化，彩色条纹消失。再转动微调手轮，使活动镜向分光板方向移近，当彩色条纹重新出现并移到视场中央时，活动镜的移动正好抵消了光程差的变化。根据以上分析可以推出薄片厚度的测量公式为l'0－l0h=．(2)n－1n0其中n0=1．003，为空气的

6、折射率;n为薄片折射率(由实验室给出);l0、l'0分别为薄片插入前后等光程位置的初始读数和末读数。2．2等光程位置的确定当M2与M1'不完全平行时，M2和M1'之间形成楔形空气膜，一般情况下屏上将呈现弧形等厚干涉条纹。若改变活动镜位置，使M2和M1'的间距d=0，此时由M2和M1'反射到屏上的两束相干光光程差为零，屏上呈现直线形明暗条纹如图3所示。这时活动镜的位置称为等光程位置。3椭偏法测量薄膜厚度3．1实验原理椭圆偏振测量(椭偏术)是研究光在两媒质界面发生的现象及介质特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光在界面反射或透射时

7、发生的偏振态的改变。椭圆偏振测量的应用范围很广，如研究半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等光学性质，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。3．2等幅椭圆偏振光的获得图4实验原理图·30·3．3实验结果及数据分析将氧化锆放在载物台的中央，望远镜转过40°，并使反射光在目镜上形成一亮点。为了尽量减少系统误差，采用四点测量。先置1/4波片快轴于+45°，仔细调节检偏器A和起偏器

8、P，使目镜内的亮点最暗(或检流计值最小)，记下A值和P值，这样可以测得两组消光位置数值。其中A值分别大于90°和小于90°，分别定为A1(＞90°)和A2(＜90°)，所对应的P值为P1和P2。然后将1/4波片快轴转到－45°，也可找到两组消光位置数值，A值分别记为A3(＞9