[實用新型]一種位相增強型薄膜厚度測量系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201520084479.1
• 申請日: 2015-02-06
• 公開（公告）號: CN204612666U
• 公開（公告）日: 2015-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁志華;沈毅;陳志彥;趙晨;鮑文;李鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06;G02B27/28
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及光學相干測量領(lǐng)域，具體涉及一種位相增強型薄膜厚度測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

薄膜技術(shù)在現(xiàn)代科學技術(shù)中的重要性與日劇增。近幾十年來，各種光電器件、生物傳感技術(shù)、激光器件、微電子器件、液晶顯示以及集成光學等技術(shù)都在很大程度上依賴著薄膜技術(shù)的發(fā)展。而隨著光學薄膜設(shè)計和薄膜技術(shù)的不斷發(fā)展，在制備高性能的光學薄膜元件時需要精確測定光學薄膜的幾個主要光學參數(shù)，包括：折射率、膜層厚度、透射比、反射比和吸收比等。其中薄膜的物理厚度是薄膜的最基本參數(shù)之一，其會影響整個光學元件的最終性能，因而如何完善現(xiàn)有的薄膜厚度檢測技術(shù)，實現(xiàn)快速精確地測量具有十分重要意義。

目前薄膜厚度的測量方法主要可按非光學方法和光學方法進行劃分。非光學方法主要分為探針掃描法，掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡等。

探針掃描法，該方法也稱作輪廓法，其通過利用微小的機械探針(一般只有幾個微米)接觸待測薄膜的表面來測量薄膜的厚度。該方法存在以下幾個不足：需要制備用于測試時使用的薄膜厚度臺階，另外該方法的精度受限于所用探針的大小，且在測s試薄膜表面輪廓時將會有積分平滑的效應(yīng)，類似于數(shù)學上的低通濾波，因此對高頻率薄膜的粗糙度以及薄膜臺階制備不理想的樣品，無法得到良好的測試效果。最重要的是該方法對薄膜的表面一般可能帶來無法預(yù)知的損傷。

掃描電子顯微鏡能夠用于檢測薄膜的厚度，該方法利用聚焦的非常細的電子束作為電子探針，在被測薄膜表面做光柵形式的掃描，并通過探測器探測被測薄膜表面由入射電子所激發(fā)的二次電子，然后經(jīng)過放大和數(shù)據(jù)處理后，能夠得到一副高放大倍數(shù)的掃描電子圖像。由于被測薄膜的表面分布與二次電子的強度及分布有關(guān)，因此該掃描電子圖像能夠直觀的反映被測薄膜表面的粗糙度分布情況，并且該方法的橫向和縱向分辨率能夠達到納米級。雖然該方法有如上所說的優(yōu)點，但是由于掃描電子顯微鏡只是利用立體觀察?技術(shù)和立體分析技術(shù)來間接獲得具有深度效果的圖像，因此只能用于定性觀察被測薄膜表面的形貌，并且掃描電子顯微鏡適用的樣品其表面需要導電，因此對非導體薄膜進行測量時，需要在原薄膜的表面鍍金屬膜，破壞了薄膜表面的原始形貌，引入了測量誤差。

原子力顯微鏡也可以應(yīng)用于薄膜厚度的測量，該方法能夠通過利用探針與薄膜原子間相互作用力獲得薄膜表面形貌。通常原子力顯微鏡的探針被放置于微懸臂上，利用光學杠桿原理測出微懸臂在探針與薄膜原子的相互作用力下的形變，從而測得薄膜表面的形貌。與掃描電子顯微鏡相比，原子力顯微鏡測量的樣品表面不需要導電，并且其橫向分辨率和縱向分辨率能夠達到0.1nm和0.01nm，能夠直觀的觀察分子或者原子。雖然該方法具有上述所說的優(yōu)點，但是該方法的橫向和縱向掃描范圍一般只有微米量級，并且利用光學杠桿原理來測量微懸臂的形變，容易受到光電噪聲、振動等因素影響。

利用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡進行薄膜厚度的測量，也可能對薄膜的表面帶來未知的損傷。因而對于薄膜的厚度測量更適合選用光學方法。目前用于薄膜厚度測量的光學方法主要有光譜法、橢圓偏振法和光學薄膜位相方法。

光譜法以光的干涉原理為基礎(chǔ)，根據(jù)薄膜―基底―薄膜界面上光束的透射(或者反射)將會引起雙光束或者多光束干涉，因此不同厚度的薄膜將有著不同的光譜反射率(或透射率)。因此能夠通過檢測薄膜的光譜特性來反演推導出薄膜的厚度。目前薄膜的透射率和反射率主要采用光柵測試分析系統(tǒng)進行測試。并且根據(jù)不同測量要求，包括：單層薄膜、多層薄膜、是否考慮薄膜的吸收、如何選擇合理的色散模型、光譜中是否存在多個極值等，光譜法又可以細分為極值法、包絡(luò)線法以及全光譜擬合方法等。光譜法需要通過選擇合適的優(yōu)化方法或者使用多種方法聯(lián)立，才能夠?qū)崿F(xiàn)較為高精度的薄膜厚度測量。另外，該方法還要求膜層較厚以產(chǎn)生一定的干涉振蕩，且只能用于測量弱吸收膜。