测量薄膜厚度及其折射率的方法PPT

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总结


上述介绍的五种测量薄膜厚度和折射率的光学方法都 存在一定的测量精度、测量范围和局限性，且有一定的互 补性。此外，还有分光光度法、光电极值法和比色法等光 学方法以及表面台阶仪法、称重法、石英振荡法和x光散 射法等非 光学方法都可以测量不同种类和范围的透明或 非透明薄膜的厚度或折射率，因此，应根据待测薄膜的类 型、性质、膜厚及折射率变化范围和所测量参数的精度要 求及测量时间，合理选择测量方法和仪器。 为了确保所测参数的准确度，最好采用两种或两种以 上方法对同一样品进行辅助测量或相互验证，并根据条件 和财力，选择适用的测试方法和仪器 ，以期达到我们所 要求的满意结果。
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式中，d为薄膜厚度，ns为衬底的折射率，α为薄膜的吸收系 数。在弱吸收区域，将上式中两方程取倒数分别相减可得：

因此，可解得： 其中 当衬底玻璃的折射率ns为已知时，由此便可求得薄膜的折射 率n了。假如波长λ1、λ2处的折射率是相邻的两个最高峰，并且在 这两个波长处的折射率n(λ1)和n(λ2)已经求得，代入方程，可同时 求得薄膜的厚度： 我们在进行数据处理时，把TM和Tm视为波长λ的连续函数， 也就是透过率曲线上极大值和极小值的包络线，根据这两条曲线 就可以得到和透过光谱波峰和波谷对应的波长处的最大透过率TM 和最小透过率Tm，再根据式子便可求得n和d了，对所有的d值求 平均便可得到薄膜样品的厚度。
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椭偏法具有很高的测量灵敏度和精度。ψ和△的重复性精度 已分别达到±0.01°和±0.02°，厚度和折射率的重复性精度可 分别达到0.1nm和10-4,且入射角可在30°～90°内连续调节，以 适应不同样品；测量时间达到ms量级，已用于薄膜生长过程的厚 度和折射率监控。但是，由于影响测量准确度因素很多，如入射 角、系统的调整状态，光学元件质量、环境噪声、样品表面状态、 实际待测薄膜与数学模型的差异等都会影响测量的准确度。特别 是当薄膜折射率与基底折射率相接近(如玻璃基底表面SiO2薄膜)， 薄膜厚度较小和薄膜厚度及折射率范围位于(nf，d)～(ψ，△)函 数斜率较大区域时，用椭偏仪同时测得薄膜的厚度和折射率与实 际情况有较大的偏差。因此，即使对于同一种样品、不同厚度和 折射率范围，不同的入射角和波长都存在不同的测量精确度。 椭圆偏振法存在一个膜厚周期d0(如70°入射角， SiO2 膜， 则d0=284nm)，在一个膜厚周期内，椭偏法测量膜厚有确值。若 待测膜厚超过一个周期，膜厚有多个不确定值。虽然可采用多入 射角或多波长法确定周期数，但实现起来比较困难。实际上可采 用其它方法，如干涉法、光度法或台阶仪等配合完成周期数的确 定。
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干涉法主要分双光束干涉和多光束干涉，后者又有多光束 等厚干涉和等色序干涉。双光束干涉仪主‘要由迈克尔逊干涉 和显微系统组成，其干涉条纹按正弦规律变化，测量精度不高， 仅为λ/10～λ/ 20，典型产品有上海光学仪器厂的6JA型干涉显 微镜，其光路如图3所示。 为了提高条纹错位量的判读精度，多光束干涉仪采用了一 个F-P干涉器装置与显微系统结合，形成多光束等厚干涉条纹， 其测量精度达到λ／100～λ／1000。分为反射式和透射式两种 结构，如图4(a)和4(b)所示。等色序干涉仪也有类似两种结构 形式。 干涉法不但可以测量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜， 而且适用于双折射薄膜。一般来说，不能同时确定薄膜的厚度 和折射率，只能用其它方法测得其中一个量，用干涉法求另一 个量。有人对干涉法进行改进 ，使其能同时测定厚度和折射 率，但不容易实现。另外，确定干涉条纹的错位条纹数q比较 困难，对低反射率的薄膜所形成的干涉条对比度低，会带来测 量误差，而且薄膜要有台阶，测量过程调节复杂，容易磨损薄 膜表面等，这些都对测量带来不便。
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采用同样的方法可测得溶剂的折射率n’s ，于是聚合物薄膜的 折射率可由下式求得。
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其中，Ф1、Ф2 分别称为溶剂和溶液的体积分数，不依赖 于波长，并有Ф1 +Ф2 =1，需要首先确定，Fs、Fs’、F是 lorentz-lorenz局域场函数，分别由下式确定

首先采用波导耦合法测定薄膜在某一给定波长下的折射率n， 再将其代入公式，便可求得 Ф1与Ф2的值。一旦Ф1 、Ф2已知， 变换波源，利用公式就可以测量并计算出其他波长下薄膜的折 射率了。
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二、几种测量薄膜厚度及其折射率的方法


（一）椭圆偏振法(椭偏法)
椭圆偏振法是利用一束入射光照射样品表面，通过检测和分 析入射光和反射光偏振状态，从而获得薄膜厚度及其折射率的非 接触测量方法。 根据椭偏方程： 若ns ，na，θ和λ已知，只要测得样品的ψ和△，就可求得薄 膜厚度d和折射率nf 。测量样品ψ和△的方法主要有消光法和光度 法。光路的形式有反射式和透射式，入射面在垂直面和水平面内 两种结构。图1(a)是反射式消光法的一种典型结构；图1(b)是反 射式光度法的一种典型结构。
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棱镜耦合测量仪的光路如图2所示。棱镜耦合法的测量 精度与转盘的转角分辨率、所用棱镜折射率、薄膜的厚度和 折射率范围及基底的性质等因素有关，折射率和厚度测量精 度分别可达到±10-3和(±0.5％ +5 nm )，实际精度还会高 些。 棱镜耦合法存在测量薄膜厚度的下限。测量光需在膜层 内形成两个或两个以上波导模，膜厚一般应大于300480nm(如硅基底)；若膜折射率已知，需形成一个波导模， 膜厚应大于100～200nm；测量范围依赖于待测薄膜和基底 的性质，与所选用的棱镜折射率有关。但测量的薄膜厚度没 有周期性，是真实厚度。膜厚测量范围在0.3～15 um，折 射率测量范围小于2.6，某些情况可达2.8。 待测薄膜表面应平整和干净，测量时间约20秒以上，不 适合于实时测量。棱镜耦合法不但可以测量块状样品和单层 膜样品，而且可以测量双层膜和双折射膜的厚度和折射率。 在有机材料、聚合物和光学波导器件等领域中有广泛应用。
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三、比较几种方法的优缺点
方法 椭圆偏振法 (椭偏法) 优点
测量精度高，对样品无破坏性，特别适 合于较薄膜层光学参数的测量。
缺点
该方法仅适合于各向同性介质的测量。另外，利 用该方法对实验数据进行处理时计算冗长，对样 品的表面平整度也有较高要求。 此法要求样品的折射率必须大于衬底的折射率， 这使得一些折射率低的样品不能采用该方法测量。
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参考文献



【1】孙香冰、任诠、杨洪亮等，测量薄膜折射率的几种方法。 【2，4】黄佐华、何振江，测量薄膜厚度及其折射率的光学方 法，2003-01-08。 【3】沈朝晖，王晶，马廷钧。用迈克尔逊干涉仪测量单层膜 的厚度和折射率。大学物理实验。1994，7(1)：1-3
V-棱镜法
并非直接对薄膜进行测量，而是辅以准 波导法对复合材料溶液进行测量。该方 法原理简单，操作易行，数据处理也不 复杂 仅仅利用了样品的透过率曲线谱，实验 过程比较简单，计算过程可以通过计算 机编程来实现，也比较简单、快速和准 确
透射谱线法
对样品的质量要求比较高，薄膜必须均匀且表面 平行
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（五）透射谱线法
透射谱线法是利用样品的透过率曲线谱测定薄膜光学常数的 一种方法。图为光通过薄膜材料的示意图，当薄膜的折射率大于 衬底折射率时,平行光经过折射率为n的薄膜之后发生干涉，在光 强极值处有： 其中m为整数时为光强极大，半整数时为光强极小。薄膜透 过率曲线如图所示。干涉条纹的极大值和极小值的透过率TM和Tm 分别为： 其中：
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谢谢！
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（三）干涉法
干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄 膜厚度和折射率的。根据光干涉条纹方程， 对于不透明膜： 对于透明膜： 在(4)和(5)式中，q为条纹错位条纹数，c为条纹错位量，e为 条纹间隔。因此，若测得q，c，e就可求出薄膜厚度d 或折射率nf。
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（四）V-棱镜法

V-棱镜法是近年来测量薄膜折射率的又一种简便易行的方法, 它需要辅以准波导法才能测量并计算出薄膜的折射率。其基本实 验装置如图所示。 V-棱镜中所装为复合材料的溶液，由于其折射率ns 不同于V棱镜的折射率np，折射光将以角度θ偏离入射光方向。θ可由角度 计测量得到，给定波长下的ns 值可由Snell’s law 确定，
薄膜厚度及其折射率的测量 方法
黄丽琳
2010级物理学（1）班
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一、引言


近年来,非线性光学聚合物薄膜及器件的研究已成为非线 性光学材料领域的研究热点。非线性光学聚合物薄膜具有多种 优点，如快速响应、大的电光系数、高的激光损伤阈值、小的 介电常数、简单的结构、低损耗和微电子处理的兼容性等，因 此正逐渐成为制造电光调解器和电光开关的重要材料 。 薄膜技术是当前材料科技的研究热点，特别是纳米级薄膜 技术的迅速发展,精确测量薄膜厚度及其折射率等光学参数受到 人们的高度重视。由于薄膜和基底材料的性质和形态不同，如 何选择符合测量要求的测量方法和仪器，是一个值得认真考虑 的问题。每一种测量方法和仪器都有各自的使用要求、测量范 围、精确度、特点及局限性。在此主要介绍测量薄膜厚度和折 射率常用的几种方法，并分析它们的特点及存在问题，指出选 择测量方法和仪器应注意的问题 。

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（二） 棱镜耦合法（准波导法）
棱镜耦合法是通过在薄膜样品表面放置一块耦合棱镜，将入 射光导入被测薄膜，检测和分析不同入射角的反射光，确定波导 膜耦合角，从而求得薄膜厚度和折射率的一种接触测量方法。波 导模式特征方程为