测量薄膜厚度及其折射率的方法

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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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。
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【1】 。
❖ 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【2】。
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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。
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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
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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,
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【3】 ，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。
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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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）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，
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。
则待d测0椭=膜2圆厚84偏超nm振过)法一，存个在在周一一期个个，膜膜膜厚厚厚周周有期期多内d个，0(不椭如确偏70定法°值测入。量射虽膜角然厚，可有S采确iO用值2 膜多。，入若 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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（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

在(2)和(3)式中，k为波数，m为膜数，Nm为m阶导模的有效
折射率，θ，ε，Np分别为耦合角、棱镜角和棱镜折射率。若测得
两个以上模式的耦合角，便可求出d 和nf。棱镜-薄膜-衬底就组成
一个单侧漏波导，
亦称为准波导，
准波导法名称
由此而来。
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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。
角、系统的调整状态，光学元件质量、环境噪声、百度文库品表面状态、
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
是薄数当膜斜薄厚率膜度 较较 大折小 区射和 域率薄 时与膜 ，基厚用底度椭折及偏射折仪率射同相时率接测范近得围(如薄位玻膜于璃的(n基f厚，底度d表)和～面折(Sψ射i，O2率△薄与)膜函实)，
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。