用光的干涉法测量薄膜厚度
薄膜材料性能表征方法介绍
返回
二、扫描电子显微镜Scanning Electronic Microscope (SEM)
工作原理：由炽热的灯丝阴极发射出的电子在阳极电压的加 速下获得一定的能量。其后，加速后的电子将进 入由两组同轴磁场构成的透镜组，并被聚焦成直 径只有5nm左右的电子束。装臵在透镜下面的磁场 扫描线圈对这束电子施加了一个总在不断变化的 偏转力，从而使它按一定的规律扫描被观察的样 品表面的特定区域上。 优点：提供清晰直观的形貌图像，分辨率高，观察景深长， 可以采用不同的图像信息形式，可以给出定量或半定量 的表面成分分析结果等。 1、二次电子像 二次电子是入射电子从样品表层激发出来的能量 最低的一部分电子。二次电子低能量的特点表明，这 部分电子来自样品表面最外层的几层原子。用被光电 倍增管接收下来的二次电子信号来调制荧光屏的扫描 亮度。由于样品表面的起伏变化将造成二次电子发射 的数量及角度分布的变化，如图（c），因此，通过保持屏幕扫描与样品表面电子 束扫描的同步，即可使屏幕图像重现样品的表面形貌，而屏幕上图像的大小与实 际样品上的扫描面积大小之比即是扫描电子显微镜的放大倍数。
C60
七、原子力显微镜（AFM）
AFM的工作原理如图，将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有 一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间 存在极微弱的排斥力（10-8~10-6N），通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针 尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表 面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描 各点的位臵变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
返回
四、X射线衍射方法
特定波长的X射线束与晶体学平面发生相互作用时会发生X射线的衍射，衍射 现象发生的条件即是布拉格公式
光学实验中如何利用干涉原理测量薄膜厚度
光学实验中如何利用干涉原理测量薄膜厚度在光学实验中，测量薄膜厚度是一项常见且重要的任务。
利用干涉原理来实现这一测量具有高精度、非接触等优点。
接下来，让我们逐步了解这一精妙的测量方法。
干涉现象是光的波动性的一种重要表现。
当两束或多束光相遇时，它们会相互叠加，从而产生明暗相间的条纹，这就是干涉条纹。
而在测量薄膜厚度的实验中，我们常常利用的是等厚干涉原理。
等厚干涉中，一个典型的例子就是劈尖干涉。
想象一下，有一块平板玻璃，在其一端垫上一小薄片，这样就形成了一个劈尖状的空气薄层。
当一束平行光垂直入射到这个劈尖上时，在劈尖的上、下表面反射的两束光会发生干涉。
假设入射光的波长为λ，薄膜的折射率为 n。
在劈尖干涉中，相邻两条亮条纹（或暗条纹）之间对应的薄膜厚度差为λ/（2n）。
我们通过测量干涉条纹的间距以及已知的波长和薄膜折射率，就能够计算出薄膜的厚度。
为了更准确地测量薄膜厚度，实验中需要注意一些关键因素。
首先是光源的选择。
理想的光源应该具有单色性好、亮度高且稳定的特点。
常用的有激光光源，比如氦氖激光器发出的红光，其波长稳定且单色性极佳。
其次，实验装置的搭建要精确。
例如，要确保入射光垂直照射到薄膜表面，这样可以简化计算和提高测量精度。
同时，观测干涉条纹的设备也需要具备足够的分辨率，以便清晰地分辨出条纹的细节。
在实际操作中，我们可以使用显微镜来观察干涉条纹。
通过调节显微镜的焦距和位置，找到清晰的干涉条纹图像。
然后，使用测量工具（如目镜测微尺）来测量条纹的间距。
还有一种常见的干涉测量薄膜厚度的方法是牛顿环。
将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块平面玻璃上，在两者之间就会形成一个空气薄膜。
当平行光垂直入射时，同样会产生干涉现象，形成明暗相间的同心圆环，即牛顿环。
对于牛顿环，第 m 个暗环的半径 r 与凸透镜的曲率半径 R、入射光波长λ以及薄膜厚度 d 之间存在如下关系：r²＝mλR m(m 1/2)λ² ／ 2 。
实验2.12利用白光干涉测定薄膜厚度测量
随着信息产业的发展，光学薄膜的需求不断增大，对器件特性的要求也越来越高。物 理厚度是薄膜最基本的参数之一，它会影响整个器件的最终性能，因此快速而精确地测量薄 膜厚度具有重要的意义。台阶仪是常用的厚度测试方法，然而它需要在样品上制作台阶，并 且测试中机械探针与样品接触，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。
其中 a exp （- 4id / ）
此公式是在待测薄膜层的吸收较小的情况下推出的。r (n n0 ) /(n n0 ) ,如果精确计
算 ，n 应用 来代替。在吸收很小的情况下，其对计算结果的影响很小，并最后能得到方
程(2)，由于薄膜在吸收很小的区域，n、k 的变化不是很大，所以方程的极大和极小值出现 在
1、如图 3 所示，将 Y 型光纤一端标有光源的光纤与光纤光源连接。将标有光谱仪的一 端与光纤光谱仪连接。将探测端与薄膜测厚支架连接，并固定稳定。
图 3 实验原理图
2、软件安装后，按
可以开始测量。
3、保存参考光谱：取一块待测，未镀膜的光学基底，放置于光纤探测端下方，调整适
当的探测高度约 10mm，CCD 积分时间
如图 1 所示，在折射率为 n1 的基板上镀有复数折射率为 厚度为 d 的一层薄膜，放在
折射率为 n0 的空间。假定薄膜的复数折射率 n1 ik ，当一束光以幅度 A 从 n0 空间 垂直入射( 0 )到膜表面时(为便于分析，图中入射光有一定角度，实际测量中此角度一
般很小，对测量的影响可以忽略不 计)，由于多次反射，在膜上表面有一系列的反射光，它 们的幅 度分别为 A 、A 、A3⋯⋯
长的变化曲线就能够测量出来，这样可以根据每一波长计算出 k。 注意事项
用光的干涉法测量薄膜厚度
实验 用光的干涉法测量薄膜厚度在半导体平面工艺中，SiO 2薄膜的质量好坏对器件的成品率和性能影响很大，因此对SiO 2薄膜必须作必要的检查，厚度测量是SiO 2膜质量检查的重要内容之一。
SiO 2膜厚的测量有多种方法：如椭圆偏振仪测量，比色法估计等。
干涉法测SiO 2膜厚是生产中较普遍采用的测量方法，其优点是设备简单，操作方便，无需复杂的计算。
本实验目的是了解干涉显微镜的结构，熟悉测量膜厚的基本原理；掌握用干涉条纹法和弯曲度法测量不同样片膜厚的方法，并测出所给样品的膜厚。
一、实验原理干涉条纹的测量原理是：当用单色光垂直照射氧化层表面时，由于SiO 2是透明介质，所以入射光将分别在SiO 2表面和SiO 2-Si 界面处反射，如图28.1所示。
根据光的干涉原理，当两道相干光的光程差△为半波长的偶数倍，即当λλK K ==Δ22(K=0，1，2，3…)时，两道光的相位相同，互相加强，因而出现亮条纹。
当两道光的光距差△为半波长的奇数倍，即当2)12(λ+=ΔK 时，两道光的相位相反，因而互相减弱，出现暗条纹。
由于整个SiO 2台阶的厚度是连续变化的，因此，在SiO 2台阶上将出现明暗相间的干涉条纹。
图28.1 氧化层厚度测量原理示意图在图28.1中，光束S 2在SiO 2台阶上的反射光束用(1)表示，在SiO 2-Si 界面的反射光束用(2)表示。
根据光程的概念和小入射角的条件，光束(2)在SiO 2内走过的光程应近似为2nX 2，这里n 为SiO 2的折射率，X 2为入射照射处SiO 2厚度。
由图可见，光束(1)和光束(2)的光程差为2nX 2。
假如光束(1)和光束(2)产生的干涉条纹为亮条纹，则下列关系式成立λ2222k nX ==Δ ∴ nk X 222λ=又若光束S 2在SiO 2台阶表面的反射光束和在SiO 2界面处的反射光束产生一个与上述亮纹相邻的亮条纹。
则同样应有下式成立λ)1(2233+==ΔK nX ∴ nk X 2)1(23λ+=由此可知，两个相邻亮条纹之间的SiO 2层的厚度差为 nn k n k X X 222)1(2223λλλ=−+=− 同样，两个相邻暗条纹之间的SiO 2层的厚度差应为n2λ。
利用激光干涉仪测量薄膜厚度的实验方法
利用激光干涉仪测量薄膜厚度的实验方法激光干涉仪是一种常用的实验装置，广泛应用于薄膜厚度的测量。
通过利用激光的干涉原理，可以非常精确地测量薄膜的厚度。
本文将介绍利用激光干涉仪测量薄膜厚度的实验方法。
首先，让我们来了解一下激光干涉的基本原理。
激光干涉是指两束相干光在空间中叠加形成干涉条纹的现象。
当两束光的光程差等于波长的整数倍时，它们相互叠加时会发生干涉，形成明暗相间的干涉条纹。
而当两束光的光程差不够整数倍时，干涉条纹就会发生相移。
在利用激光干涉仪测量薄膜厚度时，我们需要借助薄膜产生的干涉条纹来判断其厚度。
为了实现这一目的，我们需要准备一台激光干涉仪，以及一块具有薄膜的样品。
首先，我们将样品放置在激光束的路径上。
激光束穿过样品后，经过反射和透射，形成两束光束。
这两束光束在干涉仪的分束器处再次叠加，形成干涉条纹。
通过观察干涉条纹的形态，我们可以得到样品表面的薄膜厚度信息。
干涉条纹的形态受到光程差的影响。
当样品表面的薄膜厚度发生变化时，光程差也会发生变化，进而改变干涉条纹的形态。
例如，当薄膜厚度增加时，光程差也会增加，干涉条纹疏密变化。
而当薄膜厚度减少时，则相反。
为了实现测量，我们需要进行定量的分析。
一种常用的方法是利用分束器将干涉条纹分成两束光，其中一束光通过调节透镜到达光敏元件，另一束光到达参考光程。
通过调节透镜位置，我们可以使得光电元件输出最小值，这时光路的光程差为波长的整数倍。
通过这种方法，我们可以确定波长与光程差的关系，进而得到薄膜的厚度。
除了利用透镜进行精确测量外，我们还可以通过观察干涉条纹的位移来估计薄膜厚度的变化。
当我们探测到干涉条纹的位移时，可以利用干涉的相位差来计算薄膜的厚度。
相位差与光程差的关系可以通过标定得到。
需要指出的是，在实际的实验中，我们常常会遇到干涉条纹较为模糊的情况。
这时，我们可以通过调整激光干涉仪的参数，例如改变激光的功率或调整分束器的角度，来改善干涉条纹的质量。
另外，在测量薄膜厚度时，我们还需要注意薄膜的特性，例如透明度和折射率等，以便更准确地估计厚度值。
等厚干涉法测量薄膜厚度的两种方法
中图分类号 :O43 文献标识码 :A文章编号 :1001 - 2443 (2012) 01 - 0032 - 03薄膜材料具有不同于体材料的特殊性质 ,因而在集成电路工艺中有着广泛的应用. 各种薄膜材料 ,包括 半导体 、金属和绝缘体薄膜可以作为器件的功能层1 ,或作为电极2 ,或者作为钝化层保护器件免受环境的影响等等. 薄膜的质量对器件的性能和成品率有着重要的影响 ,因此需要对薄膜质量进行必要的检查 ,厚度 测量是薄膜质量检查的重要内容之一3 .干涉法测量薄膜厚度是实验和生产中较普遍采用的测量方法 ,其优点是设备简单 ,操作方便 ,无需复杂 的计算. 除了常规的空气膜劈尖干涉法外4 ,本文就等厚干涉法的另外两种形式测量薄膜厚度的原理分别 进行了探讨.空气劈尖取一小片硅片部分地覆盖衬底 , 放入反应腔内生长薄膜 , 生长完成后取下硅片即形成台阶. 将薄玻璃片与带有薄膜台阶的样品沿平行于台阶方向对合 , 一端轻轻压紧 , 另一端用纸片分隔 , 形成空气劈尖 ( 如图 1 所示) . 在读数显微镜下便可观察到干涉条纹. 衬底的一半沉积有厚度为 D 的不透明薄膜 , 它改变了空气膜的厚度 , 即改变了光程差 , 从而使直条纹发生弯折[ 5 ]. 为形成条纹的突然弯折 , 薄膜台阶应尽量陡直.第 k 级暗纹位置 e k 由 ( 1) 式确定 ,1 λλ δ = 2 e k += ( 2 k + 1)暗纹k = 0 , 1 , 2 , 3( 1)22干涉条纹为平行于劈尖棱边的直线条纹 , 每一条纹与空气劈尖的一定厚度 e k 对应. 任意两相邻的暗条纹之间的距离 l 由 ( 2) 式决定 ,λ 1 1l s in θ = e k = 2( k + 1)λ - 2k λ = e k +1 - ( 2) 2式中θ为劈尖的夹角. 可见 , 干涉条纹是等间距的 , 而且θ越小 , l 越大 , 即干涉条纹愈疏 , 反之亦然. 沉积了薄膜的一侧的第 k 级暗纹位置 e ′由( 3) 式确定 λ λ 2 e ′k + = ( 2 k + 1)( 3) 2条纹移动的距离 a 满足a sin θ = e ′k - e k = D结合( 2) 、( 4) 两式可以得到 2( 4)λ a D = ·l( 5)2收稿日期 :2011 - 08 - 15基金项目 :国家自然科学基金( 61106011) 作者简介 :左则文( 1978 - ) , 男 , 安徽郎溪人 , 讲师 , 博士 , 主要从事硅基低维材料与器件方面的研究.透明薄膜劈尖很多薄膜材料在可见光范围内是透明的. 这 里 ,我们以 SiO 2 为例来阐述另一种等厚干涉法测 量透明薄膜厚度的原理.在单晶硅( Si ) 衬底上用化学气相沉积的方法 沉积一层 SiO 2 ,切取一小片用于厚度测量. 将待测 样品切面沿某一方向 ( 以一定角度) 轻磨即可形成 如图 2 所示的 SiO 2 劈尖.2 图 1 弯折干涉条纹示意图Figure 1 Schematic diagram of kinked 2f ringes当用单色光垂直照射 SiO 表面时 , 由于 SiO 2 2 是透明介质 ,入射光将分别在 SiO 2 表面和 SiO 22Si界面处反射 ,反射光相干叠加产生干涉条纹. 由于整个 SiO 2 台阶的厚度是连续变化的 ,因此 ,在 SiO 2 台阶上 将出现明暗相间的干涉条纹.在此系统中 ,空气 、SiO 2 、Si 的折射率分别为 1 ,1 . 5 和 3 . 5 ,因此在两个界面上的反射光都存在“半波损失”,其作用相互抵消 ,对光程差不产生影响 ,由此δ = 2 n e k = k λ 明纹k = 0 , 1 , 2 , 3 ( 5)λ δ = 2 ne k = ( 2 k + 1)暗纹k = 0 , 1 , 2 , 32式中 n 为 SiO 2 的折射率 , e k 为条纹处 SiO 2 层的厚度. 在 SiO 2 台阶楔尖处 e k = 0 , 所以为亮条纹.由 ( 5) 式 , 可以得到两相邻明纹之间的 SiO 2 层的厚度差为( k + 1) λ k λ λ ( 6)e k +1 - e k =- 2 n = 2 n2 n 同样 , 两相邻暗纹之间的 SiO 2 层的厚度差也 为 λ . 2 n由此可见 , 如果从 SiO 2 台阶楔尖算起至台阶顶端共有 m + 1 个亮条纹 ( 或暗条纹) , 则 SiO 2 层的厚度应为λ m2 n( 7)D = 图 2 SiO 2 劈尖形成的干涉示意图Schematic diagram of int erference o n SiO 2 wedge因此 , 已知 SiO 2 的折射率 n ( ≈ 1 . 5 , 与生长条Figure 2 件有关) , 通过读数显微镜观察条纹数即可由( 7) 式得到透明薄膜的厚度. 实验结果与分析以单晶硅作为衬底 ,采用化学气相沉积的方法生长非晶硅薄膜 ,沉积过程中用小片硅片部分遮盖以形成台阶. 作为参考 ,首先用扫描电子显微镜( SE M ) 对 其剖面进行测量 ,得到薄膜的厚度约为 755 n m. 再用 空气劈尖法对薄膜的厚度进行测量 ,得到如下的数据 :3l ( mm )a ( mm )D ( nm )1 230 . 135 0 . 136 0 . 1340 . 353 0 . 352 0 . 354770 . 455 762 . 624 778 . 404实验所用钠双线的波长为分别为 589 . 0 n m 和 589 . 6 nm ,取其平均值 589 . 3 nm 作为入射波长. 计算得到的薄膜平均厚度为 770 . 5 nm ,与扫描电子显微镜测量的结果非常接近 ,表明空气劈尖法可以比较精确地测量薄膜的厚度.利用化学气相沉积法在硅片上生长 SiO 2 薄膜 ,并采用如前所述的方法形成 SiO 2 的劈尖 ,并用读数显微 镜测量劈尖上的干涉条纹. 读数显微镜观察到 SiO 2 劈尖上共有 5 条完整的亮纹 ,即 m = 4 . 取 SiO 2 的折射率为 1 . 5 ,利用公式 ( 7) 计算得到薄膜的厚度约为 785 . 7 n m ,而用扫描电子显微镜测量的剖面厚度约为 853参考文献 :周之斌 ,张亚增 ,张立昆 ,杜先智. 光电器件用铟锡氧化物 I T O 薄膜的制备及特性研究J . 安徽师范大学学报 :自然科学版 ,1995 ,18 ( 2) :66 - 69 . 万新军 ,褚道葆 ,陈声培 ,黄桃 ,侯晓雯 ,孙世刚. 不锈钢表面修饰纳米合金膜电极的电催化活性研究J . 安徽师范大学学报 : 自然科学版 , 2007 ,30 ( 5) :567 - 569 .高雁. 真空蒸发镀膜膜厚的测量J . 大学物理实验 ,2008 ,21 ( 4) :17 - 19 .方正华. 大学物理实验教程M . 合肥 :中国科学技术大学出版社 ,2010 :123 - 129 . 单慧波. 牛顿环实验的拓展J . 物理实验 ,1996 ,16 ( 6) :290 .1 2 3 4 5Two Methods f or Mea s uring the Thickness of Fil m s B a s ed on EqualThickness I nterf e renceZU O Ze 2wen( College of Physics and Elect ro nics Inf o r matio n , Anhui No r m al U niversit y , Wuhu 241000 , China )Abstract : Equal t h ickness interference met h o d is widely applied in p r o d ucti o n due to it s sim ple equip m ent ,co nvenient operati o n , and unco m plicated analysis p rocess. In t his paper , t he p rinciple of t wo met ho d s fo rmeasuring t he t hickness of films based o n equal t hickness interference was discussed. In t hese met ho d s ,m o nochro matic light ref lect s at top and bot to m interf aces of t he wedge 2shaped air o r t ransparent material f ilm s ,w hich is fo r med by utilizing t he step of films , and fo r ms t he interference f ringes. By measuring t he parameters of f ringes , t he t hickness of t he film can be o btained. C o m pared to film 2wedged met ho d , air 2wedged met h o d ism o re appliable due to it s sim pleness and p r ecisi o n .K ey w ords : equal t h ickness interference ; films ; measurement of t h e t h ickness。
光的干涉与薄膜干涉实验
光的干涉与薄膜干涉实验光的干涉和薄膜干涉是光学实验中常见的现象，它们揭示了光的波动性质和光的干涉规律。
通过这两个实验，我们可以更好地理解光的行为和性质，以及应用于实际生活中的相关技术。
一、光的干涉实验光的干涉是指两束或多束光相互叠加形成干涉条纹的现象。
这种现象可以通过杨氏双缝干涉实验来观察和解释。
在光的干涉实验中，我们需要一个光源、一块可透光的屏幕和一对缝。
首先，我们将光源放置在一定的位置上，让光通过一个狭缝，形成一个细而直的光线。
然后，我们在透光屏的一端设置两个狭缝，光线通过这两个狭缝后形成两束光，并在透光屏的另一端投射到屏幕上。
当两束光线在屏幕上相遇时，它们会相互干涉并产生交替出现的亮暗条纹，也称为干涉条纹。
这些条纹的形状和间距取决于两束光线之间的相位差。
干涉条纹的出现可以用干涉现象的两种探测方法来解释：波的干涉和波的相长相消。
波的干涉是指两束光相遇时，波峰与波峰相重叠形成增强干涉，波峰与波谷相重叠形成减弱干涉。
而波的相长相消则是指两束光相差半波长或整波长时，波峰和波峰相长形成增强干涉，波峰和波谷相消形成减弱干涉。
通过观察和测量干涉条纹的特性，我们可以计算出两束光线之间的相位差，从而推导出光的波长和实际中的应用。
光的干涉实验在光学技术和科学研究中有着广泛的应用，例如激光技术、显微镜和干涉仪器等。
二、薄膜干涉实验薄膜干涉是指光线通过薄膜表面时，由于不同介质的折射率引起的光程差而产生干涉现象。
这种现象可以通过牛顿环干涉实验来观察和解释。
在薄膜干涉实验中，我们需要一个透明的非金属薄膜，如硬币反射面上的氧化层，和一个平坦的玻璃片。
首先，我们将玻璃片放置在硬币的反射面上，形成一个薄膜。
然后，从顶部照射一束光线，光线穿过玻璃片并通过薄膜，再次射出。
当光线经过薄膜时，根据不同介质的折射率，会产生不同的光程差。
光从薄膜表面射出后，会与反射的光线相干并产生干涉条纹。
通过观察这些干涉条纹的形状和颜色，我们可以判断薄膜的厚度和折射率。
(完整版)光的等厚干涉实验报告.docx
大连理工大学大学物理实验报告院（系）材料学院专业材料物理班级0705成绩姓名童凌炜学号200767025实验台号教师签字实验时间2008 年11 月 04日，第 11 周，星期二第5-6节实验名称光的等厚干涉教师评语实验目的与要求：1.观察牛顿环现象及其特点，加深对等厚干涉现象的认识和理解。
2.学习用等厚干涉法测量平凸透镜曲率半径和薄膜厚度。
3.掌握读数显微镜的使用方法。
实验原理和内容：1.牛顿环牛顿环器件由一块曲率半径很大的平凸透镜叠放在一块光学平板玻璃上构成，结构如图所示。
当平行单色光垂直照射到牛顿环器件上时，由于平凸透镜和玻璃之间存在一层从中心向外厚度递增的空气膜，经空气膜和玻璃之间的上下界面反射的两束光存在光程差，它们在平凸透镜的凸面（底面）相遇后将发生干涉，干涉图样是以接触点为中心的一组明暗相间、内疏外密的同心圆，称为牛顿环（如图所示。
由牛顿最早发现）。
由于同一干涉圆环各处的空气薄膜厚度相等，故称为等厚干涉。
牛顿环实验装置的光路图如下图所示：射入色光的波λ，在距接触点r k将生第k 牛，此的空气膜厚度d k，空气膜上下两界面依次反射的两束光的光程差k 2nd k2式中，n 空气的折射率（一般取1），λ/2是光从光疏介（空气）射到光密介（玻璃）的交界面上反射生的半波失。
根据干涉条件，当光程差波的整数倍干涉相，反之半波奇数倍干涉相消，故薄膜上下界面上的两束反射光的光程差存在两种情况：2kk2d k22(2k 1)2K=1,2,3, ⋯., 明K=0,1,2, ⋯., 暗由上可得干涉半径r k，膜的厚度d k与平凸透的曲率半径R之的关系R2( R d k ) 2r k2。
由于 dk 小于 R，故可以将其平方忽略而得到2Rd k r k2。
合以上的两种情况公式，得到：r k22Rd k kR ，k 0,1,2..., 暗环由以上公式件，r k与 d k成二次的关系，故牛之并不是等距的，且了避免背光因素干，一般取暗作象。
利用等色干涉原理测量薄膜厚度
１ 等色干涉原理 ． 我们知道 ，当光在传 播过程 中遇到 两种介质 的分界 面
过厚的薄膜 时 。 反而达 不到消反 的目的． 如图 ２ ｋ ５０ ｍ， ５ （＝５ｎ ｊ ＝
时的情况） 示． 所
时 ， 介 质的折射率不 同而发生部分反射 和部分折射 ． 因 由于分
界面上 的反射 ， 根据能量守恒 ， 透射光被减 弱了 ， 这不利 于光
△
待测薄膜折射率 ｎ＝ ． ｅ ｉ ）可 ｏ＝
△｝。３ （） ８ ：× ２
由此可见 Ｊ值越大 ， 即镀 层厚度 ｄ越厚 ， 邻极小 的波 相
长 差 Ａ １ ） 小． 可见光 范 围 中， 能有 几种 波长反 射相 （／ 越 Ａ 在 可 消， 同时也有几种 波长反射加强 ． 在整个 可见光波段里 ， 平均
一
对于给定的波长 Ａ ， 同的Ｊ值对 应不 同的厚 度 ｄ只有 。不 ． ．
＝
２ｃ ） ， 一 （ 订 ，：１ ４ 『 ＿ｏ２ ＋ 『 ）
１
２ Ａ Ｊ ｎ 【 ２
观察到三个 暗带 ， 测出相邻暗带 的波数 差分别为 ：
＿ １
（ ７ ）
相邻极小 的波长差 Ａ１ ） （／ 对应 ＝ ， Ａ １所以有
Ｗｅ ｉ ａｇ ｉ ｕ ｎ Ｘｆ
（ｏｈｅＮｒａ ｎ￣ｉ，ｎ ｏ７０７，ａｕＣｉ；ｅｒ ｅ ｏＰｙｃＬ ｚ ｕ ｉＵｉｒｙａ ｈ ７０７，ｎ ，ｉ） Ｎｒｗｓ ｏ ｌ ｉ ｔ ａｈ ３００Ｇｎ ，ｈａ ｐｔ ｎ ｆｈｉ，ｎ ｏＣｙｎｅｉＬｎｏ ３００ ａｕ ｈａ ｔ ｔ ｍ Ｕ ｖ ｙ ｚｕ Ｌ ｓ ｎ Ｄ ａｍ ｔ ｓｓａｈ ｔ ｖｓ ， ｚ ｕ ｔ Ｇ ｓＣｎ
知薄膜折射率 ，， 据（ 式 ， 可算 出薄膜 的厚度 ｄ ｌ根 ６ 便 ２ ） ． ３ 等色干涉测厚 ． 由（） ６ 式得等色干涉测厚公式
光的等厚干涉 实验报告
大连理工大学大学物理实验报告院（系）材料学院专业材料物理班级 0705姓名童凌炜学号 200767025 实验台号实验时间 2008 年 11 月 04 日，第11周，星期二第 5-6 节实验名称光的等厚干涉教师评语实验目的与要求：1.观察牛顿环现象及其特点，加深对等厚干涉现象的认识和理解。
2.学习用等厚干涉法测量平凸透镜曲率半径和薄膜厚度。
3.掌握读数显微镜的使用方法。
实验原理和内容：1.牛顿环牛顿环器件由一块曲率半径很大的平凸透镜叠放在一块光学平板玻璃上构成，结构如图所示。
当平行单色光垂直照射到牛顿环器件上时，由于平凸透镜和玻璃之间存在一层从中心向外厚度递增的空气膜，经空气膜和玻璃之间的上下界面反射的两束光存在光程差，它们在平凸透镜的凸面（底面）相遇后将发生干涉，干涉图样是以接触点为中心的一组明暗相间、内疏外密的同心圆，称为牛顿环（如图所示。
由牛顿最早发现）。
由于同一干涉圆环各处的空气薄膜厚度相等，故称为等厚干涉。
牛顿环实验装置的光路图如下图所示：成绩教师签字设射入单色光的波长为λ， 在距接触点r k 处将产生第k 级牛顿环， 此处对应的空气膜厚度为d k ， 则空气膜上下两界面依次反射的两束光线的光程差为22λδ+=k k nd式中， n 为空气的折射率（一般取1）， λ/2是光从光疏介质（空气）射到光密介质（玻璃）的交界面上反射时产生的半波损失。
根据干涉条件， 当光程差为波长的整数倍时干涉相长， 反之为半波长奇数倍时干涉相消， 故薄膜上下界面上的两束反射光的光程差存在两种情况：2)12(2222λλλδ+=+=k k d k k由上页图可得干涉环半径r k ， 膜的厚度d k 与平凸透镜的曲率半径R 之间的关系222)(k k r d R R +-=。
由于dk 远小于R ， 故可以将其平方项忽略而得到22k k r Rd =。
结合以上的两种情况公式， 得到：λkR Rd r k k ==22， 暗环...,2,1,0=k由以上公式课件， r k 与d k 成二次幂的关系， 故牛顿环之间并不是等距的， 且为了避免背光因素干扰， 一般选取暗环作为观测对象。
等厚干涉的原理特点和应用
等厚干涉的原理特点和应用1. 原理介绍等厚干涉是一种利用光的相干性进行干涉测量的方法。
它基于杨氏干涉仪的原理，通过观察干涉条纹的变化来推断被测物体的形状或者表面的变化。
在等厚干涉中，使用的是在杨氏干涉仪中放置一层透明的等厚薄片或者涂有等厚膜的被测物体。
当光通过这层等厚膜时，由于膜的厚度均匀，所以光在薄片上发生的反射和折射都是等厚的，从而形成了干涉现象。
2. 原理特点•干涉条纹可观察性强：等厚干涉方法形成的干涉条纹较为清晰，易于观察和测量。
•高精度测量：由于等厚薄片的厚度是已知的，因此可以通过测量干涉条纹的变化来推算出被测物体的形状或者表面的变化。
•适用范围广：等厚干涉方法可以应用于多种物体表面形状的测量，如平面、球面、柱面和非球面等。
•非接触测量：等厚干涉方法是一种非接触测量方法，可以在不接触被测物体的情况下完成测量工作。
3. 应用领域3.1 表面形状测量利用等厚干涉方法可以测量物体表面的形状。
通过测量干涉条纹的间距变化，可以推测出被测物体上某处的高度、凹凸等信息，从而获得整个表面的形状。
3.2 光学薄膜测量等厚干涉方法还可以应用于光学薄膜的测量。
通过测量薄膜表面产生的干涉条纹，可以得出薄膜的厚度信息，从而了解薄膜的光学特性和质量。
3.3 光学元件检测等厚干涉方法在光学元件的检测中也有着广泛的应用。
通过测量干涉条纹的变化，可以检验光学元件的形状、表面质量、光学性能等，确保元件的质量和性能符合要求。
3.4 物体的变形测量等厚干涉方法还可以用于物体的变形测量。
通过测量干涉条纹的变化，可以推算出物体在受力或者变形时的情况，从而获得物体的应力分布、变形情况等相关信息。
4. 总结等厚干涉是一种基于光的相干性进行干涉测量的方法。
它既能提供高精度的测量结果，又具有非接触、易观测等特点，因此在表面形状测量、光学薄膜测量、光学元件检测和物体变形测量等领域有着广泛的应用。
随着光学技术的不断发展和进步，等厚干涉方法将会在更多领域展现出其独特的优势和潜力。
光的干涉的应用实验原理
光的干涉的应用实验原理光的干涉是光学领域中的重要现象之一，它揭示了光波的波动性质以及光的传播规律。
干涉实验是一种常用的实验方法，通过光的干涉现象，我们可以研究光的特性、测量物体的形状和厚度、检验光学材料的质量等，具有广泛的应用价值。
一、干涉实验的原理1. 光的波动性质我们需要明确光的波动性质。
根据光的干涉现象以及其他光学实验的结果，科学家们普遍认为光既具有粒子性，又具有波动性。
在干涉实验中，光的波动性质显得尤为重要。
2. 光的波动传播在光传播过程中，光的波动呈现出一系列特点，其中包括波阵面、相位差、相干性等。
光的波阵面可以理解为光波的前沿面，相位差是指两个光波之间相位的差别，相干性则描述了两个光波波动的一致性。
3. 干涉现象干涉现象是指两个或多个光波相互叠加的现象，不同光波的相位差决定着干涉的结果。
当光波的相位差为整数倍的波长时，产生的干涉就是构建性干涉，此时光的强度增强；而当光波的相位差为半整数倍的波长时，会出现破坏性干涉，此时光的强度减弱。
4. 干涉实验干涉实验是通过设计特定的光学装置来观察和研究干涉现象的实验。
常见的干涉实验包括双缝干涉、薄膜干涉、牛顿环干涉等。
这些实验都以光的干涉为基础，通过观察干涉条纹的变化，可以得到有关光的性质和传播规律的重要信息。
二、光的干涉实验的应用1. 波动性质的研究光的干涉实验为研究光的波动性质提供了重要的工具和手段。
通过观察干涉条纹的形态和变化，可以了解光波的相位差、波长等特性，进一步验证光的波动说，并推导光波的传播规律。
2. 物体形状和厚度的测量干涉实验在物体形状和厚度的测量领域有着广泛的应用。
用双缝干涉或牛顿环干涉的方法可以测量透明物体的形状和厚度。
双缝干涉实验可以通过观察干涉条纹的变化来确定物体的厚度，并且可以应用角度辨析法和波前平分法等技术，来实现高精度的测量。
薄膜干涉实验则可以利用光在薄膜表面的干涉现象，推断出薄膜的厚度和折射率。
这个原理在光学薄膜的制备以及涂层材料的测试中有着广泛的应用。
干涉测量原理
干涉测量原理干涉测量是一种通过干涉现象来测量物体表面形貌或者光学参数的方法。
在干涉测量中，光波的相位差是关键的参数，而这种相位差又与被测量物体的形貌或者光学参数有直接的关联。
因此，干涉测量原理是基于光波的干涉现象，通过测量光波的相位差来间接得到被测物体的信息。
干涉现象是光波的一个特性，当两束光波相遇时，它们会发生叠加干涉。
如果两束光波的相位差是整数倍的波长，它们就会发生相长干涉，增强光强；如果相位差是半波长的奇数倍，它们就会发生相消干涉，减弱光强。
利用这种干涉现象，我们可以通过测量光波的相位差来推断物体的形貌或者光学参数。
在干涉测量中，常用的技术包括干涉仪、激光干涉仪、干涉显微镜等。
这些技术利用光波的干涉现象，通过测量干涉条纹的移动或者变化来获取被测物体的信息。
例如，通过改变光路差，观察干涉条纹的移动，就可以得到被测物体的形貌信息；通过改变入射光的角度或者波长，观察干涉条纹的变化，就可以得到被测物体的光学参数信息。
干涉测量原理的核心是光波的相位差，而相位差又与被测物体的形貌或者光学参数有直接的关联。
因此，干涉测量可以用于测量物体的表面形貌、薄膜厚度、折射率、应力分布等参数。
在工程领域，干涉测量被广泛应用于光学元件的检测、薄膜的厚度测量、零件的形貌测量等方面；在科学研究领域，干涉测量被广泛应用于材料表面的形貌分析、光学薄膜的研究、光学元件的性能测试等方面。
总之，干涉测量原理是基于光波的干涉现象，通过测量光波的相位差来间接获取被测物体的信息。
干涉测量技术在工程领域和科学研究领域都有着重要的应用，它为我们提供了一种非接触、高精度的测量手段，对于物体的形貌和光学参数的研究具有重要的意义。
通过不断地改进和创新，干涉测量技术将会在更多领域发挥重要作用，为科学研究和工程应用提供更多可能性。
如何利用干涉实验测量薄膜的厚度
如何利用干涉实验测量薄膜的厚度干涉实验是一种重要的实验方法，可以用于测量薄膜的厚度。
薄膜的厚度测量对于材料科学和工程领域的研究非常关键，因此掌握干涉实验的原理和方法是必要的。
本文将介绍干涉实验测量薄膜厚度的基本原理以及具体步骤。
一、干涉实验测量薄膜厚度的原理干涉实验是利用光的干涉现象进行测量的方法。
在测量薄膜厚度时，通常使用的是反射干涉实验。
当一束光从空气中垂直照射在薄膜上时，一部分光被薄膜上表面反射，另一部分光穿过薄膜后被基底反射。
这两束光之间存在光程差，当光程差为波长的整数倍时，两束光叠加处会出现干涉现象。
通过观察干涉条纹的位置和间距，可以计算出薄膜的厚度。
二、测量薄膜厚度的具体步骤1. 实验器材准备：首先需要准备一台反射式干涉仪，包括光源、反射镜等。
同时还需要一块具有薄膜的样品和一个调节样品位置的支架。
保持实验室环境的稳定，避免干扰。
2. 调整仪器：首先需要用一块玻璃片调节反射镜的角度，使其能够反射出平行光。
然后放置样品，调整支架使得入射光垂直照射在样品上。
3. 观察干涉条纹：将干涉仪调至最佳状态，通过调节反射镜、样品位置或加入波片等方式，使得干涉条纹清晰可见。
此时，可以观察到干涉条纹的位置和间距。
4. 计算薄膜厚度：根据干涉条纹的位置和间距，可以使用傍轴干涉公式或是维尔费尔公式等方法计算薄膜的厚度。
需要注意的是，这些公式在实际应用中可能存在一定的修正系数。
三、注意事项1. 实验环境应保持稳定，避免干扰因素对测量结果的影响。
特别是实验室中的温度、湿度变化应尽量减小。
2. 样品的制备应严格控制，确保薄膜的平整、均匀。
样品表面的污染、氧化等问题都可能会影响干涉实验的结果。
3. 在进行测量前，应仔细检查仪器的状态，确保光路的正确连接和调节。
4. 在观察干涉条纹时，可以适当调整反射镜、样品位置或波片的角度，使得干涉条纹清晰可见。
四、应用与发展利用干涉实验测量薄膜厚度的方法已被广泛应用于材料科学和工程领域。
透明薄膜厚度的测量
一、测量原理
二、测量装置
本方法提供的透明薄膜厚度的测量装置包括宽带光源、干涉组件、频域探测装置和数据处 理器，如图1所示
图1 中9为宽带光源；10为干涉 组件，可以采用迈克尔逊干涉 装置；11为频域探测装置，可 以采用光谱仪；12为数据置如图2
四、总结
本方法是透明薄膜厚度的一种光学测 量方法，采用投射式的测量方法，该方 法精度高，测量范围大，同时结构灵活、 处理方法简单，不要求严格放置样品， 是透明薄膜厚度测量的一种良好方法， 同时它还能测量薄膜的折射率，这是一 般方法所不能比拟的优势。
五、拓展
上述方法中也可以把频率探测装置换成测微目镜，测量步骤如下：
由于宽带光源是发散光源，所 以根据需要会在干涉仪前加汇 聚透镜来调整光路，这也作为 干涉组件的一部分。
图2 迈克尔逊干涉装置
测量具体装置图如图3所示： 图3 测量装置
三、方法和步骤说明
图4 放置薄膜前得到的光程差信息
图5 放置薄膜后得到的光程差信息
图6 薄膜倾斜后得到的光程差信息
图7 光通过薄膜时的光路图
这种方法原理简单，但是要求对反射镜移动距离能有较高精度的测量，而且在观 察测微目镜视野和调节反射镜的移动的协调上会比较繁琐，需要实验者具有耐心 和细致的态度。
1、调节迈克尔逊干涉装置的两块反射镜使在测微目镜中观察到的是均匀的一片， 即看不到干涉条纹，此时干涉的两束光光程差相等。 2、将透明薄膜垂直放入其中一条光路中，这时在测微目镜中会出现干涉条纹， 调节其中一块反射镜直到测微目镜视野中干涉条纹消失重新变成均匀一片，记录 此时反射镜移动的距离L. 3、若薄膜折射率为n，则2(n-1)d=L，可得d=L/(2n-2)。
光的干涉测量薄膜厚度
4)假如把单色光换成白光,想看到干涉条纹必须满足什么 条件 。 如果用白光作为光源(因为白光是有好几种光组成的,单一 的光受干涉波动比较小,多种光受的干涉比较大,就丰富了, 之间的差别就更明显,参照性更强.如果单纯的一种光源,对 比性不够强,很多内部的区别表现不够明显……),无论是 电光源还是面光源,要看到干涉条纹,必须满足光程差小于 光源的相干长度的要求,即2d c o s i<ΔL.对于具有连续 光谱的白光,ΔL极小,因而仅当d约等于0时,才能看到彩色 的干涉条纹。
实验.测量1A薄膜厚度
一，实验目的：测量1A薄膜的厚度 二，实验工具：迈克尔逊干涉仪，厚度未知折射率为n的 透明薄膜 三，实验原理：利用试验时两条光路的光程差 和试验时条纹前后条纹移动数N条。最后利用公式： n(D-d)=N人
熟悉了解迈克尔逊干涉仪
主要内容：
1. 了解迈克尔逊干涉 仪结构及原理 2.仪器的调节
1.
迈克尔逊干涉仪光路及结构
反射镜 M1
M1 M2
反 射 镜 M2
M1 移动导轨
单 色 光 源 分光板 G1
补偿板 G 2
成 45 角
G1//G 2 与 M1 , M2
M 2 的像 M'2
反射镜 M 1
单 色 光 源
d
M1 M2
反 射 镜 M2
G1
G2
当 M1 垂直于 M 2 时，可形成等倾 干涉条纹.
知道了用上面的方法来测折射率就很容易求得一个玻璃薄 片的厚度,跟上面的第一跟第二个步骤是一样的,第三个步 骤只需把除以介质的厚度改成折射率就可以求得该介质的 厚度了. (2)转动手轮时干涉条纹吞吐以及干涉条纹的疏密的原因 是什么 1.在两光源非常近的时候(极限情况重合),两光源到轴外 点的距离差异与两光源到平面中心点的距离差异近乎相同 差值很小,意味着光程差在很大的角度内变化不大,条纹疏. 2.当两个光源距离比较远时(比如说考虑成一个光源就在 平面上,令一个光源与之有一定距离):两光源到轴外点的 距离差异与两光源到平面中心点的距离差异相比较可知差 别较大,意味着光程差在于第一种情况相同的角度区间中 变化要大,条纹密。
9实验十八 等厚干涉
8Ra
k
六 注意事项
• 钠光灯不要随意开关 • 读数显微镜的镜筒移至主尺中央（使被测物在 工作区内） • 调节目镜，直至获得清晰的叉丝像 • 将镜筒调到最低（眼睛在镜筒的侧面看），接 近被测物，然后自下而上缓缓提高镜筒（镜筒 只许往上调，不许往下调，以免损坏被测物）， 直到看见清晰的被测物 • 测量中注意“零点”及丝干与螺母之间的空隙 对测量引起的误差
实验18ningboinstitutetechnologyningboinstitutetechnologyzhejianguniversityzhejianguniversity光的干涉实验证实了光的波动性薄膜层的上下表面有一很小的倾角时由同一光源发出的光经薄膜的上下表面反射后在上表面附近相遇时产生干涉在厚度相同的地方形成同一干涉条纹这种干涉就叫等厚干涉牛顿环和劈尖是等厚干涉两个最典型的例子光的等厚干涉原理在生产实践中具有广泛的应用它可用于检测透镜的曲率测量光波波长精确地测量微小长度厚度和角度检验物体表面的光洁度平整度等掌握等厚干涉原理及光束垂直入射时有关劈尖和牛顿圈干涉的计算用等厚干涉法测量曲率半径和薄膜厚度当两片很平的玻璃叠合在一起在一端垫入薄片两玻璃片之间形成一楔形空气薄层空气劈
一 实验目的
• 掌握等厚干涉原理及光束垂直入射 时有关劈尖和牛顿圈干涉的计算 • 用等厚干涉法测量曲率半径和薄膜 厚度 • 进一步学会逐差法处理数据 • 学会使用读数显微镜
二 实验原理
(1) 劈尖 当两片很平的玻璃叠合在一起，在一端垫入薄片， 两玻璃片之间形成一楔形空气薄层（空气劈）。 在单色光垂直照射时，在尖劈膜厚为 e 处，从劈 尖上、下表面反射两条反射光线。 光程差及干涉条件: δ = 2e+λ/2=kλ δ = 2e+λ/2=(2k+1) λ/2
测量薄膜厚度的原理
测量薄膜厚度的原理
测量薄膜厚度的原理通常有以下几种方法：
1. 干涉法：利用光的干涉原理来测量薄膜厚度。
通过测量光的反射、透射和干涉现象，计算薄膜的厚度。
该方法需要使用干涉仪或干涉显微镜。
2. X射线反射法：利用X射线的波长与薄膜厚度之间的关系来测量薄膜厚度。
当X射线照射到薄膜上时，通过测量反射X射线的强度和角度，计算薄膜的厚度。
3. 悬臂梁法：通过测量悬臂梁的弯曲程度来推测薄膜的厚度。
当薄膜被沉积到悬臂梁上时，悬臂梁会发生弯曲，其弯曲程度与薄膜厚度呈相关关系。
4. 电容法：利用电容的变化来测量薄膜厚度。
通过将薄膜放置在一个电容器中，测量电容器的电容值变化，从而计算薄膜的厚度。
这些方法中，干涉法和X射线反射法是常用的非接触式测量方法，可用于测量较薄和透明的薄膜；而悬臂梁法和电容法是接触式测量方法，通常适用于较厚和导电性较好的薄膜。
(完整版)光的等厚干涉实验报告
大连理工大学大 学 物 理 实 验 报 告院（系） 材料学院 专业 材料物理 班级 0705 姓 名 童凌炜 学号 200767025 实验台号 实验时间 2008 年 11 月 04 日，第11周，星期 二 第 5-6 节实验名称 光的等厚干涉教师评语实验目的与要求：1. 观察牛顿环现象及其特点， 加深对等厚干涉现象的认识和理解。
2. 学习用等厚干涉法测量平凸透镜曲率半径和薄膜厚度。
3. 掌握读数显微镜的使用方法。
实验原理和内容： 1. 牛顿环牛顿环器件由一块曲率半径很大的平凸透镜叠放在一块光学平板玻璃上构成， 结构如图所示。
当平行单色光垂直照射到牛顿环器件上时， 由于平凸透镜和玻璃之间存在一层从中心向外厚度递增的空气膜， 经空气膜和玻璃之间的上下界面反射的两束光存在光程差， 它们在平凸透镜的凸面（底面）相遇后将发生干涉， 干涉图样是以接触点为中心的一组明暗相间、内疏外密的同心圆， 称为牛顿环（如图所示。
由牛顿最早发现）。
由于同一干涉圆环各处的空气薄膜厚度相等， 故称为等厚干涉。
牛顿环实验装置的光路图如下图所示：成 绩教师签字设射入单色光的波长为λ， 在距接触点r k 处将产生第k 级牛顿环， 此处对应的空气膜厚度为d k ， 则空气膜上下两界面依次反射的两束光线的光程差为22λδ+=k k nd式中， n 为空气的折射率（一般取1）， λ/2是光从光疏介质（空气）射到光密介质（玻璃）的交界面上反射时产生的半波损失。
根据干涉条件， 当光程差为波长的整数倍时干涉相长， 反之为半波长奇数倍时干涉相消， 故薄膜上下界面上的两束反射光的光程差存在两种情况：2)12(2222λλλδ+=+=k k d k k由上页图可得干涉环半径r k ， 膜的厚度d k 与平凸透镜的曲率半径R 之间的关系222)(k k r d R R +-=。
由于dk 远小于R ， 故可以将其平方项忽略而得到22k k r Rd =。
【大学物理实验(含 数据+思考题)】光的等厚干涉现象实验报告
实验3.3 光的等厚干涉测量一、实验目的（1）观察光的等厚干涉现象。
（2）利用牛顿环测量平凸透镜的曲率半径R。
（3）学习使用读数显微镜。
二、实验仪器读数显微镜、牛顿环、钠光灯。
三、实验原理（1）等厚干涉当一束单色光入射到透明薄膜上时,通过薄膜上下表面依次反射而产生两束相干光。
如果这两束反射光相遇时的光程差仅取决于薄膜厚度，则同一级干涉条纹对应的薄膜厚度相等，这就是所谓的等厚干涉。
（2）牛顿环在光学上，牛顿环是一个薄膜干涉现象。
光的一种干涉图样，是一些明暗相间的同心圆环。
例如用一个曲率半径很大的凸透镜的凸面和一平面玻璃接触，在日光下或用白光照射时，可以看到接触点为一暗点，其周围为一些明暗相间的彩色圆环；而用单色光照射时，则表现为一些明暗相间的单色圆圈。
这些圆圈的距离不等，随离中心点的距离的增加而逐渐变窄。
它们是由球面上和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。
（3）利用牛顿环测量平凸透镜的曲率半径R 的简单原理和计算表达式由光路图可得，与第k 级牛顿环相对应的两束相干光的光程差为：σk =2e k +λ2（λ2为附加光程）可知：R =√r k 2+(R −e k )2由相干光程差分析可得由射光产生明暗环的条件分别是：{r k=√(2k −1)R λ2（k =0，1，2，…明环条件）r k =√kλR （k =0，1，2，…暗环条件） 但是因为A 与C 的接触点可能不是理想点，导致靠近接触点的明暗条纹无法辨别清楚，直接用r 来算不准确，故这里改进算式，用环的直径D 的差来计算R ：R =D m 2−D n24(m −n )λ四、内容与步骤（1）调节目镜使十字叉丝清晰。
（2）调节45度反射镜。
（3）由下向上缓慢地调焦。
（4）定性观察，防止一侧观察不到干涉条纹。
（5）定量测量，注意鼓轮单方向转动。
（6）测量条纹直经：D i =|x i 左−x i 右|（7）测量图示: ①测量第19～30环暗环的直径。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
波损失”。在上述系统中，空气、SiO2、Si的折射率分别为 1、1.5、3.5，因此在两个界面上的 反射光都存在“半波损失”，其作用相互抵消，对光程差不产生影响，所以SiO2台阶楔尖处仍 应为亮条纹。
当测量SiO2膜厚时，若以亮条纹为计算对象，并且SiO2台阶两边都出现亮条纹，则从楔 尖的第一个亮条纹算起，从一个亮纹到相邻另一个亮纹算为一个干涉条纹，如图 28.1 所示的
1
பைடு நூலகம்
的厚度应为
X =m λ 2n
这就是我们通常用来计算SiO2层厚度的公式。其中SiO2的折射率n≈1.5，λ为照射光的波 长，m习惯上称为干涉条纹数。
由前面的分析可知，在SiO2台阶楔尖处应出现亮条纹。 但光在不同的介质上反射时， 我 们应考虑“半波损失”。根据光学原理，当光从光疏媒介进入光密媒介时，其反射光存在“半
n为SiO2的折射率，X2为入射照射处SiO2厚度。由图可见，光束(1)和光束(2)的光程差为 2nX2。
假如光束(1)和光束(2)产生的干涉条纹为亮条纹，则下列关系式成立
Δ 2 = 2nX 2 = k2λ
∴
X
2
=
k2λ 2n
又若光束S2在SiO2台阶表面的反射光束和在SiO2界面处的反射光束产生一个与上述亮纹
实验 用光的干涉法测量薄膜厚度
在半导体平面工艺中，SiO2薄膜的质量好坏对器件的成品率和性能影响很大，因此对SiO2 薄膜必须作必要的检查，厚度测量是SiO2膜质量检查的重要内容之一。SiO2膜厚的测量有多 种方法：如椭圆偏振仪测量，比色法估计等。干涉法测SiO2膜厚是生产中较普遍采用的测量 方法，其优点是设备简单，操作方便，无需复杂的计算。
四、实验数据处理和分析
(a)m>1
(b)m=1
图 28.4 弯曲度的测量
本实验所用光源的波长为：绿光：λ=0.53μm=5300Å；白光：λ=0.54μm=5400Å 橙光：λ=0.58μm=5800Å 。将实验结果列入表 28-1 和表 28-2 中。
表 28-1
干涉条纹法
样品编号
光源波长（Å）
干涉条纹数
标准光同硅片反射回来的光产生干涉。所以如果硅片表面是平整的，则由于标准镜是倾斜的，
产生的干涉条纹应当是一组直线。
2）如果硅片表面有台阶，则台阶两边反射回来的光线其光程是不同的，所以干涉条纹在 此处产生弯曲，其弯曲量取决于台阶两边的离度差和其折射率，而同台阶形状无关。
由于SiO2是透明的，所以SiO2的厚度 d = ΔN • λ ，
图案干涉条纹数应为 3。
若在干涉显微镜的视场内观察到的干涉图案如图 28.2 所示，对应于台阶顶端的左边为暗
条纹，对应于台阶楔尖的右边为亮条纹。这时公式中的干涉条纹数 m 不为整数。如图 28.2 所
示的干涉图案应算为二个半干涉条纹，即 m=2.5。由上述分析可知，干涉条纹的位置取决于
光程差，光程差的任何变化都将引起干涉条纹的移动。若光程差每变化一个波长，条纹就移
动一根。如果被测样品表面有部分凹凸不平，则两束光干涉后与被测样品表面不平处相对应
的地方，干涉条纹就产生了弯曲，
通过对干涉条纹的弯曲程度（用弯
曲量△N表示）的测量，同样可得
出SiO2 膜的厚度，为弯曲度法。 在用弯曲度法测SiO2膜厚时，
光将SiO2膜腐蚀成劈刀，如图 28.3 所示，因SiO2膜是透明的，SiO2膜 的上表面的反射光很弱，而下表面
附录：1．6J 型干涉显微镜外形图，如图 28.5 所示。 2．干涉显微镜的光路图，如图 28.6 所示。
6J型干涉显微镜的光学系统如图28.6所示，属于双光束干涉系统。光源S发出的光经分光 板1，被分成两部分：一部分反射，另一部分透射。被反射的光经物镜O2射向被测工件表面P2， 再由P2反射，射向目镜O3；而从分光板上透射的光线通过遮光板O1射向标准镜P1，再由P1反 射，射向目镜O3；而从分光板上透射的光线通过遮光板O1射向标准镜P1，在目镜分划板上两 束光产生干涉，从目镜中可以观察到干涉条纹。若样品表面平滑，则干涉条纹是平直的。
三、实验步骤
1．氧化层劈尖的制备。可以采用下面两种方法：
a. 在待测样品的表面涂一小滴黑胶，然后放入氢氟酸中将未被保护的SiO2层腐蚀掉。
b. 将被测样品的表面用蜡保护，然后放入氢氟酸中腐蚀。
以上两种方法腐蚀时要注意观察，以免造成过腐蚀，使台阶太窄。然后用去离子水冲洗，
再用滤纸吸干后放入甲苯或丙酮中去胶(或蜡)经验证明，用稍稀的氢氟酸效果较好。氧化层台 阶较宽，显示出来的干涉条纹粗而清晰，比较容易读数测量。
SiO2表面
出现暗条纹。由于整个SiO2台阶的厚度是连续变化的， 图 28.1 氧化层厚度测量原理示意图 因此，在SiO2台阶上将出现明暗相间的干涉条纹。
在图 28.1 中，光束S2在SiO2台阶上的反射光束用(1)表示，在SiO2-Si界面的反射光束用(2)
表示。根据光程的概念和小入射角的条件，光束(2)在SiO2内走过的光程应近似为 2nX2，这里
2．因干涉显微镜是一种精密测量仪器，因此测量时应尽量减小外界干扰，测量过程中避 免碰动桌子以免影响测量精度。
七、参考资料
1．6J 型干涉显微镜使用说明书，上海无线电仪器厂。 2．周佩瑶，徐玉兰，吴亚非.用干涉显微镜测量薄膜厚度的分析.首都师范大学学报(自然 科学版)，1999，20(2)，33-36。 3．桂智彬，张进城编.微电子实验.西安电子科技大学技术物理学院，2001。
根据光的干涉原理，当两道相干光的光程差△为半
波长的偶数倍，即当 Δ = 2K λ = Kλ (K=0，1，2，3…) 2
时，两道光的相位相同，互相加强，因而出现亮条纹。
(1) (2)
X
X3 x2
Si 衬底
当两道光的光距差△为半波长的奇数倍，即当
Δ = (2K + 1) λ 时，两道光的相位相反，因而互相减弱， 2
2．干涉条纹法测量膜厚
将有SiO2台阶的硅片置于干涉显微镜下，旋转旋钮使遮光板转入光路中，通过调焦即可
看到在台阶处出现与台阶的扭曲相对应的条纹，此即为等厚干涉条纹。其相邻条纹间SiO2厚
度差为 ΔX = λ ，所以总厚度 X = m λ ，其中m为条纹数目，n为折射率。
2n
2n
3．弯曲法测量膜厚
1）调节干涉显微镜的旋钮至双光路情况。由于显微镜本身带有一面标准镜，能反射一束
相邻的亮条纹。则同样应有下式成立
Δ3 = 2nX 3 = (K 2 + 1)λ
∴
X3
=
(k2 + 1)λ 2n
由此可知，两个相邻亮条纹之间的SiO2层的厚度差为
X3
−
X2
=
(k2 +1)λ 2n
−
k2λ 2n
=
λ 2n
同样，两个相邻暗条纹之间的SiO2层的厚度差应为
λ 2n
。
由此可见，如果从SiO2台阶楔尖算起至台阶顶端共有m+1 个亮条纹(或暗条纹)，则SiO2层
SiO2膜厚(μm)
弯曲 度法
样品编号
光源波长
表 28-2
a
b
c
3
m ΔN SiO2膜厚(μm)
五、思考题
用干涉条纹法能否测量铝膜的厚度，为什么?
六、注意问题
1．6J 型干涉显微镜是一种精密复杂的光学测量仪器，在使用和操作以前，必须首先弄清 各旋钮的作用。操作时动作必须极轻，极为小心，切不可用力过大，以防损坏仪器。
图 28.2 具有半个干涉条纹 的显微镜视场
图 28.3 用弯曲度量法测SiO2
的反射光较强(硅表面)，这样SiO2 膜上表面的反射可以忽略。 在劈尖两边p、c处反射光的光程不同。从D到p的反射光的光程为 2nd（n为SiO2的折射率），
入射光C到c的反射光的光程为 2d，这样从点p 到c光程的变化为 2nd − 2d = 2(n −1)d
其中弯曲量 ΔN = c − a m （m 为所测量的二条干涉 b−a
b …a
ba
带之间所包含的间隔数），对应图 28.4(a)所示情形。
当 m＝1 时，弯曲量简化为 ΔN = c − a ，对应图(b) b−a
… c
c
所示情形。用测微目镜分别测出 a，b，c 三个值，
然后带入公式计算SiO2膜厚。
本实验目的是了解干涉显微镜的结构，熟悉测量膜厚的基本原理；掌握用干涉条纹法和
弯曲度法测量不同样片膜厚的方法，并测出所给样品的膜厚。
一、实验原理
干涉条纹的测量原理是：当用单色光垂直照射氧化层表面时，由于SiO2是透明介质，所
以入射光将分别在SiO2表面和SiO2-Si界面处反射，如图 28.1 所示。
光程差每变化一个波长的数值时，干涉条纹就弯曲一根条纹的距离，如果变化△N 个λ则条
纹弯曲△N 根条纹的距离，故
2(n−1)d =ΔN λ
因SiO2膜的折射率m≈1.5，所以
d = ΔN • λ
通过干涉显微镜测出弯曲度△N，就可以求出SiO2膜的厚度。
二、实验内容
2
1．掌握用干涉条纹法和弯曲度法测量不同样片膜厚的方法； 2．通过 3 次重复测量计算样品的膜厚，求出其平均值。
图 28.5 6J 型干涉显微镜外形图
光源 S
聚 光 滤光片 透 镜 组
2 分光板
P2被测表面
O2物镜组 T1
P2' O1
1
遮光板
P1
O3
反射镜
目镜组
图 28.6 干涉显微镜的光路图
4