一种适用于在线检测的纳米薄膜厚度精确测量方法

性等优 点， 而且灵敏 度和精 度都 比较 高。 而， 然 其 设备复 杂 ，实验 数据 的计 算 处理 过 程 繁琐 冗 长， 测量结果与操作 者的经验有很 大关系 ， 并且 不能对 各 向异性 介质 进行 准 确测 量 ，因此难 以
做 到实时监 控。
现 在普 遍采 用 的在 线检 测方 法是全 光 谱拟
薄膜厚度 的测量方法有很多 。 中， 其 非光学 测量方法包括 电阻法 、 电容法 、 电磁法、 涡流法、 称量法 、超 声波 法 、ｏ粒子法 和探 针法 ［ 等 。 【 ］ 探 针法 是一 种较 为常 用 的方 法 ，它 通过 一个 高
相接 近 时。极值 法则 利 用 了多光 束干 涉 中在 光 学膜 厚 ｎ 为 Ａ ４ ｄ ／ 的整数倍 时 出现 的干涉极大 值
中图分类号 ： ０ ８ 文献标识 码 ： Ａ ４４ ＤＯ ： １． ６／ｉ ｎ１７—７５ ０１ ７ ０ Ｉ ０ ９９ｊｓ ． ２ ８． １． ． ２ ３ ．ｓ ６ ８ ２ ０ ０
Ａ ｎ ０ ｎ—ｉ ｃ ｕｒ ｔ ｅ ｓ ｅ ｅ ｔ Ｍ ｅ ｈｏｄ ｌｎｅ Ａ ｃ ａ ｅ Ｍ ａ ｕｒ ｍ ｎ ｔ
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膜必 须具有 足够 的厚 度才 能在光 谱 曲线 中存在 足够 多 的极 大值 或极 小值 点 ，所 以极值 法不 能 用于 测量超 薄 薄膜 ，它 一般要 求薄 膜 的厚度 在
２ ０ｎ 以上 。 ０ ｍ
探针 在薄 膜 表面 上 的移动也 会 给薄 膜造 成一 定
的损 害。 此外， 机械 与 电学测量方 法基本上是接 触式测量 ， 普遍存在测量 范 围窄、 通用性差和 需 要对 测试样品作特殊处理 等 问题 。 因此 ， 些方 这 法并 不适合在 线监测 。
以上两 种方法 虽 然设 备 简单 、测 量便 捷 以
及适 合 于在线 检测 和实 时监 控 ，但精 确度 都 不
高， 无法 用于类似 于纳米超 薄膜 的测量 。 本文通
过 引入 一层 可形成 干涉 的过 渡 层薄 膜 ，并 在 此
基础 上 镀制 待测 薄膜 ，然后 通过 镀膜 前后 的干 涉 峰位 的偏 移，即可 巧妙 地 实现对 超薄 薄 膜 的 精 确测量。 该方法与传 统 的全光谱拟 合法 、 值 极 法 和包 络法 等相结 合 后，不 仅 可 以对各 种厚 度 的薄膜进行精确测量 ， 而且其设 备简单 、 测量便 捷， 特别适合于在线 检测和 实时监控。 样既保 这 持 了传统方 法 的所有 优 点 ，同时 又能 实现对 超 薄 薄膜 的精确 测量 ，这对 于超 薄薄 膜 的精 确镀 制是非 常有利 的。
或 极小值 。利 用薄 膜 的透射 或反 射率 曲线上 的 ２ 或 ２ 以上 的极值 点的位置 ， 个 个 即可计 算 出薄
膜 的厚 度和光学常数 。 该方法计算 简单 ， 是薄 但
精度 机械触 针在 物体 表面 上进 行运 动来感 知表
面轮廓 的变 化 。台阶 仪就 是这 种方 法 的应 用实 例。 作为 一种基 于机械运 动的探针测量设 备，台 阶仪 的精 度受 到许 多 因素 的限制 ，而 且其 在测 量薄膜厚度 时， 需要露 出薄 膜基底作 为阶梯 。 因 此， 往往 需要对薄膜进行 二次加工 。 在测量 时，
Ａ ｂｓ ｒ ｃ ： Ａ ｏ ｅ ｈ ｎ ｆ ｍ ｈ ｃ ｅ ｓ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｍ ｅ ｈ ｄ ｉ ｐ ｏ ｓ ｄ．Ｉ ｈ ｔ ｏ ａ ｔ ａ ｉｉ ｎ ｔ ａ ｔ ｎ ｖ ｌｔ ｉ ｌ ｔ ｉｋｎ ｓ ａ ｕ ｅ ｎ ｔ ｏ ｓ ｒ ｐｏ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｒ ｎｓｔｏ ｌｙ ｒｗｈ ｃ Ｓｔ ｉｋ ｅ ｏ ｇ ｏ ｔ ｒｅ ｅ ｃ Ｓｕ ｅ ｕｂ ｔ ａ ｅ ｏ ｔ ｅ ｔ ｉｋ ｅ ｓｏ ｈ ｅ ｏ ｉｅ ａ ｅ ａ ｅ ｉ ｈ ｉ ｈ ｃ ｎ ｕ ｈ ｆ ｒ ｉ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ｉ ｓ ｄ ａ ａ ｓ ｓ ｒ ｔ ．Ｓ ． ｈ ｈ ｃ ｎ ｓ ｆ ｅ ｄ ｐ ｓｔ ｄ ｌｙ ｒ ｎ ｓ ｔ ｃ ｎ ｂ ｃ ｕｒ ｔ ｌ ｅ ｓ ｒ ｄ ｂ ｅ ｓ ｒｎ ｈ ｈｉ ｆａ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｐ ａ ｅ ｏ ｅ ａ ｄ ａ ｔ ｒ ｄ ｐｏ ｉｉ ｎ． ａ ｅ ａ ｃ ａ ｅ ｙ ｍ ａ ｕ ｅ ｙ ｍ ａ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｓ ｆ ｏ ｎ ｉ ｔ ｒｅ ｅ ｃ ｅ ｋ ｂ ｆ ｒ ｎ ｆ ｅ ｅ ｓｔｏ ｔ Ｂｅ ａ ｓ ｈ ｈ ｃ ｎ ｓ ｆ ｔ ｒ ｎ ｉｉ ｎ ｌｙ ｒ ｈ ｌｅ ｄ ｎ ｕ ｅ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｈ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｃ ｎ ｂｅ ｃ ｕ ｅ ｔ ｅ ｔ ｉｋ ｅ ｓ ｏ ｈｅ ｔ ａ ｓｔ ｏ ａ ｅ ａ ａ ｒ ａ ｙ ｉ ｄ ｃ ｄ ｉ ｔ ｒ ｅ ｅ ｃ ，ｔ ｅ ｉ ｔ ｒ ｅ ｅ ｃ ａ ｓ ｃ ｎ ｅ ｖ ｎ ｉ ｈ ｅ ｙ ｄ ｐ ｓｔ ｄ ｌｙ ｒ ｉ ｖ ｒ ｈ ｎ．Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｈ ｎ ｅ ｏ ｈ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｉ ｈａ ｇ ｄ ｅ ｅ ｆｔ ｅ ｎ ｗｌ ｅ ｏ ｉｅ ａ ｅ ｓ ｅ ｙ ｔ ｉ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈｅ ｃ ａ ｇ ｆｔ ｅ ｉ ｔ ｒｅ ｅ ｃ ｎ ｔ ａ ｍ ｉｔ ｎ ｅ ｏ ｅ ｅ ｔ ｎｃ ｐ ｃ ｒ ， ｈ ｈ ｃ ｅ ｓ ｏ ｈ ａ ｅ ａ ｅ ｄｅ ｅ ｍ ｉ ｅ ｃ ｕ ａ ｅ ｙ ａ ｄ ｅ ｉ ｒ ｎｓ ｔ ａ ｃ ｒ ｒ ｆ ｃ ａ ｅ ｓ ｅ ｔ ａ ｔ ｅ ｔ ｉｋｎ ｓ ｆｔ ｅ ｌ ｙ ｒｃ ｎ ｂ ｔ ｒ ｎ ｄ ａ ｃ ｒ ｔ ｌ ｎ ａ ｌ ｌ ｓ ｙ
文章编号 ： １７－７５２ １）７００－ ６２８８（０ １ －０９０ ０ ８
一
种 适 用 于 在 线 检 测 的 纳 米 薄 膜 厚 度 精 确 测 量 方 法
姬 弘桢 邹 娟 娟 崔 宝双
（ 国科 学 院 上 海 技术 物理 研 究 所 ，上海 ２０ ８） 中 ００３
摘 要： 出 了一种新 的薄膜厚度测 量方 法。 提 该方 法 以镀 有 一层 厚度足 以引起 干涉 的过 渡层为衬 底，通 过测 量镀膜 前后 透 （ 射谱 的变化，即可 实现 薄膜 厚度 的精确 测 量。 反） 由于过 渡层 的厚度 已经 弓起 干涉 ，新镀 上去 的待 测薄膜 即使 很 薄，也会 引起 干涉 的 变 Ｉ 化 。通过 镀制待 测 薄膜 前后 透 （ 射 谱 干涉 的变化，可 以很 容 易地 精确 测量 出待 测薄 反） 膜 的厚度 ，其测量极 限高达 １ ｍ 以上 。该 方 法既保持 了传 统光谱 法 的所有 优势 ，又 可 ａ 以精确 测量 纳米超 薄膜 的厚 度 。它 非常简 单、快捷，特别 适用 于镀膜 行 业 的在 线 检测 和实 时监控，尤其 是 弱吸收材 料超 薄膜 的厚度 测量 。 关键 词 ： 薄膜 ；厚 度；测量；精 确
随着 各个 应用领 域 的迅 速发 展 ，薄 膜 的质 量越
来越高 ， 度也越来越薄 。 厚 而薄膜 厚度 的精确测
量与监控 ， 对于光学器件 的设计 和功能实现 却至
关重要 。 因此， 对薄膜 （ 尤其是纳米超薄 膜） 厚度 进 行精 确测量 和 实时监 控一 直是 业 内所 期待 并
为之 努力 的方 向之一
收稿 日期： ０１０－５ ２１－５２ ， 基 金 项 目：国家 自然 科 学基 金 （ ８４９ １ ７１６、 ６５８１） ０ ０００８ ；上 海 市 青 年科 技 启 明星 跟 踪 计划 （ Ｑ １０５ ；上 海 市 研 ０ Ｈ ４２） ８ 发基地 协作 能力建设专项 （ Ｄ ２０２０、 ０Ｄ ２０００ ０ Ｚ２２０ ９ ８ Ｚ２１０） 作者简介： 弘桢 （ ８－ ，男 ，山东聊城 人，硕士研究生，主要从事光子晶体和薄膜技术研 究。 姬 １ ７） ９
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Baidu Nhomakorabea
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透 到信 息、生物、航空 、 航天 和新能源等前 沿领 域， 薄膜技术在从 航天 、 星等空 间探 测器到集 卫 成 电路 、生物芯 片、激光器件 、液晶显示 以及集 成光学等 方面都发 挥着重要 作用 ［ ３。 １］ － 薄 膜 的光学 常数 （ 折射 率 ｎ和 消光 系 数 ｋ ） 和厚 度是 决定 其性 质和控 制性 能 的基本参 数 。
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ｔ ｉ ｌ ； ｈｉｋ ｅ ｓ ｄ ｔ ｒ ｎ ｔ ｏ ｐ ｅ ｉｅ ｄｓ ｈ ｎ ｆ ｍ ｔ ｃ ｎ ｓ ； ｅ ｅ ｍｉ ａ ｉ ｎ； ｒ ｃ ｓ ｉ
０ 引 言
自２ 世纪 ７ 年代 以来 ， ０ ０ 薄膜 技术和 薄膜材
料得 到 了迅速 发 展 ，已成 为 当代 真 空技术 和 材 料 科学 中最 活跃 的研 究 领域 。由于跨 学 科 的综 合设 计与 高精 尖 的制造 技术 已使 得薄 膜 技术 渗
合法和极 值法 ［ ９ 。全 光谱拟合 法首先 通 过测 ７］ － 量待测薄 膜 在宽 光谱 范 围内的透 射率 或反 射率 曲线， 然后用计算 机进行计算 或迭代拟合 ， 最后 得到薄 膜 的厚度 及其 在此 波段 内的光 学常 数 。 但是这 种方法 纯 粹是 通过 拟合 的方 式来获 取 薄 膜 的厚度信 息的， 于 ２ ｍ以 内薄膜 的拟合 误 对 ０ ｎ 差很 大 ，尤 其是 当待 测薄 膜 的折 射率 与基 片 的
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