CN100573036C - 一种薄膜厚度和折射率的光学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜厚度和折射率的光学测量方法。将宽带光源出射的光通过干涉结构，产生干涉信号，再探测干涉信号的光谱信息，并将光谱信息进行傅立叶变换，即可得到产生干涉信号的二光路的光程差信息。在折射率已知的情况下，以同种方式在一个干涉臂中放置样品后再测一次，比较这两次光程差信息即可薄膜厚度。若折射率未知，需将薄膜旋转一个角度，进行第三次测量来计算出获得薄膜的折射率和厚度。本发明采用光学方法，对样品是无损的，分辨率为微米量级，测量范围可达到毫米量级。另外样品不要求严格贴附在样品台上，同时信息处理方法简单，对于透明或半透明薄膜可以方便实时地得到其厚度和折射率信息。

Description

一种薄膜厚度和折射率的光学测量方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种薄膜厚度和折射率的光学测量方法及其装置，它适用于透明或半透明薄膜(能被光穿透的薄层)的厚度和折射率的工业检测领域。

背景技术

薄膜厚度是衡量薄膜质量的一个关键参数，目前有多种方式可以测量薄膜厚度，比如X射线干涉方法，干涉显微镜测量，但是它们只能用来测量薄膜厚度，不能用来测折射率。而且X射线技术极少为薄膜生产线所采用，X光管寿命短，更换费用昂贵，一般可用2-3年，而且不适用于测量由多种元素构成的聚合物，信号源放射性强，常用于钢板等单一元素的测量。而干涉显微镜就是通过对比干涉条纹的方法来实现对样品表面形貌的测量，也可以用来测量薄膜的厚度，但是这种方法需要对二维的干涉图进行条纹对比处理，结构、处理方法还相对复杂，测量厚度一般也只能在0.03um～1um，当然不适于实时的工业测量。

目前经常使用椭圆偏振仪来测量薄膜厚度和折射率。椭圆偏振法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光.根据偏振光在反射前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品表面的许多光学特性。具体装置如图1所示，从光源1的出射光经起偏器2后变成线偏振光，偏振方向由起偏器的方位角决定，线偏振光再经过1/4波片3，其中非寻常光与寻常光的位相差δ＝2π(n_e-n_o)d/λ，当(n_e-n_o)d/λ＝λ/4时，寻常光与非寻常光之间的位相差为90°，合成椭圆偏振光，照射在待测样品7上，8为衬底，经反射后一般为另一椭偏光，转动起偏器，可使反射的椭偏光变成线偏振光，转动检偏器4的方位角，使其达到消光状态，由探测器5检测。如果入射角、入射光波长、空气和衬底的折射率已知，通过测量的椭偏参数(Ψ，Δ)，可以求出薄膜的折射率n和物理厚度d，但一般都没有解析解，通常只能由计算机6给出数值解。椭圆偏振法是测量光学薄膜折射率和厚度的常用方法，精确度高，一般可达到纳米量级，范围一般为微米量级。但是由于这种方法原理和操作比较复杂，不可能用于实时检测。

中国专利文献“测量光学薄膜等效折射率及物理厚度的设备和方法”(专利申请号：02137758.8)。该专利提到了一种通过测量多个角度反射谱来同时获得薄膜折射率和厚度的设备和方法。该方法是根据入射光在空气-薄膜-衬底的界面处两次反射会发生干涉，其干涉现象会从反射谱上表现出来。测得两个不同入射角θ₁、θ₂含有干涉信息的反射谱R(θ₁，ω)和R(θ₂，ω)，采用薄膜反射率公式同时拟和这两个反射谱，得到相应的光程差Δ₁和Δ₂，最后根据折射定律，联立两个方程可以得出薄膜的折射率n及厚度d。但是以上提到的所有光学测量方法都是采用的反射式测量，即光通过样品的两个层面时各层反射的光发生干涉，提取这个干涉信号，得到厚度信息。通常的利用干涉方法提取厚度信息，也都是反射式测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄膜厚度和折射率的光学测量方法，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；本发明还提供了实现该方法的装置。

本发明提供的薄膜厚度和折射率的光学测量方法，其步骤包括：

(a)将宽带光源出射的光通过分光棱镜分成两束光，然后分别通过一个反射镜反射，再由分光棱镜将反射后的两束光汇聚成一束，形成干涉光路，产生干涉信号，再探测干涉信号的光谱信息，并将光谱信息进行傅立叶变换，得到产生干涉信号的二路光的光程差信息S1；

(b)将待测量样品薄膜放置在上述任一反射镜前，薄膜垂直于光路，光透过薄膜由反射镜反射回，重复步骤(a)，得到产生干涉信号的二路光的光程差信息S2；

(c)当待测量样品的折射率已知时，利用光程差信息S1和S2，得到待测量样品的厚度；

当待测量样品的折射率未知时，将待测量样品旋转一个角度后放置到同一反射镜前，再重复步骤(a)，得到产生干涉信号的二光路的光程差信息S3；根据光程差信息S1、S2和S3，计算获得薄膜的折射率和薄膜厚度。

本发明采用光学方法，对样品是无损的，利用了干涉技术，所以精度高。并且进行透射式探测，利用光程差改变的原理，分辨率可以达到微米量级。另外用频域的方式处理，不需要装置本身在测量过程中有任何移动，测量范围可达到毫米量级。而且本发明装置的信息处理方法简单，同时样品不要求严格贴附在样品台上，可以方便实时地得到薄膜厚度信息。

本发明为透射式探测，即用一个分光棱镜或分光片将入射光分成两束光路，这两束光路经反射镜反射后又汇聚成一束产生干涉，而样品就置于其中一个干涉臂当中，光是从样品上透过的。所以本发明只适于能被光穿透的薄膜的厚度和折射率的测量，但是不要求薄膜附在某个基底上或严格要求放在某个位置上。像这种能被光穿透的物质，反射率远低于反射镜，所以通过反射得到的干涉信噪比低，而由反射镜反射，光形成的信号很强。所以本发明针对能被光穿透的物质，可以实时、准确、方便的得到干涉信号，提取厚度和折射率信息。

附图说明

图1为椭圆偏振仪结构示意图；

图2为本发明光学检测装置结构示意图；

图3为麦克尔逊干涉结构示意图；

图4为马赫-泽德干涉结构示意图；

图5为频域探测装置结构示意图；

图6为宽带光源的干涉信号图；

图7(a)为反射式探测方式，图7(b)为透射式探测方式；

图8为本发明光学检测装置具体实例装置的结构示意图；

图9为无薄膜时，将干涉信号傅立叶变换后重构出的光程差图；

图10为在样品镜前平放薄膜，将干涉信号傅立叶变换后重构出的光程差图；

图11为在样品镜前将薄膜倾斜一定角度后，将干涉信号傅立叶变换后重构出的光程差图；

图12为光通过薄膜时的光路示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，本发明装置包括宽带光源9，干涉组件10，频域探测装置11和数据处理器12。

干涉组件10可以采用现有的各种干涉结构。目前的干涉结构主要有麦克尔逊干涉结构和马赫-泽德干涉结构。如图3所示，麦克尔逊干涉结构包括光源17，分光元件13，反射镜14、15和探测器16。如果采用这种干涉结构，干涉组件10包括第一分光元件13，第一、第二反射镜14、15。第一、第二反射镜14、15的反射面分别与第一分光元件13出射的光束方向垂直。第一分光元件13将宽带光源9出射的光分成两束，射向第一、第二反射镜14、15，反射回的两束光再次经过第一分光元件13汇聚成一束，再由频域探测装置11接收。

如图4所示，马赫-泽德干涉结构包括光源17，分光元件13、18，反射镜14、15和探测器16。如果采用这种干涉结构，干涉组件10包括分光元件13、18，反射镜14、15。分光元件13将宽带光源9出射的光分成两束，分别被第一、第二反射镜14、15以一定角度反射出去，然后在第二分光元件18上汇聚成一束。即光束落在第一、第二分光元件13、18、第一、第二反射镜14、15上的位置位于光束构成的四边形的四个角上。通常这四个反射面安排的近乎平行，他们的中心位于平行四边形的四个角上。

由于通常光源会是发散光源，所以根据需要会在干涉结构中加上汇聚透镜来调整光路。在下述部分以麦克尔逊干涉结构为例所列出的具体实例装置中就加4块汇聚透镜，也作为干涉组件的一部分。分光元件可以采用分光片或分光棱镜等分光器件。

宽带光源9出射的光经干涉组件后产生的干涉信号，再经过频域探测装置11，探测信号光的光谱信息，并将光谱信息传送给数据处理器12做傅立叶变换，得到产生干涉的两光路的光程差信息。频域探测装置11可以采用光谱仪，或者采用如图5所示的结构，包括分光光栅19和探测阵列20，分光光栅分光后再由线性探测阵列或面探测阵列接收各波长光强信息。当宽带光源9为宽带扫描光源时，频域探测装置11也可以采用点探测器。

使用时，将样品薄膜放置在干涉组件10的其中一个反射镜前，样品面垂直于光路，薄膜可以不要求贴附在反射镜上，光透过薄膜，使两光路间的光程差改变。在样品折射率已知的情况下，将两次测量到的相对光程差信息(一次放置样品薄膜、一次不放样品薄膜)在数据处理器12对比处理即可得到样品厚度。

在样品薄膜折射率未知的情况下，将样品面旋转一定角度，按照上述同样的测量方法进行第三次测量，与以上两次结果比较可以算出光通过倾斜的薄膜的光程信息。倾斜后光在薄膜内传播的距离改变了，对比这三次光程信息，即联立三个方程可得出薄膜的折射率和薄膜厚度。

通常宽带光源的相干范围很窄，即发生干涉的两路光的光程差在相干范围内才能发生干涉。如图6所示，若光源中心波长为1327nm，带宽70nm，根据公式

相干范围约为11um。通常利用宽带光源进行厚度方向大范围的测量，一般都需要扫描，这样就带来了机械震动的影响，或降低了速度和精确度，操作也变得复杂。本发明仍然采用宽带光源，并采用频域探测装置11和数据处理器12进行频域方式处理。根据理论公式

$z_{\max }=\frac{1}{4n_{\mathrm{ave}}}\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{\Δ\λ}}N---\left(2\right)$

其中λ₀为光源中心波长，Δλ为光源带宽，n为光所穿透介质的折射率，N为光谱仪探测阵列的单元数。对比公式(1)、(2)可以看出，探测范围大约比原来增加了N倍，一般可达到毫米量级。这样就可以在无扫描的情况下得到薄膜的厚度信息。

另外使用这种频域方式探测通常是反射式的，如图7(a)所示，这时反射镜14和薄膜27的上下两层共三个反射面的光与参考镜15的反射光发生干涉，光谱仪接收到的是多层干涉光叠加的信息，经过傅立叶变换，将会得到这三个反射面相对参考镜15的光程差，从而也可以算出薄膜的厚度。但是因为其他物质反射率一般远低于反射镜的反射率，信噪比不高。另外这种方法的探测厚度的分辨率将受到宽带光源相干范围的限制，即如果薄膜的厚度在相干范围内时，不能将薄膜上下两层的距离区分开来，即分辨率不可能小于受光源带宽限制的相干范围。实际上对于薄膜的测量，这种分辨率往往不够。本发明采取透射式的方式，如图7(b)所示，即可以忽略薄膜27上下两表面的反射光，只采用从样品镜(反射镜14)表面反射回的光，这样获得的干涉信号调制度比较大，可以得到比较好的信噪比，测量的准确度也较高。再将加薄膜和不加薄膜两次测量的相对光程差位置信息对比处理，得到样品的厚度信息，这样就是利用光程差改变的原理，避开了宽带光源相干长度的限制，可以获得微米或亚微米的分辨率。

下面以麦克尔逊干涉结构为例对本发明装置的结构进行详细的说明。如图8所示，该装置包括宽带光源9、光谱仪11、分光棱镜13、第一至第四聚焦透镜22、23、24、25，第一、第二反射镜14、15，数据处理器12。光由光纤21从宽带光源9导出，成为一个发散点光源，所以再由第一透镜22汇聚，光通过分光棱镜13分成两束。为方便说明，以第一反射镜14为样品镜，第二反射镜15为参考镜。在光到达两反射镜前分别由第二、第三透镜23、24聚焦成一点。光由第一、第二反射镜14、15反射后，又经过分光棱镜13汇成一束出射光，再由第四透镜25汇聚成一点通过光纤26传送至光谱仪11。光谱仪11将干涉信号的光谱信号输出至数据处理器12，数据处理器12对接收到的信号进行傅立叶变换，就可得到两镜子的相对光程差。若在样品镜14前加上薄膜27，薄膜27不要求贴附在反射镜上，只需放在样品镜14和聚光透镜24之间，再做第二次测量，由于薄膜27的加入，使得两反射镜的相对光程差与第一次测量相比有所改变。若薄膜27的折射率已知，将两次相对光程差信息对比处理即可得到样品厚度。数据处理器12用来做傅立叶变换和信息的对比处理。假设宽带光源9中心波长为1327nm，带宽为70nm，被光谱仪11接收的宽带光源干涉信号光谱通过处理器12进行傅立叶变换，即

I(z)＝FT{I(k)}                    (3)

未加薄膜27时，得到样品镜相对参考镜的光程差信息如图9所示。在第一反射镜14和第三聚焦透镜24之间放一层薄膜27，薄膜27垂直与光路，即与反射镜14平行，做第二次测量，此时被光谱仪11接收的干涉信号光谱经过傅立叶变换后得到相对光程差的信息如图10所示。对比图9、图10，可以看到因为引入了一层薄膜，两反射镜之间的光程差有所改变，两峰值位置即两次测量时样品镜分别相对于参考镜的光程差位置。然后再将这两次相对光程差信息对比处理，两个峰值位置分别表示为x1、x2，则

(n2-n1)*d＝x2-x1＝5.1um            (4)

其中n2为塑料薄膜折射率，n1为空气折射率，d为薄膜厚度，若取n1＝1，n2＝1.47，则d＝10.85um。

若薄膜的折射率未知，可以将薄膜27旋转一个角度，此时样品镜14相对参考镜15的光程差信息如图11所示。图12为光在薄膜中传播的光路图，实线表示光的此时的传播的光路，虚线表示无薄膜时或薄膜平行于反射镜14时光的传播光路。根据图12推导公式如下：

(n2-n1)d＝x2-x1                        (5)

n2*d/cosθ₂+n1*L-n1*d/cosθ₁＝x3-x1    (6)

L＝d/cosθ₂*sin(θ₁-θ₂)*tanθ₁        (7)

n1*sinθ₁＝n2*sinθ₂                   (8)

n2为薄膜折射率，n1为空气折射率，x1为未放薄膜时测得的两反射镜相对位置，x2为薄膜平放时测得的两反射镜相对位置，x3为薄膜斜放时测得的两反射镜相对位置(θ₁为薄膜放置的法线与入射光的夹角)，L如图所示为光在空气中传播的一段距离。将x1＝61.19um，x2＝66.29um，x3＝69.69um，n1＝1带入式(5)(6)(7)(8)得：n2＝1.5。

Claims (1)

1、一种薄膜厚度和折射率的光学测量方法，其步骤包括：

(a)将宽带光源出射的光通过分光棱镜分成两束光，然后分别通过一个反射镜反射，再由分光棱镜将反射后的两束光汇聚成一束，形成干涉光路，产生干涉信号，再探测干涉信号的光谱信息，并将光谱信息进行傅立叶变换，得到产生干涉信号的二路光的光程差信息S1；

(b)将待测量样品薄膜放置在上述任一反射镜前，薄膜垂直于光路，光透过薄膜由反射镜反射回，重复步骤(a)，得到产生干涉信号的二路光的光程差信息S2；

(c)当待测量样品的折射率已知时，利用光程差信息S1和S2，得到待测量样品的厚度；

当待测量样品的折射率未知时，将待测量样品旋转一个角度后放置到同一反射镜前，再重复步骤(a)，得到产生干涉信号的二光路的光程差信息S3；根据光程差信息S1、S2和S3，计算获得薄膜的折射率和薄膜厚度。

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