CN1182384C - 测量薄膜折射率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

测量薄膜折射率的方法及其装置，是利用光栅通过透镜产生多个极大点，在频谱面上放置二元滤波器及薄膜样品，在光栅共轭象面上获得干涉条纹，利用输出与测量结构在象面上进行接收和观察，并测量干涉条纹的周期和错位量，从而求得薄膜的折射率。它能够解决折射率不确定性问题，测量过程简单，装置调节方便，测量稳定可靠，且易于实现。本发明测量条纹的精度达λ/10～λ/20，测量折射率精度为0.01～0.005。

Description

测量薄膜折射率的方法及装置

(一)技术领域

本发明涉及一种测量薄膜折射率的方法，特别是采用光栅干涉原理测定薄膜折射率的方法，同时还涉及实现该方法的设备装置，属于薄膜测量技术领域，在半导体及光电器件、显示器件、光学薄膜材料、光磁盘材料和有机薄膜等领域有广泛应用。

(二)背景技术

薄膜材料是当前科技研究和发展的热点，薄膜折射率是重要的光学指标之一。测量薄膜折射率的主要方法有椭圆偏振法、棱镜耦合法和分光光度法等。椭圆偏振法有很高的测量精度，但当薄膜折射率和基底折射率相接近时，如测定玻璃表面SiO₂膜的折射率时，会产生较大的误差；棱镜耦合法适用于厚膜(一般大于300nm)的折射率测量。分光光度法测量过程和计算比较复杂，且在薄膜厚度较小(一般小于300nm)时，测量精确度较差。传统的干涉法也可用于薄膜折射率的测量，但调节和测量过程比较麻烦，难以确定错位条纹数，给折射率测量带来不便。

(三)发明的内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种利用光栅干涉原理对薄膜折射率进行准确测量的方法及其装置，它能够解决折射率不确定性问题，测量过程简单，装置调节方便，测量稳定可靠，且易于实现。本方法测量条纹的精度达λ/10～λ/20(λ表示波长)，测量折射率精度为0.01～0.005，适用于透明或不透明基底上透明或弱吸收薄膜折射率的测量，也适合于测量双折射薄膜的折射率。

本发明方法包括如下步骤：

(1)由光源发射的一束单色光经光束处理机构处理，形成一束平面平行波或球面波照明光栅；

(2)平面平行波或球面波经过光栅衍射，在傅立叶透镜的频谱平面上形成光栅的频谱，在光栅共轭象面上形成一个被放大的光栅象或干涉条纹，由输出与测量结构完成接收和测量；

(3)在傅立叶透镜的频谱平面上放置二元滤波器和待测薄膜样品，调整它们的位置，使经过薄膜样品的光束先后产生两套有错位量的干涉条纹，通过条纹测量装置读取它们的周期和错位量；

(4)以干涉条纹的周期和错位量为依据，计算得到待测薄膜样品的折射率。

在上述方法中，步骤(1)中单色光经光束处理机构处理，形成平面平行波或球面波的过程如下：单色光首先经过扩束镜扩束，经过一个针孔滤波器低通滤波，再经过准直镜形成平面平行波；或者经过扩束镜扩束，再经过一个针孔滤波器低通滤波形成球面波照明。

步骤(2)中，当待测薄膜样品为透明基底时，光束照射待测薄膜样品，在其共轭象面上形成一个被放大的光栅象，由位于象面上的输出与测量结构中的条纹测量装置直接进行测量，或者先经过输出与测量结构中的傅立叶透镜处理后，再由位于象面上的条纹测量装置测量；当待测薄膜样品为不透明基底时，光束照射待测薄膜样品后，其形成的放大光栅象或干涉条纹，必须先经过输出与测量结构中的分束镜分束反射后，才能由输出与测量结构中、位于共轭象面上的条纹测量装置进行测量。

步骤(3)中，调整待测薄膜样品位置的方法如下：当薄膜及基底为透明时，将二元滤波器(开口为0.1～3mm)与薄膜样品叠放在一起，置于傅立叶透镜的频谱平面上，仅让光栅频谱的二个干涉极大点通过(不一定是相邻极大点)，这样在象面处出现按正弦规律变化的干涉条纹，其间隔或周期可由输出与测量结构测量。由于薄膜样品镀有台阶，且薄膜及基底是透明的，调节薄膜样品和二元滤波器的位置，让选定的两个极大点同时透过透明基底，用输出与测量结构测量干涉条纹的周期和位置；然后沿垂直于光轴方向平移薄膜样品，使其中一个极大点透过薄膜，另一个极大点仍透过基底，这时，干涉条纹会发生位移，再用输出与测量结构测量条纹的错位量。当薄膜透明而其基底非透明时，其调节方式如下：将二元滤波器(开口为0.1～3mm)与薄膜样品叠放在一起，置于傅立叶透镜的频谱平面上，仅让光栅频谱的二个干涉极大点反射(不一定是相邻极大点)，经分束镜反射，在光栅的象面处出现按正弦规律变化的干涉条纹，其间隔或周期可由输出与测量结构测量。由于薄膜样品镀有台阶，且基底是不透明的，调节薄膜样品和二元滤波器的位置，让选定的两个极大点同时经基底反射，再经分束镜反射，用输出与测量结构测量干涉条纹的周期和位置；然后沿垂直于光轴方向平移薄膜样品，使其中一个极大点透过薄膜，再由基底反射，另一个极大点直接由基底反射，其反射光再经分束镜反射，这时，干涉条纹会发生位移，再用输出与测量结构测量条纹的错位量。

步骤(4)中，当薄膜样品的基底是透明时，采用如下的公式(3)或(5)计算薄膜的折射率；当薄膜样品的基底是非透明时，采用公式(4)或(6)计算薄膜的折射率。公式(3)、(5)和公式(4)、(6)的推导过程如下：

根据光的干涉理论和简单计算，对于透明基底表面薄膜，两次测量由薄膜厚度引入光程改变为：

$d(n_f-1)=\frac{c}{e}\mathrm{\λ}----\left(1\right)$

对不透明基底的表面薄膜，也有

$2d(n_f-1)=\frac{c}{e}\mathrm{\λ}----\left(2\right)$

(1)和(2)式中，d和n_f分别为薄膜的厚度和折射率，λ为光波波长，e和c分别为干涉条纹的周期和条纹位移量。若测得e和c，且λ和d为已知量，则

$n_f=1+\frac{\mathrm{c\λ}}{\mathrm{ed}}----\left(3\right)$

$n_f=1+\frac{\mathrm{c\λ}}{2\mathrm{ed}}----\left(4\right)$

对(3)和(4)式进行讨论：

1、在很多情况下，薄膜厚度较小，(3)和(4)式是适用的，如λ＝0.6μ，n_f＝1.5，对于透明基底，当d小于1.2μ时，(3)式是成立的；对于不透明基底，d小于0.6μ时，(4)式是成立的。

2、若薄膜厚度较大时，位移量会超过一个周期，则(3)和(4)式可表示为

$n_f=1+(m+\frac{c}{e})\frac{\mathrm{\λ}}{d}----\left(5\right)$

$n_f=1+(m+\frac{c}{e})\frac{\mathrm{\λ}}{2d}----\left(6\right)$

(5)和(6)式中，m为错位条纹数，取0、1、2……整数。因此，n_f有多个不确定值。可采用两种方法解决：一是查找材料数据手册，根据生产过程的条件确定折射率的变化范围而取舍；二是采用双波长光照明测量方法，确定的m值。设|λ₁-λ₂|足够小，以至两种波长产生的条纹错位数m相同，且n_f不随波长改变，则由(5)和(6)式得：

$m=\frac{{\mathrm{\λ}}_2{c}_2-{\mathrm{\λ}}_1{c}_1}{e({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}----\left(7\right)$

由(7)式求得的m可能不是整数，取最接近的整数代入(5)或(6)式，确定值n_f。

3、若考虑光从光疏介质入射到光密介质的反射位相损失，(2)式应改变为

(8)式中为反射位相损失量，对于同一类型的薄膜是一个常数，可用实验确定。设膜厚较小，即m＝0，d和n_f已知，则

因此，测量不透明基底的表面薄膜时，应考虑的影响。

为了实现本发明方法，必须采用专门设计的专用设备装置来实现干涉条纹周期和错位量的读取。本发明的实现装置由光源、光束处理机构、光栅、傅立叶透镜、二元滤波器、待测薄膜样品支架、输出与测量结构共同连接构成，其相互位置与连接关系为：沿着光束前进的方向，依次共轴(指光轴)排列着光源、光束处理机构、光栅、傅立叶透镜、二元滤波器、待测薄膜样品支架、输出与测量结构，其相互位置保证由光源发射的一束单色光经光束处理机构处理，形成一束高质量的平面平行波或球面波照明光栅，平面平行波或球面波经过光栅衍射，在傅立叶透镜的频谱平面上形成光栅的频谱，经二元滤波器处理，照射待测薄膜样品，在光栅共轭象面上形成一个被放大的光栅象或干涉条纹，由输出与测量结构完成接收和测量。在本装置中，上述各部件由相应的安装支架固定和安装，相邻部件之间的距离和位置可以调节。

在上述装置中，光束处理机构包括扩束镜和针孔滤波器，或者包括扩束镜、针孔滤波器和准直镜，此时扩束镜与准直镜的相互距离等于它们的焦距之和；光栅常数b和傅立叶透镜的焦距f必须满足如下关系：

$\frac{1}{b}=\frac{x}{\mathrm{\λf}},$ 式中x是频谱面F处相邻极大之间的距离。

在上述装置中，二元滤波器和待测薄膜样品由有多维调节功能的安装支架安装于频谱面上，使它们可沿垂直于光轴方向微动。当待测薄膜样品为透明基底时，输出与测量结构由一个条纹测量装置、或者一个傅立叶透镜和一个条纹测量装置构成，当待测薄膜样品为非透明基底时，输出与测量结构由一个分束镜和一个条纹测量装置构成。

本发明的原理是：利用光栅通过透镜产生多个极大点，在频谱面上放置二元滤波器及薄膜样品，在光栅共轭象面上获得干涉条纹，利用输出与测量结构在象面上进行接收和观察，并测量干涉条纹的周期和错位量，从而求得薄膜的折射率。

本发明具有如下优点或效果：

1、实验表明，本发明方法光路调整及测量过程方便、快捷，干涉条纹稳定可靠，条纹间隔方便调节；

2、本发明方法对薄膜及基底材料折射率的相对大小无特殊要求；

3、本发明方法较好地解决薄膜折射率不确定的问题，测量范围大；

4、本发明方法的测量折射率精度达到0.01～0.005；

5、本发明装置设计简单、采用的部件均为常用部件，容易实现且成本较低。

(四)附图说明

图1是本发明方法的程序方框图；

图2是本发明装置第一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明装置第二种实施方式的结构示意图；

图4是本发明装置第三种实施方式的结构示意图；

图5是本发明装置第四种实施方式的结构示意图。

(五)具体的实施方式

由图1可见，本发明方法包括如下步骤：(1)由光源发射的一束单色光经光束处理机构处理，形成一束高质量的平面平行波或球面波照明光栅；(2)平面平行波或球面波经过光栅衍射，在傅立叶透镜的频谱平面上形成光栅的频谱，在光栅共轭象面上形成一个被放大的光栅象或干涉条纹，由输出与测量结构完成接收和测量；(3)在傅立叶透镜的频谱平面上放置二元滤波器和待测薄膜样品，调整它们的位置，使经过薄膜样品的光束先后产生两套有错位量的干涉条纹，通过输出与测量结构读取它们的周期和错位量；(4)以干涉条纹的周期和错位量为依据，计算得到待测薄膜样品的折射率。

由图2所示的具体实施方式适合于透明基底表面薄膜折射率的测量。图中，1为光源，2为扩束镜，3为准直镜，4为光栅，5为傅立叶透镜，6为二元滤波器，7为待测薄膜样品，8为条纹测量装置，9为针孔滤波器。O、F和I分别为物面、频谱面及象面。扩束镜2和准直镜3构成光束处理机构；输出与测量结构由条纹测量装置8构成。

光源1是单色光源，可采用各类可见光激光器，如He-Ne激光器和半导体激光器等，也可以是传统的光源经滤色片或单色仪分光获得或光纤引入，如白炽灯、氙灯和汞灯等。扩束镜2和准直镜3构成了倒望远镜系统，获得一束平行光。针孔滤波器9是在黑色的金属片上打直径为几十微米的小孔而制成，作用是使光斑更加均匀。光栅4是一维的普通光栅，如振幅、位相或Ronchi光栅等，由全息照相、光刻或模压等方法制造。傅立叶透镜5最好是消象差的，使光栅的象没有明显变形。光栅常数b和傅立叶透镜的焦距f满足如下关系：

$\frac{1}{b}=\frac{x}{\mathrm{\λf}}$

式中x是频谱面F处相邻极大之间的距离。一般x应足够大，以二元滤波器6和薄膜样品7容易调节为依据，合理选择b和f的大小。所有透镜可以是玻璃或塑料等制成，二元滤波器6上开有矩形小孔，可用黑色的金属片或塑料片等材料制作，条纹测量装置8可以是一只测量显微镜，也可以由一维线阵或二维面阵光电探测器或摄像头(如CCD或SSPD等)及其数据处理装置组成。整个测量系统可设计成小型的专门测量仪器，以便调整和测量。

本测量装置光路可按下述步骤或方法进行调整：首先调节光束与光具座或光学平台平行，使扩束镜、准直镜和傅立叶透镜共轴；调节扩束镜与准直镜的相互位置，使它们的距离等于它们的焦距之和，获得一束平行光，再使光栅通过傅立叶透镜成象于条纹测量装置处，最后在频谱面插入二元滤波器及薄膜样品，进行测量。

图3是本发明方法的另一种典型的实施方式，适合于非透明基底表面薄膜折射率的测量。在傅立叶透镜5左边的光路及元件与图2是一致的，其区别是输出与测量结构增加了一块分束镜10，使薄膜样品反射回来的光经过分束镜后反射到I处，由条纹测量装置8接收及测量。

图4所示的具体实施方式适合于透明基底表面薄膜折射率的测量。图中，光束处理机构由扩束镜2和针孔滤波器9构成；输出与测量结构由条纹测量装置8构成。其它与图2相同。在本具体实施方式中，傅立叶透镜5既起到傅立叶变换的作用，也有输出的功能，使本装置的结构更加简单。

图5所示的具体实施方式适合于透明基底表面薄膜折射率的测量。图中，光束处理机构由扩束镜2、针孔滤波器9和准直镜3构成；输出与测量结构由傅立叶透镜11和条纹测量装置8构成。其它与图2相同。

本发明并不局限于上述的方案，只要利用光栅通过透镜产生多个极大点，在频谱面上放置滤波器及薄膜样品，在光栅共轭象面上获得干涉条纹，利用输出与测量结构在象面上进行接收和观察，并测量干涉条纹的周期和错位量，从而求得薄膜折射率的方法以及相应的系统，均属于本专利的保护范围。

Claims (10)

1、一种测量薄膜折射率的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)由光源(1)发射的一束单色光经光束处理机构处理，形成一束平面平行波或球面波照明光栅(4)；

(2)平面平行波或球面波经过光栅(4)衍射，在傅立叶透镜(5)的频谱平面上形成光栅的频谱，在光栅共轭象面上形成一个被放大的光栅象或干涉条纹，由输出与测量结构完成接收和测量；

(3)在傅立叶透镜(5)的频谱平面上放置二元滤波器(6)和待测薄膜样品(7)，调整它们的位置，使经过薄膜样品的光束先后产生两套有错位量的干涉条纹，通过条纹测量装置读取它们的周期和错位量；

(4)以干涉条纹的周期和错位量为依据，计算得到待测薄膜样品的折射率。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中单色光经光束处理机构处理，形成平面平行波或球面波的过程如下：单色光首先经过扩束镜(2)扩束，经过一个针孔滤波器(9)低通滤波，再经过准直镜(3)形成平面平行波；或者经过扩束镜(2)扩束，再经过一个针孔滤波器(9)低通滤波形成球面波照明。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，当待测薄膜样品为透明基底时，光束照射待测薄膜样品(7)，在其共轭象面上形成一个被放大的光栅象，由位于象面上的输出与测量结构中的条纹测量装置(8)直接进行测量，或者先经过输出与测量结构中的傅立叶透镜(5)处理后，再由位于象面上的条纹测量装置(8)测量；当待测薄膜样品为不透明基底时，光束照射待测薄膜样品(7)后，其形成的放大光栅象或干涉条纹，先经过输出与测量结构中的分束镜(10)分束反射后，再由输出与测量结构中、位于共轭象面上的条纹测量装置(8)进行测量。

4、如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，调整待测薄膜样品(7)位置的方法如下：当薄膜及基底为透明时，将二元滤波器(6)与薄膜样品(7)叠放在一起，置于傅立叶透镜(5)的频谱平面上，仅让光栅频谱的二个干涉极大点通过，在象面处出现按正弦规律变化的干涉条纹，其间隔或周期由输出与测量结构测量，调节薄膜样品(7)和二元滤波器(6)的位置，让选定的两个极大点同时透过透明基底，用输出与测量结构测量干涉条纹的周期和位置，然后沿垂直于光轴方向平移薄膜样品(7)，使其中一个极大点透过薄膜，另一个极大点仍透过基底，干涉条纹发生位移，再用输出与测量结构测量条纹的错位量；当薄膜透明而其基底非透明时，其调节方式如下：将二元滤波器(6)与薄膜样品(7)叠放在一起，置于傅立叶透镜(5)的频谱平面上，仅让光栅频谱的二个干涉极大点反射，经分束镜(10)反射，在光栅的象面处出现按正弦规律变化的干涉条纹，其间隔或周期由输出与测量结构测量，调节薄膜样品(7)和二元滤波器(6)的位置，让选定的两个极大点同时经基底反射，再经分束镜(10)反射，用输出与测量结构测量干涉条纹的周期和位置，然后沿垂直于光轴方向平移薄膜样品(7)，使其中一个极大点透过薄膜，再由基底反射，另一个极大点直接由基底反射，其反射光再经分束镜(10)反射，干涉条纹发生位移，再用输出与测量结构测量条纹的错位量。

5、一种测量薄膜折射率的装置，其特征在于：它由光源(1)、光束处理机构、光栅(4)、傅立叶透镜(5)、二元滤波器(6)、待测薄膜样品支架、输出与测量结构共同连接构成，其相互位置与连接关系为：沿着光束前进的方向，依次共轴排列着光源(1)、光束处理机构、光栅(4)、傅立叶透镜(5)、二元滤波器(6)、待测薄膜样品支架、输出与测量结构，其相互位置保证由光源(1)发射的一束单色光经光束处理机构处理，形成一束平面平行波或球面波照明光栅(4)，平面平行波或球面波经过光栅(4)衍射，在傅立叶透镜(5)的频谱平面上形成光栅(4)的频谱，经二元滤波器(6)处理，照射待测薄膜样品(7)，在光栅共轭象面上形成一个被放大的光栅象或干涉条纹，由输出与测量结构完成接收和测量。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的光束处理机构包括扩束镜(2)和针孔滤波器(9)；或者包括扩束镜(2)、针孔滤波器(9)和准直镜(3)，此时扩束镜(2)与准直镜(3)的相互距离等于它们的焦距之和。

7、如权利要求5所述的装置，其特征在于：光栅常数b和傅立叶透镜(5)的焦距f满足如下关系： $\frac{1}{b}=\frac{x}{\mathrm{\λf}}.$

8、如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的二元滤波器(6)和待测薄膜样品支架可沿垂直于光轴方向微动。

9、如权利要求5所述的装置，其特征在于：当待测薄膜样品为透明基底时，输出与测量结构由一个条纹测量装置(8)、或者一个傅立叶透镜(5)和一个条纹测量装置(8)构成，当待测薄膜样品为非透明基底时，输出与测量结构由一个分束镜(10)和一个条纹测量装置(8)构成。

10、如权利要求5至9中任一权利要求所述的装置，其特征在于：所述的光源(1)是单色光源，可采用He-Ne激光器或半导体激光器，也可以是白炽灯、氙灯或汞灯经滤色片或单色仪分光获得或光纤引入；所述的光栅(4)采用振幅、位相或Ronchi光栅；傅立叶透镜(5)采用消象差透镜；二元滤波器(6)上开有0.1～3mm矩形小孔；所述的条纹测量装置(8)由一只测量显微镜构成，或者由一维线阵或二维面阵光电探测器或摄像头及其数据处理装置组成。

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