CN1320352C - 用精密反射仪同时测量聚合物薄膜折射率和厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种用精密反射仪同时测量聚合物薄膜折射率和厚度的方法，步骤如下：搭建测量装置；测量被测聚合物样品插入前固定反射镜M1对应的光程；把被测聚合物样品垂直地插入与精密反射仪输出端或输入端连接的准直器和固定反射镜M1之间；用精密反射仪测量被测聚合物样品插入后固定反射镜M1对应的光程以及被测聚合物样品左右表面对应的光程；计算被测聚合物样品的折射率和厚度。该方法能同时测量在各种材料的基底上构成的聚合物薄膜的折射率和厚度。它一方面克服了椭圆偏振法和M线法测量装置复杂、影响因素较多、需要繁杂的计算或拟合过程的不足，另一方面又保留了其测量精度高的优点。该方法是一种直接非接触式测量方法，既适合测量微米级厚度的薄膜又可以测量毫米级厚度的平板。

Description

用精密反射仪同时测量聚合物薄膜折射率和厚度的方法

技术领域

本发明涉及一种聚合物薄膜折射率和厚度的测量方法，具体是一种用精密反射仪同时测量聚合物薄膜折射率和厚度的方法。用于光纤通信技术领域。

背景技术

测量聚合物薄膜折射率和厚度的方法很多，常用的测量方法有椭圆偏振法和M线法。根据文献检索发现，F.L McCrackin等人在《J.of Research of the National Institute ofStandards and Technology》2001，106(3)，589-603上发表了“Treasure of the past VII：Measurement of the thickness and refractive index of very thin films and the opticalproperties of surfaces by ellipsometry，(《国家标准与技术研究》，椭圆偏振法测量薄膜的折射率与厚度以及表面的光学属性)。该文介绍：椭圆偏振法是利用一束入射光照射被测样品的表面，通过检测和分析入射光和反射光的偏振状态，从而获得薄膜厚度和折射率的非接触测量方法。椭圆偏振法的测量精度依赖于待测薄膜与已知数学模型的相似性，若二者有较大差异，则测量精度较差。当薄膜折射率与基底折射率相接近，椭圆偏振法同时测得的薄膜厚度和折射率的误差较大。椭圆偏振法存在一个膜厚周期。在一个膜厚周期内，椭圆偏振法测量膜厚有确定值。若待测膜厚超过一个周期，则膜厚可能有多个不确定值。当椭圆偏振法用于测试对光有较强吸收的薄膜时，为了同时得到复折射率和厚度不得不进行多次测量或采取其它变通的方法。因此，椭圆偏振法比较适合于测量透明的或弱吸收的、厚度小于一个膜厚周期的、且基底材料已知的薄膜样品。

经对现有技术的文献进一步的检索发现，Q.Ren等人在《J.of Materials Science Lett.》1997，16，1389-1391上发表了“Measurement of PT-PEK-c polymer film parameters usingthe quasiwaveguide m-line method，(《材料科学快报》，M线法测量PT-PED-c聚合物薄膜的参数)。该文介绍：M线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，确定薄膜波导的耦合角，从而求得薄膜厚度和折射率的一种接触测量方法。M线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。该方法要求膜层内必需有两个或两个以上波导模，因此被测薄膜的厚度存在一个下限。

这两种方法都属于间接测量法，虽然其测量精度较高，但其测量精度很容易受到系统的调整状态、光学元件质量、环境噪声、样品表面状态等因素的影响，其测量装置和实际操作过程都比较复杂，并且要经过繁杂的计算甚至需要编写程序才能得到测试结果。此外，椭圆偏振法通常只适于测量基底材料已知的薄膜样品。M线法是接触式测量，容易破坏被测样品，为了提高测量精度通常要求把被测材料直接成膜在棱镜上。椭圆偏振法和M线法通常只适合于测量微米级厚度的薄膜。

发明内容

本发明的目的在于针对现有聚合物薄膜折射率和厚度测量方法的不足，提出了一种用精密反射仪同时测量聚合物薄膜折射率和厚度的方法。使其能测量在各种材料的基底上构成的薄膜样品，它一方面克服了椭圆偏振法和M线法测量装置复杂、影响因素较多、需要繁杂的计算或拟合过程的不足，另一方面又保留了其测量精度高的优点。该方法是一种直接非接触式测量方法，既适合测量微米级厚度的薄膜又可以测量毫米级厚度的平板。

本发明是通过以下技术方案实现的，测量步骤如下：

1)搭建测量装置：

测量装置包括精密反射仪、准直器、固定反光镜、精密机械位移装置、光源、光纤。搭建测量装置的关键在于反射镜的对光过程，要求准直器输出的光经反射镜反射后再次进入准直器，从而被精密反射仪接受，即要求反射镜的反射面与准直器输出的光路垂直。对光过程中用光功率计监测光功率的大小。

2)测量被测样品插入前固定反射镜对应的光程：

用精密反射仪测量被测样品插入前固定反射镜M1对应的光程x₃′。

3)安装被测样品：

把被测样品固定在精密机械位移装置上，然后调节精密机械位移装置把被测聚合物样品插入与精密反射仪输出端(输入端)连接的准直器和固定反射镜M1之间，准直器的输出光路垂直于被测样品的表面，使被聚合物表面反射的光进入准直器进而被精密反射仪接收。

4)测量被测聚合物样品插入后各个界面对应的光程：

用精密反射仪测量被测聚合物样品插入后固定反射镜M1对应的光程x₃以及被测聚合物样品左右表面对应的光程x₁和x₂。

5)计算被测聚合物样品的折射率n_p和厚度d_p：

被测光路中各界面的光程差有如下关系：

x₂-x₁＝n_pd_p                                    (1)

x₃-x₃′＝(n_p-1)d_p                              (2)

由式(1)和式(2)可以得到被测聚合物样品的折射率n_p和厚度d_p。折射率的测量精度Δn_p与厚度的测量精度Δx线性相关，其关系式为

$\mathrm{\Δ}{n}_p=\frac{\mathrm{\Δx}\sqrt{1+2n_p^2}}{d_p}---\left(3\right)$

由式(3)可知，折射率的测量精度Δn_p与被测聚合物样品的厚度d_p成反比。因此，在同等条件下被测聚合物样品的厚度越厚其折射率的测量精度越高。

精密反射仪是一种利用迈克尔逊白光干涉原理测量被测端面的反射光功率和反射界面相对于光源的光程的仪器。通过测量被测聚合物样品左表面和右表面对应的光程以及被测聚合物样品插入前后固定反射镜M1对应的光程可以获得被测聚合物样品——聚合物薄膜的折射率和厚度。

本发明测量精度与被测厚度成正比，可通过增加聚合物薄膜厚度的方式提高折射率的测量精度，当被测聚合物样品各界面的平行度较好时，还可以同时测量薄膜和基底的折射率和厚度。本发明方法属于直接非接触式测量方法，其测量装置简单、易于操作、成本低、不需要繁杂的计算过程，适合于测量各种材料构成的薄膜样品。实验表明其测量精度与椭圆偏振法和M线法相当。因此，本发明所提出的测量方法有望在聚合物薄膜的折射率和厚度测量中获得广泛应用。

附图说明

图1本发明光路测量原理示意图。

其中虚线框中的部分表示精密反射仪中光纤迈克尔逊干涉原理的光路，

图2精密反射仪测得的被测聚合物样品插入前后各个界面的反射峰示意图。

其中虚线峰表示被测样品插入前FM的反射峰，其对应的光程为x₃′；三个实线峰从左至右分别表示被测样品左表面和右表面以及被测样品插入后FM的反射峰。其对应的光程分别为x₁、x₂和x₃。

图3精密反射仪测量聚合物样品折射率和厚度的测量装置示意图。

图4精密反射仪测得的被测聚合物样品第I部分硅片的两个界面对应的反射峰示意图。

图5精密反射仪测得的被测聚合物样品第II部分各个界面对应的反射峰示意图。

具体实施方式

为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图及具体的实施例作进一步描述。

本发明用HP8504A精密反射仪具体演示测量聚合物薄膜的折射率和厚度的原理和测量过程。如图1和图2所示，通过测量被测聚合物样品插入前后固定反射镜对应的光程变化以及被测聚合物样品两个反射面的光程差，由式(1)和式(2)可得出被测聚合物样品的折射率和厚度。

1)搭建如图3所示的测量装置示。用精密反射仪自带的中心波长为1300nm的低相干光源作为输入光源，并且输入端和输出端共用一个端口。由于HP8504A精密反射仪对反射面光程的测量精度为1μm，而实际用旋涂法制备的聚合物薄膜的厚度通常只有几微米到几十微米，为了更加精确地测量聚合物薄膜的折射率，本实施例的被测聚合物样品选用厚度约为2mm的聚合物平板，但这并不影响用精密反射仪精确测量聚合物薄膜的折射率和厚度的一般性。目前已有测量精度为纳米级的精密反射仪，因此用精密反射仪即可实现对毫米级厚度的平板的测量，也可实现对微米级厚度的薄膜的测量。被测聚合物样品如图3右半部分所示，其准备过程如下：首先用玻璃片和硅片构成一个立方体形状的容器，注意使容器左壁的玻璃片和右壁的硅片尽可能平行并相距约2mm，并且使硅片伸出一部分，其中容器左壁玻璃片的折射率和厚度分别为n_g＝1.4604和d_g＝1.8832mm。把少量聚合物溶液滴入容器中，然后在真空60℃环境中固化24小时。注意每次滴入容器的聚合物溶液不能太多，以免溶剂不能完全挥发。这样多次滴入溶剂并逐次固化处理，直到固化后的聚合物基本充满容器为止。由于容器左右壁的玻璃片和硅片平行，因此固化后的聚合物就相当于一块厚度约2mm的聚合物平板。

2)把制备好的被测聚合物样品固定在移动精度为0.1μm的精密机械位移装置上，并使与精密反射仪输出端(输入端)连接的准直器的输出光路垂直对准被测聚合物样品第I部分的硅片表面，目的是使被硅片反射的光进入准直器进而被反射仪接收。此时被测聚合物样品的位置如图3中的虚线所示，其第I部分的硅片的左表面相当于图1中的反射镜M1。用精密反射仪自带的中心波长为1300nm的低相于光源作为输入光源，测试得到的硅片左右表面的反射谱如图4所示，横坐标表示反射面相对于光源的光程，纵坐标表示与反射光功率对应的回波损耗。图3中两个峰P_a-s和P_s-a分别对应空气与硅的界面(硅片的左表面)、硅与空气的界面(硅片的右表面)的反射光，其中硅片的左表面对应的光程和回波损耗为x₂′＝133.150mm，L₂′＝-44.287dB。

3)通过机械位移装置沿与准直器输出光路垂直的方向移动被测聚合物样品，使准直器输出光路垂直对准被测聚合物样品的第II部分，即对准聚合物样品前的玻璃片表面。

4)用精密反射仪测得的被测聚合物样品各个界面的反射谱如图5所示，图中四个峰P_a-g、P_g-p、P_p-s和P_s-a分别对应空气与玻璃、玻璃与聚合物、聚合物与硅以及硅与空气的界面的反射光。其中玻璃与聚合物的界面和聚合物与硅的界面对应的光程和回波损耗分别为x₁＝132.092mm，L₁＝-58.985dB；x₂＝135.294mm，L₂＝-45.031dB。

5)由于在如图3所示的实际测量装置中通过机械位移装置巧妙地用被测聚合物的右表面(被测聚合物样品第I部分硅片的左表面)代替了图1中的反射镜M1，即相当于图1中被测聚合物样品的右表面与反射镜M1重合，从而简化测试装置。因此，式(2)中的x₃和x₃可用实际测量得到的x₂和x₂代替。由式(1)和式(2)可知，被测聚合物的厚度d_p可表示为

d_p＝(n_g-1)d_g+x₂′-x₁                          (4)

通常玻璃片的折射率n_g和厚度d_g是已知的，因此由式(4)可得到聚合物的厚度d_p。此处n_g＝1.4604和d_g＝1.8832mm，因此d_p＝1.9250mm。然后由式(1)可求得被测聚合物的折射率n_p＝1.6634。

由于精密反射仪用的是中心波长为1300nm的低相干光源，因此此处测得的折射率实际上是对应的群折射率。椭圆偏振仪(WVASE32TM)测得用旋涂法制备的同种聚合物薄膜对应1300nm波长的折射率为n＝1.6632。这表明基于白光干涉原理的精密反射仪与椭圆偏振仪的测量精度相当。

同理，若同时读出图5中反射峰P_a-g、P_g-p和P_p-s对应的光程还可以求得玻璃片的折射率n_g或厚度d_g，进而与已知的玻璃片的折射率或厚度相互验证，从而判别测量结果的可靠性。若同时读出图4中的反射峰P_a-s和P_s-a对应的光程以及图5中反射峰P_a-g、P_g-p、P_p-s和P_p-s对应的光程，则可以同时测得聚合物的折射率n_p＝1.6634和厚度d_p＝1.9250mm以及硅片的折射率n_g＝1.4601和厚度d_g＝1.8829mm。

Claims (3)

1、一种用精密反射仪同时测量聚合物薄膜折射率和厚度的方法，其特征在于，测量步骤如下：

1)搭建测量装置：准直器输出的光经反射镜反射后必须再次进入准直器，从而被精密反射仪接收，即反射镜的反射面与准直器输出的光路垂直，对光过程中用光功率计监测光功率的大小；

2)测量被测聚合物样品插入前固定反射镜对应的光程：用精密反射仪测量被测聚合物样品插入前固定反射镜M1对应的光程x₃′；

3)安装被测聚合物样品：把被测聚合物样品插入与精密反射仪输出端或输入端连接的准直器和固定反射镜M1之间，准直器的输出光路垂直于被测聚合物样品的表面，使被聚合物表面反射的光进入准直器进而被反射仪接收；

4)测量被测聚合物样品插入后各个界面对应的光程：用精密反射仪测量被测聚合物样品插入后固定反射镜M1对应的光程x₃以及被测聚合物样品左右表面的光程x₁和x₂；

5)计算被测聚合物样品的折射率n_p和厚度d_p：

被测光路中各界面的光程差有如下关系：

x₂-x₁＝n_pd_p

x₃-x₃′＝(n_p-1)d_p

由以上公式得到被测聚合物样品的折射率n_p和厚度d_p，折射率的测量精度Δn_p与厚度的测量精度Δx线性相关，其关系式为

$\mathrm{\Δ}{n}_p=\frac{\mathrm{\Δx}\sqrt{1+2n_p^2}}{d_p}$

由此式可知，折射率的测量精度Δn_p与被测聚合物样品的厚度d_p成反比，因此，在同等条件下被测聚合物样品的厚度越厚其折射率的测量精度越高。

2、根据权利要求1所述的用精密反射仪同时测量聚合物薄膜折射率和厚度的方法，其特征是，步骤1)中，测量装置包括精密反射仪、准直器、固定反光镜、精密机械位移装置、光源、光纤。

3、根据权利要求1所述的用精密反射仪同时测量聚合物薄膜折射率和厚度的方法，其特征是，步骤3)中，把被测聚合物样品固定在精密机械位移装置上，然后调节精密机械位移装置把被测聚合物样品插入与精密反射仪输出端或输入端连接的准直器和固定反射镜M1之间。

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