[发明专利]一种薄膜厚度和折射率的光学测量方法及其装置

说明书

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光路的光程差信息S1；

(b)将待测量样品薄膜放置在上述任一反射镜前，重复步骤(a)，得到产生干涉信号的二光路的光程差信息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；根据光程信息S1、S2和S3，计算获得薄膜的折射率和薄膜厚度。

本发明提供的薄膜厚度和折射率的光学测量装置，包括宽带光源，干涉组件，频域探测装置和数据处理器；

宽带光源，干涉组件和频域探测装置位于同一光路上，数据处理器与频域探测装置电连接；