[发明专利]一种薄膜厚度和折射率的测量方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，更具体地说，涉及一种薄膜厚度和折射率的测量方法。

背景技术

薄膜材料目前被广泛地应用于高新工业的多项领域，例如微机电系统中的隔热绝缘材料和航空航天设备中的力学涂层等。作为薄膜材料的基本物理特性，其厚度和折射率的非接触式在线测量具有重要的研究意义和实用价值。

目前，现有技术中的薄膜材料的厚度和折射率的测量方法主要有测角法和反射法两大类。其中，测角法主要利用光线在进入被测材料过程中入射角和折射角之间的关系对材料进行测量，这种方法主要有最小偏向角法、直角照准法、自准直法和V棱镜折射仪法。但是，这种方法通常需要对被测材料进行加工，不适合在线测量。而干涉方法主要利用光的干涉现象对光程进行测量，这种方法主要有法布里-珀罗干涉仪法、浸液法和光学相干层析法等，但它需要已知厚度或折射率其中的一个参数值，才能测量另一个参数，无法实现两者的同时测量。

因此，如何同时测量薄膜材料的厚度和折射率是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种薄膜厚度和折射率的在线测量方法，同时测量薄膜材料的厚度和折射率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种薄膜厚度和折射率的测量方法，包括：

激光光束经过色散透镜形成色散光，所述色散光入射至样品，并获取所述色散光经过所述样品表面反射后形成的光谱共焦信号；

根据所述光谱共焦信号获取所述样品的表面距离差，得到所述上下表面距离差与样品实际厚度以及样品折射率的第一关系式；

对所述光谱共焦信号进行数据处理得到干涉信号，根据所述干涉信号计算得到所述样品的表面光程差，得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品折射率的第二关系式；

联合所述第一关系式以及所述第二关系式得到所述样品实际厚度以及所述样品折射率。

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述激光光束经过色散透镜形成色散光之前，还包括：

所述激光光束通过第一凸透镜至入射分光棱镜的第一输入端，并从所述分光棱镜的第一输出端输出至所述色散透镜。

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述激光光束经过色散透镜形成色散光之前，还包括：

所述激光光束从所述分光棱镜的第二输出端输出至第二凸透镜，经过所述第二凸透镜汇聚之后，入射至参考平面。

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述获取所述色散光经过所述样品表面反射后形成的光谱共焦信号之前，包括：

经过所述样品反射，以及经过所述参考平面反射的所述激光光束通过激光光束反射式衍射光栅入射至第三凸透镜，经过所述第三凸透镜汇聚之后入射至图像采集装置。

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述根据所述光谱共焦信号获取所述样品的表面距离差，得到所述上下表面距离差与样品实际厚度以及样品折射率的第一关系式，包括：

所述根据所述光谱共焦信号获取样品前表面位置z₁以及样品后表面位置z₂，得到所述样品的表面距离差Δ_z；

根据所述色散透镜的数值孔径NA以及所述上下表面距离差Δ_z，得到所述上下表面距离差Δ_z与所述样品实际厚度t以及所述样品后表面对应的光谱峰值所在波长的相折射率n_p的所述第一关系式：

优选的，在上述薄膜厚度和折射率的测量方法中，所述对所述光谱共焦信号进行数据处理得到干涉信号，根据所述干涉信号计算得到所述样品的表面光程差，得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品折射率的第二关系式，包括：

获取所述光谱共焦信号中第二峰值对应的波长λ，得到所述样品的群折射率n_g与所述样品后表面对应的光谱峰值所在波长的相折射率n_p的关系式：

对所述光谱共焦信号进行高通滤波数据处理得到所述干涉信号，根据所述干涉的频率计算得到所述样品的表面光程差Δl；

所述表面光程差Δl与所述样品实际厚度t以及所述样品的群折射率n_g的第二关系式为：

Δl＝n_g×t；(3)

联合公式(2)和(3)得到所述表面光程差与所述样品实际厚度以及所述样品后表面对应的光谱峰值所在波长的相折射率n_p的所述第二关系式：