[发明专利]一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法

说明书

本发明公开了一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，属于光学测量领域。具体包括宽谱光源输出模块、窄线宽激光光源输出模块、膜厚测量探头模块、解调干涉仪模块以及采集与控制模块五部分。本发明将窄线宽激光光源输出模块的输出信号直接输入到解调干涉仪模块中，满足干涉信号共光路的同时避免了膜厚测量探头模块中激光透射光以及激光多次反射光对干涉信号质量的影响；通过控制膜厚测量探头尾纤的长度避免了膜厚测量探头模块中宽谱光透射光对特征信号峰识别的干扰。本发明实现不需标定样品标定即可对薄膜的厚度及折射率进行非接触测量，具有自校准、测量结果可溯源、稳定性高、特征信号识别简单等优点。

技术领域

本发明设计属于光学测量领域，具体涉及到了一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法。

背景技术

随着材料科学与技术的蓬勃发展，为满足微电子、光电子、新能量等领域的迫切需求，薄膜在光学工程、机械工程、通讯工程、生物工程、航空航天工程、化学工程、医学工程等领域被广泛应用。薄膜的厚度不仅是薄膜生产中关键的决参数之一，更定着薄膜在力学、电磁、光电和光学等场景中的应用性能。对薄膜厚度的精确测量一直是薄膜生产以及应用中重要的环节之一。

1941年，N.Schwartz等人提出了一种利用高精度机械触针在物体表面运动来感知表面轮廓的变化的接触探针法(N.Schwartz,R.Brown,“A Stylus Method for Evaluatingthe Thickness of Thin Films and Substrate Surface Roughness,”in Transactionsof the Eighth Vacuum Symposium and Second International Congress(Pergamon,NewYork,1941),pp.834–845.)，该方法具有稳定性好，分辨力高，测量范围大等优点；但由于探针法中包含基于机械运动的探针，对薄膜测量时需要进行二次加工，此外探针在薄膜表面的移动，也会给薄膜造成一定的损害。因此非接触测量法便很快的取代了接触测量法对薄膜的厚度进行测量。

2013年，南京航空航天大学的马希直等人公开了一种超声膜厚测量仪及其测量方法(中国专利申请号：201310198294.9)，该方法发射超声脉冲入射到油膜的表面发生谐振，再通过测量反射脉冲的相关特性对油膜的厚度进行测量；但是该方法只适用于液态模的测量，且对于不同厚度范围的薄膜需建立不同的模型，解调难度较大。

光学测量法具有着高精度的优势，在薄膜厚度测量方面开始逐渐广泛的应用起来。2012年，北京京东方光电科技有限公司的曲连杰等人公开了一种膜厚装置及方法(中国专利申请号：201210080754.2)，该方法采用空间光路与光纤光路结合的方式，通过棱镜对彩色光源进行分光处理照射在薄膜的表面，通过测量不同反射光的特性对薄膜的厚度进行测量。该方法扩大了薄膜厚度测量的装置取样点的频谱范围，提高了分辨率。