薄膜厚度与折射率的测量方法研究(2)

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折射率是薄膜的重要光学参数之一[2]，精确测量各种形态薄膜折射率仍然是关键的技术问题。由于薄膜和基底材料的性质和形态不同应根据材料性能选择符合测量要求的测量方法和仪器。

测量薄膜折射率的常用方法的主要有准波导法、棱镜法、干涉法、椭偏法等；近几年又延伸出光纤传感法、光谱分析法、线阵CCD测量法等几种新型测量方法。

目前人们研究得比较多的方法主要集中在光谱分析法、干涉法和椭圆偏振法这几种测量方法。

光谱分析法的基础是光的干涉理论，依据薄膜上层与薄膜及基底，各界面上的光束的透射或反射，引起双光束或多光束干涉效应，不同特性的薄膜具有不同的光谱反射率或透射率，而且在全光谱范围内和薄膜厚度有着唯一的对应关系。因此，便可以通过测量薄膜的光谱特性来计算薄膜的厚度和其他光学常数。

光谱法的优点在于测量精度较高、速度快，能同时测定薄膜的多个参数，且有效地排除方程解得多值性，测试简单且精度高，具有非接触性和非苛刻性，并可以测试多种类型的薄膜。但是光谱法也有一定的局限性。不论是透射光谱还是反射光谱，均由分光计测量得到，而反射率和透射率对薄膜表面条件的依赖性很强，且对入射角的变化很敏感，这样测量反射率和透射率的稳定性就很差，因而不能够达到很高的测量精度。而且利用光谱法测量时，针对不同类型的待测薄膜需要使用不同波段的光谱对其进行测量，特定的光谱波段范围在实际测量过程中往往是很难保证的。目前，这种测量方法主要用于测量有机薄膜的厚度和监测气体、液体的浓度。论文网

干涉法基于经典干涉理论和现代相干光理论，它利用干涉色，等厚干涉条纹或是干涉显微镜的干涉方法测量薄膜厚度和折射率的。这种测量方法直观性好，测量精度高、抗空气扰动性强、稳定性高、测量仪器简单便捷、成本低、方便实用性强。白光扫描干涉法可以测到的最小厚度为50nm，若能再采用相移、傅立叶变换等辅助方法，就可测量10nm厚的薄膜。干涉法不但可以测量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜，而且适用于双折射薄膜[3]。但是一般来说，干涉法不能同时确定薄膜的厚度和折射率，只能用其它方法测得其中一个量，用干涉法求另一个量。但是，干涉法测量也有其缺点。这种方法不适合用于黑色的不透明薄膜的测量。但是对于反光率较高的不透明薄膜，光干涉法可以很灵敏的测得其厚度。另外，确定干涉条纹的错位条纹数比较困难[4]，对低反射率的薄膜所形成的干涉条对比度低，会带来测量误差，而且薄膜要有台阶，测量过程调节复杂，容易磨损薄膜表面等，这些都对测量带来不便，由于实验仪器的限制，测量精度不够。

椭偏法是基于偏振光束在薄膜界面上反射或透射时出现偏振态的变化来进行测量的一种方法[5]。使一束自然光经起偏器后变成线偏振光，再经过1/4波片，使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜上,反射时，光的偏振状态将发生变化，通过检测这种变化，便可以推算出待测膜面的光学参数（膜厚和折射率）[6]。

椭偏法具有很高的测量灵敏度和精度，且入射角可在30°～90°内连续调节，以适应不同样品；测量时间达到量级，已用于薄膜生长过程的厚度和折射率监控。但是，由于影响测量准确度因素很多，如入射角、系统的调整状态，光学元件质量、环境噪声、样品表面状态、实际待测薄膜与数学模型的差异等都会影响测量的准确度。椭偏法适合于透明的或弱吸收的各向同性的厚度小于一个周期的薄膜，也可用于多层膜的测量[2]。椭偏仪的实验装置并不复杂，虽然实验数据处理比较困难，但通过建立合适的数学模型可以同时测量薄膜的厚度与折射率。由于与样品非接触，对样品没有破坏并且不需要真空，使得椭偏仪成为一种极具吸引力的探测设备，是一种先进的测量纳米级薄膜厚度及折射率的方法[7]。