光纖光譜儀測(cè)膜厚應(yīng)用分享

——首先，我們回憶一下什么是光的干涉？

兩列或幾列光波在空間相遇時(shí)互相疊加，引起光強(qiáng)的重新分布，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在某些區(qū)域始終減弱，從而出現(xiàn)了明暗相間或彩色的條紋，這種現(xiàn)象稱為光的干涉。

圖1：光的干涉現(xiàn)象圖

當(dāng)然了，也不是任意兩列光波隨隨便便就可以發(fā)生干涉的，光的干涉產(chǎn)生的條件很是嚴(yán)苛。只有頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的光波才能產(chǎn)生干涉效應(yīng)。

——下面，我們來(lái)了解一下著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

S是一個(gè)受到單色光源照明的小孔，從S射出的光波照射屏上對(duì)稱的小孔S₁、S₂。由S₁、S₂散發(fā)出的光波來(lái)源于同一光波，因而是相干光波，在距屏d’的屏上疊加并形成干涉圖樣.

當(dāng)兩束光的波程差是半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，振動(dòng)加強(qiáng)，呈現(xiàn)亮條紋；當(dāng)兩束光的波程差是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，震動(dòng)減弱，呈現(xiàn)暗條紋。

單色光的干涉條紋寬度相同，明暗相間，均勻分布。不同色光條紋寬度不同，波長(zhǎng)越長(zhǎng)的干涉條紋的寬度越大。

——進(jìn)入正題，如何使用光纖光譜儀測(cè)薄膜厚度？

上圖為采用光纖光譜儀測(cè)膜厚的原理圖，光束以θ₁入射到薄膜表面，一部分直接反射，另一部分則以θ₂發(fā)生折射，折射光經(jīng)膜層下表面反射后再經(jīng)其上表面發(fā)生折射，反射光1與反射光2相干發(fā)生干涉。使用光纖光譜儀測(cè)量薄膜的厚度主要是通過(guò)反射光譜，反射光譜曲線中干涉峰的出現(xiàn)是薄膜干涉的結(jié)果。

在薄膜干涉實(shí)驗(yàn)中，波長(zhǎng)與介質(zhì)折射率、薄膜厚度之間有如下關(guān)系：

白光干涉法測(cè)反射光譜時(shí)，由于我們采取垂直入射的方法（θ₁->0， θ₂->0），因此上式可簡(jiǎn)化成：

如果知道具體k的值，就可根據(jù)干涉峰位推算出膜層厚度d，但由于每個(gè)干涉波峰和波谷所對(duì)應(yīng)的k很難確定，且不同厚度的薄膜k值都不相同，因此通常采用消去k的方法求出薄膜的厚度d。

圖2：不同厚度薄膜的反射光譜

假定反射曲線上有相鄰的兩個(gè)波峰λ1與波谷λ2，可聯(lián)立兩式求得薄膜的厚度d。

實(shí)際上, 從反射光譜上可以得到多組波峰和波谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng), 計(jì)算出多個(gè)薄膜厚度的數(shù)值, 然后求平均以減少測(cè)量誤差。

光纖光譜儀測(cè)膜厚的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

• 采樣速度快，適用于工業(yè)在線實(shí)時(shí)測(cè)量。

• 非接觸式光學(xué)無(wú)損測(cè)量。

• 靈活、體積小，重量輕，USB連接方式即插即用。

• 可根據(jù)需求，定制不同波段的光譜儀。

• 可測(cè)多層膜厚

配置推薦

應(yīng)用案例

天津大學(xué)章英等人用光源、光學(xué)顯微鏡、顯微干涉測(cè)頭、光纖和USB4000光譜儀組成的顯微干涉光學(xué)系統(tǒng)（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示），基于白光干涉光譜法，對(duì)幾種不同厚度薄膜的測(cè)量，最終測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果一致。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

使用海洋光學(xué)光纖光譜儀組成的顯微干涉光學(xué)系統(tǒng)測(cè)得的反射干涉光譜

參考文獻(xiàn)

1. 衛(wèi)銀杰. 基于白光反射光譜的晶圓膜厚測(cè)量算法研究[D].中國(guó)計(jì)量大學(xué),2019.

2. 章英. 白光干涉光譜測(cè)量方法與系統(tǒng)的研究[D].天津大學(xué),2012.

3. 劉穎丹,苑進(jìn)社,潘德芳.基于反射光譜的In_xGa_(1-x)N半導(dǎo)體薄膜厚度測(cè)量[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,26(04):98-100.

4. 張永剛.基于反射譜的GaN薄膜厚度在線測(cè)量系統(tǒng)[J].電子質(zhì)量,2004(12):56-57.