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薄膜干涉原理及薄膜厚度的测量方法
时亚洲
摘要：本文简单介绍了薄膜干涉原理，并在该原理的指导下，讲述两种测量薄膜厚度的方法；并队这两种方法进行在使用场合.测量范围及其测量精度等方面的对比比较。
关键字：薄膜，干涉，厚度，测量。
对于工业中应用的薄膜，其厚度是一个非常重要的参数。它直接关系到薄膜能否正常工作，因此薄膜厚度的测量也就成为一个非常热门的话题。相应的也就产生许多测量薄膜厚度的方法。在众多方法中，光学方法具有快速.准确和不损伤薄膜等优点。近年来随着高精度光学器件的产生及计算机的普遍应用。测量薄膜厚度的光学方法已有很大改进。也就产生了一些按照基本原理测量薄膜厚度的简单方法——利用光的干涉测量薄膜厚度。
下面集中了解一下光的干涉原理及其用该原理应用白光测量薄膜厚度的两种简单方法，并对此进行一些简单而必要的分析比较。
一.薄膜干涉原理：
1.干涉条件：两束或多束光必须连续且频率相等.振动方向沿同一直线。
2.单色光干涉：（如图1）只要薄膜（折射率为n1）处在同一折射率（折射率为n2）的介质中，无论n2>n1,还是n2<n1，光在薄膜上下两表面反射时，物理性质必然相反。因此，两束光必然有半波长的额外光程差。
图1
光程差可以表示为：
故此时干涉条纹是明暗相间的。
3.白光入射时：对于某一指定的入射角，其叠加结果时不同波长，不同强度的条纹相重叠而形成薄膜色。
二.薄膜厚度的测量方法。
下面两种测量方法均以白光作为光源，其原理都是薄膜干涉原理，但对于干涉光的处理方法却不尽相同。
1.颜色色调检测法。（用于测量不均匀厚度的薄膜）
图2
如图所示，入射光在上下两表面产生两束反射光，这两束反射光满足频率相等，相位差恒定的干涉条件，可以发生干涉。在薄膜折射率大于基体折射率的情况下，2t=mλ时（=1，2，3…）干涉加强；在基体折射率大于薄膜折射率的情况下，2t=(m+1/2)λ时（m=0,1,2…）干涉加强。上面的两个公式中t为薄膜厚度，m为干涉级数。在次实验中t,n（薄膜折射率）m均已知。
试验中应用高速静态测试记录仪来检测干涉图样，记录仪与计算机相连，计算机装载了用于获得和处理图象的软件。由于薄膜厚度不均匀，并且应用白光入射，所以得到的是一幅呈现颜色变化的图象。每一种颜色与某一波长的光有关。对照图象，查找出每一种颜色光的真空中的波长λ。.然后根据λ=λ。/n求出λ，并带入前面的干涉公式，在=1的情况下求的t的值.
此方法的特点是原理和操作均很简便且实现起来比较容易。但这种方法只能用来测量厚度不均匀的薄膜，测量范围为几百纳米，精度为几十纳米，误差较大。
2. 分光光度测量法。
如图3所示，
图3
用宽带白光作为光源。当光源发出的光射向厚度为d，折射率为n的薄膜表面时，在薄膜的上下表面分别产生反射光束I1,I2 。I1，I2间的光程差可表示为△=2dcosi，i为入射角。接近垂直入射时i=0，所以△=2dn,根据Fresnel定律，干涉光的光强可由下式给出:I=I1+I2+2┍I1I2cos2πΔ/λ式中λ为入射光波长。由于I1，I2强度接近，可近似认为I1=I2=IR。上式变为I=IR[1+cos2πΔ/λ]，该式表明，对于一个给定的△,Δ/λ与之间存在余弦光系。在Δ/λ=0.5,1,01.5….时，可以得到反射光的极值。也就是说λ与光强I之间是cos1/λ的关系。用两个或两个以上极值，可以计算出每个极值的阶数以及光程差△的值。再根据△=2nd（n折射率已知），可求厚度d。
实验装置如图4所示，
图4
从光源发出的白光经“”型光纤传导射到薄膜上，两束反射光也经光纤传导，进入“”光纤的另一支。最终进入频谱仪，频谱仪由分光光度计，A/D转换电路和计算机组成。反射光由分光光度计接收，并将其分解为光谱，再有CCD接收最终转换为数字信号，由计算机处理即可。
这种方法具有速度快，精度高等特点。所用仪器造价也比较低，操作起来难度也不大。很适合工业检测。所测量的厚度范围为0.5微米至20微米。精度可达几十纳米。
三.对比比较。
以上两种方法使用的光源虽然都为白光光源，但测量的范围，及其使用的场合却不尽相同。为了方便于比较和分析在此加以总结。如下表：
方法 | 实用薄膜特点 | 测量范围 |
颜色色调检测法 | 固态，透明，半透明，厚度不均匀 | 100——1000纳米 |
分光光度测量法 | 固态，透明 | 0.5——20微米 |
四.
其实测量薄膜厚度的方法很多，这里仅介绍了两种比较简单的测量方法。它们都应用了薄膜干涉这一原理。也许还有其他更精确，更巧妙的方法对薄膜的厚度进行测量。希望读者多注意搜集。
