非接觸式膜厚儀

光具有相互疊加的特性，發(fā)生干涉的兩束光在一些地方振動加強，而在另一些地方振動減弱，并產(chǎn)生規(guī)則的明暗交替變化。干涉測量需要滿足三個相干條件：頻率一致、振動方向一致、相位差穩(wěn)定一致。與激光光源相比，白光光源的相干長度較短，通常在幾微米到幾十微米內(nèi)。白光干涉的條紋有一個固定的位置，對應于光程差為零的平衡位置，并在該位置白光輸出光強度具有最大值。通過探測光強最大值，可以實現(xiàn)樣品表面位移的精密測量。白光垂直掃描干涉、白光反射光譜等技術，具有抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍大、結構簡單、成本低廉等優(yōu)點，并廣泛應用于薄膜三維形貌測量和薄膜厚度精密測量等領域。白光干涉膜厚測量技術可以實現(xiàn)對薄膜的大范圍測量和分析。非接觸式膜厚儀

在對目前常用的白光干涉測量方案進行比較研究后發(fā)現(xiàn)，當兩個干涉光束的光程差非常小導致干涉光譜只有一個峰時，基于相鄰干涉峰間距的解調(diào)方案不再適用。因此，我們提出了一種基于干涉光譜單峰值波長移動的測量方案，適用于極小光程差。這種方案利用干涉光譜的峰值波長會隨光程差變化而周期性地出現(xiàn)紅移和藍移，當光程差在較小范圍內(nèi)變化時，峰值波長的移動與光程差成正比。我們在光纖白光干涉溫度傳感系統(tǒng)上驗證了這一測量方案，并成功測量出光纖端面半導體鍺薄膜的厚度。實驗表明，鍺膜厚度為一定值，與臺階儀測量結果存在差異是由于薄膜表面本身并不光滑，臺階儀的測量結果只能作為參考值。誤差主要來自光源的波長漂移和溫度誤差。薄膜膜厚儀測量方法通過測量反射光的干涉來計算膜層厚度，利用膜層與底材的反射率和相位差來實現(xiàn)測量。

干涉測量法是一種基于光的干涉原理實現(xiàn)對薄膜厚度測量的光學方法，是一種高精度的測量技術，其采用光學干涉原理的測量系統(tǒng)具有結構簡單、成本低廉、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強、使用范圍廣等優(yōu)點。對于大多數(shù)干涉測量任務，都是通過分析薄膜表面和基底表面之間產(chǎn)生的干涉條紋的形狀和分布規(guī)律，來研究待測物理量引入的光程差或位相差的變化，從而實現(xiàn)測量目的。光學干涉測量方法的測量精度可達到甚至優(yōu)于納米量級，利用外差干涉進行測量，其精度甚至可以達到10^-3 nm量級。根據(jù)所使用的光源不同，干涉測量方法可分為激光干涉測量和白光干涉測量兩大類。激光干涉測量的分辨率更高，但不能實現(xiàn)對靜態(tài)信號的測量，只能測量輸出信號的變化量或連續(xù)信號的變化，即只能實現(xiàn)相對測量。而白光干涉是通過對干涉信號中心條紋的有效識別來實現(xiàn)對物理量的測量，是一種測量方式，在薄膜厚度測量中得到了廣泛的應用。

自1986年E.Wolf證明了相關誘導光譜的變化以來，人們開始在理論和實驗上進行探討和研究。結果表明，動態(tài)的光譜位移可以產(chǎn)生新的濾波器，可應用于光學信號處理和加密領域。本文提出的基于白光干涉光譜單峰值波長移動的解調(diào)方案，可應用于當兩光程差非常小導致干涉光譜只有一個干涉峰的信號解調(diào)，實現(xiàn)納米薄膜厚度測量。在頻域干涉中，當干涉光程差超過光源相干長度時，仍然可以觀察到干涉條紋。這種現(xiàn)象是因為白光光源的光譜可以看成是許多單色光的疊加，每一列單色光的相干長度都是無限的。當使用光譜儀接收干涉光譜時，由于光譜儀光柵的分光作用，寬光譜的白光變成了窄帶光譜，導致相干長度發(fā)生變化?？傊坠飧缮婺ず駜x是一種應用很廣的測量薄膜厚度的儀器。

Michelson干涉物鏡，準直透鏡將白光縮束準直后垂直照射到待測晶圓上，反射光之間相互發(fā)生干涉，經(jīng)準直鏡后干涉光強進入光纖耦合單元，完成干涉部分。光纖傳輸?shù)母缮嫘盘栠M入光譜儀，計算機定時從光譜儀中采集光譜信號，獲取諸如光強、反射率等信息，計算機對這些信息進行信號處理，濾除高頻噪聲信息，然后對光譜信息進行歸一化處理，利用峰值對應的波長值，計算晶圓膜厚。光源采用氙燈光源，選擇氙燈作為光源具有以下優(yōu)點：氙燈均為連續(xù)光譜，且光譜分布幾乎與燈輸入功率變化無關，在壽命期內(nèi)光譜能量分布也幾乎不變；氙燈的光、電參數(shù)一致性好，工作狀態(tài)受外界條件變化的影響小；氙燈具有較高的電光轉換效率，可以輸出高能量的平行光等。隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展，其性能和功能會得到提高和擴展。高精度膜厚儀的用途和特點

白光干涉膜厚測量技術可以實現(xiàn)對薄膜的在線檢測和控制。非接觸式膜厚儀

基于表面等離子體共振傳感的測量方案，利用共振曲線的三個特征參量半高寬、—共振角和反射率小值，通過反演計算得到待測金屬薄膜的厚度。該測量方案可同時得到金屬薄膜的介電常數(shù)和厚度，操作方法簡單。我們利用Kretschmann型結構的表面等離子體共振實驗系統(tǒng)，測得金膜在入射光波長分別為632.8nm和652.1nm時的共振曲線，由此得到金膜的厚度為55.2nm。由于該方案是一種強度測量方案，測量精度受環(huán)境影響較大，且測量結果存在多值性的問題，所以我們進一步對偏振外差干涉的改進方案進行了理論分析，根據(jù)P光和S光之間相位差的變化實現(xiàn)厚度測量。非接觸式膜厚儀