工厂膜厚仪答疑解惑

论文主要以半导体锗和贵金属金两种材料为对象，研究了白光干涉法、表面等离子体共振法和外差干涉法实现纳米级薄膜厚度准确测量的可行性。由于不同材料薄膜的特性不同，所适用的测量方法也不同。半导体锗膜具有折射率高，在通信波段（1550nm附近）不透明的特点，选择采用白光干涉的测量方法；而厚度更薄的金膜的折射率为复数，且能激发的表面等离子体效应，因而可借助基于表面等离子体共振的测量方法；为了进一步改善测量的精度，论文还研究了外差干涉测量法，通过引入高精度的相位解调手段，检测P光与S光之间的相位差提升厚度测量的精度。白光干涉膜厚测量技术可以通过对干涉图像的分析实现对薄膜的表面和内部结构的联合测量和分析。工厂膜厚仪答疑解惑

    基于白光干涉光谱单峰值波长移动的锗膜厚度测量方案研究：在对比研究目前常用的白光干涉测量方案的基础上，我们发现当两干涉光束的光程差非常小导致其干涉光谱只有一个干涉峰时，常用的基于两相邻干涉峰间距的解调方案不再适用。为此，我们提出了适用于极小光程差的基于干涉光谱单峰值波长移动的测量方案。干涉光谱的峰值波长会随着光程差的增大出现周期性的红移和蓝移，当光程差在较小范围内变化时，峰值波长的移动与光程差成正比。根据这一原理，搭建了光纤白光干涉温度传感系统对这一测量解调方案进行验证，得到了光纤端面半导体锗薄膜的厚度。实验结果显示锗膜的厚度为，与台阶仪测量结果存在，这是因为薄膜表面本身并不光滑，台阶仪的测量结果只能作为参考值。锗膜厚度测量误差主要来自光源的波长漂移和温度控制误差。本地膜厚仪常用解决方案白光干涉膜厚测量技术可以对薄膜的表面和内部进行联合测量和分析。

白光干涉时域解调方案需要借助机械扫描部件带动干涉仪的反射镜移动，补偿光程差，实现对信号的解调[44-45]。系统基本结构如图2-1所示。光纤白光干涉仪的两输出臂分别作为参考臂和测量臂，作用是将待测的物理量转换为干涉仪两臂的光程差变化。测量臂因待测物理量而增加了一个未知的光程，参考臂则通过移动反射镜来实现对测量臂引入的光程差的补偿。当干涉仪两臂光程差ΔL=0时，即两干涉光束为等光程的时候，出现干涉极大值，可以观察到中心零级干涉条纹，而这一现象与外界的干扰因素无关，因而可据此得到待测物理量的值。干扰输出信号强度的因素包括：入射光功率、光纤的传输损耗、各端面的反射等。外界环境的扰动会影响输出信号的强度，但是对零级干涉条纹的位置不会产生影响。

在纳米量级薄膜的各项相关参数中，薄膜材料的厚度是薄膜设计和制备过程中的重要参数，是决定薄膜性质和性能的基本参量之一，它对于薄膜的光学、力学和电磁性能等都有重要的影响[3]。但是由于纳米量级薄膜的极小尺寸及其突出的表面效应，使得对其厚度的准确测量变得困难。经过众多科研技术人员的探索和研究，新的薄膜厚度测量理论和测量技术不断涌现，测量方法实现了从手动到自动，有损到无损测量。由于待测薄膜材料的性质不同，其适用的厚度测量方案也不尽相同。对于厚度在纳米量级的薄膜，利用光学原理的测量技术应用。相比于其他方法，光学测量方法因为具有精度高，速度快，无损测量等优势而成为主要的检测手段。其中具有代表性的测量方法有椭圆偏振法，干涉法，光谱法，棱镜耦合法等。白光干涉膜厚测量技术的应用涵盖了材料科学、光学制造、电子工业等多个领域。

傅里叶变换是白光频域解调方法中一种低精度的信号解调方法。早是由G.F.Fernando和T.Liu等人提出，用于低精度光纤法布里-珀罗传感器的解调。因此，该解调方案的原理是通过傅里叶变换得到频域的峰值频率从而获得光程差，进而得到待测物理量的信息。傅里叶变换解调方案的优点是解调速度较快，受干扰信号的影响较小。但是其测量精度较低。根据数字信号处理FFT（快速傅里叶变换）理论，若输入光源波长范围为[]λ1,λ2，则所测光程差的理论小分辨率为λ1λ2/(λ2−λ1)，所以此方法主要应用于对解调精度要求不高的场合。傅里叶变换白光干涉法是对傅里叶变换法的改进。该方法总结起来就是对采集到的光谱信号做傅里叶变换，然后滤波、提取主频信号后进行逆傅里叶变换，然后做对数运算，并取其虚部做相位反包裹运算，由获得的相位得到干涉仪的光程差。该方法经过实验证明其测量精度比傅里叶变换高。白光干涉膜厚测量技术可以应用于不同材料的薄膜的研究和制造中。黄浦区工厂膜厚仪

白光干涉膜厚测量技术可以通过对干涉曲线的分析实现对薄膜的厚度分布的测量和分析。工厂膜厚仪答疑解惑

    在白光反射光谱探测模块中，入射光经过分光镜1分光后，一部分光通过物镜聚焦到靶丸表面，靶丸壳层上、下表面的反射光经过物镜、分光镜1、聚焦透镜、分光镜2后，一部分光聚焦到光纤端面并到达光谱仪探测器，可实现靶丸壳层白光干涉光谱的测量，一部分光到达CCD探测器，可获得靶丸表面的光学图像。靶丸吸附转位模块和三维运动模块分别用于靶丸的吸附定位以及靶丸特定角度转位以及靶丸位置的辅助调整，测量过程中，将靶丸放置于轴系吸嘴前端，通过微型真空泵负压吸附于吸嘴上；然后，移动位移平台，将靶丸移动至CCD视场中心，通过Z向位移台，使靶丸表面成像清晰；利用光谱仪探测靶丸壳层的白光反射光谱；靶丸在轴系的带动下，平稳转位到特定角度，由于轴系的回转误差，转位后靶丸可能偏移CCD视场中心，此时可通过调整轴系前端的调心结构，使靶丸定点位于视场中心并采集其白光反射光谱；重复以上步骤，可实现靶丸特定位置或圆周轮廓白光反射光谱数据的测量。为减少外界干扰和震动而引起的测量误差，该装置放置于气浮平台上，通过高性能的隔振效果可保证测量结果的稳定性。 工厂膜厚仪答疑解惑

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