测量膜厚仪测厚度

薄膜作为改善器件性能的重要途径，被广泛应用于现代光学 、电子 、医疗、能源、建材等技术领域。受薄膜制备工艺及生产环境影响，成品薄膜存在厚度分布不均、表面粗糙度大等问题，导致其光学及物理性能达不到设计要求，严重影响成品的性能及应用。随着薄膜生产技术的迅速发展，准确测量和科学评价薄膜特性作为研究热点，也引起产业界的高度重视。厚度作为关键指标直接影响薄膜工作特性，合理监控薄膜厚度对于及时调整生产工艺参数、降低加工成本、提高生产效率及企业竞争力等具有重要作用和深远意义。然而，对于市场份额占比大的微米级工业薄膜，除要求测量系统不仅具有百纳米级的测量精度之外，还要求具备体积小、稳定性好的特点，以适应工业现场环境的在线检测需求。目前光学薄膜测厚方法仍无法兼顾高精度、轻小体积，以及合理的系统成本，而具备纳米级测量分辨力的商用薄膜测厚仪器往往价格昂贵、体积较大，且无法响应工业生产现场的在线测量需求。基于以上分析，本课题提出基于反射光谱原理的高精度工业薄膜厚度测量解决方案，研制小型化、低成本的薄膜厚度测量系统，并提出无需标定样品的高效稳定的膜厚计算算法。研发的系统可以实现微米级工业薄膜的厚度测量。白光干涉膜厚仪需要校准。测量膜厚仪测厚度

常用白光垂直扫描干涉系统的原理：入射的白光光束通过半反半透镜进入到显微干涉物镜后，被分光镜分成两部分，一个部分入射到固定参考镜，一部分入射到样品表面，当参考镜表面和样品表面的反射光通过分光镜后，再次汇聚发生干涉，干涉光通过透镜后，利用电荷耦合器(CCD)可探测整个视场内双白光光束的干涉图像。利用Z向精密位移台带动干涉镜头或样品台Z向扫描，可获得一系列干涉图像。根据干涉图像序列中对应点的光强随光程差变化曲线，可得该点的Z向相对位移；然后，由CCD图像中每个像素点光强最大值对应的Z向位置获得被测样品表面的三维形貌。白光干涉膜厚仪信赖推荐工作原理是基于膜层与底材反射率及相位差，通过测量反射光的干涉来计算膜层厚度。

对同一靶丸的相同位置进行白光垂直扫描干涉实验，如图4-3所示。通过控制光学轮廓仪的运动机构带动干涉物镜在垂直方向上移动，测量光线穿过靶丸后反射到参考镜与到达基底后直接反射回参考镜的光线之间的光程差。显然，越偏离靶丸中心的光线测得的有效壁厚越大，其光程差也越大，但这并不表示靶丸壳层的厚度。只有当垂直穿过靶丸中心的光线测得的光程差才对应于靶丸的上、下壳层的厚度。因此，在进行白光垂直扫描干涉实验时，需要选择穿过靶丸中心的光线位置进行测量，这样才能准确地测量靶丸壳层的厚度。此外，通过控制干涉物镜在垂直方向上移动，可以测量出不同位置的厚度值，从而得到靶丸壳层厚度的空间分布情况。

白光干涉时域解调方案通过机械扫描部件驱动干涉仪的反射镜移动，补偿光程差，实现对信号的解调。该系统的基本结构如图2-1所示。光纤白光干涉仪的两个输出臂分别作为参考臂和测量臂，用于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的变化而增加未知光程差，参考臂则通过移动反射镜来补偿测量臂所引入的光程差。当干涉仪两臂光程差ΔL=0时，即两个干涉光束的光程相等时，将出现干涉极大值，观察到中心零级干涉条纹，这种现象与外界的干扰因素无关，因此可以利用它来获取待测物理量的值。会影响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。虽然外界环境的扰动会影响输出信号的强度，但对于零级干涉条纹的位置并不会造成影响。

光路长度越长，仪器分辨率越高，但也越容易受到干扰因素的影响，需要采取降噪措施。

在对目前常用的白光干涉测量方案进行比较研究后发现，当两个干涉光束的光程差非常小导致干涉光谱只有一个峰时，基于相邻干涉峰间距的解调方案不再适用。因此，我们提出了一种基于干涉光谱单峰值波长移动的测量方案，适用于极小光程差。这种方案利用干涉光谱的峰值波长会随光程差变化而周期性地出现红移和蓝移，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。我们在光纤白光干涉温度传感系统上验证了这一测量方案，并成功测量出光纤端面半导体锗薄膜的厚度。实验表明，锗膜厚度为一定值，与台阶仪测量结果存在差异是由于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。误差主要来自光源的波长漂移和温度误差。随着技术的进步和应用领域的拓展，白光干涉膜厚仪的性能和功能将不断提高和扩展；推荐膜厚仪

可测量大气压下薄膜厚度在1纳米到1毫米之间。测量膜厚仪测厚度

为了分析白光反射光谱的测量范围，进行了不同壁厚的靶丸壳层白光反射光谱测量实验。实验结果显示，对于壳层厚度为30μm的靶丸，其白光反射光谱各谱峰非常密集，干涉级次数值大；此外，由于靶丸壳层的吸收，壁厚较大的靶丸信号强度相对较弱。随着靶丸壳层厚度的进一步增加，其白光反射光谱各谱峰将更加密集，难以实现对各干涉谱峰波长的测量。为实现较大厚度靶丸壳层厚度的白光反射光谱测量，需采用红外宽谱光源和光谱探测器。对于壳层厚度为μm的靶丸，测量的波峰相对较少，容易实现壳层白光反射光谱谱峰波长的准确测量；随着靶丸壳层厚度的进一步减小，两干涉信号之间的光程差差异非常小，以至于光谱信号中只有一个干涉波峰，难以使用峰值探测的白光反射光谱方法测量其厚度。为了实现较小厚度靶丸壳层厚度的白光反射光谱测量，可采用紫外宽谱光源和光谱探测器提升其探测厚度下限。测量膜厚仪测厚度