纳米级膜厚仪的原理

靶丸壳层折射率 、厚度及其分布参数是激光惯性约束聚变（ICF）物理实验中非常关键的参数，精密测量靶丸壳层折射率、厚度及其分布对ICF精密物理实验研究具有非常重要的意义。由于靶丸尺寸微小（亚毫米量级）、结构特殊（球形结构）、测量精度要求高，如何实现靶丸壳层折射率及其厚度分布的精密测量是靶参数测量技术研究中重要的研究内容。本论文针对靶丸壳层折射率及厚度分布的精密测量需求，开展了基于白光干涉技术的靶丸壳层折射率及厚度分布测量技术研究。它可以用不同的软件进行数据处理和分析，比如建立数据库、统计数据等。纳米级膜厚仪的原理

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。膜厚仪产品原理精度高的白光干涉膜厚仪通常采用Michelson干涉仪的结构。

本文研究的锗膜厚度约为300nm，导致白光干涉输出的光谱只有一个干涉峰，无法采用常规的基于相邻干涉峰间距解调的方案，如峰峰值法等。为此，研究人员提出了一种基于单峰值波长移动的白光干涉测量方案，并设计制作了膜厚测量系统。经实验证明，峰值波长和温度变化之间存在很好的线性关系。利用该方案，研究人员成功测量了实验用锗膜的厚度为338.8nm，实验误差主要源于温度控制误差和光源波长漂移。该论文通过对纳米级薄膜厚度测量方案的研究，实现了对锗膜和金膜厚度的测量，并主要创新点在于提出了基于白光干涉单峰值波长移动的解调方案，并将其应用于极短光程差的测量。

薄膜是指分子 、原子或者是离子在基底表面沉积形成的一种特殊的二维材料。近几十年来，随着材料科学和镀膜工艺的不断发展，厚度在纳米量级（几纳米到几百纳米范围内）薄膜的研究和应用迅速增加。与体材料相比，因为纳米薄膜的尺寸很小，使得表面积与体积的比值增加，表面效应所表现出的性质非常突出，因而在光学性质和电学性质上有许多独特的表现。纳米薄膜应用于传统光学领域，在生产实践中也得到了越来越广泛的应用，尤其是在光通讯、光学测量，传感，微电子器件，生物与医学工程等领域的应用空间更为广阔。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。

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。这种膜厚仪可以测量大气压下 。纳米级膜厚仪的原理

白光干涉膜厚仪需要校准，标准样品的选择和使用至关重要。纳米级膜厚仪的原理

由于不同性质和形态的薄膜对测量量程和精度的需求不相同，因此多种测量方法各有优缺点，难以笼统评估。测量特点总结如表1-1所示，针对薄膜厚度不同，适用的测量方法分别为椭圆偏振法、分光光度法、共聚焦法和干涉法。对于小于1μm的薄膜，白光干涉轮廓仪的测量精度较低，分光光度法和椭圆偏振法较为适用；而对于小于200nm的薄膜，椭圆偏振法结果更可靠，因为透过率曲线缺少峰谷值。光学薄膜厚度测量方案目前主要集中于测量透明或半透明薄膜。通过使用不同的解调技术处理白光干涉的图样，可以得到待测薄膜厚度。本章详细研究了白光干涉测量技术的常用解调方案、解调原理及其局限性，并得出了基于两个相邻干涉峰的白光干涉解调方案不适用于极短光程差测量的结论。在此基础上，提出了一种基于干涉光谱单峰值波长移动的白光干涉测量解调技术。纳米级膜厚仪的原理