实验三干涉显微镜测量薄膜厚度 一、实验目的 1． 掌握干涉显微镜的工作原理及使用方法； 2． 用干涉显微镜测量薄膜厚度。 二、实验说明 2.1 实验原理 把显微镜和光波干涉仪结合起来设计而成的显微镜为干涉显微镜。干涉显微镜的类型很多，常用的干涉显微镜是以迈克耳逊干涉仪为原型，其原理却都是以劈尖干涉为基础的，下图1为劈尖干涉的示意图： 若在两块平面玻璃间垫一细丝，即形成一个空气劈尖（为便于说明问题图中夸大了细丝的直径）。当一束单色光射入时，则在空气劈尖（n=1）上下两表面所引起的反射光线将相互干涉。若这两束光的光程差恰为半波长的奇数倍时，则发生相消干涉而呈现暗色条纹；若光程差为半波长的偶数倍时，发生加强干涉而得到明亮条纹。一定的明暗条纹对应一定的厚度，所以这些干涉条纹也叫等厚条纹。条纹间的距离l ，随劈尖的夹角而变化，越小，l 越大。 在迈克耳逊干涉仪中，只要某一光程差发生变化，就要引起干涉场中条纹移动，光程差每改变半个波长()，则干涉条纹移动一个条纹间距。故待测样品表面若存在局部不平, 结果会导致干涉条纹发生弯曲, 条纹弯曲的程度是样品表面微观凹凸不平程度的反映, 只要测出条纹的弯曲量就可以求出样品表面的凹凸量。根据这一原理, 可借助该仪器来测量镀膜膜层的厚度. 设M 1、M 2是两个不严格垂直的理想平面，则得到等厚干涉直线条纹。若表面M 2上有沟槽，干涉条纹将发生弯曲或断折，如图2所示。沟槽的深度h 由式（4—1）决定。 （4—1） θθ2λe H h ?= 2λ 图 1 劈尖干涉的示意图图2表面沟槽及干涉条纹的形状图3薄膜与其干涉条纹的形状
式中，Ｈ为干涉条纹曲折量，e 为条纹的间距。若用白光照明，e 是指两根接近黑色的干涉条纹中心间的距离。这时λ取540nm （绿光λ=0.53μm=5300?）。若被测件的部分表面镀有厚度为h 的薄膜，则只要测量出干涉条纹间距e 和因镀膜而引起的干涉条纹位移量Ｈ，就可算出该薄膜的厚度。如图3所示。 2.26JA 型干涉显微镜的光学系统及构造 2.2.1 6JA 型干涉显微镜的光学系统 本实验用的是6JA 型干涉显微镜, 其光学系统如图1所示, 属于双光束干涉系统。光源1发出的光经聚光镜2投射到孔径光阑4平面上, 视场光阑5不在照明物镜6的前焦面上, 光经分光板7, 被分成两部分: 一部分反射, 另一部分透射. 被反射的光经物镜8射向标准反射镜M1, 再由M1 反射, 射向目镜14; 而从分光板上透射的光线通过补偿板9、物镜10射向工件表面M2, 再由M2反射, 射向目镜14. 在目镜分划板13上两束光产生干涉. 从目镜中可以观察到干涉条纹. 若样品表面平滑,则干涉条纹是平直的. 图五 6JA 型干涉显微镜构造 11a 5b 5a 105 131113 2 2a 2b 2c 14897a 44a 3 15 8 7 16 1b 1c 图4 6JA 型干涉显微镜光学系统 1-光源 2-聚光镜 3,11,15-反光镜 4-孔径光阑 5-视场光阑 6-照明物镜 7-分光板 8,10-物镜 9-补偿板 12-转向棱镜 13-分划板 14-目镜 16-摄影物镜
椭偏法测薄膜厚度和折射率 摘要 本实验通过椭圆偏振光法测量了氟化镁(MgF2)、氧化锆(ZrO2)及二氧化钛(TiO2)等介质薄膜的厚度和折射率，以及Cu和Al金属薄膜的厚度和消光系数。 关键词 椭圆偏振光法介质薄膜金属薄膜椭偏参数复折射率消光系数 一、引言 椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。 二、实验原理 在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的。通常，设介质层为n1、n2、n3，φ1为入射角，那么在1、2介质交界面和2、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉，如图(1-1) 图(1-1)
这里我们用2δ表示相邻两分波的相位差，其中δ=2πdn2cosφ2/λ，用r1p、r1s表示光线的p分量、s分量在界面1、2间的反射系数，用r2p 、r2s表示光线的p分、s分量在界面2、3间的反射系数。由多光束干涉的复振幅计算可知： 其中Eip和Eis 分别代表入射光波电矢量的p分量和s分量，Erp和Ers分别代表反射光波电矢量的p分量和s分量。现将上述Eip、Eis 、Erp、Ers四个量写成一个量G，即： 我们定义G为反射系数比，它应为一个复数，可用tgψ和Δ表示它的模和幅角。上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出： G是变量n1、n2、n3、d、λ、φ1的函数(φ2 、φ3可用φ1表示) ，即ψ=tg-1f，Δ=arg| f |，称ψ和Δ为椭偏参数，上述复数方程表示两个等式方程： [tgψe iΔ]的实数部分= 的实数部分 [tgψe iΔ]的虚数部分= 的虚数部分 若能从实验测出ψ和Δ的话，原则上可以解出n2和d (n1、n3、λ、φ1已知)，根据公式(4)~(9)，推导出ψ和Δ与r1p、r1s、r2p、r2s、和δ的关系：
用迈克尔逊干涉仪测量薄膜厚度 （楚雄师范学院 物电系 苏进高 20071041136） 【摘要】 随着社会经济的不断发展，有机薄膜作为一种功能材料，其应用越来越广泛，相应地薄膜的生产规模也不断扩大。在薄膜的生产过程中，厚度作为薄膜的一个重要指标，对生产生活有着很大的影响，本文采用迈克尔干涉仪测量薄膜的厚度，其原理简单，操作方便，精确度高。 【关键词】 迈克尔干涉仪；薄膜折射率，薄膜厚度， Use Michelson interferometer by measuring film thickness (The Department of Electronic Information Science and Technology of ChuXiong Normal University) Abstract: With the development of social economy, the application of organic thin films is more and more prevalent as a sort of functionality material. Accordingly, the scope of the production of the organic thin films is enlarged. thickness is one of the quality for the thin films has been a significant process in the production of the organic thin films. Production has a great impact on life, Michael interferometer using thin-film thickness measurement, the principle of a simple, convenient operation, high accuracy. 引言 塑料薄膜因为有很好的不透水性,价钱便宜、轻巧等优点，因此在生产生活中有着十分广泛的运用，而厚度作为薄膜的一个重要指标，起着非常重要的作用。下面我们介绍如何用迈克尔逊干涉仪来测量薄膜的厚度，这种方法原理简单，操作方便，精确度高 测量装置及原理 E 测量装置如图所示，其中1M 、2M 是两块互相垂直的平面反射镜，1G 为分光板，2G 是补
薄膜厚度检测原理及系统 摘要：本文对目前常用的薄膜厚度光学测量方法进行了深入的研究和讨论，总结并归纳了每一种测量方法的优缺点、以及使用条件。基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统，该系统得到薄膜厚度，能够精确测量各种不同性质的薄膜的厚度。关键词：薄膜厚度；测量；原子力显微镜 Abstract: In this paper, the advantage and disadvantage, usable condition of many usually used optical measurement methods of thin film thickness which are analyzed and discussed in detail ,are been summarized. A measuring system of film thickness based on atomic force microscope has been developed, based on this system could measure the thickness of various films. Key words：film thickness ; measurement; AFM 1引言 随着科技的发展以及精密仪器等技术的迅速发展，薄膜技术的应用变得更为广泛，不仅在光学领域，也被广泛地应用于微电子技术、通讯、宇航工程等各种不同的领域。薄膜的厚度很大程度上决定了薄膜的力学性能，电磁性能，光电性能和光学性能，薄膜厚度又是薄膜设计和工艺制造的关键参数之一，为了制备出合乎要求的薄膜也离不开高精度的薄膜厚度检测，因此薄膜厚度的测量一直是人们密切关注和不断研究改进的课题。 在众多类检测方法当中，由于光学检测方法具有非接触性、高灵敏度性、高精度性、快速、准确、不损伤薄膜等优点，成为目前被应用最广泛的方法。在对薄膜厚度检测的理论中，按照测量方法所依据的光学原理进行分类，可分为干涉、衍射、透射、反射、偏振等方法，也可根据光源分为激光测量和白光测量[1]。目前，光谱法、椭圆偏振法和干涉法是人们讨论最多和应用最广泛的测量方法。随着光学薄膜的材料和制备技术的不断提高，传统的薄膜厚度的测量方法己经不能
用迈克尔逊干涉仪测量单层薄膜的厚度和折射率 实验的改进 于海峰 蒋晓冬 韩厚年 （淮阴工学院 淮安 223003） 摘要：迈克尔逊干涉实验是大学物理实验中的一个重要实验，本文对迈克尔逊干涉仪测定薄膜的厚度和折射率实验的传统方法进行了改进，我们对原测量仪器稍做调整,提高了条纹视见度,减少了测量误差，提高了测量精度。 关键词：迈克尔逊干涉仪；光程；薄膜厚度；折射率；等厚干涉;白光干涉 引言 目前测量薄膜厚度和折射率的方法有多种，例如椭偏法、准波导法等等[1][2]。其中在实验室中最常用、最简单方便的方法是利用迈克尔逊干涉方法来进行测量。 迈克尔逊干涉仪是一种典型的分振幅双光束干涉装置,可用于观察光的干涉现象，测定单色光的波长，测定光源的相干长度。附加适当装置后，可以扩大实验范围，其中，用来测量薄膜的厚度和折射率就是其扩展实验之一。 问题提出 用迈克尔逊干涉仪测薄膜的厚度和折射率, 是利用在光程差约等于零时观测白光的彩色等厚干涉条纹。其做法是先调出白光条纹，然后将薄膜放在分光板2G 与反射镜2M 之间(薄膜与光线垂直),或薄 膜贴在2M 镜上，再调出零光程差的彩色干涉条纹,反射镜移动距离d 与薄透明体厚度l 、透明体折射率n 、空气折射率0n 有关系式： 0()d l n n =- 但是，利用上述测量单层薄膜的折射率和厚度[3][4] 的过程中存在着诸多的缺陷，首先要看到较好的等厚干涉条纹，要求单层薄膜本身较平整，以往简单的插入薄膜并不能保证薄膜的平整性，而把薄膜贴在2M 镜上，膜与镜之间也容易产生气泡，影响测量的精确性。再者要求白光等厚干涉条纹的可观测性较强，便于测量。本实验介绍了用迈克尔逊干涉仪方便，简单、清晰的观测等厚干涉条纹，进而用来测量单层薄膜厚度和折射率的方法。 实验原理 用迈克尔逊干涉仪测单层薄膜的厚度和折射率的实验装置如图1
材料物理实验报告 实验时间 年 月 日 [实验名称] 用薄膜测厚仪测量薄膜厚度及折射率 [实验目的] 1、了解测量薄膜厚度及折射率的方法，熟悉测厚仪工作的基本原理。 2、通过本实验了解薄膜表面反射光和薄膜与基底界面的反射光相干形成反射谱原理。 3、借助光学常数，对薄膜材料的光学性能进行分析。 [实验仪器] 测厚仪、已制备好薄膜数片、参考反射板（硅片） [实验原理] SGC-10薄膜测厚仪，适用于介质，半导体，薄金属，薄膜滤波器和液晶等薄膜和涂层的厚度测量。该薄膜测厚仪采用new-span 公司先进的薄膜测厚技术，基于白光干涉的原理来测定薄膜的厚度和光学常数（折射率n ，消光系数k ）。它通过分析薄膜表面的反射光和薄膜与基底界面的反射光相干形成的反射谱，用相应的软件来拟合运算，得到单层或多层膜系各层的厚度d ，折射率n ，消光系数k 。 在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的。通常，设介质层为n1、n2、n3，φ1为入射角，那么在1、2介质交界面和2、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉，如图(1-1) 图(1-1) 这里我们用2δ表示相邻两分波的相位差，其中 δ=2πdn2cos φ2/λ ，用r1p 、 r1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1、2间的反射系数， 用r2p 、r2s 表示光线的p 分、s 分量在界面2、3间的反射系数。 由多光束干涉的复振幅计算可知： 姓名： 范丽晶 班级：应用物理071 学号： 07411200126 成绩：
其中Eip和Eis 分别代表入射光波电矢量的p分量和s分量，Erp和Ers分别代表反射光波电矢量的p分量和s分量。现将上述Eip、Eis 、Erp、Ers四个量写成一个量G，即： 我们定义G为反射系数比，它应为一个复数，可用tgψ和Δ表示它的模和幅角。上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出： G是变量n1、n2、n3、d、λ、φ1的函数(φ2 、φ3可用φ1表示) ，即ψ=tg-1f，Δ=arg| f |，称ψ和Δ为椭偏参数，上述复数方程表示两个等式方程： [tgψe iΔ]的实数部分= 的实数部分 [tgψe iΔ]的虚数部分= 的虚数部分 若能从实验测出ψ和Δ的话，原则上可以解出n2和d (n1、n3、λ、φ1已知)，根据公式(4)~(9)，推导出ψ和Δ与r1p、r1s、r2p、r2s、和δ的关系：