基于双频干涉原理的薄膜厚度测量方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115451842A(43)申请公布日2022.12.09(21)申请号202211068992.2(22)申请日2022.09.02(71)申请人中国计量大学地址310018浙江省杭州市学源街258号中国计量大学(72)发明人谢昊郭天太王浩(51)Int.Cl.G01B11/06(2006.01)权利要求书1页说明书3页附图1页(54)发明名称基于双频干涉原理的薄膜厚度测量方法(57)摘要本发明公开了一种基于双频干涉原理的薄膜厚度测量方法，该方法利用外差干涉原理将薄膜厚度差转化为光程差，通过双频激光器输出频率不同的正交线偏振光，经偏振分光棱镜分光，1/4波片改变光的偏振态，反射镜回光，偏振片拍频，最终得到能体现光程变化的测量信号，再通过相位计比相，得到包含薄膜厚度的相位差。该测量方法使用经典的迈克尔逊干涉光路，利用光学元件的偏振特性和分光特性，通过测量光路的光程差，大大减小了计算模型的搭建，并且具有精度高、稳定性强的优点。CN115451842ACN115451842A权利要求书1/1页1.一种基于双频干涉原理的薄膜厚度测量方法，其特征在于：包括具有能输出正交线偏振光的激光器(1)、偏振分光棱镜(2)、第一四分之一波片(3)、平面反射镜(4)、偏振片(5)、光电探测器(6)、第二四分之一波片(7)、待测薄膜(8)和精密位移平台(9)。当激光器(1)调谐稳定时，内部混合两个不同的激光频率产生拍频信号，作为参考光束I1，其频率为f1‑f2，激光器输出频率不同的正交线偏振光f1和f2，经过偏振分光棱镜(2)后，分成两束光，垂直线偏振光f1反射到第一四分之一波片(3)上，变成圆偏振光，经过平面反射镜(4)后，沿入射方向反射，再次经过第一四分之一波片(3)后，使得线偏振光f1的偏振方向垂直于原偏振方向，通过偏振分光棱镜后，透射到偏振片(5)上；水平线偏振光f2透射通过第二四分之一波片(7)后，入射到固定在精密位移平台的待测薄膜样品(8)上，精密位移平台(9)沿垂直于光路方向移动，将薄膜的厚度差转换为光程差ΔL，水平线偏振光f2两次经过四分之一波片，使得光的偏振方向垂直于原偏振方向，经偏振分光棱镜(2)后，反射到偏振片(5)上，f1与f2在偏振片上干涉形成拍频信号被光电探测器接受，作为测量信号I2。2.根据权利要求书1所述的基于双频干涉原理的薄膜厚度测量方法，其特征在于：所述的薄膜测量单元中，待测薄膜(8)固定在精密位移平台(9)上，精密位移平台沿垂直于光路的方向扫描。3.根据权利要求书1所述的基于双频干涉原理的薄膜厚度测量方法，其特征在于：所述的第一四分之一波片(3)和第二四分之一波片(4)光轴调整至相对于光路的光轴成45°夹角，偏振片自身光轴调整至相对于光路的光轴成45°夹角。4.根据权利要求1所述的基于双频干涉原理的薄膜厚度测量方法，其特征在于：所述的激光器(1)调谐后输出的参考信号与光电探测器(6)采集的测量信号一起通过相位计解调得到包含薄膜厚度的相位差，其中参考信号和测量信号可以表示为：参考信号：测量信号：式中，A、B表示干涉信号幅值，和表示初始相位，表示光程变化引入的相位差。经过差分处理后得到干涉系统的实际光程差Δl＝2(L2‑L1)，L2和L1为f2光路和f1光路对应的光程值。再由光程差与相位关系式计算出光程差的值。由于实际的光程差为薄膜厚度h的2倍，其关系为故可采用以下公式得到薄膜厚度：式中，λ表示激光器的波长。2CN115451842A说明书1/3页基于双频干涉原理的薄膜厚度测量方法技术领域[0001]本发明属于光学测量领域，提供一种基于光学基础的薄膜厚度测量方法，尤其是涉及一种双频干涉原理的薄膜厚度测量方法。背景技术[0002]随着科技的不断进步，对光学元件性能要求也在不断提高，与之对应的加工和检测技术也在不断更新。光学薄膜是现代光学领域中不可或缺的技术基础，它具有改变介质的光学特性(如高反膜、增透膜等)、提升器件表面性能、扩展材料新功能等特点。由于光学薄膜的性能对器件的功能和质量有着重要的影响，近年来光学薄膜检测的各项技术得到了快速的发展。光学薄膜的厚度是否均匀一致是检测薄膜各项性能的基础，影响到整个器件的功能和质量。[0003]现有的薄膜厚度测量方法中，主要分为两大类‑‑‑‑非光学法和光学法，其中，非光学法有电阻法、电容法和涡流法等，光学法有椭圆偏振法、光切法、分光光度测量法等，其中椭圆偏振法应用最为广泛，具有灵敏度高、测量范围广、适用于各种薄膜测量的优点，但其测量成本过高，测试过程复杂，需要建立多种计算模型，且其测量误差较大，精度受多种因素的影响。基于双频干涉原理的薄膜厚度测量方法可实现纳米级测量精度，依据迈克尔逊干涉光路，利用外差干涉原理将薄膜厚