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基于白光干涉光谱法测量膜厚,具有无接触、快速、方便的优点,在工业中被广泛使用。海洋光学的光纤光谱仪以灵活、体积小,重量轻,USB连接方式即插即用,可根据需求,定制不同波段等优势,在业界很受欢迎。

一、光的干涉

两列或几列光波在空间相遇时互相叠加,引起光强的重新分布,在某些区域始终加强,在某些区域始终减弱,从而出现了明暗相间或彩色的条纹,这种现象称为光的干涉。

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图1:光的干涉现象图
当然了,也不是任意两列光波随随便便就可以发生干涉的,光的干涉产生的条件很是严苛。只有频率相同、振动方向相同、相位差恒定的光波才能产生干涉效应。

著名的杨氏双缝干涉实验

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S是一个受到单色光源照明的小孔,从S射出的光波照射屏上对称的小孔S1、S2。由S1、S2散发出的光波来源于同一光波,因而是相干光波,在距屏d’的屏上叠加并形成干涉图样.

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当两束光的波程差是半波长的偶数倍时,振动加强,呈现亮条纹;当两束光的波程差是半波长的奇数倍时,震动减弱,呈现暗条纹。

单色光的干涉条纹宽度相同,明暗相间,均匀分布。不同色光条纹宽度不同,波长越长的干涉条纹的宽度越大。

二、如何使用光纤光谱仪测薄膜厚度

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上图为采用光纤光谱仪测膜厚的原理图,光束以θ1入射到薄膜表面,一部分直接反射,另一部分则以θ2发生折射,折射光经膜层下表面反射后再经其上表面发生折射,反射光1与反射光2相干发生干涉。使用光纤光谱仪测量薄膜的厚度主要是通过反射光谱,反射光谱曲线中干涉峰的出现是薄膜干涉的结果。

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测量时,整个光路主要由反射探头组成,探头部分垂直于晶圆向下放置,光纤端一部分连接光源,形成入射光,另一部分连接光纤光谱仪,接收反射光谱。反射光谱曲线中干涉峰的出现是薄膜干涉的结果。

在薄膜干涉实验中,波长与介质折射率、薄膜厚度之间有如下关系:

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白光干涉法测反射光谱时,由于我们采取垂直入射的方法(θ1→0, θ2→0),因此上式可简化成:

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如果知道具体k的值,就可根据干涉峰位推算出膜层厚度d,但由于每个干涉波峰和波谷所对应的k很难确定,且不同厚度的薄膜k值都不相同,因此通常采用消去k的方法求出薄膜的厚度d。

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图2:不同厚度薄膜的反射光谱
假定反射曲线上有相邻的两个波峰λ1与波谷λ2,可联立两式求得薄膜的厚度d。
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实际上, 从反射光谱上可以得到多组波峰和波谷对应的波长, 计算出多个薄膜厚度的数值, 然后求平均以减少测量误差。

三、光纤光谱仪测膜厚的优势与特点


  • 采样速度快,适用于工业在线实时测量;
  • 非接触式光学无损测量;
  • 灵活、体积小,重量轻,USB连接方式即插即用;
  • 可根据需求,定制不同波段的光谱仪;
  • 可测多层膜厚。

四、系统配置与其他应用

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