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光学表面散射、粗糙度及膜厚测量 ------------苦修者:徐乾,赵昕,宋祺 南游记 之 序曲 演员表 实验员………… ………… …………徐乾,赵昕,宋祺 程序员………… ………… ………… …………赵昕 数据处理………… ………… ………… …………宋祺 PPT制作………… ………… ………… …………徐乾 功率表 徐乾30% …………赵昕35% …………宋祺35% 一、表面粗糙度 二、薄膜厚度 三、散射 一、表面粗糙度 1.接触式测量 1)比较法 2)印模法 3)触针法 2.非接触式测量 1)光切法 2)实时全息法 3)散斑法 4)像散测定法 5)光外差干涉法 6)AFM法 7)光学传感器法 多种测量方法: 第一乐章 初遇黄袍怪 表面粗糙度的参数包括高度参数、间距参数和综合参数等内容。 1.高度参数×3：Ra----中心线平均粗糙度Rymax----最大高度粗糙度Rtm----十点平均粗糙度 粗糙度的国家标准: 2.间距参数×2： 1)轮廓单峰平均间距S----两相邻轮廓单峰的最高点在中线上的投影长度Si，成为轮廓单峰间距，在取样长度内，轮廓单峰间距平均值，就是S。 2)轮廓微观不平度的平均间距Sm----含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度Smi，成为轮廓微观不平间距。 3。综合参数——轮廓支承长度率tp：轮廓支承长度np与取样长度l之比 由AFM测得的表面粗糙度参数共有3个:Ra,Rz,Ry： Ra----在取样长度内，轮廓偏距绝对值的算术平均值； Rz----在取样长度内最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和； Ry----在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。 在均方根的换算中有公式σ(RMS)×25.4/1000=Ra 由AFM测得的多孔氧化铝(Porous Alumina, PA)薄膜样本表面图像: 图像文件:2010122007 haoguai.bmp 测量时间:2010年12月20日 11:44:34 图像大小:512×512 象素 扫描范围:X:1024nm;Y:1024nm 扫描时间:30 s 亮度阈值:0.80 Z最大值:1.80V;Z最小值:1.40V; Z平均值:1.68 V 粗糙度 Ra:6.2nm;Ry:97.2n; Rz:97.2nm 第二乐章 三打白骨精 二、薄膜厚度 PA薄膜是具有独特结构的，多孔层的膜胞为六角形紧密堆积排列，每个膜胞中心都有个纳米级的微孔，这些孔的大小均匀，且与基体表面垂直，它们彼此之间是平行的。 关于样本:孔间距100nm,孔直径40nm,孔深250nm的多孔氧化铝(Porous Alumina, PA)薄膜 原理篇: 对于普通薄膜: 光程差:(近似垂直入射情况下) 干涉光光强: 根据布拉格公式可得 对于极大值而言有 k=0,1,2…… 设 得 对于多孔薄膜: 孔隙率: 有孔部分的面积与整个薄膜表面面积之比。 PA的孔隙率: 根据Maxwell-Garnette有效介电常数理论算出多孔薄膜的有效折射率: 光纤光谱仪相关原理: 选取峰值为610nm,m=1 将其调转一个角度，令孔水平排列。 测量篇: 不尽如人意之处: AFM测量范围有限 追求满意最大化: 三打白骨精 组别 读数1 (像素) 读数2 (像素) 孔间距个数 距离 (像素) 长度(nm) 第一组 144 494 7 50 100 第二组 154 536 8 47.75 95.5 第三组 233 428 4 48.75 97.5 平均值 48.83 97.66 孔1(像素) 孔2(像素) 孔3(像素) 平均(像素) 长度(nm) 17.89 17 18.6 17.83 35.66 孔间距: 孔径 通过孔隙率计算出等效折射率为1.4347，在根据波长610nm得出膜厚度为212.585nm,与标准值250nm相比较,误差为14.966%。 结果篇: 第三乐章 真假美猴王 三、散射 总积分散射测量法(TIS): 根据标量散射理论 当光线以某一角度θi入射时，全积分散射(TIS)定义为散射功率Ps与镜面反射功率P0之比： TIS法优点:仪器结构简单 成本低 测量速度快 不易受环境影响等 主要缺点:无法获得光学表面形貌的全部特征及 散射光的空间分布。 我们亲手炼制的利器 Made in China 误差分析: 系统内部噪声源的影响 外界环境干扰:环境温度,湿度 电磁干扰 外界环境杂散光 人为因素引起的噪声