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薄膜厚度与光学常数的测量 一、实验目的 了解薄膜厚度测量的主要测量原理和方法以及流程，掌握Filmetrics 膜厚测 试仪的测试原理，操作流程，特点及注意事项。 二、实验原理 在现代科学技术中，薄膜已有广泛的应用。薄膜厚度是薄膜性能参数的重要 指标，薄膜厚度是否均匀一致是检测薄膜各项性能的基础。目前，两类主要的薄 膜测量是基于光学和探针的方法。探针法测量厚度及粗糙度是通过监测精细探针 划过薄膜表面时的偏移。探针法在测量速度和精度上受限，并且测量厚度时需要 在薄膜里作一个“台阶” 。探针法通常是测量不透明薄膜（例如金属）的首选方法。 光学法是通过测量光与薄膜如何相互作用来检测薄膜的特性。光学法可以测量薄 膜的厚度、粗糙度及光学参量。光学参量是用来描述光如何通过一种物质进行传 播和反射的。一旦得知光学参量，就可以同其它重要参量（例如成分及能带）联 系起来。两类最常用的光学测量法是反射光谱法及椭圆偏光法。反射光谱法是让 光正（垂直）入射到样品表面，测量被薄膜表面反射回来的一定波长范围的光。 椭圆偏光法测量的是非垂直入射光的反射光及光的两种不同偏振态。一般而言， 反射光谱法比椭圆偏光法更简单和经济，但它只限于测量较不复杂的结构。 Filmetrics 膜厚测试仪采用的是反射光谱法的原理，可测量薄膜的厚度及光 学常数。反射光谱包含了样品的反射率，膜层厚度，膜层和基底的折射率与消光 系数的信息。光学参量（n 和k ）描述了光通过薄膜如何进行传播。n 是折射率， 描述了光在材料中能传播多快，同时它表示入射角i 与折射角r 的关系。k 是消 光系数，决定材料能吸收多少光。n 与k 是随着波长的变化而变化的。这种依赖 关系被称为色散。不同波长的光波在穿透被测膜层时会产生不同的相位差，由被 测膜层的厚度与n ，k 值决定各个波长的光所产生的相位差，相位差为波长整数 倍时，产生建设性叠加，此时反射率最大；相位差为半波长时，出现破坏性叠加， 反射率最低；整数倍与半波长之间的叠加，反射率介于最大与最小反射之间，这 样就形成了干涉图形。 如图1 所示，在单层界面上， 入射光分解为反射光和折射光， 其中材料的折射率 (n , n ) ，入射 0 1 角 (i) 。 对于多于一层的界面，有许 图1(a)单层界面(b)多层界面光传播示意图 多个反射光线射出薄膜。射线1 的强度由n , n 决定。射线2 的强度由n , n , n k 0 1 0 1 s, 1 决定。反射强度依赖于折射率和消光系数。射线2 在厚度为t1 的膜层中传播速度 由反射率决定n 。射线 1 没有进入膜。这样，当射线2 离开膜层的时候，它就相 1 对与射线 1 有一个延时，这个延时依赖于t 和n 。射线 1 和2 的光波就有了相 1 1 位差。相位差的影响又与光的波长有关。因为射线1 和2 不同相，所以它们之间 就形成了干涉。 因此，测量的反射光谱可以分解为：（1）各个界面上的反射 （2 ）反射光之 间的干涉 （3 ）膜层材料对光的吸收 。这些都依赖于膜层参数：厚度，折射率， 消光系数。膜厚仪测量出反射光强与波长函数的实验光谱，软件中膜层的构建模 拟出理论光谱。如果膜层的构建是正确的，那么两条光谱会完美的拟合。 三、实验仪器、原料和试剂等 1、实验仪器：膜厚仪 2 、原料：镊子，待测膜厚样品，标样等 四、实验内容和步骤 1、开机：打开电脑，接上膜厚仪光纤，打开膜厚仪电源，打开光纤电源。 2 、测量膜厚： (1) 打开膜厚仪操作软件，膜厚仪自检结束，把待测样品放到测试平台中间。 (2) 测量单点的厚度时，打开软件的测量界面。(a)编辑配方：编辑测量参数，根 据所制备的样品，选择待测样品的材料，衬底材料。同时估计待测样品的厚度， 选择合适的厚度范围；(b)基准：先把标样放在测试平台中间，采集样品，然后 换上待测样品，根据衬底材料选择参考标准，采集参考值，最后完成基准；(c) 然后点击测量操作，测量结果就会显示出待测点的厚度。(d)根据对比实验光谱