膜厚仪

为了分析白光反射光谱的测量范围，进行了不同壁厚的靶丸壳层白光反射光谱测量实验。实验结果显示，对于壳层厚度为30μm的靶丸，其白光反射光谱各谱峰非常密集，干涉级次数值大；此外，由于靶丸壳层的吸收，壁厚较大的靶丸信号强度相对较弱。随着靶丸壳层厚度的进一步增加，其白光反射光谱各谱峰将更加密集，难以实现对各干涉谱峰波长的测量。为实现较大厚度靶丸壳层厚度的白光反射光谱测量，需采用红外宽谱光源和光谱探测器。对于壳层厚度为μm的靶丸，测量的波峰相对较少，容易实现壳层白光反射光谱谱峰波长的准确测量；随着靶丸壳层厚度的进一步减小，两干涉信号之间的光程差差异非常小，以至于光谱信号中只有一个干涉波峰，难以使用峰值探测的白光反射光谱方法测量其厚度。为了实现较小厚度靶丸壳层厚度的白光反射光谱测量，可采用紫外宽谱光源和光谱探测器提升其探测厚度下限。Michelson干涉仪的光路长度是影响仪器精度的重要因素。膜厚仪

薄膜是一种特殊的微结构，在电子学、摩擦学、现代光学等领域得到了广泛应用，因此薄膜的测试技术变得越来越重要。尤其是在厚度这一特定方向上，尺寸很小，基本上都是微观可测量的。因此，在微纳测量领域中，薄膜厚度的测试是一个非常重要且实用的研究方向。在工业生产中，薄膜的厚度直接影响薄膜是否能正常工作。在半导体工业中，膜厚的测量是硅单晶体表面热氧化厚度以及平整度质量控制的重要手段。薄膜的厚度会影响其电磁性能、力学性能和光学性能等，因此准确地测量薄膜的厚度成为一种关键技术。高采样速率膜厚仪通过测量反射光的干涉来计算膜层厚度，利用膜层与底材的反射率和相位差来实现测量。

常用的白光垂直扫描干涉系统的原理是：入射的白光光束通过半反半透镜进入到显微干涉物镜，被分光镜分成两部分，一部分入射到固定的参考镜，另一部分入射到样品表面，当参考镜表面和样品表面的反射光再次汇聚后，发生干涉，干涉光通过透镜后，利用电荷耦合器(CCD)探测双白光光束的干涉图像。通过Z向精密位移台带动干涉镜头或样品台Z向扫描，获得一系列干涉图像。根据干涉图像序列中对应点的光强随光程差变化曲线，可得该点的Z向相对位移；然后，通过CCD图像中每个像素点光强最大值对应的Z向位置，可测量被测样品表面的三维形貌。该系统具有高分辨率和高灵敏度等特点，广泛应用于微观表面形貌测量和薄膜厚度测量等领域。

由于不同性质和形态的薄膜对系统的测量量程和精度的需求不尽相同，因而多种测量方法各有优缺，难以一概而论。按照薄膜厚度的增加，适用的测量方式分别为椭圆偏振法、分光光度法、共聚焦法和干涉法。对于小于1μm的较薄薄膜，白光干涉轮廓仪的测量精度较低，分光光度法和椭圆偏振法较适合。而对于小于200nm的薄膜，由于透过率曲线缺少峰谷值，椭圆偏振法结果更可靠。基于白光干涉原理的光学薄膜厚度测量方案目前主要集中于测量透明或者半透明薄膜，通过使用不同的解调技术处理白光干涉的图样，得到待测薄膜厚度。本章在详细研究白光干涉测量技术的常用解调方案、解调原理及其局限性的基础上，分析得到了常用的基于两个相邻干涉峰的白光干涉解调方案不适用于极短光程差测量的结论。在此基础上，我们提出了基于干涉光谱单峰值波长移动的白光干涉测量解调技术。广泛应用于半导体、光学、电子、化学等领域，为研究和开发提供了有力的手段。

傅里叶变换是白光频域解调方法中的一种低精度信号解调方法，起初由G.F.Fernando和T.Liu等人提出，用于低精度光纤法布里-珀罗传感器的解调。该解调方案的原理是通过傅里叶变换得到频域的峰值频率从而获得光程差，并得到待测物理量的信息。傅里叶变换解调方案的优势是解调速度快，受干扰信号影响较小，但精度不高。根据数字信号处理FFT理论，若输入光源波长范围为[λ1,λ2]，则所测光程差的理论小分辨率为λ1λ2/(λ2-λ1)，因此该方法主要应用于解调精度要求不高的场合。傅里叶变换白光干涉法是对傅里叶变换法的改进。该方法总结起来是对采集到的光谱信号进行傅里叶变换，然后滤波、提取主频信号，接着进行逆傅里叶变换、对数运算，之后取其虚部进行相位反包裹运算，从而通过得到的相位来获得干涉仪的光程差。经实验证明，该方法测量精度比傅里叶变换方法更高。可测量大气压下薄膜厚度在1纳米到1毫米之间。膜厚仪

当光路长度增加，仪器的分辨率越高，也越容易受到静态振动等干扰因素的影响，需采取一些减小噪声的措施。膜厚仪

光谱法是一种以光的干涉效应为基础的薄膜厚度测量方法，分为反射法和透射法两种类型。入射光在薄膜-基底-薄膜界面上的反射和透射会引起多光束干涉效应，不同特性的薄膜材料的反射率和透过率曲线是不同的，并且在全光谱范围内与厚度一一对应。因此，可以根据这种光谱特性来确定薄膜的厚度和光学参数。光谱法的优点是可以同时测量多个参数，并能有效地排除解的多值性，测量范围广，是一种无损测量技术。其缺点是对样品薄膜表面条件的依赖性强，测量稳定性较差，因此测量精度不高，对于不同材料的薄膜需要使用不同波段的光源等。目前，这种方法主要用于有机薄膜的厚度测量。膜厚仪