光谱应用 | 膜厚测量


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。

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

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.

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


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。

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：

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：

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。

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。
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


内容来源：爱蛙科技编辑整理

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