白光干涉在零光程差处,出现零级干涉条纹,随着光程差的增加,光源谱宽范围内的每条谱线各自形成的干涉条纹之间互有偏移,叠加的整体效果使条纹对比度下降。测量精度高,可以实现测量,采用白光干涉原理的测量系统的抗干扰能力强,动态范围大,具有快速检测和结构紧凑等优点。普通的激光干涉与白光干涉之间虽然有差别,但也有许多相似之处。可以说,白光干涉实际上就是将白光看作一系列理想的单色光在时域上的相干叠加,在频域上观察到的就是不同波长对应的干涉光强变化曲线。随着技术的不断进步和应用领域的拓展,其性能和功能会得到提高和扩展。薄膜干涉膜厚仪的精度
光具有相互叠加的特性,发生干涉的两束光在一些地方振动加强,而在另一些地方振动减弱,并产生规则的明暗交替变化。干涉测量需要满足三个相干条件:频率一致、振动方向一致、相位差稳定一致。与激光光源相比,白光光源的相干长度较短,通常在几微米到几十微米内。白光干涉的条纹有一个固定的位置,对应于光程差为零的平衡位置,并在该位置白光输出光强度具有最大值。通过探测光强最大值,可以实现样品表面位移的精密测量。白光垂直扫描干涉、白光反射光谱等技术,具有抗干扰能力强、稳定性好、动态范围大、结构简单、成本低廉等优点,并广泛应用于薄膜三维形貌测量和薄膜厚度精密测量等领域。国内膜厚仪24小时服务这种膜厚仪可以测量大气压下,1 nm到1mm范围内的薄膜厚度。
自上世纪60年代开始,西方的工业生产线广泛应用基于X及β射线、近红外光源开发的在线薄膜测厚系统。随着质检需求的不断增长,20世纪70年代后,电涡流、超声波、电磁电容、晶体振荡等多种膜厚测量技术相继问世。90年代中期,随着离子辅助、离子束溅射、磁控溅射、凝胶溶胶等新型薄膜制备技术的出现,光学检测技术也不断更新迭代,以椭圆偏振法和光度法为主导的高精度、低成本、轻便、高速稳固的光学检测技术迅速占领日用电器和工业生产市场,并发展出了个性化定制产品的能力。对于市场占比较大的微米级薄膜,除了要求测量系统具有百纳米级的测量准确度和分辨率之外,还需要在存在不规则环境干扰的工业现场下具备较高的稳定性和抗干扰能力。
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相同,因而多种测量方法各有优缺,难以一概而论。将各测量特点总结所示,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,椭圆偏振法结果更加可靠。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。工作原理是基于膜层与底材反射率及相位差,通过测量反射光的干涉来计算膜层厚度。
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。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。高精度膜厚仪测量方法
光路长度越长,仪器分辨率越高,但也越容易受到干扰因素的影响,需要采取降噪措施。薄膜干涉膜厚仪的精度
光具有传播的特性,不同波列在相遇的区域,振动将相互叠加,是各列光波独自在该点所引起的振动矢量和。两束光要发生干涉,应必须满足三个相干条件,即:频率一致、振动方向一致、相位差恒定。发生干涉的两束光在一些地方振动加强,而在另一些地方振动减弱,产生规则的明暗交替变化。任何干涉测量都是完全建立在这种光波典型特性上的。下图分别表示干涉相长和干涉相消的合振幅。与激光光源相比,白光光源的相干长度在几微米到几十微米内,通常都很短,更为重要的是,白光光源产生的干涉条纹具有一个典型的特征:即条纹有一个固定不变的位置,该固定位置对应于光程差为零的平衡位置,并在该位置白光输出光强度具有最大值,并通过探测该光强最大值,可实现样品表面位移的精密测量。此外,白光光源具有系统抗干扰能力强、稳定性好且动态范围大、结构简单,成本低廉等优点。因此,白光垂直扫描干涉、白光反射光谱等基于白光干涉的光学测量技术在薄膜三维形貌测量、薄膜厚度精密测量等领域得以广泛应用。薄膜干涉膜厚仪的精度