杨修文

杨修文

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2023年2月17日发(作者：)

第３３卷第４期

Ｖｏｌ＿３３ Ｎｏ．４

长春师范大学学报（自然科学版）

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｎｏｒｍａｌ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｍｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）

２０１４年８月

Ａｕｇ．２０１４

几种常用光学方法测量薄膜厚度设计

苏宝玺，杨文琴，吴荣琴

（福建师范大学闽南科技学院，福建泉州３６２３３２）

［摘要］随着科技的进步和精密仪器的应用，薄膜厚度的测量方法层出不穷，准确测量薄膜的厚度

和光学常数在薄膜的制备和应用中起着关键的作用，直接关系到该薄膜材料能否正常工作。本文

通过对薄膜的光学测量方法进行归类，列举其中一些测量方法在教学中的应用。

［关键词］薄膜厚度；光学测量方法；实验教学

［中图分类号］０４３１ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］２０９５—７６０２（２０１４）０４—００２９—０４

薄膜厚度的测量方法有很多，常见的光学方法有等厚等倾干涉法、极值法、原子吸收光谱法、椭圆偏振法、

白光干涉法等。笔者通过引用高校中常见的光学实验教学仪器，如牛顿环、迈克尔逊干涉仪、椭偏仪、光纤光

谱仪（ＡｖａＳｐｅｃ）等，来归纳介绍几种测厚常见的光学方法。

ｌ 利用牛顿环干涉条纹测定薄膜厚度¨

将两块光学平玻璃叠合在一起，并在其中一端垫入待测的薄片，则在两块玻璃片之间形成一空气劈尖。

当用单色光垂直照射时，和牛顿环一样，在空气劈尖上、下两表面反射的两束相干光发生干涉，其干涉条纹是

一簇间距相等，宽度相等切平行于两玻璃片交线（即劈尖的棱）的明暗相间的平行条纹（图１）。

入纣光

图１空气劈尖干涉

由于任意相邻的两条干涉条纹所对应的空气劈尖厚度差为睾。由此可推出，相隔几个条纹的两条干涉

条纹所对应的空气劈尖厚度差为Ａｅ ＝几睾，再由几何相似性条件可得待测薄片厚度为

＝ｆ Ｌ （１）

其中， 为两玻璃片交线与所测薄片边缘的距离（劈尖的有效长度）， 为ｎ个条纹间的距离，它们可由

读数显微镜测出。

２迈克尔逊干涉仪测量薄膜厚度

迈克尔逊干涉仪是一种较为精密的测量仪器，可以测量气体、固体的折射率。同时，用迈克逊干涉仪也可

以测量薄膜厚度，其测量原理、方法简单。

［收稿日期］２０１４—０２—１３

［作者简介］苏宝玺（１９８３一），男，福建南安人，福建师范大学闽南科技学院助理实验师，从事光学实验室管理研究。

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白光

●Ｍ●

Ｉ ｎ ／薄腰ｌ

ｌ Ｕ ／ １－Ｉ ；Ｌ Ｃ－．

～

图２白光测厚

ｎ

图３等光程位置

２．１实验调节步骤

先用Ｈｅ—Ｈｅ激光器调节出明暗相间的干涉圆环，再改用白光照射，由于白光是复色光，而明暗纹位置又

与波长有关。因此，只有在ｄ＝０的对应位置上，各种波长的光到达屏上时，光程差均为０，形成零级暗纹。在

零级暗纹附近有几条彩色直条纹。稍远处，由于不同波长、不同级次的明暗纹相互重叠，便看不清干涉条纹

了。如图２所示，由于白光等厚干涉条纹能准确地确定等光程位置，可以用来测定透明薄片的厚度。当视场

内出现彩色直条纹后，继续转动微调手轮，使零级暗纹移到视场中央。然后在活动镜与分光板之间插入待测

薄片，此时由于光程差变化，彩色条纹消失。再转动微调手轮，使活动镜向分光板方向移近，当彩色条纹重新

出现并移到视场中央时，活动镜的移动正好抵消了光程差的变化。根据以上分析可以推出薄片厚度的测量公

式为

ｈ： ． （２）

旦

一ｌ

ｎ０

其中ｎ。＝１．００３，为空气的折射率；，ｌ为薄片折射率（由实验室给出）；ｆ０、ｆ 。分别为薄片插入前后等光程位

置的初始读数和末读数。

２．２等光程位置的确定

当 与Ｍ 不完全平行时， 和Ｍ。 之间形成楔形空气膜，一般情况下屏上将呈现弧形等厚干涉条纹。

若改变活动镜位置，使 和Ｍ。 的间距ｄ＝０，此时由 和Ｍ 反射到屏上的两束相干光光程差为零，屏上呈

现直线形明暗条纹如图３所示。这时活动镜的位置称为等光程位置。

３椭偏法测量薄膜厚度

３．１ 实验原理

椭圆偏振测量（椭偏术）是研究光在两媒质界面发生的现象及介质特性的一种光学方法，其原理是利用

偏振光在界面反射或透射时发生的偏振态的改变。椭圆偏振测量的应用范围很广，如研究半导体、光学掩膜、

圆晶、金属、介电薄膜、玻璃（或镀膜）、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等光学性质，也可用于介电、非晶

半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时

测量、快速数据获取等优点。

３．２等幅椭圆偏振光的获得

－３Ｏ・

图４实验原理图

５实验结果比较

表２优缺点分析

实验项目 缺 点 优 点

牛顿环 实际测量难度较大 仪器简单、便携

具有开发成轻巧、便携的自动化测量膜厚的

迈克尔逊干涉仪 人工数环易造成较大误差

潜力

受界面层等因素的影响，需要复杂的数学模型

椭偏仪 灵敏度较高

来求解厚度

光纤光谱仪 氘一卤钨灯光强较弱易受环境影响 精度较高，可实现膜厚的在线监控

６结语

不同的膜厚测量方法各有其特点，每个方法都存在一定的测量精度、测量范围和应用范围，也具有一定的

互补作用。因此，在实际使用时，应根据待测样品的特性和测试要求，选择合适的方法。

［参考文献］

［１］杨淑敏，张伟，曹丽萍．利用牛顿环干涉条纹测定薄膜厚度［Ｊ］．长春师范学院学报：自然科学版，２０１１，３０（４）：４６—４９．

［２］郑志远，樊振军，董爱国，等．迈克尔逊干涉测薄膜厚度［Ｊ］．大学物理实验，２０１０，２３（５）：４９—５０．

［３］杨修文，石义杰，路素彦．迈克尔逊干涉仪测量薄膜的折射率与厚度［Ｊ］．郧阳师范高等专科学校学报，２００８，２８（３）：２６

—２７．

［４］张志伟．微小型光纤光谱仪［Ｊ］．光机电信息，２００４（８）：１４—２０．

Ｓｅｖｅｒａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｏ Ｍｅａｓｕｒｅ Ｆｉｌｍ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ

ＳＵ Ｂａｏ—ｘｉ．ＹＡＮＧ Ｗｅｎ—ｑｉｎ．ＷＵ Ｒｏｎｇ—ｑｉｎ

（Ｍｉｎｎａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｆｕｊｉａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｕａｎｚｈｏｕ Ｆｕｊｉａｎ ３６２３３２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａｎｄ ｉｔ’ｖｉｔａｌ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍ

．ｗｈｉｃｈ

ｈａｓ ｄｉｒｅｃｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｎｏｒｍａｌ ｗｏｒｋ ｏｆ ｉｔ．Ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｌｍ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈ－

ｏｄ ｉｎ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｉｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ；ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ

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