時 凱,蘇俊宏,齊 媛

(1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.陜西省光電測試與儀器重點實驗室，陜西 西安710021；3.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新，對先進光學(xué)元件表面光學(xué)薄膜的性能要求也不斷提高，與之相對應(yīng)的加工和檢測技術(shù)也不斷更新。光學(xué)薄膜是現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)中不可缺少的技術(shù)基礎(chǔ)，它具有改變介質(zhì)的光學(xué)特性(如增透膜，高反膜等)，改進器件表面性能，擴展材料新的功能特性等優(yōu)點。由于光學(xué)薄膜的性能對器件的功能和質(zhì)量有著重要的影響，因此檢測薄膜的各項技術(shù)得到快速發(fā)展[1-3]。薄膜厚度是否均勻一致是檢測薄膜各項性能的基礎(chǔ)[4-5]， 它會影響整個器件的最終質(zhì)量。因此薄膜厚度測量是光學(xué)薄膜制備的基礎(chǔ)檢測項目之一。

現(xiàn)有薄膜厚度測量方法中，橢偏法[6-8]是應(yīng)用最廣泛的方法之一。它具有靈敏度高，適合于各種薄膜測量的優(yōu)點，但是它需要成本高、測試過程復(fù)雜的設(shè)備和計算模型，并且其精度受諸多因素的影響較大。根據(jù)便捷低成本的使用要求，本文提出一種基于激光外差干涉術(shù)的薄膜厚度測量方法。此方法采用經(jīng)典邁克爾遜干涉光路，利用外差干涉原理[9]將薄膜厚度差轉(zhuǎn)換為兩束不同頻率的光產(chǎn)生的光程差，以精密位移平臺為掃描機構(gòu)實現(xiàn)薄膜厚度的逐行掃描測量。測量系統(tǒng)在恒溫實驗條件下20 min內(nèi)的漂移不超過8 nm，測量結(jié)果平均差小于1 nm。通過與橢圓偏振儀的比較,表明該方法的可行性。

1 測量原理

基于激光外差干涉術(shù)的薄膜厚度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。此系統(tǒng)包括雙頻激光器、偏振分光棱鏡、1/4波片、偏振片、參考反射鏡、待測薄膜、精密位移臺、光電接收器、相位計。

圖1 基于激光外差干涉術(shù)的薄膜厚度測量系統(tǒng)光路原理圖Fig.1 Schematic of thin film thickness measurement systembased on laser heterodyne interferometry

系統(tǒng)采用Agilent 5517B雙頻激光器作為光源，發(fā)射包含水平偏振分量f1的激光束和垂直偏振分量f2(2個光頻率中的較高者)兩束偏振方向正交的激光(頻差為1.9 MHz ～2.4 MHz)。當激光器調(diào)諧穩(wěn)定時，其內(nèi)部通過混合2個激光頻率來產(chǎn)生拍頻信號作為參考信號IR，其頻率為頻差f1-f2。雙頻激光器的出射光(包含f1和f2)經(jīng)過偏振分光棱鏡，其中垂直偏振分量f2反射到參考反射鏡上，水平偏振分量f1透過偏振分光鏡，入射到固定在精密位移臺上的待測薄膜樣品，精密位移平臺沿垂直于光路方向掃描，將薄膜厚度差轉(zhuǎn)換為光程差Δl。兩束光各自沿其反射方向反射，由于2次經(jīng)過1/4波片，再次經(jīng)過偏振分光棱鏡時f2透射，f1反射，兩路光合光后形成的拍頻信號被光電接收器接收，將其作為測量信號IM。最后，測量和參考信號通過相位計比相得到包含有薄膜厚度的相位差Δφ。

其中參考信號和測量信號表示成拍頻干涉信號的函數(shù)為[10-11]：

IR=A0Rcos[2π(f1-f2)t+φ0R]

(1)

IM=A0Mcos[2π(f1-f2)t+φ0M+Δφ]

(2)

式中：A0R和AOM是干涉信號振幅；φ0R和φ0M是初始相位；Δφ為相位差；設(shè)Δl=2(L1-L2)為干涉系統(tǒng)實際光程差，L1和L2為2個干涉臂長，則相位差Δφ可通過比較IM和IR的相位得到，其與光程差Δl的關(guān)系為

(3)

式中λ為激光器中心波長。

由于實際光程差為薄膜物理厚度H的2倍，其關(guān)系為

(4)

薄膜厚度H與相位差Δφ的關(guān)系為

(5)

當精密位移平臺沿垂直于光路方向掃描，由于λ已知，那么薄膜厚度的變化即可由相位差反映，即薄膜厚度H可由(5)式得到。當λ=632.99 nm，相位計的分辨率為0.7°(512細分)，薄膜厚度測量系統(tǒng)的理論分辨率為0.618 nm。

2 測量實驗

測量系統(tǒng)搭建在光學(xué)氣動平臺上，測量環(huán)境溫濕度恒定(溫度：(22±0.3)℃，濕度：(55±3)%)。系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性如圖2所示，在20 min內(nèi)的漂移不超過8 nm，測量結(jié)果平均差小于1 nm。

圖2 薄膜厚度測量系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗結(jié)果Fig. 2 Experimental results of stability of thin film thicknessmeasurement system

厚度測量實驗中使用的薄膜樣品為使用真空鍍膜機鍍制的SiO2薄膜樣品，基底為ZK9玻璃。為了便于測試，使用專門夾具遮擋部分基底，通過鍍膜形成ZK9基底上的SiO2薄膜臺階。

測量時將待測薄膜樣品固定在M-403.22S線性精密位移平臺上，調(diào)整外差干涉系統(tǒng)光路使測量臂與薄膜樣品垂直。通過C-663控制器控制位移臺移動，測量光束掃過待測薄膜樣品，實現(xiàn)被測位置薄膜厚度的逐行掃描測量。對SiO2薄膜臺階的測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 SiO2薄膜臺階測量結(jié)果圖Fig.3 Measurement results of SiO2thin film step

表1 薄膜厚度測量結(jié)果

使用M-2000UI型橢圓偏振儀對待測薄膜樣品的3個不同位置進行厚度測量，并與外差干涉法測量結(jié)果進行比較。表2列出了基于外差干涉術(shù)的薄膜厚度測量方法和橢偏法的測量結(jié)果。從表2可知，測量結(jié)果基本相符，差值為12.97 nm。測量數(shù)據(jù)上的偏差主要是由于兩種測量方法原理的不同和薄膜樣品選擇的測量位置不同造成的。

表2 橢偏法測量結(jié)果

3 誤差分析

利用本文提出的測量方法進行薄膜厚度測量過程中測量誤差不可避免的，影響系統(tǒng)測量精度的因素很多，如系統(tǒng)的非線性誤差、激光器和探測器的電子誤差、測量環(huán)境擾動誤差等。

外差干涉測量系統(tǒng)中由于雙頻激光器和光學(xué)元件的缺陷，使得相位變化和被測量誤差呈非線性關(guān)系，導(dǎo)致測量系統(tǒng)中出現(xiàn)一個周期性的非線性誤差。不同的激光干涉儀都存在非線性誤差，在一般的激光干涉儀中，此誤差可達10 nm～20 nm，在性能較高的激光干涉儀中也存在幾nm的非線性誤差[10]。外差干涉系統(tǒng)的非線性誤差可通過不同的測量系統(tǒng)得到[14]，結(jié)果表明在較短時間內(nèi)相位測量的非線性誤差不超過10 nm[15]。為了減少測量系統(tǒng)的非線性誤差，采用高質(zhì)量的雙頻激光器、波片和偏振分光棱鏡來減弱入射激光的橢圓偏振，同時提高系統(tǒng)各個光學(xué)元件的安裝精度。在此基礎(chǔ)上，通過采取各種光學(xué)補償，電子補償，硬件和軟件處理等措施可以進一步降低非線性誤差[16]。

雙頻激光器作為整個測量系統(tǒng)的核心器件，其實際輸出波長只能穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，本系統(tǒng)中Agilent 5517B雙頻激光器的真空波長穩(wěn)定性(1 h)為±0.002×10-6mm，因此會引起測量系統(tǒng)的激光波長穩(wěn)定性誤差。當被測薄膜厚度小于2 μm時，波長穩(wěn)定性誤差為±2×10-3nm。測量系統(tǒng)的電子誤差是由接收器和相位計引起的。接收器和相位計(接收器直接接收激光束)的穩(wěn)定性測量結(jié)果如圖4所示，連續(xù)采樣20 min后。 測量值在0.4 nm～-0.5 nm范圍內(nèi)變化，平均偏差為0.11 nm。

圖4 接收器和相位計的穩(wěn)定性測量結(jié)果Fig.4 Experimental results of stability of receiver andphase meter

光學(xué)組件是測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因此光學(xué)組件的安裝和固定將對系統(tǒng)測量誤差產(chǎn)生影響。光學(xué)組件應(yīng)牢固地固定在同一氣動光學(xué)平臺上，以確保最小的振動。在測量過程中，光學(xué)組件或激光束周圍的任何局部熱源都會導(dǎo)致光學(xué)模塊的膨脹或激光束周圍空氣的干擾。因此有必要避免測量系統(tǒng)周圍的局部熱源?？諝馔牧魇怯杉す馐車睦錈峥諝獾囊苿右鸬?，它會改變激光束的波長。另一方面，溫度改變空氣介質(zhì)的折射系數(shù)。這些環(huán)境擾動將改變測量系統(tǒng)的幾何光路，并降低測量結(jié)果的準確性。為了減少溫度，氣流和振動的影響，光學(xué)組件應(yīng)盡可能靠近并固定，在每次實驗期間都將光路罩在密閉空間中，可以提供相對均勻的環(huán)境空氣，以便減小測量環(huán)境擾動誤差。由于環(huán)境擾動誤差不可能同時獲得其確定值，所以本文選擇穩(wěn)定性測量實驗中的漂移值作為近似值。在對環(huán)境擾動誤差做近似的條件下，可將上述各項誤差合成為

±10.78 nm

式中：e是系統(tǒng)誤差；δ是隨機誤差。

4 結(jié)論

本文提出的基于激光外差干涉術(shù)的薄膜厚度測量方法利用了經(jīng)典邁克爾遜干涉光路，系統(tǒng)搭建便捷，以精密位移平臺為掃描機構(gòu)實現(xiàn)薄膜厚度的逐行掃描測量。當采用512細分的相位計，薄膜厚度測量系統(tǒng)的理論分辨率可達到0.618 nm。系統(tǒng)在20 min內(nèi)的漂移不超過8 nm，平均差小于1 nm，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。通過與橢圓偏振儀的測量結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，兩種方法對相同SiO2薄膜樣品的測量差值為12.97 nm。對系統(tǒng)的測量誤差進行分析，得出合成誤差為±10.78 nm。實驗結(jié)果表明該方法正確可行，與橢偏法相比，基于激光外差干涉術(shù)的薄膜厚度測量方法提供了一種較為簡單，低成本的解決方案。該方法不僅可以滿足薄膜厚度測量的需要，也可以進一步推廣，實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的臺階高度等具有突變形貌的測量。