專利名稱：用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的spr相位測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬薄膜厚度的測(cè)量方法，特別涉及一種用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
隨著薄膜技術(shù)在微電子、光電子、航空航天、生物工程、武器裝備、食品科學(xué)、醫(yī)療儀器和高分子材料等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，薄膜技術(shù)已成為當(dāng)前科技研究和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)，特別是納米級(jí)薄膜技術(shù)的迅速發(fā)展，已經(jīng)直接影響到科技的發(fā)展方向和人們的生活方式。而薄膜制造技術(shù)的不斷改進(jìn)和迅速發(fā)展也對(duì)薄膜的各種參數(shù)提出了更高的要求，比如薄膜的折射率和厚度參數(shù)以及反射、透射、吸收特性等，其中薄膜厚度是薄膜設(shè)計(jì)和工藝制造中的關(guān)鍵參數(shù)之一，它對(duì)于薄膜的光學(xué)特性、力學(xué)特性和電磁特性等具有決定性的作用，因此能夠精準(zhǔn)地檢測(cè)薄膜厚度已經(jīng)成為一種至關(guān)重要的技術(shù)。目前常用的檢測(cè)薄膜厚度的方法主要有:干涉測(cè)量法、高精密顯微鏡測(cè)量法、橢圓偏振法、探針測(cè)量法、電容測(cè)微法、X射線衍射法等。測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的主要方法則主要是高精密顯微鏡測(cè)量法和探針測(cè)量法等。其中，高精密顯微鏡測(cè)量法主要是利用掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)通過(guò)測(cè)量膜基臺(tái)階高度或者截?cái)啾∧悠窚y(cè)量橫斷面的方法來(lái)確定金屬薄膜的厚度；探針測(cè)量法則是利用臺(tái)階儀對(duì)金屬薄膜樣品表面進(jìn)行接觸式掃描，由此獲得膜基臺(tái)階的高度信息從而確定金屬薄膜的厚度。但高精密顯微鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不易操作，臺(tái)階儀的接觸式測(cè)量會(huì)對(duì)薄膜樣品造成損傷，破壞了樣品的完整性。因此，研究一種非接觸、高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作的用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的檢測(cè)方法便成為趨勢(shì)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種具有非接觸、高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作的測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的方法。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，步驟如下:步驟一:建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，并求得對(duì)應(yīng)的擬合公式；步驟二:獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的鍍膜干涉條紋圖像；步驟三:獲取棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像；步驟四:將步驟二和步驟三獲取的圖像進(jìn)行比對(duì)、計(jì)算，得到鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值；步驟五:將步驟四中的計(jì)算結(jié)果代入在步驟一所述標(biāo)準(zhǔn)曲線圖的擬合公式中獲取金屬薄膜厚度的值。另外，所述步驟一建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖參數(shù)為:I)激光器的輸出波長(zhǎng)，2)棱鏡折射率，3)金屬薄膜的介電常數(shù)。所述步驟二是:將入射到棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的反射光分為TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作為測(cè)量光，TE偏振波作為參考光,而后令兩束光經(jīng)干涉系統(tǒng)和偏振片后產(chǎn)生干涉條紋，記錄該干涉圖像；所述步驟三是:將入射到棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的反射光分為TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作為測(cè)量光，TE偏振波作為參考光,而后令兩束光經(jīng)干涉系統(tǒng)和偏振片后產(chǎn)生干涉條紋，記錄該干涉圖像；所述步驟四是:將步驟二和步驟三獲取的兩幅圖像對(duì)比、計(jì)算和處理，得到兩幅干涉圖像中干涉條紋的偏移量和干涉圖像中相鄰干涉條紋的間隔量，由此計(jì)算出鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值；所述步驟五是:將步驟四得到的鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值代入到步驟一所述的標(biāo) 準(zhǔn)曲線圖的擬合公式中獲取金屬薄膜厚度的值。另外，所述步驟二，入射到棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的反射光，為入射到棱鏡型SPR傳感器棱鏡-金屬薄膜界面的光線，入射角等于SPR效應(yīng)的共振角。所述步驟三，入射到棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的反射光，為入射到棱鏡型SPR傳感器棱鏡-空氣界面的光線，入射角等于步驟二中的入射角。另外，所述金屬薄膜為金、銀、鋁或鉬薄膜。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明是基于棱鏡型SPR傳感器和相位調(diào)制方法，采用激光干涉對(duì)TM偏振波和TE偏振波進(jìn)行相位調(diào)制，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸、高精度、便于操作的測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度。
圖1是棱鏡型SPR傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金膜厚度變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，圖3是用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法的實(shí)施步驟流程圖，圖4是基于SPR相位檢測(cè)方法測(cè)量金屬薄膜厚度的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，圖5是棱鏡型SPR傳感器放置在XYZ三維平移導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)角平臺(tái)上的示意圖，圖6是干涉圖像中干涉條紋強(qiáng)度的一維空間位置示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明:表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)效應(yīng)是一種特殊的物理光學(xué)現(xiàn)象。利用光波在介質(zhì)與金屬交界面上發(fā)生全反射時(shí)所產(chǎn)生的倏逝波，可以引發(fā)金屬表面自由電子的集體振蕩，從而形成表面等離子體波(Surface Plasmon Wave, SPW),它的磁場(chǎng)矢量方向平行于介質(zhì)與金屬的交界面，磁場(chǎng)強(qiáng)度在交界面處達(dá)到最大值且在兩種介質(zhì)中呈現(xiàn)指數(shù)型衰減趨勢(shì)，當(dāng)入射光波矢等于表面等離子體波波矢時(shí)，即可激發(fā)SPR效應(yīng)。目前，SPR傳感技術(shù)的調(diào)制類型主要有角度型、光譜型和相位型，其中相位型SPR傳感技術(shù)擁有更高的靈敏度，具有明顯優(yōu)勢(shì)?；赟PR技術(shù)建立的棱鏡型和光纖型SPR傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在化學(xué)和生命科學(xué)方面，最主要的是用于測(cè)量溶液折射率，還可以進(jìn)一步測(cè)量一些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、特性及其相互作用等。在利用棱鏡型SPR傳感器測(cè)量溶液折射率的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，SPR傳感器所鍍金屬薄膜的厚度對(duì)反射光的反射率和相位變化有直接影響，因此，本發(fā)明利用SPR傳感器的這一特點(diǎn)結(jié)合相位調(diào)制方法來(lái)測(cè)量金屬薄膜的厚度，為測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度提供一種新思路。如圖1所示為棱鏡型SPR傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，入射光E以SPR效應(yīng)共振角入射到棱鏡型SPR傳感器5的棱鏡501-金屬薄膜502界面激發(fā)SPR效應(yīng)后，反射光E’中TM偏振波的相位會(huì)隨金屬薄膜的厚度發(fā)生劇烈變化，而TE偏振波的相位變化程度則不明顯，二者差異很大，因此將TM偏振波作為測(cè)量光，TE偏振波作為參考光，利用這兩種偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度的變化規(guī)律，即可獲得所鍍金屬薄膜厚度的信息。根據(jù)菲涅耳公式，圖1所示棱鏡型SPR傳感器的反射系數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特征是:步驟如下: 步驟一:建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，并求得對(duì)應(yīng)的擬合公式； 步驟二:獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的鍍膜干涉條紋圖像； 步驟三:獲取棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像； 步驟四:將步驟二和步驟三獲取的圖像進(jìn)行比對(duì)、計(jì)算，得到鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值； 步驟五:將步驟四中的計(jì)算結(jié)果代入在步驟一所述標(biāo)準(zhǔn)曲線圖的擬合公式中獲取金屬薄膜厚度的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特征是: 所述步驟一建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖參數(shù)為: 1)激光器的輸出波長(zhǎng)， 2)棱鏡折射率， 3)金屬薄膜的介電常數(shù)。
所述步驟二是:將入射到棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的反射光分為TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作為測(cè)量光，TE偏振波作為參考光,而后令兩束光經(jīng)干涉系統(tǒng)和偏振片后產(chǎn)生干涉條紋，記錄該干涉圖像； 所述步驟三是:將入射到棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的反射光分為TM偏振波和TE偏振波，以反射光中的TM偏振波作為測(cè)量光，TE偏振波作為參考光,而后令兩束光經(jīng)干涉系統(tǒng)和偏振片后產(chǎn)生干涉條紋，記錄該干涉圖像； 所述步驟四是:將步驟二和步驟三獲取的兩幅圖像對(duì)比、計(jì)算和處理，得到兩幅干涉圖像中干涉條紋的偏移量和干涉圖像中相鄰干涉條紋的間隔量，由此計(jì)算出鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值； 所述步驟五是:將步驟四得到的鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值代入到步驟一所述的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖的擬合公式中獲取金屬薄膜厚度的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特征是: 所述步驟二，入射到棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的反射光，為入射到棱鏡型SPR傳感器棱鏡-金屬薄膜界面的光線，入射角等于SPR效應(yīng)的共振角。
所述步驟三，入射到棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的反射光，為入射到棱鏡型SPR傳感器棱鏡-空氣界面的光線，入射角等于步驟二中的入射角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，其特征是:所述金屬薄膜為金、銀、鋁或鉬薄膜。
全文摘要
一種用于測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度的SPR相位測(cè)量方法，步驟一建立TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值隨金屬薄膜厚度變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，并求得對(duì)應(yīng)的擬合公式；步驟二獲取棱鏡型SPR傳感器鍍膜區(qū)域的鍍膜干涉條紋圖像；步驟三獲取棱鏡型SPR傳感器非鍍膜區(qū)域的干涉條紋圖像；步驟四將步驟二和步驟三獲取的圖像進(jìn)行比對(duì)、計(jì)算，得到鍍膜區(qū)域TM偏振波和TE偏振波的相位變化量差值；步驟五將步驟四中的計(jì)算結(jié)果代入在步驟一所述標(biāo)準(zhǔn)曲線圖的擬合公式中獲取金屬薄膜厚度的值。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明是采用激光干涉對(duì)TM偏振波和TE偏振波進(jìn)行相位調(diào)制，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸、高精度、便于操作的測(cè)量納米級(jí)金屬薄膜厚度。
文檔編號(hào)G01B11/06GK103226007SQ20131013799
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者劉慶鋼, 劉超, 樊志國(guó), 劉士毅, 陳良澤, 梁君 申請(qǐng)人:天津大學(xué)