改进的迈克尔逊干涉仪测量薄膜厚度_马成

第 ３４ 卷 第 １ 期 ２０１２ 年 ２ 月
光 学 仪 器
ＯＰＴＩＣＡＬ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ
文 章 编 号 ：１００５－５６３０（２０１２）０１－００８５－０６
Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１２
改进的迈克尔逊干涉仪测量薄膜厚度＊
马 成，徐 磊
（湖北大学 物理学与电子技术学院，湖北 武汉 ４３００６２）
１．２ 等 倾１ 之间加上一 扩 束 镜，以 提 供 不 同 角 度 的 入 射 光。 当 Ｍ１∥Ｍ′２（Ｍ１⊥
Ｍ２）时，与 Ｍ１ 的法线和 Ｍ′２的法线夹角皆为θ的入射光，经 Ｍ′２与 Ｍ１ 反射后成为平行的两束光（１）和（２）
（如 图 ２），它 们 的 光 程 差 为 ：
Δ ＝２ｄｃｏｓθ
（１）
其中ｄ 为 Ｍ′２与 Ｍ１ 间空气层的厚度，在屏 Ｐ 上可以观察 到 明 暗 相 间 的 同 心 圆 环，每 一 个 圆 环 对 应 一 恒 定
的倾角，即等倾干涉。移动 Ｍ２ 让ｄ 发生变化，当 ｄ 增 加 时，条 纹 从 中 心 涌 出 向 外 扩 展；ｄ 减 小 时，条 纹 向
＊ 收稿日期：２０１１－０８－２２ 作 者 简 介 ：马 成 （１９９０－），男 ，湖 北 咸 宁 人 ，本 科 生 ，主 要 从 事 凝 聚 态 前 沿 领 域 、新 型 光 电 子 器 件 机 理 与 设 计 方 面 的 研 究 。
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光 学 仪 器
第 ３４ 卷
ＧＳＺＦ－４型迈克尔逊干涉仪加以改进，提出 了 实 验 原 理 及 具 体 测 量 方 法，并 分 析 了 该 方 法 的 优 点 与 不 足， 实验结果反映出较好的精确度。
变化；然后取出薄膜，调节手轮使 Ｍ２ 贴近传感器，这过程也会产生反方向的干涉 环 变 化，那 么 当 反 方 向 的
干涉环变化数目与之前相等时，Ｍ２ 就回到了夹有薄 膜 时 的 相 同 位 置，只 不 过 此 时 力 传 感 器 与 Ｍ２ 之 间 只
第１期
马 成 ，等 ：改 进 的 迈 克 尔 逊 干 涉 仪 测 量 薄 膜 厚 度
调节 Ｈｅ－Ｎｅ激光器水平并垂直导轨方向入射到分光镜的中央部位。 （２）粗 调 ：利 用 激 光 光 束 方 向 性 好 的 特 点 ，以 下 用 自 准 直 法 调 节 。 调 节 激 光 器 或 干 涉 仪 的 位 置 ，使 激 光
束通过 Ｇ１、Ｇ２ 垂直照射平面镜 Ｍ１，然后在激光器和分光镜之间放一小孔光阑，使 光 通 过 小 孔 照 射 到 分 光 镜上，被 Ｍ１、Ｍ２ 反射在小孔光阑上各有一排亮点，调节平面镜 Ｍ１ 和 Ｍ２ 后 的 三 只 螺 丝，使 两 排 中 最 亮 的 两个光斑重合，这时 Ｍ１ 和 Ｍ２ 基本垂直，拿走小孔光阑。
源激光器的波长λ。相反的可以这样设想，若使动镜移动量恰好等于被 测物的厚度，而且能够数出该厚度
对应干涉环的变化数目 Ｎ，则在已知激光波长λ 的条件下，将各量带入式（２）即可测定物体 的 厚 度。 这 里
的 关 键 点 有 两 方 面 ：一 是 要 使 光 程 正 好 改 变 了 被 测 的 厚 度 ，二 是 还 要 能 记 录 与 之 对 应 干 涉 的 周 期 数 。 为 了
１ 实 验 原 理
１．１ 迈 克 尔 逊 光 路 原 理 迈克尔逊光路原理如图１所示，平面镜 Ｍ１、Ｍ２ 严格 垂 直；Ｇ１、Ｇ２ 为 平 行 等 厚 的 平 玻 璃 板，分 光 板 Ｇ１
一侧（图靠右侧）镀有半反半透膜，起分光作 用；补 偿 板 Ｇ２ 用 于 弥 补 光 束 ① 在 Ｇ１ 板 中 往 返 两 次 所 多 走 的 光程。光源 Ｓ射出的光束，在半透膜处分成两束，一束反射光①和一束透射光②。光束②经 Ｇ２ 到 Ｍ２ 后， 反射回来经 Ｇ２ 射到半透膜上，再反射到观察 屏 Ｐ；光 束 ① 经 半 透 膜 反 射 后，到 Ｍ１ 后 又 反 射 到 半 透 膜 上， 再经透射到观察屏 Ｐ；由于满足光的相干条件，这两束光在屏 上 相 遇 就 形 成 干 涉 条 纹。Ｍ′２是 Ｍ２ 被 Ｇ１ 反 射所成的虚像，光束①和光束②之间的干涉等效于 Ｍ１、Ｍ′２之间空气膜产生的干涉。
摘要：为了测量未知折射率或不透明 薄 膜 的 厚 度，借 助 力 传 感 器 对 传 统 迈 克 尔 逊 干 涉 仪 加 以 改 进 ，并 运 用 等 倾 干 涉 的 原 理 结 合 抵 消 法 设 计 了 测 量 装 置 。 薄 膜 被 等 厚 的 空 气 层 所 代 替 ，通 过 间 接 测 量 ，避 开 了 机 械 螺 旋 空 程 差 造 成 的 影 响 ，使 用 力 传 感 器 有 效 减 小 了 挤 压 形 变 引 起 的 误 差 。 该 装 置测量范围为０．３μｍ～１．５ ｍｍ，分 辨力 为 ０．３μｍ。 实 测数 据表明，该 装置 具 有良好 的 重 复 性 和准确性。 关 键 词 ：迈 克 尔 逊 干 涉 仪 ；力 传 感 器 ；等 倾 干 涉 ；抵 消 法 ；薄 膜 厚 度 中 图 分 类 号 ：Ｏ ４８４．５ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－５６３０．２０１２．０１．０１７
获得严格的等倾干涉条纹之后，接 着 进 行 测 量。 测 量 装 置 细 节 如 图 ４ 所 示，力 传 感 器 固 定 在 铁 架 台 上 ，测 力 钩 与 动 镜 间 留 一 空 隙 。 测 量 步 骤 如 下 ：
（１）将 待 测 薄 膜 放 入 该 空 隙 ，调 节 动 镜 使 空 隙 减 小 ，两 侧 与 膜 接 触 时 ，空 隙 与 膜 等 厚 ； （２）向 左 调 动 镜 使 干 涉 环 周 期 改 变 １０ 圈 ； （３）用 镊 子 小 心 取 出 薄 膜 ； （４）向右调动镜使干涉环周期改变１０圈，两次改变的环 数相等 方 向 相 反，光 程 抵 消，因 而 两 者 间 空 气 间隙与薄膜等厚； （５）再右调动镜直到动镜与传感器刚好接触，该步中干涉环的改变数 Δｎ； （６）将已知的激光波长λ 及 Δｎ 代入式（３），计算被测薄膜厚度ｘ。
Ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ′ｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ
ＭＡ Ｃｈｅｎｇ，ＸＵ Ｌｅｉ
（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６２，Ｃｈｉｎａ）
引 言
薄 膜 技 术 是 当 今 材 料 科 学 研 究 的 热 点 ，厚 度 是 薄 膜 的 重 要 物 理 参 数 ，因 而 膜 厚 的 测 量 自 然 成 为 研 究 材 料特性十分重要的 工 作。 对 于 固 态 薄 膜，常 见 的 膜 厚 测 量 手 段 主 要 有 直 接 测 量 如 螺 旋 测 微 法、显 微 镜 法［１］，间接测量如干涉法、偏振法 等 ［２］ 。传统的迈克尔逊 干 涉 仪 除 了 可 以 用 来 观 察 等 倾 干 涉、等 厚 干 涉 和 白光干涉等各种干涉现象［３］，也能测定薄膜厚度，但 必 须 要 求 薄 膜 透 明 且 折 射 率 已 知。 如 一 些 文 章 中 ［４－６］ 介 绍 过 利 用 白 光 干 涉 法 和 干 涉 极 值 法 测 薄 膜 厚 度 ，但 光 路 调 节 要 求 高 、操 作 繁 复 ，必 须 已 知 折 射 率 ，而 且 折 射率本身的误差对 结 果 影 响 较 大。 为 了 克 服 此 不 足，文 中 利 用 朗 威 ＤＩＳ 力 传 感 器 （分 辨 力 ０．０１ Ｎ）对
图 １ 迈 克 尔 逊 光 路 原 理 图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ
Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ′ｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ
图 ２ 等 倾 干 涉 原 理 图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ
ｅｑｕａｌ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ
（３）细调：将扩束镜 Ｇ 置于 激 光 器 与 迈 克 尔 逊 干 涉 仪 之 间，在 屏 上 可 以 看 到 弧 形 或 半 圆 形 干 涉 条 纹 （如没有应重 新 粗 调），调 整 改 变 Ｍ１ 倾 角 的 两 个 微 调 螺 丝，使 屏 Ｐ 上 出 现 同 心 圆 形 干 涉 条 纹，此 时 Ｍ１ 和 Ｍ２ 严格垂直。 ２．２ 测 量 过 程
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有空气。下面是最后一个过程，调手轮使现 Ｍ２ 继 续 贴 近 力 传 感 器，直 到 与 之 恰 好 接 触，设 最 后 这 过 程 干 涉环的变化数为 Δｎ，就得到了与膜厚对应的干涉环数 Δｎ。根据式（２），容易得到被测薄膜厚度为：
ｘ ＝ Δｎ·λ ２
（３）
２ 实 验 方 法
２．１ 获 得 等 倾 干 涉 条 纹 测 量 前 必 须 首 先 获 得 严 格 的 等 倾 干 涉 条 纹 ，使 用 迈 克 尔 逊 干 涉 仪 的 基 本 调 节 步 骤 概 括 如 下 ： （１）大致布局：调节干涉仪的底座螺丝使平台水平，移动 Ｍ１ 使 Ｍ１、Ｍ２ 距分光板 Ｇ１ 的距离大致相等。
中 心涌入。光程差增加或减少一个波长λ，ｄ 就增加或减少λ／２，即 Ｍ２ 就移动了λ／２。设变化 Ｎ 个干涉圆
环动镜的移动量为 Δｄ，则有环数与 Ｍ２ 移动量的关系为：
Δｄ ＝ Ｎ·λ ２
（２）
１．３ 基 于 等 倾 干 涉 的 光 程 抵 消 法
根据式（２）知道，只要读出 Ｎ（通常取大于８０）个 干 涉 环 对 应 的 动 镜 位 置 的 移 动 量 Δｄ，就 可 以 测 得 光
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ａｎ ｏｐａｑｕｅ ｏｒ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｉｔｙ－ｕｎｋｎｏｗｎ ｆｉｌｍ ａ ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ａｄｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ′ｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｑｕａｌ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｆｆｓｅｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｉｓ ｒｅｐｌａｃｅｄ ｂｙ ａ ｌａｙｅｒ ｏｆ ａｉｒ ａｓ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｌｏｓｔ ｍｏｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ａｖｏｉｄｅｄ．Ｍｏｒｅ ｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｅｓｓｉｎｇ ｉｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｗｅａｋｅｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ０．３μｍ ａｎｄ １．５ ｍｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｈｅｓ ０．３μｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｏｆ ｇｏｏｄ ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ′ｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｅｑｕａｌ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｏｆｆｓｅｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ