基于力传感器的薄膜厚度测量装置设计

基于力传感器的薄膜厚度测量装置设计

法、显微镜法薄膜技术是当今科学研究的热点，厚度是薄膜的重要物理参数。因此，膜厚的测量自然是研究材料特性的重要工作。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,间接测量如干涉法、偏振法等。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,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0.01N)对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。1实验原理1.1补偿板3g光程模型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。1.2表面光程差的影响要形成等倾干涉,可以在S与G1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)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=Ν⋅λ2(2)Δd=N⋅λ2(2)1.3薄膜厚度的测定根据式(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。为了实现第一点,采用了所谓“抵消法”。即在动镜M2后面放一个力传感器(如图3),使之与M2间留一微小空隙,把薄膜放入该空隙后调手轮使薄膜恰好被夹紧,这时力传感器与M2的距离就是薄膜的厚度。但这样还无法数出环数,为了实现第二点,先调手轮使M2与薄膜分开,该过程必定对应了一定数量的干涉环变化;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⋅λ2(3)2实验方法2.1激光束光器与分光镜的配合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。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。(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被测薄膜厚度的测量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。需要注意,在完成步骤(1)后,将薄膜直接取出接着操作(5)的做法是不妥当的。实验发现,这样做通常会发生若干个干涉环的瞬间跳变,说明干涉状态已改变,致使测量结果有误。步骤(2)、(3)、(4)起到消除跳变效应影响的作用。3试验设备与缺陷分析3.1测力器和测力网络gy-10-nmGSZF-4型迈克尔逊干涉仪的结构图解和用其进行测量的实物图,如图5、图6所示。整套装置主要由迈克尔逊干涉仪、力传感器、数据采集器、计算机、数据线和铁架台等组成。作用于力传感器上的压力可通过计算机软件实时监测,当压力稳定到0.01N时,表明已充分接触,步骤(1)、(5)就是用这种方法判断接触的。根据前述理论,该装置最小可以精确地分辨到λ/2,配套光源为GY-10型He-Ne激光器(λ=632.8nm),即测量下限为0.3μm。GSZF-4型迈克尔逊干涉仪动镜行程为1.5mm,这决定了此法的测量上限为1.5mm。3.2试验工具的使用效果(1)拓展了传统迈克尔逊干涉仪的测量对象,在被测薄膜非透明、折射率不已知的情况下,其厚度也可测量;(2)理论上可以准确分辨到λ/2个长度,使用波长632.8nm的激光时,分辨力约为0.3μm。这个精度比一般的机械式测量工具如千分尺、游标卡尺的精度高许多;(3)有效避开了螺旋空程造成的影响。众所周知动镜的调节一般要通过机械的螺旋装置精密变动,但在有来回运动时,机械的空程差则尤为显著。虽然空程效应客观存在,但此法整个过程不依靠干涉仪自带的机械读数装置,而是通过记干涉环周期数进行间接测量,且测量接触部位直接位于动镜,很好地解决了这个问题;(4)基本消除了挤压的影响,力传感器使压力约在0.01N,较好地解决了不同人操作用力不均匀的偶然误差。由于压力较小,故对于一般的固体薄膜,测量中产生的挤压形变十分微弱,可忽略不计。3.3人工数环方案是否可选现阶段的装置,还有待改善。主要是人为地“数环”并不是一项简单的工作,长时间关注激光干涉图样对眼睛不利,若不仔细则容易数错,造成较大误差。所以,人工数环的方案在实际应用中是不可取的。另外,此法测量的分辨力是由激光波长决定的,使用波长越短的激光,分辨力也越高,但较短波长的激光也在400nm左右,所以目前通过降低波长的办法提高精度成本较高,提高也不是十分显著。4试验结果与误差分析4.1u3000薄钢片厚度的测量实验先后选取一层折射率未知的普通塑料薄膜和一支薄钢片(标示值为0.06mm规格的塞尺)作为样品,用前述方法分别测量10次,每次改变的干涉环周期数及相应推算的厚度分别如表1、表2所示。由表1计算被测塑料薄膜的结果为,平均厚度:—x1=21.14μm,总的厚度:x1=(21.14+0.56)μm。A类不确定度uA1=√n∑i=1(x1i-—x1)n(n-1)=0.53μm(4)B类不确定度uB1=Δ仪√3=0.5λ√3=0.18μm(5)合成标准不确定度uC1=√u2A1+u2B1=0.56μm(6)在不考虑均匀性与存在空隙的前提下,用螺旋测微器测得100张同种薄膜的平均厚度为21.46μm,以重叠法为参考值,则相对误差为:η=|x重叠法-x文中法|x重叠法×100%=|21.46-21.14|21.46×100%=1.5%(7)由表2计算薄钢片结果为,平均厚度:—x2=61.00μm,总的厚度:x2=(61.00+0.98)μm。A类不确定度uA2=√n∑i=1(x2i-—x2)n(n-1)=0.96μm(8)B类不确定度uB2=Δ仪√3=0.5λ√3=0.18μm(9)合成标准不确定度uC2=√u2A2+u2B2=0.98μm(10)测值与塞尺规格相差0.001mm,经查表知该塞尺制造工艺上可能存在的偏差为±0.003mm,故尚不能以标定值0.06mm作为准确的参考值,但可以看出测量的结果确实在允许偏差范围之内,说明该塞尺达到了指定尺寸,可以继续使用。两组综合标准不确定度均小于1μm,通过比较,表明此法具有良好的重复性和准确性。4.2人工数环的使用下面简要分析误差,其来源主要有两点:(1)激光波长作为测量参数,其值是否准确将直接影响测量准确度,实验所用激光器的波长不一定正好与标示规格吻合,故建议使用前亲自测一下激光的波长,以实际测得的激光波长代入计算,这有助于减小测量的系统误差;(2)当薄膜厚度较大时,需要记录的干涉环也较多,如果采用人工数环的办法,人为多数或漏数的次数也将有所增长,导致结果有一定的偏差,甚至这偏差将成为测量的最主要误差来源,这主要反映在A类不确定度上。实验也验证了这一点,从对两种薄膜片的实际测量结果来看,塑料薄膜的厚度x1=(21.14+0.56)μm,薄钢片的厚度为x2=(61.00+0.98)μm,对比可见,随着被测厚度的增加,其多次重复测量的A类不确定度也有明显增加。为了避免人工数环的误差,目前有人设计了可以实现计算机自动数环的读数系统,并开发出了相关硬件。虽然人工数环的方法在实际应用中不太可取,但由于实验室条件所限,暂时无法架设一个自动数环系统,只好对两种厚度不太大的薄片采用人工数环的方法进行了测量。如若采用自动数环,不但可使测量操作大为简化,为计数工作节省大量宝贵时间,而且其精准程度也相当优于人工数环。5自动数环的应用与一般的干涉法测固体薄膜的厚度相比,该方法最大的优势就是不用已知薄膜的折射率,不要求被测材料透明,同时能够达到较高精度,且没有过分困难的光路