摘 要

由于贵金属薄膜材料的介电常数实部为负值，使得其电磁性能、光学性能以及力学性能具有其它介质薄膜材料不可替代的优越性，尤其是表面等离子体激发、表面荧光增强和拉曼增强等应用不断推陈出新。而这些性质与薄膜的厚度密切相关，是薄膜厚度降低至纳米量级而出现的崭新现象，因此准确测量薄膜厚度非常重要。对于纳米级金属薄膜的测量，为了克服现有检测仪器少、且结构复杂、价格昂贵的缺点，论文研究了利用表面等离子体共振的方法测量银膜的厚度。主要工作内容包括：

1、对表面等离子体共振（SPR）的机理进行理论分析与仿真计算，得到激发SPR效应的最佳金属薄膜参数；

2、建立模拟表面等离子体共振的膜厚测量理论分析模型，用Matlab仿真分析共振角与银膜厚度之间的关系，并分析银膜的不同参数对共振曲线的影响，建立表面等离子体共振参数-膜厚传感模型；

3、设计表面等离子体共振薄膜厚度测量系统，结合传感模型测量得到银膜厚度。

实验结果表明：使用SPR法需要搭建的光路比较简单，并且整套系统的体积小，灵敏度高，可以作为一种通用的金属薄膜的厚度测量方法。

关键词：金属薄膜；表面等离子体共振（SPR）；角度调制

Abstract

Due to the real part of the dielectric constant of precious metals thin film is negative, making the electromagnetic properties, optical properties and mechanical properties with the superiority which can not be replaced by other dielectric thin film material, especially on the surface of the plasma excitation, surface enhanced fluorescence and Raman enhancement and other applications continue to emerge. These properties and film thickness are closely related, film thickness is reduced to the nanometer scale, and appeared a new phenomenon, so the measurement of the film thickness is very important. For the measurement of nanometer metal film, in order to overcome the shortcomings of the existing testing instruments, and the disadvantages of complicated structure and expensive price, the method of measuring the thickness of silver film by using surface plasmon resonance . The main work includes:

1. The theoretical analysis and simulation calculation of surface plasmon resonance (SPR) are carried out, and the optimal parameters of SPR effect are obtained;

2. Theoretical analysis model of film thickness measurement based on the simulation of surface plasmon resonance，Matlab simulation was used to analyze the relationship between the resonance angle and the silver film thickness, and the influence of different parameters on the resonance curve was analyzed，a surface plasmon resonance parameter-film thickness sensing model was established;

3. Design surface plasmon resonance thin film thickness measurement system, and the thickness of silver film was measured by the sensor model.

Experimental results show that: using SPR method to build the optical path is relatively simple, and the whole system of small size, high sensitivity, can be used as a common method of measuring metal films.

Key words: thin film; surface plasmon resonance (SPR); angle modulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 金属薄膜厚度的检测 1

1.2 金属薄膜厚度检测方法概述 1

1.2.1 非光学测量法 1

1.2.2 光学测量法 2

1.3 论文的研究内容与章节安排 3

第二章 SPR法测量银薄膜厚度的理论基础 4

2.1 SPR的基本原理 4

2.1.1倏逝波与表面等离子体 4

2.1.2 金属薄膜中SPR的产生 5

2.1.3 Kretschmann型SPR系统反射率的计算 6

2.2 SPR的调制模式 9

2.2.1 角度调制 9

2.2.2 波长调制 9

2.3 Kretschmann型SPR系统的理论分析 10

2.3.1 系统参数设定 10

2.3.2 薄膜参数对共振曲线的影响 10

2.4 本章小结 15

第三章 金属薄膜厚度的表面等离子体共振测量实验 16

3.1 测量银膜厚度的SPR实验系统 16

3.1.1 SPR系统：激发、调制与信号采集 16

3.1.2 金属薄膜的厚度测量实验 18

3.2 实验结果与误差分析 19

3.3 本章小结 23

第四章 总结和展望 24

参考文献 26

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 金属薄膜厚度的检测

金属薄膜材料是利用蒸发法、溅射法或者化学气相沉积法将原子、分子或离子沉积在体材料表面形成的一种新型的特殊材料。作为一种金属与体材料形成的复合型材料，金属薄膜材料与体材料相比有着许多独特的光学和电学性质。例如金属耐磨薄膜、Al或Cu的导电薄膜、含Ag材料的光存储薄膜和磁性存储薄膜。

由于金属薄膜材料的电磁性能、光学性能以及力学性能具有其它薄膜材料不可替代的优越性，因此在微电子器件、光电器件、通讯工程中有着广阔的应用空间^[1]。科技的发展带来了更为先进的镀膜工艺，随之产生了纳米级的金属薄膜，纳米级金属薄膜材料具有特殊的性能，在微纳光电子器件领域有着重要的应用。

纳米级金属薄膜厚度的变化对它本身的性质有很大的影响，所以要尽量得到准确的厚度值。又因为纳米级金属薄膜的光学常数也是一个不确定的量，并且光学常数和薄膜厚度的测量密切相关，所以准确测量纳米级金属薄膜的厚度，必须同时准确测定光学常数^[2]。目前能够高精度测量纳米级金属薄膜的仪器主要是扫描探针显微镜（SPM），椭圆偏振光检测仪以及台阶轮廓仪。但是由于价格昂贵和结构复杂，限制了它们更广泛地应用，所以本次研究课题的目的和意义在于寻找一种简单有效的金属薄膜测量方法。

1.2 金属薄膜厚度检测方法概述

金属薄膜厚度的测量方法是经历了很长时间的发展，由最初的手动测量发展到如今的自动测量，由开始时的高误差测量发展到如今的高精度测量，测量技术一步一步的改进，结果的准确度也在不断改善。薄膜测量技术发展到今天已是百花齐放的局面，各种高精度测量仪器不断问世，各种新颖的方法被提出。虽然有如此多的测量技术，但是按照测量工具和测量手段来划分，大体可以分为光学和非光学两种方法。

1.2.1 非光学测量法

非光学的测量方法有力学方法、电学方法和机械法等等。非光学方法的发展时间比较长，例如探针测量法^[3]是兴起于上世纪30年代，它的原理是利用机械触针来感知被测物体表面的高低起伏，从而对物体的厚度有一个具体的描述，利用这种方法可以测量一个范围内的各个点的厚度值，得到区域内的平均值。台阶仪测量金属薄膜厚度就是基于这种原理。这种机械式的测量方法虽然操作较为直观，但是测量的时候有可能会伤害到薄膜，并且台阶轮廓仪的测量范围可以看作薄膜上的一个点。这就使得薄膜厚度不均匀时得到的测量值并不能代表整个薄膜。除此之外，使用轮廓仪测量时需要把镀膜的基片做额外处理，给探针一个阶梯作为参考值。还有机械工具共有的问题，那就是器材的磨损，探针是直接与薄膜接触的，时间长了难免有一定的磨损，这时测量的准确性就会大打折扣。

到了20世纪末，高精密显微镜的不断出现给纳米级薄膜的测量带来了新的方向。具有代表性的显微镜有扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）^[4]，分辨力的进步非常明显，可以达到原子水平，这使得显微镜扫描得到的表面轮廓非常清晰。就测量原理来说，显微镜法和探针法有着相似之处，他们都是以基片为起始数据，通过不同的观测或检测手段得到薄膜覆盖区域和无薄膜覆盖区域的差值，然后将这个差值进行处理，即可得到薄膜的厚度。这种测量方法操作比较简便，一般都是自动化操作的，没有磨损可以不断重复实验，比起探针法来不会损伤薄膜。同样的，显微镜法也有自身的局限性，虽然原子力显微镜（AFM）对被测薄膜没有要求，但是扫描隧道显微镜（STM）测量薄膜就需要薄膜是可以导电的。而且高精密显微镜通常特别昂贵，不能普及，操作也非常繁琐。

1.2.2 光学测量法

光学测量方法是目前应用最广泛的薄膜厚度测量方法，主要是因为它的操作简便，易于普及。光学测量方法同样也延伸除了许多不同的发展方向，按照不同的分类方法可以给出不同的种类。按照测量方法所依据的光学原理进行分类，可分为激光干涉法^[5]、激光透射法^[6]；根据薄膜测量的具体情况进行分类，比如根据薄膜的吸收情况分为吸收膜的测量法和非吸收膜的测量法^[7]；根据光源可以分为激光测量法和白光测量法^[8]。