摘 要

在光学薄膜的各种相关参数测量中，厚度是光学薄膜设计和制备中必须要考虑的关键参数之一，它对于薄膜的光学性能、力学性能和电磁性能等都有重要的影响，因此，对于薄膜厚度（尤其是纳米级薄膜厚度）的准确测量显得尤为重要。光学测量方法因为具有精度高、速度快、无损测量等优势而成为主要测量手段。论文在概述了薄膜厚度测量方法的基础上，主要完成了如下工作：

(1)利用matlab对白光干涉的时域和频域特性进行了相关的仿真分析，并研究了光源的各种特性参数对频域干涉结果的影响。研究结果表明，光源的中心波长与类型对实验结果影响不大，而宽谱宽的光源更有利于实验精度的提高。理论分析表明，光程差在3m时，光程差每增加1nm，峰值波长便移动0.098nm。

(2)本文研究的锗膜厚度约在300nm，导致其白光干涉输出光谱只有一个干涉峰，此时传统的白光解调方案（如峰峰值法）将不再适用。本文提出利用白光干涉峰值波长移动的方法来测量锗膜的厚度，并搭建实验系统进行相关量的测量。通过验证光谱峰值波长的移动与锗膜温度的改变成线性关系，并在实验过程中计算峰值波长的移动量，最终计算得到干涉光的光程差，得到锗膜的厚度。利用该实验方案，我们测得实验所用锗膜厚度为329.49nm。采用台阶仪对锗膜的厚度测量结果为328.13nm，在误差范围内，两者基本一致。实验中由光源波长漂移和温度测量引起的误差分别为0.76%和0.14%。

关键词：白光干涉；纳米薄膜；峰值波长移动；厚度测量

Abstract

In the related parameters measurement of optical thin film, the thickness is the one of the key parameters must be considered when it is designed and manufactured. It makes a difference to optical properties, mechanical properties and electromagnetic properties. Therefore, the accurate measurement of thin film thickness (especially the nano-scale thin film thickness) is really important. Optical measurement method has become the main means of measurement because of its high precision, high speed and non destructive measurement. On the basis of the outline of the film thickness measurement method, the following work is completed:

1. The time domain and frequency domain characteristics of white light interference are simulated by MATLAB, and the influence of various parameters of the light source on the interference in frequency domain is studied. The results show that the central wavelength and the type of the light source have little effect on the experimental results, and the wide spectrum of the light source is more conducive to the improvement of experimental accuracy. The theoretical analysis shows that the optical path difference is around the 3mm, each 1nm increase in optical path difference, peak wavelength moves 0.098nm.

(2) In this thesis, the thickness of the germanium film is about 300nm, which leads to the output spectrum of white light interference with only one interference peak. So the traditional white light demodulation scheme (such as the method of peak-peak value ) can not be applied. Thus, a method to measure the thickness of the germanium film by the movement of white light interference peak wavelength is proposed, and set up the experiment system to measure the relative quantity. Through verificating the linear relationship between the movement of spectrum peak wavelength and the changement of germanium film temperature, we can calculate the amount of movement of the peak wavelength, with which we can obtain the interference optical path difference and germanium film thickness. Finally, we got the thickness of the germanium film by the experimental method. It was 329.49nm. The measuring results thickness of the germanium film are 328.13nm by step profiler. In the error range, and the results are basically consistent. The error caused by wavelength shift and temperature measurement in the experiment are 0.76% and 0.14%, respectively.

Key words: the white light interference; Nanometer thin film; the movement of peak wavelength; Thickness measurement

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究的背景与意义 1

1.2薄膜厚度的测量方法及国内外发展的现状 1

1.3 本文研究的内容及章节安排 3

第2章 白光干涉的理论与仿真 4

2.1时域理论基础及仿真分析 4

2.1.1 时域干涉理论 4

2.1.2 时域干涉仿真分析 6

2.2频域理论基础及仿真分析 7

2.2.1 频域干涉理论 7

2.2.2 相干长度的计算 8

2.2.3 频域干涉仿真分析 9

2.3光源特性对白光频域干涉的影响仿真 16

2.3.1光源的类型对白光干涉的影响 16

2.3.2 中心波长对白光干涉的影响 19

2.3.3 谱宽对白光干涉的影响 20

2.4白光干涉常用的解调方法 22

2.4.1峰峰值测量法 22

2.4.2傅里叶变换测量法 22

2.4.3傅里叶变换白光干涉测量法 23

2.5本章小结 23

第3章 白光干涉法测量薄膜厚度的方法与实验 25

3.1锗膜厚度的测量方法 25

3.2锗膜厚度的控制 25

3.3实验系统 29

3.3.1光源模块 30

3.3.2信号处理模块 31

3.4实验数据的处理及分析 32

3.5实验的误差分析 36

3.6本章小结 36

第4章 总结与展望 37

参考文献 38

致谢 39

第1章 绪论

1.1研究的背景与意义

21世纪科学技术飞速发展的洪流中，纳米技术和纳米材料已逐渐深入到人们生活的方方面面。人们对于纳米技术的深入研究，就是要实现对整个微观世界的掌控。作为一种新型的纳米材料，纳米薄膜已在科学研究中发挥了不可预估的作用。纳米薄膜材料是指尺寸为纳米级的组元沉积在基片表面而形成的一种特殊材料，而在纳米薄膜的各种相关测量量中，厚度又是一个极为重要的参数，因为它极大地影响着薄膜的光学性能，力学性能以及电磁性能等。因此，如何能够准确地测量纳米级薄膜的厚度，已成为当前科学研究者一个不懈追求的话题。

科技水平的日益提升，制造工艺的日新月异，使得纳米级薄膜材料向前迅猛发展，与之对应的纳米级薄膜厚度的测量技术也得到了发展。无数科学工作者的探索与研究，给我们提供了许多测量纳米级金属薄膜厚度的方法，主要可以分为两大类：(1)非光学方法，主要包括电阻法，电容法，涡流法和探针法；(2)光学方法，主要有椭圆偏振法，光度法，白光干涉等等。随着测量方法的不断改进，光学方法已逐步取代非光学方法。

1.2薄膜厚度的测量方法及国内外发展的现状

光学薄膜发展至今，其地位与意义越来越凸显，光学薄膜的应用也渗透到我们生活和工作的方方面面，诸如手机，电脑，乃至实现光的增反，增透等等，而其厚度测量技术在国家建设和许多行业的发展中有着至关重要的作用。