实验三 干涉显微镜测量薄膜厚度

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1、实验三 干涉显微镜测量薄膜厚度一、实验目的1 掌握干涉显微镜的工作原理及使用方法；2 用干涉显微镜测量薄膜厚度。二、实验说明2.1 实验原理把显微镜和光波干涉仪结合起来设计而成的显微镜为干涉显微镜。干涉显微镜的类型很多，常用的干涉显微镜是以迈克耳逊干涉仪为原型，其原理却都是以劈尖干涉为基础的，下图 1 为劈尖干涉的示意图：若在两块平面玻璃间垫一细丝，即形成一个空气劈尖（为便于说明问题图中夸大了细丝的直径） 。当一束单色光射入时，则在空气劈尖（n=1）上下两表面所引起的反射光线将相互干涉。若这两束光的光程差恰为半波长的奇数倍时，则发生相消干涉而呈现暗色条纹；若光程差为半波长的偶数倍时，发生加强干

2、涉而得到明亮条纹。一定的明暗条纹对应一定的厚度，所以这些干涉条纹也叫等厚条纹。条纹间的距离 l，随劈尖的夹角 而变化， 越小，l 越大。在迈克耳逊干涉仪中，只要某一光程差发生变化，就要引起干涉场中条纹移动，光程差每改变半个波长( 2)，则干涉条纹移动一个条纹间距。故待测样品表面若存在局部不平 , 结果会导致干涉条纹发生弯曲, 条纹弯曲的程度是样品表面微观凹凸不平程度的反映, 只要测出条纹的弯曲量就可以求出样品表面的凹凸量。根据这一原理, 可借助该仪器来测量镀膜膜层的厚度.设 M1、M 2 是两个不严格垂直的理想平面，则得到等厚干涉直线条纹。若表面 M2 上有沟槽，干涉条纹将发生弯曲或断折，如图

3、 2 所示。沟槽的深度 h 由式（41）决定。eHh（41）图 1 劈尖干涉的示意图 图 2 表面沟槽及干涉条纹的形状 图 3 薄膜与其干涉条纹的形状式中，为干涉条纹曲折量，e 为条纹的间距。若用白光照明，e 是指两根接近黑色的干涉条纹中心间的距离。这时 取 540nm（绿光 =0.53 m=5300） 。若被测件的部分表面镀有厚度为 h 的薄膜，则只要测量出干涉条纹间距 e 和因镀膜而引起的干涉条纹位移量，就可算出该薄膜的厚度。如图 3 所示。2.2 6JA 型干涉显微镜的光学系统及构造2.2.1 6JA 型干涉显微镜的光学系统本实验用的是 6JA 型干涉显微镜, 其光学系统如图 1 所示,

4、 属于双光束干涉系统。光源 1 发出的光经聚光镜 2 投射到孔径光阑 4 平面上, 视场光阑 5 不在照明物镜 6的前焦面上, 光经分光板 7, 被分成两部分: 一部分反射, 另一部分透射 . 被反射的光经物镜 8 射向标准反射镜 M1, 再由M1 反射, 射向目镜 14; 而从分光板上透射的光线通过补偿板 9、物镜 10 射向工件表面 M2, 再由 M2 反射, 射向目镜 14. 在目镜分划板 13 上两束光产生干涉. 从目镜中可以观察到干涉条纹. 若样品表面平滑,则干涉条纹是平直的.11a5b5a10 5 13 11 1322a2b2c14897a44a31587161b1c图五 6JA

5、型干涉显微镜构造图4 6JA型干涉显微镜光学系统1-光源 2-聚光镜 3,11,15-反光镜 4-孔径光阑 5-视场光阑 6-照明物镜 7-分光板 8,10-物镜 9-补偿板 12-转向棱镜 13-分划板 14-目镜 16-摄影物镜2.2.2 6JA 型干涉显微镜构造6JA 型干涉显微镜其主体是个方箱。上面是工作台（2） ，前面是目镜（ 1） ，后面是干涉条纹调节机构（3） ， （3）下面是灯源（4） ， （1 ）下面是照相机（5） ，主体安置在底座（16 ）上，两旁还有各种用途的手轮。下面分别介绍其结构与操作方法。(a) 目镜头（1）它是一个普通的测微目镜，转动测微目镜上鼓轮（1a）能使目镜

6、视场中十字线位移，位移量由分划刻度和鼓轮上刻度读出。视场中刻线格值 1 毫米，鼓轮上刻线格值 0.01 毫米。松开螺丝（1b）可将测微目镜在目镜转头（1c ）中转动，同时也可将测微目镜从镜筒拔出，换上狭缝目镜（17） 。目镜转头（1c） （在松开支紧螺钉 1d 后） ，可连同测微目镜在主体上转动，测量大工件时，把仪器倒过来放在被测工件上，此时目镜转头也应转过 180，定位为准。(b) 工作台（ 2）用手推滚花轮（2 a）可是工作台面作任意方向移动，将被测工件表面所需要测量的部分移到视场中去。将滚花轮（2 b）转动，可使工作台作 360旋转。将滚花轮（2 c）转动，可使工作台作高低移动，以便对工

7、件表面进行调焦，使工件表面清晰地成像在目镜视场中。(c) 干涉条纹调节机构（3）其中安置物镜 O1 和标准镜 P2，同时转动手轮（7） ， （9 ）可改变干涉条纹的方向和宽度，（7 a）和（ 7b）是同轴手轮，因此作用相同。转动手轮（14）能使物镜 O2 和标准 P1 一起作轴向微量移动能随时补偿因温度，外力等影响而产生光程的变化。手轮（8）可调节标准镜 P1 和物镜 O1 之间的距离，以便使镜 P1 表面精确地成像在目镜视场中。还有一个手轮（15）可以改变标准镜 P1 的反射率，将手轮（15）朝一个方向转到底时，镜 P2 具有高反射率；（15）朝另一方向转到底时，是低反射率，这适合于被测工件

8、是玻璃等非金属或无光泽的反射率表面，以保证在这时也能得到良好对比的干涉条纹。(d) 灯源（ 4）直接拉伸灯头，可是灯丝作轴向位移，转动调节螺丝（4 a）可使灯丝作垂直于光轴方向作小量位移，使灯丝中心位于光轴上。(e) 相机（5 ）相机（5）是上海照相机厂生产的 DFC 型相机，配上专用照相物镜，拍照时应将手轮10 转到照相位置，使光线导向照相机。(f) 主体（6 ）其右边有一半露的滚花手轮（11）用来改变孔径光栏 Q2 的大小。手柄（12） （同轴）向左推到底时，将干涉滤光片移入光路，得到白光照明。左边上部有个手轮（6）是转动遮光板（ B）的，转动手轮（ 6）可使遮光板（B）转入光路，使标准镜

9、一路的光线遮住，只有通过被测件 P2 的一束光到达视场，以便能使工件表面清晰地成像在目镜中。2.3 操作步骤将灯源插头插在变压器插座上，变压器插头插在电源插座上，电源应是 220V，如果系110V，那么应按变压器上说明图改变接线，灯开变压器上开关，照明灯就亮了。 将手轮(1 0 ) 转到目视位置，即把反光镜 S 3 ，从光路中转出，同时转动手轮(6)将遮光板(B) 从光路中转出，此时在目镜中应看到明亮的视场。否则，可转动灯源中心调节 螺丝(4a )， 使得到照明均匀的视场。转动手轮(8 ) 使目镜视场中下方弓形直边清晰，这说明标准镜 Pl 已位于物镜 O1 的物面上。在工作台上 安置好被测工件

10、，被测面朝向物镜，转动手轮(6) 将标准镜 P1 一路光束遮去，转动滚花轮(2c)使工作台上下升降，直到在目镜视场中观察到清晰的工件表面象为止，此时再转动手轮(6)，将遮光板 (B)从光路中转出。 松开螺丝 (1b)将测微目镜从目镜转座中取出，直接从目镜管看进去，可以看到二个灯象，此时转动手轮(11)使孔径光栏开至最大，转动手轮(7)、 （ 9） ，使二个灯丝象完全重合，同时调节螺丝 (4a)使灯丝象位于孔径光栏中央，再插上测微目镜，旋紧螺丝(1b) 。 将手柄(12)向左推到底，干涉滤色片 F 插入光路，此时在目镜中应能看到干涉条纹，如果没有条纹，那么可以慢慢地来回转动手轮(14)，直到视场

11、中出现最清晰的干涉条纹。 此时把手柄(12)向右推到底，即把干涉滤色片从光路中移出，就可以得到彩色寻：涉条纹，转动手轮（7)、 (9)和配合转动手轮(8)、(14)可得到最好的对比和所需的宽度和方向的干涉条纹。转动工作台使加工纹路方向和干涉条纹方向垂直。松开螺丝(1b)转动测微目镜，使视场中十字线之一与干涉条纹平行。现在就可以进行具体测量工作了。 为提高干涉条纹的对比，可以适当缩小孔径光栏的直径。如果视场亮度太亮或太暗，可转动变压器上旋钮进行调节。欲进行精密测量，应该应用单色光，同时应开灯半小时，待仪器温度衡定后进行测量，避免测量过程中山于干涉条纹位移而影响精度。三、实验材料及设备1. 练习操

12、作的 6JA 干涉显微镜2. 供观察的薄膜样品 四、实验内容与步骤1. 观察 6JA 干涉显微镜的构造与光路2. 操作显微镜，比较熟练地掌握聚焦方法，调节出清晰的干涉条纹。3. 分别在自然光和绿光下观察同一个试样，比较干涉条纹的差别。4. 计算出在自然光和绿光下薄膜试样的厚度。五、 实验报告要求1. 简述如何调节才能得到最清晰的干涉条纹图像。2. 简述实验过程中产生误差的主要原因。附：测量误差的修正系数由于在 6JA 型干涉显微镜中光束不是垂直于样品表面，而是以一定倾角入射，故需要讨论由于光束倾斜而对测量结果造成的影响。M1 和 M2 分别表示标准反射镜和样品的表面(两者组成一虚光楔)， 两者

13、成一微小的夹角 ( 参考图 4)， 由于干涉显微镜的入瞳是圆形的， 故样品表面被具有光束孔径角为u 的圆锥光束所照明，来自圆形入瞳中心处光线沿法线 GA 方向入射， 并按原方向反射，从 M1 和 M2 两表面反射的光程差为： 1hN(2)式中 为两表面间距离， 因此 2h1N；来自圆形入瞳边缘处光线沿 EA 方向以角入射，相应两光束程差为 22AD-CF 由于 角微小， 因此,，作如下近似处理： coshcosin22sintgAFD则得：图六 M1 和 M2 组成一虚光楔 222 cos2sinco Nhh (3)因为在视场中所观察到的干涉条纹是所有圆锥光束的光线所产生的干涉条纹相叠加的结果

14、，因此，其光程差为 N2)(1(4)将式( 2) 和式( 3) 代入式( 4) 中得 cosh。又由于圆锥光束的孔径角的正弦为物镜的数值孔径, 即 )(inNA，故 222 )(11sin1cos1 NANNNh (5)比较式( 5) 与式 ( 1) , 得到因光束斜入射的修正系数为： 2)(1NAK该修正系数仅决定于物镜的数值孔径。 在 6JA 型干涉显微镜中，数值孔径可在 0.1 0.65 范围内连续变动，具体取值由待测薄膜的厚度而定，根据数值孔径变化范围可知干涉显微镜测量膜厚的范围为 m03. ，厚度越小相应数值孔径越大， 当 NA= 0.65 时, 其修正量高达 12%。 故利用 6JA 型干涉显微镜测量薄膜厚度时必须考虑修正系数, 修正后的计算公式为： 2)(12hNAeH（6）一般 0NA1。因此, 会聚光照射样品表面时，干涉条纹间隔的长度“当量”大于 2。只有当 NA=0，即平行光垂直入射于样品表面，修正系数 K= 1，故 eHh。