反射分光膜厚測量原理分析

發(fā)布日期：2022-08-18      瀏覽次數(shù)：4193

反射分光膜厚測量原理分析

什么是反射光譜？

讓我們考慮當(dāng)光與基板上的薄膜樣品垂直時(shí)的反射光。

在這種情況下，光在薄膜的上方和下方都被反射。反射的光量是這兩種反射的總和。由于光的波動性，來自這兩個(gè)界面的反射根據(jù)它們的相位關(guān)系增加或減少亮度。

相互相位關(guān)系由兩次反射的光路、膜厚、光學(xué)常數(shù)和光的波長決定。當(dāng)光路是波長的整數(shù)倍時(shí)，反射同相并相長相加。這種現(xiàn)象發(fā)生在當(dāng)光以直角入射到透明薄膜上時(shí)，2nd = iλ（其中d為薄膜厚度，i為整數(shù)，因子2表示光穿過薄膜兩次）時(shí)發(fā)生。相反，當(dāng)相位從相位匹配的狀態(tài)偏移1/2波長時(shí)，即當(dāng)2nd = (i+1/2)λ時(shí)，反射的相位偏移并在抵消方向上減去互出。。

這些反射可以用下面的單個(gè)方程表示。由此可以看出，薄膜的反射率如下所示以 1/λ 周期性變化。換句話說，當(dāng)觀察某個(gè)波長范圍時(shí)，薄膜越厚，反射循環(huán)的次數(shù)就越多。

 



 

 

從反射光譜中看到的薄膜特性

實(shí)際的反射光譜被認(rèn)為是由來自薄膜表面的反射光與透過薄膜并在與基板的界面處反射的光之間的干涉引起的。

 

將光視為一種波，波的相位根據(jù)穿過薄膜的光的長度和薄膜材料的折射率（密度）而變化。由于每個(gè)波長的光的相移不同，因此干涉光相對于光譜波長不斷變強(qiáng)和變?nèi)?。因此，以橫軸為波長的反射率呈波浪狀。

 

一般來說，折射率（或吸收系數(shù)）越大，反射越高，薄膜與基板的折射率差越大，波幅越大。

 

薄膜越厚，相對于光譜波長的波數(shù)越大（頻率越高）。



 

樣品的折射率越高，反射率越高。



 

薄膜和基材的折射率越高，波幅越高。



通過光譜獲得的反射光譜包含有關(guān)薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)的信息。如何從中提取膜厚和光學(xué)常數(shù)值？

 

膜厚可以從某一光譜波長范圍內(nèi)的波數(shù)粗略估算。在可見光區(qū)，一個(gè)波谷或波峰估計(jì)在0.1微米左右，一個(gè)峰谷幅度（一個(gè)波長）在0.2微米左右，這是一幅圖像。

 

換句話說，近似的薄膜厚度 被認(rèn)為是
峰（或谷）x 0.2微米的數(shù)量。
這只是一個(gè)指導(dǎo)方針。在實(shí)踐中，膜厚由程序在考慮膜的折射率和基板的參數(shù)的情況下確定。

 



一谷，約0.1微米



6 個(gè)峰 x 0.2，因此大約 10-12 微米



50 個(gè)或更多峰 x 0.2，因此 100 微米或更多

至于光學(xué)常數(shù)，反射峰和谷的幅度可以認(rèn)為是基板的反射（折射率）與薄膜的反射（折射率）之差。基板與薄膜的折射率差越小，振幅越小，折射率差越大，振幅越大。因此，如果已知基板的折射率，則可以獲得薄膜的折射率。