（光学工程专业论文）基于相位偏移干涉术的薄膜厚度测量方法.pdf

基于相位偏移干涉术的薄膜厚度测量方法学科：光学工程篇玺鲈- a 前指导教师签字：。瑚o i 砥场摘要只有解决了薄膜厚度的精确测量问题，才有可能解决薄膜的制备问题。光干涉计量测试技术以波长为计量单位，是一种公认的高精度计量测试技术。本文在简述移相干涉术基本原理的基础上，提出了一种基于相位偏移干涉术测量薄膜厚度的新方法，并利用该方法对多个s i 0 2 薄膜样片进行了测试。基于泰曼一格林型干涉系统，以c c d 接收来自被测膜层的干涉图像，并用数字采集卡采集，由计算机控制p z t 驱动源、调制压电调节器等间隔地推动参考反射镜平移，可采样到多幅干涉条纹图像。针对移相干涉术中的主要误差来源，研究了移相器非线性误差的消除，利用重叠四步平均法，减小由于移相器的位移误差而引起的相位复原误差。通过对所获取干涉图进行区域识别、去除噪声的算法研究，实现了干涉图的预处理；研究了波面相位解包的种子算法，实现了干涉图的波面统一；从而得到了含有表征薄膜厚度信息的三维波面。由于薄膜的厚度取决于解包后的相位值，建立了量化相位信息与薄膜样片各点处厚度之间的对应关系，实现了对薄膜厚度的精确测试，所测薄膜厚度的算术平均值为1 6 2 n m ，p v 值0 2 7 4 彳, ，r m s 值0 0 7 7 名。针对同一样片，利用z y g o 干涉仪等其它方法进行测试，其测试结果是：薄膜厚度的算术平均值为1 5 9t m 。p v 值0 2 6 5 名，r m s值0 0 7 2 名。基于以上方法，对多个样片的实验数据进行了分析与处理，并与z y g o 干涉仪、航空3 0 4 所自行开发的激光平面干涉仪的测试结果进行比对，结果表明：本文研究的相位偏移干涉术测量薄膜厚度，其精度高于州5 0 ，同时该方法具有非接触、全场测量等优点，不仅验证了该方法的可行性，而且为进一步研究和优化薄膜制备工艺提供了工程化保证。关键词：相位偏移干涉法；测量；薄膜；厚度；干涉图；相位解包m e a s u r e m e n tm e t h o do ft h i nf i l mt h i c k n e s sb a s e do np h a s e s h i f ti n t e r f e r o m e t r yd i s c i p l i n e ：o p t i c a le n g i n e e r i n gs t u d e n ts i g n a t u r e ：5 7 7 锄s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：孚叼a b s t l a c ta f t e rb vs o l v i n gt h ep r o b l e mo ft h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h et h i nf i l mt h i c k n e s s ，i ti sp o s s i b l et os o l v et h ep r o b l e mo ft h et h i nf i l mp r e p a r a t i o n i n t e r f e o m e t r yt a k e sw a v e l e n g t ha sm e a s u r i n gu n i t ，w h i c hi sar e c o g n i z e dh i g ha c c u r a c yt e s t i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fp h a s e s h i f ti n t e r f e r o m e t r yi nt h i sp a p e r , an o v e lm e a s u r e m e n tm e t h o do ft h i nf i l mt h i c k n e s sb a s e do np h a s e s h i f ti n t e r f e r o m e t r yi sp r e s e n t e d s s e v e r a ls i 0 2t h i nf i l m sw e r et e s t e db yu s i n gt h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e r b a s e do nt w y m a n g r e e ni n t e r f e r o n l e t e ri nt h i sp a p e r ，t h em u l t i f r a m ei n t e r f e r o g r a mm e a s u r e dt h et h i nf i l mc a l lb eo i b t a i n e db yr e c e i v i n gt h ei n t e r f e r e n c ef r i n g e so ft h i nf i l mb yu s i n gc c da n du s i n gd i g i t a la c q u i s i t i o nc a r dt oc o l l e c ti n t e f f e r o g r a ma n dw i t ht h eh e l po ft h ec o m p u t e rc o n t r o lp z l i 。d r i v e ra n dm o d u l a t i o np i e z o e l e c t r i cr e g u l a t o rt op r o m o t er e f e r e n c em i r r o ru n i f o r m l y s p a c e dm o v e m e n t t h ee l i 血n a t i o no fn o n 1 i n e a re r r o rw e r es t u d i e df o rt h em a i ns o u r c eo fe r r o ri np h a s e s h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r y , t a k i n ga d v a n t a g eo ft h eo v e r l a p p i n g4 一f r a m ea v e r a g ea l g o r i t h m w h i c hc a l lr e d u c et h ep h a s ee r r o rc a u s eb yp h a s es h i f t e r - r e e o rc a nb er e d u c e d a f t e rt l l eg a j n e di n t e r f e r o g r a mw e r ed i s p o s e do fp r e p r o c e s s i n g ，w h i c hi n c l u d e do fr e g i o n a l舢g n j 畦o na n dn o i s ee l i m i n a t i o n ；t h ep h a s eu n w r a p p i n ga l g o r i t h m ，b e s ts e e da l g o r i t h m ，1 sp u tf 6 r 、a j dt o lr e t r i e v et h ew a v e f r o n tf r o mt h ei n t e r f e r o g r a m s ；t h e n3 dw a v e f r o n tc o n t a i n i n gt h ei n f b 彻a t i o no ft h i nf i l mt h i c k n e s sc a nb eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h et h i nf i l mt 1 1 i c l 【1 1 e s s 锄dt h eu n w r a p p i n gp h a s e ，c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n 也eq u a n t i f i c a t i o np h a s ei n f o r m a t i o na n dt h i nf i l mt h i c k n e s so fe a c hp o i n tw e r ee s t a b l i s h e dt or e a l i z et h et h i nf i l mt h i c k n e s sa c c u r a t em e a s u r e m e n t ，t h ec e n t e r l i n e a v e r a g eo ft h ef i l mt h i c k e s si s ：1 6 2 删，p vi s ：0 2 7 42 ，r m si s ：0 0 7 7 力。t h es a m es a m p l ei su s i n go t h e rm e t h o d st ot e s t ，s u c ha sz y g oi n t e r f 色r o m e t e r ，t h er e s u l ta sf o l l o w s ：t h ec e n t e r l i n e a v e r a g eo ft h ef i l mt h i c k e s si s ：l5 9n m ，p vi s ：0 2 6 5 旯，r m si s ：0 0 7 22 , ；b a s e do nt h i sm e t h o d ，m u l t i p l es a m p l e so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ea n a l y z e da n dp r o c e s s e di nt h i sp a p e r ，a n dt h et e s tr e s u l tw e r ec o m p a r e dw i t ht h ez y g oi n t e r f e r o m e t e ra n dt h el a s e rp l a n ei n t e f f e r o m e t e rw h i c hi ss e l fd e v e l o pb ya v i a t i o ni n s t i t u t eo f3 0 4 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea c c u r a c yi sl e s st h a n 妯5 0c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d a l s o ，t h i sm e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo fn o n c o n t a c ta n da u d i e n c em e a s u r e m e n t ，n o to n l yt e s t i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d ，b u ta l s of u r t h e re n s u r e dr e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o no ft h et h i nf i l mp r e p a r a t i o nt e c h n i c s k e yw o r d s ：p h a s e - s h i f ti n t e r f e r o m e t r y ；m e a s u r e m e n t ；t h i nf i l m ；t h i c k n e s s ；i n t e r f e r o g r a m ；p h a s eu n w r a p p i n g学位论文知识产权声明学位论文知识产权声明本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提)交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络上公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)6 7磊麦参吆孝冬多锄、节，名 、誊名吩作签文师论教：位导期学指日学位论文独创性声明学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。学位论文作者签名：，秀毒厶叫节氰，签夕师侈一矽导讯将嗍1 绪论随着薄膜技术和光电器件的广泛应用，光学薄膜已广泛应用于武器装备的基础研究及特种器件的研制与生产中。面对武器装备和新型光电器件不断更新和发展的现状，对光学薄膜各种参数的精密测量提出了更高的要求。1 1 研究目的和意义在光学薄膜各种参数的测量中，薄膜的厚度参数是薄膜设计和工艺制造中的关键参数之一，它在很大程度上决定了薄膜的力学性能，电磁性能，光电性能和光学性能等，直接关系到薄膜质量、应用效果等重大问题，所以说检测薄膜厚度已成为薄膜技术领域中重要的、不可或缺的环节。特别是纳米级薄膜技术的迅速发展，使得精确测量薄膜厚度成为研究领域中的热点问题，已引起技术人员的高度关注。因此，解决薄膜厚度参数的高精度测试问题，可为优化薄膜的制备工艺提供检测方法上的工程化保障。针对薄膜厚度测试的研究，国外的研究起步较早，发展也较快，加上其先进的加工手段和高质量的元器件，使得国外在这方面的测试仪器和设备相对先进。与国外相比，我国更多的注重了薄膜的制备材料、制备工艺及其应用领域的开发和研究，对薄膜的铡试和评价重视不够。测试所用仪器设备还较落后，测试手段单调，测试结果的不确定度较大。由于缺乏计量手段，这些仪器的量值不统一，结果的可比性不高。给使用和制造带来了很多问题，影响着各种新型薄膜器件和技术的应用，准确地测量薄膜的厚度已经成为急需解决的问题，相应地，这也为检测技术的科学研究提供了广阔的开发空间。1 2 传统的薄膜厚度测试方法目前，高精度的薄膜厚度测试一直是限制薄膜器件广泛应用的瓶颈问题。现有的薄膜厚度测试方法一般可分为非光学方法和光学方法两大类。非光学测量方法主要有探针法、电阻法、电容法、电磁法、涡流法、称量法、超声波法、口粒子法等i l 】。其中，探针测量法发展于上世纪3 0 年代，在非光学测量方法中应用较为广泛。该方法通过一个高精度的机械触针在物体表面运动来感知表面轮廓的变化。其优点在于稳定性好，分辨力高，测量范围大，但利用该方法进行薄膜厚度测量时，探针在薄膜表面移动，会对膜层表面造成一定的损害。在众多类检测薄膜厚度的方法中，光学方法是应用最为广泛的方法之一。由于光学检测方法的非接触性、高灵敏度性、高精度性以及光学图像的二维计量性，使得它相对于其它类方法具有快速、准确和不损伤薄膜等优点。当前常用薄膜厚度的光学测试方法很多，特点各不相同，按照其自身的特点可分为几类。从不同的角度出发，也就会有不同的分类结果。其他的分类方式还有两种最具代表性。第一种，从理论出发，按照测量方法所依据两安 j 业人学硕七学位论文的光学原理进行分类，可分为干涉、衍射、透射、反射、偏振等方法 2 - 5 。第二种，从测量实际条件出发，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和非吸收膜的测量1 6 。也可根据光源分为激光测量和白光测量【卜9 】。还有的根据承载薄膜的基体情况分为透明基体测量和不透明基体测量等掣。现有的测定方法中，椭偏法也是应用最广泛的方法之一，它是研究两媒质问界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，基于利用偏振光束在界面和薄膜上反射或透射时出现的偏振态的变化，利用检偏器的方位的不同，测量反射光强度随角度的变化，并计算出薄膜厚度值。它最大优点是反射光的偏振态变化对薄膜厚度的变化非常敏感，因此具有很高的测试灵敏度和精度，但是这种方法必须事先制好曲线和数表，但生产偏振仪的厂家所提供的曲线和数表有限，往往需要使用者自己计算所需的数表和曲线，这是一件非常烦琐的事，导致该方法使用起来不够灵活。迈克尔逊干涉仪测试膜厚，使薄膜上下表面反射的两束光发生干涉，通过测定干涉条纹来确定薄膜的厚度。可对纳米膜厚进行快速、准确的测量，精度为几十纳米，其误差主要来源于干涉条纹的清晰度。这种方法适用于厚度均匀、透明的光学薄膜。光谱法是以光的干涉理论为基础。根据薄膜一基底一薄膜界面上光束的透( 或反) 射会引起双光束或多光束干涉效应，具有不同特性的薄膜有着不同的光谱反射率r ( 或透过率t ) ，且在全光谱范围内和薄膜厚度有着唯一对应的关系。因此，可以通过测量薄膜的光谱特性来计算薄膜的厚度。该测量方法试验装置较易实现，但当薄膜的反射率较小时，会使干涉条纹的幅度很小，计算值的误差较大，从而使得测量精度具有一定的局限性】。由于薄膜和基底材料的性质和形态不同，如何选择符合测量要求的测量方法和仪器是一个值得深入研究的问题。每一种测量方法和仪器都有各自的使用要求、测量范围、精确度、特点及局限性【l2 1 。1 3 光干涉测试技术的研究应用现状随着近代科学技术和工业技术的迅速发展，在精密测试领域中，提出了高精度、高效率与自动化的测试要求。白上个世纪7 0 年代以来，国内外主要发展以激光技术为核心的精密测试技术，特别是激光技术、图像处理技术与计算机相结合的近代光学测试技术，这种新一代的光学测试技术能够满足近代对测试技术提出的三维性、相关性和实时性，以及更高的灵敏度和精度的要求。光干涉计量测试技术以波长为计量单位，是一种公认的高精度计量测试技术。许多精密测试工作，都是依靠光干涉的方法来实现的。对于某些测试任务，干涉甚至是唯一可行的解决方法【j 引。光学干涉系统结构简单、成本较低，因此广泛地应用于光学元件非接触测量领域多种物理量的测量。对干涉条纹的处理，一开始采用的是精度较低的几何光学测量法，紧接着是在此基础上发展起来的光学干涉条纹观测法。它是利用光波的干涉原理，通过检测样品表面与标准表面间干涉条纹的形状和间距来判断样品表面面形。这种方法的2测量精度达到了光波的波长量级，但仍限制在二分之一个波长内。直到上世纪七十年代，光学干涉测量方法才有了很大发展，已经能够通过提取干涉信号的相位来获取很高的测量精度，其测量精度己达到百分之一个波长甚至千分之一个波长，即纳米、亚纳米量级。近代光干涉测量技术已经将传统的光干涉测量技术推向了一个崭新的高度，二者的根本区别在于对干涉图的识别方法上。传统的干涉测量技术对于干涉图的识别更多的依赖于经验的判读，这就引入了更多的人为因素，无法满足于高精度光学元件的测量需求。随着激光技术、图象处理技术、电子技术以及计算机技术的不断成熟，近代光干涉测量技术得到了长足的发展。现代干涉仪是在经典干涉仪的基础上发展起来的干涉仪。其基本特征是采用激光光源并且综合应用了光学、电子学、精密机械、计算机科学的最新成就，基于以上特征又被称为数字波面干涉仪。与经典干涉仪相比，具有更广泛的应用前景，优点在于分辨率高、抗干扰能力强、测量精度高、操作方便等。在光学干涉测量中，由于待测物理量被编码在条纹图中，如何从条纹图中提取出被测物理量，是现代光学测量中需要解决的一个十分重要的问题。在上世纪6 0 年代以前，人们采用的是人工判读法，对干涉图进行简单的测量、计算从中得到有关的技术指标，这种方法主观性大，测量精度低，不能反映被测量的精确信息，尽管采用了种种方法来提高判读的精度，比如使用z y g o 尺等技术，但始终没有产生重大突破。干涉图的识别与分析是现代干涉仪的重要标志，也是计量发展的前沿学科之一，随着激光、电子计算机和集成化光电探测器件以及数值计算方法的迅速发展，实时、多功能、高精度的干涉图识别与分析技术有了蓬勃的发展【l4 1 。尤其是上世纪7 0 年代以来，人们在光学中引进电子技术，使用高精度的特殊元器件，比如压电晶体、声光晶体、电光晶体等，采用了条纹扫描法，移相干涉术，外差干涉术和锁相干涉术等方法通过多幅干涉图处理，进行波面复原。以及采用单幅静态干涉图的处理方法如傅氏分析法( 亚条纹法，快速傅氏分析法) 、干涉条纹的计算机追踪算法、基于静态小波分解的s a r 干涉图滤波法、基于遗传算法的干涉条纹数据处理方；孛【1 5 1 6 】i o为了适应高精度和自动化测量的要求，近二十年来，有大量的学者从事了这方面的研究工作，提出了通过测量干涉条纹的相位分布来精确给出被测量物理量的数值，即相位测量技术。在相位测量技术的理论基础形成的初期，由于当时图像采集、处理技术以及计算机技术的限制，制约了它的发展。大规模集成电路的出现、固体摄像器件的发展，进一步促进了相位测量技术的发展。采用采集条纹图的光强信息，通过图像采集卡把条纹量化为数字量存储在计算机中，通过相应的算法进行相位的求解，并自动显示出被测物理量的信息，实现了测量的自动化，并且提高了测量精度。1 4 主要的相位测量方法虽然相位信息对光学测量来讲非常重要，并可以通过干涉法得以保留条纹图中，但它3两安t 业入学硕十学位论文不能直接从一幅干涉条纹中提取。通常，一幅干涉图可以表示为：l ( x ，y ) = a ( x ，y ) + 易( 工，y ) c o s lt p ( x ，y ) i( 1 1 )式中包含了三个未知数，a ( x ，y ) 为背景光强，b ( x ，y ) 为条纹的调制度，妒( 五y ) 为待求的相位项，它们都是空间位置的函数。从数学上来讲，要想从式( 1 1 ) 中求解出相位项，必须要引入更多的附加条件，也即对干涉条纹再进行调制。许多学者在这方面进行了大量的研究，目前主要的相位测量方法有三大类：外差法、傅立叶变换法以及相移法【1 7 - 1 8 。1 4 1 外差法光学外差相位测量方法最早是由c r a n e 提出并在实验上实现的1 1 9 ，随后得到了应用。外差法的基本思想是在两束干涉光中引入微小的频移以产生拍频，从而使光信号的变化能被光电探测器接收，经过相应的处理获得位相信息。拍频的产生是通过具有一定频率差的两个光源或是同一激光经分束，其中的一束经过频率调制之后再复合。由于拍频的产生比较复杂，特别是要得到稳定的频差对仪器和测试条件要求相当高。在每个测点要获取足够多的采样点从而进行相位差的求解，另外就是要进行逐点扫描，因而测量的时间比较长，而且整个系统比较复杂。所以，外差技术没能得到推广。但由于它的测量精度非常高( 可以获得优于2 1 0 0 0 条纹的测量精度) ，随着技术的发展，外差干涉测量技术也具有一定的应用前景。1 4 2 傅立叶变换法采用空间相位调制来替代时间频率调制，以缩短外差技术测量所需时间，这就是傅立叶变换法。其实现过程：利用c c d 摄像机直接采集条纹图，采用傅立叶变换将变形条纹图从空域变换到频域，在频域中把高频噪声和载频去掉，只保留条纹频率，然后进行逆傅立叶变换再从频域变换到空域，进行相应的处理即可得相位分布。傅立叶变换法求解相位的优点是只需一幅条纹图即可得出其对应的相位分布，容易实现对动态过程的测量。1 4 3 相移法外差法测量精度高但测量时间过长，傅立叶变换法则利用了条纹图的全局空间信息，只需一幅条纹图即可实现，但滤波器的选择使得该方法自动化程度不高。相移法则是外差技术和傅立叶变换法的折中，它既克服了傅立叶变换法精度的问题，又缩短了外差法测量所需时间。移相法采用直接获取干涉图，再加上一定的时间调制，采集三幅以上的条纹图，经简单的运算可以获得被测物理量的相位信息。其主要特点为：具有高的测量精度( 可达州1 0 0 0 条纹精度) ；运算简单、处理速度快：相位测量不受背景光强起伏的影响；可同时获得全场各点的相位值，易实现测量的自动化。在相位测量技术中，相移干涉术更是因为以上所述的诸多优点而在高精度光学检测中占有重要的地位，同时也得到了广泛的应用【2 0 】。它是将数字相移技术引入到干涉计量技术中而发展起来的，具有非接触式、高精度、高空间分辨率、集光机电算于一体等特点。4其原理是在干涉仪的两相干光的相位差之间引入有序的位移，当参考光程( 或相位) 变化时干涉条纹的位置也作相应的移动。在此过程中，用光电探测器对干涉图进行多幅阵列网格的采样，然后把光强数字化后存入帧存储器，由计算机按照一定的数学模型根据光强的变化求出相位分布，从而重构出被测物体表面的三维轮廓。目前，国内外对光学元件加工高精度的需求，进一步推动了这项技术的发展。如美国z y g o 公司生产的m a r k i v 型干涉仪，其精确度达州5 0 。南京理工大学、浙江大学等也开发出了具有自主知识产权的数字波面干涉仪1 2 1 。这些方法具有共同的特点：( 1 ) 采用相位直接探测技术对于干涉条纹引入的附加相位调制，用阵列光电探测器或c c d 摄像机接收被调制的干涉条纹，所以具有很高的分辨率。( 2 ) 可靠的高精度通过计算机存储干涉仪的系统误差并进行波面相减，从而可以有效的消除系统误差，利用多幅干涉图采样平均及交流干涉本身对支流漂移的抑制，可以将外界的随机噪声的干扰降到最小，因此测量有很好的重复性，而对干涉系统误差的限制可以放宽。( 3 ) 测量速度高于涉系统可以对干涉图进行自动、精确的检测、分析。对于不同的对象要采用不同的分析方法，这主要取决于：环境要求、软硬件条件、检测要求、条纹的特征( 干涉图的噪声水平、封闭性、不连续性、复杂程度) 等。相移干涉术的核心问题是如何从探测器所接收到的干涉图中正确地提取出每一个象素点的相位值，进而在此基础上构建出物体表面的真实形貌。如果没有环境扰动以及测量误差，任何一种采样方式( 包括相移量和相移帧数) 和相位提取技术都会得出真实的包裹相位值，或者说是一致的结果。但是，在实际的应用中，扰动和误差都难以避免，不同的采样方式和不同的相位提取技术对扰动和误差有着不同的敏感程度，因此需要根据实际情况选择一个最佳的采样方式进行条纹图的采集，然后有针对性地选择相位提取技术求出包裹相位值，或称不连续相位值【2 2 】。，对于相位的求取，通常的做法是按照一定的数学模型根据光强的变化求出相位变化。一般都是通过反正切函数求取波面的相位，这些波面数据是被包裹着的波面数据，因为反正切函数把整个波面规化在一t ，7 1 区间内，因而造成了波面的不连续性。为了消除相位的不连续性，需要对相位进行解包裹，因此如何准确而有效的从干涉图中提取包裹相位分布，然后再对包裹相位进行相位解包裹处理得到连续的相位分布是相移干涉术测量中的一个关键技术问题。另外，干涉图的获取过程中要用相移装置在两相干光之间引入相位差，引入相位差的精确与否直接关系到相位能否准确求取，因此如何消除p z r 位移误差的影响，从而提高相移装置的精度成为物体相位求取过程中又一个需要解决的问题。5两安 一业人学硕十学位论文1 5 本文的主要研究内容本论文是以科技部国际合作项目“激光薄膜制备及检测技术( 项目编号：2 0 0 7 d f r 7 0 1 8 0 ) 为背景展开工作的，研究的目的在于对国际国内薄膜厚度测试技术发展动态进行深入调研的基础上，研究一种基于普通实验室条件、快速无损、测量精度在n m数量级的全场薄膜厚度测量方法，并将该方法运用于实际测量系统中，以解决原有测量技术在实际使用中所遇到的各种局限性。主要进行了以下几方面的研究工作：1 提出基于相位偏移干涉术测量薄膜厚度方法，探索利用该方法测量薄膜厚度的可行性。2 基于泰曼一格林型干涉系统，实现用c c d 接收膜层激光干涉图像，并用数字采集卡采集干涉图像，最终由多幅干涉图直接求解相位分布，建立数学模型量化相位信息和薄膜厚度之间的关系。3 分析相位偏移干涉术的误差来源，研究移相器的线性及其非线性误差的消除，探索一种能减小由于移相器的位移误差而引起相位复原误差的方法。4 通过对含有被测薄膜信息的干涉图进行预处理，系统的研究区域的识别、噪声的去除，使干涉图精度得到提高。对包裹相位进行解包裹处理，以消除相位的跳变，将多个截断相位的区域拼接展开成连续相位，再对解包后的波面进行位相复原，得到含有表征薄膜厚度信息的波面图。5 通过对多个样片的膜层厚度测试实验，给出干涉图的实际处理结果，并与z y g o干涉仪等其他测试方法进行比对，验证这一新方法测量薄膜厚度的可行性及其精度。62 相位偏移干涉术测量薄膜厚度的测试原理及方法2 相位偏移干涉术测量薄膜厚度的测试原理及方法干涉仪输出的是一幅干涉图，借助于数学物理模型，可以将干涉图与多种被测参数相联系，从而实现测量相关的物理参数。本章介绍了相位偏移干涉术的基本方程、优点及其应用，在此基础上讨论了相位偏移干涉术测量薄膜厚度的基本原理，给出了实现这一原理的测量装置，包括：泰曼一格林型干涉仪光学系统、图像采集系统及各硬件系统组成。2 1 相位偏移干涉术自1 9 7 4 年b r u n i n g 等人提出移相干涉术( p h a s es h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r y ) 2 3 1 后，从干涉图中高精度提取相位信息已成为可能，同时也得到了广泛的应用【l 引。三十多年来，随着光电技术、激光技术、计算机技术以及图像处理等技术的迅速发展，移相干涉术的原理、算法和移相模式也不断发展，各种新的研究成果和应用层出不穷。2 1 1 干涉仪光具有波动特性，在两个( 或多个) 光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动则始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分布，这称为干涉。利用光干涉原理制造的仪器统称为干涉仪。( 1 ) 传统干涉仪六十年代期间，三个主要的方面极大地影响了干涉计量术：激光器的发明和引用；隔振手段的应用和提高；计算机引入干涉图的分析。激光的引入使得发生干涉不再严格的要求等光程，而且还使我们可以拍摄到清晰的干涉图。不等光程的干涉术又引发了两个问题，一个是振动成为影响干涉仪条纹稳定的主要因素，于是就发明并引进了隔振系统；另一个问题是既然得到了精确的干涉图，则从干涉图中提取完整的面形信息成为下一个目标，于是在一些研究单位及大的光学加工工厂，人们开始用计算机来分析处理干涉图的条纹信息。七十年代干涉计量术获得了大范围的普及，干涉仪越来越被用户所认可。市面上有了两种类型的商品化激光干涉仪：泰曼一格林干涉仪和斐索干涉仪。泰曼一格林干涉仪有其固有的通用性：而斐索干涉仪由于其共光路特性而结构简单、价格低、体积小。此时干涉仪大致采用四种方法来判读条纹：目视判读。由有经验的测试人员根据条纹弯曲程度来判断波面情况；照相法。将干涉条纹拍成照片，然后用直尺等量出条纹间距和弯曲程度，再计算出光圈数；测微目镜法。在干涉仪目视观察处装上带分划板的测微目镜，来测量条纹间距和弯曲程度，再计算出光圈数；7两安j i ：业人学硕十学位论文条纹法。用摄像机和采集卡结合，将干涉图像转换为数字图像，利用计算机图像处理技术跟踪条纹，采集数据并进行计算。上述方法中，目视法精度最低，并且缺乏客观性。而条纹法精度高，但当时计算机等设备价格昂贵，软件编制困难，计算速度慢，只有极少部分干涉仪配置。因此带测微目镜的干涉仪在计量部f - j ：k 量使用，我国目前使用的干涉仪检定规程( 试行) 就是针对这一类干涉仪编写的。八十年代开始，电子技术、计算技术、控制技术、材料技术得到了长足的发展，出现了各种实时数字波面干涉测量仪器【冽。干涉仪的主要光学结构虽然与以前相似，但原理与算法却发生了革命性的变化，移相干涉术、锁相干涉术、外差干涉术等相继获得实现。其中采用压电晶体的移相干涉术因方便、快速、准确成为新的数字波面干涉仪的主流。九十年代以后，科技的发展对检测精度提出了越来越高的要求，这就需要相应地提高干涉仪的测量精度。原先的相对测量方式已经满足不了测量的高精度要求。( 2 ) 数字波面干涉技术数字波面干涉技术最初使用的是条纹法，即对干涉图象采取拍照、光学扫描照相，然后从密度仪读数、计算机处理以得到更灵敏的波前测量，这些系统可能不够准确或甚不方便1 2 5 ，原因在于：照相过程的非线形，引入在各点上的畸变，以至不能对准干涉条纹的极大处；为缩小干涉条纹间隔，而使参考面倾斜所引起的畸变，或其它横向测量误差均会转换为相位误差；很难用平均波前来消除大气干扰和干涉条纹漂移的影响；难于对干涉仪的缺陷作确定和补偿；细分过程须更多的努力和操作时间，不适用日常的一般应用。为克服上述缺点，国内外研制成数字波面干涉仪，它应用于干涉条纹移相扫描技术及计算机软件，以平均多次波前来消除干扰和噪声。干涉仪的误差明确地可先在波前测量出并加以补偿，仪器实现了对光学元件的表面轮廓、平面度、光学传递函数及非球面的检测，系统可自动取样，在显示屏上实时显示出三维透视图或波面轮廓的等高线，便于日常检测和处理控制。数字波面干涉仪是光、机、电、算相结合、融硬、软件于一体的高精度、实时快速的智能化仪器。它能够按照移相干涉术等一系列数学物理模型，复原波面，输出波面的面形偏差( 光程差) ，峰谷值( p v ) 、标准偏差( r m s ) ，并形象直观地给出波面二维等面图、三维立体图及测试干涉图像。因此，现在的干涉仪已经成为高新技术计量工具，其应用范围越来越广泛。同时，现在的技术特征拓宽了干涉仪的通用性。最初的干涉仪都是为了某种特定的计量和测试目的而设计，而现在设计的干涉仪，其功能广，除了具备一些必要的测试功能外，还有一些辅助功能，用户可以根据自身的需要，自由选择测试范围。82 相位偏移干涉术测量薄膜厚度的钡4 遮匾理及立洼( 3 ) 目前干涉仪的特点和发展趋势现代干涉仪的基本特征是采用激光做光源并且综合应用了光学和电子学的最新成就，现代干涉仪的性能比经典干涉仪有了显著的进步，表现在量程大、分辨率高、抗干扰能力强、测试精度高、操作方便等。总体而言，干涉仪具有以下的几点特征：光、机、电一体化；实现了实时、智能化控制；应用范围广；通用性强；测量精度高；测量速度快，距离远；抗干扰能力强。干涉仪正向智能化方向发展，其发展趋势主要表现在：光源。除了可见光和红外，今后，微波、紫外、x 射线都会得到相应的应用，以适应绝对距离测量、纳米测量的需要。半导体激光器的性能将得到不断的改善，取代某些气体激光器的应用领域，甚至有更新的光源( 如光子晶体器件) 出现。探测器。光频在1 0 1 4 数量级，为测量信号提供了充足的带宽。但是，目前探测器的响应频率只达到1 0 9 量级，使光频的优点不能充分发挥。因此，必然有很大的投入来提高探测器的响应频率。一旦探测器的频率得到显著提高，用时间和光束直接表达距离将会十分简单，干涉仪的结构和性能必然随之变化。信号处理系统。在适应环境、消除噪声、误差修正处理、测量数据速度和可靠性方面有明显提高。前述的设计原则会被更广泛和自觉的应用。光学系统。光学系统的集成和小型化将会明显进展。波导、光纤、二元光学器件、半导体激光器、非线形光学器件等的集成将得到应用。( 4 ) 干涉仪的类型现代干涉技术发展较快，应用广泛，如测长、测面、测流场、测振动等等，干涉仪可按照形成干涉的光束数目分为双光束及多光束两大类，双光束干涉仪所产生的条纹其亮度多呈正弦曲线的分布情形，例如泰曼一格林( t w y m a n g r e e n ) - - t - 涉仪、菲索( f i z e a u ) 干涉仪、马赫一泽得干涉仪( m a c h z e n d e r ) ，剪切( s h e 撕n g ) 干涉仪及迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪，皆属于此种双光束干涉方式。而多光束干涉仪之条纹亮度情形也是周期性的，但却呈狭窄的亮带，如梳状脉冲波形( d i r a ec o m b ) ，有名的f a b r y p e r o t 干涉仪即属此类。多光束干涉仪通常是由非常多的光束干涉而形成，至于三光束或四光束的干涉仪通常视为双光束干涉仪的同类，因为它们的干涉条纹特性很相近。干涉另一种分类方式是依据光波分割的情形亦即分为波前分割与振幅分割两种形式。波前分割是指光束的波前经过了同一平面的一系列狭缝而产生分割，例如以双棱镜或光栅9两安一i ：业人学硕十学位论文来把一道光分成二部分。振幅分割则是以部分反射装置来区分其振幅大小成两部分，例如光束经过了类似分光镜的界面而分成两道光。干涉仪的其他分类方法还有：按光学基本原理可分为等倾干涉、等厚干涉、错位干涉等；按等厚干涉的光路结构又可分为泰曼光路和斐索光路；按数字化测试原理有激光光外差干涉、锁相干涉、空间载频外差干涉、移相干涉等；按移相干涉的波面复原原理又有四步法、c a r t e 法、c a m e 平均法、重叠平均法等多种方法。在干涉仪的发展历史中，等倾干涉仪一度与等厚干涉仪处于同样重要的位置，而现在由于移相技术的出现，等厚干涉仪己逐渐取代了等倾干涉仪。平面等厚干涉仪是采用等厚光波干涉原理，测量物体表面平面度的干涉仪。2 1 2 相位偏移干涉术的优点相位偏移干涉术是把通讯理论中同步相位探测技术引入到光学干涉计量术中，是计算机辅助干涉计量测试中一个最重大的发展。它采用条纹扫描技术，由计算机控制多次采样，并对干涉图进行数据处理，这种技术具有一些明显的优点：( 1 ) 对干涉条纹的对比度要求较低。( 2 ) 采用对光强多次采样平均来求波面相位，随机噪声得到抑制。( 3 ) 采用相位存贮相减技术来消除系统误差，因而对干涉系统本身的重量要求降低。( 4 ) 测量精度高，且与条纹的空间位置、形状分布无关。( 5 ) 测量速度快。2 1 3 相位偏移干涉术的应用随着激光、计算机和集成化光电探测器件的出现与迅速发展，移相干涉测量技术的日益成熟，并以其高精度、高空间分辨率、集光机电算于一体等特点，广泛用于各种光学测量领域陋剜。首先，移相干涉测量技术广泛地应用在红外光学元件的测量方面。红外光学元件和系统在军事、航天航空和民用上有广泛的应用，其工作域为红外波段，因而用普通的可见光干涉仪无法测量其质量。红外干涉仪可用于红外光学材料折射率均匀性、红外光学系统质量、表面粗糙度、光盘基片和非球面毛坯的测量等等。移相干涉测量技术还可以应用于非球面的测量。非球面的测量一直是一个难题，南京理工大学电光学院课题组采用标准补偿透镜组与计算全息图相结合的方案来产生非球面的“标准样板”。计算全息放置在光路中来满足不同形式的非球面的测量要求，在干涉仪中引入移相数字干涉技术，使非球面面形偏差的数据能高精度自动计算出来，从而实现较好的测量效果。目前移相干涉术在大口径光学元件的测量方面应用也较多。大口径光学元件一般是指1 02 相位偏移干涉术测量薄膜厚度的测试原理及方法口径大于3 0 r a m 以上的光学元件。在干涉测量中，不仅要考虑干涉仪的精度，还要考虑光学元件自身的支撑和测量气流的影响。在天文光学系统中，大口径的球面元件较多，干涉仪的放置要求轻便易调，而且还要考虑减少干涉时气流和振动的影响，以往的传统移相方法，特别是硬件移相方法，有时就无法适应具体的要求。目前，较多地采用抗振移相干涉技术来测量大口径光学元件，同时，波长调谐移相干涉测量技术也越来越多地应用到大口径的光学系统测量中。2 2 相位偏移干涉术测量薄膜厚度的基本原理薄膜的厚度测量是基于泰曼一格林( t w y m a n g r e e n ) 型数字波面干涉仪获取干涉图进行的，测量系统如图2 1 所示。图2 1 泰曼一格林型干涉仪用于测量薄膜厚度系统示意图实验中所用膜层为采用热蒸发工艺镀制的s t 0 。薄膜，使用玻璃作为基底。整个系统的工作过程为：计算机对p z t 控制发出指令，按设计好的时序和电压信号驱动p z t ，p z t推动参考镜位移产生相位位移，干涉条纹在干涉场中位移，同时图像采集系统在计算机控制下利用c c d 对动态干涉图进行采样，构成( 时间序列上的) 多幅干涉图。数字波面干涉仪按相干光路分为共光路干涉仪和分光路干涉仪两种，如斐索干涉仪和泰曼干涉仪，它们的测试原理和一般的斐索、泰曼干涉仪一样。数字波面干涉仪就是在原有的干涉仪的基础上增加一些电子设备：如光源部分增加了计算机控制的步进电机及其反两安1 i 业人学硕+ 学位论文馈控制电路，用来驱动渐变滤光镜保证干涉光强的稳定，保证其在c c d 的线性响应区内；在参考反射镜后装有压电陶瓷堆( p z t ) 制作的高精度移相器，受计算机控制对参考光束相位进行调制；在接收光路中增加一个c m o s 来接收初调图像，其与接收到测试干涉图的c c d 用电子系统进行软切换，取代反射镜切换方法，简化了光路，提高了系统的整体可靠性；在c c d 前有调焦、变倍系统，可以通过调整得到清晰的干涉图像，并能使小样品的像放大到合适的尺寸。这些电器部件，通过一块集成控制板与计算机接口连接，可以按程序指令自动调整。由于c c d 得到的是视频信号，必须经采样、量化编码后，送入计算机，成为计算机可以处理的干涉条纹的灰度图像，所以要用图像采集卡来完成这个功能。在w i n d o w s 环境下，采用p c i 接口的图像采集卡可以充分利用计算机资源，提高采集精度，使干涉图像的采集方便化、自动化，通过对采集的波面数据进行处理，得到被测件的待测参数，实现测试的自动化 3 0 - 3 2 】。假设( 工，y ) 为出瞳上的坐标，对于一幅干涉图，干涉场光强分布函数可以写成：l i ( x ，y ) = a ( x ，) ，) + 易( 工，y ) c o sj 垂( z ，y ) + r p ii( 2 1 )式中，o ( x , y ) 为被测波面的相位分布函数，a ( x ，y ) 为干涉场背景光强，b ( x ，y ) 为干涉条纹的调制度，仍为参考波面的可变相位位移2 6 1 。对应于干涉场中的某一点( 而，y o ) ，式( 2 1 ) 可以简写成：i f = a + b c o s o + 仍( 2 2 )在移相时，步进间隔是等间隔的。当参考波面的相位识在o 2 n 内逐次变化州2 ，即采样间隔取州2 时，对应的干涉场光强分布分别为：( 工，) ，0 ) = a ( x ，y ) + 易( 工，y ) c o