一种位相增强型薄膜厚度测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及光学相干测量领域，具体设及一种位相增强型薄膜厚度测量系 统。
【背景技术】
[0002] 薄膜技术在现代科学技术中的重要性与日剧增。近几十年来，各种光电器件、生物 传感技术、激光器件、微电子器件、液晶显示W及集成光学等技术都在很大程度上依赖着薄 膜技术的发展。而随着光学薄膜设计和薄膜技术的不断发展，在制备高性能的光学薄膜元 件时需要精确测定光学薄膜的几个主要光学参数，包括；折射率、膜层厚度、透射比、反射比 和吸收比等。其中薄膜的物理厚度是薄膜的最基本参数之一，其会影响整个光学元件的最 终性能，因而如何完善现有的薄膜厚度检测技术，实现快速精确地测量具有十分重要意义。
[0003] 目前薄膜厚度的测量方法主要可按非光学方法和光学方法进行划分。非光学方法 主要分为探针扫描法，扫描电子显微镜，原子力显微镜等。
[0004] 探针扫描法，该方法也称作轮廓法，其通过利用微小的机械探针（一般只有几个 微米）接触待测薄膜的表面来测量薄膜的厚度。该方法存在W下几个不足；需要制备用于 测试时使用的薄膜厚度台阶，另外该方法的精度受限于所用探针的大小，且在测S试薄膜 表面轮廓时将会有积分平滑的效应，类似于数学上的低通滤波，因此对高频率薄膜的粗趟 度W及薄膜台阶制备不理想的样品，无法得到良好的测试效果。最重要的是该方法对薄膜 的表面一般可能带来无法预知的损伤。
[0005] 扫描电子显微镜能够用于检测薄膜的厚度，该方法利用聚焦的非常细的电子束作 为电子探针，在被测薄膜表面做光栅形式的扫描，并通过探测器探测被测薄膜表面由入射 电子所激发的二次电子，然后经过放大和数据处理后，能够得到一副高放大倍数的扫描电 子图像。由于被测薄膜的表面分布与二次电子的强度及分布有关，因此该扫描电子图像能 够直观的反映被测薄膜表面的粗趟度分布情况，并且该方法的横向和纵向分辨率能够达到 纳米级。虽然该方法有如上所说的优点，但是由于扫描电子显微镜只是利用立体观察技术 和立体分析技术来间接获得具有深度效果的图像，因此只能用于定性观察被测薄膜表面的 形貌，并且扫描电子显微镜适用的样品其表面需要导电，因此对非导体薄膜进行测量时，需 要在原薄膜的表面锻金属膜，破坏了薄膜表面的原始形貌，引入了测量误差。
[0006] 原子力显微镜也可W应用于薄膜厚度的测量，该方法能够通过利用探针与薄膜原 子间相互作用力获得薄膜表面形貌。通常原子力显微镜的探针被放置于微悬臂上，利用光 学杠杆原理测出微悬臂在探针与薄膜原子的相互作用力下的形变，从而测得薄膜表面的形 貌。与扫描电子显微镜相比，原子力显微镜测量的样品表面不需要导电，并且其横向分辨率 和纵向分辨率能够达到0.1 nm和0.0 lnm，能够直观的观察分子或者原子。虽然该方法具有 上述所说的优点，但是该方法的横向和纵向扫描范围一般只有微米量级，并且利用光学杠 杆原理来测量微悬臂的形变，容易受到光电噪声、振动等因素影响。
[0007] 利用扫描电子显微镜和原子力显微镜进行薄膜厚度的测量，也可能对薄膜的表面 带来未知的损伤。因而对于薄膜的厚度测量更适合选用光学方法。目前用于薄膜厚度测量 的光学方法主要有光谱法、楠圆偏振法和光学薄膜位相方法。
[000引光谱法W光的干设原理为基础，根据薄膜一基底一薄膜界面上光束的透射（或者 反射）将会引起双光束或者多光束干设，因此不同厚度的薄膜将有着不同的光谱反射率 (或透射率）。因此能够通过检测薄膜的光谱特性来反演推导出薄膜的厚度。目前薄膜的 透射率和反射率主要采用光栅测试分析系统进行测试。并且根据不同测量要求，包括：单层 薄膜、多层薄膜、是否考虑薄膜的吸收、如何选择合理的色散模型、光谱中是否存在多个极 值等，光谱法又可W细分为极值法、包络线法W及全光谱拟合方法等。光谱法需要通过选择 合适的优化方法或者使用多种方法联立，才能够实现较为高精度的薄膜厚度测量。另外，该 方法还要求膜层较厚W产生一定的干设振荡，且只能用于测量弱吸收膜。
[0009] 楠圆偏振法的测量原理是通过检测偏振光束通过薄膜反射（或透射）后其偏振态 的变化来反演推导薄膜的厚度。楠圆偏振法不仅可W用于测得膜层参数，也可W应用于求 取金属、半导体、介质膜的参数。当其应用于测量高吸收衬底上的介电薄膜厚度时，该方法 将比光学干设方法高一个数量级，甚至具有原子层级的灵敏度。然而，楠圆偏振法存在一个 膜厚周期，只有在该周期内使用楠圆偏振法才能够测得精确的薄膜厚度值，如果测量的范 围超过该周期，则薄膜的厚度将有多个不确定值。因此楠圆偏振法测量的薄膜厚度范围一 般从Inm到1ym，且WlOnm左右的薄膜厚度测量为最佳。此外，该方法不仅需要精确测得 反射光强，而且需要精确测得分析偏振强度，因此意味着需要高精度的移动光学器件，提高 了系统的搭建成本。同时，还需要指出的是，更高的灵敏度意味着更容易受到未知因素的影 响，如薄膜折射率的非均匀分布。
[0010] 光学薄膜位相方法指利用干设仪探测得到干设信号来求取薄膜的反射（或者透 射）位相，由于该反射（或者透射）位相与薄膜的厚度有关，因此可W通过测得该反射（或 者透射）位相来反演推导出薄膜厚度的精确值。该方法有如下几个优点；1.无论是透射型 薄膜还是反射型薄膜都可W检测其位相特性。2.该方法为无损检测技术，不会对光学薄膜 表面产生破坏。3.测量装置调节简单，能够实现快速测量甚至于全自动检测。4.检测光谱 波段较宽。5.该方法的整个装置结构简单，成本低，十分适合应用于薄膜厚度的快速=维成 像。另外该方法非常适合应用于多层膜厚度的高精度测量，目前已经有研究小组利用该光 学薄膜位相方法对双层膜实现了 80nm的薄膜厚度测量值。然而光学薄膜位相方法受限于 薄膜非线性位相的灵敏度（即薄膜非线性位相最大值和最小值之间的差值），理论能够精 确重复实现的最小薄膜厚度测量值只有0. 18ym。当薄膜的厚度小于0. 18ym时，利用该方 法进行薄膜厚度测量可能会带来较大的误差，误差率大于1 %。
【发明内容】
[0011] 本实用新型针对光学薄膜位相方法的不足，公开了一种位相增强型薄膜厚度测量 系统。该系统主要由薄膜厚度测量单元和采样波数漂移校正单元所构成。薄膜厚度测量单 元的测量光路和参考光路中分别设置有测量子循环腔和参考子循环腔，利用测量光和参考 光在两个子循环腔中的高速（光速）光循环，能够对待测薄膜样品同一横向位置处的薄膜 位相进行累积放大测量（放大倍数等于测量光和参考光的光循环级次），从而增强薄膜位 相探测的灵敏度。并且由于该系统在对薄膜位相进行累积放大测量的过程中，测量光束始 终照射于待测薄膜样品的同一横向位置，因而不同于利用测量光束在待测薄膜样品中多次 反射进而求取薄膜反射率的光谱方法，该薄膜位相增强方法不会牺牲系统对待测薄膜样品 的横向分辨能力。
[0012] 一种位相增强型薄膜厚度测量系统，包括宽带扫频光源、第一宽带光纤禪合器、薄 膜厚度测量单元、采样波数漂移校正单元、高速数据采集卡和计算机；所述的薄膜厚度测 量单元包括第二宽带光纤禪合器、第=宽带光纤禪合器、第四宽带光纤禪合器、第五宽带光 纤禪合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第=偏振控制器、第四偏振控制器、测量子循 环腔、参考子循环腔、光纤延迟线和第一高带宽平衡光电探测器；
[0013] 所述的宽带扫频光源通过第一宽带光纤禪合器分别与第二宽带光纤禪合器输入 端和采样波数漂移校正单元输入端相连接，第二宽带光纤禪合器的两个输出端分别连接第 一偏振控制器的输入端和第二偏振控制器的输入端；第一偏振控制